开放式激光检测甲烷浓度系统研究-化工

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1、开放式激光检测甲烷浓度系统研究-化工开放式激光检测甲烷浓度系统研究吴小路1　杨炳雄2（1.大连大学信息工程学院，辽宁大连116622；2.大连艾科科技有限公司，辽宁大连116600）【摘　要】天然气的主要成分是甲烷，天然气开采、处理和输送作为一项高技术、高风险的生产活动，各种形式的天然气泄漏成为影响环境与安全的隐患。可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术具有高选择性、高灵敏度、快速响应等特点，已经广泛应用于痕量气体浓度检测中。本文提出一种基于TDLAS的开放式激光检测甲烷浓度系统，该系统主要采用了波长调制

2、光谱技术和二次谐波检测技术。在开放光程下，研究甲烷气体的特征吸收谱线，测量了六种浓度甲烷气体。将该系统应用于甲烷气体检测中，有利于安全生产，具有广泛的实际应用价值。关键词激光；TDLAS；甲烷；开放StudyofOpenSystemofMethaneDetectionUsingLaserWUXiao-lu1　YANGBing-xiong2（1.InformationEngineeringCollege,DalianUniversity,DalianLiaoning116622,China;2.DalianAc

3、techCo.,Ltd.,DalianLiaoning116600,China)【Abstract】Themethaneismaincomponentofnaturalgas，innaturalgasexploiting,processingandtransporting,naturalgasleakisdangerousforenvironmentandsecurity.Tunablediodelaserabsorptionspectroscopy(TDLAS)technologyhasbeenwidely

4、usedinatmospherictracegasesdetection,becauseithasalotofadvantageouscharacteristics,suchashighsensitivity,goodselectivity,andrapidtimeresponse.Thispaperpresentsaremotemeasurementsystembyusingtunablediodelaserabsorptionspectroscopy,thisSystememployedthesecond

5、-harmonicdetectionofwavelengthmodulationspectroscopy.Thispapercharacteristicsofmethanegasabsorptionlines,measuringsixkindsofconcentrationsofmethanegasintheopenpath.Thesystemisappliedtothedetectionofmethanegas,itisconducivetosafeproductionandawiderangeofprac

6、ticalapplications【Keywords】Laser；TunablediodeLaserabsorptionspectroscopy；Methane；Openpath作者简介：吴小路（1988—），安徽合肥人，硕士研究生，主要研究方向为气体检测。0　引言在天然气的开采、传输过程中各种形式的气体泄漏将会严重影响大气环境和人民生命财产安全。当空气中的甲烷浓度达到5%，氧气浓度不低于12%时，遇到明火，就会发生爆炸。因此研制一套甲烷检测系统，能够对天然气开采运输过程中的甲烷泄露高灵敏度检测，具有十分重要

7、的现实意义。相比较传统的化学测量方法，可调谐半导体激光吸收光谱技术具有无可比拟的优势，由于它测量灵敏度非常高、测量的下限非常低，可以满足气体浓度检测的要求，因而非常广泛地运用在常规技术手段无法实现的痕量气体浓度测量中[1]。本文使用DFB激光器应用TDLAS技术，在开放光程下，对甲烷浓度进行检测系统。这种测量系统具有高灵敏度、便携，并可以遥测等技术特点。该方案采用波长调制，二次谐波检测等技术,检测二次谐波信号并利用最小二乘法就可实现甲烷气体浓度的测量。本文对该系统方案进行了理论分析和实验研究。1　检测原理TD

8、LAS技术是经调制过得激光频率扫描一条独立的气体吸收线，获得目标气体的特征吸收谱线的吸收光谱，推算浓度信息[2]。1.1　Lambert-Beer定律（1）式中，I1是接收光强，I0为入射光强，α（v）是频率为v的气体吸收系数，C是气体密度，L是气室长度。那么在本系统，接收端的接收光功率为：（2）其中，K是接收效率，D是气体浓度关于开放光程的积分。1.2　甲烷特征吸收谱线从HITRAN2012数据库