TDLAS甲烷氣體濃度檢測方法的研究

張俊有 趙玉斌 張冬鼎

摘要：在天然氣采集、存儲和輸送的過程中，氣罐、管道等關(guān)鍵設(shè)備易發(fā)生氣體泄漏，對人員和環(huán)境安全造成嚴(yán)重威脅，實時檢測管道或大氣中的甲烷含量顯得十分重要。本文就國外常用的可調(diào)諧二極管激光吸收光譜法（TDLAS）進行了研究，通過正弦波對激光器進行波長調(diào)制，激光在吸收池內(nèi)多次反射后由光電探測器接收并轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)放大濾波電路除噪、鎖相放大器提取二次諧波，由數(shù)據(jù)采集卡導(dǎo)入PC機，基于LabVIEW軟件做進一步處理，動態(tài)存儲數(shù)據(jù)，利用MATLAB軟件進行數(shù)據(jù)擬合，得到擬合系數(shù)，反演出待測氣體濃度。

關(guān)鍵詞：甲烷 可調(diào)諧二極管激光吸收光譜法

1.引言

近年來，我國已發(fā)生多起特大天然氣泄漏事故，如：1998年3月22日17時，四川溫泉4井（氣井）發(fā)生特大天然氣意外竄漏事故，導(dǎo)致在鄉(xiāng)鎮(zhèn)小煤礦內(nèi)作業(yè)的礦工死亡11人，中毒13人，燒傷1人。為保證人員和環(huán)境安全并最大限度的降低財產(chǎn)損失，開發(fā)一套高效快速、高精度、低成本的氣體泄漏檢測系統(tǒng)尤為重要。

目前國內(nèi)甲烷檢測的技術(shù)手段主要是半導(dǎo)體傳感器檢測法和化學(xué)方法。這些傳統(tǒng)檢測系統(tǒng)維護頻繁、維護費用高難度大、探頭介質(zhì)易失效、靈敏度低、不能連續(xù)檢測。國外當(dāng)前對天然氣泄漏檢測的主要研究方向是利用激光、光電傳感器技術(shù)實現(xiàn)的主動光電檢測技術(shù)以及利用泄漏氣體的吸收輻射特性實現(xiàn)的被動光電檢測技術(shù)?！?】基于TDLAS（可調(diào)諧二極管激光吸收光譜法）技術(shù)可實現(xiàn)對甲烷泄漏的連續(xù)測量，具有高時間分辨率、高靈敏度檢測的特點，不但減小了系統(tǒng)的維護費用，降低了維護難度，且不需要任何的預(yù)處理，順應(yīng)了高效快速、高靈敏度、實時連續(xù)的氣體濃度檢測趨勢。

2.可調(diào)諧二極管激光吸收光譜法

2.1 檢測原理

根據(jù)比爾-朗伯定律，當(dāng)一束平行單色光垂直通過某一均勻非散射的吸光物質(zhì)時，其吸光度與吸光物質(zhì)的濃度及吸收層厚度成正比，通過吸收物質(zhì)后的光強與吸收物質(zhì)濃度、原光強以及吸收物質(zhì)的厚度存在如下的關(guān)系：

I（λ）=I0（λ）·Rn·esp[-A（λ）] （1）A（λ）=σ（λ）·C·L （2）

式中為激光器的出射光強，為經(jīng)過吸收池后的光強，為吸收池的反射面的反射率，為反射次數(shù)，表示吸收率，是在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下與測量儀器無關(guān)的氣體碰撞展寬吸收光譜的分子吸收系數(shù)，為氣體濃度，為吸收池總光程，表示這些量與波長有關(guān)。【2】

上式表明，吸收率與氣體的濃度與吸收光程的乘積成正比。在相同的調(diào)制條件下，氣體吸收信號的二次諧波幅值與濃度成正比關(guān)系，因而，可以根據(jù)參考池中的標(biāo)準(zhǔn)濃度二次諧波譜線來反演待測氣體濃度。如果能準(zhǔn)確測量待測氣體的二次諧波，待測氣體的濃度可以表示為：[1]

C=C0×■×■×a（3）

式中C為待測氣體濃度、為參考池中標(biāo)準(zhǔn)氣體的濃度、和為參考池和開放光路的光程長度、和為參考光路和開放光路的光強比（由于參考池與開放光路串聯(lián)，此比值為1）、a為待測氣體二次諧波幅值與參考池標(biāo)準(zhǔn)濃度二次諧波幅值比值。

2.2 激光波長的選擇

根據(jù)HITRAN數(shù)據(jù)庫可知【3】，甲烷分子在波長分別在1.6um和1.3um處，如圖3.2.1所示，其吸收線線強分別為和數(shù)量級。

圖1 甲烷在近紅外處吸收線

甲烷氣體對波長在1650nm左右的單色光處吸收效果最好，故采用發(fā)射波長為1650nm的DFB可調(diào)諧激光光源。

2.3激光波長調(diào)制

TDLAS系統(tǒng)中存在著低頻噪音干擾，主要來源于散粒噪聲、熱噪聲、1/f噪聲、激光額外噪聲等。為抑制噪聲對系統(tǒng)信號的干擾需采用調(diào)制光譜技術(shù)，目前有兩種調(diào)制光譜技術(shù)：波長調(diào)制光譜技術(shù)和頻率調(diào)制光譜技術(shù)。波長調(diào)制技術(shù)具有靈敏度較高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單、設(shè)備價格適中的特點；頻率調(diào)制光譜技術(shù)雖然靈敏度更高，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備價格昂貴、對激光器的性能要求高。綜合考慮實驗的實際情況，本系統(tǒng)采用頻率f=10KHz，峰-峰值=110mV的正弦波對，激光器進行波長調(diào)制，經(jīng)鎖相放大器提取吸收氣體信號的二次諧波，從而大大的降低了噪聲的干擾，提高了測量精度。

2.4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

由信號發(fā)生器激發(fā)一個頻率f=10KHz、峰-峰值=110mV（激光器的參數(shù)決定）的正弦波作為信號驅(qū)動對1650nm可調(diào)諧DFB光源進行波長調(diào)制，激光在吸收池內(nèi)多次反射被氣體充分吸收后經(jīng)光學(xué)凸透鏡聚焦被探測器的接收端捕捉到，光電探測器將光信號轉(zhuǎn)化為電信號（轉(zhuǎn)化關(guān)系為50mV/），經(jīng)過放大電路前置放大，低通濾波電路除去環(huán)境與儀器本身的噪聲，再由鎖相放大器提取數(shù)據(jù)信號的二次諧波，經(jīng)USB2086（數(shù)據(jù)采集卡）導(dǎo)入PC機內(nèi)，基于LABVIEW軟件對信號做進一步的除噪等處理，動態(tài)存儲數(shù)據(jù)，利用MATLAB軟件對數(shù)據(jù)進行深度處理。對標(biāo)準(zhǔn)氣做相同的處理，基于MATLAB軟件對兩路數(shù)據(jù)進行擬合，得到擬合系數(shù)a，進而反演出待測氣體濃度。

圖2TDLAS甲烷氣體檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.5 吸收池光路設(shè)計

激光器發(fā)出的激光由光纖傳輸?shù)轿粘氐陌l(fā)射端，在吸收池多次反射，被氣體充分吸收，經(jīng)光學(xué)凸透鏡匯聚到吸收端端口位置，由光纖傳輸?shù)教綔y器。本系統(tǒng)采用直角棱鏡吸收池，實驗證明這種吸收池的光程調(diào)節(jié)便利，探測光束在吸收池內(nèi)傳輸?shù)挠行Ч獬炭赏ㄟ^在與入射光束垂直的方向上調(diào)節(jié)其中一個直角棱鏡的橫向位移實現(xiàn)，且基于直角棱鏡構(gòu)造的吸收池抗震性能好。

圖3收池光路圖

2.6 數(shù)據(jù)采集與處理

采用PIN型光電探測器作為檢測裝置，通過放大濾波電路和鎖相放大器對得到的模擬信號進行放大、除噪處理，得到可靠的數(shù)據(jù)信號，信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡采集到PC機?；贚ABVIEW軟件對數(shù)據(jù)進行除噪、濾波處理，將數(shù)據(jù)存入動態(tài)存儲器中，利用MATLAB軟件對動態(tài)數(shù)據(jù)實時處理，采用最小二乘法對數(shù)據(jù)進行線性擬合得到擬合系數(shù)，根據(jù)公式（3）反演出待測氣體濃度。

3.結(jié)束語

基于TDLAS（可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)）來檢測甲烷氣體濃度，具有響應(yīng)速度快、靈敏度高、分辨率高、實時動態(tài)測量的優(yōu)點，檢測系統(tǒng)規(guī)模小維護費用低，順應(yīng)了檢測技術(shù)未來的發(fā)展方向。

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