二氧化碳濃度實時監測方法及其應用

陳曦（沈陽計量測試院，遼寧 沈陽 110179）

0 引言

21世紀以來，隨著人口的增長，工業化、城市化步伐的加快，尤其是火力發電廠的迅速發展，二氧化碳排放不斷增加，空氣中二氧化碳含量顯著增加。由于盲目地跟隨經濟的發展，忽視了保護生態環境，導致氣候變暖，冰川融化，以及植物減產，溫室效應突出，嚴重威脅人類和其他生物的生存。正是由于這個原因，“低碳經濟”成為全球關注的焦點。另一方面，二氧化碳也有其使用價值，可以作為早期火災探測和火災監測中的特征性氣體，還可用于堿、糖、機焊、阻焊劑、鉛焊等行業，在火災探測、汽車尾氣檢測、燃燒控制和優化等方面CO2也發揮著重要作用。

1 基本原理

光子刺激氣體分子的外層電子，使其在連續波長的光譜中穿過一種特殊的氣態物質，從而使光束強度減弱。此外，每一個氣體分子都有其獨特的光譜特征，通過對穿過該物質前后的強度、被測物質的濃度等信息的分析，發現氣體濃度的變化會使光的強度變弱，近紅外選擇性吸收理論是其理論基礎。近幾年來，光譜吸收技術的應用理論是基于光譜吸收原理。通過測量在吸收氣體之前或之后的光強度來測量氣體濃度。此方法可用于二氧化碳在標準狀態下的高精度測量[1]。

2 檢測方法分類

2.1 直接光譜吸收法

該方法通過調整輸入激光器的流量，改變輸出激光器的波長，使激光器的波長移動到氣體吸收光譜的頻率范圍內，當壓力、線強度和激光強度為已知時，計算弱激光和參考激光的速度以及氣體濃度；直接吸收譜是指激光氣體的吸收強度。該方法能直接計算出某些信號與譜線的干擾，并能分析各種干擾對委托氣體濃度的影響，方便快捷。使用直接吸收法時，會影響輸入激光的光譜強度和計算結果的準確性，尤其是當探測信號較弱時，會嚴重影響最終氣體的濃度。

2.2 調制光譜吸收法

在大氣徑跡探測中，為了提高靈敏度，通常根據激光的特性，采用波長調制、幅度調制、頻率調制和相位調制等多種調制方法。可以調節吸收光譜的可調諧激光吸收光腔和各種噪聲壓縮技術都要充分利用半導體激光器的光譜特性，測量氣體吸收線的光譜吸收。定性或定量處理被測氣體。波長調制技術與直接吸收光譜法相比，降低測量系統中低頻干擾的噪聲，提高測量靈敏度。在檢測過程中，目標信號被高頻調制，而目標信號在隨后處理信號時由于沒有調制而被刪除，從而大大降低了外部誤差信號對檢測的影響[2]。

3 檢測譜線的選擇

在近紅外線方面發展最快的是處在700～2 500 nm近紅外區的光譜，其吸收系數雖低于中紅外吸收，但仍位于吸收帶外，且有密集的氣體分子吸收線。此外，工作在該波段的激光具有成本低、性能穩定、調諧速度快、光譜分辨率高等優點。小于較好的環境條件下，可將近紅外范圍內的測量靈敏度控制在一定的產品開發周期內，例如分布反饋激光器（DFB）和外部反饋激光器空心空間導體激光器（ECDL）。二氧化碳在紅外波段有三條強的基本吸收路徑，分別位于4.3 μm，7.23 μm和153 μm處。CO2的強度可達10-18cm-1/ (molecule ×cm-2)以上，更適合于光譜分析。但是，這三種波長的價格比較昂貴，不適合光譜分析，不利于氣體計量的應用和推廣。此外，在2 μm的吸收帶附近，CO2的線強度小于基本吸收帶，可以達到10-21cm-1/ (molecule ×cm-2)以上。

目前我們已經研制出一種工作在室溫下2.0 pm，價格相對較好的半導體激光器。一些科學家已經用這種帶子激光二極管來測量。在1.51 μm通信帶附近的吸收帶中，CO2的光譜強度比基頻帶低5個數量級，約為10-23cm-1/ (molecule ×cm-2)。盡管這個波段的頻譜強度較低，但是半導體激光器在這個波段上價格低廉，使用方便，在1.58 m的波段上，隨著產品加工和通訊技術的發展，激光器的性能不斷提高，研究與開發的步伐不斷加快，通過測量二氧化碳濃度，可有效避免H2O和SO2的光譜干擾。

4 誤差補償

光譜法能在線檢測二氧化碳，但對環境要求太高。光譜法測量氣體濃度是指氣體溫度、壓力、濕度和濃度的測量。另外，對噪聲(如干擾信號、空氣中水在激光上的反射等)光譜線的選擇進行了分析，結果顯示，探測顯示出類似氣體的靈敏度，但是對于某些氣體，專家和科學家采用了不同的方法來糾正測量中的誤差。舉例來說，利用熱電偶和壓力表測量系統的溫度和壓力，探測器使用封閉放大器中的一次諧波信號來測量氣體濃度信號，這樣在測量環境中氣體濃度信號時就不會被激光強度所影響，也不會被背景輻射、微粒物質和介質的影響所影響。還有一些專家和科學家使用預設電路和誤差補償來糾正錯誤。由于只是在特定環境下的簡單補償，因此無法用于實時氣體監測[3]。

5 檢測系統設計

5.1 檢測系統分析

模擬識別系統的建立，首先要對監控系統的整體管理和信息流動進行分析，同時還要對目標、方法、模型進行分析，從而根據內外因素和系統測量結果，確定實驗模型是否合理。CO2排放系統是一個連續的交換系統。根據光譜吸收理論，考慮了4個主要的實際環境因素，即溫度、壓力、濕度以及類似氣體等，模擬實驗和測定了這些變量的連續變化。對仿真實驗得到的誤差進行綜合分析，并調整系數。在直接測量CO2濃度時修正了誤差。

5.2 系統總體設計

在實驗室條件下，我們選擇了四種環境變量作為試驗對象，這些環境變量影響很大，并且在實驗室溫度、濕度、壓力和類似氣體中變化很小實驗中采用了可調諧激光光譜(TDLAS)的測量輸入和理論值。在此基礎上開發了一個模擬實驗平臺。信號燈，信號燈記錄模塊，主要信號燈記錄模塊，包含測量儀器，用來測量環境變量。信號處理的主要模塊是計算機。這一制度應包括下列步驟：

測量第一部分配置的不同成分濃度的混合氣體，包括氮，二氧化硫和二氧化碳。中午一點五分的二氧化硫濃度類似于二氧化碳。通過對壓力表、溫控儀、濕度計的觀測，根據實際環境條件調節環境變量，為模擬實際環境提供依據。在這種情況下，他們使用定容氣體容器來調節反射容器中氣體的壓力，吸收容器的溫度由溫度控制器控制，空氣室的濕度由吸收水的波長來調節。信號從激光器發送到準直器，然后再發送到準直器。同時將傳感器的光線值通過數據采集卡發送到數據中心合并分析，糾正直接測量值的誤差[4]。

5.3 硬件系統的設計

5.3.1 光源

在CO2監測系統中，光源是主要輸入源。激光的結構主要包括三個部分：工作環境、激勵和諧波源。激光的特性可以分成很多種類型。根據工作環境的不同，包括固體激光器、氣體激光器、氣體激光器、氣體發生器、氣體發生器等。根據接收方式的不同，半導體液體激光器可以分為連續脈沖激光器、光譜級和功率級半導體激光通信行業已經發展了很多年。調節式半導體激光器是目前氣體控制領域的研究熱點。

5.3.2 探測器

氣控系統中使用的探測器一般是用來檢測光信息的光電感應裝置。通過監控電信號，把測試結果轉化為電信號來控制燈光信號。可調諧激光吸收光譜儀對相應波長范圍內的光信號應具有很高的靈敏度，為了滿足調制測量的要求，同時應具有足夠的頻率響應帶寬。

5.3.3 鎖相放大器

在檢測系統中，可檢測的信號往往是微弱的，而且噪聲和干擾也非常強烈，因此需要對信號進行疊加和過濾。在分析測量信號時，可取標準信號和噪聲信號，在特定的倍頻帶上接收，再用互頻濾波器過濾，再用低頻濾波。效聲帶寬非常窄，從而削弱輸入噪聲信號，然后放大以滿足系統的增益要求。

5.3.4 傳感器的選擇

盡管在線CO2監測基于光譜吸收原理，但在復雜的條件下很難確定氣體的具體濃度，也很難確定氣體的類型和濃度，因為氣體濃度在氣體傳感器非線性和系統中濃度變化時具有不標準的選擇性。綜合多種傳感器的數據，既能測量氣體的成分和濃度，又能測量氣體的質量。但在復雜的情況下，它是由數量和質量決定的。該系統由一些感光傳感器組成。通過分析來處理傳感器輸出信號。模式識別與量值定義。每一個參數都要選擇合適的傳感器或測量設備，因此，必須與氣量和傳感器的參數因素相匹配。由于單個傳感器射線的交叉靈敏度難以檢測，因此通過簡單的數據處理就可以得到每個傳感器對應氣體的全部信息。

5.4 軟件系統的設計

該軟件系統屬于CO2實時控制系統。從傳感器到數據中心的數據傳輸，根據硬件要求進行數據采集和速度控制有些步驟是手動控制的，有些則需要由計算機控制。采用模塊化設計程序。通過上位機控制采樣頻率，將采集到的數據送入計算機中心。

6 結語

將光譜吸收技術、信息技術、傳感器技術、電子技術與二氧化碳排放的利用相結合，基于多傳感器數據集成技術，形成了CO2濃度實時監測方法。本文著重介紹集中監控方法的實現算法。通過開發模擬環境物理條件的模擬和應用軟件，在實驗室建立了二氧化碳實時模型；在制定試驗步驟和收集試驗數據方面所取得的成果表明，該方法測量精確，具有良好的實時性，可快速、準確地實時監測二氧化碳濃度。