龔雨含，粘山坡，王崇皓，龔瑞昆

(河北聯(lián)合大學，河北唐山 063009)

0 引言

煙氣中的氮氧化物含量是直接反映窯爐的工作狀態(tài)以及對環(huán)境污染的重要參數(shù)之一[1]。目前，工業(yè)上主要是在氣體排放過程進行脫氮處理來降低氮氧化物的排放量[2]。因此，對工業(yè)窯爐和鍋爐煙氣中氮氧化物的含量進行實時檢測和監(jiān)控，對于實現(xiàn)最大效率煤炭轉(zhuǎn)化、污染最小以及煤炭清潔利用具有重要意義。

光聲光譜法具有靈敏度高，實時性好的優(yōu)點。這種檢測方法的檢測機理是檢測物質(zhì)的吸收光譜，因此更加適合弱吸收氣體的檢測。文中主要介紹了光聲光譜檢測方法的基本原理，建立了氣體檢測的數(shù)學模型，并在此基礎上分析了光聲光譜法檢測中可能產(chǎn)生的噪聲干擾。

1 時間三光路法檢測原理

激勵光經(jīng)過調(diào)制后以頻率υ射入光聲池內(nèi)，使光聲池內(nèi)部分氣體分子從基態(tài)E0躍遷至激發(fā)態(tài)E1，通過無輻射弛豫過程返回至基態(tài)，將吸收的光能轉(zhuǎn)變?yōu)榕鲎卜肿娱g的平移動能，產(chǎn)生熱。當激勵光源受到頻率為ω的諧振調(diào)制時，加熱過程會產(chǎn)生周期性變化。根據(jù)氣體熱力學定律，周期性的溫度變化會產(chǎn)生同周期的壓力信號，從而被調(diào)制形成相同頻率的聲波，此聲波則通過安裝在光聲池上的微音器的檢測，將聲波信號轉(zhuǎn)換成電信號，即為光聲信號，光聲信號的產(chǎn)生過程即為光聲效應[3-4]。

光聲信號強度S0可表達為：

S0=SmPlCcellNcmσ

(1)

式中：Pl為光源功率；Sm為微音器的靈敏度；Ccell為光聲池響應常數(shù)；N為分子數(shù)密度常數(shù)；σ為光聲池中氣體吸收截面；cm為光聲池內(nèi)氣體濃度。

在圓柱形腔體的光聲池內(nèi)式樣獲得光聲光譜信號強度表達式可以簡化為[5-6]：

S0=kβ(λ)I0(λ)

(2)

式中：I0(λ)為入射光強；β(λ)氣體吸收系數(shù)；k為比例常數(shù)。

由于煙氣中各個組分氣體的濃度不會發(fā)生突變，根據(jù)朗伯比爾定律和光聲光譜原理，在實驗條件確定的情況下，光源功率Pl可視為已知的常量。微音器的靈敏度Sm和光聲池響應常數(shù)Ccell均為定值。由式(2)可得：

k=PlSmCcell

(3)

則k可以視為常數(shù)量。

由于被測氣體已知，則分子數(shù)密度常數(shù)N和光聲池中氣體吸收截面σ均已知，可簡化得到β(λ)=Nσ。而激光器功率調(diào)定后，I0(λ)一定，可視為常數(shù)量。則光聲信號強度與氣體濃度的關系式可以簡化為式(4)：

So=kβ(λ)I0(λ)cm

(4)

由式(4)可以看出光聲信號強度與被測氣體濃度可近似視為線性關系，即：

So=Mcm

(5)

式中M=kβ(λ)I0(λ)，為常數(shù)項。

式(5)為最終氣體測量的數(shù)學模型。

NO和NO2吸收光譜在5 000～6 500 nm同水蒸氣的吸收光譜有重疊，其光聲信號同氮氧化物的光聲信號有疊加，對于煙氣來說，其成分中含有大量的水蒸氣，從而造成光聲強度增大，相同條件下使氮氧化物濃度的測量結(jié)果偏大，引起測量正偏差，這是影響測量的主要問題。

為了克服因氣體成分交叉敏感所引起測量的偏差，提出了氮氧化物三光路修正光聲檢測的方法。測量裝置整體結(jié)構(gòu)不變，只是在NO和NO2的兩個帶通干涉濾光片的基礎上增加一個帶通干涉濾光片進行水蒸氣的光聲測量，設計濾光片變換裝置，借助于步進式電機的轉(zhuǎn)動使中心波長分別為λ1、λ2和λ3的3個濾光片的交替工作，分別測量每個濾光片的光聲效應，通過對這3個光聲信號的加權(quán)處理，可以完成去除水蒸氣噪聲的目的，提高測量精度，這就是三光路修正光聲檢測的方法。測量方法的前提是測量氣室內(nèi)的氣體為慢時變系統(tǒng)，才能保證測量的準確性。

2 系統(tǒng)試驗與數(shù)據(jù)分析

該系統(tǒng)主要包括[7-8]：激光器、斬波器、濾光片、光聲池、微音器、放大電路、信號處理模塊。氣體檢測系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 氣體光聲光譜檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)安裝完畢，必須對系統(tǒng)進行調(diào)試，包括光密性檢測和氣密性檢測，保證系統(tǒng)能正常工作，使其性能達到最佳狀態(tài)。

采用光聲光譜法與紅外吸收法分別在濾光片1工作時測量NO氣體濃度，配氣系統(tǒng)以純凈的N2和NO為基礎，調(diào)制閥門依次分別配出NO濃度為50 ppm(1 ppm=10-6)，100 ppm，150 ppm，200 ppm，250 ppm，300 ppm，350 ppm，400 ppm，450 ppm的樣氣用于測試試驗。測量結(jié)果及對比效果如圖2所示。

圖2 NO光聲光譜法與紅外吸收法測量對比

配氣系統(tǒng)以純凈的NO和NO2為基礎，調(diào)制閥門依次分別配出NO2濃度為50 ppm，100 ppm，150 ppm，200 ppm，250 ppm，300 ppm，350 ppm，400 ppm，450 ppm的樣氣用于測試試驗。測量結(jié)果及對比效果如圖3所示。

圖3 NO2光聲光譜法與紅外吸收法測量對比

采用光聲光譜法分別在濾光片1、濾光片2和濾光片3工作時測量混合氣體光聲光強對應的輸出電壓，根據(jù)三光路修正模型可知NO實際光聲強度輸出同λ1輸出電壓信號和λ3工作輸出電壓信號的加權(quán)值和成正比，NO和NO2修訂前后擬合濃度曲線如圖4所示。

圖4 含水樣氣中NO和NO2修正前后擬合曲線

3 結(jié)束語

從理論上推導了時間三光路光聲光譜煙氣中氮氧化物濃度測量模型，得到了非突變條件下小濃度氮氧化物濃度與光聲信號呈正比的結(jié)論，為光聲光譜測量各種窯爐和工業(yè)鍋爐煙氣中氮氧化物濃度提供了理論基礎。建立了能夠消除水蒸氣對NO、NO2交叉敏感引入干擾問題的時間三光路氮氧化物光聲檢測模型，從理論上提高其檢測精度。時間三光路光聲光譜檢測裝置直線擬合相關系數(shù)分別為0.995和0.991，較單光路測量直線擬合相關系數(shù)0.982和0.979更接近1，由此可知采用時間三光路測量含水樣氣中氮氧化物線性度有所提高，絕度誤差有較明顯下降。

參考文獻：

[1]郭安然，唐森本．環(huán)境監(jiān)測．北京：冶金工業(yè)出版社，1988．

[2]張強．燃煤電站SCR煙氣脫硝技術及工程應用．北京：化學工業(yè)出版社，2007．

[3]吳碩．基于光聲光譜的油中含水量檢測技術研究：[學位論文]．沈陽：沈陽理工大學，2011．

[4]龔瑞昆．二氧化硫氣體濃度檢測機理的研究．儀表技術，2005(4)：147-149．

[5]張川，王輔．光聲光譜技術在變壓器油氣分析中的應用．高電壓技術，2005，31(2)：84-87．

[6]王習東，黃佐華，唐志列，等．實用光聲光譜實驗系統(tǒng)．光學儀器，2006，28(5)：52-56．

[7]WANG Q D，WEI J F．Design of temperature control device under ground coalmine based on AT89S52．Power Electronics and Intelligent Transportation System (PEITS)，2009(19-20):36-39．

[8]RABASOVIC M D．Pulsed photoacoustic gas cell design for low pressure studies．Optical Materials，2008，(30)：1197-1200．

作者簡介：龔雨含(1988-)，助教，碩士，檢測技術與自動化裝置。

E-mail：gongyuhan@heuu．edu．cn

粘山坡(1980-)，講師，碩士，智能檢測技術。

E-mail：shanpo1999@126．com