TDLAS甲烷气体浓度检测方法的研究

张俊有 赵玉斌 张冬鼎

摘要：在天然气采集、存储和输送的过程中，气罐、管道等关键设备易发生气体泄漏，对人员和环境安全造成严重威胁，实时检测管道或大气中的甲烷含量显得十分重要。本文就国外常用的可调谐二极管激光吸收光谱法（TDLAS）进行了研究，通过正弦波对激光器进行波长调制，激光在吸收池内多次反射后由光电探测器接收并转化为电信号，经放大滤波电路除噪、锁相放大器提取二次谐波，由数据采集卡导入PC机，基于LabVIEW软件做进一步处理，动态存储数据，利用MATLAB软件进行数据拟合，得到拟合系数，反演出待测气体浓度。

关键词：甲烷 可调谐二极管激光吸收光谱法

1.引言

近年来，我国已发生多起特大天然气泄漏事故，如：1998年3月22日17时，四川温泉4井（气井）发生特大天然气意外窜漏事故，导致在乡镇小煤矿内作业的矿工死亡11人，中毒13人，烧伤1人。为保证人员和环境安全并最大限度的降低财产损失，开发一套高效快速、高精度、低成本的气体泄漏检测系统尤为重要。

目前国内甲烷检测的技术手段主要是半导体传感器检测法和化学方法。这些传统检测系统维护频繁、维护费用高难度大、探头介质易失效、灵敏度低、不能连续检测。国外当前对天然气泄漏检测的主要研究方向是利用激光、光电传感器技术实现的主动光电检测技术以及利用泄漏气体的吸收辐射特性实现的被动光电检测技术。【1】基于TDLAS（可调谐二极管激光吸收光谱法）技术可实现对甲烷泄漏的连续测量，具有高时间分辨率、高灵敏度检测的特点，不但减小了系统的维护费用，降低了维护难度，且不需要任何的预处理，顺应了高效快速、高灵敏度、实时连续的气体浓度检测趋势。

2.可调谐二极管激光吸收光谱法

2.1 检测原理

根据比尔-朗伯定律，当一束平行单色光垂直通过某一均匀非散射的吸光物质时，其吸光度与吸光物质的浓度及吸收层厚度成正比，通过吸收物质后的光强与吸收物质浓度、原光强以及吸收物质的厚度存在如下的关系：

I（λ）=I0（λ）·Rn·esp[-A（λ）] （1）A（λ）=σ（λ）·C·L （2）

式中为激光器的出射光强，为经过吸收池后的光强，为吸收池的反射面的反射率，为反射次数，表示吸收率，是在标准状态下与测量仪器无关的气体碰撞展宽吸收光谱的分子吸收系数，为气体浓度，为吸收池总光程，表示这些量与波长有关。【2】

上式表明，吸收率与气体的浓度与吸收光程的乘积成正比。在相同的调制条件下，气体吸收信号的二次谐波幅值与浓度成正比关系，因而，可以根据参考池中的标准浓度二次谐波谱线来反演待测气体浓度。如果能准确测量待测气体的二次谐波，待测气体的浓度可以表示为：[1]

C=C0×■×■×a（3）

式中C为待测气体浓度、为参考池中标准气体的浓度、和为参考池和开放光路的光程长度、和为参考光路和开放光路的光强比（由于参考池与开放光路串联，此比值为1）、a为待测气体二次谐波幅值与参考池标准浓度二次谐波幅值比值。

2.2 激光波长的选择

根据HITRAN数据库可知【3】，甲烷分子在波长分别在1.6um和1.3um处，如图3.2.1所示，其吸收线线强分别为和数量级。

图1 甲烷在近红外处吸收线

甲烷气体对波长在1650nm左右的单色光处吸收效果最好，故采用发射波长为1650nm的DFB可调谐激光光源。

2.3激光波长调制

TDLAS系统中存在着低频噪音干扰，主要来源于散粒噪声、热噪声、1/f噪声、激光额外噪声等。为抑制噪声对系统信号的干扰需采用调制光谱技术，目前有两种调制光谱技术：波长调制光谱技术和频率调制光谱技术。波长调制技术具有灵敏度较高、系统结构相对简单、设备价格适中的特点；频率调制光谱技术虽然灵敏度更高，但系统结构复杂、设备价格昂贵、对激光器的性能要求高。综合考虑实验的实际情况，本系统采用频率f=10KHz，峰-峰值=110mV的正弦波对，激光器进行波长調制，经锁相放大器提取吸收气体信号的二次谐波，从而大大的降低了噪声的干扰，提高了测量精度。

2.4系统结构设计

由信号发生器激发一个频率f=10KHz、峰-峰值=110mV（激光器的参数决定）的正弦波作为信号驱动对1650nm可调谐DFB光源进行波长调制，激光在吸收池内多次反射被气体充分吸收后经光学凸透镜聚焦被探测器的接收端捕捉到，光电探测器将光信号转化为电信号（转化关系为50mV/），经过放大电路前置放大，低通滤波电路除去环境与仪器本身的噪声，再由锁相放大器提取数据信号的二次谐波，经USB2086（数据采集卡）导入PC机内，基于LABVIEW软件对信号做进一步的除噪等处理，动态存储数据，利用MATLAB软件对数据进行深度处理。对标准气做相同的处理，基于MATLAB软件对两路数据进行拟合，得到拟合系数a，进而反演出待测气体浓度。

图2TDLAS甲烷气体检测系统结构图

2.5 吸收池光路设计

激光器发出的激光由光纤传输到吸收池的发射端，在吸收池多次反射，被气体充分吸收，经光学凸透镜汇聚到吸收端端口位置，由光纤传输到探测器。本系统采用直角棱镜吸收池，实验证明这种吸收池的光程调节便利，探测光束在吸收池内传输的有效光程可通过在与入射光束垂直的方向上调节其中一个直角棱镜的横向位移实现，且基于直角棱镜构造的吸收池抗震性能好。

图3收池光路图

2.6 数据采集与处理

采用PIN型光电探测器作为检测装置，通过放大滤波电路和锁相放大器对得到的模拟信号进行放大、除噪处理，得到可靠的数据信号，信号经数据采集卡采集到PC机。基于LABVIEW软件对数据进行除噪、滤波处理，将数据存入动态存储器中，利用MATLAB软件对动态数据实时处理，采用最小二乘法对数据进行线性拟合得到拟合系数，根据公式（3）反演出待测气体浓度。

3.结束语

基于TDLAS（可调谐二极管激光吸收光谱技术）来检测甲烷气体浓度，具有响应速度快、灵敏度高、分辨率高、实时动态测量的优点，检测系统规模小维护费用低，顺应了检测技术未来的发展方向。

参考文献：

[1]韩小磊.基于TDLAS天然气泄漏检测技术研究[D].中国石油大学（华东），2009.

[2]王晓梅，张玉钧，刘文清，等.大气中甲烷气体含量方法研究[J].中科院环境光学与技术重点实验室，1006-1231.2005-04-0008-06.

[3]W.Lenth.High frequency heterodyne spectroscopy with current—modulated diode lasers.IEEE J.Quant.Electron，1984，（QE-20）：1045—1050.

[4]阚瑞峰，刘文清，张玉钧，等.高灵敏激光光谱温室气体监测仪性能测试[J].中国激光，2006，33：391-394.

[5]夏惠荣，王祖赓.分子光谱学和激光光谱学导论[M].上海：华东师范大学出版社，1989：11-18.