基于溫度信號采集的甲烷濃度檢測系統(tǒng)設(shè)計

基于溫度信號采集的甲烷濃度檢測系統(tǒng)設(shè)計

甲醇是一種危險氣體。它是礦山磚瓦的主要成分，也是溫室效應(yīng)最重要的氣體成分之一。它對速度、實時、準(zhǔn)確的氣體濃度具有重要意義。通過波適光譜技術(shù)和波形檢測廣泛應(yīng)用于氣體樣品的測量。利用波長譜測量技術(shù)提取弱吸收信號，抑制1.f噪聲，提高系統(tǒng)檢測的精度，檢測低濃度氣體（可達(dá)10.6級）。調(diào)整真空光學(xué)吸收光譜。是一種利用半角形核學(xué)原理和噪聲調(diào)制原理在氣體中測量的技術(shù)。獲得測量氣體的特征吸收光譜內(nèi)的吸收光譜，并對測量氣體進(jìn)行定量或定量分析。結(jié)果表明，吸收光譜的二波信號的振幅值與測量氣體的唐詩重量成正比。通過自適應(yīng)矩陣中的相位矩陣中的二次聲波信號幅度可以反演測量氣體的濃度。吸收室待測氣體吸收線的特性容易受到環(huán)境變化的影響。當(dāng)同時處理相同濃度的氣體時，系統(tǒng)中檢測到的二次波形的振幅是不同的。在預(yù)測氣體濃度時，需要考慮溫度變化的影響。在這項工作中，我們設(shè)計了一套檢測甲烷濃度的系統(tǒng)，并使用了溫度測量裝置來檢測當(dāng)前實驗狀態(tài)下的溫度信號，并利用修正系數(shù)來消除溫度變化對檢測系統(tǒng)的干擾。這對提高氣體濃度測量的精度非常重要。1氣體體積比t當(dāng)頻率為v,光功率為I0(v)的激光器發(fā)射的單色激光通過裝有一定濃度甲烷的吸收氣室,輸出的光功率I(v)與激光器發(fā)射光功率I0(v)滿足BeerLambert定律:式中:α(v)為甲烷吸收線的吸收系數(shù),L為吸收路徑長度,C為待檢測氣體的百分比濃度.對于痕量甲烷濃度檢測,滿足α(v)LCue04d1,式(1)可以寫為當(dāng)對激光器的注入電流進(jìn)行調(diào)制時,激光頻率被調(diào)制,其瞬時頻率為式中:vc為激光器的中心發(fā)射頻率,va為頻率調(diào)制幅度,ω為調(diào)制角頻率.實驗環(huán)境為室溫下1個大氣壓,吸收線的線型函數(shù)可以用洛倫茲線型表示,吸收系數(shù)α(v)可以表示為式中:v0、α0分別為吸收線中心處的頻率和吸收系數(shù),γ為吸收線的半高半寬.把吸收線的吸收系數(shù)α(v)和頻率v代入Beer-Lambert定律表達(dá)式,將光強(qiáng)I(v)按傅里葉系數(shù)展開,在頻率調(diào)制幅度va《γ時,n次諧波信號的幅度Hn為從式(5)可以看出,當(dāng)其他參數(shù)固定,諧波信號的幅度與待測氣體的濃度C成正比,通過檢測諧波信號的幅度可以反演得到待測氣體的濃度.2實驗結(jié)果及分析甲烷的標(biāo)準(zhǔn)吸收光譜位于2.5~25μm的中紅外區(qū),這一波段的激光器需要低溫制冷,價格昂貴,使用不方便;另外,石英光纖在這一波段傳輸損耗太大,不利于長距離傳輸.甲烷氣體組合頻與泛頻的吸收波長分別為1.33μm和1.66μm,在這2個波長附近有相當(dāng)強(qiáng)的吸收峰,正好落在光纖0.8~1.7μm近紅外區(qū)域的低損耗傳輸窗口范圍內(nèi),且在這一波段光源技術(shù)比較成熟.圖1為甲烷在1.33μm和1.66μm區(qū)域的吸收光譜,可見1.66μm區(qū)域吸收線的線強(qiáng)度大于1.33μm區(qū)域吸收線的線強(qiáng)度.實驗選擇波長在1653.72nm附近2v3帶R(3)支的強(qiáng)吸收線進(jìn)行檢測.根據(jù)HITRAN2008數(shù)據(jù)庫,甲烷1653.72nm波長附近R(3)支轉(zhuǎn)動躍遷包含了3條相距非常近的吸收線.表1為這3條吸收線的具體參數(shù).激光經(jīng)過氣室中氣體的光譜吸收,多條吸收線合成后總的吸收系數(shù)可表示為各吸收線的吸收系數(shù)的疊加:從表1中可知,甲烷2v3帶R(3)支的3條吸收線分布在小于0.01nm波長范圍之內(nèi),可以近似認(rèn)為它們是線強(qiáng)為3條吸收線線強(qiáng)之和的一條吸收線,并以此作為檢測吸收線,且在吸收線左右各0.50nm范圍內(nèi)沒有其他氣體(如H2O、N2、CO2等)的強(qiáng)吸收線.圖2為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,溫度為296K時,甲烷波長1653.72nm附近3條吸收線及合成后的吸收系數(shù).3吸收線半高半寬近紅外區(qū)氣體吸收線的譜線寬度很窄,當(dāng)溫度、電流波動時,激光器中心波長很難嚴(yán)格對準(zhǔn)氣體吸收峰.采用波長掃描和波長調(diào)制相結(jié)合的方法,通過有效設(shè)置波長掃描范圍保證在波長變化范圍內(nèi)掃描到氣體的吸收峰.氣體吸收線中心處的吸收系數(shù)α0與單位體積內(nèi)氣體分子密度、吸收線的線強(qiáng)度和吸收線的半高半寬有關(guān),可以表示為式中:N為單位體積內(nèi)氣體分子密度,mol·cm-3;S為吸收線的線強(qiáng)度,cm·mol-1;γ為吸收線的半高半寬,cm-1.當(dāng)氣室內(nèi)溫度發(fā)生變化時,單位體積內(nèi)的氣體分子密度、吸收線的線強(qiáng)度和吸收線的半高半寬都將發(fā)生變化.由于HITRAN2008數(shù)據(jù)庫中的吸收線強(qiáng)度等數(shù)據(jù)已換算為296K時的值,選取296K作為系統(tǒng)的參考溫度,在-20~60℃范圍內(nèi)對吸收線的譜線特性進(jìn)行分析.實驗中所用氣室為開放式氣室,整個測量過程中吸收氣室內(nèi)壓強(qiáng)保持不變.根據(jù)理想氣體的壓強(qiáng)公式,可得單位體積內(nèi)氣體分子密度為式中:P為氣體壓強(qiáng),k為波爾茲曼常量,T為溫度.由式(8)可以看出,氣室中的壓強(qiáng)保持不變,隨著溫度的升高,單位體積內(nèi)氣體的分子密度降低,會對譜線的吸收系數(shù)產(chǎn)生影響.在參考溫度附近,單位體積內(nèi)氣體的分子密度N隨溫度的相對變化為溫度對吸收線的線強(qiáng)度的影響可通過配分函數(shù)來計算,根據(jù)參考文獻(xiàn),一定溫度下吸收線的線強(qiáng)度可表示為式中:h為普朗克常量,c為光速,Q(T)為分子配分函數(shù),E″為分子躍遷能量,S(T0)為參考溫度T0下吸收線的線強(qiáng)度.要得到不同于參考溫度下的線強(qiáng)度需要知道準(zhǔn)確的分子配分函數(shù),配分函數(shù)可以用多項式表示:根據(jù)HITRAN2008數(shù)據(jù)庫,擬合多項式的系數(shù)分別為由式(10)可以得到不同溫度時吸收線的線強(qiáng)度.隨著環(huán)境溫度的增加,吸收線的線強(qiáng)度減小.在參考溫度附近,譜線的線強(qiáng)S隨溫度的相對變化為實驗中氣室內(nèi)壓強(qiáng)不變,吸收線的半高半寬與溫度有關(guān),不同溫度下吸收線的半高半寬可以表示為式中:T0、γ0分別為參考溫度時的溫度和吸收線半高半寬,n為吸收線半高半寬的溫度系數(shù).根據(jù)式(13),在參考溫度附近吸收線的半高半寬γ隨溫度的相對變化為根據(jù)式(7),在參考溫度T0=296K附近,溫度波動引起的譜線吸收系數(shù)的相對變化為圖3為在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,不同溫度時甲烷2v3帶R(3)支合成吸收系數(shù)曲線.隨著溫度的升高,甲烷吸收線的吸收系數(shù)有減小的趨勢.4痕量氣體濃度檢測吸收氣室內(nèi)的甲烷氣體吸收線的譜線特性容易受到環(huán)境溫度波動的影響,為了準(zhǔn)確地測量痕量甲烷氣體濃度,進(jìn)行濃度反演時必須考慮消除溫度波動帶來的影響,為此設(shè)計了一套帶有溫度信號采集裝置的甲烷氣體濃度檢測系統(tǒng),系統(tǒng)示意框圖如圖4所示.系統(tǒng)利用德國VERTILAS公司生產(chǎn)的垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)對甲烷波長1653.72nm附近的2v3帶R(3)支的吸收譜線進(jìn)行檢測.激光器工作在30℃時的波長調(diào)制范圍為1652.4~1655.6nm,中心工作電流為6mA,中心功率為0.3mW,電流調(diào)整系數(shù)為0.367nm/mA.采用一對自聚焦透鏡組成透射型氣室,吸收路徑長度為10cm.通過改變注入電流對激光器進(jìn)行調(diào)制,低頻三角波掃描信號頻率為80Hz,高頻正弦波調(diào)制信號頻率為20kHz,設(shè)定采樣頻率為50kHz,通過低頻三角波掃描信號掃描氣體吸收峰.吸收信號經(jīng)過光電檢測后,通過帶通濾波器濾除帶外噪聲及低頻三角波信號,利用AD630鎖相放大器和MAX295低通濾波提取出二次諧波信號,通過測溫裝置采集氣室中的溫度信號,采用C8051F020單片機(jī)進(jìn)行氣體檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與處理,利用校準(zhǔn)系數(shù)將不同溫度下檢測得到的二次諧波信號轉(zhuǎn)化為參考溫度下的標(biāo)準(zhǔn)信號來反演待測氣體濃度.實驗通常在室溫下對系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定,根據(jù)HIT-RAN2008數(shù)據(jù)庫,選取296K作為標(biāo)定溫度對系統(tǒng)進(jìn)行定標(biāo).環(huán)境溫度發(fā)生變化時,待測氣體的譜線特性將發(fā)生變化.當(dāng)甲烷氣體濃度為0~5000×10-6,實驗溫度在-20~60℃區(qū)間變化時,若不考慮到溫度波動的影響,直接利用標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行濃度反演與氣體真實值的對應(yīng)曲線如圖5所示.可見對于相同濃度的待測氣體,當(dāng)氣室處于不同溫度狀態(tài)時,直接利用檢測得到的二次諧波幅值進(jìn)行氣體濃度反演存在較大偏差.考慮到溫度波動的影響,進(jìn)行氣體濃度反演時,不同溫度下檢測得到的二次諧波信號幅值需轉(zhuǎn)化為參考溫度下的標(biāo)準(zhǔn)信號.由式(5),二次諧波幅值為由式(4)可得由式(17),二次諧波幅值在譜線中心Δ=0處取得最大值,其值為將式(18)代入式(16),得到待測氣體的濃度為對于濃度、吸收路徑長度和頻率調(diào)制幅度均相同的待測氣體,吸收氣室內(nèi)氣體溫度的波動會使檢測得到的諧波幅值發(fā)生變化,若此時直接利用檢測得到的二次諧波幅值進(jìn)行濃度反演將產(chǎn)生較大誤差.當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化,利用校準(zhǔn)系數(shù)將檢測得到的二次諧波幅值轉(zhuǎn)換為標(biāo)定狀態(tài)下的諧波幅值后再進(jìn)行濃度反演.校準(zhǔn)系數(shù)為由式(15)可得,在參考溫度附近校準(zhǔn)系數(shù)擬合為校準(zhǔn)后的二次諧波幅值為將式(22)代入式(19),在不同溫度下可利用標(biāo)定數(shù)據(jù)反演出待測氣體的濃度:式中,γ(T0)、α0(T0)為參考溫度下吸收線的半高半寬和吸收系數(shù).在氣室中充入濃度為3000×10-6的標(biāo)準(zhǔn)氣體,表2中為氣室處于8組不同的溫度狀態(tài)時,利用校準(zhǔn)系數(shù)對系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)前后的檢測得到的濃度值.在同一溫度狀態(tài)下,測量50次取平均值.由表2可以看出,未校準(zhǔn)前系統(tǒng)測量值與實際值的偏差很大,校準(zhǔn)后系統(tǒng)測量值與實際值的偏差在1%以內(nèi),通過校準(zhǔn)可以有效地抑制溫度波動對檢測系統(tǒng)的影響.設(shè)置氣體濃度檢測系統(tǒng)量程為5000×10-6,試驗中向氣室中分別充入濃度為500×10-6、1000×10-6、1500×10-6…5000×10-6的甲烷氣體,檢測得到不同濃度下甲烷氣體的二次諧波信號,為了減少系統(tǒng)隨機(jī)噪聲引入的誤差,對采樣得到的二次諧波信號進(jìn)行多次采樣取平均.利用最小二乘法對實際測量得到的電壓值與理論濃度值進(jìn)行做線性擬合,其擬合方程為圖6為氣室內(nèi)溫度發(fā)生波動時,實際測量的甲烷二次諧波信號幅值與濃度的線性關(guān)系,其線性擬合系數(shù)為r=0.9998,在該濃度范圍內(nèi)二次諧波信號的幅值與甲烷的濃度呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系,證明該實驗方案能夠消除溫度波動的影響,實現(xiàn)痕量甲烷氣體濃度檢測.5校準(zhǔn)系數(shù)法的實驗和其簡介實驗結(jié)果表明,在