浅谈甲烷检测技术

浅谈甲烷检测技术

0全光纤气体污染状态监测仪的研制在煤炭、石油、天然气等生产过程中，快速、准确地监测、报警和自动控制有害药物、泄漏和污染已成为必须尽快解决的重要问题之一。环境污染的有效监测与控制需要一系列新型的传感与测量技术,特别是能够连续监测大气中有害污染气体含量的检测仪器和系统。煤炭工业生产中经常出现的瓦斯爆炸事故对于工矿安全运行、人身安全以及环境保护有着长期的威胁。研究瓦斯检测技术和瓦斯传感器具有重要的现实意义,实时监测瓦斯气体含量、防止爆炸是一个重大课题。目前,测量瓦斯气体体积分数的方法和仪器有很多种,但都存在灵敏度低、成本高、稳定性差等缺点。为了有效地减少事故发生和对环境的污染,必须设置能在线实时快速检测甲烷气体体积分数的仪器和设备。由于光纤气体传感器具有传输功率损耗小、抗干扰能力强、气体鉴别能力强、响应快、测量灵敏度高、易于实现远距离传输和实时在线遥测等优点,所以,倍受人们的关注。本文提出一种采用光纤传感技术和计算机数据处理技术相结合的全光纤气体污染状态监测仪。具有灵敏度高、动态范围大、精度高、维护要求低及测量速度快等优点,它为气体在线检测提供新的手段和方法。1光谱吸收光谱法1.1传感器的基本结构当光通过某种介质时,即使不发生反射、折射和衍射现象,其传播情况也会发生改变。这是因为光频电磁波与组成介质的原子、分子发生作用,作用的结果使光波特性发生变化,主要包括吸收和散射。在本文设计的传感器中,衰减的产生主要是因为吸收这一过程,利用介质对光吸收而使光产生衰减这一特性制成了吸收式光纤传感器。波长为λ单色光,在吸收传播距离L后,其光强为I(λ)=I0(λ)exp(-αλcL),(1)式中I0(λ)为波长为λ的单色光在不含待测气体时透过气室的光强,mW;I(λ)为波长为λ的单色光在含有待测气体时透过气室的光强,mW;c为吸收气体的体积分数;αλ为单位长度单位体积分数的吸收系数,cm-1。进一步转化式(1)得通过测量通过气室前后的光强,即可得到气体的体积分数,传感器的基本结构如图1所示。系统的最终目的是实现低体积分数气体检测,利用比尔—朗伯定律设计的直接吸收式光纤气体传感器,由于只检测气体吸收谱线的光强,探测的光强信号易受光源波动、光纤接头不稳定以及电路放大系统等因素的干扰,使得检测效果不理想、误差较大、测量准确度不高。采用差分检测方法可有效地消除上述影响。1.2光纤气体传感器工艺差分吸收方法的工作原理是:光源发出的光束被分成两路信息,一路是带有被测气体吸收后的信息,另一路是带有未经过被测气体吸收后的信息,称参考信息。两路选择同型号同参数的器件,则光源的不稳定和光电信号的时漂、温漂对两路信息的影响相同,故信号信息与参考信息的比值只是气体体积分数的函数,从而消除了光源的不稳定和光电器件的零漂影响。光纤气体传感器中,差分吸收方法可采用单波长双光路法,也可采用双波长单光路法,本设计采用双波长单光路法来实现。考虑到光路的影响,式(1)修正为I(λ)=I0(λ)K(λ)exp[-αλcL+β(λ)],(3)式中β(λ)代表光路干扰效应,为了消除β(λ)项,通过选用2个波长,分别对应待测气体的强吸收波长(称为工作波长)和不吸收或弱吸收波长(称为参考波长),若2个波长尽可能靠近,则β(λ)项对二者的影响可认为相等,这样,通过差分处理机可很好地消除β(λ)的干扰。基与差分思想,进一步处理式(3)得式中λ1,λ2分别为工作波长和参考波长;K(λ1),K(λ2)为光路在波长λ1,λ2处的总效率。调整光路使得K(λ1)I0(λ1)=K(λ2)I0(λ2),可以得到实际应用中,波长λ1的光对应检测气体的吸收谱线,波长λ2的光不被检测气体吸收(参考波长),有I(λ1)/I(λ2)<1,对ln[I(λ2)/I(λ1)]进行泰勒展开则气体体积分数为由上式可以看出:差分吸收技术从理论上能完全消除β(λ)项的影响,同时,还消除光源输出光功率不稳定的影响。2气室和主被动气室检测系统结构如图2所示,该检测系统主要由三部分组成:光源与光源驱动电路;光纤组成的测量通道,实现体积分数—光强转换;光电探测器与后续电路完成信号的变换、处理、显示。光源产生部分包括宽带光源LED和滤波片切换装置。光源采用InGaAsP发光二极管,LED采用方波驱动,可以实现自动斩波调制。滤光片切换装置上布有F1,F22个干涉滤光片,对应的中心波长分别为λ1,λ2,由单片机控制步进电机,使λ1和λ2的光分时切换通过气室,实现甲烷气体的差分测量。通过调整消光片可实现K(λ1)I0(λ1)=K(λ2)I0(λ2),即分时通过的光信号相等。研究表明:光谱中,甲烷在λ=1.3312μm波长处有一吸收峰,而吸收的强弱波长附近有强吸收,故通过气室的光信号强度将明显衰减。选取λ1=1.33μm为强吸收波长,λ2=1.27μm为弱吸收波长。在这个系统中,气室是敏感元件,由输入—输出透镜组成。光纤中,出射的光经输入透镜准直为平行光透过气室,由另一透镜耦合到输出光纤。气室设计的主要原则:一是吸收光程尽可能大;二是气室中光路的耦合损耗小,耦合状态稳定。为了获得更大的光强变化量,对于气室需要增加气体吸收线的长度,式(2)表明:气室长度L越长,其灵敏度越高,使用发现,L=0.5m时,传感器的灵敏度已经满足要求。传感系统的信号产生和处理部分由电气元件和电子电路组成。如,LED恒流驱动、振荡源、光电探测器PIN管及其他微弱信号处理部分。发送和接收光纤为芯径50μm的多模渐变型石英光纤,在1.33μm波长处,其损耗低于1dB/km,用Ge光电二极管做光探测器,用干冰—甲醇混合物致冷,以提高温度的稳定性和限制噪声。实验系统的技术关键是使用了斩波器与同步检测技术。斩波器在步进电机的带动下转动,使得2个波长的光束分别通过吸收气室,然后,作除法运算和对数运算即可实现式(7)所示的差分吸收检测。用锁向放大器实现同频检测,由计算机控制A/D转换和数据处理,最后,由LCD显示结果。3实时采集监控软件软件采用用户界面的设计思想,以具有强大软件开发能力的VisualC++6.0为工具,基于用户界面设计方案设计出该测试系统的动态实时监控软件,利于用户直观操作、分析数据。操作人员通过友好的图形用户界面来监控系统的运行,以完成气体体积分数的分析、判断、显示、存储以及数据生成。系统功能模块如图3所示,点击系统主控界面的各个按钮分别进入不同的模块对系统进行操作。1实时数据模块实时刷新、显示最新采样数据;22实时曲线模块实时刷新体积分数信息,以曲线的形式显示在界面上;3历史曲线模块由用户选择时间间隔,从数据库中提取相应间隔的采样值,通过切分窗口显示丰富的多视图,呈现给用户某段时间的气体体积分数走向;4完善声光报警信号通过列表显示气体体积分数超标值,一旦出现超标则激起声光报警信号,对于接近气体爆炸上限和爆炸下限时给出不同的声光报警信号,提醒有关人员进行现场调查、做出相应处理;5气体体积分数查询实现报表控件与数据库的连接,实时显示报表、打印报表、统计报表、查询某指定时刻的气体体积分数,求得指定时间段内气体体积分数的其他数据分析,并可对几种不同体积分数表示方法进行换算;6用户管理模块为了保证数据库的安全性,用户需要经常修改口令,当输入口令与设置相同时才能进入监控系统进行操作。4气体吸收信号sdis系统设置为单光路状态。把数字万用表接在锁相放大器的输出端,用清洁空气吹洗气室,然后,调节前置放大器或旋转电容滤波器增益(注意调节前后波形不失真和饱和),使数字万用表的示值为5V。用零点气体对气室吹扫后,把N2和1%,2%,3%,4%,5%,10%,15%,20%的甲烷分别注入气室中,读取数字表的示值。测量数据如表1所示。其中,信号值一栏为气体通过气室时甲烷气体的相对吸收率,即Ir=(I0-I)/I0,其中,I0和I分别表示光信号通过不含和含有甲烷气体时气室的光强度信号电压值。在相同实验条件下,经多次测试,其重复性良好。5气体检测实时性和连续性系统以可靠的理论为基础,采用了先进