王 敏，王 雅，曹宗平

（1.安徽建筑工業(yè)學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，安徽合肥，230601；2.合肥水泥研究設(shè)計院，安徽合肥，230051）

水泥工業(yè)廢氣的檢測結(jié)果可以指導(dǎo)水泥生產(chǎn)設(shè)備的熱工標(biāo)定，穩(wěn)定熱工制度，對于水泥生產(chǎn)企業(yè)的節(jié)能減排具有重要意義。目前，我國立窯水泥生產(chǎn)企業(yè)主要采用價格相對便宜的奧氏氣體分析儀來獲取煙氣中CO、CO2和O2的含量，該方法采用手動操作，精度低、速度慢，已不能適應(yīng)水泥工業(yè)發(fā)展的需要，而我國新型干法水泥生產(chǎn)企業(yè)的工業(yè)廢氣檢測大都依賴昂貴的進(jìn)口儀器，這也限制了利用氣體分析指導(dǎo)水泥生產(chǎn)技術(shù)在我國的推廣。另外，近年來推廣的色譜分析儀需要對氣體進(jìn)行分離后再檢測，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時在線監(jiān)測。因此，高精度實(shí)時在線氣體檢測技術(shù)仍是目前研究的熱點(diǎn)。

水泥工業(yè)廢氣的主要成分（CO、CO2和O2等）在紅外光譜區(qū)有較好的光譜吸收特性，基于光學(xué)方法的氣體檢測技術(shù)在水泥工業(yè)廢氣探測方面有著明顯的優(yōu)勢[1－2]。近二十年發(fā)展起來的可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)（TDLAS）是以近紅外分布反饋（DFB）結(jié)構(gòu)的光通信波段半導(dǎo)體激光器作為光源，利用半導(dǎo)體激光器的窄線寬和波長調(diào)諧特性獲得被測氣體的特征吸收光譜，從而對氣體進(jìn)行定性或定量分析。TDLAS具有靈敏度和分辨率高、選擇性強(qiáng)以及測量速度快等特點(diǎn)。已有學(xué)者對基于單個半導(dǎo)體激光器檢測單種氣體[3－5]或者基于多個半導(dǎo)體激光器檢測多種氣體的傳感器[6－7]進(jìn)行研究。本文建立基于近紅外半導(dǎo)體激光吸收光譜的水泥工業(yè)廢氣多組分同時探測實(shí)驗(yàn)裝置，適當(dāng)選擇單個激光器的中心波長，通過波長掃描使得該激光器的波長調(diào)諧范圍同時覆蓋CO和CO2的吸收線，利用波長調(diào)制[8－9]和二次諧波（2f）信號探測實(shí)現(xiàn)對水泥工業(yè)廢氣中CO和CO2的同時檢測。

1 檢測原理

波長調(diào)制光譜技術(shù)具有兩個方面的優(yōu)點(diǎn)：首先，它是產(chǎn)生一個與痕量氣體濃度直接成比例的諧波信號，而不是像傳統(tǒng)的直接吸收測量方法那樣，在大的信號背景上測量微小的變化；其次，它是在一個較高頻率上進(jìn)行信號檢測，大大壓縮了系統(tǒng)的1／f噪聲。

根據(jù)Lambert－Beer吸收定律，激光器發(fā)出強(qiáng)度為I0、頻率為υ的單色激光，通過長度為L的吸收介質(zhì)后，在接收端測得的強(qiáng)度為：

式中：L為樣品池的光路長度；σ（υ）為吸收截面；c為吸收氣體的濃度。

在波長調(diào)制光譜中，為了實(shí)現(xiàn)對激光波長的調(diào)制，需要在半導(dǎo)體激光器電流上疊加一個角頻率為的正弦調(diào)制信號，當(dāng)激光的中心頻率υc受到頻率為的調(diào)制波調(diào)制時，其瞬時頻率可以表示為：

式中：δυ為調(diào)制幅度。

光通過樣品池吸收后的強(qiáng)度可以用I（υc）的余弦傅里葉級數(shù)來表示：

每個諧波分量An可以通過鎖相放大器測得。對于近紅外分子吸收來說，一般都滿足1，則式（3）可以近似為：

由式（5）可知，測量得到的二次諧波信號幅度與吸收氣體的濃度成正比，因此可以直接根據(jù)處理后的二次諧波信號幅度來反演待測氣體的濃度。若測量到的標(biāo)準(zhǔn)氣體二次諧波信號為｛xi｝，待測氣體的二次諧波信號為｛yi｝，i為采樣點(diǎn)數(shù)，進(jìn)行最小二乘擬合，得到擬合方程y＝ax＋b，則待測氣體濃度與標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度的關(guān)系為[11]：

式中：Cd、Cs分別為待測氣體和標(biāo)準(zhǔn)氣體的濃度。

2 檢測實(shí)驗(yàn)裝置

圖1所示為基于波長調(diào)制技術(shù)對水泥工業(yè)廢氣中CO和CO2進(jìn)行同時檢測的可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜檢測裝置原理圖。采用一臺在室溫下工作、中心波長為1 579.65 nm、基于光通訊波段光纖耦合分布反饋結(jié)構(gòu)的InGa AsP半導(dǎo)體激光器對CO和CO2進(jìn)行高分辨紅外光譜檢測。激光器由半導(dǎo)體激光控制器（ILX Lightwave）實(shí)現(xiàn)工作溫度和電流的控制，激光器輸出波長可以通過調(diào)整激光器工作溫度和電流進(jìn)行調(diào)諧。應(yīng)用自己研制的信號發(fā)生電路產(chǎn)生頻率為50 Hz、振幅為1 V的周期性鋸齒電壓信號，將鋸齒電壓信號輸入到半導(dǎo)體激光控制器，轉(zhuǎn)換為鋸齒電流掃描信號輸出給激光器，使激光器輸出波長在每個掃描周期上依次通過中心波長為1 579.57 nm的CO2吸收線和中心波長為1 579.74 nm的CO吸收線。波長調(diào)制信號由正弦信號發(fā)生電路產(chǎn)生，調(diào)制信號頻率為4 k Hz。激光輸出光束經(jīng)過自聚焦透鏡以平行光出射，然后通過聚焦透鏡耦合到10 cm長的吸收池中，吸收池出射光束經(jīng)過一個10 cm長的充有標(biāo)準(zhǔn)濃度混合氣體的參考池后被聚焦在探測器上，探測器光電信號被送到鎖相放大器，鎖相放大器的解調(diào)頻率為8 k Hz，通過解調(diào)得到CO和CO2氣體吸收的二次諧波信號。

圖1 檢測裝置原理圖Fig.1 Detection device diagram

3 檢測結(jié)果與分析

分別利用CO和CO2標(biāo)準(zhǔn)氣體以及濃度為99.999%的高純氮?dú)馀渲屏藘山M已知濃度的CO、CO2待測氣體，采用前述檢測裝置對這兩組待測氣體進(jìn)行濃度測量。圖2分別為不同濃度CO2、CO待測氣體扣除背景后的二次諧波信號，圖3分別為不同濃度CO2、CO待測氣體的濃度真實(shí)值與測量值之間的線性關(guān)系。

從圖2和圖3中可以看出，待測氣體的吸收二次諧波信號具有較高信噪比，利用非線性最小二乘擬合得到的氣體濃度測量值與真實(shí)值符合較好，相關(guān)系數(shù)為0.99。根據(jù)實(shí)驗(yàn)可以確定，本系統(tǒng)在1 m光程上對CO2的最低檢測濃度（體積分?jǐn)?shù)）為9.8×10－4，對CO的最低檢測濃度為7.3×10－4，結(jié)合一個光學(xué)長度為20 m的多次反射池，CO和CO2的最低檢測濃度可達(dá)4×10－5，而水泥窯排放廢氣中CO2體積分?jǐn)?shù)約為17%～21%，CO體積分?jǐn)?shù)約為0.1%～0.2%，本系統(tǒng)對CO和CO2的最低檢測限比水泥工業(yè)廢氣中這兩種氣體的含量低了兩個數(shù)量級以上，滿足對水泥工業(yè)廢氣的檢測要求。

圖2 不同濃度CO2、CO氣體的二次諧波光譜信號Fig.2 Second harmonic signals of CO2 and CO at different concentrations

圖3 不同濃度CO2、CO氣體的濃度真實(shí)值與測量值之間的線性關(guān)系Fig.3 Linear relation between the measured and real concentration values of CO2 and CO

4 結(jié)語

本文建立了基于近紅外可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜的水泥工業(yè)廢氣檢測實(shí)驗(yàn)裝置，利用波長調(diào)制光譜實(shí)現(xiàn)了CO和CO2的同時檢測。系統(tǒng)具有靈敏度高、響應(yīng)快速以及通用性強(qiáng)的特點(diǎn)，不僅能夠滿足水泥工業(yè)廢氣中CO和CO2同時檢測的需要，而且只需增加或更換適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體激光光源，就能夠?qū)崿F(xiàn)對其他種類廢氣的檢測。

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