有尘环境多组分气体成分检测系统的设计

曾怡帅， 杨友良,2*， 马翠红,2

(1. 华北理工大学 电气工程学院， 河北 唐山 063009； 2. 唐山赛福特智能控制股份有限公司， 河北 唐山 063009)



有尘环境多组分气体成分检测系统的设计

曾怡帅1， 杨友良1,2*， 马翠红1,2

(1. 华北理工大学 电气工程学院， 河北 唐山 063009； 2. 唐山赛福特智能控制股份有限公司， 河北 唐山 063009)

通过LabVIEW软件设计一个基于TDLAS谐波检测含尘气体浓度的虚拟系统，模拟测量在常温常压并含有已知粉尘颗粒的环境中SO2、NO2和NO 3种气体的浓度，且使气体成分测量的结果不受粉尘因素的干扰。设计中使用2 516.2，2 911.66，3 752.44 cm-1的3种中红外激光分别对SO2、NO2和NO气体进行检测，根据锁相放大原理设计虚拟多通道锁相放大器分析检测到的二次谐波信号，根据谐波信号对各气体的浓度进行定标测量，最后进行数据校正来排除粉尘颗粒的干扰，使气体的定标测量得到一个稳定的结果。

系统模拟； 激光理论； 红外光谱； 吸收光谱； 含尘多组分气体检测

1 引 言

早在上世纪70年代，Reid和Hinkley等就提出了可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术,为日后TDLAS谐波测量奠定了理论基础，促进了激光气体检测的发展[1-2]。TDLAS技术具有高灵敏度、高分辨率、高选择性和快速监测等优点，利用半导体激光的窄线宽和可调谐特性可以避免其他气体的干扰，通过扫描气体的一条精心选择的振转吸收线实现气体浓度的高灵敏快速在线检测[3-8]。现今工业生产所排放的废气中往往含有多种气体，同时还含有大量的粉尘颗粒。尤其在炼钢领域和煤化领域中，粉尘废气的排放量非常大。在对多组分气体进行测量时，测量环境中粉尘颗粒的存在会对气体浓度的最终检测值造成很大的影响[9-15]。要去除粉尘颗粒对光测量的影响，必须在最后除去经气体吸收和粉尘衰减的出射光[16]。

本设计用LabVIEW软件的G语言编写基于TDLAS的有尘环境多气体成分检测系统，并模拟气体光吸收和粉尘对光造成的衰减，设计多通道锁相放大器[17-19]。通过去尘校正除去粉尘杂质对气体测量造成的影响，从而同时得到SO2、NO2和NO 3种气体稳定的浓度数据。

2 设计原理

2.1 气体测量

根据朗伯比尔定律：

(1)

式中：I0为激光器射出并进入气室的入射光；I为穿过气室后由红外探测器接收到的出射光；P为气体压强；C为所测量的气体浓度；L为测量光程；α为气体的吸收系数，由受到测试环境影响的吸收线性函数决定。中心频率为ν0的激光器经过调制频率ω调制后射出频率为ν的激光，其表达式为：

(2)

式中的吸收系数α在计算中采用常温常压测试环境下的Lorentz型函数，函数方程如下：

(3)

将公式(3)代入公式(2)，由于αCL≪1且在测量时激光输出频率ν与气体吸收峰频率νc保持一致，所以可以对公式(2)进行近似计算，得到气体吸收下出射光I与入射光I0的光强关系：

式中：n为光强调制系数且n≪1；σ(vm)为调制幅度；m是调制系数，其表达式为：

(5)

式中，Δν是气体对应吸收波长的半高宽。对式(4)进行傅立叶变换后得到二次谐波系数表达式为：

(6)

由式(6)可以看出，当m≈2.2时，二次谐波系数取最大值，且二次谐波的幅值与气体的浓度成线性关系。在此基础上，通过对已知浓度的气体进行比例定标，即可应用于测量未知浓度的气体。

2.2 粉尘对光强的影响

根据朗伯比尔粉尘消光定律：

(7)

式中：N是分子数；L为测量光程；d为粉尘颗粒直径；K为消光系数，其与粉尘的粒径分布、密度和双折射率有关，只要粉尘的物质和粒径分布确定，即可确定为一常量。对分子数N进行N=M/(ρν)变换后得：

(8)

式中：M为粉尘质量，ρ是单个粉尘颗粒密度。由于粒径大小的分布不同，对所有粒径分布需要进行一个离散化运算，nr(di)为积分离散后的数值积分系数，f(di)是粒径分布函数。由此得出在粉尘环境中出射光I与入射光I0的光强是指数关系。

2.3 测量数据去尘干扰的校正

通过前面的分析和推导可知，气体测量时所测得的二次谐波幅值A2f会受到出射光I0的影响。在有尘环境下测量气体时，是气体和粉尘均匀混合在一起同时测量，可以假设理想环境为：在保持粉尘浓度和气体浓度不变的情况下，将气体和粉尘分离开再进行测量，并让出射光I0依次通过粉尘和气体，受到粉尘的衰减和气体的吸收。假设理想环境情况如图1所示。

图1 假设理想情况

(9)

且入射光I0与出射光I有如下关系：

(10)

(11)

然后用公式(6)除以出射光I，化简后的公式如下：

(12)

2.4 锁相放大原理

利用锁相放大器从待测信号中提取二次谐波信号。锁相放大器主要由相敏检波器和低通滤波器组成，接收到频率为f的待测信号后，与频率为2f的参考信号相乘，再经过低通滤波器滤波后提取二次谐波信号。原理如图2所示。

设被测信号为：

(13)

参考信号为：

(14)

将被测信号x(t)与参考信号a1(t)相乘后得：

(15)

经过低通滤波器将高频信号去除得：

(16)

(17)

(18)

由原理可看出，正交矢量型相敏检测系统可以同时获得被测信号的幅度与相位信息，避免了对参考信号做可变移相以及移相对测量准确性的影响。

图2 正交锁相放大原理

3 程序实现

3.1 整体程序框图

本设计中编程使用的LabVIEW软件是由美国国家仪器(NI)公司研制开发，其程序由图形化编辑语言G语言来编写，局部节点还支持C语言程序的语法。整体程序设计如图3所示。

在程序中模拟使用3种激光头来测量所对应的SO2、NO2和NO 3种气体。测量中默认各激光出射光波长与其所对应气体的吸收波长相等,使调制系数m为理论最优值2.2。气体和粉尘对光的吸收均采用前面分析的朗伯比尔定律进行计算。锁相放大器设计为多通道正交锁相放大模拟器，3种气体分3个通道各自进行分析，同时参考通道对应各自所测量的气体的信号参数来产生参考信号。最后，通过去粉尘算法对测得二次谐波信号进行校正使之稳定，再用已知浓度的气体对稳定的谐波信号进行定标，计算出谐波信号与气体浓度的线性关系式，从而求出气体的浓度。各气体对应波长参数均来自国际通用光谱数据库HTIRAN。各详细参数见表1、表2和表3。

图3 整体程序图

表1 气体参数

表2 粉尘(煤粉)参数

表3 各信号参数

3.2 程序运行

程序前面板如图4和图5所示。

前面板包括参数设置和测量检测两个界面。将表1、表2和表3的数据输入到参数设置面板，运行后可在监测面板上看到各次谐波滤波监控图和测量所得的SO2、NO2和NO 3种气体浓度的测量结果。

通过图6可以看出，当被测气体中所含粉尘质量固定在60 mg不变时，公式(12)和公式(6)分别测量所得的两个二次谐波幅值与气体浓度的关系也均符合线性关系。通过图7可知，当气体浓度确定为10-13mol/cm3不变且粉尘质量随后上升时，公式(12)幅值与公式(6)幅值明显不同。公式(6)的幅值受粉尘影响严重，也随粉尘量的变化而发生剧烈变化，而公式(12)幅值则在相同的条件下未发生变化。

图4 参数设置面板

图5 测量监测面板

图6 粉尘质量固定的谐波校正前后对比

图7 气体浓度固定的谐波校正前后对比

解析后的二次谐波幅值的变化会在很大程度上影响气体浓度的测量。运行SO2气体的测量程序，分别在不同时间采集10个不同粉尘环境中SO2气体浓度的测量数据，结果如图8所示。

图8 不同粉尘环境中SO2气体浓度的测量结果

Fig.8 Measurement results of SO2concentration in different dust environment

在前3次数据采集中，因为没有粉尘的缘故，两种算法的结果都比较稳定，且与设定的实际气体浓度非常接近。在第4次采集时，气体浓度保持与第3次采集时一样，都为3×10-13mol/cm3，但第4次采集时加入了1 mg的粉尘颗粒，未经过去尘处理的浓度检测数据产生明显的衰减，而校正后的测量结果则保持3×10-13mol/cm3不变。第5次采集时，气体所含粉尘的质量不变，提高气体浓度为4×10-13mol/cm3，两个测量浓度均上升，但未校正的数据仍受粉尘的影响而与实际浓度有很大的差距。第6次采集时，气体浓度不变，将所含粉尘降为0，两种数据都与实际浓度相同。随后几次采集都在保持气体浓度为5×10-13mol/cm3不变的前提下，提升粉尘质量，校正后的测量结果保持稳定，而未校正的测量结果随着加入的粉尘质量的上升而下降。随后，我们对NO2与NO都做了相同条件下的模拟采集，所得测量结果与已测量的SO2情况相同，校正后的气体浓度测量结果均能够有效排除粉尘颗粒的干扰，同时该设计还实现了多组分气体的同时检测。

4 结 论

通过朗伯比尔定律对气体和粉尘颗粒对红外光线的吸收和衰减作用的分析，总结出如何在有尘环境中测量气体的浓度。利用LabVIEW软件编写的虚拟设备来实现对整个TDLAS系统的模拟。最后成功地在有尘环境下除去已知粉尘对气体浓度测量的影响，并同时测量出多组分痕量气体的成分，所测量的数据与理论公式结论相符。

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曾怡帅(1989-)，男，四川隆昌人，硕士研究生，2014年于华北理工大学获得学士学位，主要从事TDLAS红外检测方面的研究。

E-mail: ulix.zeng@foxmail.com

杨友良(1961-)，男，河北卢龙人，教授，硕士生导师，1991年于东北大学获得硕士学位，主要从事复杂工业系统建模与控制的研究。

E-mail: soft_yz@163.com

Design of The Detection System of Multi Component Gas Composition in Dust Environment

ZENG Yi-shuai1, YANG You-liang1,2*, MA Cui-hong1,2

(1.CollegeofElectricalEngineering,NorthChinaUniversityofScienceandTechnology,Tangshan063009,China;2.TangshanSoftIntelligentControlLimitedbyShareLtd.,Tangshan063009,China)

A virtual system based on TDLAS to detect the concentration of dust containing gases was designed by LabVIEW. The concentration of SO2, NO2and NO is measured at ambient temperature and pressure and environment of known dust particles, and the gas composition measuring results are not affected by dust. Three kinds of infrared laser of 2 516.2, 2 911.66, and 3 752.44 cm-1are used to detect SO2, NO2and NO. According to the principle of phase locked loop, the two harmonic signals detected by multi channel lock-in amplifier are analyzed, and the concentration of each gas is measured using the second-harmonic signal calibration. Finally, the interference of dust particles is eliminated through data correction, so as to get stable results.

system simulation; laser theory; infrared spectroscopy; absorption spectrum; dust containing gases detection

2015-12-24；

2016-03-22

国家自然科学基金(61271402)； 河北省唐山市科技计划(14130214B)资助项目

1000-7032(2016)07-0859-07

TN247

A

10.3788/fgxb20163707.0859

*CorrespondingAuthor,E-mail:soft_yz@163.com