激光气体分析技术概述
发布时间：2023-04-19 08:00:00 阅读数： 68
许多气体是无色无味的，这意味着泄漏很容易不被发现。在许多处理或制造气态物种的部门中，利用能够计算出目标大气中公认的气态物种浓度的探测器是至关重要的。本文讨论了基于激光的气体分析技术的特性和重要性。
气体检测的重要性
典型气体分析的例子包括检查氧气水平以防止窒息风险，或寻找危险气体如一氧化碳。
许多企业，包括汽车行业，使用气体分析过程来确定废气的成分。这样做可以确定是否遵守了法规，或评估各种燃料的能力和特性。
由于气体的数量密度相对较低，所以通常很难检查。分析仪的检测灵敏度必须足够高，以确定各种气体分析应用的万亿分之一的浓度。这个过程被称为痕量气体分析，对于检测有害气体和研究大气的组成都是至关重要的，例如确定特定的环境因素如何影响特定化学物种的产生速度。
光谱气体分析
气体分析可以通过几种方式进行，包括质谱技术。最常用的方法之一是激光光谱法，特别是用于识别微量气体。为了检测和识别各种气体种类，基于激光的光谱技术使用激光作为光源。
许多基于吸收的光谱技术采用比尔-朗伯定律来确定浓度，并依靠既定的依赖波长的光吸收截面。在这些测试中，通过测量气态样品在预定的路径长度上吸收多少入射激光来确定浓度。
然而，信号水平低的事实使得达到足够的信号-背景水平以精确量化气体水平成为挑战。这是分析气体的吸收技术所面临的困难之一。由于气体通常具有相对较低的数量密度，每单位体积的原子或分子数量，即使是强烈吸收的波长，也经常只会导致入射光强度的轻微降低。
提高气体样品的信号水平一直是一些实验策略的目标。其中之一是基于腔体环降的技术的发展，在这种技术中，通过建立一个光学腔体来容纳样品，气体样品的路径长度被大大延长。
气体分析中的激光器
由于光源和检测器技术的进步，现在可以对微量气体进行快速采集，实现实时分析和监测。由于带有锁相放大器的可调谐二极管激光器的出现，将气体分析应用于更多具有光谱转换的分子物种已变得更加可能，这些光谱转换需要利用各种波长。
设计能够在具有挑战性的环境中工作的气体分析仪，例如在矿井或炼油厂中，它们可能暴露在腐蚀性或极度波动的环境中，这带来了一些问题。
为了在更复杂的情况下测量气体，必须开发更多的便携式设备。这包括血液分析和其他医疗应用，以及为环境研究确定液体样本气体成分的溶解气体分析。
由于引入了能够产生高光强度的各种波长范围的激光源，气体分析受到了深刻的影响。许多气体物种的样品吸收率明显较高，因为它们具有急性共振和线宽较短的光谱转换。
由于可调谐波长的激光器的出现，在气体分析测试中可以利用分子共振来增加样品的吸收，从而提高信噪比。特别是对于红外振动过渡，这些共振的能量位置可以为识别分子物种提供一个指纹。
许多气体分析仪和传感器在使用光吸收方法和光声光谱等技术时，利用分子共振来实现气体检测的选择性，光声光谱是另一种有效的基于激光的气体分析光谱方法。
激光吸收光谱法
激光吸收光谱技术包括测量不同的气体分子从特定的光线光谱中吸收多少能量来确定气体的吸收光谱。这些吸收光谱可以高度准确地识别不明气体。
可调谐二极管激光光谱仪（TDLS），测量像甲烷、氨、二氧化碳和水蒸气这样的极低浓度的气体，使用了激光吸收光谱。发射波长的信号强度是由该设备使用光电二极管确定的。
通过比较观察到的波长和目标气体分子的波长来确定目标气体的浓度。为被研究的物质选择一个合适的吸收线以获得理想的结果是至关重要的。由于这种措施，这种方法特别敏感、准确和具体。燃烧的诊断就使用这种方法。
文献研究
在《传感器》杂志（巴塞尔）最近发表的一份报告中，作者讨论了创建一个激光气体分析仪，它可以以100赫兹的数据速率监测气体浓度。在湍流的高风速环境中的气体流量的涡度协方差计算得到了快速数据率的帮助。激光气体分析仪是基于衍生的激光吸收光谱学，被配置为测量二氧化碳（CO2）和水蒸气（H2O，波长分别为1392和2004纳米）。
该装置在水生和陆生环境中的实验测试是与超声波风速仪一起进行的。最初，激光气体分析仪的准确性与一个最大数据速率为20赫兹的高级商业设备的准确性进行了对比。为了确认高频成分的参与，随后对H2O流量结果的相关性进行了评估，并在高风速和低风速的情况下以100赫兹和20赫兹的数据率进行了比较。
在风速小于10米/秒的情况下，测量结果表明，100赫兹数据率对通量估计的贡献比20赫兹数据率记录的贡献大大约11%。因此，它表明具有高探测频率的激光气体分析仪更适合在大风条件下进行测量。
在发表在《测量科学与技术》杂志上的另一项研究中，研究人员使用直接吸收光谱法和由一个单通道和一个多通道白细胞组成的光谱仪对组合波段的二氧化碳的R（12）线进行了研究。
可追踪的红外激光光谱量分测量（TILSAM）方法被用来测量N2中从300到60000µmol mol-1（0.03%到6%）的重量级气体标准中的二氧化碳浓度。对重量测定的参考值和光谱测定的数据进行了比较。
作者将红外激光光谱气体分析法用于表达测量的不确定性。为了说明研究结果和软件辅助的不确定度评估的口径，提出了不确定度预算。在环境水平为360 µmol mol-1和呼出气体水平为50 µmol mol-1的情况下，光谱测量的二氧化碳量分数的相对标准不确定度分别为1.4%和0.7%。检测极限为2.2µmol mol-1。
个别结果的可重复性在±1%范围内。另外，在4987.31厘米-1的距离，确定了二氧化碳R（12）线的碰撞增宽系数。所测得的自我、氮、氧和空气扩增系数的相对标准不确定度在±1.7%范围内。
参考资料
Nwaboh, J. A., et al. (2012). Laser-spectrometric gas analysis: CO2–TDLAS at 2 µm. Measurement Science and Technology, 24(1), 015202. 10.1088/0957-0233/24/1/015202
Li, M., et al. (2021). Development of a Laser Gas Analyzer for Fast CO2 and H2O Flux Measurements Utilizing Derivative Absorption Spectroscopy at a 100 Hz Data Rate. Sensors (Basel), 21(10), 3392. https://doi.org/10.3390%2Fs21103392
Nwaboh, J. A., et al. (2011). Molecular Laser Spectroscopy as a Tool for Gas Analysis Applications. Internation Journal of Spectroscopy, 2011, 568913. https://doi.org/10.1155/2011/568913
作者Surbhi Jain
