淺談甲烷檢測技術(shù)

淺談甲烷檢測技術(shù)

0全光纖氣體污染狀態(tài)監(jiān)測儀的研制在煤炭、石油、天然氣等生產(chǎn)過程中，快速、準(zhǔn)確地監(jiān)測、報警和自動控制有害藥物、泄漏和污染已成為必須盡快解決的重要問題之一。環(huán)境污染的有效監(jiān)測與控制需要一系列新型的傳感與測量技術(shù),特別是能夠連續(xù)監(jiān)測大氣中有害污染氣體含量的檢測儀器和系統(tǒng)。煤炭工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的瓦斯爆炸事故對于工礦安全運(yùn)行、人身安全以及環(huán)境保護(hù)有著長期的威脅。研究瓦斯檢測技術(shù)和瓦斯傳感器具有重要的現(xiàn)實意義,實時監(jiān)測瓦斯氣體含量、防止爆炸是一個重大課題。目前,測量瓦斯氣體體積分?jǐn)?shù)的方法和儀器有很多種,但都存在靈敏度低、成本高、穩(wěn)定性差等缺點。為了有效地減少事故發(fā)生和對環(huán)境的污染,必須設(shè)置能在線實時快速檢測甲烷氣體體積分?jǐn)?shù)的儀器和設(shè)備。由于光纖氣體傳感器具有傳輸功率損耗小、抗干擾能力強(qiáng)、氣體鑒別能力強(qiáng)、響應(yīng)快、測量靈敏度高、易于實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸和實時在線遙測等優(yōu)點,所以,倍受人們的關(guān)注。本文提出一種采用光纖傳感技術(shù)和計算機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)相結(jié)合的全光纖氣體污染狀態(tài)監(jiān)測儀。具有靈敏度高、動態(tài)范圍大、精度高、維護(hù)要求低及測量速度快等優(yōu)點,它為氣體在線檢測提供新的手段和方法。1光譜吸收光譜法1.1傳感器的基本結(jié)構(gòu)當(dāng)光通過某種介質(zhì)時,即使不發(fā)生反射、折射和衍射現(xiàn)象,其傳播情況也會發(fā)生改變。這是因為光頻電磁波與組成介質(zhì)的原子、分子發(fā)生作用,作用的結(jié)果使光波特性發(fā)生變化,主要包括吸收和散射。在本文設(shè)計的傳感器中,衰減的產(chǎn)生主要是因為吸收這一過程,利用介質(zhì)對光吸收而使光產(chǎn)生衰減這一特性制成了吸收式光纖傳感器。波長為λ單色光,在吸收傳播距離L后,其光強(qiáng)為I(λ)=I0(λ)exp(-αλcL),(1)式中I0(λ)為波長為λ的單色光在不含待測氣體時透過氣室的光強(qiáng),mW;I(λ)為波長為λ的單色光在含有待測氣體時透過氣室的光強(qiáng),mW;c為吸收氣體的體積分?jǐn)?shù);αλ為單位長度單位體積分?jǐn)?shù)的吸收系數(shù),cm-1。進(jìn)一步轉(zhuǎn)化式(1)得通過測量通過氣室前后的光強(qiáng),即可得到氣體的體積分?jǐn)?shù),傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)的最終目的是實現(xiàn)低體積分?jǐn)?shù)氣體檢測,利用比爾—朗伯定律設(shè)計的直接吸收式光纖氣體傳感器,由于只檢測氣體吸收譜線的光強(qiáng),探測的光強(qiáng)信號易受光源波動、光纖接頭不穩(wěn)定以及電路放大系統(tǒng)等因素的干擾,使得檢測效果不理想、誤差較大、測量準(zhǔn)確度不高。采用差分檢測方法可有效地消除上述影響。1.2光纖氣體傳感器工藝差分吸收方法的工作原理是:光源發(fā)出的光束被分成兩路信息,一路是帶有被測氣體吸收后的信息,另一路是帶有未經(jīng)過被測氣體吸收后的信息,稱參考信息。兩路選擇同型號同參數(shù)的器件,則光源的不穩(wěn)定和光電信號的時漂、溫漂對兩路信息的影響相同,故信號信息與參考信息的比值只是氣體體積分?jǐn)?shù)的函數(shù),從而消除了光源的不穩(wěn)定和光電器件的零漂影響。光纖氣體傳感器中,差分吸收方法可采用單波長雙光路法,也可采用雙波長單光路法,本設(shè)計采用雙波長單光路法來實現(xiàn)?？紤]到光路的影響,式(1)修正為I(λ)=I0(λ)K(λ)exp[-αλcL+β(λ)],(3)式中β(λ)代表光路干擾效應(yīng),為了消除β(λ)項,通過選用2個波長,分別對應(yīng)待測氣體的強(qiáng)吸收波長(稱為工作波長)和不吸收或弱吸收波長(稱為參考波長),若2個波長盡可能靠近,則β(λ)項對二者的影響可認(rèn)為相等,這樣,通過差分處理機(jī)可很好地消除β(λ)的干擾?；c差分思想,進(jìn)一步處理式(3)得式中λ1,λ2分別為工作波長和參考波長;K(λ1),K(λ2)為光路在波長λ1,λ2處的總效率。調(diào)整光路使得K(λ1)I0(λ1)=K(λ2)I0(λ2),可以得到實際應(yīng)用中,波長λ1的光對應(yīng)檢測氣體的吸收譜線,波長λ2的光不被檢測氣體吸收(參考波長),有I(λ1)/I(λ2)<1,對ln[I(λ2)/I(λ1)]進(jìn)行泰勒展開則氣體體積分?jǐn)?shù)為由上式可以看出:差分吸收技術(shù)從理論上能完全消除β(λ)項的影響,同時,還消除光源輸出光功率不穩(wěn)定的影響。2氣室和主被動氣室檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示,該檢測系統(tǒng)主要由三部分組成:光源與光源驅(qū)動電路;光纖組成的測量通道,實現(xiàn)體積分?jǐn)?shù)—光強(qiáng)轉(zhuǎn)換;光電探測器與后續(xù)電路完成信號的變換、處理、顯示。光源產(chǎn)生部分包括寬帶光源LED和濾波片切換裝置。光源采用InGaAsP發(fā)光二極管,LED采用方波驅(qū)動,可以實現(xiàn)自動斬波調(diào)制。濾光片切換裝置上布有F1,F22個干涉濾光片,對應(yīng)的中心波長分別為λ1,λ2,由單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī),使λ1和λ2的光分時切換通過氣室,實現(xiàn)甲烷氣體的差分測量。通過調(diào)整消光片可實現(xiàn)K(λ1)I0(λ1)=K(λ2)I0(λ2),即分時通過的光信號相等。研究表明:光譜中,甲烷在λ=1.3312μm波長處有一吸收峰,而吸收的強(qiáng)弱波長附近有強(qiáng)吸收,故通過氣室的光信號強(qiáng)度將明顯衰減。選取λ1=1.33μm為強(qiáng)吸收波長,λ2=1.27μm為弱吸收波長。在這個系統(tǒng)中,氣室是敏感元件,由輸入—輸出透鏡組成。光纖中,出射的光經(jīng)輸入透鏡準(zhǔn)直為平行光透過氣室,由另一透鏡耦合到輸出光纖。氣室設(shè)計的主要原則:一是吸收光程盡可能大;二是氣室中光路的耦合損耗小,耦合狀態(tài)穩(wěn)定。為了獲得更大的光強(qiáng)變化量,對于氣室需要增加氣體吸收線的長度,式(2)表明:氣室長度L越長,其靈敏度越高,使用發(fā)現(xiàn),L=0.5m時,傳感器的靈敏度已經(jīng)滿足要求。傳感系統(tǒng)的信號產(chǎn)生和處理部分由電氣元件和電子電路組成。如,LED恒流驅(qū)動、振蕩源、光電探測器PIN管及其他微弱信號處理部分。發(fā)送和接收光纖為芯徑50μm的多模漸變型石英光纖,在1.33μm波長處,其損耗低于1dB/km,用Ge光電二極管做光探測器,用干冰—甲醇混合物致冷,以提高溫度的穩(wěn)定性和限制噪聲。實驗系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵是使用了斬波器與同步檢測技術(shù)。斬波器在步進(jìn)電機(jī)的帶動下轉(zhuǎn)動,使得2個波長的光束分別通過吸收氣室,然后,作除法運(yùn)算和對數(shù)運(yùn)算即可實現(xiàn)式(7)所示的差分吸收檢測。用鎖向放大器實現(xiàn)同頻檢測,由計算機(jī)控制A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理,最后,由LCD顯示結(jié)果。3實時采集監(jiān)控軟件軟件采用用戶界面的設(shè)計思想,以具有強(qiáng)大軟件開發(fā)能力的VisualC++6.0為工具,基于用戶界面設(shè)計方案設(shè)計出該測試系統(tǒng)的動態(tài)實時監(jiān)控軟件,利于用戶直觀操作、分析數(shù)據(jù)。操作人員通過友好的圖形用戶界面來監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行,以完成氣體體積分?jǐn)?shù)的分析、判斷、顯示、存儲以及數(shù)據(jù)生成。系統(tǒng)功能模塊如圖3所示,點擊系統(tǒng)主控界面的各個按鈕分別進(jìn)入不同的模塊對系統(tǒng)進(jìn)行操作。1實時數(shù)據(jù)模塊實時刷新、顯示最新采樣數(shù)據(jù);22實時曲線模塊實時刷新體積分?jǐn)?shù)信息,以曲線的形式顯示在界面上;3歷史曲線模塊由用戶選擇時間間隔,從數(shù)據(jù)庫中提取相應(yīng)間隔的采樣值,通過切分窗口顯示豐富的多視圖,呈現(xiàn)給用戶某段時間的氣體體積分?jǐn)?shù)走向;4完善聲光報警信號通過列表顯示氣體體積分?jǐn)?shù)超標(biāo)值,一旦出現(xiàn)超標(biāo)則激起聲光報警信號,對于接近氣體爆炸上限和爆炸下限時給出不同的聲光報警信號,提醒有關(guān)人員進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查、做出相應(yīng)處理;5氣體體積分?jǐn)?shù)查詢實現(xiàn)報表控件與數(shù)據(jù)庫的連接,實時顯示報表、打印報表、統(tǒng)計報表、查詢某指定時刻的氣體體積分?jǐn)?shù),求得指定時間段內(nèi)氣體體積分?jǐn)?shù)的其他數(shù)據(jù)分析,并可對幾種不同體積分?jǐn)?shù)表示方法進(jìn)行換算;6用戶管理模塊為了保證數(shù)據(jù)庫的安全性,用戶需要經(jīng)常修改口令,當(dāng)輸入口令與設(shè)置相同時才能進(jìn)入監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行操作。4氣體吸收信號sdis系統(tǒng)設(shè)置為單光路狀態(tài)。把數(shù)字萬用表接在鎖相放大器的輸出端,用清潔空氣吹洗氣室,然后,調(diào)節(jié)前置放大器或旋轉(zhuǎn)電容濾波器增益(注意調(diào)節(jié)前后波形不失真和飽和),使數(shù)字萬用表的示值為5V。用零點氣體對氣室吹掃后,把N2和1%,2%,3%,4%,5%,10%,15%,20%的甲烷分別注入氣室中,讀取數(shù)字表的示值。測量數(shù)據(jù)如表1所示。其中,信號值一欄為氣體通過氣室時甲烷氣體的相對吸收率,即Ir=(I0-I)/I0,其中,I0和I分別表示光信號通過不含和含有甲烷氣體時氣室的光強(qiáng)度信號電壓值。在相同實驗條件下,經(jīng)多次測試,其重復(fù)性良好。5氣體檢測實時性和連續(xù)性系統(tǒng)以可靠的理論為基礎(chǔ),采用了先進(jìn)