TDLAS在森林可燃物熱解氣體多組分同步測量中的應用分析

郭松杰, 王璐鵬, 陳金錚, 馬 云, 梁 安, 盧志民, 姚順春*

1. 華南理工大學電力學院, 廣東 廣州 510640

2. 云浮市消防救援支隊, 廣東 云浮 527399

引 言

森林是地球上最大的陸地生態(tài)系統(tǒng), 具有保持水土、 調(diào)節(jié)氣候、 凈化空氣等功能, 對維持地球生態(tài)平衡起著至關重要的作用[1]。 森林火災突發(fā)性強、 處置困難、 破壞性大, 已經(jīng)成為我國森林三大災害之一。 森林可燃物熱解對揭示森林燃燒機理和著火特性具有重要意義[2-3]。 森林火災的發(fā)生通常會經(jīng)歷一定過程, 火災早期的主要形式是森林可燃物熱解, 環(huán)境溫度過高導致植被熱解生成CO、 CO2和CH4等主要含碳氣體, 所以對熱解氣體進行早期探測是森林火災預警的有效措施。 CO和CH4在大氣中的含量極低, 只有在熱解和發(fā)生火災時才會明顯上升, 是火災早期的典型預警信號[4]。 CO2雖然是大氣中的常見氣體, 但是在熱解特別是著火時也會急劇上升。 這些含碳氣體的不斷釋放不僅容易引發(fā)火災, 而且會改變大氣環(huán)境, 加劇溫室效應, 快速靈敏檢測這三種組分的濃度對森林火災預警以及計算CO、 CO2和CH4的釋放總量具有重要作用[5-7]。 目前森林火災監(jiān)測的常用手段有地面、 空中巡邏、 瞭望臺監(jiān)測、 視頻監(jiān)控、 衛(wèi)星遙感監(jiān)測等[8], 傳統(tǒng)手段覆蓋面窄、 效率低, 難以對早期火災進行有效監(jiān)測。 為了提高火災監(jiān)測效率, 各種傳感器應運而生[9]。 森林地區(qū)環(huán)境復雜, 干擾因素較多, 對傳感器提出了較高的要求。 基于激光光譜技術的氣體檢測型傳感器具有響應時間短、 準確率高、 靈敏度高等優(yōu)點, 適用于森林火災的早期探測。

可調(diào)諧二極管激光吸收光譜(TDLAS)是一種靈敏度高、 選擇性強、 抗干擾能力強、 可實時在線測量的吸收光譜技術, 已經(jīng)廣泛應用于大氣污染物監(jiān)測、 工業(yè)過程控制、 醫(yī)療診斷、 航空航天等領域[10-11]。 TDLAS技術同樣適用于森林熱解氣體測量, 張佳薇[5]等通過TDLAS技術測量CO進行了森林火災早期探測研究。 然而, 對單一組分進行測量容易引起火情誤判, 對熱解氣體多種組分進行同步分析, 可以進一步提高森林火災早期預警的準確率。 隨著半導體激光器大規(guī)模商業(yè)化, 制造成本不斷降低, 通過多個激光器聯(lián)用實現(xiàn)多組分氣體同步測量的研究逐漸成為行業(yè)熱點并應用于實際測量中。 波分復用[12]、 頻分復用[13]、 時分復用[14]等方法是同步測量的常用手段。 頻分復用指在載波上加載不同頻率的調(diào)制信號, 且這些調(diào)制信號互不干擾、 并行傳輸, 在接收端分別解調(diào)可以得到各自的傳輸信息。 頻分復用方法用在氣體測量中, 可以實現(xiàn)單個掃描周期內(nèi)不同組分的同步測量, 簡化測量系統(tǒng)的同時響應時間不變, 具有較高的實用價值。 森林可燃物在熱解過程中不同組分的濃度存在差異, 基于波長調(diào)制光譜(WMS)技術選擇適用于不同濃度的反演方法, 對簡化系統(tǒng)、 提升檢測效率具有重要的現(xiàn)實意義。

基于TDLAS-頻分復用技術搭建了一套測量森林可燃物熱解氣體中CO、 CO2和CH4濃度的實驗系統(tǒng), 采用仿真的方式對比了二次諧波(2f)信號和二次諧波/直流(2f/DC)信號反演不同濃度的準確性, 通過測量2f/DC信號反演了三種組分的濃度。

1 原 理

1.1 TDLAS原理

根據(jù)Beer-Lambert定律[15], 入射激光被氣體樣品吸收后會導致出射光強衰減。 當激光中心頻率ν0受到角頻率為ω的正弦波調(diào)制時, 激光的瞬時頻率ν(t)可以表示為[16]

ν(t)=ν0+acos(ωt)

(1)

式(1)中,a為調(diào)制幅度。 由于DFB激光器的特性, 在激光頻率調(diào)制的同時, 激光強度也會受到調(diào)制。 調(diào)制后的透射激光強度用傅里葉級數(shù)表示為

I(t)=I0(t)τ(ν0+acos(ωt))=

(2)

式(2)中,Hk(ν0,a)為透射率τ(ν0+acos(ωt))的傅里葉系數(shù)。 探測器將接收的透射激光信號轉(zhuǎn)換為電信號輸入鎖相放大器, 與不同頻率的參考信號相乘并經(jīng)過低通濾波, 便可得到不同階次的諧波信號。

由于奇數(shù)次的諧波信號在譜線中心處為零, 而偶數(shù)次的諧波信號在譜線中心處達到最大值, 且隨著諧波次數(shù)增加, 諧波信號的峰值逐漸減小, 因此2f信號中心峰值適合用于反演氣體濃度。 借助標準氣體標定的方式可以確定氣體絕對濃度。

假設有兩個不同頻率(ω1和ω2)的調(diào)制信號同時加載到激光器, 激光的瞬時光強I(t)可以表示為

I(t)=I0+bcos(ω1t+φ1)+ccos(ω2t+φ2)

(3)

式(3)中,b和c分別為兩個調(diào)制信號的調(diào)制幅度,ω1和ω2分別為不同的調(diào)制頻率,φ1和φ2分別為各自的相位。 在對吸收光強信號進行解調(diào)時, 由于ω1和ω2通常為數(shù)十kHz的高頻信號, 且兩個頻率相差較大, 所以解調(diào)信號不受干擾。 光強信號與頻率為ω1和ω2的參考信號f1=dcos(ω1t+φ3)和f2=ecos(ω2t+φ4)分別進行混頻濾波, 其中,d和e分別表示兩個參考信號的幅度,φ3和φ4表示各自的相位。 混頻濾波后, 頻率為ω1、ω2、ω1+ω1、ω2+ω2、ω1+ω2、ω1-ω2的高頻成分都被低通濾波器濾除, 只保留頻率為ω1-ω1和ω2-ω2項對應的直流成分, 其中包含輸入信號幅值變化信息。 因此, 同時加載兩個不同頻率的調(diào)制信號用于測量不同氣體的頻分復用方法理論上可行。

1.2 譜線選擇

在頻分復用方案的基礎上, 需要選擇合適的吸收譜線。 CO、 CO2和CH4的吸收譜線分布范圍廣, 從近紅外到中紅外波段都有分布, 如圖1(a)所示。 近紅外波段的二極管激光器以及配套的光纖器件制造工藝成熟、 成本較低, 適合用于現(xiàn)場測量和各種傳感器開發(fā)。 同時, 為了實現(xiàn)三種組分同步測量, 避免出現(xiàn)飽和吸收現(xiàn)象, 選擇強度適宜且互不干擾的吸收譜線至關重要。 通過查詢HITRAN數(shù)據(jù)庫, 確定了三種組分的吸收譜線, 如圖1(b)、 (c)中的黑色箭頭所示, 對應的譜線參數(shù)見表1。

表1 選取的CO、 CO2和CH4的吸收譜線及其強度

圖1 CO、 CO2和CH4的吸收譜線分布

2 實驗部分

研究表明, 當氣體吸光度小于0.05時, 2f信號峰值與氣體濃度近似滿足線性關系[17], 隨著吸光度增加, 光強透射率與吸光度線性度降低, 由光強透射率解調(diào)的2f信號峰值與濃度的線性度也會隨之下降。 為了適應熱解氣體中不同組分濃度的反演, 克服2f峰值-濃度函數(shù)線性區(qū)間有限的缺點, 本工作提出了利用DC信號拓展標定模型的線性區(qū)間, 并且采用Simulink仿真的方式進行了驗證, 隨后搭建實驗裝置對熱解氣體中CO、 CO2和CH4三種組分進行了實際測量。

2.1 Simulink仿真

DC信號表示直接對透射光強進行低通濾波獲得的直流信號, DC信號中包含透射率信息, 2f/DC信號可以消除指數(shù)特征的影響, 進一步增大線性區(qū)間。 在此通過Simulink仿真的方式分別驗證了2f信號峰值與濃度、 2f/DC信號峰值與濃度的線性度。 我們模擬了CO位于6 330.15 cm-1處、 濃度在0.33%～1.67%(對應吸光度范圍為0.01～0.05)和2%～10%(對應吸光度范圍為0.06～0.3)之間的吸收光譜, 并進行線性擬合, 結(jié)果如圖2所示。 可以看出當吸光度小于0.05時, 2f信號峰值關于濃度的線性度與2f/DC信號基本一致, 均大于0.999; 但是當吸光度大于0.05時, 2f信號峰值的線性度明顯減小, 而2f/DC信號幾乎不變, 說明2f/DC信號具有更大的線性區(qū)間。 由于實驗中CO的吸光度大于0.05, CO2和CH4的吸光度小于0.05, 因此, 后續(xù)測量中將利用2f/DC信號反演CO、 CO2和CH4的濃度。

圖2 信號峰值與濃度仿真數(shù)據(jù)線性擬合

圖2(a)和(b)分別表示氣體吸光度在0.01～0.05范圍內(nèi), 2f信號峰值與2f/DC信號峰值關于濃度的線性擬合情況。 同樣, (c)和(d)分別表示2f信號和2f/DC信號在吸光度為0.05～0.3范圍內(nèi)的線性擬合情況。

2.2 裝置

基于頻分復用的CO、 CO2和CH4三種組分同步測量實驗裝置如圖3所示。 主要包括激光、 氣體吸收池、 數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)以及氣路部分。 DFB1激光器的中心波長為1 580.0 nm, 其波長調(diào)諧范圍可以同時覆蓋CO在6 330.15 cm-1、 CO2在6 328.95 cm-1處的吸收譜線, 實現(xiàn)CO和CO2的同時測量。 激光控制器1(PCI-1DA, Port City Instruments)內(nèi)部集成了激光器的溫度控制器、 電流驅(qū)動、 信號發(fā)生器、 鎖相放大器、 數(shù)據(jù)采集卡等部件, 通過計算機控制, 可以直接獲取氣體濃度諧波信號。 DFB1激光器的調(diào)諧參數(shù)如下： 低頻鋸齒波掃描頻率為5 Hz, 高頻正弦波調(diào)制頻率為31.2 kHz。 DFB2激光器的中心波長為1 653.7 nm, 可以覆蓋CH4在6 044.12 cm-1處的吸收譜線。 激光控制器2包含激光器的溫度控制器(TC10-LAB, Wavelength Electronics)和電流驅(qū)動(QCL1500-LAB, Wavelength Electronics)兩部分, 鎖相放大器(HPLIA, Healthy photon)內(nèi)部集成了信號發(fā)生器, 由其產(chǎn)生頻率為5 Hz的鋸齒波信號和頻率為6 kHz的正弦波信號加載到激光控制器2。 DFB1激光器和DFB2激光器發(fā)出的激光通過1∶1光纖合束器(TW1650R5A1, Thorlabs)進行合束, 合束光經(jīng)過反射鏡后入射到Herriott吸收池, 與氣體相互作用。 該吸收池長度30 cm, 有效光程約18 m。 從吸收池出射的激光入射到探測器(PDA10D2, Thorlabs), 探測器將光信號轉(zhuǎn)化為電信號后分別傳輸至激光控制器1和鎖相放大器進行諧波解調(diào)。 數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)包含： 激光控制器1、 數(shù)據(jù)采集卡和計算機。 激光控制器1可直接將CO和CO2的諧波信號傳輸至計算機, 鎖相放大器解調(diào)的CH4諧波信號通過數(shù)據(jù)采集卡(USB-6363, NI)傳輸至計算機。 氣路部分包括： 利用氣體采樣袋收集的熱解氣體、 已知濃度的CO、 CO2、 CH4標準氣體、 純N2標準氣體、 流量計(S48 32/HMT, HORIBA METRON)、 流量計控制器(MT/-56-3J, 北京堀場匯博隆精密儀器)以及氣體混合器等。

圖3 實驗裝置圖

2.3 熱解氣體制備

為了測量典型山林樹種熱解氣體中CO、 CO2和CH4三種主要含碳氣體的濃度, 從某山林收集了楓香樹、 松樹和樟樹的枝葉, 經(jīng)過人工枝葉分離后分為六種樣品： 楓香葉、 楓香枝、 松木葉、 松木枝、 樟木葉、 樟木枝。 首先將六種樹種樣品置于40 ℃干燥箱中干燥24 h, 以模擬山林樹種自然干枯的過程。 使用粉碎機對干燥后的樣品進行粉碎, 并將粉碎后的樣品放入管式爐中加熱制取熱解氣。 管式爐入口連接氮氣, 流速1 L·min-1, 出口經(jīng)過水洗過濾系統(tǒng)后與氣體采樣袋相連。 管式爐的設定溫度為900 ℃, 穩(wěn)定加熱20 min后向管式爐中通入氮氣, 利用氮氣將熱解氣體吹掃至氣體采樣袋中。

3 結(jié)果與討論

3.1 2f/DC信號測量

將氣體采樣袋收集的熱解氣體充入吸收池后密封, 保持吸收池內(nèi)的氣壓為0.99 atm(廣州本地氣壓), 溫度為25 ℃。 通過優(yōu)化調(diào)制幅度和解調(diào)相位等參數(shù), 使解調(diào)的2f/DC信號具有較高的峰值和信噪比。 六種樹種熱解氣體中三種組分的2f/DC信號如圖4所示。

圖4 六種樹種熱解氣體中三種組分的2f/DC信號

3.2 標準氣體標定

通過測量已知濃度的標準氣體進行系統(tǒng)線性響應度評估, 同時計算六種樹種熱解氣體中CO、 CO2、 CH4的濃度。 分別配制了CO、 CO2、 CH4三種組分不同濃度的標準氣體, 具體為： 五組CO標準氣體(2%、 4%、 6%、 8%、 10%)、 五組CO2標準氣體(2%、 4%、 6%、 8%、 10%)以及五組CH4標準氣體(1%、 2%%、 3%、 4%、 5%), 測量三種組分每個濃度對應的2f/DC信號。 每個2f/DC信號由10組數(shù)據(jù)平均所得, 并通過線性擬合得到2f/DC信號峰值與氣體濃度的函數(shù), 如圖5所示。 從圖中可以看出,R2均大于0.995, 證明三種組分的2f/DC信號與濃度均滿足較好的線性關系。

圖5 三種組分標準氣體的2f/DC信號峰值與濃度線性擬合

利用標準氣體的線性擬合模型, 可以計算出六種樹種熱解氣體中CO、 CO2、 CH4的濃度, 結(jié)果如表2所示, 濃度比值如圖6所示。

表2 六種樹種熱解氣體中CO、 CO2和CH4的濃度

圖6 六種樹種熱解氣體CO、 CO2、 CH4的濃度比值

由表2和圖6可以看出, 六種樹種熱解氣體中CO、 CO2、 CH4的比值略微存在差異, 其中CO的含量最高, 原因是在900℃高溫條件下主要發(fā)生焦炭氣化反應和Boundouard反應, 說明在900 ℃高溫下山林樹種熱解產(chǎn)生的含碳氣體中主要成分為CO。

3.3 系統(tǒng)檢測限分析

為了對系統(tǒng)檢測限進行評估, 在此選擇了楓香葉熱解氣體中的CO、 CO2、 CH4信號進行計算, 如圖7示。 在無吸收區(qū)域截取一段信號, 計算其標準差(SD), 通過CO、 CO2和CH4的2f/DC信號峰值與標準差, 可以得到三種組分的信噪比分別為311、 211和44, 結(jié)合采樣頻率和平均次數(shù), 可知該光譜系統(tǒng)在2 s測量時間內(nèi), 對于CO、 CO2、 CH4的最低檢測限分別為0.007 3%、 0.007 7%、 0.007%, 靈敏度分別為0.004 8%、 0.004 8%、 0.002%。 研究表明, CO和CH4的濃度分別大于12.5%和5%時容易發(fā)生爆炸[18], 因此該系統(tǒng)滿足森林可燃物熱解氣體測量和森林火災早期預警需求。

圖7 楓香葉熱解氣體中CO、 CO2和CH4的

4 結(jié) 論

利用TDLAS-頻分復用技術測量了六種樹種熱解氣體中三種主要含碳組分CO、 CO2和CH4的濃度, 結(jié)果表明, 三種組分的2f/DC信號峰值與濃度均滿足良好的線性關系, 線性度大于0.995, 證明2f/DC信號適用于不同濃度的反演。 分析六種樹種解熱氣體中三種組分的總體釋放情況可知, CO占比明顯高于CO2和CH4, 這是由于在900 ℃高溫條件下主要發(fā)生焦炭氣化反應和Boundouard反應。 通過評估最低檢測限, 證明該系統(tǒng)滿足森林可燃物熱解氣體測量和森林火災早期預警的需求。 在本工作的基礎上, 下一步將利用該系統(tǒng)對三種組分進行在線實時測量, 進一步研究森林可燃物熱解過程中不同時刻三種組分的釋放情況。