一種有毒有害氣體濃度在線測試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種氣體檢測方法，尤其涉及一種有毒有害氣體濃度在線測試方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前的工業(yè)過程中會(huì)產(chǎn)生較多的有毒有害氣體，這類氣體已經(jīng)嚴(yán)重威脅生命財(cái)產(chǎn) 安全，需要在開采過程中嚴(yán)格對(duì)易燃易爆，有毒有害氣體進(jìn)行檢測和預(yù)報(bào)。目前，常用的氣 體檢測方法多采用電化學(xué)原理、氣體半導(dǎo)率測試原理、MOS場效應(yīng)管原理、熱傳導(dǎo)原理、催化 燃燒原理、紅外測試原理等方法，其技術(shù)已經(jīng)比較成熟。但是，電化學(xué)原理是借助電子特性 來工作時(shí)，在使用過程中會(huì)有產(chǎn)生電火花并引發(fā)爆炸的可能，這是電化學(xué)測試的致命弱點(diǎn)， 而且這類測試方法容易因?yàn)殡娊橘|(zhì)消耗而壽命降低，往往存在容易老化和中毒的缺點(diǎn)。半 導(dǎo)體式傳感器穩(wěn)定性差，受環(huán)境的影響較大，尤其是每一種傳感器的選擇性都是唯一的，輸 出參數(shù)不易應(yīng)用在計(jì)量準(zhǔn)確要求較高的場所。MOS場效應(yīng)選擇性極好，但只能用于氧氣檢 測，具有明顯的局限性。熱導(dǎo)傳感器的缺點(diǎn)是可應(yīng)用的范圍較窄，限制因素較多。催化燃 燒式原理在可燃性氣體范圍內(nèi)，對(duì)氣體沒有具體的選擇性，屬于暗火工作，有引燃爆炸的危 險(xiǎn)，并且大部分有機(jī)蒸汽對(duì)傳感器有中毒作用。紅外線測試原理可以有效分辨氣體種類，但 是容易受到氣體中水汽、塵埃雜質(zhì)成分的影響紅外特征吸收峰位置，測量精度不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明的目的在于怎樣解決有毒有害氣體測量困 難，安全性差，測量精度低的問題，提供一種有毒有害氣體濃度在線測試方法，能夠有效提 高有毒有害氣體的測量精度，并且使測量更加安全、可靠。
[0004] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是這樣的：一種有毒有害氣體濃 度在線測試方法，其特征在于：包括有毒有害氣體濃度測試裝置，所述有毒有害氣體濃度測 試裝置包括寬帶光源、光纖耦合器、測量氣室、參考?xì)馐摇⒐馓綔y器、光檢波器、振蕩器、倍頻 器、數(shù)字鎖相放大器、高通濾波器、除法器、以及A/D轉(zhuǎn)換器和計(jì)算機(jī)處理單元；具體測試步 驟如下：
[0005] 1)通過恒流電源給寬帶光源供電，啟動(dòng)寬帶光源，并通過光纖耦合器將寬帶光源 發(fā)出的光束分別傳輸至測量氣室和參考?xì)馐?，其中，測量氣室內(nèi)充滿含有待測氣體的有毒 有害廢氣，參考?xì)馐覂?nèi)充滿100%濃度的標(biāo)準(zhǔn)參考?xì)怏w，該待測氣體的成分與標(biāo)準(zhǔn)參考?xì)怏w 的成分一致；
[0006] 2)將參考?xì)馐覂?nèi)的光纖與壓電介質(zhì)PZT粘合設(shè)置，通過振蕩器對(duì)壓電介質(zhì)PZT供 電，通過光探測器檢測參考?xì)馐业耐干涔鈴?qiáng)，光探測器經(jīng)高通濾波器后將信號(hào)輸送至除法 器；
[0007] 3)與測量氣室相連的光纖經(jīng)激光發(fā)射頭后，將寬帶光射入測量氣室，并沿設(shè)定的 路徑后到達(dá)測量氣室的激光接收端，通過光探測器對(duì)激光接收端的光強(qiáng)進(jìn)行檢測，光探測 器經(jīng)光檢波器和數(shù)字鎖相放大器后將信號(hào)輸送至除法器；
[0008] 4)在2)中振蕩器使PZT伸縮振動(dòng)，帶動(dòng)光纖產(chǎn)生光柵時(shí)，通過高頻調(diào)制此時(shí)依賴 頻率的具體信號(hào)，再使用掃頻儀掃描振蕩器的頻率，然后通過倍頻器將調(diào)制頻率的倍頻作 為參考信號(hào)；
[0009] 5)當(dāng)測量氣室氣體濃度與測量氣室氣體濃度光信號(hào)相關(guān)時(shí)，光探測器輸出的信號(hào) 將發(fā)生變化；通過光檢波器將氣體濃度信號(hào)中的交、直流部分分開，并將交流部分送入鎖相 放大器；
[0010] 6)通過除法器將數(shù)字鎖相放大器輸出的直流電壓信號(hào)與高通濾波器輸出的直流 電壓信號(hào)直接相除，再通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后，將數(shù)字信號(hào)輸送至計(jì)算機(jī)處理單元，通過氣 體濃度解算模型進(jìn)行處理，最終得到待測氣體的濃度值，并將氣體濃度值輸出及顯示。
[0011] 進(jìn)一步地，所述氣體濃度解算模型為：
[0012] a、依據(jù) Beer-Lamber 定律公式，輸出光強(qiáng) I (λ) = I0 (λ) exp [_α (λ) LC];
[0013] 式中：α (λ)是對(duì)應(yīng)波長λ下的介質(zhì)吸收系數(shù)；L是氣體吸收路徑的長度；C是氣 體濃度；I ( λ )是輸出光強(qiáng)；I。（ λ )是輸入光強(qiáng)；
[0014] b、對(duì)PZT施加交變電壓，帶動(dòng)光柵周期性伸縮，光波波長為λΒ= λ fbcosco t ;
[0015] 式中：λ。為中心波長，對(duì)應(yīng)的是參考?xì)怏w的吸收峰，ω為PZT調(diào)制頻率；b為調(diào)制 幅度，由于經(jīng)過光纖光柵的反射光在中心波長附件服從高斯分布，因此經(jīng)過光柵反射后入 射到測量氣室的光譜密度P ( λ )簡化為：
[0016]
[0017] c、設(shè)總耦合系數(shù)為η，則輸出光強(qiáng)模型為：
[0018] 式中：Ι( λ)為輸出光強(qiáng)，AJlj λ b為有效波長范圍，P。為入射光譜密度；
[0019] 從步驟b中可得到在參考?xì)馐覚z測光纖光柵的透射光強(qiáng)，
其中，I。為入射光強(qiáng)度，P。為入射光強(qiáng)密度，r為光柵參數(shù)；
[0020] 用Lorentz曲線描述氣體分子的吸收譜線型，則為：
[0021]
[0022] Γι為帶阻尼的電偶極振子的衰減速率，λ g為對(duì)應(yīng)的吸收峰；
[0023] d、由于 a(A)LC << 1，因此，eaU)LC~ l_a(A)LC，得到：
[0024]
[0025] e、對(duì)壓電陶瓷PZT施加交變電壓，將帶動(dòng)光柵周期伸縮，使光柵中心波長 與氣體吸收峰對(duì)準(zhǔn)，λ。= λ g，此時(shí)Bragg波長為λ a= λ Q+bcos ω t-1. 5 λ，λ b = λ 0+bcos ω t+1. 5 λ，則步驟c的公式變?yōu)椋?br>[0026] CN 105136675 A 說明書 3/7 頁
?
[0027] 式中：Δ λ為Bragg反射半值全寬FWHM，丫 帶阻尼的電偶極振子的衰減速率； λ。為中心波長，λ g為待測氣體的吸收峰波長；ω為PZT調(diào)制頻率；b為調(diào)制幅度；
[0028] f、對(duì)步驟e的公式進(jìn)行傅里葉變換，由于所包含的頻率為ω的基波分量為零， f(x, Φ)為Φ的偶函數(shù)，f(x, 為Φ的奇函數(shù)，因此有：
[0029]
[0030]
[0031]
[0032] 令Φ = cot，最終輸出信號(hào)的二次諧波分量幅值為：
[0033]
[0034] 其中，
[0035]
[0036] 此時(shí)該二次諧波分量為與氣體濃度C正比；
[0037] g、用二次諧波分量1(2(^與I R相除，得到以下濃度解算模型：
[0038]
[0039] 其中k為與光強(qiáng)度無關(guān)的常數(shù)，
[0040] 此時(shí)，待測氣體的濃趕
[0041] 進(jìn)一步地，所述參考?xì)馐液蜏y量氣室均具有進(jìn)氣口和出氣口，通過更換參考?xì)馐?內(nèi)的氣體，能夠?qū)Σ煌煞值臍怏w濃度進(jìn)行測量。
[0042] 進(jìn)一步地，在更換參考?xì)馐覂?nèi)的氣體的過程中，先將參考?xì)馐覂?nèi)的氣體排空，然后 用純N2沖洗后，再充入其它成分的氣體。
[0043] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0044] 1、該檢測系統(tǒng)對(duì)于干擾氣體有較強(qiáng)的抵抗能力，即使干擾氣體的吸收帶與被檢測 氣體有部分重疊，但只要它們的吸收譜線結(jié)構(gòu)上沒有很大的相關(guān)性，輸出信號(hào)也不會(huì)有較 大的變化，可以對(duì)待測氣體的成分達(dá)到比較理想的靈敏度。
[0045] 2、將光纖粘合在壓電陶瓷PZT上，通過對(duì)壓電陶瓷施加電壓調(diào)節(jié)即可使壓電陶瓷 PZT產(chǎn)生伸縮，使傳輸光纖的折射率發(fā)生變化形成光柵，對(duì)LED寬帶光源入射波進(jìn)行調(diào)制， 獲得窄帶出射光，很簡便。
[0046] 3、該發(fā)明中探測器的輸出信號(hào)的二次諧波與氣體濃度成正比，通過檢測二次諧 波，即可立即實(shí)現(xiàn)氣體濃度的檢測；本發(fā)明中利用測量氣室探測器輸出信號(hào)與光纖光柵的 透射光強(qiáng)相除，可以消除光源老化或光功率波動(dòng)等因素帶來的影響，可提高檢測靈敏度。
[0047] 4、本發(fā)明可以測試不同成分的氣體，一套檢測系統(tǒng)使能適用于不同的測試環(huán)境， 將參考?xì)馐覂?nèi)的氣體用N2沖洗后，更換充入其它成分的氣體，即可測量含有這種氣體成分 的濃度值。
[0048] 5、本發(fā)明米用光纖傳輸，由于娃光纖的低頻損耗窗口波長覆蓋了 0. 8um_l. 7um的 范圍，在這一波段范圍內(nèi)發(fā)光器件和接收器件都是比較理想，而且工業(yè)上常見的有毒有害 氣體在這個(gè)范圍內(nèi)都有吸收峰，都能被檢測。而且輸出功率損耗小，抗電磁干擾能力強(qiáng)，能 消除光路的干擾，并且通過諧波檢測可以有效的消除系統(tǒng)噪聲和各種干擾，可應(yīng)用于微弱 信號(hào)的檢測工作，測量精度較高。
【附圖說明】
[0049] 圖1為有毒有害氣體濃度測試裝置的原理框圖。
[0050] 圖2為測量氣室的工作原理圖。
[0051] 圖3為參考?xì)馐业墓ぷ髟砜驁D。
[0052] 圖中：1一測量氣室，21-光纖容置腔，22-氣腔，3-壓電介質(zhì)PZT。
【具體實(shí)施方式】
[0053] 下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0054] 實(shí)施例：參見圖1、圖2以及圖3, 一種有毒有害氣體濃度在線測試方法，其特征在 于：包括有毒有害氣體濃度測試裝置，所述有毒有害氣體濃度測試裝置包括寬帶光源、光纖 耦合器、測量氣室、參考?xì)馐?、光探測器、光檢波器、振蕩器、倍頻器、數(shù)字鎖相放大器、高通 濾波器、除法器、以及A/D轉(zhuǎn)換器和計(jì)算機(jī)處理單元；具體測試步驟如下：
[0055] 1)通過恒流電源給寬帶光源供電，啟動(dòng)寬帶光源，并通過光纖耦合器將寬帶光源 發(fā)出的光束（寬帶光束）分別傳輸至測量氣室和參考?xì)馐?，其中，測量氣室內(nèi)充滿含有待測 氣體的有毒有害廢氣，參考?xì)馐覂?nèi)充滿100%濃度的標(biāo)準(zhǔn)參考?xì)怏w，該待測氣體的成分與標(biāo) 準(zhǔn)參考?xì)怏w的成分一致。所述參考?xì)馐液蜏y量氣室均具有進(jìn)氣口和出氣口，通過更換參考 氣室內(nèi)的氣體，能夠?qū)Σ煌煞值臍怏w濃度進(jìn)行測量；以對(duì)不同成分的有毒有害氣體進(jìn)行 測量。
[0056] 2)將參考?xì)馐覂?nèi)的光纖與壓電介質(zhì)PZT粘合設(shè)置，所述參考?xì)馐曳譃榍昂髢啥危?前段為光纖容置腔，后段為氣腔，氣腔內(nèi)通標(biāo)準(zhǔn)氣體；寬帶光傳輸至參考?xì)馐液?，通過振蕩 器對(duì)壓電介質(zhì)PZT供電；然后通過激光發(fā)射頭射入氣腔，并沿設(shè)定的路徑后到達(dá)測量氣室 的激光接收端。壓電介質(zhì)PZT在電場的作用下產(chǎn)生伸縮，使傳輸光纖的折射率發(fā)生變化形 成光柵，對(duì)入射波進(jìn)行調(diào)制反射濾光，獲得與吸收譜線相適應(yīng)的窄帶（出射）光；光探測器 與激光接收端相連，通過光探測器檢測參考?xì)馐夜饫w光柵的透射光強(qiáng)，光探測器經(jīng)高通濾 波器后將信號(hào)輸送至除法器；由于此時(shí)透射光中已經(jīng)沒有與參考?xì)怏w的吸收譜線相適應(yīng)的 光，因此不會(huì)產(chǎn)生吸收，光強(qiáng)不會(huì)衰減。
[0057] 3)與測量氣室相連的光纖經(jīng)激光