基于CIC的数字正交锁相放大器的甲烷检测实验研究

针对甲烷在大气中背景气体成分复杂、检测难度大、稳定性差等问题,本文基于可调谐二极管激光吸收光谱技术和波长调制光谱技术,将积分梳状滤波器与有限脉冲响应滤波器相结合应用于数字正交锁相放大器,开展大气中甲烷气体的痕量检测实验研究。实验表明,与传统的数字正交锁相放大器相比较,改进的数字正交锁相放大器提取的二次谐波信号的信噪比从38.61 dB提高到44.95 dB;将非线性迭代最小二乘法-极限学习机算法模型应用于甲烷气体浓度反演,与经典的最小二乘法相比较,其均方根误差减小了0.907;通过16组浓度步进实验测试,该系统的实际检测下限为1 ppm;在压力为600 mbar,温度为25℃,甲烷浓度为50 ppm进行3 h的长期稳定性测试,检测的甲烷浓度变化范围为49.6~50.3 ppm,其标准差为0.0921 ppm。当积分时间达到56 s时,该系统的理论检测极限为25.6 ppb。积分梳状滤波器和非线性迭代最小二乘法-极限学习机算法模型在红外气体检测方面具有较高的优越性和实用前景。

数字正交锁相放大器在光纤瓦斯检测系统中的应用

为了实现高精度实时的瓦斯气体检测系统,介绍了数字正交锁相放大器,主要对其基本原理和结构进行了分析,利用FPGA和A/D转换器件,设计了数字锁相放大器的硬件电路。将数字正交锁相放大器应用于光纤瓦斯检测系统中,避免了传统锁相放大器在系统中手动移相和直流漂移的产生。同时放大微弱信号,更精确地得到所需的幅值信息,再由幅值间接得到相应的瓦斯浓度值。通过实验表明,在实际应用中能及时、精确地实现井下瓦斯浓度检测,有效地减少了安全隐患,并且可以提高工作效率和测量的准确性。

应用自适应滤波的天然气中H_(2)S浓度反演系统

在石油化工生产过程中,天然气中硫化氢(HS)气体存在一定的泄露风险。由于HS具有腐蚀性和剧毒特性,严重危害人身的生命健康安全,因此对天然气中H_(2)S气体进行痕量检测具有重要意义。基于可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)和波长调制技术(WMS),选取H_(2)S气体在1590.6 nm的近红外光谱作为目标吸收峰,采用中心波长为1590 nm的分布式反馈(DFB)激光器(SN:16110883)、光程为20 m的Herriot气室和响应范围为800~1700 nm的In GaAs探测器,利用经典最小二乘(CLS)算法反演气体浓度,利用LMS(least mean square)自适应滤波器代替传统带通滤波器,对输入到数字正交锁相放大器的信号做预处理,开展天然气中HS气体的痕量检测实验研究。实验结果表明:天然气中HS浓度反演系统的检测下限可达1μmol/mol;经3h的稳定性测试,当积分时间为134 s时,其检测极限可达到89 nmol/mol;最后开展抗干扰性实验,当作为背景气体的甲烷(CH_(4))和二氧化碳(CO_(2))分别从0~100μmol/mol和100~0μmol/mol变化时,HS气体测量误差最大仅为0.42μmol/mol。因此将LMS自适应滤波器应用到数字正交锁相放大器的前端作为预处理单元,改善了天然气中HS浓度反演系统的信噪比,提高了系统的稳定性与鲁棒性。