基于谐波检测的硫化氢气体传感器研究*

2017-02-07陈书旺唐东林

传感技术学报 2017年1期

关键词：硫化氢光源波长

陈书旺,孙涛,唐东林

(1.河北科技大学信息科学与工程学院,石家庄 050018;2.西南石油大学机电工程学院,成都 610500)

基于谐波检测的硫化氢气体传感器研究*

陈书旺1*,孙涛1,唐东林2

(1.河北科技大学信息科学与工程学院,石家庄 050018;2.西南石油大学机电工程学院,成都 610500)

基于气体光谱吸收原理,提出了一种谐波检测技术和双光路差分法相结合的方法,用于检测硫化氢气体浓度。采用双光路差分法对TDLAS气体检测技术进行了改进,消去了基波分量,在微弱信号检测中使锁定放大器减少了测量误差,提高了系统对二次谐波的检测能力。设计了硫化氢传感器的系统结构,并对其建立了数学模型进行仿真。结果表明,利用谐波检测和双光路差分法对低浓度硫化氢气体有很好的检测效果,验证了该方法的可行性和正确性。

硫化氢气体传感器;光谱吸收;谐波检测;双光路差分

硫化氢气体是腐蚀性极强的剧毒高危气体,广泛产生于石油、化工、钢铁等多个生产环节[1],由于我国高含硫油气田多处于山区,复杂地形使泄露的硫化氢气体很难扩散,而在井场附近积聚严重威胁施工人员、施工现场周边居民生命安全,腐蚀破坏石油天然气装备,因此必须对油气井现场硫化氢气体浓度进行实时、远程安全检测[2]。

由于低浓度硫化氢气体信号极其微弱,灵敏度低;同时在油气勘探开发现场,与硫化氢气体伴生的其他酸性气体将产生较强噪声,降低了信号的信噪比,因此很难对其进行检测。在基于光谱吸收特性的气体检测技术中,有直接吸收检测法[3]、差分吸收检测法[4-5]、基于光源调制的谐波检测法[6]。直接利用光谱吸收的特性对气体浓度检测存在许多干扰因素[7],很难进行检测,例如光源输出功率不稳定的影响以及光源中心波长发生漂移造成的影响,除此之外还有微弱信号检测中噪声的干扰等。若用谐波检测的方法可以消除系统的固有噪声,提高信噪比,但不能消除光路的干扰和波长调制过程中伴随产生的光强调制的影响[8];若采用双光路差分吸收法可以消除光路的干扰因素和波长调制过程中伴随产生的光强调制的影响,但无法消除系统的固有噪声,又由于现有谐波检测技术中[9],基波分量的存在对高次谐波进行检测时,往往造成输入锁相放大器的信号幅值过大,超过了锁相放大器的过载电平不能进行检测。针对这一技术难题,因此本文对双光路差分法和谐波检测的方法进行结合,提出了双光路差分谐波检测的方法,可以进一步提高硫化氢气体传感器的检测能力和灵敏度。

1 检测原理

当光源发射出的光的波长与标准检测气体的吸收波长相近或者相等时,此波长的光通过检测气体时,会产生强烈的吸收现象,而且其吸收的强度与待检测的标准气体的浓度相关,被气体分子吸收前后的光强变化遵循比尔-朗伯(Beer-Lambert)定律:

I=I0exp[-a(v)CL]

(1)

式中:I为输出光光强;I0为入射光光强;a(v)为气体吸收系数;C为气体浓度;L为吸收路径长度。

气体对光谱的吸收受光波长的影响极其大,利用激光器的电流调谐特性对光源频率进行调制,经过频率被调制后的光通过气体被吸收后得到的输出光强信号的变化与频率调制有关,输出光强信号中的谐波分量包含气体浓度信息,因此通过检测输出的光强信号谐波分量可推测得出被测气体浓度,基于光源频率调制的谐波检测可以抑制各种背景噪声,提高硫化氢气体传感检测系统的信噪比和灵敏度。

采用DFBLD作为光源时,通过对注入电流进行调制可以实现对光源输出波长的调制[10]。当光源的光强调制系数较小时,光源的输出波长与注入电流的大小呈线性关系,当对注入电流进行正弦调制时,光源的光功率(光强)也会被正弦调制,其表达式为

I0(t)=I0(1+m·sin(ωt))

(2)

式中:m为光强调制系数,光源的输出频率为:

v(t)=v0+n·sin(ωt)

(3)

式中:v0为光源没有经过调制时的中心频率,n为频率调制系数。

在光谱学中,用线型函数描述气体分子吸收谱线[11],谱线的线宽主要分为自然线宽、碰撞线宽和多普勒线宽。在常压下,气体分子吸收谱线的线宽主要为碰撞线宽[12],当光源输出的中心波长在气体吸收峰上时,用洛伦兹线型函数描述气体分子的吸收谱线函数为

(4)

(5)

式中:a0为气体吸收谱线中心频率v0对应的中心吸收系数,γ为吸收线的半高半宽。

气体特征谱线的气体吸收线强

(6)

式中:S为每个气体分子的线强度,单位为cm/(molecule/cm2),可以通过HITRAN数据库查询得到[13];P为气体压强;N为气体分子数密度,与压强和温度有关,在室温即温度为296 K,压强P为常压1 atm时,N取2.687×1019。所以吸收线的中心吸收系数

(7)

将式(2)、式(3)代入朗伯-比尔定律表达式(1)中得到

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

(8)

由于吸收系数a(v)非常小,即a(v)CL≪1,所以式(8)可写为

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)

又因为光强调制系数m≪1,所以式(9)可近似为

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

(10)

将式(4)代入式(10)中得

(11)

If=I0m

(12)

I2f=-kI0a0LC

(13)

(14)

式中:k为x的函数,通过调节x可以得到二次谐波的最大值。由式(12)和式(13)可知,输出光强的基波分量主要由光强调制引起,与气体的浓度不存在任何关系;二次谐波分量与气体浓度存在函数关系,所以利用谐波检测技术从差分后的光强信号中检测出带有浓度信息的二次谐波信号,改变气体浓度,找出二次谐波信号和气体浓度的对应关系,就可以反推得到气体浓度。

2 检测方法及系统设计

直接利用光谱吸收的特性对气体浓度检测,需要将光源的波长锁定在气体吸收峰处,当光源不稳定造成光源中心波长发生漂移不在气体吸收峰处时以及系统固有噪声的影响,对检测结果带来很大的误差。为避免这种误差,采用半导体激光波长调制技术和谐波检测,首先对光源进行波长调制,选择DFBLD半导体激光器作为光源,可以通过电流调制对光源波长进行调制。DFBLD的驱动电流由直流量、正弦波信号、和锯齿波信号组成,直流量对应光源中心波长,高频正弦信号用于实现对光源的波长调制,低频锯齿波信号用于改变光源的输出波长,使光源波长周期性的在气体吸收峰处进行扫描,光源在气体吸收峰处被吸收发生作用,在输出端产生谐波信号,通过对谐波信号检测可以得到气体浓度,采用波长扫描的波长调制方法可以消除光源中心波长产生漂移的影响。

(15)

由式(15)可知差分后消除了幅值较大的基波分量,使要进行谐波检测的输入信号以二次谐波为主。这样就避免了锁相放大器的过载问题,提高了它的检测能力。

图1 硫化氢气体传感器检测系统结构图

3 系统仿真及分析

为了验证系统性能及方案的可行性,对系统进行建模仿真,仿真参数的设定:本文中选用1.578 μm作为硫化氢气体中心吸收波长,吸收谱线的半高半宽γ为0.074 cm-1,每分子的线强度S为1.3×10-22cm/(molecule/cm2),可计算出气体吸收谱线的中心吸收系数a0=0.015 cm-1,吸收路径长度L为100 cm,光强I0=100 cd,气体吸收峰波长λ0为1.578 μm(对应的气体吸收峰的波数为6336.6 cm-1),即硫化氢吸收谱线的中心频率为v0=6 336.6 cm-1。

图2 检测光路直接输出的光强信号

图2是检测光路直接输出的光强信号,图3是两条光路差分后输出的光强信号,从图3中可以看出波形以二次谐波分量为主,消去了基波分量,这样再经过锁相放大器进行谐波检测就变得非常容易,可提高锁相放大器的检测能力。

图3 两条光路差分后输出的光强信号

图4 二次谐波信号

图4是差分后输出信号经过锁相放大器提取的二次谐波信号,改变程序中的浓度值,记录标准气体浓度值及对应的二次谐波信号幅值,并通过拟合算法推算得到检测示值,如表1所示。

表1 硫化氢气体传感器仿真系统测试数据

根据表1中的数据,当硫化氢气体浓度增大时,测量误差也将增大,但测量误差始终控在2%以内,能够达到很好的测量精度。通过拟合算法可以得到硫化氢气体浓度和二次谐波信号幅值的对应关系曲线,如图5所示,从图中可以看出二次谐波信号与硫化氢气体浓度存在正比的线性关系,也验证了该方法的可行性和正确性。

图5 气体浓度与二次谐波幅值拟合曲线

5 结论

基于光谱吸收型光纤气体传感器的工作原理,提出了一种基于光源波长调制技术的谐波检测法和双光路差分法相结合检测硫化氢气体的方法,设计了基于光谱吸收法的硫化氢传感器系统结构,并对其建立数学模型进行仿真,仿真结果验证了这一方法可行性,避免了由于锁相放大器的信号幅值过大导致电平过载的问题,大大地提高系统在微弱信号检测中锁定放大器对二次谐波的检测能力,减小测量误差。利用谐波检测和双光路差分相结合的方法解决了在油气勘探开发现场低浓度硫化氢气体信号极其微弱,灵敏度低的问题,系统的信噪比、精确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