開(kāi)放式激光檢測(cè)甲烷濃度系統(tǒng)研究

吳小路等

【摘 要】天然氣的主要成分是甲烷，天然氣開(kāi)采、處理和輸送作為一項(xiàng)高技術(shù)、高風(fēng)險(xiǎn)的生產(chǎn)活動(dòng)，各種形式的天然氣泄漏成為影響環(huán)境與安全的隱患?？烧{(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜（TDLAS）技術(shù)具有高選擇性、高靈敏度、快速響應(yīng)等特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于痕量氣體濃度檢測(cè)中。本文提出一種基于TDLAS的開(kāi)放式激光檢測(cè)甲烷濃度系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要采用了波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)和二次諧波檢測(cè)技術(shù)。在開(kāi)放光程下，研究甲烷氣體的特征吸收譜線，測(cè)量了六種濃度甲烷氣體。將該系統(tǒng)應(yīng)用于甲烷氣體檢測(cè)中，有利于安全生產(chǎn)，具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】激光；TDLAS；甲烷；開(kāi)放

Study of Open System of Methane Detection Using Laser

WU Xiao-lu1 YANG Bing-xiong2

（1.Information Engineering College， Dalian University， Dalian Liaoning 116622， China；

2.Dalian Actech Co.， Ltd.， Dalian Liaoning 116600， China）

【Abstract】The methane is main component of natural gas，in natural gas exploiting， processing and transporting， natural gas leak is dangerous for environment and security. Tunable diode laser absorption spectroscopy（TDLAS） technology has been widely used in atmospheric trace gases detection， because it has a lot of advantageous characteristics， such as high sensitivity ， good selectivity， and rapid time response. This paper presents a remote measurement system by using tunable diode laser absorption spectroscopy， this System employed the second-harmonic detection of wavelength modulation spectroscopy. This paper characteristics of methane gas absorption lines， measuring six kinds of concentrations of methane gas in the open path. The system is applied to the detection of methane gas， it is conducive to safe production and a wide range of practical applications

【Key words】Laser；Tunable diode Laser absorption spectroscopy；Methane；Open path

0 引言

在天然氣的開(kāi)采、傳輸過(guò)程中各種形式的氣體泄漏將會(huì)嚴(yán)重影響大氣環(huán)境和人民生命財(cái)產(chǎn)安全。當(dāng)空氣中的甲烷濃度達(dá)到5%，氧氣濃度不低于12%時(shí)，遇到明火，就會(huì)發(fā)生爆炸。因此研制一套甲烷檢測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)μ烊粴忾_(kāi)采運(yùn)輸過(guò)程中的甲烷泄露高靈敏度檢測(cè)，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

相比較傳統(tǒng)的化學(xué)測(cè)量方法，可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，由于它測(cè)量靈敏度非常高、測(cè)量的下限非常低，可以滿足氣體濃度檢測(cè)的要求，因而非常廣泛地運(yùn)用在常規(guī)技術(shù)手段無(wú)法實(shí)現(xiàn)的痕量氣體濃度測(cè)量中[1]。

本文使用DFB激光器應(yīng)用TDLAS技術(shù)，在開(kāi)放光程下，對(duì)甲烷濃度進(jìn)行檢測(cè)系統(tǒng)。這種測(cè)量系統(tǒng)具有高靈敏度、便攜，并可以遙測(cè)等技術(shù)特點(diǎn)。該方案采用波長(zhǎng)調(diào)制，二次諧波檢測(cè)等技術(shù)，檢測(cè)二次諧波信號(hào)并利用最小二乘法就可實(shí)現(xiàn)甲烷氣體濃度的測(cè)量。本文對(duì)該系統(tǒng)方案進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。

1 檢測(cè)原理

TDLAS技術(shù)是經(jīng)調(diào)制過(guò)得激光頻率掃描一條獨(dú)立的氣體吸收線，獲得目標(biāo)氣體的特征吸收譜線的吸收光譜，推算濃度信息[2]。

1.1 Lambert-Beer定律

I1（v）/I0=e-α（v）CL（1）

式中，I1是接收光強(qiáng)，I0為入射光強(qiáng)，α（v）是頻率為v的氣體吸收系數(shù)，C是氣體密度，L是氣室長(zhǎng)度。那么在本系統(tǒng)，接收端的接收光功率為：

P=KSe-α（v）D（2）

其中，K是接收效率，D是氣體濃度關(guān)于開(kāi)放光程的積分。

1.2 甲烷特征吸收譜線

從HITRAN2012數(shù)據(jù)庫(kù)[3]中查到，甲烷氣體分子一共有四個(gè)基頻振動(dòng)段，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)值處在近紅、中外波光段，分別是3430nm、6520nm、3310nm、7660nm，由于能夠提供該波段光源多是采用了鉛鹽窄帶半導(dǎo)體激光器，系統(tǒng)復(fù)雜，價(jià)格昂貴。日本東北大學(xué)在1984年測(cè)得，在近紅外波光段1653.7nm處，甲烷的吸收線線強(qiáng)遠(yuǎn)大于水分子和二氧化碳分子的吸收線線強(qiáng)。

所以系統(tǒng)選用的中心波長(zhǎng)為1653.7nm的DFB半導(dǎo)體激光器，在該吸收譜線下，其他氣體分子不吸收激光光強(qiáng)，減少了其他氣體吸收的干擾，甲烷濃度檢測(cè)的精確度更高。

1.3 波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)與二次諧波技術(shù)

利用直接吸收測(cè)量技術(shù)檢測(cè)氣體濃度，容易受到背景噪聲信號(hào)干擾會(huì)降低檢測(cè)的靈敏度。為了提高性能，TDLAS技術(shù)多采用波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)（WMS）[4]，調(diào)制過(guò)程是半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光束在目標(biāo)氣體的吸收峰附近掃描，利用半導(dǎo)體激光器具有的電流和溫度的可調(diào)諧特性，對(duì)激光波長(zhǎng)進(jìn)行某一頻率的余弦波調(diào)制，半導(dǎo)體激光器發(fā)出的頻率為v的激光束被信號(hào)產(chǎn)生器發(fā)出的頻率為w余弦調(diào)制信號(hào)調(diào)制后，激光頻率變?yōu)椋?/p>

通過(guò)以上傅里葉變換能夠知道，每個(gè)諧波分量與分子在頻率大小為v處的光學(xué)吸收截面成正比。從理論上說(shuō)，特征吸收譜線的每個(gè)諧波分量都能夠應(yīng)用在TDLAS技術(shù)中，選用二次諧波信號(hào)檢測(cè)理由如下：諧波幅值會(huì)因傅里葉變換次數(shù)增加而依次遞減，吸收譜線的線寬增加，相鄰譜線間帶來(lái)的干擾就越來(lái)越難分辨出來(lái)，通過(guò)計(jì)算可知，偶數(shù)次諧波峰值都處在特征吸收譜線的中心上，激光器輸出的激光頻率大小可以和目標(biāo)氣體的特征吸收譜線保持一致；而奇數(shù)次的諧波中心處的值都是零，所以很難讓激光器輸出頻率能夠穩(wěn)定在譜線中心位置。

本系統(tǒng)需要檢測(cè)諧波信號(hào)，但是一般的濾波器對(duì)噪聲的抑制作用還不足以滿足提取微弱信號(hào)的要求，我們利用鎖相放大器來(lái)完成這個(gè)工作[5，6]，其工作原理如圖1所示。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，激光器內(nèi)的溫控和電控電路來(lái)共同實(shí)現(xiàn)激光器中心波長(zhǎng)調(diào)節(jié)。計(jì)算機(jī)的D/A卡產(chǎn)生一路疊加了5kHz正弦調(diào)制信號(hào)和20Hz的鋸齒波的波長(zhǎng)調(diào)諧信號(hào)，通過(guò)激光驅(qū)動(dòng)器加載在半導(dǎo)體激光器上。激光器輸出的激光束連續(xù)掃描甲烷分子的吸收線。另一路5kHz的正弦信號(hào)，送入鎖相放大器作為解調(diào)參考信號(hào)。激光由單模光纖傳輸?shù)阶跃劢雇哥R準(zhǔn)直輸出。被氣室中甲烷氣體吸收的激光到達(dá)接收端的光電探測(cè)器，經(jīng)探測(cè)器光電轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)傳輸?shù)芥i相放大器，以參考信號(hào)的二倍頻（10kHz）進(jìn)行解調(diào)，獲得氣室中甲烷的二次諧波信號(hào)，由數(shù)據(jù)采集卡對(duì)鎖相放大器出來(lái)的二次諧波信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，得到甲烷吸收譜線的二次諧波信號(hào)，最后計(jì)算機(jī)對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

人實(shí)驗(yàn)在室溫條件下，開(kāi)放光程長(zhǎng)度為100m，氣室長(zhǎng)度為0.9m，向氣室內(nèi)依次充入濃度為50ppm、110ppm、130ppm、250ppm、330ppm、530ppm的甲烷氣體。當(dāng)充入某一濃度的氣體時(shí)，待吸收穩(wěn)定后，在同一濃度下采集多種組數(shù)據(jù)，然后用高純度（99.99%）的氮?dú)鈱?duì)氣室進(jìn)行吹掃，再充入另一濃度的氣體，如此反復(fù)測(cè)量。信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的20Hz的鋸齒波信號(hào)和鎖相放大器產(chǎn)生的5KHz的正弦波信號(hào)疊加在一起，疊加信號(hào)通過(guò)激光電流控制器加載在激光器上，來(lái)共同實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的調(diào)諧。

對(duì)基于波長(zhǎng)調(diào)制和二次諧波探測(cè)的TDLAS系統(tǒng)，散粒噪聲限制下的主要噪聲來(lái)源于標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)引入的干涉條紋，標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)是散射光與主光束之間發(fā)生干涉而產(chǎn)生的穩(wěn)定的具有一定周期性的噪聲信號(hào)，這會(huì)對(duì)信號(hào)測(cè)量帶來(lái)一定的干擾。實(shí)驗(yàn)采用扣除背景的方法來(lái)消除干涉條紋。在測(cè)量前首先往氣體吸收池中充入99.99%的高純度氮?dú)庾鳛榱銤舛葰怏w背景，系統(tǒng)測(cè)量并保存背景信號(hào)，利用數(shù)據(jù)采集卡完成與激光器的波長(zhǎng)掃描同步的數(shù)據(jù)采集。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

計(jì)算機(jī)設(shè)置對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行多次累加平均，通過(guò)采用扣除背景的方法可以使測(cè)得的甲烷氣體的二次諧波信號(hào)平滑，這樣就消除了干涉條紋的帶來(lái)影響。

對(duì)以上6種不弄濃度的甲烷氣體進(jìn)行測(cè)量，得到已扣除背景噪聲的甲烷二次諧波信號(hào)如圖3所示。

從圖中能夠看出，在保持相同的調(diào)制頻率下，不同濃度甲烷氣體的二次諧波信號(hào)的形狀大致相同，但是濃度越高，吸收峰越大，信號(hào)幅值越大。

對(duì)系統(tǒng)測(cè)得6組不同濃度甲烷氣體的二次諧波信號(hào)，通過(guò)最小二乘法可以擬合出6個(gè)對(duì)應(yīng)的濃度值，其線性擬合結(jié)果如圖4所示，其中橫坐標(biāo)是氣體的實(shí)際濃度，縱坐標(biāo)是通過(guò)系統(tǒng)檢測(cè)擬合標(biāo)準(zhǔn)譜線得到的濃度信息，線性度為99.7%。通過(guò)實(shí)驗(yàn)很好的驗(yàn)證了可以根據(jù)待測(cè)氣體的二次諧波信號(hào)與相同條件下得到的已知濃度氣體的二次諧波信號(hào)使用最小二乘擬合法得到待測(cè)氣體濃度。

4 總結(jié)

本文討論了基于TDLAS技術(shù)的開(kāi)放式甲烷濃度檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。選擇合適的甲烷氣體特定吸收譜線，排除其他氣體分子干擾，通過(guò)應(yīng)用波長(zhǎng)調(diào)制以及二次諧波等技術(shù)有效的提高了測(cè)量系統(tǒng)的靈敏度。在100m的開(kāi)放光程下，對(duì)6種不同濃度的甲烷氣體進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果顯示和標(biāo)準(zhǔn)濃度之間存在良好的線性相關(guān)性。該方法可行，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，可應(yīng)用于天然氣管道泄漏檢測(cè)中，具有良好的工業(yè)應(yīng)用前景。

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[責(zé)任編輯：劉展]