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气体检测技术激光与红外的区别

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气体检测技术激光与红外的区别
          目前针对甲烷的气体检测机器,主要有采用非色散红外方式的在线气体检测仪、还有催化燃烧甲烷检测仪。这些仪器无法定量地校正背景气体如水分的交叉干扰,同时需要防止过程气体中粉尘对分析仪器内光学视窗的污染。因此,气体分析前须使用采样探头对需要分析的过程气体进行采样,样气经过复杂的预处理系统脱去粉尘和水分后再送入气体分析仪器进行气体分析,这些气体分析系统往往存在诸多缺陷,如:气体的采样和预处理系统达不到分析仪器要求,导致仪器容易损坏、维护和检修周期短;采样和预处理系统的维护工作量大、价格昂贵;系统响应时间迟滞,无法完全满足工业过程实时控制的要求。无论是红外甲烷检测仪还是催化燃烧甲烷检测仪都有一些固有缺陷,已成为企业实现过程控制自动化的瓶颈,同时也制约了气体检测仪的发展和应用。
         TDLAS技术本质上是一种光谱吸收技术,通过分析激光被气体的选择性吸收来获得气体的浓度。它与传统红外光谱吸收技术的不同之处在于,半导体激光光谱宽度远小于气体吸收谱线的展宽。通过气体的分子吸收波长与外界温度压力无关以及不同气体分子之间具有互不干扰的波长吸收特性,从而实现不受环境温湿度,不受干扰气体的影响。

激光检测气体原理

TDLAS技术本质上是一种光谱吸收技术,通过分析激光被气体的选择性吸收来获得气体的浓度。它与传统红外光谱吸收技术的不同之处在于,半导体激光光谱宽度远小于气体吸收谱线的展宽。
 
 原理:
 1.朗伯-比尔定律
因此,TDLAS技术是一种高分辨率的光谱吸收技术,半导体激光穿过被测气体的光强衰减可用朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律表述式中,IV,0和IV 分别表示频率V的激光入射时和经过压力P,浓度X和光程L的气体后的光强;S(T)表示气体吸收谱线的强度;线性函数g(v-v0)表征该吸收谱线的形状。通常情况下气体的吸收较小,可用式(4-2)来近似表达气体的吸收。这些关系式表明气体浓度越高,对光的衰减也越大。因此,可通过测量气体对激光的衰减来测量气体的浓度。
2.光谱线的线强
气体分子的吸收总是和分子内部从低能态到高能态的能级跃迁相联系的。线强S(T)反映了跃迁过程中受激吸收、受激辐射和自发辐射之间强度的净效果,是吸收光谱谱线最基本的属性,由能级间跃迁概率经及处于上下能级的分子数目决定。分子在不同能级之间的分布受温度的影响,因此光谱线的线强也与温度相关。如果知道参考线强S(T0),其他温度下的线强可以由下式求出式中,Q(T)为分子的配分函数;h为普朗克常数;c为光速;k为波尔兹曼常数;En为下能级能量。各种气体的吸收谱线的线强S(T0)可以查阅相关的光谱数据库。

什么是TDLAS

TDLAS是Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy 的中文缩写
中文名:可调谐半导体激光吸收光谱
 该技术主要是利用可调谐半导体激光器的窄线宽和波长随注入电流改变的特性实现对分子的单个或几个距离很近很难分辨的吸收线进行测量。
 主要部件:
 可调谐半导体激光器,目前常用于TDLAS技术的可调谐半导体激光器包括:法珀(Fabry-Perot)激光器、分布反馈式(Distributed Feedback)半导体激光器、分布布喇格反射(Distributed Bragg reflector)激光器、垂直腔表面发射(Vertical-cavity surface-emitting)激光器和外腔调谐半导体激光器。
 原理:
TDLAS通常是用单一窄带的激光频率扫描一条独立的气体吸收线。为了实现最高的选择性,分析一般在低压下进行,这时吸收线不会因为压力而加宽。这种测量方法是Hinkley和Reid提出的,现在已经发展成为了非常灵敏和常用的大气中痕量气体的监测技术。
 主要特点:
(1) 高选择性,高分辨率的光谱技术,由于分子光谱的“指纹”特征,它不受其它气体的干扰。这一特性与其它方法相比有明显的优势。
(2) 它是一种对所有在红外有吸收的活跃分子都有效的通用技术,同样的仪器可以方便的改成测量其它组分的仪器,只需要改变激光器和标准气。由于这个特点,很容易就能将其改成同时测量多组分的仪器。
(3) 它具有速度快,灵敏度高的优点。在不失灵敏度的情况下,其时间分辨率可以在ms量级。应用该技术的主要领域有:分子光谱研究、工业过程监测控制、燃烧过程诊断分析、发动机效率和机动车尾气测量、爆炸检测、大气中痕量污染气体监测等。
 用途:
 (1)获得分子结构的信息
 (2)研究其动力学过程
 (3)气体监测分析
 国内外研究状况:
 国外研究的较早,广泛用在痕量气体的检测,温室气体通量的监测等方面。
 国内主要是90年代末期开始,发展较快,特别是近十年来,以中科院安徽光学精密研究所、中科院半导体所为代表的国内科研机构,在环境监测,生态测量等方面,出了很多研究成果。
 


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