TDLAS甲烷氣體濃度檢測方法的研究

張俊有 趙玉斌 張冬鼎

摘要：在天然氣采集、存儲和輸送的過程中，氣罐、管道等關鍵設備易發生氣體泄漏，對人員和環境安全造成嚴重威脅，實時檢測管道或大氣中的甲烷含量顯得十分重要。本文就國外常用的可調諧二極管激光吸收光譜法（TDLAS）進行了研究，通過正弦波對激光器進行波長調制，激光在吸收池內多次反射后由光電探測器接收并轉化為電信號，經放大濾波電路除噪、鎖相放大器提取二次諧波，由數據采集卡導入PC機，基于LabVIEW軟件做進一步處理，動態存儲數據，利用MATLAB軟件進行數據擬合，得到擬合系數，反演出待測氣體濃度。

關鍵詞：甲烷 可調諧二極管激光吸收光譜法

1.引言

近年來，我國已發生多起特大天然氣泄漏事故，如：1998年3月22日17時，四川溫泉4井（氣井）發生特大天然氣意外竄漏事故，導致在鄉鎮小煤礦內作業的礦工死亡11人，中毒13人，燒傷1人。為保證人員和環境安全并最大限度的降低財產損失，開發一套高效快速、高精度、低成本的氣體泄漏檢測系統尤為重要。

目前國內甲烷檢測的技術手段主要是半導體傳感器檢測法和化學方法。這些傳統檢測系統維護頻繁、維護費用高難度大、探頭介質易失效、靈敏度低、不能連續檢測。國外當前對天然氣泄漏檢測的主要研究方向是利用激光、光電傳感器技術實現的主動光電檢測技術以及利用泄漏氣體的吸收輻射特性實現的被動光電檢測技術。【1】基于TDLAS（可調諧二極管激光吸收光譜法）技術可實現對甲烷泄漏的連續測量，具有高時間分辨率、高靈敏度檢測的特點，不但減小了系統的維護費用，降低了維護難度，且不需要任何的預處理，順應了高效快速、高靈敏度、實時連續的氣體濃度檢測趨勢。

2.可調諧二極管激光吸收光譜法

2.1 檢測原理

根據比爾-朗伯定律，當一束平行單色光垂直通過某一均勻非散射的吸光物質時，其吸光度與吸光物質的濃度及吸收層厚度成正比，通過吸收物質后的光強與吸收物質濃度、原光強以及吸收物質的厚度存在如下的關系：

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，為經過吸收池后的光強，為吸收池的反射面的反射率，為反射次數，表示吸收率，是在標準狀態下與測量儀器無關的氣體碰撞展寬吸收光譜的分子吸收系數，為氣體濃度，為吸收池總光程，表示這些量與波長有關。【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。在相同的調制條件下，氣體吸收信號的二次諧波幅值與濃度成正比關系，因而，可以根據參考池中的標準濃度二次諧波譜線來反演待測氣體濃度。如果能準確測量待測氣體的二次諧波，待測氣體的濃度可以表示為：[1]

C=C0×■×■×a（3）

式中C為待測氣體濃度、為參考池中標準氣體的濃度、和為參考池和開放光路的光程長度、和為參考光路和開放光路的光強比（由于參考池與開放光路串聯，此比值為1）、a為待測氣體二次諧波幅值與參考池標準濃度二次諧波幅值比值。

2.2 激光波長的選擇

根據HITRAN數據庫可知【3】，甲烷分子在波長分別在1.6um和1.3um處，如圖3.2.1所示，其吸收線線強分別為和數量級。

圖1 甲烷在近紅外處吸收線

甲烷氣體對波長在1650nm左右的單色光處吸收效果最好，故采用發射波長為1650nm的DFB可調諧激光光源。

2.3激光波長調制

TDLAS系統中存在著低頻噪音干擾，主要來源于散粒噪聲、熱噪聲、1/f噪聲、激光額外噪聲等。為抑制噪聲對系統信號的干擾需采用調制光譜技術，目前有兩種調制光譜技術：波長調制光譜技術和頻率調制光譜技術。波長調制技術具有靈敏度較高、系統結構相對簡單、設備價格適中的特點；頻率調制光譜技術雖然靈敏度更高，但系統結構復雜、設備價格昂貴、對激光器的性能要求高。綜合考慮實驗的實際情況，本系統采用頻率f=10KHz，峰-峰值=110mV的正弦波對，激光器進行波長調制，經鎖相放大器提取吸收氣體信號的二次諧波，從而大大的降低了噪聲的干擾，提高了測量精度。

2.4系統結構設計

由信號發生器激發一個頻率f=10KHz、峰-峰值=110mV（激光器的參數決定）的正弦波作為信號驅動對1650nm可調諧DFB光源進行波長調制，激光在吸收池內多次反射被氣體充分吸收后經光學凸透鏡聚焦被探測器的接收端捕捉到，光電探測器將光信號轉化為電信號（轉化關系為50mV/），經過放大電路前置放大，低通濾波電路除去環境與儀器本身的噪聲，再由鎖相放大器提取數據信號的二次諧波，經USB2086（數據采集卡）導入PC機內，基于LABVIEW軟件對信號做進一步的除噪等處理，動態存儲數據，利用MATLAB軟件對數據進行深度處理。對標準氣做相同的處理，基于MATLAB軟件對兩路數據進行擬合，得到擬合系數a，進而反演出待測氣體濃度。

圖2TDLAS甲烷氣體檢測系統結構圖

2.5 吸收池光路設計

激光器發出的激光由光纖傳輸到吸收池的發射端，在吸收池多次反射，被氣體充分吸收，經光學凸透鏡匯聚到吸收端端口位置，由光纖傳輸到探測器。本系統采用直角棱鏡吸收池，實驗證明這種吸收池的光程調節便利，探測光束在吸收池內傳輸的有效光程可通過在與入射光束垂直的方向上調節其中一個直角棱鏡的橫向位移實現，且基于直角棱鏡構造的吸收池抗震性能好。

圖3收池光路圖

2.6 數據采集與處理

采用PIN型光電探測器作為檢測裝置，通過放大濾波電路和鎖相放大器對得到的模擬信號進行放大、除噪處理，得到可靠的數據信號，信號經數據采集卡采集到PC機。基于LABVIEW軟件對數據進行除噪、濾波處理，將數據存入動態存儲器中，利用MATLAB軟件對動態數據實時處理，采用最小二乘法對數據進行線性擬合得到擬合系數，根據公式（3）反演出待測氣體濃度。

3.結束語

基于TDLAS（可調諧二極管激光吸收光譜技術）來檢測甲烷氣體濃度，具有響應速度快、靈敏度高、分辨率高、實時動態測量的優點，檢測系統規模小維護費用低，順應了檢測技術未來的發展方向。

參考文獻：

[1]韓小磊.基于TDLAS天然氣泄漏檢測技術研究[D].中國石油大學（華東），2009.

[2]王曉梅，張玉鈞，劉文清，等.大氣中甲烷氣體含量方法研究[J].中科院環境光學與技術重點實驗室，1006-1231.2005-04-0008-06.

[3]W.Lenth.High frequency heterodyne spectroscopy with current—modulated diode lasers.IEEE J.Quant.Electron，1984，（QE-20）：1045—1050.

[4]闞瑞峰，劉文清，張玉鈞，等.高靈敏激光光譜溫室氣體監測儀性能測試[J].中國激光，2006，33：391-394.

[5]夏惠榮，王祖賡.分子光譜學和激光光譜學導論[M].上海：華東師范大學出版社，1989：11-18.