開放式激光檢測甲烷濃度系統研究

吳小路等

【摘 要】天然氣的主要成分是甲烷，天然氣開采、處理和輸送作為一項高技術、高風險的生產活動，各種形式的天然氣泄漏成為影響環境與安全的隱患。可調諧半導體激光吸收光譜（TDLAS）技術具有高選擇性、高靈敏度、快速響應等特點，已經廣泛應用于痕量氣體濃度檢測中。本文提出一種基于TDLAS的開放式激光檢測甲烷濃度系統，該系統主要采用了波長調制光譜技術和二次諧波檢測技術。在開放光程下，研究甲烷氣體的特征吸收譜線，測量了六種濃度甲烷氣體。將該系統應用于甲烷氣體檢測中，有利于安全生產，具有廣泛的實際應用價值。

【關鍵詞】激光；TDLAS；甲烷；開放

Study of Open System of Methane Detection Using Laser

WU Xiao-lu1 YANG Bing-xiong2

（1.Information Engineering College， Dalian University， Dalian Liaoning 116622， China；

2.Dalian Actech Co.， Ltd.， Dalian Liaoning 116600， China）

【Abstract】The methane is main component of natural gas，in natural gas exploiting， processing and transporting， natural gas leak is dangerous for environment and security. Tunable diode laser absorption spectroscopy（TDLAS） technology has been widely used in atmospheric trace gases detection， because it has a lot of advantageous characteristics， such as high sensitivity ， good selectivity， and rapid time response. This paper presents a remote measurement system by using tunable diode laser absorption spectroscopy， this System employed the second-harmonic detection of wavelength modulation spectroscopy. This paper characteristics of methane gas absorption lines， measuring six kinds of concentrations of methane gas in the open path. The system is applied to the detection of methane gas， it is conducive to safe production and a wide range of practical applications

【Key words】Laser；Tunable diode Laser absorption spectroscopy；Methane；Open path

0 引言

在天然氣的開采、傳輸過程中各種形式的氣體泄漏將會嚴重影響大氣環境和人民生命財產安全。當空氣中的甲烷濃度達到5%，氧氣濃度不低于12%時，遇到明火，就會發生爆炸。因此研制一套甲烷檢測系統，能夠對天然氣開采運輸過程中的甲烷泄露高靈敏度檢測，具有十分重要的現實意義。

相比較傳統的化學測量方法，可調諧半導體激光吸收光譜技術具有無可比擬的優勢，由于它測量靈敏度非常高、測量的下限非常低，可以滿足氣體濃度檢測的要求，因而非常廣泛地運用在常規技術手段無法實現的痕量氣體濃度測量中[1]。

本文使用DFB激光器應用TDLAS技術，在開放光程下，對甲烷濃度進行檢測系統。這種測量系統具有高靈敏度、便攜，并可以遙測等技術特點。該方案采用波長調制，二次諧波檢測等技術，檢測二次諧波信號并利用最小二乘法就可實現甲烷氣體濃度的測量。本文對該系統方案進行了理論分析和實驗研究。

1 檢測原理

TDLAS技術是經調制過得激光頻率掃描一條獨立的氣體吸收線，獲得目標氣體的特征吸收譜線的吸收光譜，推算濃度信息[2]。

1.1 Lambert-Beer定律

I1（v）/I0=e-α（v）CL（1）

式中，I1是接收光強，I0為入射光強，α（v）是頻率為v的氣體吸收系數，C是氣體密度，L是氣室長度。那么在本系統，接收端的接收光功率為：

P=KSe-α（v）D（2）

其中，K是接收效率，D是氣體濃度關于開放光程的積分。

1.2 甲烷特征吸收譜線

從HITRAN2012數據庫[3]中查到，甲烷氣體分子一共有四個基頻振動段，對應的波長值處在近紅、中外波光段，分別是3430nm、6520nm、3310nm、7660nm，由于能夠提供該波段光源多是采用了鉛鹽窄帶半導體激光器，系統復雜，價格昂貴。日本東北大學在1984年測得，在近紅外波光段1653.7nm處，甲烷的吸收線線強遠大于水分子和二氧化碳分子的吸收線線強。

所以系統選用的中心波長為1653.7nm的DFB半導體激光器，在該吸收譜線下，其他氣體分子不吸收激光光強，減少了其他氣體吸收的干擾，甲烷濃度檢測的精確度更高。

1.3 波長調制技術與二次諧波技術

利用直接吸收測量技術檢測氣體濃度，容易受到背景噪聲信號干擾會降低檢測的靈敏度。為了提高性能，TDLAS技術多采用波長調制光譜技術（WMS）[4]，調制過程是半導體激光器發出的激光束在目標氣體的吸收峰附近掃描，利用半導體激光器具有的電流和溫度的可調諧特性，對激光波長進行某一頻率的余弦波調制，半導體激光器發出的頻率為v的激光束被信號產生器發出的頻率為w余弦調制信號調制后，激光頻率變為：

通過以上傅里葉變換能夠知道，每個諧波分量與分子在頻率大小為v處的光學吸收截面成正比。從理論上說，特征吸收譜線的每個諧波分量都能夠應用在TDLAS技術中，選用二次諧波信號檢測理由如下：諧波幅值會因傅里葉變換次數增加而依次遞減，吸收譜線的線寬增加，相鄰譜線間帶來的干擾就越來越難分辨出來，通過計算可知，偶數次諧波峰值都處在特征吸收譜線的中心上，激光器輸出的激光頻率大小可以和目標氣體的特征吸收譜線保持一致；而奇數次的諧波中心處的值都是零，所以很難讓激光器輸出頻率能夠穩定在譜線中心位置。

本系統需要檢測諧波信號，但是一般的濾波器對噪聲的抑制作用還不足以滿足提取微弱信號的要求，我們利用鎖相放大器來完成這個工作[5，6]，其工作原理如圖1所示。

系統結構圖如圖2所示，激光器內的溫控和電控電路來共同實現激光器中心波長調節。計算機的D/A卡產生一路疊加了5kHz正弦調制信號和20Hz的鋸齒波的波長調諧信號，通過激光驅動器加載在半導體激光器上。激光器輸出的激光束連續掃描甲烷分子的吸收線。另一路5kHz的正弦信號，送入鎖相放大器作為解調參考信號。激光由單模光纖傳輸到自聚焦透鏡準直輸出。被氣室中甲烷氣體吸收的激光到達接收端的光電探測器，經探測器光電轉換后的電信號傳輸到鎖相放大器，以參考信號的二倍頻（10kHz）進行解調，獲得氣室中甲烷的二次諧波信號，由數據采集卡對鎖相放大器出來的二次諧波信號進行A/D轉換，得到甲烷吸收譜線的二次諧波信號，最后計算機對采集到的信號進行處理。

2 實驗過程

人實驗在室溫條件下，開放光程長度為100m，氣室長度為0.9m，向氣室內依次充入濃度為50ppm、110ppm、130ppm、250ppm、330ppm、530ppm的甲烷氣體。當充入某一濃度的氣體時，待吸收穩定后，在同一濃度下采集多種組數據，然后用高純度（99.99%）的氮氣對氣室進行吹掃，再充入另一濃度的氣體，如此反復測量。信號發生器產生的20Hz的鋸齒波信號和鎖相放大器產生的5KHz的正弦波信號疊加在一起，疊加信號通過激光電流控制器加載在激光器上，來共同實現波長的調諧。

對基于波長調制和二次諧波探測的TDLAS系統，散粒噪聲限制下的主要噪聲來源于標準具效應引入的干涉條紋，標準具效應是散射光與主光束之間發生干涉而產生的穩定的具有一定周期性的噪聲信號，這會對信號測量帶來一定的干擾。實驗采用扣除背景的方法來消除干涉條紋。在測量前首先往氣體吸收池中充入99.99%的高純度氮氣作為零濃度氣體背景，系統測量并保存背景信號，利用數據采集卡完成與激光器的波長掃描同步的數據采集。

3 實驗結果分析

計算機設置對采集的信號進行多次累加平均，通過采用扣除背景的方法可以使測得的甲烷氣體的二次諧波信號平滑，這樣就消除了干涉條紋的帶來影響。

對以上6種不弄濃度的甲烷氣體進行測量，得到已扣除背景噪聲的甲烷二次諧波信號如圖3所示。

從圖中能夠看出，在保持相同的調制頻率下，不同濃度甲烷氣體的二次諧波信號的形狀大致相同，但是濃度越高，吸收峰越大，信號幅值越大。

對系統測得6組不同濃度甲烷氣體的二次諧波信號，通過最小二乘法可以擬合出6個對應的濃度值，其線性擬合結果如圖4所示，其中橫坐標是氣體的實際濃度，縱坐標是通過系統檢測擬合標準譜線得到的濃度信息，線性度為99.7%。通過實驗很好的驗證了可以根據待測氣體的二次諧波信號與相同條件下得到的已知濃度氣體的二次諧波信號使用最小二乘擬合法得到待測氣體濃度。

4 總結

本文討論了基于TDLAS技術的開放式甲烷濃度檢測系統實現和實驗數據分析。選擇合適的甲烷氣體特定吸收譜線，排除其他氣體分子干擾，通過應用波長調制以及二次諧波等技術有效的提高了測量系統的靈敏度。在100m的開放光程下，對6種不同濃度的甲烷氣體進行了檢測，結果顯示和標準濃度之間存在良好的線性相關性。該方法可行，檢測結果準確，可應用于天然氣管道泄漏檢測中，具有良好的工業應用前景。

【參考文獻】

[1]陳偉根，周恒逸.基于半導體激光器的乙炔氣體光聲光譜檢測及其定量分析[J].儀器儀表學報，2010，31（3）：665-670.

[2]闞瑞峰，劉文清，張玉鈞，等.光譜學與光譜分析[J]，2006，26（3）：392.

[3]胡慧鋪，徐曉潔，張阿宏，等.HITRAN數據庫在甲烷檢測儀開發中的應用[J].微計算機信息，2008，24（10）：204-205，213.

（上接第157頁）[4]汪世美，劉文清，等.基于可調諧二極管激光吸收光譜遙測甲烷濃度[J].光譜學與光譜分析，2006，26（2）：221-224.

[5]CLEMITSHAW K.A review of instrumentation and measurement techniques for ground-based and airborne field studies of gas-phase tropospheric chemistry [J]. Jorunal of Critical Reviews in Environmental Science and Technology，2004，34（1）：101-108.

[6]劉亞軍，王佩，王佰明，等.激光液面檢測與報警模擬系統[J].電子測量技術，2010，33（5）：122-125.

[責任編輯：劉展]