劉立富，邱夢(mèng)春，溫作樂，陳東，于志偉

（1.杭州因諾維新科技有限公司，杭州 310052；2.杭州澤天科技有限公司，杭州 310052）

1 引言

CO在通常情況下是無色、無味、有毒、可燃的氣體，空氣中CO氣體主要來源于工業(yè)不完全燃燒廢氣排放、機(jī)動(dòng)車尾氣排放以及有機(jī)物、家用煤氣等不完全燃燒排放。當(dāng)人吸入一定含量的CO后會(huì)產(chǎn)生不同程度的中毒現(xiàn)象。此外，在一定條件下CO在大氣環(huán)境中會(huì)發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，這表明CO是一種間接性溫室氣體[1]。環(huán)境中CO給人們生產(chǎn)生活帶來諸多隱患，故對(duì)CO氣體排放在線監(jiān)測(cè)是非常有必要的。目前，煙氣排放中傳統(tǒng)CO測(cè)量方法大多基于非分散紅外原理或電化學(xué)原理，測(cè)量易受背景氣體交叉干擾、漂移較大。近年，基于光學(xué)非接觸式原理的氣體在線監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展非常快速，已經(jīng)被歐洲環(huán)境保護(hù)署和美國(guó)環(huán)保署認(rèn)可并且作為技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，光學(xué)和光譜學(xué)測(cè)量技術(shù)已發(fā)展成為在線監(jiān)測(cè)的重要方向?；诳烧{(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜（TDLAS）技術(shù)的在線監(jiān)測(cè)具有測(cè)量準(zhǔn)確性好、響應(yīng)速度快和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)前氣體實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的代表技術(shù)之一。由于TDLAS技術(shù)的測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)，該技術(shù)已被日益廣泛地應(yīng)用于測(cè)量氣體污染物的濃度、有毒氣體泄漏遙測(cè)和大氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域[2]。采用TDLAS技術(shù)是測(cè)量CO中非常好的一種方法，目前國(guó)內(nèi)在使用2.3μm、1567nm附近譜線測(cè)量CO均有研究[3～4]。通過對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況發(fā)現(xiàn)，采用TDLAS原理的激光氣體分析儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量CO主要應(yīng)用于工業(yè)過程領(lǐng)域，在環(huán)保煙氣排放領(lǐng)域?qū)O氣體含量監(jiān)測(cè)與分析的研究和應(yīng)用并不多。隨著氣體監(jiān)測(cè)技術(shù)的成熟和TDLAS技術(shù)的逐步發(fā)展，CO氣體在線監(jiān)測(cè)應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛。

本文介紹一種基于TDLAS技術(shù)應(yīng)用于在線監(jiān)測(cè)煙氣排放CO含量的激光氣體分析儀，該分析儀在集成度和小型化方面做出較大的改進(jìn)。分析儀使用高穩(wěn)定性的垂直腔面發(fā)射激光器作為激光光源，通過低頻三角波信號(hào)和高頻正弦波信號(hào)對(duì)工作在一定溫度下的激光器輸出波長(zhǎng)進(jìn)行掃描和調(diào)制。激光器輸出特定波長(zhǎng)的激光經(jīng)過被測(cè)環(huán)境后由光電檢測(cè)器接收并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將輸出電信號(hào)通過鎖相放大器同步檢波得到二次諧波信號(hào)，通過二次諧波峰高等信息計(jì)算CO氣體濃度。測(cè)試驗(yàn)證表明，基于TDLAS技術(shù)的激光氣體分析儀能夠滿足煙氣排放CO氣體在線監(jiān)測(cè)的使用要求。

2 測(cè)量原理

TDLAS技術(shù)根據(jù)半導(dǎo)體激光器可調(diào)諧性，以獲取被測(cè)氣體特征吸收譜線的相關(guān)光譜信息。通過選擇合適的吸收譜線，避免背景氣體對(duì)CO測(cè)量造成交叉干擾。半導(dǎo)體激光器發(fā)出所需特定波長(zhǎng)的窄帶激光束，根據(jù)經(jīng)過被測(cè)氣體時(shí)，激光強(qiáng)度的衰減量與被測(cè)氣體濃度具有一定的函數(shù)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)氣體定量分析。在未飽和的弱吸收情況下，根據(jù)Beer-Lambert定律[5～6]：一束強(qiáng)度為I0的激光穿過體積分?jǐn)?shù)為X，長(zhǎng)度為L(zhǎng)，壓力為P的氣體介質(zhì)，被氣體吸收后，其強(qiáng)度變?yōu)镮v，強(qiáng)度的變化滿足：

式①中：線形函數(shù)g (ν-ν0)表示被測(cè)氣體吸收譜線形狀，與氣體壓力、溫度以及氣體含量等因素有關(guān)，S（T）為氣體吸收的譜線強(qiáng)度，與溫度有關(guān)。在近紅外光譜區(qū)域，氣體吸收強(qiáng)度較弱，一般會(huì)滿足式②條件。

當(dāng)滿足式②條件要求時(shí)，被測(cè)氣體濃度結(jié)果會(huì)呈現(xiàn)較好的線性，從而利用泰勒級(jí)數(shù)展開式①可近似等于式③。

為了提升被測(cè)氣體探測(cè)下限水平，一般會(huì)選擇高靈敏度的波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)。利用波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)，使用正弦信號(hào)調(diào)制和鎖相放大器提取氣體吸收信號(hào)的二次諧波，這是抑制噪聲的重要手段[7]。這種方法成功屏蔽了在測(cè)量帶寬范圍外來自激光器、光電檢測(cè)器及氣體流動(dòng)等方面引來的噪聲，具有靈敏度高、測(cè)量精度高和響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。TDLAS系統(tǒng)中采用波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)時(shí)，使用高頻正弦波信號(hào)對(duì)激光發(fā)射頻率調(diào)制，調(diào)制后的激光發(fā)射頻率為：

式④中：v（t）為未經(jīng)過高頻正弦波信號(hào)調(diào)制的頻率；f為正弦波信號(hào)的調(diào)制頻率；a為經(jīng)過正弦波電流信號(hào)調(diào)制引起激光頻率變化的幅值。波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)使用鎖相放大器檢測(cè)激光束穿過被測(cè)氣體后激光透過率信號(hào)的二次諧波分量，在弱吸收情況下，輸出二次諧波信號(hào)為[8]：

由公式⑤可得出，在特定吸收譜線和一定的溫度、壓力、光程及激光頻率調(diào)制幅度的條件下，能夠獲得被測(cè)氣體濃度與二次諧波之間的關(guān)系：

式⑥中：V2f為二次諧波分量；I0為光強(qiáng)直流分量信號(hào)；K為標(biāo)定系數(shù)。通過分析這些參數(shù)，即可得到被測(cè)氣體濃度信息。根據(jù)二次諧波信號(hào)和氣體濃度之間的關(guān)系，波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)能夠用于多種環(huán)境下的氣體含量在線監(jiān)測(cè)。

3 系統(tǒng)介紹

基于TDLAS技術(shù)工作原理，杭州因諾維新科技有限公司研究開發(fā)的LGT-510激光氣體分析儀，是一款獨(dú)立式的、適用于系統(tǒng)集成的氣體檢測(cè)產(chǎn)品，圖1為L(zhǎng)GT-510激光氣體分析儀內(nèi)部框圖。LGT-510主要功能模塊包含發(fā)射-接收單元、多次反射吸收池和信號(hào)處理單元等。發(fā)射單元和接收單元集成在同一端，采用光收發(fā)一體式多次回返光路設(shè)計(jì)。發(fā)射單元主要實(shí)現(xiàn)激光器掃描和驅(qū)動(dòng)，使激光器發(fā)射出特定波長(zhǎng)的激光，這些窄帶激光經(jīng)過含有被測(cè)氣體的吸收池多次反射后，由接收單元進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換并傳輸給信號(hào)處理單元進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)分析，獲得測(cè)量結(jié)果，測(cè)量結(jié)果可通過RS485或4～20mA的輸出信號(hào)傳輸。

圖1 LGT-510激光氣體分析儀組成框圖

LGT-510激光產(chǎn)品在設(shè)計(jì)中采用模塊化設(shè)計(jì)理念，具有體積小、重量輕、方便攜帶和系統(tǒng)集成的特點(diǎn)。產(chǎn)品不含任何運(yùn)動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，在現(xiàn)場(chǎng)使用可靠性高。TDLAS技術(shù)和多次反射技術(shù)相結(jié)合使產(chǎn)品具有測(cè)量精度高和檢測(cè)下限低的技術(shù)特點(diǎn)。此外，TDLAS技術(shù)與非分散紅外原理和電化學(xué)原理測(cè)量CO氣體指標(biāo)進(jìn)行比較，具有以下特點(diǎn)，如表1所示。由表1可知，TDLAS技術(shù)相比非分散紅外原理和電化學(xué)原理在測(cè)量CO指標(biāo)上具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

表1 CO測(cè)量技術(shù)對(duì)比

4 測(cè)量實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)裝置

基于TDLAS技術(shù)原理測(cè)量CO平臺(tái)利用波長(zhǎng)可調(diào)諧性選擇合適的激光器調(diào)制參數(shù)和掃描參數(shù)。半導(dǎo)體激光器使用德國(guó)Vertilas品牌的SE-A4型號(hào)，激光器窗口含有抗反射涂層端帽抑制光學(xué)噪聲以提高分析儀檢測(cè)下限能力。光電檢測(cè)器使用日本HAMAMATSU公司生產(chǎn)的In-GaAs材質(zhì)G12180-020A型號(hào)，感應(yīng)光譜波長(zhǎng)范圍在900nm至1700nm，用于實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)轉(zhuǎn)換。激光器驅(qū)動(dòng)電路的三角波信號(hào)掃描頻率采用10Hz，掃描幅度為1.35V，激光器直流偏置調(diào)節(jié)到6.01mA，工作溫度控制在28.6℃，實(shí)現(xiàn)激光器輸出中心波長(zhǎng)調(diào)節(jié)在1565nm附近。疊加在三角波上的高頻正弦波信號(hào)采用40kHz調(diào)制頻率，幅度為189.6mV，激光器輸出光能量約為1.8mW。多次反射吸收池腔長(zhǎng)為0.2m，經(jīng)過48次光路來回反射，總光程達(dá)到9.6m。吸收池在整個(gè)系統(tǒng)中起到非常重要的作用，在設(shè)計(jì)中需要綜合考慮光學(xué)、機(jī)械、氣路等多方面因素。單束激光通過多次反射吸收池后，經(jīng)會(huì)聚透鏡后由光電檢測(cè)器接收。光電檢測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過鎖相電路獲取二次諧波信號(hào)處理。本實(shí)驗(yàn)裝置的工作原理如圖2所示。

4.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

試驗(yàn)中使用2000mg/m3的CO標(biāo)氣（背景氣體為N2），通過經(jīng)由第三方機(jī)構(gòu)檢定合格的高精度Red-y smart型號(hào)質(zhì)量流量控制器對(duì)2000mg/m3的CO和N2（純度≥99.99%）進(jìn)行不同濃度配比，以驗(yàn)證激光氣體分析儀線性度，線性測(cè)試驗(yàn)證點(diǎn)選擇0%、20%F.S、50%F.S、80%F.S和100%F.S五個(gè)點(diǎn)。測(cè)試數(shù)據(jù)表明不同CO濃度下，二次諧波與濃度測(cè)量具有非常好的信號(hào)響應(yīng)，該分析儀的線性誤差可以滿足≤±1%F.S的指標(biāo)。測(cè)試得到的線性數(shù)據(jù)如表2所示，不同濃度諧波信號(hào)和線性曲線如圖3所示，測(cè)量濃度與理論濃度之間的線性相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.99998。

表2 線性數(shù)據(jù)

圖3 不同濃度的二次諧波與線性曲線

為驗(yàn)證產(chǎn)品重復(fù)性指標(biāo)，在同一環(huán)境條件下，試驗(yàn)中使用1000mg/m3的CO標(biāo)氣連續(xù)測(cè)量6次，測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示，得到的重復(fù)性結(jié)果為0.18%。該測(cè)量結(jié)果優(yōu)于《可調(diào)諧激光氣體分析儀》（GB/T 25476—2010）中重復(fù)性指標(biāo)要求，可見該激光氣體分析儀具有較好的重復(fù)性結(jié)果。

表3 重復(fù)性數(shù)據(jù)

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

LGT-510激光氣體分析儀于2017年7月在垃圾焚燒廠廢氣排放口處安裝，依據(jù)《固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范（試行）》（HJ/T 75—2007）標(biāo)準(zhǔn)與第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)測(cè)量數(shù)據(jù)比對(duì)，比對(duì)數(shù)據(jù)如表4所示。依據(jù)上述環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求相對(duì)準(zhǔn)確度需要滿足≤15%，實(shí)際比對(duì)結(jié)果的相對(duì)準(zhǔn)確度為5.3%，滿足比對(duì)要求。

表4 比對(duì)數(shù)據(jù)參比方法數(shù)據(jù)

LGT-510激光氣體分析儀在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)需要使用配套的預(yù)處理系統(tǒng)，包括取樣、過濾、伴熱或冷凝等。經(jīng)過處理后的干凈樣氣進(jìn)入氣體測(cè)量吸收池后進(jìn)行分析計(jì)算。通過實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明：基于TDLAS技術(shù)的激光氣體分析儀能夠滿足煙氣中CO含量在線監(jiān)測(cè)應(yīng)用。

6 結(jié)論

基于TDLAS技術(shù)的LGT-510激光氣體分析儀將激光光譜吸收技術(shù)和長(zhǎng)光程技術(shù)相結(jié)合，測(cè)量精度高，不受背景氣體交叉干擾。采用模塊化設(shè)計(jì)理念，產(chǎn)品體積小、重量輕、方便攜帶和易于系統(tǒng)集成，不含任何運(yùn)動(dòng)部件，運(yùn)行可靠性高。通過實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)使用表明儀器線性誤差不大于±1%F.S，在環(huán)保比對(duì)驗(yàn)收中具有較好的準(zhǔn)確性?；赥TDLAS技術(shù)的激光氣體分析儀能夠有效地對(duì)煙氣排放的CO含量進(jìn)行在線測(cè)量，滿足煙氣排放中CO含量在線監(jiān)測(cè)應(yīng)用。