二氧化碳濃度實時監(jiān)測方法及其應(yīng)用

陳曦（沈陽計量測試院，遼寧 沈陽 110179）

0 引言

21世紀(jì)以來，隨著人口的增長，工業(yè)化、城市化步伐的加快，尤其是火力發(fā)電廠的迅速發(fā)展，二氧化碳排放不斷增加，空氣中二氧化碳含量顯著增加。由于盲目地跟隨經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，忽視了保護(hù)生態(tài)環(huán)境，導(dǎo)致氣候變暖，冰川融化，以及植物減產(chǎn)，溫室效應(yīng)突出，嚴(yán)重威脅人類和其他生物的生存。正是由于這個原因，“低碳經(jīng)濟(jì)”成為全球關(guān)注的焦點。另一方面，二氧化碳也有其使用價值，可以作為早期火災(zāi)探測和火災(zāi)監(jiān)測中的特征性氣體，還可用于堿、糖、機(jī)焊、阻焊劑、鉛焊等行業(yè)，在火災(zāi)探測、汽車尾氣檢測、燃燒控制和優(yōu)化等方面CO2也發(fā)揮著重要作用。

1 基本原理

光子刺激氣體分子的外層電子，使其在連續(xù)波長的光譜中穿過一種特殊的氣態(tài)物質(zhì)，從而使光束強(qiáng)度減弱。此外，每一個氣體分子都有其獨特的光譜特征，通過對穿過該物質(zhì)前后的強(qiáng)度、被測物質(zhì)的濃度等信息的分析，發(fā)現(xiàn)氣體濃度的變化會使光的強(qiáng)度變?nèi)酰t外選擇性吸收理論是其理論基礎(chǔ)。近幾年來，光譜吸收技術(shù)的應(yīng)用理論是基于光譜吸收原理。通過測量在吸收氣體之前或之后的光強(qiáng)度來測量氣體濃度。此方法可用于二氧化碳在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的高精度測量[1]。

2 檢測方法分類

2.1 直接光譜吸收法

該方法通過調(diào)整輸入激光器的流量，改變輸出激光器的波長，使激光器的波長移動到氣體吸收光譜的頻率范圍內(nèi)，當(dāng)壓力、線強(qiáng)度和激光強(qiáng)度為已知時，計算弱激光和參考激光的速度以及氣體濃度；直接吸收譜是指激光氣體的吸收強(qiáng)度。該方法能直接計算出某些信號與譜線的干擾，并能分析各種干擾對委托氣體濃度的影響，方便快捷。使用直接吸收法時，會影響輸入激光的光譜強(qiáng)度和計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，尤其是當(dāng)探測信號較弱時，會嚴(yán)重影響最終氣體的濃度。

2.2 調(diào)制光譜吸收法

在大氣徑跡探測中，為了提高靈敏度，通常根據(jù)激光的特性，采用波長調(diào)制、幅度調(diào)制、頻率調(diào)制和相位調(diào)制等多種調(diào)制方法?？梢哉{(diào)節(jié)吸收光譜的可調(diào)諧激光吸收光腔和各種噪聲壓縮技術(shù)都要充分利用半導(dǎo)體激光器的光譜特性，測量氣體吸收線的光譜吸收。定性或定量處理被測氣體。波長調(diào)制技術(shù)與直接吸收光譜法相比，降低測量系統(tǒng)中低頻干擾的噪聲，提高測量靈敏度。在檢測過程中，目標(biāo)信號被高頻調(diào)制，而目標(biāo)信號在隨后處理信號時由于沒有調(diào)制而被刪除，從而大大降低了外部誤差信號對檢測的影響[2]。

3 檢測譜線的選擇

在近紅外線方面發(fā)展最快的是處在700～2 500 nm近紅外區(qū)的光譜，其吸收系數(shù)雖低于中紅外吸收，但仍位于吸收帶外，且有密集的氣體分子吸收線。此外，工作在該波段的激光具有成本低、性能穩(wěn)定、調(diào)諧速度快、光譜分辨率高等優(yōu)點。小于較好的環(huán)境條件下，可將近紅外范圍內(nèi)的測量靈敏度控制在一定的產(chǎn)品開發(fā)周期內(nèi)，例如分布反饋激光器（DFB）和外部反饋激光器空心空間導(dǎo)體激光器（ECDL）。二氧化碳在紅外波段有三條強(qiáng)的基本吸收路徑，分別位于4.3 μm，7.23 μm和153 μm處。CO2的強(qiáng)度可達(dá)10-18cm-1/ (molecule ×cm-2)以上，更適合于光譜分析。但是，這三種波長的價格比較昂貴，不適合光譜分析，不利于氣體計量的應(yīng)用和推廣。此外，在2 μm的吸收帶附近，CO2的線強(qiáng)度小于基本吸收帶，可以達(dá)到10-21cm-1/ (molecule ×cm-2)以上。

目前我們已經(jīng)研制出一種工作在室溫下2.0 pm，價格相對較好的半導(dǎo)體激光器。一些科學(xué)家已經(jīng)用這種帶子激光二極管來測量。在1.51 μm通信帶附近的吸收帶中，CO2的光譜強(qiáng)度比基頻帶低5個數(shù)量級，約為10-23cm-1/ (molecule ×cm-2)。盡管這個波段的頻譜強(qiáng)度較低，但是半導(dǎo)體激光器在這個波段上價格低廉，使用方便，在1.58 m的波段上，隨著產(chǎn)品加工和通訊技術(shù)的發(fā)展，激光器的性能不斷提高，研究與開發(fā)的步伐不斷加快，通過測量二氧化碳濃度，可有效避免H2O和SO2的光譜干擾。

4 誤差補(bǔ)償

光譜法能在線檢測二氧化碳，但對環(huán)境要求太高。光譜法測量氣體濃度是指氣體溫度、壓力、濕度和濃度的測量。另外，對噪聲(如干擾信號、空氣中水在激光上的反射等)光譜線的選擇進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示，探測顯示出類似氣體的靈敏度，但是對于某些氣體，專家和科學(xué)家采用了不同的方法來糾正測量中的誤差。舉例來說，利用熱電偶和壓力表測量系統(tǒng)的溫度和壓力，探測器使用封閉放大器中的一次諧波信號來測量氣體濃度信號，這樣在測量環(huán)境中氣體濃度信號時就不會被激光強(qiáng)度所影響，也不會被背景輻射、微粒物質(zhì)和介質(zhì)的影響所影響。還有一些專家和科學(xué)家使用預(yù)設(shè)電路和誤差補(bǔ)償來糾正錯誤。由于只是在特定環(huán)境下的簡單補(bǔ)償，因此無法用于實時氣體監(jiān)測[3]。

5 檢測系統(tǒng)設(shè)計

5.1 檢測系統(tǒng)分析

模擬識別系統(tǒng)的建立，首先要對監(jiān)控系統(tǒng)的整體管理和信息流動進(jìn)行分析，同時還要對目標(biāo)、方法、模型進(jìn)行分析，從而根據(jù)內(nèi)外因素和系統(tǒng)測量結(jié)果，確定實驗?zāi)Ｐ褪欠窈侠?。CO2排放系統(tǒng)是一個連續(xù)的交換系統(tǒng)。根據(jù)光譜吸收理論，考慮了4個主要的實際環(huán)境因素，即溫度、壓力、濕度以及類似氣體等，模擬實驗和測定了這些變量的連續(xù)變化。對仿真實驗得到的誤差進(jìn)行綜合分析，并調(diào)整系數(shù)。在直接測量CO2濃度時修正了誤差。

5.2 系統(tǒng)總體設(shè)計

在實驗室條件下，我們選擇了四種環(huán)境變量作為試驗對象，這些環(huán)境變量影響很大，并且在實驗室溫度、濕度、壓力和類似氣體中變化很小實驗中采用了可調(diào)諧激光光譜(TDLAS)的測量輸入和理論值。在此基礎(chǔ)上開發(fā)了一個模擬實驗平臺。信號燈，信號燈記錄模塊，主要信號燈記錄模塊，包含測量儀器，用來測量環(huán)境變量。信號處理的主要模塊是計算機(jī)。這一制度應(yīng)包括下列步驟：

測量第一部分配置的不同成分濃度的混合氣體，包括氮，二氧化硫和二氧化碳。中午一點五分的二氧化硫濃度類似于二氧化碳。通過對壓力表、溫控儀、濕度計的觀測，根據(jù)實際環(huán)境條件調(diào)節(jié)環(huán)境變量，為模擬實際環(huán)境提供依據(jù)。在這種情況下，他們使用定容氣體容器來調(diào)節(jié)反射容器中氣體的壓力，吸收容器的溫度由溫度控制器控制，空氣室的濕度由吸收水的波長來調(diào)節(jié)。信號從激光器發(fā)送到準(zhǔn)直器，然后再發(fā)送到準(zhǔn)直器。同時將傳感器的光線值通過數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送到數(shù)據(jù)中心合并分析，糾正直接測量值的誤差[4]。

5.3 硬件系統(tǒng)的設(shè)計

5.3.1 光源

在CO2監(jiān)測系統(tǒng)中，光源是主要輸入源。激光的結(jié)構(gòu)主要包括三個部分：工作環(huán)境、激勵和諧波源。激光的特性可以分成很多種類型。根據(jù)工作環(huán)境的不同，包括固體激光器、氣體激光器、氣體激光器、氣體發(fā)生器、氣體發(fā)生器等。根據(jù)接收方式的不同，半導(dǎo)體液體激光器可以分為連續(xù)脈沖激光器、光譜級和功率級半導(dǎo)體激光通信行業(yè)已經(jīng)發(fā)展了很多年。調(diào)節(jié)式半導(dǎo)體激光器是目前氣體控制領(lǐng)域的研究熱點。

5.3.2 探測器

氣控系統(tǒng)中使用的探測器一般是用來檢測光信息的光電感應(yīng)裝置。通過監(jiān)控電信號，把測試結(jié)果轉(zhuǎn)化為電信號來控制燈光信號?？烧{(diào)諧激光吸收光譜儀對相應(yīng)波長范圍內(nèi)的光信號應(yīng)具有很高的靈敏度，為了滿足調(diào)制測量的要求，同時應(yīng)具有足夠的頻率響應(yīng)帶寬。

5.3.3 鎖相放大器

在檢測系統(tǒng)中，可檢測的信號往往是微弱的，而且噪聲和干擾也非常強(qiáng)烈，因此需要對信號進(jìn)行疊加和過濾。在分析測量信號時，可取標(biāo)準(zhǔn)信號和噪聲信號，在特定的倍頻帶上接收，再用互頻濾波器過濾，再用低頻濾波。效聲帶寬非常窄，從而削弱輸入噪聲信號，然后放大以滿足系統(tǒng)的增益要求。

5.3.4 傳感器的選擇

盡管在線CO2監(jiān)測基于光譜吸收原理，但在復(fù)雜的條件下很難確定氣體的具體濃度，也很難確定氣體的類型和濃度，因為氣體濃度在氣體傳感器非線性和系統(tǒng)中濃度變化時具有不標(biāo)準(zhǔn)的選擇性。綜合多種傳感器的數(shù)據(jù)，既能測量氣體的成分和濃度，又能測量氣體的質(zhì)量。但在復(fù)雜的情況下，它是由數(shù)量和質(zhì)量決定的。該系統(tǒng)由一些感光傳感器組成。通過分析來處理傳感器輸出信號。模式識別與量值定義。每一個參數(shù)都要選擇合適的傳感器或測量設(shè)備，因此，必須與氣量和傳感器的參數(shù)因素相匹配。由于單個傳感器射線的交叉靈敏度難以檢測，因此通過簡單的數(shù)據(jù)處理就可以得到每個傳感器對應(yīng)氣體的全部信息。

5.4 軟件系統(tǒng)的設(shè)計

該軟件系統(tǒng)屬于CO2實時控制系統(tǒng)。從傳感器到數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)傳輸，根據(jù)硬件要求進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和速度控制有些步驟是手動控制的，有些則需要由計算機(jī)控制。采用模塊化設(shè)計程序。通過上位機(jī)控制采樣頻率，將采集到的數(shù)據(jù)送入計算機(jī)中心。

6 結(jié)語

將光譜吸收技術(shù)、信息技術(shù)、傳感器技術(shù)、電子技術(shù)與二氧化碳排放的利用相結(jié)合，基于多傳感器數(shù)據(jù)集成技術(shù)，形成了CO2濃度實時監(jiān)測方法。本文著重介紹集中監(jiān)控方法的實現(xiàn)算法。通過開發(fā)模擬環(huán)境物理條件的模擬和應(yīng)用軟件，在實驗室建立了二氧化碳實時模型；在制定試驗步驟和收集試驗數(shù)據(jù)方面所取得的成果表明，該方法測量精確，具有良好的實時性，可快速、準(zhǔn)確地實時監(jiān)測二氧化碳濃度。