曾怡帥， 楊友良,2*， 馬翠紅,2

(1. 華北理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 河北 唐山 063009； 2. 唐山賽福特智能控制股份有限公司， 河北 唐山 063009)

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有塵環(huán)境多組分氣體成分檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

曾怡帥1， 楊友良1,2*， 馬翠紅1,2

(1. 華北理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 河北 唐山 063009； 2. 唐山賽福特智能控制股份有限公司， 河北 唐山 063009)

通過LabVIEW軟件設(shè)計(jì)一個(gè)基于TDLAS諧波檢測含塵氣體濃度的虛擬系統(tǒng)，模擬測量在常溫常壓并含有已知粉塵顆粒的環(huán)境中SO2、NO2和NO 3種氣體的濃度，且使氣體成分測量的結(jié)果不受粉塵因素的干擾。設(shè)計(jì)中使用2 516.2，2 911.66，3 752.44 cm-1的3種中紅外激光分別對SO2、NO2和NO氣體進(jìn)行檢測，根據(jù)鎖相放大原理設(shè)計(jì)虛擬多通道鎖相放大器分析檢測到的二次諧波信號，根據(jù)諧波信號對各氣體的濃度進(jìn)行定標(biāo)測量，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)校正來排除粉塵顆粒的干擾，使氣體的定標(biāo)測量得到一個(gè)穩(wěn)定的結(jié)果。

系統(tǒng)模擬； 激光理論； 紅外光譜； 吸收光譜； 含塵多組分氣體檢測

1 引 言

早在上世紀(jì)70年代，Reid和Hinkley等就提出了可調(diào)諧二極管激光吸收光譜(TDLAS)技術(shù),為日后TDLAS諧波測量奠定了理論基礎(chǔ)，促進(jìn)了激光氣體檢測的發(fā)展[1-2]。TDLAS技術(shù)具有高靈敏度、高分辨率、高選擇性和快速監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)，利用半導(dǎo)體激光的窄線寬和可調(diào)諧特性可以避免其他氣體的干擾，通過掃描氣體的一條精心選擇的振轉(zhuǎn)吸收線實(shí)現(xiàn)氣體濃度的高靈敏快速在線檢測[3-8]。現(xiàn)今工業(yè)生產(chǎn)所排放的廢氣中往往含有多種氣體，同時(shí)還含有大量的粉塵顆粒。尤其在煉鋼領(lǐng)域和煤化領(lǐng)域中，粉塵廢氣的排放量非常大。在對多組分氣體進(jìn)行測量時(shí)，測量環(huán)境中粉塵顆粒的存在會(huì)對氣體濃度的最終檢測值造成很大的影響[9-15]。要去除粉塵顆粒對光測量的影響，必須在最后除去經(jīng)氣體吸收和粉塵衰減的出射光[16]。

本設(shè)計(jì)用LabVIEW軟件的G語言編寫基于TDLAS的有塵環(huán)境多氣體成分檢測系統(tǒng)，并模擬氣體光吸收和粉塵對光造成的衰減，設(shè)計(jì)多通道鎖相放大器[17-19]。通過去塵校正除去粉塵雜質(zhì)對氣體測量造成的影響，從而同時(shí)得到SO2、NO2和NO 3種氣體穩(wěn)定的濃度數(shù)據(jù)。

2 設(shè)計(jì)原理

2.1 氣體測量

根據(jù)朗伯比爾定律：

(1)

式中：I0為激光器射出并進(jìn)入氣室的入射光；I為穿過氣室后由紅外探測器接收到的出射光；P為氣體壓強(qiáng)；C為所測量的氣體濃度；L為測量光程；α為氣體的吸收系數(shù)，由受到測試環(huán)境影響的吸收線性函數(shù)決定。中心頻率為ν0的激光器經(jīng)過調(diào)制頻率ω調(diào)制后射出頻率為ν的激光，其表達(dá)式為：

(2)

式中的吸收系數(shù)α在計(jì)算中采用常溫常壓測試環(huán)境下的Lorentz型函數(shù)，函數(shù)方程如下：

(3)

將公式(3)代入公式(2)，由于αCL?1且在測量時(shí)激光輸出頻率ν與氣體吸收峰頻率νc保持一致，所以可以對公式(2)進(jìn)行近似計(jì)算，得到氣體吸收下出射光I與入射光I0的光強(qiáng)關(guān)系：

式中：n為光強(qiáng)調(diào)制系數(shù)且n?1；σ(vm)為調(diào)制幅度；m是調(diào)制系數(shù)，其表達(dá)式為：

(5)

式中，Δν是氣體對應(yīng)吸收波長的半高寬。對式(4)進(jìn)行傅立葉變換后得到二次諧波系數(shù)表達(dá)式為：

(6)

由式(6)可以看出，當(dāng)m≈2.2時(shí)，二次諧波系數(shù)取最大值，且二次諧波的幅值與氣體的濃度成線性關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，通過對已知濃度的氣體進(jìn)行比例定標(biāo)，即可應(yīng)用于測量未知濃度的氣體。

2.2 粉塵對光強(qiáng)的影響

根據(jù)朗伯比爾粉塵消光定律：

(7)

式中：N是分子數(shù)；L為測量光程；d為粉塵顆粒直徑；K為消光系數(shù)，其與粉塵的粒徑分布、密度和雙折射率有關(guān)，只要粉塵的物質(zhì)和粒徑分布確定，即可確定為一常量。對分子數(shù)N進(jìn)行N=M/(ρν)變換后得：

(8)

式中：M為粉塵質(zhì)量，ρ是單個(gè)粉塵顆粒密度。由于粒徑大小的分布不同，對所有粒徑分布需要進(jìn)行一個(gè)離散化運(yùn)算，nr(di)為積分離散后的數(shù)值積分系數(shù)，f(di)是粒徑分布函數(shù)。由此得出在粉塵環(huán)境中出射光I與入射光I0的光強(qiáng)是指數(shù)關(guān)系。

2.3 測量數(shù)據(jù)去塵干擾的校正

通過前面的分析和推導(dǎo)可知，氣體測量時(shí)所測得的二次諧波幅值A(chǔ)2f會(huì)受到出射光I0的影響。在有塵環(huán)境下測量氣體時(shí)，是氣體和粉塵均勻混合在一起同時(shí)測量，可以假設(shè)理想環(huán)境為：在保持粉塵濃度和氣體濃度不變的情況下，將氣體和粉塵分離開再進(jìn)行測量，并讓出射光I0依次通過粉塵和氣體，受到粉塵的衰減和氣體的吸收。假設(shè)理想環(huán)境情況如圖1所示。

圖1 假設(shè)理想情況

(9)

且入射光I0與出射光I有如下關(guān)系：

(10)

(11)

然后用公式(6)除以出射光I，化簡后的公式如下：

(12)

2.4 鎖相放大原理

利用鎖相放大器從待測信號中提取二次諧波信號。鎖相放大器主要由相敏檢波器和低通濾波器組成，接收到頻率為f的待測信號后，與頻率為2f的參考信號相乘，再經(jīng)過低通濾波器濾波后提取二次諧波信號。原理如圖2所示。

設(shè)被測信號為：

(13)

參考信號為：

(14)

將被測信號x(t)與參考信號a1(t)相乘后得：

(15)

經(jīng)過低通濾波器將高頻信號去除得：

(16)

(17)

(18)

由原理可看出，正交矢量型相敏檢測系統(tǒng)可以同時(shí)獲得被測信號的幅度與相位信息，避免了對參考信號做可變移相以及移相對測量準(zhǔn)確性的影響。

圖2 正交鎖相放大原理

3 程序?qū)崿F(xiàn)

3.1 整體程序框圖

本設(shè)計(jì)中編程使用的LabVIEW軟件是由美國國家儀器(NI)公司研制開發(fā)，其程序由圖形化編輯語言G語言來編寫，局部節(jié)點(diǎn)還支持C語言程序的語法。整體程序設(shè)計(jì)如圖3所示。

在程序中模擬使用3種激光頭來測量所對應(yīng)的SO2、NO2和NO 3種氣體。測量中默認(rèn)各激光出射光波長與其所對應(yīng)氣體的吸收波長相等,使調(diào)制系數(shù)m為理論最優(yōu)值2.2。氣體和粉塵對光的吸收均采用前面分析的朗伯比爾定律進(jìn)行計(jì)算。鎖相放大器設(shè)計(jì)為多通道正交鎖相放大模擬器，3種氣體分3個(gè)通道各自進(jìn)行分析，同時(shí)參考通道對應(yīng)各自所測量的氣體的信號參數(shù)來產(chǎn)生參考信號。最后，通過去粉塵算法對測得二次諧波信號進(jìn)行校正使之穩(wěn)定，再用已知濃度的氣體對穩(wěn)定的諧波信號進(jìn)行定標(biāo)，計(jì)算出諧波信號與氣體濃度的線性關(guān)系式，從而求出氣體的濃度。各氣體對應(yīng)波長參數(shù)均來自國際通用光譜數(shù)據(jù)庫HTIRAN。各詳細(xì)參數(shù)見表1、表2和表3。

圖3 整體程序圖

表1 氣體參數(shù)

表2 粉塵(煤粉)參數(shù)

表3 各信號參數(shù)

3.2 程序運(yùn)行

程序前面板如圖4和圖5所示。

前面板包括參數(shù)設(shè)置和測量檢測兩個(gè)界面。將表1、表2和表3的數(shù)據(jù)輸入到參數(shù)設(shè)置面板，運(yùn)行后可在監(jiān)測面板上看到各次諧波濾波監(jiān)控圖和測量所得的SO2、NO2和NO 3種氣體濃度的測量結(jié)果。

通過圖6可以看出，當(dāng)被測氣體中所含粉塵質(zhì)量固定在60 mg不變時(shí)，公式(12)和公式(6)分別測量所得的兩個(gè)二次諧波幅值與氣體濃度的關(guān)系也均符合線性關(guān)系。通過圖7可知，當(dāng)氣體濃度確定為10-13mol/cm3不變且粉塵質(zhì)量隨后上升時(shí)，公式(12)幅值與公式(6)幅值明顯不同。公式(6)的幅值受粉塵影響嚴(yán)重，也隨粉塵量的變化而發(fā)生劇烈變化，而公式(12)幅值則在相同的條件下未發(fā)生變化。

圖4 參數(shù)設(shè)置面板

圖5 測量監(jiān)測面板

圖6 粉塵質(zhì)量固定的諧波校正前后對比

圖7 氣體濃度固定的諧波校正前后對比

解析后的二次諧波幅值的變化會(huì)在很大程度上影響氣體濃度的測量。運(yùn)行SO2氣體的測量程序，分別在不同時(shí)間采集10個(gè)不同粉塵環(huán)境中SO2氣體濃度的測量數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同粉塵環(huán)境中SO2氣體濃度的測量結(jié)果

Fig.8 Measurement results of SO2concentration in different dust environment

在前3次數(shù)據(jù)采集中，因?yàn)闆]有粉塵的緣故，兩種算法的結(jié)果都比較穩(wěn)定，且與設(shè)定的實(shí)際氣體濃度非常接近。在第4次采集時(shí)，氣體濃度保持與第3次采集時(shí)一樣，都為3×10-13mol/cm3，但第4次采集時(shí)加入了1 mg的粉塵顆粒，未經(jīng)過去塵處理的濃度檢測數(shù)據(jù)產(chǎn)生明顯的衰減，而校正后的測量結(jié)果則保持3×10-13mol/cm3不變。第5次采集時(shí)，氣體所含粉塵的質(zhì)量不變，提高氣體濃度為4×10-13mol/cm3，兩個(gè)測量濃度均上升，但未校正的數(shù)據(jù)仍受粉塵的影響而與實(shí)際濃度有很大的差距。第6次采集時(shí)，氣體濃度不變，將所含粉塵降為0，兩種數(shù)據(jù)都與實(shí)際濃度相同。隨后幾次采集都在保持氣體濃度為5×10-13mol/cm3不變的前提下，提升粉塵質(zhì)量，校正后的測量結(jié)果保持穩(wěn)定，而未校正的測量結(jié)果隨著加入的粉塵質(zhì)量的上升而下降。隨后，我們對NO2與NO都做了相同條件下的模擬采集，所得測量結(jié)果與已測量的SO2情況相同，校正后的氣體濃度測量結(jié)果均能夠有效排除粉塵顆粒的干擾，同時(shí)該設(shè)計(jì)還實(shí)現(xiàn)了多組分氣體的同時(shí)檢測。

4 結(jié) 論

通過朗伯比爾定律對氣體和粉塵顆粒對紅外光線的吸收和衰減作用的分析，總結(jié)出如何在有塵環(huán)境中測量氣體的濃度。利用LabVIEW軟件編寫的虛擬設(shè)備來實(shí)現(xiàn)對整個(gè)TDLAS系統(tǒng)的模擬。最后成功地在有塵環(huán)境下除去已知粉塵對氣體濃度測量的影響，并同時(shí)測量出多組分痕量氣體的成分，所測量的數(shù)據(jù)與理論公式結(jié)論相符。

[1] REID J, GARSIDE B K, Shewchun J,etal.. High sensitivity point monitoring of atmospheric gases employing tunable diode lasers [J].Appl.Opt., 1978, 17(11):1806-1810.

[2] REID J, LABRIE D. Second-harmonic detection with tunable diode lasers-comparison of experiment and theory [J].Appl.Phys. B, 1981, 26(3):203-210.

[3] 孫遠(yuǎn)濤,張洪田. 基于紫外吸收光譜技術(shù)的混合氣體SO2和H2S濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測 [J]. 發(fā)光學(xué)報(bào), 2015, 36(3):366-369. SUN Y T, ZHANG H T. Real-time monitoring for the concentrations of SO2and H2S mixed gas by ultraviolet absorption spectroscopy detection technique [J].Chin.J.Lumin., 2015, 36(3):366-369. (in Chinese)

[4] 賈良權(quán),劉文清,闞瑞峰,等. 采用TDLAS的超音速氣流中氧氣質(zhì)量流量檢測法 [J]. 光子學(xué)報(bào), 2015, 44(7):0730001-1-6. JIA L Q, LIU W Q, KAN R F,etal.. Oxygen mass flow detection method in supersonic flow based on TDLAS [J].ActaPhoton.Sinica, 2015, 44(7):0730001-1-6. (in Chinese)

[5] 高彥偉,張玉鈞,陳東,等. 可調(diào)諧二極管激光吸收光譜氟化氫檢測 [J]. 光子學(xué)報(bào), 2015, 44(6):0630003-1-6. GAO Y W, ZHANG Y J, CHEN D,etal.. Laser absorption spectroscopy for detection of hydrogen fluoride using tunable diode laser [J].ActaPhoton.Sinica, 2015, 44(6):0630003-1-6. (in Chinese)

[6] 張志榮,余嶸華,張帥,等. 基于LabVIEW的氧氣濃度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) [J]. 大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 3(6):454-460. ZHANG Z R, YU R H, ZHANG S,etal.. Software design based on LabVIEW for online monitoring oxygen concentration system [J].J.Atmos.Environ.Opt., 2008, 3(6):454-460. (in Chinese)

[7] 張可可. 光譜吸收式光纖氣體檢測理論及技術(shù)研究 [D]. 哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué), 2012. ZHANG K K.ResearchonTheSpectrumAbsorptiveOpticalGasDetectionTheoryandTechnology[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2012. (in Chinese)

[8] 高楠. 調(diào)諧二極管激光吸收光譜中的若干關(guān)鍵技術(shù)研究 [D]. 天津:天津大學(xué), 2011. GAO N.StudyonSeveralKeyTechniquesofTunableDiodeLaserAbsorptionSpectroscopy[D]. Tianjin: Tianjin University, 2011. (in Chinese)

[9] 劉小虎. 粉塵濃度測量技術(shù)研究 [D]. 西安:西安工業(yè)大學(xué), 2013. LIU X H.StudyonPowderConcentrationMeasurementTechnology[D]. Xi’an: Xi’an Technological University, 2013. (in Chinese)

[10] 趙占龍. 透射式光學(xué)粉塵濃度監(jiān)測技術(shù)研究及應(yīng)用 [D]. 保定:河北大學(xué), 2004. ZHAO Z L.TheStudyandApplicationofTransmission-modelOpticalMonitoringTechnologyofDustDensity[D]. Bao-ding: Hebei University, 2004. (in Chinese)

[11] 胡倩. 基于激光差分探測的粉塵濃度檢測技術(shù)研究 [D]. 西安:西安工業(yè)大學(xué), 2014. HU Q.TheResearchforParticleConcentrationMeasurementTechnologyBasedonLaserDifferenceDetection[D]. Xi’an: Xi’an Technological University, 2014. (in Chinese)

[12] 李晗,劉建國,何亞柏,等. 可調(diào)諧二極管激光吸收光譜二次諧波信號的模擬與分析 [J]. 光譜學(xué)與光譜分析, 2013, 33(4):881-885. LI H, LIU J G, He Y B,etal.. Simulation and analysis of second-harmonic signal based on tunable diode laser absorption spectroscopy [J].Spectrosc.Spect.Anal., 2013, 33(4):881-885. (in Chinese)

[13] 涂興華,劉文清,張玉鈞,等. CO2和CO的1.58 μm波段可調(diào)諧二極管激光吸收光譜的二次諧波檢測研究 [J]. 光譜學(xué)與光譜分析, 2006, 26(7):1190-1194. TU X H, LIU W Q, ZHANG Y J,etal.. Second harmonic detection with tunable diode laser absorption spectroscopy of CO and CO2at 1.58 μm [J].Spectrosc.Spect.Anal., 2006, 26(7):1190-1194. (in Chinese)

[14] 翟冰,何啟欣,黃漸強(qiáng),等. 紅外氣體檢測中諧波信號正交鎖相放大器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J]. 光子學(xué)報(bào), 2014, 43(11):1125001-1-6. ZHAI B, HE Q X, HUANG J Q,etal.. Design and realization of harmonic signal orthogonal lock-in amplifier used in infrared gas detection [J].ActaPhoton.Sinica, 2014, 43(11):1125001-1-6. (in Chinese)

[15] 宋楠,隋越,董明,等. 基于虛擬鎖相放大器的中紅外CO檢測系統(tǒng) [J]. 光電子·激光, 2014, 25(12):2343-2349. SONG N, SUI Y, DONG M,etal.. A mid infrared carbon oxide detection system based on virtual lock-in amplifier technology [J].J.Optoelect.Laser, 2014, 25(12):2343-2349. (in Chinese)

[16] 王飛,黃群星,李寧,等. 利用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光光譜技術(shù)對含塵氣體中NH3的測量 [J]. 物理學(xué)報(bào), 2007, 56(7):3867-3872. WANG F, HUANG Q X, LI N,etal.. The tunable diode laser absorption spectroscoty for measurement of NH3with particles[J].ActaPhys.Sinica, 2007, 56(7):3867-3872. (in Chinese)

[17] 張志榮,孫鵬帥,夏滑,等. 可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)的調(diào)制參量影響及優(yōu)化選擇 [J]. 光子學(xué)報(bào), 2015, 44(1):0114002-1-10. ZHANG Z R, SUN P S, XIA H,etal.. Modulation parameters influence and optimal selection of tunable diode laser absorption spectroscopy [J].ActaPhoton.Sinica, 2015, 44(1):0114002-1-10. (in Chinese)

[18] 曹天書. TDLAS氣體檢測中二次諧波的鎖相放大器的研究 [D]. 長春:吉林大學(xué), 2013. CAO T S.Lock-inAmplifierofSecondHarmonicinTheTDLASGasDetection[D]. Changchun: Jilin University, 2013. (in Chinese)

[19] 孫長海,金志明,李維江,等. 基于LabVIEW的低通數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) [J]. 計(jì)算機(jī)技術(shù)及其應(yīng)用, 2014, 36(5):27-29. SUN C H, JIN Z M, LI W J,etal.. Design of a low-pass digital filter based on LabVIEW [J].Comput.Technol.Appl., 2014, 36(5):27-29. (in Chinese)

曾怡帥(1989-)，男，四川隆昌人，碩士研究生，2014年于華北理工大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事TDLAS紅外檢測方面的研究。

E-mail: ulix.zeng@foxmail.com

楊友良(1961-)，男，河北盧龍人，教授，碩士生導(dǎo)師，1991年于東北大學(xué)獲得碩士學(xué)位，主要從事復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)建模與控制的研究。

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

國家自然科學(xué)基金(61271402)； 河北省唐山市科技計(jì)劃(14130214B)資助項(xiàng)目

1000-7032(2016)07-0859-07

TN247

A

10.3788/fgxb20163707.0859

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