基于光谱吸收的CO2气体检测系统

宫卫华，张婷婷，魏玉宾，王兆伟，李艳芳，张秦端，刘统玉,2，张伟

(1.齐鲁工业大学(山东省科学院) 山东省科学院激光研究所，山东 济南 250103;2.山东省微感光电子有限公司，山东 济南 250103)

二氧化碳(CO2)气体是大气中的重要组成成分，在工业、大棚农业、医学研究中都扮演着重要角色。CO2作为绿色植物光合作用的主要原料，其体积分数的高低影响光合速率，通过监测并控制农作物生长环境中的CO2含量，可以提高农作物的品质和产量[1]。另外，CO2也是煤炭、天然气和石油等燃料的燃烧产物，随着城市化和工业化的快速发展，以CO2为主的温室气体排放量迅速增加，导致大气层阻挡热量逃逸的能力提升，形成更强的温室效应，影响全球气候变化。目前温室效应带来的负面影响已经严重威胁人类健康安全、阻碍全球经济的发展[2]。2020年CO2排放量达到340 亿吨，2019年CO2排放量达到364.4 亿吨，占所有温室气体的74%，因此减少CO2气体排放是解决全球气候变暖问题的关键。中国已积极参与全球碳减排行动，以“自主贡献”方式承诺“CO2排放力争在2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”的“双碳”目标。在“双碳”目标背景下，高准确性和高可靠性的CO2气体监测系统将作为重要的监测手段，对控排企业的碳排放量及空气中CO2含量进行在线监测，为低碳工程提供有效数据支撑与科学依据。

目前人们已研究开发了多种CO2气体测量方法，如电化学式、热传导式、电容式、固体电解质式等方法，这些检测方法具备体积小、价格低等优点，但存在检测精度低、响应慢、使用寿命短等缺点[3-5]。近年来，红外光谱技术发展迅速，其中可调谐半导体激光吸收光谱技术(tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS)凭借无需预处理、检测精度高、响应速度快、选择性强等优点，发展成为应用最广泛的气体传感器[6-8]。德国Nwaboh等[9]选用CO2在2 μm附近的吸收谱线，利用TDLAS技术对体积分数0.03%～6.00%的CO2气体进行测量，测量结果相对误差为1.4%～2.8%，证明了TDLAS技术可对CO2进行准确测量。罗淑芹[10]在1 580 nm波段范围内对不同温度和压力下的CO2进行测量，确定了温度压强及噪声对测量结果的影响和干扰，对标准体积分数为5%、10%、15%的CO2气体体积分数进行测量，其测量值与真实值之间的最大相对误差为3%。信丰鑫[11]选择CO2在1 572 nm附近的吸收谱线，搭建完整的TDLAS实验系统测量开放式大气中CO2的体积分数，将TDLAS技术应用于大气环境监测中。本文基于TDLAS技术搭建了一套CO2气体在线检测系统，本系统采用直接吸收技术，并在系统中增加两路参考光路以提高系统稳定性，该系统简单并易于操作，实现了对CO2气体的在线监测与分析。

TDLAS技术基于气体分子的红外特征吸收，当频率为ν(cm-1)的光束通过对该光束有吸收效应的气体时产生共振吸收，初始光强I0(ν)与出射光强It(ν)间满足吸收定律比尔-朗伯定律[12-13]：

It(ν)=I0(ν)exp[-α(ν)CL]，

(1)

其中，C为待测气体的体积分数，L为有效吸收光程，α(ν)为在频率ν(cm-1)处的吸收系数，可以表示为：

α(ν)=S(T)g(ν,ν0)P/κT，

(2)

其中，S(T)为目标气体分子在T(K)温度下吸收谱线强度，P为目标气体所处环境的总压强，κ为玻尔兹曼常数，g(ν,ν0)为气体吸收谱线的归一化线型函数，满足：

(3)

(4)

在直接吸收检测技术中，通过对出射信号的归一化处理获取吸收谱线，对吸收谱线进行线型拟合与标定得到吸收谱线与待测气体分子的体积分数对应关系，进而通过任一吸收光谱反演出目标气体的体积分数。

2.1 CO2吸收谱线的选择

在设计检测系统前要选定目标气体的吸收谱线，以确定检测系统中激光器、光电探测器等光学器件参数。选择的气体吸收谱线吸收强度要尽可能大，同时要避开水汽(H2O)、一氧化碳(CO)、甲烷(CH4)等气体分子的吸收交叉干扰，通过查阅HITRAN数据库[14]，本系统选择CO2气体在1 609.583 nm处的吸收谱线。在温度T=300 K，压强P=1 atm (1 atm= 101 325 Pa)，吸收光程L=300 cm条件下分别对CO2、CO、CH4和H2O的吸收谱线进行拟合，上述气体的体积分数依次设置为380×10-6、2×10-6、2×10-6和8 000×10-6，拟合结果如图1所示。

图1 CO2、CO、CH4和H2O吸收谱线拟合结果Fig.1 Fitting results of CO2, CO, CH4, and H2O absorption lines

2.2 系统设计

本文基于TDLAS直接吸收技术设计的CO2在线检测系统，主要组成包括激光器及其控制模块、气体吸收池、光电探测器、电流/电压转换电路、放大电路、微处理器、数据采集系统。由于受检测环境、光源控制模块以及激光器自身特性的影响，激光器产生光强波动和波长漂移影响测量精度，我们在系统中设置两路参考信号并利用相关算法以减小影响，系统结构原理示意图如图2所示。其中激光器选择线宽窄、稳定性高的分布式反馈激光器(DFB-LD)，DFB-LD的出射波长与功率由工作电流与温度共同控制，当DFB-LD工作温度稳定时，激光器出射功率和波长与驱动电流成正相关。测量光路中气体吸收池选择多次反射的herriot池，有效光程为3 m，参考光路中的参考气室内密封有高体积分数CO2气体。

图2 CO2的TDLAS检测系统结构示意图Fig.2 Schematic of the TDLAS detection system for CO2

检测系统基本工作原理为DFB-LD在温控模块和电流驱动模块控制下产生中心波长为1 609.6 nm和扫描范围250 pm的扫描激光信号，经过光纤耦合器分束成三束光信号，测量光路的光信号通过气体吸收池后照射到光电探测器，该路信号用于目标气体吸收光谱信号获取；
第二路光信号通过参考气室照射到光电探测器上，该路信号用于判断吸收峰位置，实时调整激光器的控制参数，确保吸收峰位于扫描波段的中心位置；
第三路光信号直接照射到光电探测器上，该路信号用于去除光源本身携带的噪声信号。三路光电探测信号经过后端电路信号处理后，再由微处理器进行算法处理得到待测气体体积分数。

在常温常压下对上述TDLAS检测系统进行了实验测试，测试指标包括测量准确度、响应时间、重复性测试以及稳定性测试。

3.1 测量误差

基于上文中的检测原理对检测系统进行标定，标定后对系统的测量准确度进行测试，测试气体选用特种气体公司提供的标准气体，其标志气为CO2，平衡气为N2。测试时先向气体吸收池通入高纯氮气将吸收池内的CO2排出，再通入CO2标准气体，计算测量值与标准值之间的差值。测试标气中CO2体积分数分别为0.251%、0.754%、1.02%、2.03%、5.01%、10%、20%、25%以及30%，其测量结果如3所示所示，结果显示当标气中CO2体积分数为0.251%时测量相对误差为0.8%，当标气中CO2体积分数大于5%时，测量相对误差保持在0.5%以内。

图3 检测系统测量相对误差Fig.3 Relative error of CO2 measurement via the detection system

3.2 重复性测试

将上述9种标准气体按照CO2体积分数由低到高依次通入气体吸收池，然后再由高到低依次通入气体吸收池，气体吸收池内CO2体积分数测量结果如图4所示。

图4 CO2体积分数测量值变化曲线 Fig.4 Change curve for the measured value of CO2 volume fraction

对比同一标准气体在两过程的测量结果，重复性误差小于0.06%，相对误差小于4.5%，测量结果如表1所示，其中φ0为标准气体中CO2体积分数，φ1为第一个过程中CO2体积分数测量值，φ2为第二个过程中CO2体积分数测量值，δ为两个过程测量相对误差。

表1 两个过程的测量结果对比

3.3 响应时间

响应时间是反映传感器响应是否迅速的重要参数，该参数受气体吸收池容积、气体通入流速以及信号采集处理速度等因素影响，通常将测量值开始变化到测量值达到稳定值的90%所用时间作为响应时间。利用5个CO2体积分数不同的标准气体进行测试，测试过程吸收池通气流量控制在0.5 L/min左右。为了更详细记录气体吸收池内CO2体积分数值的变化过程，将测量值的采样频率设置为180 S/min。结果显示系统在不同标气下响应时间均值为15.8 s，响应时间最长不超过18 s。图5为通入吸收池内的标气中CO2体积分数由2%变为5%时，吸收池内CO2体积分数测量值的变化曲线，该过程的响应时间为约15 s。

图5 标气中CO2体积分数由2%变为5%过程的响应时间测试曲线Fig.5 Response time test curve for a standard CO2 valume fraction changed from 2% to 5%

3.4 稳定性测试

基于CO2检测系统对空气中的CO2进行测试，通过气泵将空气抽入气体吸收池内，测量值的采样频率设置为10 S/min，进行4 h的连续监测，其中图6(a)为CO2体积分数测量结果，图6(b)为CO2体积分数测量值的分布图，结果显示空气中CO2体积分数的测量值以380×10-6为中心，在360×10-6～ 400×10-6之间波动。

图6 空气中CO2体积分数监测曲线图Fig.6 Monitoring curve for CO2 volume fraction in air

针对CO2气体实时在线监测的应用需求，本文利用CO2位于1 609 nm附近的吸收谱线，搭建了一套基于TDLAS技术的CO2气体在线监测系统，试验结果显示相对误差不超过0.8%，系统重复性小于0.06%，系统响应时间T90不超过18 s，对空气中CO2体积分数连续监测4 h，测量值以380×10-6为中心，在360×10-6～ 400×10-6之间波动。结果表明，基于TDLAS技术的CO2气体在线监测系统响应快、稳定性好、灵敏度高，在CO2含量检测、工业碳排放监测等领域具有广阔的应用前景。我们下步将进一步优化信号处理，以提高系统的检测精度。

猜你喜欢 谱线气体体积 依据不同波段光谱诊断闪电回击通道温度*物理学报(2022年10期)2022-06-04多法并举测量固体体积中学生数理化·八年级物理人教版(2021年12期)2021-12-31二维定常Chaplygin气体绕直楔流动数学物理学报(2021年5期)2021-11-19激光吸收光谱气体检测中谱线的自动筛选山西化工(2020年6期)2021-01-10聚焦立体几何中的体积问题中学生数理化·高一版(2020年11期)2020-12-14非等熵Chaplygin气体测度值解存在性数学物理学报(2020年4期)2020-09-07吃气体，长大个小哥白尼(趣味科学)(2018年11期)2018-12-18小体积带来超高便携性 Teufel Cinebar One家庭影院技术(2018年4期)2018-05-09NaAs材料分子R线系高激发量子态跃迁谱线研究西华大学学报（自然科学版）(2018年2期)2018-04-04谁的体积大幼儿智力世界(2016年11期)2017-02-21

推荐访问:光谱 气体 检测系统