TDLAS中基于FFT频谱分析的分子吸收截面在线测量方法研究

With the requirement of efficient and clean utilization of energy and the development of cutting-edge equipment, more demands are put forward to the high-precision measurement of gas parameters. The tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS), as the most potential candidate, encounters the following problems: the direct absorption spectroscopy (DAS) is susceptible to noise and the wavelength modulation spectroscopy (WMS) is unable to measure the important absorbance line profile. To solve these problems, in this project, a transmitted light intensity model with high noise resistance will be first built based on the FFT spectrum analysis in the fixed wavelength modulation scheme. Based on this model, a high-precision baseline expression will be derived in full consideration of the non-linearity of laser intensity and wavelength. Then, combining the simultaneous fitting idea, an in-situ, calibration-free method to measure the absorption line profile will be established. Finally, the proposed method will be experimentally validated in a high-temperature tube furnace taking CO and CO2 as examples. Multiple indicators, including the fitting residual of absorbance line profile, the measurement accuracy of gas concentration and spectral line parameters will be used to verify the performance and accuracy of the proposed method. The detection limits will also be further checked with the Allen variance. The proposed method, which combines the advantages of DAS and WMS, is expected to be a preferable measurement approach for the optimal control of thermal system, combustion diagnostics, and trace gas concentration monitoring in complex industrial scenarios.

能源高效清洁利用和尖端装备快速发展对热工过程气体参数的精确测量提出了更高的要求。为解决可调谐二极管激光吸收光谱技术（TDLAS）中直接吸收法抗干扰能力差、高灵敏度波长调制法无法精确测量分子吸收截面的问题，本项研究拟基于FFT频谱分析理论，在固定点波长调制策略下，推导出蕴含分子吸收截面信息、具有较强抗干扰能力的透射光强-频率模型；在该模型基础上，充分考虑激光光强和频率非线性效应，推导出无吸收时基线-频率高精度表达式，结合同步拟合思想，建立一种高精度、免标定的分子吸收截面在线测量方法；最后，以CO和CO2气体为例，利用高温管式炉模拟多种温度、压力实验工况，从吸收截面的拟合残差、气体浓度和谱线参数的测量精度以及艾伦方差等方面对该方法的抗干扰能力、精度和测量下限进行评价。该方法融合直接吸收法和波长调制法的优点，预期可为热力系统优化控制、燃烧诊断和复杂工业现场痕量气体浓度监测提供新的测量方法。

随着能源高效清洁利用的需求不断提高、尖端装备的研究快速发展，热力系统优化控制对热工过程气体参数的精确测量提出了更高的要求。调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）作为一种新兴的光谱诊断技术，由于其非接触、测量灵敏度高等特点已成为气体在线检测技术的重要发展方向。分子吸收截面作为TDLAS技术的核心参数，蕴含了气体温度、压力、组分浓度以及碰撞展宽、线强度等谱线参数信息，精确测量分子吸收截面是TDLAS技术的关键所在。TDLAS中传统的直接吸收和波长调制两种主要测量方法在实际应用中存在的下述问题：直接吸收法抗干扰能力差、测量灵敏度较低且响应速度慢，波长调制法通过谐波重构分子吸收截面的理论尚不健全，测量精度受激光参数等影响较大。.本项目在立项前期研究基础上，充分考虑了激光频率在波长扫描过程中的非线性效应，通过引入无量纲系数“x”和高阶项精确推导出激光光强与激光频率的的关系表达式，并在此基础上分析了分子吸收截面、振动、电磁等信的号FFT频谱分布特征，确定了重构透射光强采用的特征频谱，结合同步拟合思想，建立了一种基于正弦调制的、FFT频谱分析的、可直接测量分子吸收截面的波长调制-直接吸收（WM-DAS）方法；实验验证方面，本研究以CO分子4300cm-1处吸收谱线为例，通过高温管式炉和平面燃烧器等实验对该方法的抗干扰能力、时间分辨率、窄扫描特性进行了分析和验证。实验结果表明：该方法具有极强的抗干扰能力，在~1%弱吸收条件下可实现分子吸收截面的高精度测量，同时，将方法可将波长扫描范围下限降低至3~4倍HWFW。在应用方面，本项目新增了基于WM-DAS分子谱线参数高精度标定研究工作，开展了不同背景气条件下水分子7299.431cm-1谱线参数标定研究；同时，针对煤粉锅炉水冷壁近壁面还原性气氛H2S和CO浓度上升导致水冷壁高温腐蚀严重等问题，基于建立的WM-DAS方法和恒流稀释预处理技术，开展了煤粉锅炉炉膛CO和H2S浓度高精度在线测量研究，再次验证了WM-DAS方法在复杂工业现场测量气体浓度的可靠性和精度。研究结果表明：WM-DAS方法在谱线参数高精度标定、燃烧诊断以及复杂工业现场中气体监测等领域具有广泛地应用前景，预期可为上述领域中气体参数测量提供新的测量方法。