开放式天然气泄漏甲烷气体检测技术研究

天然气集输站场是天然气输送和储存过程中的枢纽,也是天然气泄漏检测的重点对象。传统的天然气泄漏检测技术响应慢、效率低,难以满足实际所需。可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)以其响应速度快、灵敏度高、无需维护等优点得到广泛应用。使用可调谐半导体激光吸收光谱技术实现了同时对天然气的主要成分甲烷、乙烯、乙炔三种气体实时测量的开放式检测和报警系统。实验结果表明,该系统响应时间小于2s,其甲烷、乙烯、乙炔的测量精度分别小于100ppm-m,40ppm-m,50ppm-m,为石油化工行业中天然气泄漏检测技术提供了新的技术方法。     

基于菲涅耳透镜开放光路天然气泄漏检测系统设计研究

天然气泄漏直接导致能源浪费和环境污染,造成重大经济损失.以可调谐半导体激光吸收光谱技术为基础的光学检测方法具有精度高、选择性强、响应速度快以及远距离遥测等优点,使其成为天然气站场以及天然气输运管道在线监测的理想方法.可调谐半导体激光吸收光谱与谐波探测相结合,设计了一套开放式长光程的用于天然气泄漏监测的实验系统.它以中心波长为1. 65μm的分布式反馈InGaAS激光器为光源,利用实心角反射器,在发射端以菲涅耳透镜为光学接收系统,把反射回来的光聚焦到InCaAs探测器.同时,在测量过程中,考虑到光强变化对浓度的影响,并通过归一化光强的方法进行消除,使光强波动引起的误差小于1%.在320 m的光程下模拟管道泄漏实验,系统的检测灵敏度为0.1(10-6体积比),根据光学系统收光效率以及探测器的可探测性能进行分析的最小光强,计算得到该系统可探测的光程可达2 000 m,证明完全满足天然气泄漏检测的需求.     

痕量气体激光检测系统波长锁定技术研究

利用可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)对痕量气体进行检测时,环境温度变化以及激光器控制电路的噪声常常使得激光器输出波长发生漂移,影响了气体浓度测量的准确性。以开放光路的激光吸收光谱氨气检测系统为例,在分析激光器扫描中心波长随电流变化规律的基础上,提出了基于电流控制的自适应锁定扫描中心波长的方法。研究了基于参考校准光谱的光谱数据对准算法,实现了开放大气中氨气浓度的实时监测。结果表明,波长锁定大大提高了痕量气体浓度反演的准确性和稳定性。氨气浓度具有日变化周期:上下班时段浓度上升,中午达到最大值,夜间浓度降低,系统检测限为3.8mg.m-3.m。     

基于超窄线宽激光的一氧化碳多参数检测研究

基于超窄线宽激光特性和激光器波长扫描技术,通过对一氧化碳气体近红外吸收光谱的测量及分析,设计了一氧化碳气体多参数实时在线检测系统.系统采用超窄线宽可调谐半导体激光器作为光源,利用气体直接吸收光谱测温法,实现了一氧化碳气体温度实时检测.根据所测温度值并结合气体浓度差分检测原理,实现了一氧化碳气体温度和浓度同时测量.利用超...     

一种移动式遥测天然气泄漏检测仪

天然气管道泄漏检测对人员安全、环境保护以及国家财产安全等具有重要的意义,但是,由于管线跨越地域广阔,操作工况以及环境情况复杂,致使管线的泄漏检测存在困难。文章介绍了一种基于波长扫描差分吸收光谱技术的移动式遥测天然气泄漏检测仪。针对遥测回波吸收光谱特性,提出了基于小波变换的改进型软阈值小波去噪方法,实验分析能够提高系统信噪比3倍多,同时在遥测光强为530nA时,可达到的最小遥测灵敏度为80ppm.m,系统采用波长扫描差分吸收光谱技术成功实现天然气泄漏的定量遥测与准确定位,具有快速、准确、智能及安全等特点。     

氨气激光在线检测中浓度精确反演的研究

氨气是大气中含量最为丰富的碱性痕量气体,氨浓度检测是近年来环境和农业领域的一个重要研究方向。利用可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术,结合波长高频扫描技术和多次反射池技术设计了氨气激光在线检测系统。通过激光中心波长锁定、背景基线拟合、吸收线型拟合、光强归一化和线性最小二乘拟合算法实现了氨浓度的精确反演。分析了系统性能,在24.32m光程下系统检测限为0.157mg/m3。使用该浓度反演方法实现了氨气的高灵敏、高精确在线检测。     

基于近红外光谱技术的多组分毒性气体检测研究

基于近红外波长调制光谱和谐波探测方法,并采用时分复用方案,建立了多组分毒性气体同时检测的实验系统。成功实现了对火灾产物中多组分毒性气体(包括CO,CO2,HCN)浓度的同时检测,并通过对三个通道的基频分量和二次谐波分量进行实时数据处理,计算得到浓度结果。三种毒性气体各组分的满量程体积分数分别为4×10-4,4×10-4,3×10-4,测量结果误差的最大值不超过满量程的0.73%。实验结果表明,该系统进行气体浓度检测具有较好的线性度,并满足检测精度要求。     

数字滤波方法在TDLAS气体检测中的应用

可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)是一种具有高灵敏度、高分辨率和快速响应等特点的气体测量技术,已广泛用于大气痕量气体的测量以及工业有毒有害废气诊断和天然气泄漏检测。分布反馈式(DFB)激光器具有窄线宽和可调谐特性,并且能够精确让输出波长扫描单根气体吸收线,使得TDLAS技术能实现高灵敏气体浓度检测。介绍了在线式波长调制二次谐波(WMS-SH)气体检测技术,讨论了基于最小二乘法气体浓度反演算法,通过修正式加权滑动平均滤波对浓度信号进行了数字滤波处理,系统实现了不大于1 s的系统响应时间,提高了信噪比和系统的检测灵敏度,并在天然气处理厂实时硫化氢检测中得到了应用。     

激光诱导荧光实验装置的智能化

现行大部分环形染料激光器的波长调谐机构均采用手动或匀速机械驱动方式，对应的波长调谐为非线性，不便于激光波长的精确定标。本工作利用单板机控制步进电机变速驱动双折射滤光片，实现了波长调谐的线性化。同时，为了提高荧光信号测量的信噪比，控制仪器，实现重复扫描，使电多道光谱分析仪的数据采集及荧光光谱扫描得以重复叠加。另外，对激光诱导荧光测量系统进行智能控制后，可同时监测激光功率和荧光信号；可对实验数据进行存     

基于可调谐半导体激光吸收光谱的瓦斯监测方法研究

瓦斯爆炸是煤矿安全的主要威胁,对瓦斯气体浓度进行准确、快速、实时监测和预警是治理瓦斯灾害的有效手段。实验研究了近红外半导体激光吸收光谱技术在煤矿瓦斯气体安全检测中的应用。系统光源采用的是1.65μm波长的近红外可调谐DFB激光器,使用了波长调制和二次谐波检测技术,通过光纤进行信号传输。系统检测限低于0.09%,气体浓度的检测速度最高可达到0.02s。研究表明:该技术具有实时、连续、快速、非接触检测的特点;现场无带电部件,具有多点分布式遥测的能力,能够满足煤矿瓦斯安全检测的要求。     

Review on multi gas detector using infrared spectral absorption technology

To provide some references for researchers engaged in infrared multi gas detection, this study introduced the infrared multi gas detection system thoroughly from infrared light source, infrared detector, optical multiplexing structure, and detection method. Currently, the coherent source represented by quantum cascade laser has replaced the traditional incoherent source like thermal radiant infrared light source and became the dominant light source in infrared multi gas detection. Accordingly, the infrared photodetector is widely used. The optical multiplexing structure based on the “multiplexing thought” is the core of infrared multi gas detection system. It mainly includes the single-source multiplex detection structure and multi-source multiplexing detection structure. Nondispersive infrared spectroscopy, long optical distance spectroscopy, wavelength/frequency modulation spectroscopy, cavity enhancement spectroscopy, and photoacoustic spectroscopy are major detection methods used in the infrared multi gas detection. This has important significance to many fields, such as industrial and agriculture production, environmental monitoring, life science, etc.     

激光器特性在痕量气体检测中的影响

研究了激光器扫描步长和线宽两种特性对可调谐半导体激光吸收光谱检测系统的影响,理论上推导出激光与气体吸收谱线的作用原理,分析出扫描信号(锯齿波)的台阶间隔和高度影响激光器中心波长的扫描原理.设定了仿真参数,仿真出锯齿波台阶数与最大扫描误差关系曲线,得出扫描信号的一个周期内具有4000个台阶时,半高全宽(FWHM)大于0.01 cm-1,误差小于1‰;仿真出激光器线宽与最大幅值、线宽误差关系曲线,给出线宽误差最大为1%,0.5%时激光器线宽对应的最小FWHM.在温度系数n取0.9,大气展宽系数γair取0.005的条件下,给出温度T,压强P与FWHM关系图,推出了适用的压强与温度范围.为指导选取激光器与气体吸收谱线、提高系统检测限提供了相关理论依据.     

An approach of open-path gas sensor based on tunable diode laser absorption spectroscopy

Tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) is a new method to detect trace-gas qualitatively or quantificationally based on the scan characteristic of the diode laser to obtain the absorption spectroscopy in the characteristic absorption region. A time-sharing scanning open-path TDLAS system using two near infrared distributed feedback (DFB) tunable diode lasers is designed to detect CH4 and H2S in leakage of natural gas. A low-cost Fresnel lens is used in this system as receiving optics which receives the laser beam reflected by a solid corner cube reflector with a distance of up to about 60 m. High sensitivity is achieved by means of wavelength-modulation spectroscopy with second-harmonic detection. The minimum detection limits of 1.1 ppm·m for CH4 and 15 ppm·m for H2S are demonstrated with a total optical path of 120 m. The simulation monitoring experiment of nature gas leakage was carried out with this system. According to the receiving light efficiency of optical system and detectable minimum light intensity of detection, the detectable optical path of the system can achieve 1 - 2 km. The sensor is suitable for natural gas leakage monitoring application.     

调谐半导体激光吸收光谱自平衡检测方法研究

可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)是利用半导体激光器的波长调谐特性,扫描待测气体特征吸收线,从而获得待测气体的浓度信息。基于可调谐半导体激光吸收光谱的自平衡检测方法能够有效地消除激光器光强波动等共模噪声和其他同性干扰的影响。实验表明自平衡检测方法可以获得较理想的结果,检测限低于体积比1.2×10-6,与直接吸收光谱法相比降低了一个数量级。自平衡检测电路简单,自带的电子增益补偿机制能够自动进行平衡探测,该方法不用加信号调制和锁相放大器,直接探测待测气体的吸收光谱,从而降低成本,减小系统装置体积,易于集成为便携式痕量气体检测仪。     

Influence of laser intensity in second-harmonic detection with tunable diode laser multi-pass absorption spectroscopy

Tunable diode laser absorption spectroscopy （TDLAS） has been widely employed in atmospheric trace gases detection. The ratio of the second-harmonic signal to the intensity of laser beam incident to the multi-pass cell is proved to be proportional to the product of the path length and the gas concentration under any condition. A new calibration method based on this relation in TDLAS system for the measurement of trace gas concentration is proposed for the first time. The detection limit and the sensitivity of the system are below 110 and 31ppbv （parts-per-billion in volume）, respectively.     

可调谐二极管激光吸收光谱法监测大气痕量气体中的浓度标定方法研究

可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术是利用二极管激光器波长调谐特性,获得被测气体的特征吸收光谱范围内的吸收光谱,从而对污染气体进行定性或者定量分析.在空气痕量气体检测中,一般需要和长光程吸收池相结合使用.可调谐二极管激光吸收光谱法就是在可调谐二极管激光器与长光程吸收池技术相结合的基础上发展起来的一种新的痕量气体检测方法.这种方法不仅精度较高,选择性强而且响应速度快.已经广泛用于大气中多种痕量气体的检测以及地面的痕量气体和气体泄漏的检测.在大部分痕量气体检测仪器中需要精确地对检测气体进行在线的浓度标定,文章介绍了一个简单而精确的浓度标定方法,从理论上进行了分析,然后通过实验证明了这种方法的可行性.     

基于可调谐激光吸收光谱的大气甲烷监测仪

可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术利用二极管激光器波长调谐特性,获得被测气体的特征吸收光谱范围内的吸收光谱,从而对污染气体进行定性或者定量分析,这种方法不仅精度较高,选择性强而且响应速度快,已经被用于大气痕量气体监测以及工业控制。在对空气中的痕量气体进行检测中,由于气体浓度较低,需要和长吸收光程技术相结合。将可调谐二极管激光吸收光谱与经过108次反射后达到27 m光程的多次反射池相结合研制了用于地面环境空气中甲烷含量监测的便携式吸收光谱仪,并结合了用于微弱信号检测的二次谐波检测技术,从而达到了体积分数低于1×10-7的检测限,并利用不同体积分数的甲烷气体对系统进行了测试,得到了很好的测试结果。     

气体浓度激光光谱检测温度影响修正研究

基于激光吸收光谱技术的气体检测手段具有非接触，分辨率高，灵敏度高等优势，然而激光在线检测气体过程易受温度变化导致其浓度测量偏差增大。以氨气为研究对象，探究了温度对氨气吸收谱线线强的影响规律及影响机制，搭建了非常温条件（298 K至323 K）氨气激光检测实验平台，提出了气体吸光度-温度关联式法对浓度反演结果进行修正处理。结果表明:浓度一定时，总配分函数比值rQ是氨气分析吸收线强随温度升高过程中的主导控制因素，总配分函数比值与温度的负相关关系造成氨气光谱吸光度随温度升高而降低；修正前浓度反演值随着温度升高而降低，温度达到323 K时，浓度反演值为3.13%，与标准浓度值相比其误差高达37.4%，经过修正后的浓度反演值与标准浓度值的相对误差在0.2%～1.4%范围内。     

基于低功率分布反馈激光器和数字锁相技术的高灵敏光声气体传感器

光声信号强度与光功率成正比，然而，高功率激光光源存在功耗高、驱动控制电路复杂、低成本高质量的光源可选择范围窄等缺点，此类光源多集中在>6 μm波段，难以实现对基频吸收带位于2～6 μm波段的分子进行有效探测。而且，基于商用驱动控制仪器的光声气体传感器体积较大，不能满足多点连续移动监测工作的需要。利用输出功率为5.2 mW的分布反馈、带间级联激光器(ICL)和基于石英音叉的光声光谱探测方法，在3～4 μm波段实现了nmol·mol-1水平气体分子浓度测量。使用的ICL靶向乙烷(C₂H₆)基频吸收带的强吸收线2 996.88 cm-1。通过使用自主研制的数字锁相放大器及数字激光驱动控制方法，结合波长调制光谱技术，实现了高灵敏检测，同时，有效减小了系统体积并简化了数据获取和处理过程。首先，结合系统原理结构，顺次介绍了设计方案以及光、电等模块的设计细节。分析了目标气体及其临近干扰气体吸收谱线的模拟情况，以及不同气压对谱线展宽及重叠干扰的影响，最终确定系统工作气压为200 Torr。然后，通过对100～1 000 nmol·mol-1共6种浓度C₂H₆进行单周期光谱扫描测试分析，推断系统最低检测下限(MDL)<100 nmol·mol-1。对上述各浓度样品分别进行~10 min二次谐波(2f)信号峰值提取测试，系统线性性能良好，相关度为0.999 65，同时，明确了气体浓度与2f信号峰值的对应关系。最后，通过对氮气连续1小时测试得出系统噪声为~0.347 V，由此估算信噪比和系统灵敏度分别为~28.56和~40 nmol·mol-1。介绍的新型中红外C₂H₆传感器不仅实现了nmol·mol-1级测量，而且，使用自主研制的数字驱动和锁相放大器有效减小了系统体积，弥补了使用商用仪器占用体积大的不足，为将来实现小型化、移动式测量的目标奠定了一定基础。此外，对于功率消耗无限制的其他应用，可通过进一步完善和改进锁相和前置放大等模块的性能以及使用输出功率更高的光源进一步提高传感器灵敏度，并应用于更多场景。