光声光谱多组分气体检测技术研究进展

光声光谱气体检测技术是利用光声效应实现痕量气体检测的一项重要技术,具有高灵敏度、高选择性、零背景信号、可实时在线监测等优点,在环境监测、采矿冶金、能源电力、医疗卫生等领域发挥着至关重要的作用。考虑到气体检测应用环境的复杂性,实际的检测环境往往是多种组分气体同时存在且需要监测每种组分气体的含量,此时对多组分气体进行同时检测的技术就显得尤为重要。首先介绍了光声光谱气体检测技术的基本原理和特点,主要从光源和光声池的角度阐述了以光学复用方法为核心的光声光谱技术在多组分气体检测中的应用,并分析了石英增强光声光谱技术的特点及其在多组分气体检测中的应用,最后对光声光谱多组分气体检测技术的发展趋势进行了总结与展望。

基于STM32L151的低功耗便携式多组分气体检测仪设计

本文设计了一种基于STM32L151的便携式多组份气体检测仪,采用电化学原理测量硫化氢、一氧化碳和氧气的浓度,利用催化燃烧原理测量甲烷的浓度.本文详细介绍了气体浓度检测原理及其调理电路、系统控制电路和上、下位机软件设计.实验证明,该气体检测仪具有体积小,功耗低,测量精度高等优点,适用于日常生活和工业生产等各类场景.

GC-Tracer半透膜多组分气体检测系统

在气测录井中,传统的搅拌式电动脱气器存在体积大、影响因素多、脱气不定量等问题,传统气测录井存在检测组分少导致信息不充足等缺点。针对上述问题威德福公司研发的GC-Tracer半透膜多组分气体检测系统,采用半透膜脱气器代替传统搅拌式电动脱气器,具有体积小、安装灵活、脱气效率稳定、受外界干扰小等优点;多组分气体检测系统可在60s内实现C_1-C_8、苯和甲苯、二氧化碳的检测,大幅增加了地层检测信息量。现场应用结果表明,以定量脱气及多组分气体检测为基础,可准确发现油气层,快速精确评价地层含油气信息,能更好地服务于勘探开发,在深海录井、非常规录井、欠平衡录井、混油钻井液录井等方面具有很好的应用前景。

基于MEMS-FPI片上光谱芯片的多组分痕量气体检测系统

气体的特征吸收频率可以通过红外光谱技术进行提取,但以可调谐激光吸收光谱法(TDLAS)为标志的气体光谱检测技术难以兼顾宽波段与高精度。因此,高集成度、高速度和高稳定性的多组分痕量气体的检测技术一直是科研界研究的热点。为了拓宽红外激光器检测的范围,本项目研发了中心波长分别为1543、1579、1626、1653、1690与1742 nm波段可调谐的多通道、可调频分布式反馈(DFB)激光器作为光源。利用MEMS-FPI片上光谱芯片探测带宽窄(约5 nm)、工作波长可精准调控、滤波效率高等一系列优势,实现了与多波长红外激光器的同步探测,完成多种混合气体的稳定高精度的识别与浓度检测,有效抑制了背景气体的相互干扰。该系统采用可寻址的MEMS-FPI光谱芯片的多通道波长调制(WMS)技术,通过单路锁相放大电路分别对不同气体吸收谱线的二次谐波(2f)信号进行解调与数字采集。实现了甲烷(CH4),硫化氢(H_(2)S),乙烯(C2H4)等七种气体标志物的快速痕量级检测。能够兼顾多组分识别与低气体检测下限(识别速度2 s以内),检测下限相比于传统宽光谱直接测量方法降低了约700倍。实验结果表明,本系统对甲烷的检测下限可达到0.2μL·L^(-1),且二氧化碳的检测下限为10μL·L^(-1),丙酮的检测下限为2μL·L^(-1),乙烯、硫化氢的检测下限为1μL·L^(-1),氨气的检测下限为5μL·L^(-1),氯化氢的检测下限为4μL·L^(-1),完全满足包括双碳背景下的低浓度温室气体监测、医疗领域人体呼出气体检测与诊断在内的一系列痕量级多组分气体检测的应用需求。

多组分气体激光光声检测腔的设计

针对多组分气体的光声检测理论进行了研究,提出多组分气体检测腔的2种不同设计方法,分别是多腔检测法与单腔检测法,总结给出2种结构腔的优势与不足。在所选光源无交叉吸收和调制频率无重合的条件下,采用单腔多频率锁相法进行混合气体光声试验,结果表明单腔多组分光声检测方法准确可行。

SF6气体绝缘电气设备故障分解物检测的多组分交叉干扰及校正算法综述

SF6气体绝缘电气设备目前已被广泛地应用于电力行业中,因此通过检测SF6气体衍生物的成分和含量来对气体绝缘电气设备进行状态检测成为了一个重要的技术手段。基于光学方法的气体检测技术是目前最有效的检测技术之一,但受气体本身的光谱性质所限,在检测光学波段内往往会出现混合气体中各组分吸收峰重叠的现象,即交叉干扰,导致各组分的体积分数难以被准确测量,从而难以对气体绝缘电气设备内的潜在故障进行准确判断,降低电气设备运行的安全性和可靠性。因此,必须对交叉干扰进行校正以保证检测结果的准确性。本文研究了现阶段各类应用于微量气体检测的交叉干扰处理技术,总结了各处理技术的优势与缺点,并对相关技术进行展望,旨在为采用光学方法进行微量气体检测的相关人员提供参考。

面向工业园区的多组分痕量气体光声光谱同时检测

工业园区有毒有害气体排放具有种类繁多、成分复杂、分布广泛等特点,建立多组分、高精度气体监测技术体系是污染防控的基础.黑体光谱辐射范围广,可有效地降低吸收谱线相互干扰可能性,是多组分气体同时检测的首选光源.但其单波长能量低且稳定性欠佳导致难以实现高精度气体探测.鉴于此,本文提出光学增程和声学谐振双重增强模式联用,设计了一种可用于多组分气体同时高精度检测光声光谱传感器.应用两个相同T型增强光声池,构建了双光路增强型差分光学/光声检测模式,实验证明了差分光声模式具有更强的噪声抑制能力,可于同波段强吸收背景下提取出微弱痕量目标气体吸收信息,且双光路增强型信号较单光路模式提高了1.91倍.进行多组分气体同时检测性能研究,常温常压下CO_(2),C_(2)H_(2)和NH_(3)检测精度的体积分数分别为7.25×10^(-7),1.84×10^(-6)和1.43×10^(-6),比单光路光声模式提高了1个数量级.对体积分数为0-3×10^(-3)的三种气体样品进行测试,光声信号线性度高于0.995.广谱双光路T型增强差分光声光谱技术补偿了黑体广谱检测方法灵敏度低的缺陷,具有灵敏度高、选择性好、背景噪声抑制能力强的优势,可为建立工业园区多组分毒害气体的高精度监测技术提供支持,助力于我国“碳中和碳达峰”宏伟任务.

一种性能稳定的便携式多组分复合气体检测仪的设计

介绍了一种性能稳定的便携式多组分复合气体检测仪的设计,综合集成了非分散红外传感器和电化学传感器,并采用软件的参数模型方法进行了零点校正和温度补偿,和其它同类检测仪相比,检测精度高,稳定性好,无需进行频繁的调零和标定,降低了维护成本。

多组分变压器油溶解气体的傅里叶变换红外光声光谱定量检测

油中溶解气体是表征充油型变压器早期故障的重要特征量之一,其组分和含量的高精度检测在变压器运行状态评估和故障预警中拥有重要的研究意义。光声痕量气体检测技术作为一种光学检测手段,具有无损、高检测灵敏度、大动态范围和样品无需前处理等优点,有望实现多种变压器油溶解气体的在线检测。基于傅里叶变换红外光谱仪,结合高精度T型共振光声池,建立傅里叶变换红外光声光谱检测系统,选用CO2和C2H2作为气体样品,开展多种变压油中溶解气体定量检测研究。所设计的T型共振光声池主要由相互垂直的吸收腔和共振腔构成,声探测器位于共振腔顶端远离入射光路,避免了杂散光引起的噪声对光声信号的干扰。光声池的共振频率主要由共振腔决定,共振腔与入射光路垂直,其长度不受水平面的狭窄空间的影响,故可在有限的尺寸下实现低频共振,满足光谱仪样品空间需求。实验选用380μL·L^-1 CO2∶1 000μL·L^-1 C2H2∶N2的混合气体作为待测样品,应用光谱仪中的宽谱光源,选用6 cm^-1空间分辨率,采集并分析该气体样品的红外光声谱。所有气体吸收峰清晰可见,说明该方法可完成多种气体的同时检测。在常温常压条件下, 2 349 cm^-1入射光能量仅为12.6μW时, CO2气体的检测精度为4μL·L^-1,满足国家电网公司企业标准(Q/GDW 536-2010)变压器油中溶解气体在线监测装置技术规范中在线监测装置技术指标对CO2气体最低监测极限值的要求;1 360 cm^-1入射光能量为30μW时, C2H2气体在的检测精度为5μL·L^-1,达到中华人民共和国电力行业标准变压器油中溶解气体分析和判断导则(DL/T 722-2014)中对运行中220 kV及以下的变压器和电抗器设备油中溶解气体含量C2H2含量上限的限定。实验结果表明基于T增强型光声池气体检测系统结合了傅里叶红外光谱的广谱特性和光声气体检测技术的高灵敏度,可实现多种变压器油中溶解气体的高精度定量检测,有望为变压器运行状态监测和故障类型分析评估提供理论依据。

有尘环境多组分气体成分检测系统的设计

通过LabV IEW软件设计一个基于TDLAS谐波检测含尘气体浓度的虚拟系统,模拟测量在常温常压并含有已知粉尘颗粒的环境中SO2、NO2和NO 3种气体的浓度,且使气体成分测量的结果不受粉尘因素的干扰。设计中使用2 516.2,2 911.66,3 752.44 cm-1的3种中红外激光分别对SO2、NO2和NO气体进行检测,根据锁相放大原理设计虚拟多通道锁相放大器分析检测到的二次谐波信号,根据谐波信号对各气体的浓度进行定标测量,最后进行数据校正来排除粉尘颗粒的干扰,使气体的定标测量得到一个稳定的结果。

光声光谱多组分气体分析仪的交叉干扰特性研究

设计了一套基于红外热辐射光源的光声光谱多组分气体分析仪。通过分析多组分气体间交叉干扰的主要因素以及特征气体的红外吸收谱线,确定了中红外带通滤光片的参数。利用标准气体对设计的光声光谱仪进行标定,研究了待测气体之间交叉干扰的定量关系,并利用湿度发生器对装置受到水气干扰情况进行分析。实验结果表明,C_(2)H_(2)对CH_(4)、CH_(4)对C_(2)H_6的干扰水平分别达到10.49μV/(μL/L)、18.66μV/(μL/L),其他烃类气体间的干扰可以忽略。CO_(2)对CO、CH_(4)、C_(2)H_(2)和C_(2)H_(4)干扰响应度分别为1.615μV/(μL/L)、0.055μV/(μL/L)、0.130μV/(μL/L)以及0.016μV/(μL/L)。此外,水气对C_(2)H_(2)、CH_(4)、C_(2)H_6、C_(2)H_(4)、CO和CO_(2)都会产生一定的干扰,干扰的响应度分别为0.591μV/(μL/L)、0.421μV/(μL/L)、0.071μV/(μL/L)、0.007μV/(μL/L)、0.051μV/(μL/L)和0.055μV/(μL/L)。实验结果表明C_(2)H_(2)对CH_(4)、CH_(4)对C_(2)H_6、CO_(2)对CO以及高浓度水气对其他气体的检测会产生较高水平的干扰,在测量过程中应当考虑扣除。

C_(3)组分对C_(1)和C_(2)气体光声光谱检测的干扰特性研究

变压器发生过热或者放电故障时,绝缘油中除了溶解有C_(1)、C_(2)等特征气体外,还存在少量C_(3)组分气体,会对其他特征气体的检测产生干扰。通过分析气体交叉干扰产生的原因和C_(1)、C_(2)、C_(3)组分气体的红外吸收图谱,确定了滤光片参数并研究了滤光片带宽内的气体吸收系数,理论计算了C_(3)H_(8)和C_(3)H_(6)组分对C_(1)和C_(2)气体测量的干扰系数。搭建了基于红外热辐射光源和非共振光声池的光声光谱多组分气体分析系统。实验结果表明,C_(3)H8气体对CH_(4)、C_(2)H_(6)、C_(2)H_(4)、C_(2)H_(2)四种气体的干扰系数分别为3.78%、84%、1.5%和1.6%,C_(3)H_(6)气体对CH_(4)、C_(2)H_(6)、C_(2)H_(4)、C_(2)H_(2)四种气体的干扰系数分别为2%、32%、69.6%和2.6%。该研究对于评价和指导提升光声光谱变压器油中溶解气体分析装置的技术水平具有重要意义。

应用单一超窄线宽激光器的多气体检测系统设计

应用超窄线宽半导体激光器的波长扫描和光谱调制技术,设计了一种高精度多组分气体实时在线检测系统。系统采用单一超窄线宽可调谐半导体激光器作为光源,设计了新型串联式气室结构减小横向空间、增加光程长,并通过三角波信号对光源光谱进行调制;结合时分复用和空分复用技术,利用超窄线宽激光的特性实现了CO,CO2,CH4多组分气体浓度的同时多点检测。实验结果表明,对CO,CO2,CH4多组分气体浓度测量的线性相关度为0.99,最大相对误差<2%;逐次充入一定体积CH4,CO2,CO气体,动态响应时间均小于10 s。长时间稳定性实验显示,多组分气体浓度最大波动<0.02%。该系统精确度高、稳定性好,具有较好的动态响应特性,可用于电力变压器故障气体的实时在线监测。

基于近红外TDLAS变压器油中溶解气体在线检测装置

变压器绝缘油以链烷烃(C n H 2 n+2)为主要化学成分,在变压器长期运行过程中因电弧、放电、过热、受潮等原因导致化学键逐步发生断裂,产生与故障有关的故障判别气体(CH_(4),C_(2)H 2,C_(2)H_(4),C_(2)H 6,CO和CO_(2)),因此变压器绝缘油中会溶解多组分气体,故需要一种多组分气体的在线检测装置,以保证变压器的正常运行。针对电力行业装配需求,研制基于可调谐激光吸收光谱法(TDLAS)多组分气体的在线检测装置。针对6种故障特征气体的近红外吸收波段,分别选取1580,1654,1626和1530 nm四个近红外激光器,使用分时扫描的时分多路技术,实现对多组分气体的分时快速顺序检测并采用波长调制技术,消除背景气体的交叉干扰。主要检测气体为绝缘油化学键断裂所产生的烃类化合物(CH_(4),C_(2)H 2,C_(2)H_(4)和C_(2)H 6)和碳氧化合物(CO和CO_(2))。在线检测,与变压器油气象色谱测量方法进行对比实验,并对其进行工况稳定性测试。实验结果表明:乙炔浓度测量范围为0.5~1000μL·L^(-1),范围小于5μL·L^(-1)时最大测量误差小于0.8,5~1000μL·L^(-1)时最大误差在6μL·L^(-1)以下;甲烷、乙烷、乙烯的浓度测量范围为0.5~1000μL·L^(-1),最大测量误差小于6μL·L^(-1);碳氧化合物(CO和CO_(2))测量范围分别为25~5000,25~15000μL·L^(-1),最大测量误差分别在2与20μL·L^(-1)以下。所设计的近红外TDLAS多组分气体检测装置能够用于变压器油中溶解气体的在线检测,测量的气体浓度满足在线检测要求,能够稳定运行且适应恶劣工况条件,为检测变压器油中溶解气体在线测量提供了有效的实践经验。

基于红外吸收光谱法检测SF_6分解气体的仿真与实验研究

为研究红外吸收光谱法在SF_6分解气体检测分析中的应用,通过仿真计算得到了SF_6特征分解气体的红外吸收特征光谱,并确定了3种目标检测气体(CO、SO2、H2S)的红外特征频谱;依据红外光谱检测原理,设计了基于FTIR的SF_6分解气体检测系统,使用该检测系统对实验样气进行测试实验。结果表明:基于FTIR的SF_6分解气体检测系统能够有效地对目标检测气体进行定性及定量分析,可应用于SF_6分解气体的在线监测。

基于超窄线宽激光器的多气体光声光谱检测研究

针对多组分痕量气体检测中精确度差、灵敏度低等问题,设计了基于光源波长扫描技术的光声光谱式多组分痕量气体检测系统。系统采用单一超窄线宽半导体激光器作光源,设计了一阶纵向共振式多光程吸收光声池,通过正弦信号对光源波长进行调制,并结合二次谐波信号检测技术和超窄线宽激光特性,有效地消除了吸收池内的背景噪声和光源抖动的影响,实现了C2H2、CO和CO2多组分低浓度气体同时检测。实验结果表明,C2H2、CO和CO2多组分气体浓度测量线性相关度为0.99,最大相对误差小于2%,极限检测灵敏度分别为5×10-6、12×10-6和15×10-6;长时间稳定性实验,多组分气体浓度最大相对波动小于1.5%。系统精确度好、灵敏度高并具有较好的稳定性,可用于电力变压器故障气体实时在线监测。