CN114965357A - 一种基于tdlas的甲乙烷双气体检测方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于TDLAS的甲乙烷双气体检测方法及装置，装置包括激光驱动模块、激光器、气室、探测器、锁相放大模块、主控单元；激光驱动模块接收锁相放大模块输入的调制信号，根据调制信号控制激光器激发预设波长的调制激光光束，该光束通过光纤进入用于存储待测气体的气室；所述气室允许激光光束进出和在内腔中来回反射；探测器用于将经过气室中待测气体吸收后的光信号转换为电信号，并传输至锁相放大模块；锁相放大模块用于产生调制信号发送至激光驱动模块，并根据探测器转换的电信号以及所述的调制信号产生二次谐波信号；主控单元根据二次谐波信号的位置信息识别待测气体中的组分，根据二次谐波信号的波峰波谷信息获得待测气体中各组分浓度值。

Description

一种基于TDLAS的甲乙烷双气体检测方法及装置
技术领域
本发明涉及痕量多组分气体检测技术领域，特别涉及一种基于TDLAS技术的甲烷和乙烷两种气体的组分识别和浓度检测方法及装置。
背景技术
随着工业互联网的发展和城市化安全生产的需求，天然气作为清洁能源在城市化的发展中需求量越来越大。为了防止天然气泄漏造成重大的安全事故，对燃气管道的城市巡检工作日益加强，对气体组分识别和浓度检测也提出了更高的要求。可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术是一种常用的气体检测技术，该技术是利用激光波长扫过气体吸收线时的吸收强度变化来检测目标气体浓度，具有响应速度快、分辨率高、选择性唯一等优点，已广泛应用于环境污染检测、温室气体测量和气体泄漏监测等众多领域。但是由于激光的谱线比较窄，一种激光器通常只能检测一种气体成分，现有的气体检测装置多为针对某一种特定气体进行测量，无法准确判断是天然气泄漏还是煤气、沼气的泄漏。若要准确识别天然气泄漏，需要同时检测甲烷和乙烷两种气体，但是在近红外波段乙烷吸收峰较少、吸收线强较弱，针对乙烷的检测装置多为中红外检测，检测装置存在结构复杂、价格昂贵等问题。CN208060383U专利研制了基于TDLAS的痕量甲烷检测仪，可以实时监测甲烷气体，但是尚未发现基于TDLAS的痕量乙烷检测相关专利。因此为了准确、快速实现天然气泄漏检测，针对如何实现高灵敏度的甲乙烷双气体的同时检测是当前本领域技术人员较为关注的难点和热点问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于TDLAS的甲乙烷双气体检测方法及装置，能够实现甲乙烷双气体检测，同时可以解决近红外波段乙烷气体特征吸收峰弱、检测精度低、易受甲烷干扰的问题。
本发明解决技术的方案一是：一种基于TDLAS的甲乙烷双气体组分识别方法，包括：
采用TDLAS技术对待测气体进行检测，检测时同时扫描甲烷和乙烷的吸收峰；
利用谐波信号分析处理方法获取待测气体的二次谐波信号，将二次谐波信号的波峰位置信息和半高宽信息分别作为评价函数，分两级识别待测气体中的组分。
优选的，选用中心波长为1680nm的激光器进行扫描，该激光器能够激发1679～1681nm波长区间的激光光束，同时覆盖甲烷和乙烷的吸收峰。
优选的，甲烷选取1680.81nm波长作为检测的特征吸收峰，乙烷选取1680.19nm波长作为检测的特征吸收峰。
本发明技术方案二是：一种基于TDLAS的甲乙烷双气体组分浓度检测方法，包括：
利用权利要求1所述的方法识别待测气体中的组分；
以获取的待测气体的二次谐波信号的波峰波谷差值作为评价函数确定待测气体中甲烷和乙烷的浓度值。
本发明技术方案三是：一种甲烷和乙烷的双气体检测装置，包括激光驱动模块、激光器、气室、探测器、锁相放大模块、主控单元；
激光驱动模块接收锁相放大模块输入的调制信号，根据调制信号控制激光器激发预设波长的调制激光光束，该光束通过光纤进入用于存储待测气体的气室；
探测器用于将经过气室中待测气体吸收后的光信号转换为电信号，并传输至锁相放大模块；
锁相放大模块用于产生调制信号发送至激光驱动模块，并根据探测器转换的电信号以及所述的调制信号产生二次谐波信号；
主控单元根据二次谐波信号的位置信息识别待测气体中的组分，根据二次谐波信号的波峰波谷信息获得待测气体中各组分浓度值。
优选的，所述锁相放大模块包括调制信号激励单元、滤波放大单元和相敏检波单元；
调制信号激励单元激励幅值、频率可调的锯齿波信号和正弦波信号，两者叠加后的调制信号输出至激光驱动模块；
滤波放大单元将探测器转换的电信号进行放大和滤波处理，放大电信号使其幅值满足AD芯片的工作电压，同时滤除直流信号和噪声信号，获取的有用信号用于被AD芯片采集；
相敏检波单元将AD芯片采集的有用信号与调制信号激励单元的调制信号相敏相乘，形成二次谐波信号；
优选的，所述激光驱动模块通过控制TEC温度和工作电流使激光器发出中心波长为1680nm的光束，通过锯齿波和正弦波叠加后的调制信号控制激光光束的波长扫描范围和频率调制参数。
优选的，通过主控单元调节调制信号激励单元的锯齿波和正弦波的幅值、频率，使激光器输出光束能够同时扫描甲烷和乙烷的吸收峰。
优选的，所述主控单元中包含两级组分识别算法，第一级组分识别算法是根据设置的甲烷、乙烷二次谐波信号区间进行组分识别，第二级组分识别算法是根据甲烷、乙烷二次谐波信号的半高宽进行组分识别。
优选的，所述主控单元中还包含浓度检测算法，根据组分识别后的二次谐波信号的波峰波谷差值以及相应气体组分的浓度标度因数来计算甲烷或乙烷的浓度值。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明通过一只激光器扫描较宽的波长范围，实现了甲烷和乙烷两种气体浓度的同时检测，解决了TDLAS技术通常只针对单一气体组分检测的局限性，为多气体检测提供了一种思路；
(2)本发明针对甲烷和乙烷选择了不同的吸收峰，并采用二次谐波的位置信息作为评价函数来进行甲乙烷组分识别，避免了两种气体之间的相互干扰。
(3)本发明选用了近红外波段中的甲烷、乙烷吸收光谱实现了对甲烷、乙烷的高灵敏度检测，与中红外检测技术相比大大降低了检测成本。
附图说明
图1为本发明根据二次谐波位置信息和半高宽信息来识别甲烷、乙烷组分的示意图；
图2为本发明中不同浓度的甲烷二次谐波信号图；
图3为本发明中不同浓度的乙烷二次谐波信号图；
图4为本发明中提出的甲乙烷双气体浓度检测装置的检测流程示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
通过查询HITRAN数据库，对比甲烷和乙烷的气体吸收谱线，在1680～1681nm波段区间同时存在甲烷和乙烷的吸收峰，且两者之间相互干扰小。因此甲烷选取1680.81nm波长作为检测的特征吸收峰，乙烷选取1680.19nm波长作为检测的特征吸收峰。根据甲烷和乙烷的特征吸收峰，本发明选取中心波长为1680nm的DFB激光器，该激光器可以激发1679～1681nm波长区间的光束，利用该激光器扫描较宽的波长范围，该范围可以同时覆盖甲烷和乙烷的吸收谱线。通过基于TDLAS技术的谐波信号分析处理方法获取待测气体的二次谐波信号，根据谐波信号的位置、半高宽信息和波峰波谷差值信息，实现甲烷和乙烷两种气体的组分识别以及浓度检测。
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明进行详细说明，本发明的特点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
本发明提供了一种基于TDLAS技术的甲烷和乙烷的组分识别和浓度检测方法。根据HITRAN数据库，对甲烷和乙烷的气体特征吸收谱线进行了研究。根据特征吸收谱线可知乙烷在近红外存在四条吸收峰，其中在1680nm附近同时存在1680.19nm的乙烷吸收峰和1680.81nm的甲烷吸收峰，且两条吸收峰之间相互干扰较小，因此本发明选用1680nm的DFB激光束扫描较宽的波长范围，该范围可以同时覆盖甲烷和乙烷的吸收谱线，实现两种气体的同时检测。
在本发明中，采用TDLAS技术对待测气体进行检测，检测时利用调制信号设置激光器发射的光束可以同时扫描甲烷和乙烷的吸收峰，通过锁相放大模块获取待测气体的二次谐波信号。在待测气体的二次谐波信号中同时包含甲烷和乙烷二次谐波信号，且两者二次谐波信号的位置不同、半高宽值不同。如图1所示的是待测气体的二次谐波信号波形图，从图中可知待测信号的二次谐波由250个点组成，其中乙烷的二次谐波信号位于10～140点之间，其波峰值位于79点处；甲烷的二次谐波信号位于150～250点之间，其波峰值位于202点处。甲烷和乙烷二次谐波的位置与本发明中所选的波长位置信息相符，因此可以根据位置不同的区分甲烷和乙烷。
但是受激光器本身功率不稳定、环境温度变化等因素的影响，当波长发生较大变化时，二次谐波信号的波峰值会超出原设置的位置判断范围，导致甲烷和乙烷组分识别不准确，浓度检测值异常。因此本发明中进行了二级组分识别方法，将二次谐波信号的半高宽信息作为评价函数进行甲烷和乙烷组分的进一步识别。如图1所示的待测气体的二次谐波信号波形图可知，甲烷的半高宽占26个点，乙烷的半高宽占40个点，两者的半高宽与HITRAN数据库中1680.81甲烷和1680.19nm乙烷吸收谱线的理论半高宽相符，可以有效地识别待测气体中的甲烷和乙烷。
在本发明中，根据组分识别法分别找到甲烷、乙烷的二次谐波信号后，可根据二次谐波信号的波峰波谷信息计算其浓度值。如图2所示的是通过向气室中分别充入N2、8ppmCH4、50ppmCH4、100ppmCH4、500ppmCH4后获得的不同浓度的甲烷二次谐波信号。如图3所示的是通过向气室中分别充入N2、10ppmC2H6、100ppmC2H6、500ppmC2H6后获得的不同浓度的乙烷二次谐波信号。根据甲烷或乙烷不同浓度下的二次谐波信号的波峰波谷差值来推导浓度值，具体推到方式可以参照本领域现有技术中的方法进行，可以分别获得甲烷的浓度标定曲线和乙烷的浓度标定曲线，进而获得相应组分浓度值。
实施例1
根据上述检测方法，本发明提供了一种基于TDLAS技术的甲烷和乙烷的组分识别和浓度检测装置。该装置根据TDLAS技术原理研制，具有两级组分识别算法和浓度检测算法，包括激光驱动模块、激光器、气室、探测器、锁相放大模块和主控单元等部分。该装置利用激光驱动模块控制激光器的中心波长；利用锁相放大模块激励由锯齿波和正弦波叠加而成的调制信号控制激光光束的波长扫描宽度、幅值和频率；利用气室存储待测气体，且允许激光光束进出和在其内腔中来回反射；利用探测器可以将携带浓度信息的光信号转换成电信号，锁相放大器模块可以对电信号进行放大和滤波处理以及实现待测气体的二次谐波信号的提取；主控单元负责完成组分识别和浓度计算等。如图4所示为该装置检测过程示意图，具体操作步骤如下：
(1)激光驱动模块通过控制TEC温度和工作电流可以控制激光器输出的中心波长，调节该模块参数使激光器的输出波长为1680nm，并利用光谱分析仪对激光器的输出波长进行检测；
(2)锁相放大模块中的调制信号激励单元可以激励幅值、频率可控的锯齿波和正弦波，两者叠加后的调制信号可以控制激光光束的波长扫描范围、幅度和频率，调节该模块的锯齿波和正弦波的幅值、频率，使激光器输出光束可以同时扫描甲烷和乙烷的吸收峰；
(3)向气室中充入待测气体，在气室的一端通过光纤与激光器连接，使激光光束接入气室；在气室的另一端通过光纤与探测器连接，通过探测器将光信号转换成电信号；
(4)锁相放大模块中的滤波放大单元可以将转换后的电信号进行放大、滤波处理，使电信号的幅值满足AD芯片的工作电压，同时可以滤除电信号中的直流分量和噪声信号，获取有用信号被AD芯片采集；
(5)锁相放大模块中的相敏检波单元可以将AD芯片采集的有用信号与调制信号激励单元的调制信号相敏相乘，形成与气体浓度相关的二次谐波信号；
(6)在主控单元中包含两级组分识别算法和浓度检测算法，第一级组分识别算法是根据设置的甲烷、乙烷二次谐波信号区间进行组分识别，第二级组分识别算法是根据甲烷、乙烷二次谐波信号的半高宽进行组分识别。浓度检测算法是根据组分识别后的二次谐波信号的波峰波谷差值以及相应气体组分的浓度标度因数来计算甲烷或乙烷的浓度值。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员在不偏离本发明精神和范围的情况下，可对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种基于TDLAS的甲乙烷双气体组分识别方法，其特征在于包括：
采用TDLAS技术对待测气体进行检测，检测时同时扫描甲烷和乙烷的吸收峰；
利用谐波信号分析处理方法获取待测气体的二次谐波信号，将二次谐波信号的波峰位置信息和半高宽信息分别作为评价函数，分两级识别待测气体中的组分。
2.根据权利要求1所述的组分识别方法，其特征在于：选用中心波长为1680nm的激光器进行扫描，该激光器能够激发1679～1681nm波长区间的激光光束，同时覆盖甲烷和乙烷的吸收峰。
3.根据权利要求1所述的组分识别方法，其特征在于：甲烷选取1680.81nm波长作为检测的特征吸收峰，乙烷选取1680.19nm波长作为检测的特征吸收峰。
4.一种基于TDLAS的甲乙烷双气体组分浓度检测方法，其特征在于包括：
利用权利要求1所述的方法识别待测气体中的组分；
以获取的待测气体的二次谐波信号的波峰波谷差值作为评价函数确定待测气体中甲烷和乙烷的浓度值。
5.一种甲烷和乙烷的双气体检测装置，其特征在于包括激光驱动模块、激光器、气室、探测器、锁相放大模块、主控单元；
激光驱动模块接收锁相放大模块输入的调制信号，根据调制信号控制激光器激发预设波长的调制激光光束，该光束通过光纤进入用于存储待测气体的气室；
探测器用于将经过气室中待测气体吸收后的光信号转换为电信号，并传输至锁相放大模块；
锁相放大模块用于产生调制信号发送至激光驱动模块，并根据探测器转换的电信号以及所述的调制信号产生二次谐波信号；
主控单元根据二次谐波信号的位置信息识别待测气体中的组分，根据二次谐波信号的波峰波谷信息获得待测气体中各组分浓度值。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述锁相放大模块包括调制信号激励单元、滤波放大单元和相敏检波单元；
调制信号激励单元激励幅值、频率可调的锯齿波信号和正弦波信号，两者叠加后的调制信号输出至激光驱动模块；
滤波放大单元将探测器转换的电信号进行放大和滤波处理，放大电信号使其幅值满足AD芯片的工作电压，同时滤除直流信号和噪声信号，获取的有用信号用于被AD芯片采集；
相敏检波单元将AD芯片采集的有用信号与调制信号激励单元的调制信号相敏相乘，形成二次谐波信号。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述激光驱动模块通过控制TEC温度和工作电流使激光器发出中心波长为1680nm的光束，通过锯齿波和正弦波叠加后的调制信号控制激光光束的波长扫描范围和频率调制参数。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：通过主控单元调节调制信号激励单元的锯齿波和正弦波的幅值、频率，使激光器输出光束能够同时扫描甲烷和乙烷的吸收峰。
9.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述主控单元中包含两级组分识别算法，第一级组分识别算法是根据设置的甲烷、乙烷二次谐波信号区间进行组分识别，第二级组分识别算法是根据甲烷、乙烷二次谐波信号的半高宽进行组分识别。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于：所述主控单元中还包含浓度检测算法，根据组分识别后的二次谐波信号的波峰波谷差值以及相应气体组分的浓度标度因数来计算甲烷或乙烷的浓度值。
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