基于光譜吸收的CO2氣體檢測系統(tǒng)

宮衛(wèi)華，張婷婷，魏玉賓，王兆偉，李艷芳，張秦端，劉統(tǒng)玉,2，張偉

(1.齊魯工業(yè)大學(山東省科學院) 山東省科學院激光研究所，山東 濟南 250103;2.山東省微感光電子有限公司，山東 濟南 250103)

二氧化碳(CO2)氣體是大氣中的重要組成成分，在工業(yè)、大棚農(nóng)業(yè)、醫(yī)學研究中都扮演著重要角色。CO2作為綠色植物光合作用的主要原料，其體積分數(shù)的高低影響光合速率，通過監(jiān)測并控制農(nóng)作物生長環(huán)境中的CO2含量，可以提高農(nóng)作物的品質(zhì)和產(chǎn)量[1]。另外，CO2也是煤炭、天然氣和石油等燃料的燃燒產(chǎn)物，隨著城市化和工業(yè)化的快速發(fā)展，以CO2為主的溫室氣體排放量迅速增加，導致大氣層阻擋熱量逃逸的能力提升，形成更強的溫室效應，影響全球氣候變化。目前溫室效應帶來的負面影響已經(jīng)嚴重威脅人類健康安全、阻礙全球經(jīng)濟的發(fā)展[2]。2020年CO2排放量達到340 億噸，2019年CO2排放量達到364.4 億噸，占所有溫室氣體的74%，因此減少CO2氣體排放是解決全球氣候變暖問題的關(guān)鍵。中國已積極參與全球碳減排行動，以“自主貢獻”方式承諾“CO2排放力爭在2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”的“雙碳”目標。在“雙碳”目標背景下，高準確性和高可靠性的CO2氣體監(jiān)測系統(tǒng)將作為重要的監(jiān)測手段，對控排企業(yè)的碳排放量及空氣中CO2含量進行在線監(jiān)測，為低碳工程提供有效數(shù)據(jù)支撐與科學依據(jù)。

目前人們已研究開發(fā)了多種CO2氣體測量方法，如電化學式、熱傳導式、電容式、固體電解質(zhì)式等方法，這些檢測方法具備體積小、價格低等優(yōu)點，但存在檢測精度低、響應慢、使用壽命短等缺點[3-5]。近年來，紅外光譜技術(shù)發(fā)展迅速，其中可調(diào)諧半導體激光吸收光譜技術(shù)(tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS)憑借無需預處理、檢測精度高、響應速度快、選擇性強等優(yōu)點，發(fā)展成為應用最廣泛的氣體傳感器[6-8]。德國Nwaboh等[9]選用CO2在2 μm附近的吸收譜線，利用TDLAS技術(shù)對體積分數(shù)0.03%～6.00%的CO2氣體進行測量，測量結(jié)果相對誤差為1.4%～2.8%，證明了TDLAS技術(shù)可對CO2進行準確測量。羅淑芹[10]在1 580 nm波段范圍內(nèi)對不同溫度和壓力下的CO2進行測量，確定了溫度壓強及噪聲對測量結(jié)果的影響和干擾，對標準體積分數(shù)為5%、10%、15%的CO2氣體體積分數(shù)進行測量，其測量值與真實值之間的最大相對誤差為3%。信豐鑫[11]選擇CO2在1 572 nm附近的吸收譜線，搭建完整的TDLAS實驗系統(tǒng)測量開放式大氣中CO2的體積分數(shù)，將TDLAS技術(shù)應用于大氣環(huán)境監(jiān)測中。本文基于TDLAS技術(shù)搭建了一套CO2氣體在線檢測系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用直接吸收技術(shù)，并在系統(tǒng)中增加兩路參考光路以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，該系統(tǒng)簡單并易于操作，實現(xiàn)了對CO2氣體的在線監(jiān)測與分析。

1 TDLAS檢測原理

TDLAS技術(shù)基于氣體分子的紅外特征吸收，當頻率為ν(cm-1)的光束通過對該光束有吸收效應的氣體時產(chǎn)生共振吸收，初始光強I0(ν)與出射光強It(ν)間滿足吸收定律比爾-朗伯定律[12-13]：

It(ν)=I0(ν)exp[-α(ν)CL]，

(1)

其中，C為待測氣體的體積分數(shù)，L為有效吸收光程，α(ν)為在頻率ν(cm-1)處的吸收系數(shù)，可以表示為：

α(ν)=S(T)g(ν,ν0)P/κT，

(2)

其中，S(T)為目標氣體分子在T(K)溫度下吸收譜線強度，P為目標氣體所處環(huán)境的總壓強，κ為玻爾茲曼常數(shù)，g(ν,ν0)為氣體吸收譜線的歸一化線型函數(shù)，滿足：

(3)

(4)

在直接吸收檢測技術(shù)中，通過對出射信號的歸一化處理獲取吸收譜線，對吸收譜線進行線型擬合與標定得到吸收譜線與待測氣體分子的體積分數(shù)對應關(guān)系，進而通過任一吸收光譜反演出目標氣體的體積分數(shù)。

2 譜線選擇與系統(tǒng)設計

2.1 CO2吸收譜線的選擇

在設計檢測系統(tǒng)前要選定目標氣體的吸收譜線，以確定檢測系統(tǒng)中激光器、光電探測器等光學器件參數(shù)。選擇的氣體吸收譜線吸收強度要盡可能大，同時要避開水汽(H2O)、一氧化碳(CO)、甲烷(CH4)等氣體分子的吸收交叉干擾，通過查閱HITRAN數(shù)據(jù)庫[14]，本系統(tǒng)選擇CO2氣體在1 609.583 nm處的吸收譜線。在溫度T=300 K，壓強P=1 atm (1 atm= 101 325 Pa)，吸收光程L=300 cm條件下分別對CO2、CO、CH4和H2O的吸收譜線進行擬合，上述氣體的體積分數(shù)依次設置為380×10-6、2×10-6、2×10-6和8 000×10-6，擬合結(jié)果如圖1所示。

圖1 CO2、CO、CH4和H2O吸收譜線擬合結(jié)果Fig.1 Fitting results of CO2, CO, CH4, and H2O absorption lines

2.2 系統(tǒng)設計

本文基于TDLAS直接吸收技術(shù)設計的CO2在線檢測系統(tǒng)，主要組成包括激光器及其控制模塊、氣體吸收池、光電探測器、電流/電壓轉(zhuǎn)換電路、放大電路、微處理器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。由于受檢測環(huán)境、光源控制模塊以及激光器自身特性的影響，激光器產(chǎn)生光強波動和波長漂移影響測量精度，我們在系統(tǒng)中設置兩路參考信號并利用相關(guān)算法以減小影響，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖2所示。其中激光器選擇線寬窄、穩(wěn)定性高的分布式反饋激光器(DFB-LD)，DFB-LD的出射波長與功率由工作電流與溫度共同控制，當DFB-LD工作溫度穩(wěn)定時，激光器出射功率和波長與驅(qū)動電流成正相關(guān)。測量光路中氣體吸收池選擇多次反射的herriot池，有效光程為3 m，參考光路中的參考氣室內(nèi)密封有高體積分數(shù)CO2氣體。

圖2 CO2的TDLAS檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic of the TDLAS detection system for CO2

檢測系統(tǒng)基本工作原理為DFB-LD在溫控模塊和電流驅(qū)動模塊控制下產(chǎn)生中心波長為1 609.6 nm和掃描范圍250 pm的掃描激光信號，經(jīng)過光纖耦合器分束成三束光信號，測量光路的光信號通過氣體吸收池后照射到光電探測器，該路信號用于目標氣體吸收光譜信號獲??；第二路光信號通過參考氣室照射到光電探測器上，該路信號用于判斷吸收峰位置，實時調(diào)整激光器的控制參數(shù)，確保吸收峰位于掃描波段的中心位置；第三路光信號直接照射到光電探測器上，該路信號用于去除光源本身攜帶的噪聲信號。三路光電探測信號經(jīng)過后端電路信號處理后，再由微處理器進行算法處理得到待測氣體體積分數(shù)。

3 實驗分析

在常溫常壓下對上述TDLAS檢測系統(tǒng)進行了實驗測試，測試指標包括測量準確度、響應時間、重復性測試以及穩(wěn)定性測試。

3.1 測量誤差

基于上文中的檢測原理對檢測系統(tǒng)進行標定，標定后對系統(tǒng)的測量準確度進行測試，測試氣體選用特種氣體公司提供的標準氣體，其標志氣為CO2，平衡氣為N2。測試時先向氣體吸收池通入高純氮氣將吸收池內(nèi)的CO2排出，再通入CO2標準氣體，計算測量值與標準值之間的差值。測試標氣中CO2體積分數(shù)分別為0.251%、0.754%、1.02%、2.03%、5.01%、10%、20%、25%以及30%，其測量結(jié)果如3所示所示，結(jié)果顯示當標氣中CO2體積分數(shù)為0.251%時測量相對誤差為0.8%，當標氣中CO2體積分數(shù)大于5%時，測量相對誤差保持在0.5%以內(nèi)。

圖3 檢測系統(tǒng)測量相對誤差Fig.3 Relative error of CO2 measurement via the detection system

3.2 重復性測試

將上述9種標準氣體按照CO2體積分數(shù)由低到高依次通入氣體吸收池，然后再由高到低依次通入氣體吸收池，氣體吸收池內(nèi)CO2體積分數(shù)測量結(jié)果如圖4所示。

圖4 CO2體積分數(shù)測量值變化曲線 Fig.4 Change curve for the measured value of CO2 volume fraction

對比同一標準氣體在兩過程的測量結(jié)果，重復性誤差小于0.06%，相對誤差小于4.5%，測量結(jié)果如表1所示，其中φ0為標準氣體中CO2體積分數(shù)，φ1為第一個過程中CO2體積分數(shù)測量值，φ2為第二個過程中CO2體積分數(shù)測量值，δ為兩個過程測量相對誤差。

表1 兩個過程的測量結(jié)果對比

3.3 響應時間

響應時間是反映傳感器響應是否迅速的重要參數(shù)，該參數(shù)受氣體吸收池容積、氣體通入流速以及信號采集處理速度等因素影響，通常將測量值開始變化到測量值達到穩(wěn)定值的90%所用時間作為響應時間。利用5個CO2體積分數(shù)不同的標準氣體進行測試，測試過程吸收池通氣流量控制在0.5 L/min左右。為了更詳細記錄氣體吸收池內(nèi)CO2體積分數(shù)值的變化過程，將測量值的采樣頻率設置為180 S/min。結(jié)果顯示系統(tǒng)在不同標氣下響應時間均值為15.8 s，響應時間最長不超過18 s。圖5為通入吸收池內(nèi)的標氣中CO2體積分數(shù)由2%變?yōu)?%時，吸收池內(nèi)CO2體積分數(shù)測量值的變化曲線，該過程的響應時間為約15 s。

圖5 標氣中CO2體積分數(shù)由2%變?yōu)?%過程的響應時間測試曲線Fig.5 Response time test curve for a standard CO2 valume fraction changed from 2% to 5%

3.4 穩(wěn)定性測試

基于CO2檢測系統(tǒng)對空氣中的CO2進行測試，通過氣泵將空氣抽入氣體吸收池內(nèi)，測量值的采樣頻率設置為10 S/min，進行4 h的連續(xù)監(jiān)測，其中圖6(a)為CO2體積分數(shù)測量結(jié)果，圖6(b)為CO2體積分數(shù)測量值的分布圖，結(jié)果顯示空氣中CO2體積分數(shù)的測量值以380×10-6為中心，在360×10-6～ 400×10-6之間波動。

圖6 空氣中CO2體積分數(shù)監(jiān)測曲線圖Fig.6 Monitoring curve for CO2 volume fraction in air

4 結(jié)論

針對CO2氣體實時在線監(jiān)測的應用需求，本文利用CO2位于1 609 nm附近的吸收譜線，搭建了一套基于TDLAS技術(shù)的CO2氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)，試驗結(jié)果顯示相對誤差不超過0.8%，系統(tǒng)重復性小于0.06%，系統(tǒng)響應時間T90不超過18 s，對空氣中CO2體積分數(shù)連續(xù)監(jiān)測4 h，測量值以380×10-6為中心，在360×10-6～ 400×10-6之間波動。結(jié)果表明，基于TDLAS技術(shù)的CO2氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)響應快、穩(wěn)定性好、靈敏度高，在CO2含量檢測、工業(yè)碳排放監(jiān)測等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。我們下步將進一步優(yōu)化信號處理，以提高系統(tǒng)的檢測精度。