張俊有 趙玉斌 張冬鼎

摘要：在天然氣采集、存儲(chǔ)和輸送的過(guò)程中，氣罐、管道等關(guān)鍵設(shè)備易發(fā)生氣體泄漏，對(duì)人員和環(huán)境安全造成嚴(yán)重威脅，實(shí)時(shí)檢測(cè)管道或大氣中的甲烷含量顯得十分重要。本文就國(guó)外常用的可調(diào)諧二極管激光吸收光譜法（TDLAS）進(jìn)行了研究，通過(guò)正弦波對(duì)激光器進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)制，激光在吸收池內(nèi)多次反射后由光電探測(cè)器接收并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)放大濾波電路除噪、鎖相放大器提取二次諧波，由數(shù)據(jù)采集卡導(dǎo)入PC機(jī)，基于LabVIEW軟件做進(jìn)一步處理，動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，利用MATLAB軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到擬合系數(shù)，反演出待測(cè)氣體濃度。

關(guān)鍵詞：甲烷 可調(diào)諧二極管激光吸收光譜法

1.引言

近年來(lái)，我國(guó)已發(fā)生多起特大天然氣泄漏事故，如：1998年3月22日17時(shí)，四川溫泉4井（氣井）發(fā)生特大天然氣意外竄漏事故，導(dǎo)致在鄉(xiāng)鎮(zhèn)小煤礦內(nèi)作業(yè)的礦工死亡11人，中毒13人，燒傷1人。為保證人員和環(huán)境安全并最大限度的降低財(cái)產(chǎn)損失，開發(fā)一套高效快速、高精度、低成本的氣體泄漏檢測(cè)系統(tǒng)尤為重要。

目前國(guó)內(nèi)甲烷檢測(cè)的技術(shù)手段主要是半導(dǎo)體傳感器檢測(cè)法和化學(xué)方法。這些傳統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)維護(hù)頻繁、維護(hù)費(fèi)用高難度大、探頭介質(zhì)易失效、靈敏度低、不能連續(xù)檢測(cè)。國(guó)外當(dāng)前對(duì)天然氣泄漏檢測(cè)的主要研究方向是利用激光、光電傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)的主動(dòng)光電檢測(cè)技術(shù)以及利用泄漏氣體的吸收輻射特性實(shí)現(xiàn)的被動(dòng)光電檢測(cè)技術(shù)?！?】基于TDLAS（可調(diào)諧二極管激光吸收光譜法）技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)甲烷泄漏的連續(xù)測(cè)量，具有高時(shí)間分辨率、高靈敏度檢測(cè)的特點(diǎn)，不但減小了系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用，降低了維護(hù)難度，且不需要任何的預(yù)處理，順應(yīng)了高效快速、高靈敏度、實(shí)時(shí)連續(xù)的氣體濃度檢測(cè)趨勢(shì)。

2.可調(diào)諧二極管激光吸收光譜法

2.1 檢測(cè)原理

根據(jù)比爾-朗伯定律，當(dāng)一束平行單色光垂直通過(guò)某一均勻非散射的吸光物質(zhì)時(shí)，其吸光度與吸光物質(zhì)的濃度及吸收層厚度成正比，通過(guò)吸收物質(zhì)后的光強(qiáng)與吸收物質(zhì)濃度、原光強(qiáng)以及吸收物質(zhì)的厚度存在如下的關(guān)系：

I（λ）=I0（λ）·Rn·esp[-A（λ）] （1）A（λ）=σ（λ）·C·L （2）

式中為激光器的出射光強(qiáng)，為經(jīng)過(guò)吸收池后的光強(qiáng)，為吸收池的反射面的反射率，為反射次數(shù)，表示吸收率，是在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下與測(cè)量?jī)x器無(wú)關(guān)的氣體碰撞展寬吸收光譜的分子吸收系數(shù)，為氣體濃度，為吸收池總光程，表示這些量與波長(zhǎng)有關(guān)。【2】

上式表明，吸收率與氣體的濃度與吸收光程的乘積成正比。在相同的調(diào)制條件下，氣體吸收信號(hào)的二次諧波幅值與濃度成正比關(guān)系，因而，可以根據(jù)參考池中的標(biāo)準(zhǔn)濃度二次諧波譜線來(lái)反演待測(cè)氣體濃度。如果能準(zhǔn)確測(cè)量待測(cè)氣體的二次諧波，待測(cè)氣體的濃度可以表示為：[1]

C=C0×■×■×a（3）

式中C為待測(cè)氣體濃度、為參考池中標(biāo)準(zhǔn)氣體的濃度、和為參考池和開放光路的光程長(zhǎng)度、和為參考光路和開放光路的光強(qiáng)比（由于參考池與開放光路串聯(lián)，此比值為1）、a為待測(cè)氣體二次諧波幅值與參考池標(biāo)準(zhǔn)濃度二次諧波幅值比值。

2.2 激光波長(zhǎng)的選擇

根據(jù)HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)可知【3】，甲烷分子在波長(zhǎng)分別在1.6um和1.3um處，如圖3.2.1所示，其吸收線線強(qiáng)分別為和數(shù)量級(jí)。

圖1 甲烷在近紅外處吸收線

甲烷氣體對(duì)波長(zhǎng)在1650nm左右的單色光處吸收效果最好，故采用發(fā)射波長(zhǎng)為1650nm的DFB可調(diào)諧激光光源。

2.3激光波長(zhǎng)調(diào)制

TDLAS系統(tǒng)中存在著低頻噪音干擾，主要來(lái)源于散粒噪聲、熱噪聲、1/f噪聲、激光額外噪聲等。為抑制噪聲對(duì)系統(tǒng)信號(hào)的干擾需采用調(diào)制光譜技術(shù)，目前有兩種調(diào)制光譜技術(shù)：波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)和頻率調(diào)制光譜技術(shù)。波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)具有靈敏度較高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、設(shè)備價(jià)格適中的特點(diǎn)；頻率調(diào)制光譜技術(shù)雖然靈敏度更高，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備價(jià)格昂貴、對(duì)激光器的性能要求高。綜合考慮實(shí)驗(yàn)的實(shí)際情況，本系統(tǒng)采用頻率f=10KHz，峰-峰值=110mV的正弦波對(duì)，激光器進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)制，經(jīng)鎖相放大器提取吸收氣體信號(hào)的二次諧波，從而大大的降低了噪聲的干擾，提高了測(cè)量精度。

2.4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由信號(hào)發(fā)生器激發(fā)一個(gè)頻率f=10KHz、峰-峰值=110mV（激光器的參數(shù)決定）的正弦波作為信號(hào)驅(qū)動(dòng)對(duì)1650nm可調(diào)諧DFB光源進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)制，激光在吸收池內(nèi)多次反射被氣體充分吸收后經(jīng)光學(xué)凸透鏡聚焦被探測(cè)器的接收端捕捉到，光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)（轉(zhuǎn)化關(guān)系為50mV/），經(jīng)過(guò)放大電路前置放大，低通濾波電路除去環(huán)境與儀器本身的噪聲，再由鎖相放大器提取數(shù)據(jù)信號(hào)的二次諧波，經(jīng)USB2086（數(shù)據(jù)采集卡）導(dǎo)入PC機(jī)內(nèi)，基于LABVIEW軟件對(duì)信號(hào)做進(jìn)一步的除噪等處理，動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，利用MATLAB軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度處理。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)氣做相同的處理，基于MATLAB軟件對(duì)兩路數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到擬合系數(shù)a，進(jìn)而反演出待測(cè)氣體濃度。

圖2TDLAS甲烷氣體檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.5 吸收池光路設(shè)計(jì)

激光器發(fā)出的激光由光纖傳輸?shù)轿粘氐陌l(fā)射端，在吸收池多次反射，被氣體充分吸收，經(jīng)光學(xué)凸透鏡匯聚到吸收端端口位置，由光纖傳輸?shù)教綔y(cè)器。本系統(tǒng)采用直角棱鏡吸收池，實(shí)驗(yàn)證明這種吸收池的光程調(diào)節(jié)便利，探測(cè)光束在吸收池內(nèi)傳輸?shù)挠行Ч獬炭赏ㄟ^(guò)在與入射光束垂直的方向上調(diào)節(jié)其中一個(gè)直角棱鏡的橫向位移實(shí)現(xiàn)，且基于直角棱鏡構(gòu)造的吸收池抗震性能好。

圖3收池光路圖

2.6 數(shù)據(jù)采集與處理

采用PIN型光電探測(cè)器作為檢測(cè)裝置，通過(guò)放大濾波電路和鎖相放大器對(duì)得到的模擬信號(hào)進(jìn)行放大、除噪處理，得到可靠的數(shù)據(jù)信號(hào)，信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡采集到PC機(jī)。基于LABVIEW軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行除噪、濾波處理，將數(shù)據(jù)存入動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器中，利用MATLAB軟件對(duì)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理，采用最小二乘法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合得到擬合系數(shù)，根據(jù)公式（3）反演出待測(cè)氣體濃度。

3.結(jié)束語(yǔ)

基于TDLAS（可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)）來(lái)檢測(cè)甲烷氣體濃度，具有響應(yīng)速度快、靈敏度高、分辨率高、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，檢測(cè)系統(tǒng)規(guī)模小維護(hù)費(fèi)用低，順應(yīng)了檢測(cè)技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向。

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