本发明涉及一种基于温度自动补偿TDLAS技术测量气体浓度的方法与装置，方法包括以下几步，首先，设定标准探头与探测探头，标准探头内充入标准气体，测量探头内的气体为被测气体源中的气体；将标准探头与测量探头置于被测气体源内；其次，根据被测气体分子的特征谱线调节可调谐窄线宽激光参数，保证可调谐窄线宽激光的扫描波长范围仅覆盖待测气体分子的一条特征谱线；然后，将可调谐窄线宽激光分束后分别同时照射标准探头及测量探头内的气体；最后，采集经过标准探头及测量探头的激光强度，计算得到被测气体的浓度。本发明不需预先拟合计算不同温度下的吸收线的强度，不用实时测量被测气体的温度，可准确测得不同温度下被测气体的浓度。
1.基于温度自动补偿TDLAS技术测量气体浓度的装置，其特征在于：包括激光源(2)、分束器(3)、标准探头(5)、测量探头(4)、信号处理系统(6)及控制器(1)；所述测量探头和标定探头采用一体化结构；
所述标准探头(5)包括密封气体吸收池(51)，密封气体吸收池(51)用于充标准气体，该标准气体中包括已知浓度的待测气体；所述测量探头(4)包括气体吸收池(41)，所述气体吸收池(41)上开有通气孔(42)；测量时，所述标准探头(5)与测量探头(4)均位于被测气体源内；所述标准探头(5)与测量探头(4)内的气体温度相同；
所述激光源(2)的输出端与分束器(3)的输入端连接，分束器(3)的两路输出端分别与标准探头(5)及测量探头(4)的输入端连接，标准探头(5)及测量探头(4)的输出端均与信号处理系统(6)输入端连接；控制器(1)分别与信号处理系统(6)及激光源(2)连接，控制器用于控制激光器、信号处理系统及完成人机交互；
测量探头(4)和标准探头(5)安装在同一法兰上；所述标准探头(5)与测量探头(4)通过法兰与被测气体源腔室密封连接；
测量探头(4)和标准探头(5)使用的输入、输出光纤长度一致；
所述激光源(2)输出可调谐窄线宽激光，可调谐窄线宽激光的扫描波长范围仅覆盖待测气体的一条特征谱线，经过分束器(3)后被分成两路光信号，一路传输至标准探头(5)，另一路传输至测量探头(4)；光信号经过标准探头(5)和测量探头(4)内的气体吸收后由光纤输送到信号处理系统(6)，信号处理系统(6)中存储计算机程序，计算机程序在处理器中运行时，实现以下过程：测量经过测量探头和标准探头的激光光强，按照公式(1)，计算得到被测气体的浓度n1；
其中n0为标准探头中待测气体浓度，A0为经过标准探头后的激光光强，A1为经过测量探头后的激光光强，L0为激光在标准探头中的传播距离(cm)，L1为激光在测量探头中的传播距离(cm)。
2.根据权利要求1所述的基于温度自动补偿TDLAS技术测量气体浓度的装置，其特征在于：所述信号处理系统(6)包括数据处理单元(61)与两个光电探测器(62)；两个光电探测器(62)分别用于测量标准探头(5)及测量探头(4)输出的光信号，并将光信号转换为电信号发送至数据处理单元(61)，所述数据处理单元(61)中存储所述计算机程序。
3.根据权利要求2所述的基于温度自动补偿TDLAS技术测量气体浓度的装置，其特征在于：所述激光源(2)为固体激光器、光纤激光器或半导体激光器；采用光纤输出方式；所述分束器(3)为光纤分束器。
4.根据权利要求3所述的基于温度自动补偿TDLAS技术测量气体浓度的装置，其特征在于：所述标准探头(5)还包括设置在密封气体吸收池(51)相对两端的光纤准直器(52)与光纤耦合器(53)，激光通过光纤进入光纤准直器(52)后经过标准气体传送至光纤耦合器(53)，光纤耦合器(53)通过光纤与信号处理系统(6)的输入端连接；
所述测量探头(4)还包括设置在气体吸收池(41)相对两端的光纤准直器(43)与光纤耦合器(44)，激光通过光纤进入光纤准直器(43)，后经过混合气体传送至光纤耦合器(44)，光纤耦合器(44)通过光纤与信号处理系统(6)的输入端连接。
5.根据权利要求4所述的基于温度自动补偿TDLAS技术测量气体浓度的装置，其特征在于：所述标准探头的密封气体吸收池还设有与外界连通的进气管，所述进气管上设有气体截止阀。
6.根据权利要求1-5任一所述的基于温度自动补偿TDLAS技术测量气体浓度的装置，其特征在于：所述被测气体为HF，激光源输出的可调谐窄线宽激光输出波长为1.3μm，调节频率为100kHz，线宽为2MHz。
7.一种利用权利要求1-6任一所述的装置测量气体浓度的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将基于温度自动补偿TDLAS技术测量气体浓度的装置中的标准探头与测量探头安装在被测气源上，确保测量探头和标准探头内部气体温度处于同一温度；
S2、向标准探头内充入具有已知浓度待测气体的标准气体；
S3、开启激光源，根据待测气体分子的特征谱线调节激光源参数，保证激光源的扫描波长范围仅覆盖待测气体分子的一条特征谱线；
S4、测量经过测量探头和标准探头的激光光强，按照公式(1)，计算得到被测气体的浓度n1；
其中n0表示标准探头中气体浓度，A0为经过标准探头后的激光光强，A1为经过测量探头后的激光光强，L0为激光在标准探头中的传播距离，L1为激光在测量探头中的传播距离。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括步骤S5：将测得的气体浓度曲线通过控制器显示输出。
基于温度自动补偿TDLAS技术测量气体浓度的方法与装置
技术领域
[0001] 本发明涉及光谱吸附法测量气体浓度技术领域，尤其涉及基于温度自动补偿TDLAS技术测量气体浓度的方法与装置。
背景技术
[0002] 可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术测量气体浓度是基于二极管激光器的窄线宽(约2MHz)和波长快速调谐特性(可达100KHz)，通过扫描被测气体的特征谱线，测得经气体吸收前后的光强度变化，计算得到被测气体的浓度。由于激光线宽远小于被测气体的吸收谱线宽度，因此在对吸收线扫描时，激光可被精确地控制在选定的光谱范围内，避免其它气体吸收光谱的干扰，从而实现复杂环境中气体浓度精确测量。
[0003] 2008年李云清等人在《轻金属》期刊论文“氟化氢气体在线检测技术在铝电解净化中的应用”中公开了一种方法及装置，该方法是利用TDLAS技术实时检测铝电解工业尾气中HF气体的浓度，采用了自动标定技术，并利用参考光消除了粉尘、光源等因素导致的零点和量程漂移的影响，但是未对温度进行校正，由于吸收线强度(S(T))与被测气体温度相关，温度变化会带来测量误差。
[0004] 2017年何莹等人在《光谱学与光谱分析》期刊论文“基于激光技术结合温度修正的高温HF气体检测方法研究”中公开了一种方法，该方法通过选择有限温度值对吸收线的强度(S(T))进行标定，拟合出不同温度时的S(T)值，从而反演计算出不同温度的HF气体浓度，但是受到标定点数量限制，拟合获得的S(T)值与真实值存在误差，使得测量值不准确；另外还需要同时获得被测气体的温度。
发明内容
[0005] 为了准确测得不同温度下的气体浓度，本发明提供了一种基于温度自动补偿TDLAS技术测量气体浓度的方法与装置，测量过程中无需知道被测气体的温度。该方法可用于测量放电引发非链式HF激光器中HF气体的浓度。
[0006] 由于TDLAS技术测量气体浓度服从比尔-朗伯定律，根据公式(2)可求得被测气体的浓度n。
[0007]
[0008] 其中I0为未经气体吸收的激光光强，I为经过气体吸收后的激光光强，n为待测分子数密度(molecule/cm3)，S(T)和φ(ν)分别为吸收线的强度(cm/molecule)和线型函数(cm)，L为激光在吸收介质中的传播距离(cm)，ν为激光波长(cm-1)，从公式(2)可知气体浓度n是温度T的函数，且温度项仅由吸收线的强度S(T)引入。
[0009] 基于上述分析，本发明的技术方案如下：
[0010] 基于温度自动补偿TDLAS技术测量气体浓度的方法，包括以下步骤：
[0011] 步骤一、设定标准探头，标准探头内充入标准气体，所述标准气体中具有浓度已知的待测气体；
[0012] 设定测量探头，测量探头内的气体为被测气体源中的气体，且被测气体源中的气体能够自由进出测量探头内；
[0013] 将标准探头与测量探头置于被测气体源内；确保标准气体源与被测气体源内的被测气体温度相同；
[0014] 步骤二、根据被测气体分子的特征谱线调节可调谐窄线宽激光参数，保证可调谐窄线宽激光的扫描波长范围仅覆盖待测气体分子的一条特征谱线；
[0015] 步骤三、将步骤二的可调谐窄线宽激光分束后分别同时照射标准探头及测量探头内的气体；
[0016] 步骤四、采集经过标准探头及测量探头的激光强度，按照公式(1)，计算得到被测气体的浓度n1；
[0017]
[0018] 其中n0为标准气体源中待测气体浓度，A0为经过标准探头后的激光光强，A1为经过测量探头后的激光光强，L0为激光在标准气体源中的传播距离(cm)，L1为激光在被测气体源中的传播距离(cm)。
[0019] 本发明还提供一种基于温度自动补偿TDLAS技术测量气体浓度的装置，其特殊之处在于：包括激光源、分束器、标准探头、测量探头、信号处理系统及控制器；
[0020] 所述标准探头包括密封气体吸收池，密封气体吸收池内用于充标准气体，该标准气体中包括已知浓度的待测气体；所述测量探头包括气体吸收池，所述气体吸收池上开有通气孔，保证探头内部气体与被测环境的气体状态一致；测量时，所述标准探头与测量探头均位于被测气体源内；所述标准探头与测量探头内的气体温度相同；
[0021] 所述激光源的输出端与分束器的输入端连接，分束器的两路输出端分别与标准探头及测量探头的输入端连接，标准探头及测量探头的输出端均与信号处理系统输入端连接；控制器分别与信号处理系统及激光源连接；控制器用于控制激光器、信号处理系统及完成人机交互。
[0022] 所述激光源输出可调谐窄线宽激光，可调谐窄线宽激光的扫描波长范围仅覆盖待测气体的一条特征谱线，经过分束器后被分成两路光信号，一路传输至标准探头，另一路传输至测量探头；光信号经过标准探头和测量探头内的气体吸收后由光纤输送到信号处理系统，信号处理系统中存储计算机程序，计算机程序在处理器中运行时，实现以下过程：
[0023] 测量经过测量探头和标准探头的激光光强，按照公式(1)，计算得到被测气体的浓度n1；
[0024]
[0025] 其中n0为标准探头中待测气体浓度，A0为经过标准探头后的激光光强，A1为经过测量探头后的激光光强，L0为激光在标准探头中的传播距离(cm)，L1为激光在测量探头中的传播距离(cm)。
[0026] 进一步地，所述信号处理系统包括数据处理单元与两个光电探测器；两个光电探测器分别用于测量标准探头及测量探头输出的光信号，并将光信号转换为电信号发送至数据处理单元，所述数据处理单元中存储所述计算机程序。
[0027] 进一步地，所述激光源为固体激光器、光纤激光器或半导体激光器；采用光纤输出方式；所述分束器为光纤分束器。
[0028] 进一步地，所述标准探头还包括设置在密封气体吸收池相对两端的光纤准直器与光纤耦合器，激光通过光纤进入光纤准直器，后经过混合气体传送至光纤耦合器，光纤耦合器通过光纤与信号处理系统的输入端连接；
[0029] 所述测量探头还包括设置在气体吸收池相对两端的光纤准直器与光纤耦合器，激光通过光纤进入光纤准直器，后经过混合气体传送至光纤耦合器，光纤耦合器通过光纤与信号处理系统的输入端连接。
[0030] 进一步地，测量探头和标准探头安装在同一法兰上；所述标准探头与测量探头通过法兰与被测气体源密封连接；
[0031] 测量探头和标准探头使用的输入、输出光纤长度一致。
[0032] 进一步地，为了便于充入标准气体，所述标准探头的密封气体吸收池还设有与外界连通的进气管，所述进气管上设有气体截止阀。
[0033] 进一步地，所述被测气体为HF，激光源输出的可调谐窄线宽激光输出波长在1.3μm附近，输出波长连续可调，调节频率可达100kHz，线宽约2MHz；
[0034] 本发明还提供一种利用上述的装置测量气体浓度的方法，包括以下步骤：
[0035] S1、将基于温度自动补偿TDLAS技术测量气体浓度的装置中的标准探头与测量探头安装在被测气源上，确保测量探头和标准探头内部气体温度处于同一温度；
[0036] S2、向标准探头内充入具有已知浓度待测气体的标准气体；
[0037] S3、开启激光源，根据待测气体分子的特征谱线调节激光源参数，保证激光源的扫描波长范围仅覆盖待测气体分子的一条特征谱线；
[0038] S4、测量经过测量探头和标准探头的激光光强，按照公式(1)，计算得到被测气体的浓度n1；
[0039]
[0040] 其中n0表示标准探头中气体浓度，A0为经过标准探头后的激光光强，A1为经过测量探头后的激光光强，L0为激光在标准探头中的传播距离，L1为激光在测量探头中的传播距离。
[0041] 进一步地，还包括步骤S5：将测得的气体浓度曲线通过控制器显示输出。
[0042] 本发明的有益效果如下：
[0043] 1、本发明通过在被测气源内置标定探头，可对被测气体浓度测量实时在线标定，无零点和量程的漂移。
[0044] 2、本发明中标定探头与被测气体处于同一温度下，不需预先拟合计算不同温度下的吸收线的强度，不用实时测量被测气体的温度，可准确测得不同温度下被测气体的浓度。
[0045] 3、本发明设计了集成化探头，且测量探头和标定探头采用一体化结构，减少的安装调试和维护工作量。
[0046] 4、本发明可适用于不同温度、压力环境，使用范围广。
附图说明
[0047] 图1为实施例中测量装置结构示意图；
[0048] 图2为实施例中测量探头结构示意图；
[0049] 图3为实施例中标定探头结构示意图；
[0050] 图4为实施例中信号处理系统结构示意图；
[0051] 附图标记为：1-控制器；2-激光源；3-分束器；4-测量探头；5-标准探头；6-信号处理系统；7-被测气源腔室；8-探头接口；
[0052] 41-气体吸收池；42-通气孔；43、52-光纤准直器；44、53-光纤耦合器；45、54-法兰；51-密封气体吸收池；55-金属气管；56-气体截止阀；61-数据处理单元；62-光电探测器。
具体实施方式
[0053] 以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。
[0054] 本发明通过对温度与气体浓度关系的分析，得出温度项仅由吸收线的强度S(T)引入。因此，本发明通过在被测气源内置标定气体源，可对被测气体浓度测量实时在线标定，无零点和量程的漂移。
[0055] 具体通过下述过程实现：
[0056] 步骤一、设定标准探头，标准探头内充入具有待测气体的标准气体，其中待测气体的浓度已知；
[0057] 设定测量探头，测量探头内的气体为被测气体源中的气体，且被测气体源中的气体能够自由进出测量探头内；
[0058] 将标准探头与测量探头置于被测气体源内；确保标准气体源与被测气体源内的被测气体温度相同；
[0059] 步骤二、根据被测气体分子的特征谱线调节可调谐窄线宽激光参数，保证可调谐窄线宽激光的扫描波长范围仅覆盖待测气体分子的一条特征谱线；
[0060] 步骤三、利用步骤二的可调谐窄线宽激光参数分束后分别同时照射标准探头及测量探头内的气体；
[0061] 步骤四、采集经过标准探头及测量探头的激光强度，按照公式(1)，计算得到被测气体的浓度n1；
[0062]
[0063] 其中n0为标准气体源中待测气体浓度，A0为经过标准探头后的激光光强，A1为经过测量探头后的激光光强，L0为激光在标准气体源中的传播距离(cm)，L1为激光在被测气体源中的传播距离(cm)。
[0064] 该方法适用于TDLAS技术测量CO2、HCl、CH4和H2O蒸汽等气体，以下实施例的被测气体以HF为例进行说明，被测气源腔室内包含浓度未知的HF气体的混合气体，如被测气源腔室可以认为是HF激光器腔室。
[0065] 本实施例公开一种实现上述方法的装置，从图1可以看出，测量装置主要包括激光源2、分束器3、测量探头4、标准探头5、信号处理系统6和控制器1。
[0066] 当被测气源运行时，触发端输出TTL信号触发控制器1，控制器1控制激光源2和信号处理系统6同步运行。激光源2输出可调谐窄线宽激光，经过分束器3后将光分成2路光信号，一路传输至标准探头5，另一路传输至测量探头4，经标准探头5和测量探头4输出的光信号由光纤输送到信号处理系统6，信号处理系统中的光电探测器将光信号转换成电信号进行处理，得到被测气体的浓度，并显示输出。
[0067] 控制器1用于实现测量装置的人机交互，设置并控制半导体可调谐窄线宽激光器2和信号处理系统按要求运行，同时输出并显示测量的浓度结果。激光源2可选用固体激光器、光纤激光器和半导体激光器等，本实施例选用半导体可调谐窄线宽激光器，采用光纤输出方式，光纤接口为FC型，输出波长在1.3μm附近，连续可调，调节频率可达100kHz，线宽约2MHz。采用锯齿波电压(频率5kHz、幅度2V)来调谐二级管激光器的注入电流，使其在0～
80mA以5kHz的频率扫描，从而使二极管激光器输出波长以5kHz的频率反复的扫描选定的吸收谱线(1330.529nm)。
[0068] 分束器3选用光纤分束器，其输入端与半导体可调谐窄线宽激光器相连，输出端为两个光纤输出端口，将激光信号分别传送至标准探头和测量探头，接口为FC型光纤接口。
[0069] 从图2可以看出，测量探头4由耐腐蚀气体吸收池41、光纤准直器43、光纤耦合器44、法兰45构成。为了便于与被测气体充分接触，气体吸收池四周分布有大量通气孔42，光纤准直器43和光纤耦合器44按照设定光路安装在上气体吸收池的两端，保证激光从光纤准直器43出射经过被测气体后传送到光纤耦合器44。法兰45用于固定测量探头4，安装在被测气源腔7的连接端口8处，与被测气源腔7密封连接。
[0070] 从图3中可以看出，标准探头5包括密封气体吸收池51、光纤准直器52、光纤耦合器53、法兰54、金属气管55、气体截止阀56。密封气体吸收池51为经氟化氢钝化处理的金属腔，壁厚1mm；其充入有HF和He混合气体，HF气体的浓度为n0，光纤准直器52和光纤耦合器53按照设定光路安装在上气体吸收池的两端，保证激光从光纤准直器52出射经过标准气体后传送到光纤耦合器53。金属气管55通过法兰54与气体吸收池51连通，用于密封气体吸收池内标准气体的充入和抽出，金属气管55通过气体截止阀56与泵和标准气源等外部设备相连；
法兰54将标准探头固定在被测气源腔7的连接端口8处，密封连接。上述的光纤准直器和光纤耦合均采用光纤FC型端口。
[0071] 测量探头4和标准探头5采用一体化设计，安装在同一金属法兰上，在方便安装、减少维护的同时，使测量探头4和标准探头5空间差异尽可能小，减小因空间差异带来的温度差而形成的测量误差。另外，测量探头4和标准探头5使用的输入/输出光纤长度一致，避免传输损耗带来的误差。
[0072] 从图4可以看出，信号处理系统6包括两个光电探测器62和数据处理单元61两个部分。光电探测器由两个DET50B光电探测器组成，分别用于测量经过标准探头5与测量探头4吸收后的激光光强，利用光纤分别与标准探头与测量探头连接，接口为FC型光纤接口。数据处理单元由采集存储和用于完成程序计算的电路系统组成，主要功能是采集、存储光电探测器模块输出的数据，并进行计算，然后将结果输送至控制器。运算时，按照公式(1)，计算得到被测气体的浓度n1；
[0073]
[0074] 其中n0为标准探头中待测气体浓度，A0为经过标准探头后的激光光强，A1为经过测量探头后的激光光强，L0为激光在标准探头中的传播距离(cm)，L1为激光在测量探头中的传播距离(cm)。
[0075] 在进行HF浓度测量时，操作步骤如下：
[0076] 1、将测量探头和标准探头比邻安装在被测气源上，确保测量探头和标准探头内部气体温度处于同一温度；
[0077] 2、给标准探头内充入浓度为n0的HF标准气体。
[0078] 3、开启半导体可调谐激光器，选择标记HF分子的特征谱线，保证半导体可调谐激光器的扫描波长范围仅覆盖HF分子的一条特征谱线。由于TDLAS技术测量HF气体浓度服从比尔-朗伯定律，根据公式(2)可求得被测HF气体的浓度n。
[0079]
[0080] 其中I0为未经HF气体吸收的激光光强，I为经过HF气体吸收后的激光光强，n为HF分子数密度(molecule/cm3)，S(T)和φ(ν)分别为吸收线的强度(cm/molecule)和线型函数(cm)，L为激光在吸收介质中的传播距离(cm)，ν为激光波长(cm-1)。从公式(2)可知气体浓度n是温度T的函数，且温度项仅由吸收线的强度S(T)引入。
[0081] 4、测量经过被测气体和标准探头的激光光强，由于标准探头与被测气体的温度相同，吸收线的强度S(T)相同，按照公式(1)，利用经过标准探头和测量探头后激光光强变化，计算得到被测气体的浓度n1，其中n0表示标准探头中气体浓度。
[0082]
[0083] 5、将测得的HF气体浓度曲线通过控制器显示输出。
[0084] 本发明不局限于上述具体实施方式，比如标准探头和测量探头中气体吸收池的外形结构与材料，光电探测器选型，光纤材料、芯径、长度和接口等，金属气管的管径和尺寸等。
