（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400039）

城市市政污水管道是城市中的重要基礎(chǔ)設(shè)施，主要由排水的匯集、輸送、提升、處理和附屬設(shè)備等組成[1]。污水管道相對(duì)封閉，濕度大，污水中的有機(jī)物和無機(jī)物質(zhì)在厭氧條件下，會(huì)分解產(chǎn)生多種易燃易爆氣體，如甲烷、硫化氫等氣體[2]。近年來，針對(duì)污水管網(wǎng)有毒有害氣體監(jiān)測(cè)技術(shù)研究，大多集中在傳輸層、應(yīng)用軟件層，對(duì)于有毒有害氣體檢測(cè)技術(shù)在污水管網(wǎng)環(huán)境適應(yīng)性應(yīng)用研究較少。

文獻(xiàn)[1]研究了城市下水道及化糞池可燃?xì)怏w監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，首次提出將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)運(yùn)用于市政排水管道可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)，并選定固定式紅外可燃?xì)鈧鞲衅?，通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試確定了傳感器的安裝位置和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝原則。文獻(xiàn)[2]對(duì)下水道可燃性氣體預(yù)警系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)行了研究，提出采用熱導(dǎo)傳感器對(duì)下水道內(nèi)可燃性氣體濃度進(jìn)行測(cè)定，具有實(shí)時(shí)、連續(xù)、自動(dòng)監(jiān)測(cè)的能力。

國內(nèi)部分科研單位也推出了用于污水管道危險(xiǎn)源氣體檢測(cè)的相關(guān)產(chǎn)品裝置，從目前的應(yīng)用情況來看，一定程度上實(shí)現(xiàn)了污水管道危險(xiǎn)源氣體濃度預(yù)警，預(yù)防了重大事故的發(fā)生。但是，仍然存在有毒有害氣體傳感檢測(cè)技術(shù)單一等問題。目前市場(chǎng)上現(xiàn)有產(chǎn)品監(jiān)測(cè)甲烷氣體濃度主要采用的是“非色散紅外光學(xué)原理”[3-4]，即紅外甲烷敏感元件。該元件長期在含有H2S 環(huán)境中使用時(shí)，內(nèi)部紅外光源受腐蝕，檢測(cè)零點(diǎn)將嚴(yán)重漂移，且無法恢復(fù)。另外紅外甲烷檢測(cè)技術(shù)受水汽影響特別大，直接導(dǎo)致甲烷氣體監(jiān)測(cè)誤差過大[5-6]。

半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)是近年來發(fā)展起來的甲烷檢測(cè)技術(shù)，本文提出一種將半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)應(yīng)用于城市污水管網(wǎng)危險(xiǎn)源氣體檢測(cè)，并通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證其應(yīng)用效果。

1 半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)

半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)（TDLAS）依據(jù)朗伯－比爾定律，即在光程和反射系數(shù)不變的情況下氣體濃度與吸收率具有量化對(duì)應(yīng)關(guān)系[7，9]。半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)的基本原理與紅外氣體檢測(cè)原理是一致的，但與紅外氣體檢測(cè)原理相比較，測(cè)量精度和準(zhǔn)確度更高。可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境中CH4、CO2、CO 等多種特征氣體的檢測(cè)，且不易受環(huán)境濕度的干擾。

半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)相較于其他甲烷傳感技術(shù)，在抗干擾能力、測(cè)量精度和穩(wěn)定性、氣體吸收單一選擇性、多種氣體可擴(kuò)展性和本安防爆等方面具有比較大的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)[8，10]。激光光譜吸收式氣體檢測(cè)技術(shù)是將光纖傳感技術(shù)、激光光譜分析技術(shù)與微弱信號(hào)鎖相檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它將激光光譜分析技術(shù)從氣體分析應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)、在線監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，具有氣體選擇特性好、靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間快等優(yōu)勢(shì)，特別適用于可燃?xì)怏w的實(shí)時(shí)精確監(jiān)測(cè)，是未來污水管道危險(xiǎn)源氣體監(jiān)測(cè)的重要發(fā)展趨勢(shì)。

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 方案設(shè)計(jì)

基于半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)原理，設(shè)計(jì)了一款激光甲烷探頭，用于污水管網(wǎng)環(huán)境甲烷氣體監(jiān)測(cè)。該甲烷探頭主要包括MCU 處理器、TDLAS 激光元件、溫控電路、激光器驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)字放大電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、顯示交互電路及數(shù)據(jù)傳輸電路等，如圖1所示。首先MCU 處理器將已調(diào)制的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入到TDLAS 激光器驅(qū)動(dòng)電路中，通過溫度控制電路的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，激光器在相對(duì)穩(wěn)定的溫度條件下工作，并激發(fā)出調(diào)制光信號(hào)。調(diào)制后的光信號(hào)透過檢測(cè)氣室，通過光電轉(zhuǎn)換電路將被測(cè)氣體吸收濃度信息轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)；通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換采樣電路實(shí)現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換，通過MCU 控制器將測(cè)量氣體濃度數(shù)據(jù)解調(diào)出來，最后通過溫度、壓力補(bǔ)償算法，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的擬合補(bǔ)償，最終獲得精確的甲烷氣體濃度值。

2.2 光學(xué)模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)“GB 3836.1-2010爆炸性環(huán)境第1部分：設(shè)備通用要求”，對(duì)激光器的光功率輸出作出了明確要求。本應(yīng)用設(shè)計(jì)采用的激光器為連續(xù)光輸出，其最大光功率輸出不大于8 mW/mm2，遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)要求的20 mW/mm2。

由于氣體吸收強(qiáng)度與氣體吸收光程有關(guān)，光程越長氣體吸收越明顯，因此對(duì)低濃度時(shí)分辨率越高，但對(duì)高濃度時(shí)濃度的改變就很少引起信號(hào)的變化了，因此，針對(duì)氣體檢測(cè)量程的需要和測(cè)量精度的要求需選擇一種合適的氣室長度。另外，為了便于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需盡量減小氣室大?。馐覂?nèi)部采用反射方式實(shí)現(xiàn)），但過多的反射次數(shù)必定會(huì)造成光強(qiáng)的損失，本應(yīng)用設(shè)計(jì)采用鍍膜處理工藝來加強(qiáng)鏡面的反射率。

2.3 電路設(shè)計(jì)

將一體化激光元件、數(shù)據(jù)存取芯片、光電信號(hào)前置放大電路和溫度信號(hào)前置放大電路集成為一個(gè)獨(dú)立模塊，即一體化激光甲烷探頭模塊，如圖2所示。一體化激光甲烷傳感模塊配置激光器溫控電流接口及驅(qū)動(dòng)電流接口，以實(shí)現(xiàn)激光器輸出波長中心的控制和調(diào)整；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片主要存取激光器對(duì)應(yīng)的溫度設(shè)置值及原始零點(diǎn)值；模塊將轉(zhuǎn)換、調(diào)節(jié)后的光電信號(hào)、溫度信號(hào)及壓力信號(hào)直接連接到AD 采樣電路和MCU，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集和轉(zhuǎn)換。

圖2 激光甲烷探頭電路設(shè)計(jì)框圖Fig.2 Block diagram of laser methane probe circuit design

MCU 控制DAC 電路實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器的電流掃描功能；同時(shí)MCU 同步控制溫控驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器溫度設(shè)置值的實(shí)時(shí)控制和調(diào)節(jié)功能。MCU 將解調(diào)后的濃度信號(hào)，通過雙向通信數(shù)據(jù)交互接口，實(shí)時(shí)輸出檢測(cè)數(shù)據(jù)。

由于檢測(cè)信號(hào)相對(duì)微弱，因此信號(hào)處理電路需要共模抑制比高、靈敏度高和頻率響應(yīng)范圍寬等。

3 污水管網(wǎng)甲烷氣體檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 現(xiàn)場(chǎng)施工安裝、調(diào)試

本研究成果應(yīng)用于污水管網(wǎng)有害氣體的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，結(jié)合重慶市兩江新區(qū)數(shù)字化城市管理中心監(jiān)控平臺(tái)，對(duì)污水管網(wǎng)中甲烷氣體濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和預(yù)警，確保污水管網(wǎng)安全運(yùn)行。

污水管網(wǎng)中的甲烷氣體的產(chǎn)生，為發(fā)酵逸出，氣體濃度緩慢增高，不具有突發(fā)性。同時(shí)，氣體檢測(cè)模塊若布設(shè)在化糞池內(nèi)部，有可能被糞水淹沒、氣體腐蝕，造成損害。因此，監(jiān)控終端采用抽氣泵抽取化糞池內(nèi)氣體進(jìn)行檢測(cè)的方式，延長了檢測(cè)模塊的使用壽命，也方便后期運(yùn)營維護(hù)。

3.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)及分析

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在甲烷濃度小于8%的環(huán)境中，吸收峰隨溫度變化的波動(dòng)對(duì)測(cè)量濃度的影響可以忽略；在對(duì)有參考?xì)馐椅辗逯行臋z測(cè)算法研究的基礎(chǔ)上，將原算法移植進(jìn)行一次諧波中心點(diǎn)檢測(cè)，使新的中心檢測(cè)算法能夠?qū)崿F(xiàn)在甲烷濃度為0.5%時(shí)，中心檢測(cè)值真實(shí)、平穩(wěn)、有效。在此實(shí)驗(yàn)測(cè)試基礎(chǔ)上，結(jié)合相應(yīng)的軟件控制設(shè)計(jì)，完全能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)甲烷氣體的全量程精確測(cè)量。

在實(shí)際應(yīng)用過程中，激光甲烷探頭連續(xù)一個(gè)月的運(yùn)行，檢測(cè)數(shù)據(jù)能夠真實(shí)反映污水管網(wǎng)內(nèi)部甲烷氣體的聚集情況，數(shù)據(jù)曲線如圖3所示。

圖3 安裝測(cè)試點(diǎn)的甲烷探頭檢測(cè)數(shù)據(jù)曲線圖Fig.3 Curve of detection data of methane probe installed at test point

4 結(jié)語

半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)由于具有帶寬窄、檢測(cè)選擇性好的突出特點(diǎn)，特別適合城市污水管網(wǎng)環(huán)境的甲烷氣體監(jiān)測(cè)，能夠有效避免水汽、其他氣體的干擾，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性。同時(shí)，利用激光光纖傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，適合在長距離的污水管網(wǎng)氣體在線監(jiān)測(cè)應(yīng)用。通過實(shí)際測(cè)試效果來看，將激光甲烷檢測(cè)技術(shù)引入城市污水管網(wǎng)可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，是對(duì)現(xiàn)有污水管網(wǎng)監(jiān)控的創(chuàng)新性應(yīng)用，彌補(bǔ)了其他檢測(cè)技術(shù)的缺點(diǎn)，提升了智慧市政監(jiān)管的技術(shù)水平。