基于TDLAS技術(shù)的甲烷氣體濃度識(shí)別系統(tǒng)

闞玲玲 葉 蕾 王喜良 陳建玲 宋福政

（1.東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院；2.上汽通用東岳汽車有限公司沖壓車間；3.中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司；4.大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠第五油礦高一隊(duì)）

天然氣的主要成分是易燃易爆的甲烷（CH4）氣體。 由于甲烷能夠吸收特定波長(zhǎng)的紅外輻射，近年來(lái)，基于紅外檢測(cè)技術(shù)的天然氣管道泄漏檢測(cè)方法得到廣泛關(guān)注［1，2］。 現(xiàn)階段，利用可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS）測(cè)量氣體濃度已廣泛應(yīng)用［3］。為了降低TDLAS系統(tǒng)的檢測(cè)限，針對(duì)系統(tǒng)中無(wú)法避免的干擾和噪聲，越來(lái)越多的后續(xù)處理算法被研究和應(yīng)用［4］。2014年，吉林大學(xué)鄭傳濤課題組在TDLAS系統(tǒng)中引入小波去噪 （WD），最小檢測(cè)限（MDL）從4ppm（1ppm=0.001‰）降到了1ppm，在4～50ppm濃度范圍內(nèi)，最大檢測(cè)誤差從6.2%降至3.8%［5］。 2015年安徽大學(xué)課題組提出了一種基于離散小波變換（DWT）的方法，選擇最佳小波可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜（TDLAS）進(jìn)行自適應(yīng)處理，用于分子光譜和痕量氣體檢測(cè)等定量分析［6］。 2018年，Song F等采用帶間級(jí)聯(lián)激光器作為光源，通過(guò)在光源驅(qū)動(dòng)中加入噪聲，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)抑制噪聲的甲烷檢測(cè)系統(tǒng)［7］。2018年，山東大學(xué)楊仁弟將經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解用于降低TDLAS系統(tǒng)的本底信號(hào)［8］。2020年，王志芳等采用集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解算法（EEMD）結(jié)合小波方法對(duì)氣體光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理，從噪聲中提取微弱信號(hào)進(jìn)行氣體濃度測(cè)定［9］。

筆者首先搭建了一套基于TDLAS技術(shù)的甲烷氣體濃度識(shí)別系統(tǒng)， 檢測(cè)濃度分別為10、30、987ppm的標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體，用Matlab軟件擬合成一條標(biāo)準(zhǔn)濃度的甲烷直線，然后用濃度為987ppm的標(biāo) 準(zhǔn) 氣 體 配 比 了 濃 度 為299.1、448.6、548.3、658.0、822.5、897.3ppm的甲烷氣體， 用以驗(yàn)證配比精度。

1 基于TDLAS的甲烷氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

TDLAS技術(shù)由Hinkley E D在20世紀(jì)70年代提出［10］，主要用于痕量氣體的檢測(cè)。 該技術(shù)通過(guò)對(duì)窄線寬激光器的溫度和電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，使之輸出包含待測(cè)氣體特征吸收譜線的激光，依據(jù)Beer-Lambert定律分析投射光強(qiáng)得到氣體濃度。

1.1 檢測(cè)原理

1.1.1 直接吸收光譜法

改變驅(qū)動(dòng)電流的大小，使激光器輸出能掃過(guò)目標(biāo)氣體吸收峰的光源，通過(guò)重復(fù)掃描取平均值提高檢測(cè)精度。 將三角波信號(hào)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的特定波長(zhǎng)激光信號(hào)通過(guò)長(zhǎng)光程氣體池，采集光電檢測(cè)器光強(qiáng)信號(hào)， 利用Beer-Lambert定律擬合標(biāo)準(zhǔn)濃度基線，進(jìn)而計(jì)算出待測(cè)氣體的濃度信息［1］。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的輸出光強(qiáng)I（v）可以表示為［11］：

其中，C為待測(cè)氣體濃度；I0為入射光強(qiáng)；L為光程；v為瞬時(shí)頻率；吸收系數(shù)α（v）的表達(dá)式如下：

其中，N為氣體分子密度；S（T）為待測(cè)氣體吸收譜線強(qiáng)度；T為溫度，K；G （·） 為洛倫茲線型函數(shù)。

直接吸收光譜法測(cè)量簡(jiǎn)單，通過(guò)基線擬合減去背景之后再進(jìn)行線性擬合，可以得到線型參數(shù)的絕對(duì)值，可用于測(cè)量濃度、溫度及壓強(qiáng)等。 但是當(dāng)系統(tǒng)的信噪比較小時(shí)，即吸光度小于0.01時(shí)，會(huì)影響到直接吸收光譜法的可靠性。 為克服這一問題，波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)開始被廣泛應(yīng)用［1］。

1.1.2 波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)和諧波檢測(cè)方法采用高頻正弦信號(hào)對(duì)注入電流進(jìn)行調(diào)制，然后提取接收光強(qiáng)信號(hào)的諧波分量，可以有效抑制帶外低頻噪聲。 該技術(shù)下激光器的瞬時(shí)頻率計(jì)算公式為：

其中，x0=（vc-v0）/γ；v0為甲烷分子譜線的中心頻率；m為波長(zhǎng)調(diào)制系數(shù)，m=Δv/γ。

從而，經(jīng)過(guò)氣體吸收后的透射光強(qiáng)可以轉(zhuǎn)換成如下形式：

根據(jù)Andt’s理論模型［10］，I（x）的一次、二次諧波分別為：

由式（6）、（7）發(fā)現(xiàn)：對(duì)于頻率調(diào)制的洛倫茲線型來(lái)說(shuō)， 奇次諧波信號(hào)也呈現(xiàn)出了奇對(duì)稱性，奇次諧波信號(hào)在吸收線中心頻率處幅值為零；偶次諧波信號(hào)是偶對(duì)稱的，并且在吸收線的中心頻率處獲得極值，該極值包含了待測(cè)氣體的濃度信息，可用于測(cè)量氣體的濃度；諧波信號(hào)的最大幅值與調(diào)制指數(shù)m相關(guān)， 它隨諧波次數(shù)的增大而減小，所以諧波信號(hào)次數(shù)太高反而不利于氣體濃度分析［12］。 因此選用二次諧波幅值作為氣體濃度檢測(cè)的依據(jù)，可以提高系統(tǒng)的信噪比。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

筆者搭建了基于TDLAS技術(shù)的甲烷氣體濃度識(shí)別系統(tǒng)（圖1），該系統(tǒng)包括3部分，分別為：標(biāo)準(zhǔn)氣體、高精度流量計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)光程氣體吸收池組成的氣體濃度配比部分；掃描信號(hào)、調(diào)制信號(hào)、驅(qū)動(dòng)電路、激光光源和光電檢測(cè)器組成的光電檢測(cè)部分；高速采集卡和上位機(jī)軟件組成的信號(hào)采集部分。

氣體濃度配比部分。樣氣為一瓶濃度987ppm的標(biāo)準(zhǔn)CH4和一瓶作為稀釋氣體的高純度N2。 流量計(jì)選用MC質(zhì)量流量控制器， 由美國(guó)ALICAT公司生產(chǎn)。 用標(biāo)準(zhǔn)光程為14.5m的赫里奧特池作為氣體吸收池， 激光在氣體吸收池內(nèi)反射52次，完成光譜的充分吸收。

光電檢測(cè)部分。 系統(tǒng)中激光光源使用中心波長(zhǎng)為1 653.7nm 的分布式反饋（Distributed Feedback，DFB）激光器，激光波長(zhǎng)隨電流的變化率為0.01nm/mA，由溫度和恒流源控制。 PCI-1DA控制器產(chǎn)生的80mA掃描電流加到激光器的電流驅(qū)動(dòng)板上，使激光器輸出的激光波長(zhǎng)在1 653.7～1 654.1nm之間連續(xù)變化。 激光波長(zhǎng)由2Hz鋸齒波信號(hào)掃描，激光調(diào)制模塊使用31.2kHz、初相位為π/2的余弦波信號(hào)。 采用高性能可切換增益檢測(cè)器PDA20CSInGaAs，其波長(zhǎng)范圍為800～1 700nm，圓形傳感區(qū)域直徑為2mm。

信號(hào)采集部分。 FC為準(zhǔn)直器，PD為光電檢測(cè)器， 采用NI PXle-6366作為采集卡， 上位機(jī)采用PCI-1DA 1.5.1進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

1.2.1 激光器的選擇

光源采用DFB激光器， 通過(guò)內(nèi)置布拉格光柵實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的選擇。 DFB激光器最大的特點(diǎn)是具有非常好的單色性， 它的線寬非常窄， 通常小于15MHz，有的甚至小于1MHz，還具有非常高的邊模抑制比（SMSR），可達(dá)到40～50dB。 DFB激光器可以通過(guò)溫度和電流來(lái)進(jìn)行調(diào)諧，當(dāng)前的電流調(diào)諧范圍比較窄，通常小于1nm，但調(diào)諧速度快，可精確控制。

在近紅外波段選擇氣體吸收譜線時(shí)，主要考慮譜線強(qiáng)度和其他氣體譜線干擾兩方面，本系統(tǒng)采用中心波長(zhǎng)為1 653.7nm的單模蝶形封裝DFB激光器，其工作溫度為-25～50℃，最大驅(qū)動(dòng)電流不超過(guò)120mA，驅(qū)動(dòng)電流典型值為70mA，輸出功率為5mW。

1.2.2 氣體吸收池的選擇

激光由光纖經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直器進(jìn)入長(zhǎng)光程氣體吸收池內(nèi)，經(jīng)過(guò)多次反射后，攜帶氣體光強(qiáng)吸收信息被光電檢測(cè)器接收， 然后依據(jù)Beer-Lambert定律測(cè)量氣體的濃度。

本系統(tǒng)采用的是Herriott長(zhǎng)光程氣體吸收池，有效吸收光程為14.5m， 適用于各種常見氣體樣品的光譜分析檢測(cè)。 此氣體吸收池采用獨(dú)特的鏡面設(shè)計(jì)， 使激光束在氣體吸收池中形成多次反射，有效光程在很小空間內(nèi)達(dá)到數(shù)十米，可對(duì)小體積氣體樣品實(shí)現(xiàn)有效的光吸收。

1.2.3 光電檢測(cè)器的選擇

系統(tǒng)采用Thorlabs的PDA20CS作為光電檢測(cè)器，它是一種具有放大功能、可調(diào)增益的InGaAs檢測(cè)器， 可用于檢測(cè)800～1 700nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光信號(hào)，緩沖輸出可驅(qū)動(dòng)50Ω負(fù)載阻抗，最高可達(dá)5V， 可以用于檢測(cè)微弱的信號(hào)， 最大響應(yīng)度為1.04A/W。 在檢測(cè)器的側(cè)面有8個(gè)增益擋位，范圍從0～70dB，步長(zhǎng)為10dB，可根據(jù)檢測(cè)信號(hào)的強(qiáng)度調(diào)節(jié)增益位置， 確保探測(cè)信號(hào)達(dá)到最佳幅值輸出。 同時(shí)，該檢測(cè)器噪聲水平低，最大的噪聲幅值只有600μV，確保了有效信號(hào)的質(zhì)量。

1.3 TDLAS甲烷氣體濃度檢測(cè)流程

TDLAS甲烷氣體濃度檢測(cè)流程如下：

a. 利用PCI-1DA 控制器調(diào)節(jié)中心波長(zhǎng)為1 653.7nm的DFB工作在28℃，調(diào)節(jié)激光器的激光波長(zhǎng)以0.01nm/mA的變化率在1 653.7～1 654.1nm之間變化。 輸出波長(zhǎng)由2Hz鋸齒波掃描，用工作頻率為31.2kHz、初始相位為π/2的余弦波進(jìn)行調(diào)制。

b. 將氣體吸收池內(nèi)的溫度控制在16.9℃，分別使用10、30、987ppm的標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體沖干凈氣體 吸 收 池， 保 證 池 內(nèi) 壓 強(qiáng) 為1atm （1atm =101 325Pa）。 PCI-1DA控制器產(chǎn)生的80mA掃描電流加到激光器的電流驅(qū)動(dòng)板上，使激光器輸出激光的波長(zhǎng)在1 653.7～1 654.1nm連續(xù)變化，吸收光程為14.5m。

c. 由光電檢測(cè)器測(cè)量激光的光強(qiáng)變化情況，將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)由數(shù)據(jù)采集卡再轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸入到軟件中， 通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行光譜分析。根據(jù)光電檢測(cè)器檢測(cè)的透射光強(qiáng)信號(hào)解調(diào)出一次諧波和二次諧波信號(hào)，由甲烷氣體濃度與其二次諧波幅值的對(duì)應(yīng)關(guān)系擬合出甲烷氣體濃度的標(biāo)定直線。

d. 用氮?dú)庾鳛槠胶鈿怏w，將987ppm的標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體濃度根據(jù)前述配氣原理用流量計(jì)將標(biāo)準(zhǔn)氣分別配比為6種不同濃度的氣體， 將解調(diào)計(jì)算最后的結(jié)果用于甲烷氣體濃度標(biāo)定直線驗(yàn)證，驗(yàn)證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

2 基于TDLAS的甲烷氣體濃度識(shí)別

系統(tǒng)以987ppm的標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體為實(shí)驗(yàn)樣本配比不同濃度的甲烷氣體，擬合濃度直線，然后用其他濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行測(cè)試，以驗(yàn)證識(shí)別精確度。

2.1 氣體濃度標(biāo)定

系統(tǒng)用氮?dú)庾鳛槠胶鈿怏w， 稀釋濃度為987ppm的標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體， 配比了濃度為299.1、448.6、548.3、658.0、822.5、897.3ppm的6種甲烷氣體樣本， 提取不同濃度甲烷氣體的二次諧波信號(hào)，如圖2所示。

圖2 不同濃度甲烷氣體二次諧波信號(hào)

利用6組濃度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，每種濃度下各取30組二次諧波信號(hào)的最大值，然后取平均，通過(guò)擬合得到接收光強(qiáng)信號(hào)二次諧波幅值最大值平均值max（Amp）與甲烷氣體濃度C成線性關(guān)系（圖3）。

圖3 二次諧波幅值最大值平均值與甲烷氣體濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系（987ppm）

測(cè)量時(shí)，可以根據(jù)式（8）來(lái)確定甲烷氣體濃度。

2.2 不同濃度甲烷氣體識(shí)別

2.2.1 同一標(biāo)準(zhǔn)氣體配比的氣體濃度識(shí)別精度分析

用987ppm的標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體配比299.1、448.6、548.3、658.0、822.5、897.3ppm的甲烷氣體，所得濃度的相對(duì)誤差見表1。 由表1可以看出，配比濃度與實(shí)測(cè)濃度之間的相對(duì)誤差都在4%以內(nèi)。 由圖3可以看出二次諧波幅值最大值平均值與甲烷氣體濃度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。

表1 987ppm標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體的配比濃度與實(shí)測(cè)濃度的相對(duì)誤差

2.2.2 不同標(biāo)準(zhǔn)氣體配比的氣體濃度識(shí)別精度分析

用30ppm的標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體配比5、10、20ppm的甲烷氣體，所得濃度的相對(duì)誤差見表2。 二次諧波幅值最大值平均值與甲烷氣體濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4所示。

表2 30ppm標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體的配比濃度與實(shí)測(cè)濃度的相對(duì)誤差

圖4 二次諧波幅值最大值平均值與甲烷氣體濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系（30ppm）

由表2可以看出，用30ppm標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體配比的濃度與實(shí)際測(cè)得的濃度之間的相對(duì)誤差都在8%以內(nèi)； 由圖4可以看出二次諧波幅值最大值與甲烷氣體濃度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。

用997.9ppm標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體配比199.6、249.5、399.2、499.0、623.7ppm的甲烷氣體， 所得濃度相對(duì)誤差見表3。 二次諧波幅值最大值平均值與甲烷氣體濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖5所示。 由表3可以看出，用997.9ppm標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體配比的濃度與實(shí)際測(cè)得的濃度之間的相對(duì)誤差都在2%以內(nèi)； 由圖5可以看出二次諧波幅值最大值平均值與甲烷氣體濃度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。

表3 997.9ppm標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體的配比濃度與實(shí)測(cè)濃度的相對(duì)誤差

圖5 二次諧波幅值最大值平均值與甲烷氣體濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系（997.9ppm）

2.2.3 標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度的識(shí)別精度分析

檢測(cè)10、30、987ppm的標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體濃度，所得相對(duì)誤差見表4。 二次諧波幅值最大值平均值與標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖6所示。

表4 實(shí)際所測(cè)甲烷濃度與10、30、987ppm標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體濃度之間的相對(duì)誤差

圖6 二次諧波幅值最大值平均值與10、30、987ppm標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

由表4可以看出，10、30、987ppm標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體濃度與實(shí)際測(cè)得的濃度之間的相對(duì)誤差都在4%以內(nèi)；由圖6可以看出二次諧波幅值最大值平均值與標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體濃度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。

上述一系列實(shí)驗(yàn)均可證明筆者基于TDLAS技術(shù)搭建的甲烷氣體濃度識(shí)別裝置的氣體標(biāo)定準(zhǔn)確，氣體濃度識(shí)別精度高。

3 結(jié)束語(yǔ)

筆者以TDLAS技術(shù)識(shí)別甲烷氣體濃度為研究背景， 采用波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)抑制噪聲， 提高檢測(cè)精度，再使用流量計(jì)配比所需甲烷濃度。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)氣體的實(shí)驗(yàn)， 擬合出二次諧波信號(hào)幅值與甲烷氣體濃度之間的線性關(guān)系， 并通過(guò)其他標(biāo)準(zhǔn)濃度氣體進(jìn)行誤差分析。 最后分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算誤差。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 二次諧波信號(hào)幅值均與各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體配比出的濃度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系， 且高濃度標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體配比出的濃度誤差在4%以內(nèi)，低濃度標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體配比出的濃度誤差在8%以內(nèi)，表明該裝置具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。