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基于TDLAS的痕量乙烯气体检测技术研究

潘卫东  
【摘要】:乙烯是一种无色的易燃气体,与空气混合能形成爆炸性混合物,在煤矿安全生产中,乙烯则作为指示性气体预警煤层自燃现象的发生;乙烯也是一种气态的植物激素,对植物的生长过程起着重要作用;同时,通过检测人体呼出气体中的乙烯含量可用于分析人体内的脂质过氧化作用;此外,乙烯还影响大气的化学特性和臭氧的产生。因此,开展对乙烯痕量气体的检测在环境监测、工业生产和安全及生物医疗等方面都具有十分重要的意义。 本文采用可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)对痕量乙烯气体进行分析检测。针对近红外乙烯吸收谱线单峰特性差,自身谱线干扰严重的特点,建立一种高灵敏度低检出下限的标定方法,既要排除相邻谱线之间的重叠干扰,又要避免背景线偏移造成的影响,是本文研究的关键问题。在实际测量中,会存在不同种类的气体,从这些多组分混合气体谱线中快速分离出乙烯的吸收谱线,保证实时检测,是本文需要解决的又一重要问题。吸收谱线的线宽和强度受气体温度和压强影响,有效修正气体温度和压强变化对测量结果的影响,也是本文研究的主要问题。针对上述问题,开展本论文的研究工作。本文的主要研究内容如下: (1)基于TDLAS的痕量乙烯气体检测系统的研制。通过分析乙烯吸收光谱的特点,综合考虑系统的检测灵敏度、谱线交叉干扰和系统成本等因素,选择位于近红外1626nm附近的乙烯吸收谱线用于痕量分析;根据所选谱线的光谱范围定制对应的可调谐半导体激光器,设计长光程气体吸收池,搭建了一套痕量乙烯气体检测系统。 (2)痕量乙烯气体浓度标定方法研究。针对所选乙烯吸收谱线的自身交叉干扰严重的问题,分别采用波长调制法、吸收系数法和稀疏分解法对乙烯气体进行浓度标定测试。波长调制法结合谐波检测可以不受背景线偏移影响,具有较强的抗干扰能力,然而当谱线重叠严重时,利用其二次谐波的标定结果并不理想,采用该方法乙烯的检出下限约为34ppm(parts per million);吸收系数法通过系统测量得到的吸收系数对扫描吸收线进行非线性拟合,可达到5ppm的检出下限。然而,该方法对于由温度压强等非浓度因素所引起的吸收系数值变化的抵抗能力很弱;稀疏分解法是通过构建与信号特征匹配的过完备原子库,采用匹配追踪算法将扫描吸收法得到的吸收线分解为由多个原子的组合表示,这些原子既包含了背景线信号也包含有各个独立吸收峰的信息,选择强度最大的吸收峰进行的浓度标定结果显示,该方法的浓度检出下限达到4ppm。 (3)多组分气体谱线分离和检测方法研究。为解决实际测量环境中存在的不同组分气体吸收谱线的交叉干扰,提出了多峰值测量法和多重洛伦兹函数分解法两种谱线分离方法。多峰值法是在较宽光谱范围内提取乙烯和干扰气体吸收谱线的多个吸收峰值,建立线性方程组,求得乙烯与干扰气体的浓度值,在1625.8-1627.4nm光谱范围内,对乙烯和甲烷的混合气体进行了测试,得到浓度测量的相对误差在5%以内。多峰值法测量下限较高,并且需要较宽波长扫描范围。多重洛伦兹函数分解法是根据稀疏分解标定结果,构造一个三重洛伦兹模型去描述乙烯的吸收峰,模型中的线宽和中心波长参数由稀疏分解法获得。对多组分混合气体的测试结果表明,多重洛伦兹函数分解法对乙烯浓度的测量误差小于3ppm。 (4)针对测量环境中温度和压强变化对测量结果的影响,进行实验分析。分别在不同温度和不同压强下,对气体谱线的强度和线宽变化情况进行了试验,根据试验结果,建立温度和压强补偿方法,补偿后气体浓度测量误差小于3ppm。对整个检测系统进行浓度测试,结果显示本系统能实现对4ppm乙烯气体的稳定检出,30s内的测量平均值为4.9ppm;测试结果与气相色谱仪分析结果进行比较,得出本系统对乙烯浓度的检测结果与气相色谱仪相差小于3ppm。最后,分析了乙烯浓度测量的不确定度,得到浓度检测的合成标准不确定度为3.1ppm。


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