陳書旺,孫 濤,唐東林

(1.河北科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,石家莊 050018;2.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,成都 610500)

基于諧波檢測的硫化氫氣體傳感器研究*

陳書旺1*,孫 濤1,唐東林2

(1.河北科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,石家莊 050018;2.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,成都 610500)

基于氣體光譜吸收原理,提出了一種諧波檢測技術(shù)和雙光路差分法相結(jié)合的方法,用于檢測硫化氫氣體濃度。采用雙光路差分法對TDLAS氣體檢測技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn),消去了基波分量,在微弱信號檢測中使鎖定放大器減少了測量誤差,提高了系統(tǒng)對二次諧波的檢測能力。設(shè)計了硫化氫傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),并對其建立了數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真。結(jié)果表明,利用諧波檢測和雙光路差分法對低濃度硫化氫氣體有很好的檢測效果,驗證了該方法的可行性和正確性。

硫化氫氣體傳感器;光譜吸收;諧波檢測;雙光路差分

硫化氫氣體是腐蝕性極強(qiáng)的劇毒高危氣體,廣泛產(chǎn)生于石油、化工、鋼鐵等多個生產(chǎn)環(huán)節(jié)[1],由于我國高含硫油氣田多處于山區(qū),復(fù)雜地形使泄露的硫化氫氣體很難擴(kuò)散,而在井場附近積聚嚴(yán)重威脅施工人員、施工現(xiàn)場周邊居民生命安全,腐蝕破壞石油天然氣裝備,因此必須對油氣井現(xiàn)場硫化氫氣體濃度進(jìn)行實時、遠(yuǎn)程安全檢測[2]。

由于低濃度硫化氫氣體信號極其微弱,靈敏度低;同時在油氣勘探開發(fā)現(xiàn)場,與硫化氫氣體伴生的其他酸性氣體將產(chǎn)生較強(qiáng)噪聲,降低了信號的信噪比,因此很難對其進(jìn)行檢測。在基于光譜吸收特性的氣體檢測技術(shù)中,有直接吸收檢測法[3]、差分吸收檢測法[4-5]、基于光源調(diào)制的諧波檢測法[6]。直接利用光譜吸收的特性對氣體濃度檢測存在許多干擾因素[7],很難進(jìn)行檢測,例如光源輸出功率不穩(wěn)定的影響以及光源中心波長發(fā)生漂移造成的影響,除此之外還有微弱信號檢測中噪聲的干擾等。若用諧波檢測的方法可以消除系統(tǒng)的固有噪聲,提高信噪比,但不能消除光路的干擾和波長調(diào)制過程中伴隨產(chǎn)生的光強(qiáng)調(diào)制的影響[8];若采用雙光路差分吸收法可以消除光路的干擾因素和波長調(diào)制過程中伴隨產(chǎn)生的光強(qiáng)調(diào)制的影響,但無法消除系統(tǒng)的固有噪聲,又由于現(xiàn)有諧波檢測技術(shù)中[9],基波分量的存在對高次諧波進(jìn)行檢測時,往往造成輸入鎖相放大器的信號幅值過大,超過了鎖相放大器的過載電平不能進(jìn)行檢測。針對這一技術(shù)難題,因此本文對雙光路差分法和諧波檢測的方法進(jìn)行結(jié)合,提出了雙光路差分諧波檢測的方法,可以進(jìn)一步提高硫化氫氣體傳感器的檢測能力和靈敏度。

1 檢測原理

當(dāng)光源發(fā)射出的光的波長與標(biāo)準(zhǔn)檢測氣體的吸收波長相近或者相等時,此波長的光通過檢測氣體時,會產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸收現(xiàn)象,而且其吸收的強(qiáng)度與待檢測的標(biāo)準(zhǔn)氣體的濃度相關(guān),被氣體分子吸收前后的光強(qiáng)變化遵循比爾-朗伯(Beer-Lambert)定律:

I=I0exp[-a(v)CL]

(1)

式中:I為輸出光光強(qiáng);I0為入射光光強(qiáng);a(v)為氣體吸收系數(shù);C為氣體濃度;L為吸收路徑長度。

氣體對光譜的吸收受光波長的影響極其大,利用激光器的電流調(diào)諧特性對光源頻率進(jìn)行調(diào)制,經(jīng)過頻率被調(diào)制后的光通過氣體被吸收后得到的輸出光強(qiáng)信號的變化與頻率調(diào)制有關(guān),輸出光強(qiáng)信號中的諧波分量包含氣體濃度信息,因此通過檢測輸出的光強(qiáng)信號諧波分量可推測得出被測氣體濃度,基于光源頻率調(diào)制的諧波檢測可以抑制各種背景噪聲,提高硫化氫氣體傳感檢測系統(tǒng)的信噪比和靈敏度。

采用DFBLD作為光源時,通過對注入電流進(jìn)行調(diào)制可以實現(xiàn)對光源輸出波長的調(diào)制[10]。當(dāng)光源的光強(qiáng)調(diào)制系數(shù)較小時,光源的輸出波長與注入電流的大小呈線性關(guān)系,當(dāng)對注入電流進(jìn)行正弦調(diào)制時,光源的光功率(光強(qiáng))也會被正弦調(diào)制,其表達(dá)式為

I0(t)=I0(1+m·sin(ωt))

(2)

式中:m為光強(qiáng)調(diào)制系數(shù),光源的輸出頻率為:

v(t)=v0+n·sin(ωt)

(3)

式中:v0為光源沒有經(jīng)過調(diào)制時的中心頻率,n為頻率調(diào)制系數(shù)。

在光譜學(xué)中,用線型函數(shù)描述氣體分子吸收譜線[11],譜線的線寬主要分為自然線寬、碰撞線寬和多普勒線寬。在常壓下,氣體分子吸收譜線的線寬主要為碰撞線寬[12],當(dāng)光源輸出的中心波長在氣體吸收峰上時,用洛倫茲線型函數(shù)描述氣體分子的吸收譜線函數(shù)為

(4)

(5)

式中:a0為氣體吸收譜線中心頻率v0對應(yīng)的中心吸收系數(shù),γ為吸收線的半高半寬。

氣體特征譜線的氣體吸收線強(qiáng)

(6)

式中:S為每個氣體分子的線強(qiáng)度,單位為cm/(molecule/cm2),可以通過HITRAN數(shù)據(jù)庫查詢得到[13];P為氣體壓強(qiáng);N為氣體分子數(shù)密度,與壓強(qiáng)和溫度有關(guān),在室溫即溫度為296 K,壓強(qiáng)P為常壓1 atm時,N取2.687×1019。所以吸收線的中心吸收系數(shù)

(7)

將式(2)、式(3)代入朗伯-比爾定律表達(dá)式(1)中得到

I(t)=I0[1+m·sin(ωt)]exp{-a[v0+n·sin(ωt)]CL}

(8)

由于吸收系數(shù)a(v)非常小,即a(v)CL?1,所以式(8)可寫為

I(t) =I0[1+m·sin(ωt)]{1-a[v0+n·sin(ωt)]CL}

=I0{1-a[v0+n·sin(ωt)]CL+m·sin(ωt)-

m·sin(ωt)·a[v0+n·sin(ωt)]CL}

(9)

又因為光強(qiáng)調(diào)制系數(shù)m?1,所以式(9)可近似為

I(t)=I0[1-a(v0+n·sin(ωt))CL+m·sin(ωt)]

(10)

將式(4)代入式(10)中得

(11)

If=I0m

(12)

I2f=-kI0a0LC

(13)

(14)

式中:k為x的函數(shù),通過調(diào)節(jié)x可以得到二次諧波的最大值。由式(12)和式(13)可知,輸出光強(qiáng)的基波分量主要由光強(qiáng)調(diào)制引起,與氣體的濃度不存在任何關(guān)系;二次諧波分量與氣體濃度存在函數(shù)關(guān)系,所以利用諧波檢測技術(shù)從差分后的光強(qiáng)信號中檢測出帶有濃度信息的二次諧波信號,改變氣體濃度,找出二次諧波信號和氣體濃度的對應(yīng)關(guān)系,就可以反推得到氣體濃度。

2 檢測方法及系統(tǒng)設(shè)計

直接利用光譜吸收的特性對氣體濃度檢測,需要將光源的波長鎖定在氣體吸收峰處,當(dāng)光源不穩(wěn)定造成光源中心波長發(fā)生漂移不在氣體吸收峰處時以及系統(tǒng)固有噪聲的影響,對檢測結(jié)果帶來很大的誤差。為避免這種誤差,采用半導(dǎo)體激光波長調(diào)制技術(shù)和諧波檢測,首先對光源進(jìn)行波長調(diào)制,選擇DFBLD半導(dǎo)體激光器作為光源,可以通過電流調(diào)制對光源波長進(jìn)行調(diào)制。DFBLD的驅(qū)動電流由直流量、正弦波信號、和鋸齒波信號組成,直流量對應(yīng)光源中心波長,高頻正弦信號用于實現(xiàn)對光源的波長調(diào)制,低頻鋸齒波信號用于改變光源的輸出波長,使光源波長周期性的在氣體吸收峰處進(jìn)行掃描,光源在氣體吸收峰處被吸收發(fā)生作用,在輸出端產(chǎn)生諧波信號,通過對諧波信號檢測可以得到氣體濃度,采用波長掃描的波長調(diào)制方法可以消除光源中心波長產(chǎn)生漂移的影響。

(15)

由式(15)可知差分后消除了幅值較大的基波分量,使要進(jìn)行諧波檢測的輸入信號以二次諧波為主。這樣就避免了鎖相放大器的過載問題,提高了它的檢測能力。

圖1 硫化氫氣體傳感器檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)仿真及分析

為了驗證系統(tǒng)性能及方案的可行性,對系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真,仿真參數(shù)的設(shè)定:本文中選用1.578 μm作為硫化氫氣體中心吸收波長,吸收譜線的半高半寬γ為0.074 cm-1,每分子的線強(qiáng)度S為1.3×10-22cm/(molecule/cm2),可計算出氣體吸收譜線的中心吸收系數(shù)a0=0.015 cm-1,吸收路徑長度L為100 cm,光強(qiáng)I0=100 cd,氣體吸收峰波長λ0為1.578 μm(對應(yīng)的氣體吸收峰的波數(shù)為6336.6 cm-1),即硫化氫吸收譜線的中心頻率為v0=6 336.6 cm-1。

圖2 檢測光路直接輸出的光強(qiáng)信號

圖2是檢測光路直接輸出的光強(qiáng)信號,圖3是兩條光路差分后輸出的光強(qiáng)信號,從圖3中可以看出波形以二次諧波分量為主,消去了基波分量,這樣再經(jīng)過鎖相放大器進(jìn)行諧波檢測就變得非常容易,可提高鎖相放大器的檢測能力。

圖3 兩條光路差分后輸出的光強(qiáng)信號

圖4 二次諧波信號

圖4是差分后輸出信號經(jīng)過鎖相放大器提取的二次諧波信號,改變程序中的濃度值,記錄標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度值及對應(yīng)的二次諧波信號幅值,并通過擬合算法推算得到檢測示值,如表1所示。

表1 硫化氫氣體傳感器仿真系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù),當(dāng)硫化氫氣體濃度增大時,測量誤差也將增大,但測量誤差始終控在2%以內(nèi),能夠達(dá)到很好的測量精度。通過擬合算法可以得到硫化氫氣體濃度和二次諧波信號幅值的對應(yīng)關(guān)系曲線,如圖5所示,從圖中可以看出二次諧波信號與硫化氫氣體濃度存在正比的線性關(guān)系,也驗證了該方法的可行性和正確性。

圖5 氣體濃度與二次諧波幅值擬合曲線

5 結(jié)論

基于光譜吸收型光纖氣體傳感器的工作原理,提出了一種基于光源波長調(diào)制技術(shù)的諧波檢測法和雙光路差分法相結(jié)合檢測硫化氫氣體的方法,設(shè)計了基于光譜吸收法的硫化氫傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu),并對其建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果驗證了這一方法可行性,避免了由于鎖相放大器的信號幅值過大導(dǎo)致電平過載的問題,大大地提高系統(tǒng)在微弱信號檢測中鎖定放大器對二次諧波的檢測能力,減小測量誤差。利用諧波檢測和雙光路差分相結(jié)合的方法解決了在油氣勘探開發(fā)現(xiàn)場低濃度硫化氫氣體信號極其微弱,靈敏度低的問題,系統(tǒng)的信噪比、精確度和分辨率可以得到提高。

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Research on Hydrogen Sulfide Sensor Based on Harmonic Detection*

CHENShuwang1*,SUNTao1,TANGDonglin2

(1.Institute of Information Science and Engineering,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang 050018,China;2.Institute of Electrical and Mechanical Engineering,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China)

Based on the principle of the gas spectral absorption,this paper introduces a new method for the detection of H2S(hydrogen sulfide)gas. The harmonic detection technique and the double optical path difference method are combined in this method. The double optical path difference method is adopted to improve the TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)gas detection technology and eliminate the fundamental component. By locking the amplifier to reduce the measurement error in the weak signal detection system,the method can improve the detection ability for the second harmonics. This paper designs a system structure for H2S sensor and establishes a mathematical model to simulate this system. The results show that the new method has a good effect in the low concentration H2S detection. The simulation results verify the feasibility and correctness of the method.

H2S gas sensor;spectral absorption;harmonic detection;double optical path difference

項目來源:國家自然科學(xué)基金項目(41474121)

2016-05-20 修改日期:2016-08-29

TP212.1

A

1004-1699(2017)01-0031-04

C:7230E

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.01.006