基于激光吸收光谱乙炔在线监测技术的研究
第28卷,第lo期2008年10月
光谱学与光谱分榭
Spectroscopy
vol,28,No,lo,pp2228-2231
October,2008
andSpectralAnalysis
基于激光吸收光谱乙炔在线监测技术的研究
何莹,强玉钧,溺瑞洚,夏慧,王敏,雀小娟,陈玖英,陈东,刘文清,刘建国
中国科学院环境光学与技术重点实验墩,安徽光学精密机械研究所,安徽合肥230031
臻要忍炔终秀骞凌恁王产菇藤秘,广泛应震予纯学工盈孛,餐荔燃鬓瀑,在德存蠢王藏生产孛毒登要对其进符蜜珏才在线监溪l。可漏游率导体激光瞬收光谶(TDLAS)技术具蠢离选择性、高灵敏、快速响应等特点,在痕量气体检测中得到了广泛的应用。文章研究了乙炔气体在近红外波段的吸收线分布特征,详细地讨论
了基于瑕红外可调谐二极管激光吸收光谱技术的己炔在线监测系统设计方案;建立了实验测量系统,研究了信号檎测方法和浓度反演算法,对长度10cm的样品池和已知标准浓度乙炔气体配制的不同浓度乙炔气薅避霉梭测,检测限可以达捌l。46c:Irl3・m-3i避行‘}凄态检濒实骏,溅量结果具有较好鹣稳定挂穗可靠睦。努褥袅赘系统设诗方寨霹褥,由魏发震懿己魏程线整溺系统虿矮予忍焕储存,运簸秘嫒蔫过程孛灌满援警。
关键词激光吸收光谱;乙炔(QH2);在线监测;泄漏报警中图分类弩:0443。1
文献糖识码:A
DOI:10.3964/j.issn.1000-0593(2008)10-2228-04
术,设诗7蘩予瓢)乙AS懿乙浃点式采样在线篮浏系统,并
引言
乙炔是目前世界上有机化工产品最基本的原料之一。可
研究了系统能能。
1系统设计方案
|睾多气搭势子<e遗,Q氆,鹣O,N02等)在氛终渡我
都有特征暇《雯谱线,根据(Beer-Lambert)定律,渡长鸯^,强度为Jo(A)的光通过吸收光程为L的充有待测气体的吸收池后的光强J(A)为
以合成数子弹化会糖。乙炔鹩物理纯学特性活跃,极易燃烧、努薅毳l瀑沣,毒其缝易懋象瀑气终籀院,乙袋买舂潆烽
范围大、瀑炸下限低的特点。当己姣在空气中含量达潮2.5%~80%时,或是在氧气中含量达到2.3%~93%时,接触明火就会发生爆炸[1。],因此在乙炔生产厂和化工厂都存
在乙炔爆炸的嫩产安全问题。对乙烧浓度进行高灵敏的凝线
蕴溪具毒十分熏黉戆意义。
,(A)=L(A)exp卜d(^)£L]
箨分子数浓纛。
(1)
其中一n)表示气诲分子在渡妖A处戆瑗收截瑟,c秀气在近筑外的气体吸收系数很小,满足laG)cLl《l,戴(1)式可以袭述为
蟊蘸髓乙浚熬鬻麓搽溺方法主蘩蠢气耱色谱法、气俸传
感器等。气楣色谱法要求对气体进行采样和处理,难以实时
探测;气体传感器有多个种类,但它们在选择性、灵敏度、
长时间工作能力、中毒恢复能力及自身安全隐患等方面都肖一定的不足。可调谐半导体激光吸收光谱(Tunablediodela-
sef
IG)一Io(A)[1一d(A)cL]
舞寝数截覆}、气薅浓度及毙翟戎藤魄潮
磊,oc霸却以
其中咖为吸收线中心的吸收系数。
(2))
展开为傅基时级数,绲到二次谐渡系数与激光光强、气
(3)
absorption
spectroscopy)技零枣l麓毽瀵谐半导露激炎器搴
线霓和渡长可溺港特性实现对气{搴肇摄分子吸收港筏的撵
测,它具有高灵敏度、高选择性、快滤、在线测量、易实现网
络化等特点,是对乙炔在工业生产、储存过程中进行在线j』茳浏的理想方法之一。针对工业中乙炊泄漏的安全监测需要,结合激光吸收光游技术、谐波捡测技术及诗算执数据处溅技
Il受穰日期:2007-07-06。修订量期:2007-10-08
由H1T触悄数据库可以得刹乙炔分子在1嘲_1对应1
530。72
529~1531
rⅡn波长范围内的吸收特征光谱,如图1所示。其中6534.36
I'llTI波长处裔一条最强的乙炔吸收线,其
基金项目:中国科学院知识创新重要方向性项目(KJCX2一SW-W27)和国家自然科学綦袅重点项目(50534050)资助
作者简介:何菠,女,1983年生,中阐科学院安徽光学精密机械研究所硕士研究生
e-mail:heyin9051111@163.COm
万方数据
第lO期光谱学与光谱分析
2229
绒强隽lo一”,嚣程寝l|芟线嚣瓣鍪0.5瓣蔻嚣凑没畜其缝气
体(如:水汽,二氡俄羰,氮气等)的强吸收线。因此测试系统选择了乙炔在1
530.37
nn2处吸收线作为分析谱线。实验
中采用单模石英光奸作为激光传输通道,已知石英光纤低损耗传辕窗口为850,1300,l550
nrn,即所选吸收线在低损
耗塞疆l
550蕊蠹,瀵筵激麦薅辕要求。
12
1.0
0.8
0,6
0.4
0.2O
6黼2
l
渊6536
l。
6,538
WavemmAber/cm+l
Fig.1
Al葛orptionlineofacetylenein
n凇infraredarea
结合以上测鬣原理,实验系统采用分布反馈式(Distrib—
utedfeedback)可调谐半导体激光器作为光源,激光器工作
鹅中心波长在1.53pm,通过改变注入嘏漉使激光波长扫搂己蔌气簿翡摹稷寝浚线,获纛获缮乙浚气薅静稷液爱谱缤譬,为了提高系统炎敏度,采用谐波僚譬检测方法。
系统结构图如图2所示,可调谐半鼯体激光器温度和电流控制电路实现激光器的中心波长和输出功率的调节控制#计算机的D/A卡产嫩一路叠加了5kHz识弦调制信号和50瓢z戆锯齿渡熬波长调谐爱号,透过激悫器电源瓣在激光器上}激逛器输窭懿激巍渡长疆锯齿波l薯攘过乙炔分子懿啜牧线;另一路5kHz的正弦信号,送入锁棚放大器作为勰凋参
考信号;激光由单模光纤传输到自聚焦谶镜准直输出。经过样品吸收池的激光划达探测器,经探测器光电转换后的电信
号传输到锁相放大器,以参考信号的二依颓(10kHz)进行勰调,褥蚕吸浚建孛乙羧墩毂谱线豹二次瀑滚簧号,鑫数据采集卡对镂褶放大器鹰来戆二次谐渡信擘送行A/D转换,褥
到所测乙炔吸收谱线的二次谐波信号,数据采集的重复频率为50Hz,最后计算机对采集到的信母逃行处理。系统采用光程为10CTII长的样品吸收池,池上有~个进气阀和一个抽
气闲,由三通阕选撵氮气和乙炔豹进气。系统可以连续充气
Fig.2
Systemconstruction
万
方数据弦气,透符乙欲戆凌态在缓鏊溪,势筑装嚣蠢王终。
2实验过程
对基于波长调制和二次谐波探测的髓)LAS系统,散粒噪声隈剃下鹁童簧曝声来源手搽凌奏效应弓l天豹予涉祭绞再鞋,标准爨效应是敷骞|光与圭必索之闯发生于渗蔼≯垒
的稳定的具有一定周期性的噪声信号,这会对信号测鬣带来一定的干扰。窝骏采用扣除背景的方法来消除干涉条纹。在
进行测量前首先往样品池中充入99.999%的高纯氮气作为
零气来测量劳保群背景信号,通过软终控潮采集卡完成岛激光器魏渡长扫藏鬻步戆鼗据采集,然纛砖采集羁戆售警遗努背景扣除孝臣累加平筠,使信号谱线警潦,帮消除了干涉条绞
的影响,得到所测气体的二次谐波僚号。且氮气抽出时排放
到大气中不会污染环境,使用安全。
实验中先奖忍炔阀充入高纯氮气,对样品池进行冲溅抽气。随后关氯气阉党入1张浓度豹乙炔进行测量,撩豫鹜豢
褥羁酶二次谐波港线痒隽拣准谱,覆滨一段辩藤的浓度壤像存。定标后齐己炔和氮气阀,混合气体配出5组不同浓庹的乙炔充入样品池中,每次充人气体膳扣除背景采集相应二次
谐波信号。根据定标的二次谐波谱线由软件完成浓度拟合,得到待测的乙炔浓度。实验中要注意每次更换样品池内的气簿辩零要遂舞熬气{孛洗撞气,琵气爱黉稳定一段靖霹避免凌减小残留豹不阉浓度的气俸影响浓度溺蟹的准臻往。
3实验结果及分析
3。1二次谐波攘号梭测
鋈3隽曹豢僖号及羟豫雾景之璐懿l%标准滚凄己炔瓣=次谐渡(2p髂学。
暑
墨
妻
善
磊
一
0
一
100
200
300
&峨lepoin毽
,
F禧3翰媳静嘟畦andthe
2f唰ofsl{蒯
a艘姆lenewithb嗣Icl‘grom埘eliminated
l:Background;2:2fsingnaleliminatedbackground
由计算机设黢对采集的信号遴行30次累加平均,从豳孛霹缓霉蘩,熬狳鹜景惹乙涣气侉瓣二次谐波落号÷分擎滑。基本消除了甲涉条纹的影响。
对低于标准浓度的乙炔气体进行测量,配出825.7,
1139.2,1
525.4,2368.4,5714.3cm3・m-35组不同浓度
乙炔气体,得到扣除背景的5组乙炔的2f信号如图4所涿。
2230
光谱学与光谱分析
第28卷
由图4可以看出,在保持调制频率和溯制度不变的情况下,乙浃二次谐波售弩瓣影状墓率保持不瓷,只是灌线各点豹绝对摇篮发生了羧蜜,显浓度越毫簧号灏值越大。壶表1
中可以看出实验得到的各条谱线与标准谱线的相关系数随着
浓度的升高有上升的趋游。在这几条谱线中,我们得到的相关系数最小的为99.762%,说明在该测量浓度范围内测量谱
线与标准谱线间具有缀好的相关性。
1.5
乏1.0量
£0.5
毒0
蕞
囊一0.5
一1.O
0
100
200
300
Samplepoints
Fig.4玎si辨袅loffivegroupsofacetylene
识氇backgroundeliminated
1:825.7{2I139。2;3:l525。4;4:2368.4;5;5714.3cm3・m一3
Table1
Trueconcentrationofacetyleneandcorrelationc∞fficient
True∞neen}rati。f∥(crn3・拜l一3)
Correlationcoefficient/%
85799.762l
3,92
99.937l525499.9372368
.
99.96757l44{u
99.969
根据1%标准浓魔乙炔气淬豹2,餐移翻5缰不嗣浓澎
己炊气体的2,信号,利用最小二乘法可以拟合出5个对应的浓度值,如表2所泳。以计算配气比例得到的实际浓度为横嫩标,以标准谱线拟合的浓度为纵坐标得到5个点,其线谯缀合绩果如图5掰零,线性度为99.968%。因此,实验缀
斑瓣验涯了霹落鬏攮褥溺气薅熬二次谐波翁号与摆霾条谬下
褥绷豹已知浓度气体的二次谐波信号使用最小二乘拟合法得到待测气体浓度。
Tabie2
Trueconcentrationandfittedconcentration
Fitledconcentration
/(cm3’m一3’
825.7878。81139.21213.21525.41698.72368.42419.95714.3
5863。9
3。2系统检测的动怒特性嘲
对于乙炔气体点妓监测系统而言,其响应时间、测量的
万
方数据6
瞄鑫
雠4
咖3
咖2
㈣l
鼢
o0
2000
40006000
Ileal
eoncentration/(cm3.m-3)・
Fi晷5Linearitybetweentrueconcentrationandfittedconcentration
准确性鞍稳定经麓蒸要指掠。实验孛,系统设置数器采鬃酌
重复频率为50Hz,取30次采集的平均值,即0.6S能得出
响应时阕。
鼹兖舂l%弦滚乙浃弱寝救篷遴褥露量,逶遘最零:黎0
㈣
O
蚴0
雠
9
蝴
9
蝴
0
20
_|o
60
Tirne/s
Fig.6
Concentrationvariationof
acetyk黼
由图中的浓度假可以求出其平均德为10
001.79
el'If。・
m一,标准差为士1.46L=l'113・m一。按照一倍信噪比进行计赛,本实验能够达到瓣乙炔检测限为l。46cn3.3・m~。空气孛乙庚戆瀑薅下瓣免2,s%,实验鹣捻溺蔽完全蓑瀵是王疲乙炔存储和生产越程中出现泄漏的实拜寸在线监测需要。
4结论
采嚣霉溺潼举罨落激走吸嚏走灌技本,对乙装透符意式
动态采群程杰绞簸浏,在10em光程-F稔澜蔽悲够这蓟1.46CITl3・m~,满足工业乙炔泄漏监浏的辩罄。在相同的实验条件下,可以进行多次测试和长时间浓度反演。实验结果寝明,此方法是可行的,并有结构简单,灵敏度高,响应时间快,使用安全以及岛光通讯中使用的光野多路技术相结合荔等实褒霆终诧黧溅瓣凌点,兵毒缀驽黪王整瘟援蓑景。
一个浓度值,响J藏时间很短,完全能够满足工业乙炔气体泄漏实时在线监测的需要,还可以进一步减少采样次数来降低摄合法反演浓度,连续测得乙炔浓度囊纯馥线如图5掰承。
第lo期光谱学与光谱分析
2231
参
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KeyLab
ofEnvironmentalOptics&Technology,AnhuiInstituteofOpticsandFineMechanics,ChineseAcademyofSciencest
Hefei
230031,China
Ahstr础Asone
Butacetyleneis
a
ofthematerialsinorganicehemicalindustryIacetylenehasbeenusedinmanyaspectsofchemicalindustry,
very
dangerousinflammableandexplosivegas,SOitneedsin-situmonitoringdungindustrialstorageandpro”
trace
duction.Tunablediodelaserabsorptionspectroscopy(TDlAS)technologyhasbeenwidelyusedinatmospheric
gases
de-
tection。b∞tuse
it
has&lotofadvantageouscharacteristics,such
as
highsensitivity,goodselectivity,andrapidtimeresponse.
T躲distributioncharacteristicsofabsorptionlinesofacetyleneinIleal'infraredbandwerestudied,andthenthesystemdesigning
schemeofacetyleneon-linemonitoringbasedcussedindetailMoreover,the
onnear
infraredmrmblediodelaserabsorptionspectroscopytechnologywasdis—
set
systemofexperimentmeasurementwas
up
andthemethodofsignaldetectionandthealgo—
a
rithmofconcentrationinversionweYestudied.Inaddition,thesampleeellwithferentknownconcentrationsweremeasured.As
8
pathlengthof10cril,andtheacetyleneofdif—
result,thedetectionlimitobtainedreachedl+46eln3・m~。Fimtlythedy-
namicdetectionexperimeritWflScardedOUt.andthemeasurementresultisstableandretiable。sothedesignofthesystemispracticablethroughexperimentanalysis.On-lineacetyleneleakagemonitoringsystemwasdevelopedbasedanditissuitableforgiving
a
on
theexperiment,
leakagealarmofacetyleneduringitsstorage,transportationand
use.
Keywemts
Laserabsorptionspectroscopy;Acetylene(CtHz);On-linemonitoringtLeakagealarm
(ReceivedJuL6,2007;accepted0c乞8,2007)
万方数据
基于激光吸收光谱乙炔在线监测技术的研究
作者:
何莹, 张玉钧, 阚瑞峰, 夏慧, 王敏, 崔小娟, 陈玖英, 陈东, 刘文清, 刘建国, HE Ying, ZHANG Yu-jun, KAN Rui-feng, XIA Hui, WANG Min, CUI Xiaoi-nan,CHEN Jiu-ying, CHEN Dong, LIU Wen-qing, LIU Jian-guo
中国科学院环境光学与技术重点实验室,安徽光学精密机械研究所,安徽,合肥,230031光谱学与光谱分析
SPECTROSCOPY AND SPECTRAL ANALYSIS2008,28(10)4次
作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
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