李 姣
(山西興新安全生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)有限公司,山西 太原 030024)
近年來,由于CO 泄露導(dǎo)致工廠爆炸的事故頻發(fā),究其原因在于對CO 存儲不當(dāng)、現(xiàn)場管理不符合要求及對CO 泄露檢測不及時、不準確所導(dǎo)致。目前,針對CO 氣體的監(jiān)測可采用的技術(shù)包括有氣相色譜分析技術(shù)、非分散紅外技術(shù)、傳感器陣列技術(shù)以及光聲光譜技術(shù)。其中,氣相色譜分析技術(shù)無法實現(xiàn)對CO氣體的實時檢測;非分散紅外技術(shù)的檢測精度和靈敏度低;傳感器陣列技術(shù)的精度和穩(wěn)定性較差,測量所得結(jié)果存在數(shù)據(jù)漂移的情況[1]。因此,本文將基于光聲光譜技術(shù)設(shè)計一款CO 檢測系統(tǒng),并對系統(tǒng)的性能進行實驗驗證。
光聲光譜檢測氣體的核心技術(shù)為根據(jù)現(xiàn)場光學(xué)和聲學(xué)方面的信號,換算得出現(xiàn)場被測氣體的濃度值,所依托的效應(yīng)為光聲效應(yīng),對應(yīng)的工作過程如圖1 所示。
圖1 光聲效應(yīng)工作示意圖
如圖1 所示,被測氣體在光源照射的作用下被激發(fā)從基礎(chǔ)狀態(tài)躍發(fā)至激發(fā)狀態(tài);當(dāng)氣體處于激發(fā)狀態(tài)時,分子會通過無輻射躍遷的形式再次回到基礎(chǔ)狀態(tài)。根據(jù)能量守恒定律,在此階段存在的能量差會轉(zhuǎn)換為熱能,使得被測氣體的壓強發(fā)生了變化。而且,隨著對光源信號的調(diào)制對應(yīng)所得被測氣體的壓強變化也是不同;與此同時,采用微音器對過程中的聲音信號進行采集,得到微音器電信號與被測氣體濃度之間的函數(shù)關(guān)系,從而換算得出被測氣體的濃度值[2]。
本節(jié)將基于光聲效應(yīng)工作原理,并結(jié)合CO 氣體吸收譜線的重心頻率完成檢測系統(tǒng)的方案設(shè)計,包括整體設(shè)計方案和光源的選擇與調(diào)制、光聲池的設(shè)計以及相關(guān)元器件的選型。
結(jié)合光聲光譜效應(yīng)的工作原理和CO 氣體的實際檢查需求,設(shè)計如圖2 所示的基于光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)的整機結(jié)構(gòu)框圖。
圖2 光聲光譜CO 氣體檢測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖
如圖2 所示,基于光聲光譜CO 氣體檢測系統(tǒng)包括有激光器、光聲池、微音器、帶通放大器、鎖相放大器以及低通濾波器等。其中,帶通放大器、鎖相放大器以及低通濾波器、A/D 轉(zhuǎn)換器為對信號處理的關(guān)鍵元器件。
激光器為可經(jīng)過三角波和正弦波調(diào)制后發(fā)射出能夠覆蓋CO 氣體譜線中心頻率的光源;由激光器發(fā)生的光源在光學(xué)池中與被測氣體CO 發(fā)生光聲效應(yīng)的反應(yīng),繼而產(chǎn)生一定頻率的聲音信號[3]。微音器的主要作用是對光聲池中光聲效應(yīng)反應(yīng)所產(chǎn)生的聲音信號進行采集,并在信號處理電路的作用下對具體數(shù)值進行顯示;并且對CO 氣體超過合理濃度值的情況進行報警。
激光器為本系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件,激光器是否能夠發(fā)射出涵蓋被測CO 氣體譜線中心頻率的光線對于能夠?qū)崿F(xiàn)對CO 氣體濃度的檢測尤為重要,也決定著整個系統(tǒng)的檢測精度和靈敏度。激光器的選擇即為對光源的選擇。
在光源的選擇中尤其首要保證的是,光源所發(fā)出光線的波長或者頻率與被測CO 氣體相匹配。除此之外,光源的選擇還需兼顧各方面的性能。為保證檢測系統(tǒng)的精度和靈敏度,光源選擇時需遵循如下原則:
1)由于CO 氣體包含有強度不等的吸收譜線。因此,為保證檢測系統(tǒng)的靈敏度和精度,應(yīng)選擇強度最大的吸收譜線,并且根據(jù)強度最大吸收譜線的中心頻率確定光源的波長。
2)所選擇的光源具備穩(wěn)定的工作狀態(tài),尤其是要求所選光源的具有較好的溫度特性。此外,激光器在實際工作中會產(chǎn)生較大的熱量。因此,還需為激光器配置溫度控制系統(tǒng)。
3)要求所選光源的壽命、維護便捷性以及成本進行綜合考慮[4]。
經(jīng)對CO 氣體的吸收光譜的強度進行測定,得出CO 氣體吸收光譜的強度分布情況,本系統(tǒng)選用VCSEL 激光二極管作為其光源產(chǎn)生器。該激光器具有較小的光束發(fā)散角,且該激光器與市面上大部分光學(xué)器件相匹配。同時,為了保證VCSEL 激光器的散熱效果,還為其配置了TEC 半導(dǎo)體熱電中制冷器加速激光器的散熱;此外,配置對應(yīng)的熱敏電阻對光源溫度進行監(jiān)測,并根據(jù)實際情況適時啟動制冷器。
光聲池為光線與被測CO 氣體發(fā)生光聲效應(yīng)的場所。光聲池的性能對于CO 氣體檢測系統(tǒng)的靈敏度和精度的影響巨大。根據(jù)工作方式的不同,可將光聲池的結(jié)構(gòu)分為諧振式和非諧振式。其中,諧振式結(jié)構(gòu)的光聲池可實現(xiàn)光線調(diào)制頻率與光聲池結(jié)構(gòu)的共振頻率一致;也就是說基于諧振結(jié)構(gòu)的光聲池可將光聲效應(yīng)反應(yīng)所產(chǎn)生的音頻信號放大[5]。
本系統(tǒng)光聲池諧振腔采用黃銅材質(zhì)制作,并將諧振腔的內(nèi)腔進行拋光處理。諧振腔的結(jié)構(gòu)尺寸為長度為100 mm,直徑為3 mm 的管道,在諧振腔左右兩側(cè)配置了直徑為20 mm,長度為50 mm 的緩沖室,并在內(nèi)壁加裝O 型環(huán)解決背景噪聲,達到提升檢測精度的目的。
為驗證本文基于光聲光譜技術(shù)設(shè)計的CO 檢測系統(tǒng)的測試精度,首先需對所選型的激光器的波長以及光聲池的共振頻率進行測試。
激光器的波長特性:結(jié)合對激光器波長特性的測試結(jié)果,需對所得數(shù)據(jù)增加相應(yīng)的調(diào)整系數(shù),具體數(shù)值為0.44 nm/mA。
在標(biāo)準大氣壓和25℃的環(huán)境下,測得光聲池的共振頻率為1 607 Hz。
在上述測試結(jié)果的基礎(chǔ)上對檢測系統(tǒng)信號處理電路進行修正,得出實際測量和理論值的對比,測試結(jié)果如表1 所示。
表1 實測值與真實值的對比
如表1 所示,基于光聲光譜技術(shù)所設(shè)計的CO 檢測系統(tǒng)的檢測的相對誤差最大僅為1.3%,控制在1.5%以內(nèi),滿足實際測量要求。
為精準、快速且實時對工業(yè)現(xiàn)場CO 氣體濃度的檢測,本文基于光聲光譜技術(shù)完成了CO 檢測系統(tǒng)。所設(shè)計CO 檢測系統(tǒng)所配置的激光器型號為VCSEL,為保證激光器的溫度特性集成了熱敏電阻和TEC 半導(dǎo)體熱電中制冷器;采用銅為基礎(chǔ)材質(zhì)完成光聲池的諧振腔的設(shè)計,并為其配置緩沖腔。通過實驗測試可知:基于光聲光譜技術(shù)所設(shè)計的一氧化碳檢測系統(tǒng)的檢測的相對誤差最大僅為1.3%,控制在1.5%以內(nèi),滿足實際測量要求。