基于溫度信號采集的甲烷濃度檢測系統(tǒng)設(shè)計

基于溫度信號采集的甲烷濃度檢測系統(tǒng)設(shè)計

甲醇是一種危險氣體。它是礦山磚瓦的主要成分，也是溫室效應(yīng)最重要的氣體成分之一。它對速度、實時、準確的氣體濃度具有重要意義。通過波適光譜技術(shù)和波形檢測廣泛應(yīng)用于氣體樣品的測量。利用波長譜測量技術(shù)提取弱吸收信號，抑制1.f噪聲，提高系統(tǒng)檢測的精度，檢測低濃度氣體（可達10.6級）。調(diào)整真空光學(xué)吸收光譜。是一種利用半角形核學(xué)原理和噪聲調(diào)制原理在氣體中測量的技術(shù)。獲得測量氣體的特征吸收光譜內(nèi)的吸收光譜，并對測量氣體進行定量或定量分析。結(jié)果表明，吸收光譜的二波信號的振幅值與測量氣體的唐詩重量成正比。通過自適應(yīng)矩陣中的相位矩陣中的二次聲波信號幅度可以反演測量氣體的濃度。吸收室待測氣體吸收線的特性容易受到環(huán)境變化的影響。當同時處理相同濃度的氣體時，系統(tǒng)中檢測到的二次波形的振幅是不同的。在預(yù)測氣體濃度時，需要考慮溫度變化的影響。在這項工作中，我們設(shè)計了一套檢測甲烷濃度的系統(tǒng)，并使用了溫度測量裝置來檢測當前實驗狀態(tài)下的溫度信號，并利用修正系數(shù)來消除溫度變化對檢測系統(tǒng)的干擾。這對提高氣體濃度測量的精度非常重要。1氣體體積比t當頻率為v,光功率為I0(v)的激光器發(fā)射的單色激光通過裝有一定濃度甲烷的吸收氣室,輸出的光功率I(v)與激光器發(fā)射光功率I0(v)滿足BeerLambert定律:式中:α(v)為甲烷吸收線的吸收系數(shù),L為吸收路徑長度,C為待檢測氣體的百分比濃度.對于痕量甲烷濃度檢測,滿足α(v)LCue04d1,式(1)可以寫為當對激光器的注入電流進行調(diào)制時,激光頻率被調(diào)制,其瞬時頻率為式中:vc為激光器的中心發(fā)射頻率,va為頻率調(diào)制幅度,ω為調(diào)制角頻率.實驗環(huán)境為室溫下1個大氣壓,吸收線的線型函數(shù)可以用洛倫茲線型表示,吸收系數(shù)α(v)可以表示為式中:v0、α0分別為吸收線中心處的頻率和吸收系數(shù),γ為吸收線的半高半寬.把吸收線的吸收系數(shù)α(v)和頻率v代入Beer-Lambert定律表達式,將光強I(v)按傅里葉系數(shù)展開,在頻率調(diào)制幅度va《γ時,n次諧波信號的幅度Hn為從式(5)可以看出,當其他參數(shù)固定,諧波信號的幅度與待測氣體的濃度C成正比,通過檢測諧波信號的幅度可以反演得到待測氣體的濃度.2實驗結(jié)果及分析甲烷的標準吸收光譜位于2.5~25μm的中紅外區(qū),這一波段的激光器需要低溫制冷,價格昂貴,使用不方便;另外,石英光纖在這一波段傳輸損耗太大,不利于長距離傳輸.甲烷氣體組合頻與泛頻的吸收波長分別為1.33μm和1.66μm,在這2個波長附近有相當強的吸收峰,正好落在光纖0.8~1.7μm近紅外區(qū)域的低損耗傳輸窗口范圍內(nèi),且在這一波段光源技術(shù)比較成熟.圖1為甲烷在1.33μm和1.66μm區(qū)域的吸收光譜,可見1.66μm區(qū)域吸收線的線強度大于1.33μm區(qū)域吸收線的線強度.實驗選擇波長在1653.72nm附近2v3帶R(3)支的強吸收線進行檢測.根據(jù)HITRAN2008數(shù)據(jù)庫,甲烷1653.72nm波長附近R(3)支轉(zhuǎn)動躍遷包含了3條相距非常近的吸收線.表1為這3條吸收線的具體參數(shù).激光經(jīng)過氣室中氣體的光譜吸收,多條吸收線合成后總的吸收系數(shù)可表示為各吸收線的吸收系數(shù)的疊加:從表1中可知,甲烷2v3帶R(3)支的3條吸收線分布在小于0.01nm波長范圍之內(nèi),可以近似認為它們是線強為3條吸收線線強之和的一條吸收線,并以此作為檢測吸收線,且在吸收線左右各0.50nm范圍內(nèi)沒有其他氣體(如H2O、N2、CO2等)的強吸收線.圖2為標準大氣壓下,溫度為296K時,甲烷波長1653.72nm附近3條吸收線及合成后的吸收系數(shù).3吸收線半高半寬近紅外區(qū)氣體吸收線的譜線寬度很窄,當溫度、電流波動時,激光器中心波長很難嚴格對準氣體吸收峰.采用波長掃描和波長調(diào)制相結(jié)合的方法,通過有效設(shè)置波長掃描范圍保證在波長變化范圍內(nèi)掃描到氣體的吸收峰.氣體吸收線中心處的吸收系數(shù)α0與單位體積內(nèi)氣體分子密度、吸收線的線強度和吸收線的半高半寬有關(guān),可以表示為式中:N為單位體積內(nèi)氣體分子密度,mol·cm-3;S為吸收線的線強度,cm·mol-1;γ為吸收線的半高半寬,cm-1.當氣室內(nèi)溫度發(fā)生變化時,單位體積內(nèi)的氣體分子密度、吸收線的線強度和吸收線的半高半寬都將發(fā)生變化.由于HITRAN2008數(shù)據(jù)庫中的吸收線強度等數(shù)據(jù)已換算為296K時的值,選取296K作為系統(tǒng)的參考溫度,在-20~60℃范圍內(nèi)對吸收線的譜線特性進行分析.實驗中所用氣室為開放式氣室,整個測量過程中吸收氣室內(nèi)壓強保持不變.根據(jù)理想氣體的壓強公式,可得單位體積內(nèi)氣體分子密度為式中:P為氣體壓強,k為波爾茲曼常量,T為溫度.由式(8)可以看出,氣室中的壓強保持不變,隨著溫度的升高,單位體積內(nèi)氣體的分子密度降低,會對譜線的吸收系數(shù)產(chǎn)生影響.在參考溫度附近,單位體積內(nèi)氣體的分子密度N隨溫度的相對變化為溫度對吸收線的線強度的影響可通過配分函數(shù)來計算,根據(jù)參考文獻,一定溫度下吸收線的線強度可表示為式中:h為普朗克常量,c為光速,Q(T)為分子配分函數(shù),E″為分子躍遷能量,S(T0)為參考溫度T0下吸收線的線強度.要得到不同于參考溫度下的線強度需要知道準確的分子配分函數(shù),配分函數(shù)可以用多項式表示:根據(jù)HITRAN2008數(shù)據(jù)庫,擬合多項式的系數(shù)分別為由式(10)可以得到不同溫度時吸收線的線強度.隨著環(huán)境溫度的增加,吸收線的線強度減小.在參考溫度附近,譜線的線強S隨溫度的相對變化為實驗中氣室內(nèi)壓強不變,吸收線的半高半寬與溫度有關(guān),不同溫度下吸收線的半高半寬可以表示為式中:T0、γ0分別為參考溫度時的溫度和吸收線半高半寬,n為吸收線半高半寬的溫度系數(shù).根據(jù)式(13),在參考溫度附近吸收線的半高半寬γ隨溫度的相對變化為根據(jù)式(7),在參考溫度T0=296K附近,溫度波動引起的譜線吸收系數(shù)的相對變化為圖3為在標準大氣壓下,不同溫度時甲烷2v3帶R(3)支合成吸收系數(shù)曲線.隨著溫度的升高,甲烷吸收線的吸收系數(shù)有減小的趨勢.4痕量氣體濃度檢測吸收氣室內(nèi)的甲烷氣體吸收線的譜線特性容易受到環(huán)境溫度波動的影響,為了準確地測量痕量甲烷氣體濃度,進行濃度反演時必須考慮消除溫度波動帶來的影響,為此設(shè)計了一套帶有溫度信號采集裝置的甲烷氣體濃度檢測系統(tǒng),系統(tǒng)示意框圖如圖4所示.系統(tǒng)利用德國VERTILAS公司生產(chǎn)的垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)對甲烷波長1653.72nm附近的2v3帶R(3)支的吸收譜線進行檢測.激光器工作在30℃時的波長調(diào)制范圍為1652.4~1655.6nm,中心工作電流為6mA,中心功率為0.3mW,電流調(diào)整系數(shù)為0.367nm/mA.采用一對自聚焦透鏡組成透射型氣室,吸收路徑長度為10cm.通過改變注入電流對激光器進行調(diào)制,低頻三角波掃描信號頻率為80Hz,高頻正弦波調(diào)制信號頻率為20kHz,設(shè)定采樣頻率為50kHz,通過低頻三角波掃描信號掃描氣體吸收峰.吸收信號經(jīng)過光電檢測后,通過帶通濾波器濾除帶外噪聲及低頻三角波信號,利用AD630鎖相放大器和MAX295低通濾波提取出二次諧波信號,通過測溫裝置采集氣室中的溫度信號,采用C8051F020單片機進行氣體檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與處理,利用校準系數(shù)將不同溫度下檢測得到的二次諧波信號轉(zhuǎn)化為參考溫度下的標準信號來反演待測氣體濃度.實驗通常在室溫下對系統(tǒng)進行標定,根據(jù)HIT-RAN2008數(shù)據(jù)庫,選取296K作為標定溫度對系統(tǒng)進行定標.環(huán)境溫度發(fā)生變化時,待測氣體的譜線特性將發(fā)生變化.當甲烷氣體濃度為0~5000×10-6,實驗溫度在-20~60℃區(qū)間變化時,若不考慮到溫度波動的影響,直接利用標定數(shù)據(jù)進行濃度反演與氣體真實值的對應(yīng)曲線如圖5所示.可見對于相同濃度的待測氣體,當氣室處于不同溫度狀態(tài)時,直接利用檢測得到的二次諧波幅值進行氣體濃度反演存在較大偏差.考慮到溫度波動的影響,進行氣體濃度反演時,不同溫度下檢測得到的二次諧波信號幅值需轉(zhuǎn)化為參考溫度下的標準信號.由式(5),二次諧波幅值為由式(4)可得由式(17),二次諧波幅值在譜線中心Δ=0處取得最大值,其值為將式(18)代入式(16),得到待測氣體的濃度為對于濃度、吸收路徑長度和頻率調(diào)制幅度均相同的待測氣體,吸收氣室內(nèi)氣體溫度的波動會使檢測得到的諧波幅值發(fā)生變化,若此時直接利用檢測得到的二次諧波幅值進行濃度反演將產(chǎn)生較大誤差.當環(huán)境溫度發(fā)生變化,利用校準系數(shù)將檢測得到的二次諧波幅值轉(zhuǎn)換為標定狀態(tài)下的諧波幅值后再進行濃度反演.校準系數(shù)為由式(15)可得,在參考溫度附近校準系數(shù)擬合為校準后的二次諧波幅值為將式(22)代入式(19),在不同溫度下可利用標定數(shù)據(jù)反演出待測氣體的濃度:式中,γ(T0)、α0(T0)為參考溫度下吸收線的半高半寬和吸收系數(shù).在氣室中充入濃度為3000×10-6的標準氣體,表2中為氣室處于8組不同的溫度狀態(tài)時,利用校準系數(shù)對系統(tǒng)進行校準前后的檢測得到的濃度值.在同一溫度狀態(tài)下,測量50次取平均值.由表2可以看出,未校準前系統(tǒng)測量值與實際值的偏差很大,校準后系統(tǒng)測量值與實際值的偏差在1%以內(nèi),通過校準可以有效地抑制溫度波動對檢測系統(tǒng)的影響.設(shè)置氣體濃度檢測系統(tǒng)量程為5000×10-6,試驗中向氣室中分別充入濃度為500×10-6、1000×10-6、1500×10-6…5000×10-6的甲烷氣體,檢測得到不同濃度下甲烷氣體的二次諧波信號,為了減少系統(tǒng)隨機噪聲引入的誤差,對采樣得到的二次諧波信號進行多次采樣取平均.利用最小二乘法對實際測量得到的電壓值與理論濃度值進行做線性擬合,其擬合方程為圖6為氣室內(nèi)溫度發(fā)生波動時,實際測量的甲烷二次諧波信號幅值與濃度的線性關(guān)系,其線性擬合系數(shù)為r=0.9998,在該濃度范圍內(nèi)二次諧波信號的幅值與甲烷的濃度呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系,證明該實驗方案能夠消除溫度波動的影響,實現(xiàn)痕量甲烷氣體濃度檢測.5校準系數(shù)法的實驗和其簡介實驗結(jié)果表明,在