基于不同原理的甲烷檢測技術(shù)

基于不同原理的甲烷檢測技術(shù)

甲烷檢測技術(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首。爆炸限額為5.3%，限制為15%。所以實時檢測甲烷氣體濃度對于保障生產(chǎn)安全的意義重大。目前國內(nèi)外對甲烷檢測的研究非常重視。本文將就甲烷檢測的幾種技術(shù)方法及研究現(xiàn)狀進行討論。檢測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,當氣體受到紅外光束照射時,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的吸收,而在吸收峰以外,基本無吸收。而其它氣體如CO2、H2O等,在這些波長處無明顯吸收,不會產(chǎn)生交叉?zhèn)鞲袉栴}。吸收光子從宏觀上表現(xiàn)為透射光的強度變小,如下圖所示,設(shè)光強為I0,波長為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為氣室長度)?？梢姵錾涔鈴娕c氣體濃度有一個函數(shù)關(guān)系,利用這種函數(shù)關(guān)系,可實現(xiàn)甲烷檢測。測量的原理不同,可分為以下幾類。1.1氣體濃度檢測這種方式通過對光源注入電流進行正弦調(diào)制,然后對從氣室射出的出射光進行信號分析,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,是較為先進的氣體濃度檢測方法。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、功率大和單縱模運行等特點,并且可以通過調(diào)整溫度和注入電流來粗調(diào)和精調(diào)輸出波長,在靈敏度、選擇性、動態(tài)范圍、信噪比和響應(yīng)時間等方面比傳統(tǒng)方法具有諸多優(yōu)點,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,價格和復(fù)雜程度較高。設(shè)I0為入射光光強,If為出射光一次諧波,I2f為出射光二次諧波,η為光強調(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,這有利于消除光源波動等共模噪聲。I2fIf=2kηα0CLΙ2fΙf=2kηα0CL由于一次諧波主要由強度調(diào)制引起,與氣體濃度無關(guān),其中有二次諧波分量中包含有氣體濃度信息。對一次諧波信號與二次諧波信號分別進行鎖相放大后,送入除法器,可獲得氣體濃度信息。這種方法的測量精度可達10×10-6,為甲烷爆炸下限的0.02%。1.1.2基頻信號相干性由于LED帶寬較大,測量靈敏度不高,所以要用Fabry-perot干涉腔對輸入的非單色光挑選波長、壓縮線寬,以提高單色性。LED寬帶光源通過氣室后,由Fabry-Perot干涉腔選頻后進入光檢測器PIN,轉(zhuǎn)化為電信號,設(shè)R為干涉腔反射率;d為干涉腔厚度;I0為入射光強,Φi代表直流偏置。Jn()為n階貝塞耳函數(shù)。文獻經(jīng)過一系列推導(dǎo)得輸出信號如下:直流信號: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,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,所以有利于檢測精度的提高,而外界影響可通過I2ω/Idc來消除?；l信號對PZT驅(qū)動電路的反饋可使基頻信號為零。該方法可達到的精度也是10×10-6。當然,為使溫度和注入電流波動對LED的發(fā)光強度和中心波長的影響降到最低,要對LED采用恒流驅(qū)動并用半導(dǎo)體制冷片進行恒溫。1.1.3氣體組分的檢測限于二次諧波中含有濃度信息,也可通過多次回歸和擬合的方法來獲得濃度值。首先要獲得標準濃度氣體的二次諧波信號。由文獻知被測氣體的二次諧波信號與標準濃度氣體的二次諧波信號相比有很好的相關(guān)性,經(jīng)多次回歸處理后,通過相關(guān)計算可以得到待測氣體的甲烷濃度。該方法可達低于0.087mg/m3的檢測限。以上調(diào)諧檢波式檢測方法總體上能達到較高的精度,今后如對系統(tǒng)的反饋技術(shù)、光源的穩(wěn)定性作進一步的研究,將有效提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性及實用性。1.2誤差互相u差分方式優(yōu)點在于能使共同的環(huán)境干擾因素造成的測量誤差互相抵消,提高測量精度,但對系統(tǒng)的固有噪聲無法消除,靈敏度不能達到很高。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之商i1/i2一個為待測氣室,一個為參考氣室,兩個氣室的結(jié)構(gòu)相同。同一光源發(fā)出的光分別經(jīng)過被測氣室和參考氣室后,設(shè)I1、I2為兩氣室的出射光強,文獻推出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),只要測得兩光路出射光強之商I1/I2,即可獲得濃度值C。該法測得的最小濃度C=0.0408mol/L。1.2.2光電電極探測器c濃度的求解同一LED光源,通過分束器得到光強均勻的兩束光,兩束光分別經(jīng)過濾光器選取出測量波λ1和參考波λ2,測量波長處于吸收峰,而參考波長不在吸收峰,氣體基本無吸收。λ1和λ2共同通過待測氣室,在接收端用旋轉(zhuǎn)雙色濾光器使測量波和參考波交替投射到光電二極管探測器上。設(shè)Iλ1(0)、Iλ1(L)為測量波入射和出射光強,Iλ2(0)Iλ2(L)為參考波的入射和出射光強。由于參考波基本無吸收,所以Iλ2(L)=Iλ2(0)文獻推導(dǎo)得:Iλ1(L)Iλ2(L)=Iλ1(0)Iλ2(0)exp(?αλCL)Ιλ1(L)Ιλ2(L)=Ιλ1(0)Ιλ2(0)exp(-αλCL)檢測入射光強和出射光強,即可求得C濃度。由于兩個波長共用光源LED,所以,光源驅(qū)動電流抖動和工作環(huán)境背景光干擾因素是等同的,從而使造成的測量誤差可以相互抵消,提高測量精度。1.2.3出射光強度測量1.2.2中采用的方法,采用一個光源,一個氣室,可以規(guī)避一些誤差,但因為仍為雙光路設(shè)計,兩個光路的差異無法消除,而分時差分法可以克服這個缺點。采用一個LED光源,通過濾光片切換裝置,該裝置上安裝有兩個干涉濾光片,一個中心波長為λ1為測量波,另一個中心波長為λ2為參考波,由單片機控制步進電機,使λ1和λ2的光依次通過氣室,實現(xiàn)差分測量,由文獻推導(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)為兩波長的出射光強。檢測兩波長出射光強,獲求濃度C值。該法最小可檢測的濃度為0.01%,比下文(3)直接吸收式的檢測靈敏度高出十幾倍。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為光通過待測氣室后的光強,I0為光通過真空后的光強。由于氣室出氣口接有真空泵,可將氣室抽真空,所以當待測氣體進入氣室后,先測出Ir,然后將氣室抽真空,測得I0,算得濃度C。該法的檢測靈敏度為1300ppm/m3。通過提高入射光功率和氣室長度可提高靈敏度。另LED由于受驅(qū)動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量方法,一般用于便攜式甲烷檢測儀(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,反射光束穿過空氣室4被折射棱鏡5將其折返180o,穿過另一側(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后再穿過被測氣室6,被折射棱鏡5折返,再次經(jīng)過待測氣室,到達平面板2的O2點,與穿過空氣室的另一束光會合,產(chǎn)生干涉條紋,經(jīng)攝像頭采集視頻信息,輸入信號處理系統(tǒng)。測量時,當甲烷室和空氣室同時充入空氣,兩束光經(jīng)過的光程相同,則光干涉條紋不產(chǎn)生移動。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,光干涉條紋便會發(fā)生移動。當兩室溫度和壓力相等時,光干涉條紋的移動量與甲烷濃度成正比,檢測到這個移動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λ為常數(shù),被測氣體和參考空氣的折射率n0、ng亦為常數(shù),則當檢測到N值時,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度呈正弦規(guī)律分布,所以光電器件上得到的是正弦信號,經(jīng)過檢波濾波,將正弦信號轉(zhuǎn)換成方波信號,送入單片機進行計數(shù),就能得到干涉條紋移動數(shù)量,通過簡單編程計算就能得到濃度值。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)進行數(shù)據(jù)采集和數(shù)字圖像處理,通過閾值算法和像素分析,