有塵環境多組分氣體成分檢測系統的設計

曾怡帥， 楊友良,2*， 馬翠紅,2

(1. 華北理工大學 電氣工程學院， 河北 唐山 063009； 2. 唐山賽福特智能控制股份有限公司， 河北 唐山 063009)

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有塵環境多組分氣體成分檢測系統的設計

曾怡帥1， 楊友良1,2*， 馬翠紅1,2

(1. 華北理工大學 電氣工程學院， 河北 唐山 063009； 2. 唐山賽福特智能控制股份有限公司， 河北 唐山 063009)

通過LabVIEW軟件設計一個基于TDLAS諧波檢測含塵氣體濃度的虛擬系統，模擬測量在常溫常壓并含有已知粉塵顆粒的環境中SO2、NO2和NO 3種氣體的濃度，且使氣體成分測量的結果不受粉塵因素的干擾。設計中使用2 516.2，2 911.66，3 752.44 cm-1的3種中紅外激光分別對SO2、NO2和NO氣體進行檢測，根據鎖相放大原理設計虛擬多通道鎖相放大器分析檢測到的二次諧波信號，根據諧波信號對各氣體的濃度進行定標測量，最后進行數據校正來排除粉塵顆粒的干擾，使氣體的定標測量得到一個穩定的結果。

系統模擬； 激光理論； 紅外光譜； 吸收光譜； 含塵多組分氣體檢測

1 引 言

早在上世紀70年代，Reid和Hinkley等就提出了可調諧二極管激光吸收光譜(TDLAS)技術,為日后TDLAS諧波測量奠定了理論基礎，促進了激光氣體檢測的發展[1-2]。TDLAS技術具有高靈敏度、高分辨率、高選擇性和快速監測等優點，利用半導體激光的窄線寬和可調諧特性可以避免其他氣體的干擾，通過掃描氣體的一條精心選擇的振轉吸收線實現氣體濃度的高靈敏快速在線檢測[3-8]?，F今工業生產所排放的廢氣中往往含有多種氣體，同時還含有大量的粉塵顆粒。尤其在煉鋼領域和煤化領域中，粉塵廢氣的排放量非常大。在對多組分氣體進行測量時，測量環境中粉塵顆粒的存在會對氣體濃度的最終檢測值造成很大的影響[9-15]。要去除粉塵顆粒對光測量的影響，必須在最后除去經氣體吸收和粉塵衰減的出射光[16]。

本設計用LabVIEW軟件的G語言編寫基于TDLAS的有塵環境多氣體成分檢測系統，并模擬氣體光吸收和粉塵對光造成的衰減，設計多通道鎖相放大器[17-19]。通過去塵校正除去粉塵雜質對氣體測量造成的影響，從而同時得到SO2、NO2和NO 3種氣體穩定的濃度數據。

2 設計原理

2.1 氣體測量

根據朗伯比爾定律：

(1)

式中：I0為激光器射出并進入氣室的入射光；I為穿過氣室后由紅外探測器接收到的出射光；P為氣體壓強；C為所測量的氣體濃度；L為測量光程；α為氣體的吸收系數，由受到測試環境影響的吸收線性函數決定。中心頻率為ν0的激光器經過調制頻率ω調制后射出頻率為ν的激光，其表達式為：

(2)

式中的吸收系數α在計算中采用常溫常壓測試環境下的Lorentz型函數，函數方程如下：

(3)

將公式(3)代入公式(2)，由于αCL?1且在測量時激光輸出頻率ν與氣體吸收峰頻率νc保持一致，所以可以對公式(2)進行近似計算，得到氣體吸收下出射光I與入射光I0的光強關系：

式中：n為光強調制系數且n?1；σ(vm)為調制幅度；m是調制系數，其表達式為：

(5)

式中，Δν是氣體對應吸收波長的半高寬。對式(4)進行傅立葉變換后得到二次諧波系數表達式為：

(6)

由式(6)可以看出，當m≈2.2時，二次諧波系數取最大值，且二次諧波的幅值與氣體的濃度成線性關系。在此基礎上，通過對已知濃度的氣體進行比例定標，即可應用于測量未知濃度的氣體。

2.2 粉塵對光強的影響

根據朗伯比爾粉塵消光定律：

(7)

式中：N是分子數；L為測量光程；d為粉塵顆粒直徑；K為消光系數，其與粉塵的粒徑分布、密度和雙折射率有關，只要粉塵的物質和粒徑分布確定，即可確定為一常量。對分子數N進行N=M/(ρν)變換后得：

(8)

式中：M為粉塵質量，ρ是單個粉塵顆粒密度。由于粒徑大小的分布不同，對所有粒徑分布需要進行一個離散化運算，nr(di)為積分離散后的數值積分系數，f(di)是粒徑分布函數。由此得出在粉塵環境中出射光I與入射光I0的光強是指數關系。

2.3 測量數據去塵干擾的校正

通過前面的分析和推導可知，氣體測量時所測得的二次諧波幅值A2f會受到出射光I0的影響。在有塵環境下測量氣體時，是氣體和粉塵均勻混合在一起同時測量，可以假設理想環境為：在保持粉塵濃度和氣體濃度不變的情況下，將氣體和粉塵分離開再進行測量，并讓出射光I0依次通過粉塵和氣體，受到粉塵的衰減和氣體的吸收。假設理想環境情況如圖1所示。

圖1 假設理想情況

(9)

且入射光I0與出射光I有如下關系：

(10)

(11)

然后用公式(6)除以出射光I，化簡后的公式如下：

(12)

2.4 鎖相放大原理

利用鎖相放大器從待測信號中提取二次諧波信號。鎖相放大器主要由相敏檢波器和低通濾波器組成，接收到頻率為f的待測信號后，與頻率為2f的參考信號相乘，再經過低通濾波器濾波后提取二次諧波信號。原理如圖2所示。

設被測信號為：

(13)

參考信號為：

(14)

將被測信號x(t)與參考信號a1(t)相乘后得：

(15)

經過低通濾波器將高頻信號去除得：

(16)

(17)

(18)

由原理可看出，正交矢量型相敏檢測系統可以同時獲得被測信號的幅度與相位信息，避免了對參考信號做可變移相以及移相對測量準確性的影響。

圖2 正交鎖相放大原理

3 程序實現

3.1 整體程序框圖

本設計中編程使用的LabVIEW軟件是由美國國家儀器(NI)公司研制開發，其程序由圖形化編輯語言G語言來編寫，局部節點還支持C語言程序的語法。整體程序設計如圖3所示。

在程序中模擬使用3種激光頭來測量所對應的SO2、NO2和NO 3種氣體。測量中默認各激光出射光波長與其所對應氣體的吸收波長相等,使調制系數m為理論最優值2.2。氣體和粉塵對光的吸收均采用前面分析的朗伯比爾定律進行計算。鎖相放大器設計為多通道正交鎖相放大模擬器，3種氣體分3個通道各自進行分析，同時參考通道對應各自所測量的氣體的信號參數來產生參考信號。最后，通過去粉塵算法對測得二次諧波信號進行校正使之穩定，再用已知濃度的氣體對穩定的諧波信號進行定標，計算出諧波信號與氣體濃度的線性關系式，從而求出氣體的濃度。各氣體對應波長參數均來自國際通用光譜數據庫HTIRAN。各詳細參數見表1、表2和表3。

圖3 整體程序圖

表1 氣體參數

表2 粉塵(煤粉)參數

表3 各信號參數

3.2 程序運行

程序前面板如圖4和圖5所示。

前面板包括參數設置和測量檢測兩個界面。將表1、表2和表3的數據輸入到參數設置面板，運行后可在監測面板上看到各次諧波濾波監控圖和測量所得的SO2、NO2和NO 3種氣體濃度的測量結果。

通過圖6可以看出，當被測氣體中所含粉塵質量固定在60 mg不變時，公式(12)和公式(6)分別測量所得的兩個二次諧波幅值與氣體濃度的關系也均符合線性關系。通過圖7可知，當氣體濃度確定為10-13mol/cm3不變且粉塵質量隨后上升時，公式(12)幅值與公式(6)幅值明顯不同。公式(6)的幅值受粉塵影響嚴重，也隨粉塵量的變化而發生劇烈變化，而公式(12)幅值則在相同的條件下未發生變化。

圖4 參數設置面板

圖5 測量監測面板

圖6 粉塵質量固定的諧波校正前后對比

圖7 氣體濃度固定的諧波校正前后對比

解析后的二次諧波幅值的變化會在很大程度上影響氣體濃度的測量。運行SO2氣體的測量程序，分別在不同時間采集10個不同粉塵環境中SO2氣體濃度的測量數據，結果如圖8所示。

圖8 不同粉塵環境中SO2氣體濃度的測量結果

Fig.8 Measurement results of SO2concentration in different dust environment

在前3次數據采集中，因為沒有粉塵的緣故，兩種算法的結果都比較穩定，且與設定的實際氣體濃度非常接近。在第4次采集時，氣體濃度保持與第3次采集時一樣，都為3×10-13mol/cm3，但第4次采集時加入了1 mg的粉塵顆粒，未經過去塵處理的濃度檢測數據產生明顯的衰減，而校正后的測量結果則保持3×10-13mol/cm3不變。第5次采集時，氣體所含粉塵的質量不變，提高氣體濃度為4×10-13mol/cm3，兩個測量濃度均上升，但未校正的數據仍受粉塵的影響而與實際濃度有很大的差距。第6次采集時，氣體濃度不變，將所含粉塵降為0，兩種數據都與實際濃度相同。隨后幾次采集都在保持氣體濃度為5×10-13mol/cm3不變的前提下，提升粉塵質量，校正后的測量結果保持穩定，而未校正的測量結果隨著加入的粉塵質量的上升而下降。隨后，我們對NO2與NO都做了相同條件下的模擬采集，所得測量結果與已測量的SO2情況相同，校正后的氣體濃度測量結果均能夠有效排除粉塵顆粒的干擾，同時該設計還實現了多組分氣體的同時檢測。

4 結 論

通過朗伯比爾定律對氣體和粉塵顆粒對紅外光線的吸收和衰減作用的分析，總結出如何在有塵環境中測量氣體的濃度。利用LabVIEW軟件編寫的虛擬設備來實現對整個TDLAS系統的模擬。最后成功地在有塵環境下除去已知粉塵對氣體濃度測量的影響，并同時測量出多組分痕量氣體的成分，所測量的數據與理論公式結論相符。

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曾怡帥(1989-)，男，四川隆昌人，碩士研究生，2014年于華北理工大學獲得學士學位，主要從事TDLAS紅外檢測方面的研究。

E-mail: ulix.zeng@foxmail.com

楊友良(1961-)，男，河北盧龍人，教授，碩士生導師，1991年于東北大學獲得碩士學位，主要從事復雜工業系統建模與控制的研究。

E-mail: soft_yz@163.com

Design of The Detection System of Multi Component Gas Composition in Dust Environment

ZENG Yi-shuai1, YANG You-liang1,2*, MA Cui-hong1,2

(1.CollegeofElectricalEngineering,NorthChinaUniversityofScienceandTechnology,Tangshan063009,China;2.TangshanSoftIntelligentControlLimitedbyShareLtd.,Tangshan063009,China)

A virtual system based on TDLAS to detect the concentration of dust containing gases was designed by LabVIEW. The concentration of SO2, NO2and NO is measured at ambient temperature and pressure and environment of known dust particles, and the gas composition measuring results are not affected by dust. Three kinds of infrared laser of 2 516.2, 2 911.66, and 3 752.44 cm-1are used to detect SO2, NO2and NO. According to the principle of phase locked loop, the two harmonic signals detected by multi channel lock-in amplifier are analyzed, and the concentration of each gas is measured using the second-harmonic signal calibration. Finally, the interference of dust particles is eliminated through data correction, so as to get stable results.

system simulation; laser theory; infrared spectroscopy; absorption spectrum; dust containing gases detection

2015-12-24；

2016-03-22

國家自然科學基金(61271402)； 河北省唐山市科技計劃(14130214B)資助項目

1000-7032(2016)07-0859-07

TN247

A

10.3788/fgxb20163707.0859

*CorrespondingAuthor,E-mail:soft_yz@163.com