基于不同原理的甲烷檢測(cè)技術(shù)

基于不同原理的甲烷檢測(cè)技術(shù)

甲烷檢測(cè)技術(shù)方法現(xiàn)狀烷（ch4）是礦山和工業(yè)領(lǐng)域爆炸事故的罪魁禍?zhǔn)?。爆炸限額為5.3%，限制為15%。所以實(shí)時(shí)檢測(cè)甲烷氣體濃度對(duì)于保障生產(chǎn)安全的意義重大。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)甲烷檢測(cè)的研究非常重視。本文將就甲烷檢測(cè)的幾種技術(shù)方法及研究現(xiàn)狀進(jìn)行討論。檢測(cè)甲烷的方法有光干涉法、光譜吸收法、熱導(dǎo)體催化法、超聲波測(cè)量法等。1不同氣體的吸收特性光纖吸收法是目前研究的重點(diǎn)與發(fā)展方向,其基本的原理是Beer-Lambert定理。根據(jù)量子力學(xué)原理,光是由光子所組成,當(dāng)氣體受到紅外光束照射時(shí),光子作用于該氣體,則該氣體分子選擇性地吸收某些頻率的光子,不同的氣體,選擇性吸收的情況不同,如CH4、H2O、C2H2、NO2等氣體,在紅外波段均有不同的特征吸收峰。CH4的特征吸收峰分布在:1.331μm、1.665μm、3.31μm處,該氣體在這些吸收峰處有比較強(qiáng)的吸收,而在吸收峰以外,基本無(wú)吸收。而其它氣體如CO2、H2O等,在這些波長(zhǎng)處無(wú)明顯吸收,不會(huì)產(chǎn)生交叉?zhèn)鞲袉?wèn)題。吸收光子從宏觀上表現(xiàn)為透射光的強(qiáng)度變小,如下圖所示,設(shè)光強(qiáng)為I0,波長(zhǎng)為λ的平行光入射到氣室中,若氣室中的氣體在λ處具有吸收線或吸收帶,則氣室出射光的光強(qiáng)為I=I0exp(-αmCL)(式中,αm為氣體吸收系數(shù);C為氣體濃度;L為氣室長(zhǎng)度)?？梢姵錾涔鈴?qiáng)與氣體濃度有一個(gè)函數(shù)關(guān)系,利用這種函數(shù)關(guān)系,可實(shí)現(xiàn)甲烷檢測(cè)。測(cè)量的原理不同,可分為以下幾類。1.1氣體濃度檢測(cè)這種方式通過(guò)對(duì)光源注入電流進(jìn)行正弦調(diào)制,然后對(duì)從氣室射出的出射光進(jìn)行信號(hào)分析,獲得氣體濃度,該方法可以有效消除各種系統(tǒng)噪聲和各種干擾,具有較高的靈敏度,是較為先進(jìn)的氣體濃度檢測(cè)方法。光源可以采用DEFLD,也可采用LD。1.1.1氣體濃度i0if它與普通的LED相比具有譜線窄、功率大和單縱模運(yùn)行等特點(diǎn),并且可以通過(guò)調(diào)整溫度和注入電流來(lái)粗調(diào)和精調(diào)輸出波長(zhǎng),在靈敏度、選擇性、動(dòng)態(tài)范圍、信噪比和響應(yīng)時(shí)間等方面比傳統(tǒng)方法具有諸多優(yōu)點(diǎn),是光纖氣體傳感器的首選光源。但存在與光纖耦合處的干涉、衍射等損耗,價(jià)格和復(fù)雜程度較高。設(shè)I0為入射光光強(qiáng),If為出射光一次諧波,I2f為出射光二次諧波,η為光強(qiáng)調(diào)制系數(shù),α0為純氣體在吸收線中心的吸收系數(shù)。則If=I0ηI2f=-kα0CLI0其中k=0.343,可見二次諧波與一次諧波的比值不含I0項(xiàng),這有利于消除光源波動(dòng)等共模噪聲。I2fIf=2kηα0CLΙ2fΙf=2kηα0CL由于一次諧波主要由強(qiáng)度調(diào)制引起,與氣體濃度無(wú)關(guān),其中有二次諧波分量中包含有氣體濃度信息。對(duì)一次諧波信號(hào)與二次諧波信號(hào)分別進(jìn)行鎖相放大后,送入除法器,可獲得氣體濃度信息。這種方法的測(cè)量精度可達(dá)10×10-6,為甲烷爆炸下限的0.02%。1.1.2基頻信號(hào)相干性由于LED帶寬較大,測(cè)量靈敏度不高,所以要用Fabry-perot干涉腔對(duì)輸入的非單色光挑選波長(zhǎng)、壓縮線寬,以提高單色性。LED寬帶光源通過(guò)氣室后,由Fabry-Perot干涉腔選頻后進(jìn)入光檢測(cè)器PIN,轉(zhuǎn)化為電信號(hào),設(shè)R為干涉腔反射率;d為干涉腔厚度;I0為入射光強(qiáng),Φi代表直流偏置。Jn()為n階貝塞耳函數(shù)。文獻(xiàn)經(jīng)過(guò)一系列推導(dǎo)得輸出信號(hào)如下:直流信號(hào):Idc≈I0(1-R)/(1+R)一次諧波:Iω=4CL(1?R)(1+R)?∑i∞RmJ1(2m?i)?∑iIisin2m?iΙω=4CL(1-R)(1+R)?∑i∞RmJ1(2m?i)?∑iΙisin2m?i二次諧波:I2ω≈?4CL(1?R)(1+R)∑i∞RmJ2(2m?i)?∑iIicos2m?iΙ2ω≈-4CL(1-R)(1+R)∑i∞RmJ2(2m?i)?∑iΙicos2m?i理論推導(dǎo)知,如果使一次諧波為零信號(hào),則二次諧波可得到穩(wěn)定的極大值,由于二次諧波包含有濃度信息,所以有利于檢測(cè)精度的提高,而外界影響可通過(guò)I2ω/Idc來(lái)消除?；l信號(hào)對(duì)PZT驅(qū)動(dòng)電路的反饋可使基頻信號(hào)為零。該方法可達(dá)到的精度也是10×10-6。當(dāng)然,為使溫度和注入電流波動(dòng)對(duì)LED的發(fā)光強(qiáng)度和中心波長(zhǎng)的影響降到最低,要對(duì)LED采用恒流驅(qū)動(dòng)并用半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行恒溫。1.1.3氣體組分的檢測(cè)限于二次諧波中含有濃度信息,也可通過(guò)多次回歸和擬合的方法來(lái)獲得濃度值。首先要獲得標(biāo)準(zhǔn)濃度氣體的二次諧波信號(hào)。由文獻(xiàn)知被測(cè)氣體的二次諧波信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)濃度氣體的二次諧波信號(hào)相比有很好的相關(guān)性,經(jīng)多次回歸處理后,通過(guò)相關(guān)計(jì)算可以得到待測(cè)氣體的甲烷濃度。該方法可達(dá)低于0.087mg/m3的檢測(cè)限。以上調(diào)諧檢波式檢測(cè)方法總體上能達(dá)到較高的精度,今后如對(duì)系統(tǒng)的反饋技術(shù)、光源的穩(wěn)定性作進(jìn)一步的研究,將有效提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性及實(shí)用性。1.2誤差互相u差分方式優(yōu)點(diǎn)在于能使共同的環(huán)境干擾因素造成的測(cè)量誤差互相抵消,提高測(cè)量精度,但對(duì)系統(tǒng)的固有噪聲無(wú)法消除,靈敏度不能達(dá)到很高。根據(jù)采用差分技術(shù)的環(huán)節(jié)不同,又可見以下幾種方式。1.2.1兩光路出射光強(qiáng)之商i1/i2一個(gè)為待測(cè)氣室,一個(gè)為參考?xì)馐?兩個(gè)氣室的結(jié)構(gòu)相同。同一光源發(fā)出的光分別經(jīng)過(guò)被測(cè)氣室和參考?xì)馐液?設(shè)I1、I2為兩氣室的出射光強(qiáng),文獻(xiàn)推出I1I2=exp(?αλCL)Ι1Ι2=exp(-αλCL)即C=?(1Lαλ)1n(I1I2)C=-(1Lαλ)1n(Ι1Ι2),其中αλ為吸收系數(shù)。由于L、αλ為常數(shù),只要測(cè)得兩光路出射光強(qiáng)之商I1/I2,即可獲得濃度值C。該法測(cè)得的最小濃度C=0.0408mol/L。1.2.2光電電極探測(cè)器c濃度的求解同一LED光源,通過(guò)分束器得到光強(qiáng)均勻的兩束光,兩束光分別經(jīng)過(guò)濾光器選取出測(cè)量波λ1和參考波λ2,測(cè)量波長(zhǎng)處于吸收峰,而參考波長(zhǎng)不在吸收峰,氣體基本無(wú)吸收。λ1和λ2共同通過(guò)待測(cè)氣室,在接收端用旋轉(zhuǎn)雙色濾光器使測(cè)量波和參考波交替投射到光電二極管探測(cè)器上。設(shè)Iλ1(0)、Iλ1(L)為測(cè)量波入射和出射光強(qiáng),Iλ2(0)Iλ2(L)為參考波的入射和出射光強(qiáng)。由于參考波基本無(wú)吸收,所以Iλ2(L)=Iλ2(0)文獻(xiàn)推導(dǎo)得:Iλ1(L)Iλ2(L)=Iλ1(0)Iλ2(0)exp(?αλCL)Ιλ1(L)Ιλ2(L)=Ιλ1(0)Ιλ2(0)exp(-αλCL)檢測(cè)入射光強(qiáng)和出射光強(qiáng),即可求得C濃度。由于兩個(gè)波長(zhǎng)共用光源LED,所以,光源驅(qū)動(dòng)電流抖動(dòng)和工作環(huán)境背景光干擾因素是等同的,從而使造成的測(cè)量誤差可以相互抵消,提高測(cè)量精度。1.2.3出射光強(qiáng)度測(cè)量1.2.2中采用的方法,采用一個(gè)光源,一個(gè)氣室,可以規(guī)避一些誤差,但因?yàn)槿詾殡p光路設(shè)計(jì),兩個(gè)光路的差異無(wú)法消除,而分時(shí)差分法可以克服這個(gè)缺點(diǎn)。采用一個(gè)LED光源,通過(guò)濾光片切換裝置,該裝置上安裝有兩個(gè)干涉濾光片,一個(gè)中心波長(zhǎng)為λ1為測(cè)量波,另一個(gè)中心波長(zhǎng)為λ2為參考波,由單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī),使λ1和λ2的光依次通過(guò)氣室,實(shí)現(xiàn)差分測(cè)量,由文獻(xiàn)推導(dǎo)得:c=1α(λ1)?α(λ2)?I(λ2)?I(λ1)I(λ2)c=1α(λ1)-α(λ2)?Ι(λ2)-Ι(λ1)Ι(λ2)其中α(λ1)、α(λ2)為氣體在λ1、λ2處的吸收系數(shù),I(λ1)、I(λ2)為兩波長(zhǎng)的出射光強(qiáng)。檢測(cè)兩波長(zhǎng)出射光強(qiáng),獲求濃度C值。該法最小可檢測(cè)的濃度為0.01%,比下文(3)直接吸收式的檢測(cè)靈敏度高出十幾倍。1.3真空氣室抽真空法i0單光源LED,單氣室,Ir=(I-I0)/I0=2αmLC,其中Ir為光通過(guò)待測(cè)氣室后的光強(qiáng),I0為光通過(guò)真空后的光強(qiáng)。由于氣室出氣口接有真空泵,可將氣室抽真空,所以當(dāng)待測(cè)氣體進(jìn)入氣室后,先測(cè)出Ir,然后將氣室抽真空,測(cè)得I0,算得濃度C。該法的檢測(cè)靈敏度為1300ppm/m3。通過(guò)提高入射光功率和氣室長(zhǎng)度可提高靈敏度。另LED由于受驅(qū)動(dòng)電流和溫度影響較大,宜采用恒流源供電。2干涉條紋的產(chǎn)生光干涉法是一種基于等厚干涉原理的測(cè)量方法,一般用于便攜式甲烷檢測(cè)儀(見圖1)。光源1發(fā)出光線,經(jīng)狹縫投射到平面鏡2的O1點(diǎn)分為反射和折射兩部分,經(jīng)反射和折射產(chǎn)生兩列平行光,反射光束穿過(guò)空氣室4被折射棱鏡5將其折返180o,穿過(guò)另一側(cè)空氣室3又回到平面板2,折射入板2的后表面(鍍銀面)反射于O2點(diǎn)穿出。折射光束折射入平面板2后在其后表面反射,穿出板2后再穿過(guò)被測(cè)氣室6,被折射棱鏡5折返,再次經(jīng)過(guò)待測(cè)氣室,到達(dá)平面板2的O2點(diǎn),與穿過(guò)空氣室的另一束光會(huì)合,產(chǎn)生干涉條紋,經(jīng)攝像頭采集視頻信息,輸入信號(hào)處理系統(tǒng)。測(cè)量時(shí),當(dāng)甲烷室和空氣室同時(shí)充入空氣,兩束光經(jīng)過(guò)的光程相同,則光干涉條紋不產(chǎn)生移動(dòng)。如改變甲烷室中的氣體成分、溫度或壓力,則因折射率的改變,光程也隨之發(fā)生變化,光干涉條紋便會(huì)發(fā)生移動(dòng)。當(dāng)兩室溫度和壓力相等時(shí),光干涉條紋的移動(dòng)量與甲烷濃度成正比,檢測(cè)到這個(gè)移動(dòng)量便可知甲烷在空氣中的含量。其線性關(guān)系為:x%=Nλb(ng?n0)×100%x%=Νλb(ng-n0)×100%由于光源波長(zhǎng)λ為常數(shù),被測(cè)氣體和參考空氣的折射率n0、ng亦為常數(shù),則當(dāng)檢測(cè)到N值時(shí),就可以得到x%。接收干涉條紋光電器件可采用光敏二極管、光敏三極管、光敏電池等,由于干涉條紋的光強(qiáng)度呈正弦規(guī)律分布,所以光電器件上得到的是正弦信號(hào),經(jīng)過(guò)檢波濾波,將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換成方波信號(hào),送入單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù),就能得到干涉條紋移動(dòng)數(shù)量,通過(guò)簡(jiǎn)單編程計(jì)算就能得到濃度值。如果接收光電器件采用CCD面陣,或CMOS光電傳感器,可由具有圖像采集功能的嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)字圖像處理,通過(guò)閾值算法和像素分析,