《热工信号处理技术》课件2-红外光谱分析2+粒度分析

1、红外光谱分析2基于可调谐激光吸收光谱技术的气体在线检测气体在线检测意义环境保护的要求污染物排放监控，空气质量检测燃烧系统优化控制通过其中关键气体检测来优化燃烧系统，如CO、CO2危险气体的实时测量矿井中的瓦斯浓度检测，炼钢行业焦炉煤气中O2浓度测量科学研究工作火灾机理研究，各种参数对于爆震系统性能的影响.气体检测方法气体检测间歇式连续式比色法,离子选择电极法，色谱法连续采样红外、紫外等光学测量方法（FTIR, NDIR）可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）缺点：对烟气进行人工取样只能单一成份地逐个进行检测分析，分析费时，效率低缺点：响应时间慢,需要预处理只能得到整个测量场内某一点的测量数

2、据,采样过程中易于发生二次反应在线式抗干扰（其他气体以及粉尘颗粒）测量结果为光路平均值响应快无需采样与预处理可调谐激光吸收光谱技术发展情况二十世纪六七十年代TDLAS技术出现随着铅盐可调谐激光器的出现；各种物质的光谱信息得到补充完善；激光器价格极其昂贵，且系统复杂，激光器与探测器均需要在低温环境下来进行操作，不利于TDLAS研究开展；二十世纪九十年代TDLAS技术飞速发展随着光通讯和光电子技术的发展，半导体激光器与光纤元件大规模商用化；近红外二极管激光器具有体积小，高电光转换效率以及室温操作等优点，使其迅速成为气态物质监测的理想光源；近红外波段气体测量发展迅速，如CO2、CH4，H2O，O2，

3、CO等等；目前波分复用技术，高速测量TDLAS技术在各个领域开始大量应用，如道路尾气排放，烟气排放检测，空气质量检测等等；2003年Teichert首次利用近红外吸收光谱对大型电站锅炉炉膛内的CO浓度与温度进行测量；TDLAS技术朝着多参数同时测量，高速响应的方向发展；近红外气体测量的波长选择测量波长范围：近红外波段（0.75um-2.5um）气体波长/nm最低可探测浓度/ppm气体波长/nm最低可探测浓度/ppmH2O13900.6CH416506CO2196030C2H215200.8CO1570300HF13100.123305HCl17901.5NO1800600HBr19606265

4、010HI154021NO26803.4HCN15402.9N2O226010H2S1570200SO2O3PH3215010NH315008O2760780H2CO1930500主要激光器类型半导体激光器分布反馈激光器DFB垂直腔面发射激光器VCSEL外腔半导体激光器ECDL温度调谐波长范围电流调谐波长范围调制频率2nm0.2nm1MHz温度调谐波长范围电流调谐波长范围调制频率1MHz温度调谐波长范围电流调谐波长范围调制频率20nm10KHz可以提供气体测量半导体激光器的主要生产厂家：日本Nel ：1200nm-1800nm 2. 德国Vertilize：1300-2000nm3. 德国Na

5、noplus：760-2700nm 4. 德国Toptica：760-2500nmFrequencyvLaser intensity1FrequencyvLaser intensity1目标气体背景气体TDLAS测量原理波长扫描Beer-Lambert LawIt 透射激光强度, I0 参考激光强度, P 气体压力, S(T)- 谱线强度, -线型函数, X 气体浓度, L- 气体吸收路径线型函数在中间情况下，吸收谱线为Voigt线型，其函数为Guass分布函数与Lorentz分布函数的卷积分：在压力影响占主导地位时，吸收谱线为Lorentz线型:在温度影响占主导地位时，吸收谱线为Guass线

6、型:无法理论求解，只能数值计算它是高精度迁移分子吸收数据库（High-resolution transmission molecular absorption database）的缩写。由剑桥空气动力研究实验室开发，分子吸收数据库每年不断更新。HITRAN被广泛的引用于激光传播、高温气体源检测、污染物研究和实验室光谱分析等。它的主要应用之一是提供Lambert-Beer消光定律计算时所需要的一些参数，如线强、空气加宽系数、自身加宽系数以及分割函数。分子光谱为带状，而对于TDLAS的测量，我们只需要其中的单条谱线既可。HITRAN 分子光谱软件分子光谱数据库浓度计算方法直接吸收测量由于线型函数在

7、整个频域范围内的积分为1因此，通过将Beer定律两侧在频域上积分，就可以通过直接计算来得到气体浓度测量特点： 浓度结果直接计算得到，不需要通过标准气体进行校准应用范围： 气体浓度较高（吸收信号强）低频扫描信号：用于对吸收谱线的扫描高频调制信号：用于对吸收谱线进行调制浓度计算方法波长调制测量在激光器对谱线进行扫描的同时，加载高频调制电压，则激光器的波长被调制为：经过气体吸收后，由锁相放大器测量出对应频率下的气体吸收信号：调制测量的目的：将气体测量锁定在一个特定频率下进行，在探测得到透射信号后，将其特定频率下的吸收信号提取出来进行分析，从而将外界杂乱的噪音（如外界光线干扰等等）进行了屏蔽，提高信噪

8、比。二次谐波信号经过调制后的吸收线型发生了变化，各个谐波（调制频率的倍数）的线型均不同 。随着次数的增加，偶数次的谐波信号衰减的十分迅速，因此，二次谐波信号常常用于对于TDLAS的测量。二次谐波线型表达式二次谐波线型峰值表达式优点：不需确定基线位置 测量简单直接缺点：必需完全独立的吸收谱线 必须标定测量系统中的噪音来源分析激光额外噪音探测器噪音噪声与测量采用频率，检测的带宽相关。因通过滤波器缩小检测的带宽，提高测量频率均有助于抑制噪声。取决于激光器本身的性能，另一方面也受外部条件的影响，如输入电流的噪音，激光器工作温度的稳定程度等等。包括散粒噪声，热噪声，1/f 噪声相关性分析对于温度漂移进行

9、修正扣除背景信号抑制噪音的方法扣除背景信号标准具条纹光学系统中存在的反射和散射作用对于激光强度的影响测量灵敏度定义SNR1时的最小可探测吸收min为测量灵敏度，其典型值为110-4，此时对应的浓度为最小可探测浓度。通过采用各种方法抑制噪音，其最小可探测吸收有望降低至110-5测量相对误差范围预估测量灵敏度HITRAN数据库NH3在线检测谱线选择NH3的主要用途：化肥生产，制冷行业（制冷剂），烟气中NOx脱除.选取1.5 m波段进行测量的原因：通讯波段附近，半导体激光源价格相对便宜；1.5 m波段附近的谱线强度足够实现ppm量级NH3的测量；此波段的光纤、光学设备通用，容易与其他半导体激光源一起

10、，搭建多种气体同时检测的测量系统Location (nm)Linestrength(cm2/atm-1)Location (nm)Linestrength(cm2/atm-1)1527.0440.04251531.6840.06241527.0350.00151531.6540.033215270.04131531.5860.03471526.9690.0088NH3在线检测谱线干扰的计算略微受CO2谱线干扰，不受H2O干扰不受CO2 、H2O谱线干扰NH3测量系统示意图测量范围：1527-1532 nm线宽：15MHz (10-4nm)扫描频率：50KHz输出功率：8mW常温常压下NH3直接

11、吸收测量测量环境P=1atm, T=296K, L=100cm, 浓度范围60ppm-600ppm浓度为60ppm时的数据拟合及其误差在扫描频率1KHz情况下，系统的最小可探测吸收为1.110-4，分别对应的最小可探测浓度为8ppm与10ppm。测量过程中的均方误差分别为8%与4.9%。变温时NH3直接吸收测量测量环境P=1atm, X=300ppm, L=100cm, 温度变化范围296-530K温度为475K时的数据拟合及其误差在扫描频率1KHz的情况下，测量过程中的均方误差分别为5.6%与4.5%。烟气中NH3的动态测量试验Measurement beamReference beam试验

12、条件波长：1527nm温度=87光程长度=2 m 扫描频率= 2KHz平均次数=500最小可探测吸收1.310-4最低可探测浓度6.7ppm1.58 m处CO2及其CO浓度测量CO2浓度在线检测为了减少氮氧化合物（NOx）的排放，发动机控制中采用废气循环（EGR）技术，而CO2气体作为EGR率的指标。道路上汽车尾气的测量温室气体排放监控的要求。作为化石能源不完全燃烧的产物，成为了燃烧过程中体现燃烧效率的重要指标。CO浓度在线检测火灾发生初期主要是热解的过程，生成物以烟气为主，其中包括CO2，CO，水汽，醇类等物质。CO也是用于火灾机理研究与预报中重要气体成分之一。矿井的采煤工作面回风道对CO进

13、行准确检测，可对煤层自燃进行预测预报。应用CO2测量的谱线选择HITRAN气体波长nm谱线强度cm-1/(moleculecm-2)低态跃迁能cm-1CO21581.489.85310-24316.76980CO2直接吸收测量试验系统VCSEL激光二极管参数：测量范围：1577-1583 nm线宽：15MHz (10-4nm)最大输出功率：1mWCO2直接测量试验结果测量结果P=1atm, L=100cm,T=296K在扫描频率1KHz情况下，测量系统的最小可探测吸收为1.610-4, 对应的最小可探测浓度为0.14%-m。测量过程中的均方相对误差为4.66%，最大相对误差8.4%。不同浓度工

14、况下不同温度工况下测量结果P=1atm, L=100cm,X=10%在扫描频率1KHz，测量过程中的均方相对误差为4.64%，最大相对误差7%。CO2直接测量试验结果燃油炉中CO2浓度的 现场在线测量保护气测量通道发射端接收端测枪燃油炉测量系统燃油炉中CO2浓度的 现场在线测量改变输入空气量相同空气量测量系统示意图CO浓度测量的谱线选择基频第一泛频波段第二泛频波段气体波长nm谱线强度cm-1/(moleculecm-2)低态跃迁能cm-1CO1579.741.47610-2357.67040CO波长调制测量系统测量环境P=1atm, L=100cm,T=296K扫描频率200Hz，调制频率5K

15、Hz情况下，测量系统的最小可探测吸收为710-5, 对应的最小可探测浓度为400ppm-m，不能满足燃烧中CO检测要求。解决方法：1. 增加光路长度 2. 提高系统测量精度3. 采用2.3um激光器进行 光路中均匀气体温度测量研究选取两条合适的谱线，其线强的比值R是温度的函数，因此可以用于对于气体温度的测量利用直接吸收测量的方法来得到线强比值，测量不受气体浓度，路径，压力等参数的影响谱线强度的变化规律温度测量灵敏度利用直接吸收法测量气体温度波长/nm谱线强度/cm-1/(moleculecm-2)低态跃迁能/cm-11581.483.86010-24316.769801581.221.1581

16、0-241188.28960气体温度测量试验在373-773K的温度范围内，利用TDLAS技术计算得到的气体温度值与热电偶测量结果之间的最大相对误差为9.7%，其均方误差为4.6%。O2气体浓度的在线测量在760nm附近有大量的O2吸收谱线，可以用于O2的测量。并且根据HITRAN的计算，在这个波段附近没有常见的H2O、CO2等气体谱线的干扰。O2气体测量试验系统波长nm谱线强度cm-1/(moleculecm-2)空气加宽系数cm-1/atm自身加宽系数cm-1/atm低态跃迁能cm-1763.438.4810-240.05180.051281.58050O2波长调制测量单组份气体对于O2测

17、量的影响多组份气体混合对于O2测量的影响H235，CH450%，CO10%，CO25%测量结果呈现良好的线性，线性度R在0.99以上，其浓度差异的绝对值在0.1%以内。测量的最小可探测吸收达到7.510-5，对应的最小可探测浓度为540ppm-m。不同温度压力下的测量结果分析 在0-2%的浓度范围内，随着温度的升高，TDLAS测量结果随着温度的升高而降低，在60时的测量结果与15时相比，降低的幅度在10%之内。测量结果发生降低的主要原因在于谱线强度的变化。不同的温度不同的压力在O2浓度低于1%时，当测量管道内气体压力高于1atm时，TDLAS测量值发生降低，变化的主要原因在于线宽的改变。O2浓

18、度变化曲线透射率变化曲线不同透射率以及压力脉动的浓度测量结果分析不同的透射率对于测量的影响压力脉动对于测量的影响(2Hz)激光透射率低于0.7%时，浓度测量结果出现失真气体浓度测量值基本不发生变化被测气体背景气体A区：颗粒吸收B区：颗粒和气体共同吸收ABAC区差值：气体吸收A区颗粒吸收B区气体和颗粒吸收颗粒物对于TDLAS气体浓度测量的影响将A区计算得到颗粒消光影响，然后从B区中将其去除，便可以去除颗粒对气体吸收影响颗粒浓度计算方法LI0ItMie理论不相关散射条件颗粒直径 um0.11101001000浓度/(cm-3)1013101010710410单散射条件：KextL40m）国际标准筛

19、制：Tyler(泰勒)标准 单位：目目数为筛网上1英（25.4mm）寸长度内的网孔数 (a，d单位mm)25.4ad筛分的优缺点优点统计量大, 代表性强便宜重量分布缺点下限38微米人为因素影响大重复性差非规则形状粒子误差速度慢2.显微镜 采用定向径方法测量光学显微镜 0.25250m电子显微镜 0.0015m显微镜测定粒度要求统计颗粒的总数：粒度范围宽的颗粒10000以上粒度范围窄的颗粒1000 左右显微镜方法的优缺点优点可直接观察粒子形状可直接观察粒子团聚光学显微镜便宜缺点代表性差重复性差测量投影面积直径速度慢3.光衍射法粒度测试测量原理 当光入射到颗粒时，会产生衍射，小颗粒衍射角大，而大颗粒衍射角小，某一衍射角的光强度与相应粒度的颗粒多少有关。测量原理示意图 激光衍射 0.05500m X光小角衍射 0.0020.1m测量方法 目前的激光法粒度仪基本上都同时应用了夫琅霍夫(Fraunhofer)衍射理论和米氏(Mie)衍射理论，前者适用于颗粒直径远大于入射波长的情况，即用于几个微米至几百微米的测量；后者用于几个微米以下的测量。激光衍射激光衍射法原理图激光器激光束透镜样品池透镜衍射光束未衍射光束光传感器列阵中心传感器粉末4.电传感法粒度测试测量原理 当一个小颗粒通过小孔时，所