一種有毒有害氣體濃度在線測試方法
【技術領域】
[0001] 本發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】
[0002] 目前的工業過程中會產生較多的有毒有害氣體，這類氣體已經嚴重威脅生命財產 安全，需要在開采過程中嚴格對易燃易爆，有毒有害氣體進行檢測和預報。目前，常用的氣 體檢測方法多采用電化學原理、氣體半導率測試原理、MOS場效應管原理、熱傳導原理、催化 燃燒原理、紅外測試原理等方法，其技術已經比較成熟。但是，電化學原理是借助電子特性 來工作時，在使用過程中會有產生電火花并引發爆炸的可能，這是電化學測試的致命弱點， 而且這類測試方法容易因為電介質消耗而壽命降低，往往存在容易老化和中毒的缺點。半 導體式傳感器穩定性差，受環境的影響較大，尤其是每一種傳感器的選擇性都是唯一的，輸 出參數不易應用在計量準確要求較高的場所。MOS場效應選擇性極好，但只能用于氧氣檢 測，具有明顯的局限性。熱導傳感器的缺點是可應用的范圍較窄，限制因素較多。催化燃 燒式原理在可燃性氣體范圍內，對氣體沒有具體的選擇性，屬于暗火工作，有引燃爆炸的危 險，并且大部分有機蒸汽對傳感器有中毒作用。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、塵埃雜質成分的影響紅外特征吸收峰位置，測量精度不高。
【發明內容】
[0003] 針對現有技術存在的上述不足，本發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] 為了解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是這樣的：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、參考氣室、光探測器、光檢波器、振蕩器、倍頻 器、數字鎖相放大器、高通濾波器、除法器、以及A/D轉換器和計算機處理單元；具體測試步 驟如下：
[0005] 1)通過恒流電源給寬帶光源供電，啟動寬帶光源，并通過光纖耦合器將寬帶光源 發出的光束分別傳輸至測量氣室和參考氣室，其中，測量氣室內充滿含有待測氣體的有毒 有害廢氣，參考氣室內充滿100%濃度的標準參考氣體，該待測氣體的成分與標準參考氣體 的成分一致；
[0006] 2)將參考氣室內的光纖與壓電介質PZT粘合設置，通過振蕩器對壓電介質PZT供 電，通過光探測器檢測參考氣室的透射光強，光探測器經高通濾波器后將信號輸送至除法 器；
[0007] 3)與測量氣室相連的光纖經激光發射頭后，將寬帶光射入測量氣室，并沿設定的 路徑后到達測量氣室的激光接收端，通過光探測器對激光接收端的光強進行檢測，光探測 器經光檢波器和數字鎖相放大器后將信號輸送至除法器；
[0008] 4)在2)中振蕩器使PZT伸縮振動，帶動光纖產生光柵時，通過高頻調制此時依賴 頻率的具體信號，再使用掃頻儀掃描振蕩器的頻率，然后通過倍頻器將調制頻率的倍頻作 為參考信號；
[0009] 5)當測量氣室氣體濃度與測量氣室氣體濃度光信號相關時，光探測器輸出的信號 將發生變化；通過光檢波器將氣體濃度信號中的交、直流部分分開，并將交流部分送入鎖相 放大器；
[0010] 6)通過除法器將數字鎖相放大器輸出的直流電壓信號與高通濾波器輸出的直流 電壓信號直接相除，再通過A/D轉換器轉換后，將數字信號輸送至計算機處理單元，通過氣 體濃度解算模型進行處理，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] 進一步地，所述氣體濃度解算模型為：
[0012] a、依據 Beer-Lamber 定律公式，輸出光強 I (λ) = I0 (λ) exp [_α (λ) LC];
[0013] 式中：α (λ)是對應波長λ下的介質吸收系數；L是氣體吸收路徑的長度；C是氣 體濃度；I ( λ )是輸出光強；I。（ λ )是輸入光強；
[0014] b、對PZT施加交變電壓，帶動光柵周期性伸縮，光波波長為λΒ= λ fbcosco t ;
[0015] 式中：λ。為中心波長，對應的是參考氣體的吸收峰，ω為PZT調制頻率；b為調制 幅度，由于經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、設總耦合系數為η，則輸出光強模型為：
[0018] 式中：Ι( λ)為輸出光強，AJlj λ b為有效波長范圍，P。為入射光譜密度；
[0019] 從步驟b中可得到在參考氣室檢測光纖光柵的透射光強，
其中，I。為入射光強度，P。為入射光強密度，r為光柵參數；
[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為對應的吸收峰；
[0023] d、由于 a(A)LC << 1，因此，eaU)LC~ l_a(A)LC，得到：
[0024]
[0025] e、對壓電陶瓷PZT施加交變電壓，將帶動光柵周期伸縮，使光柵中心波長 與氣體吸收峰對準，λ。= λ g，此時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的公式變為：
[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調制頻率；b為調制幅度；
[0028] f、對步驟e的公式進行傅里葉變換，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，f(x, 為Φ的奇函數，因此有：
[0029]
[0030]
[0031]
[0032] 令Φ = cot，最終輸出信號的二次諧波分量幅值為：
[0033]
[0034] 其中，
[0035]
[0036] 此時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為與光強度無關的常數，
[0040] 此時，待測氣體的濃趕
[0041] 進一步地，所述參考氣室和測量氣室均具有進氣口和出氣口，通過更換參考氣室 內的氣體，能夠對不同成分的氣體濃度進行測量。
[0042] 進一步地，在更換參考氣室內的氣體的過程中，先將參考氣室內的氣體排空，然后 用純N2沖洗后，再充入其它成分的氣體。
[0043] 與現有技術相比，本發明具有如下優點：
[0044] 1、該檢測系統對于干擾氣體有較強的抵抗能力，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構上沒有很大的相關性，輸出信號也不會有較 大的變化，可以對待測氣體的成分達到比較理想的靈敏度。
[0045] 2、將光纖粘合在壓電陶瓷PZT上，通過對壓電陶瓷施加電壓調節即可使壓電陶瓷 PZT產生伸縮，使傳輸光纖的折射率發生變化形成光柵，對LED寬帶光源入射波進行調制， 獲得窄帶出射光，很簡便。
[0046] 3、該發明中探測器的輸出信號的二次諧波與氣體濃度成正比，通過檢測二次諧 波，即可立即實現氣體濃度的檢測；本發明中利用測量氣室探測器輸出信號與光纖光柵的 透射光強相除，可以消除光源老化或光功率波動等因素帶來的影響，可提高檢測靈敏度。
[0047] 4、本發明可以測試不同成分的氣體，一套檢測系統使能適用于不同的測試環境， 將參考氣室內的氣體用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，在這一波段范圍內發光器件和接收器件都是比較理想，而且工業上常見的有毒有害 氣體在這個范圍內都有吸收峰，都能被檢測。而且輸出功率損耗小，抗電磁干擾能力強，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噪聲和各種干擾，可應用于微弱 信號的檢測工作，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為參考氣室的工作原理框圖。
[0052] 圖中：1一測量氣室，21-光纖容置腔，22-氣腔，3-壓電介質PZT。
【具體實施方式】
[0053] 下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明。
[0054] 實施例：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、參考氣室、光探測器、光檢波器、振蕩器、倍頻器、數字鎖相放大器、高通 濾波器、除法器、以及A/D轉換器和計算機處理單元；具體測試步驟如下：
[0055] 1)通過恒流電源給寬帶光源供電，啟動寬帶光源，并通過光纖耦合器將寬帶光源 發出的光束（寬帶光束）分別傳輸至測量氣室和參考氣室，其中，測量氣室內充滿含有待測 氣體的有毒有害廢氣，參考氣室內充滿100%濃度的標準參考氣體，該待測氣體的成分與標 準參考氣體的成分一致。所述參考氣室和測量氣室均具有進氣口和出氣口，通過更換參考 氣室內的氣體，能夠對不同成分的氣體濃度進行測量；以對不同成分的有毒有害氣體進行 測量。
[0056] 2)將參考氣室內的光纖與壓電介質PZT粘合設置，所述參考氣室分為前后兩段， 前段為光纖容置腔，后段為氣腔，氣腔內通標準氣體；寬帶光傳輸至參考氣室后，通過振蕩 器對壓電介質PZT供電；然后通過激光發射頭射入氣腔，并沿設定的路徑后到達測量氣室 的激光接收端。壓電介質PZT在電場的作用下產生伸縮，使傳輸光纖的折射率發生變化形 成光柵，對入射波進行調制反射濾光，獲得與吸收譜線相適應的窄帶（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氣室光纖光柵的透射光強，光探測器經高通濾 波器后將信號輸送至除法器；由于此時透射光中已經沒有與參考氣體的吸收譜線相適應的 光，因此不會產生吸收，光強不會衰減。
[0057] 3)與測量氣室相連的光纖經激光