基于差分吸收的H2S氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng)

陳書旺，尹曉偉，王真真

(河北科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

0 引言

石油和天然氣的開(kāi)采過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生H2S氣體，H2S氣體含有劇毒且易燃易爆，具有安全隱患。因此對(duì)H2S氣體濃度進(jìn)行快速準(zhǔn)確的檢測(cè)是十分重要的。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)H2S氣體的方法(比如醋酸鉛試紙法)誤差大，計(jì)算比較復(fù)雜，無(wú)法對(duì)油氣井現(xiàn)場(chǎng)氣體H2S濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)[1]。

光譜吸收型光纖氣體傳感器是一種新型傳感器，適合易燃或強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下測(cè)量，反應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用壽命長(zhǎng)。本研究中的光源采用發(fā)光二極管(LED)，用光纖布拉格光柵代替?zhèn)鹘y(tǒng)的濾波片進(jìn)行濾波，降低了成本。使用差分吸收檢測(cè)的方法，通過(guò)光強(qiáng)度調(diào)制技術(shù)與鎖相放大技術(shù)消除光源不穩(wěn)定，光路的強(qiáng)弱和系統(tǒng)噪聲的影響，提高了檢測(cè)精度[2]。

1 理論分析

1.1 H2S分子的特性

光譜吸收原理是分子的選擇特性，即氣體只能夠吸收特定條件的光子，即：光子的能量與某兩個(gè)能級(jí)的能量之差相等。由于每種氣體分子的組成都不同，能級(jí)差也就不同，因此氣體對(duì)特定頻率或波長(zhǎng)的選擇吸收也就不同，通過(guò)對(duì)某種波長(zhǎng)的光的吸收情況進(jìn)行檢測(cè)，就可以完成對(duì)氣體進(jìn)行定性和定量的分析[3]。

在HTRAN數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢可得到H2S氣體分子最強(qiáng)吸收峰位于中紅外波段處，在此波段的光源和光探測(cè)器需要冷卻使用，所以該波段不適合選用。H2S分子在3個(gè)不同的固有振動(dòng)頻率之和(V1+V2+V3)處有大范圍的吸收，在6 636～6 638 cm-1波數(shù)范圍內(nèi)譜線吸收強(qiáng)度最大，再通過(guò)進(jìn)一步縮小波數(shù)范圍找到最強(qiáng)譜線。如圖1所示，在吸收譜線波數(shù)為6 636.6 cm-1處吸收強(qiáng)度最大，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為1.578 μm。所以本研究選擇1.578 μm作為H2S氣體的中心吸收波長(zhǎng)[4]。

圖1 H2S在波數(shù)6 636.6 cm-1左右的吸收譜線

1.2 差分吸收檢測(cè)原理

光通過(guò)被測(cè)氣體時(shí)，如果該光波長(zhǎng)與被測(cè)氣體的波長(zhǎng)接近時(shí)，則氣體會(huì)大量吸收該波長(zhǎng)的光，被氣體分子吸收后，光照強(qiáng)度也會(huì)發(fā)生改變，光強(qiáng)前后的變化遵循Beer-Lambert定律[5]：

I(λ)=I0(λ)exp[-α(λ)CL]

(1)

式中:I(λ)為出射光的光強(qiáng)；I0為入射光的光強(qiáng)；α(λ)為氣體吸收系數(shù)；L為光通過(guò)被測(cè)氣體的長(zhǎng)度。

由于光路會(huì)受到干擾，式(1)改寫為

I(λ)=I0(λ)exp[-α(λ)CL+β(λ)]

(2)

式中β(λ)為光路干擾因素。

因β(λ)是一個(gè)變化量，無(wú)法精確得出結(jié)果，所以式(2)不能直接得到氣體濃度。

光譜吸收傳感器的理想光源是半導(dǎo)體激光器，但是其功率高，價(jià)格昂貴，不能得到廣泛的應(yīng)用，所以本研究選用發(fā)光二極管(LED)作為光源，成本低、性能穩(wěn)定，目前在光譜吸收傳感器中已得到廣泛應(yīng)用。由于LED光源是寬帶光源，在檢測(cè)氣體中會(huì)影響測(cè)量精度，傳統(tǒng)方法是將光源通過(guò)干涉濾波片進(jìn)行濾波，本文中采用光纖布拉格光柵和壓電陶瓷(PZT)作為波長(zhǎng)的濾波和調(diào)制，如圖2所示，可以得到窄帶光源[6]。自光纖布拉格光柵發(fā)明后，它在光纖傳感和通信領(lǐng)域有很高的使用率，具有抗電磁干擾，體積小，可塑性高，耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)[7]。

圖2 PZT、光纖光柵示意圖

LED作為光源，其光功率可寫為

I(λ)=I0(λ)(1+msinωt)

(3)

因?yàn)棣?λ)<<11，將式(3)帶入(2)然后可寫為

I(λ)=I0(λ)(1+msinωt)[1-α(λ)CL]expβ(λ)]=mI0(λ)exp[β(λ)][1-α(λ)CL]sinωt+I0(λ)exp[β(λ)][1-α(λ)CL]

(4)

式(4)中含有出射光照強(qiáng)度的直流部分以及交流部分，交流部分和調(diào)制信號(hào)部分的頻率是相等的，其幅值為

S(λ)=mI0(λ)exp[β(λ)][1-α(λ)CL]

(5)

本研究采用差分吸收檢測(cè)方法，可以很好的減少了由溫度不穩(wěn)定，光源波動(dòng)，光路的強(qiáng)弱等引起一系列干擾，其原理是讓兩種不同波長(zhǎng)λ1和λ2的光一起通過(guò)被測(cè)氣體[8]。波長(zhǎng)λ1的值被測(cè)氣體吸收譜線的峰值頻率一樣，λ1與λ2的值接近，但是被測(cè)氣體在波長(zhǎng)λ2處的吸收系數(shù)偏小，計(jì)算式忽略不計(jì)，因?yàn)棣?和λ2的值接近，所以，入射光強(qiáng)I0(λ1)≈I0(λ2)。

通過(guò)式(5)，在λ1處的光有：

S(λ1)=mI0(λ1)exp[β(λ1)][1-α(λ1)CL]

(6)

因?yàn)棣?λ2)≈0，所以在λ2處的光有：

S(λ2)=mI0(λ2)exp[β(λ2)]

(7)

式(6)除以式(7)整理得：

(8)

通過(guò)求出S(λ1)和S(λ2)的比值就可以反演出H2S氣體的濃度，而且還除去了光源波動(dòng)和光路干擾的影響。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，LED發(fā)出的光經(jīng)過(guò)濾波后進(jìn)入氣室，從氣室出來(lái)的光經(jīng)過(guò)分光器[9]，經(jīng)過(guò)光纖光柵進(jìn)行濾波，出來(lái)的中心波長(zhǎng)為1.578 μm和1.56 μm，在之前已經(jīng)提到H2S在1.578 μm處有很高的吸收，在1.56 μm處沒(méi)有吸收。從光纖光柵出來(lái)的光在通過(guò)光電探測(cè)器，使光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，通過(guò)前置放大器將頻率信號(hào)的幅值放大[10]，在通過(guò)鎖相放大器來(lái)檢測(cè)幅值信號(hào)的值，一個(gè)是有氣體吸收的，另一個(gè)對(duì)應(yīng)沒(méi)有氣體吸收，再將兩個(gè)幅值信號(hào)做除法運(yùn)算，最后經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理得到氣體的濃度。

圖3 系統(tǒng)原理圖

光源位于整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的第一部分，它的質(zhì)量對(duì)整個(gè)系統(tǒng)有很大的影響。如果光源輸出非常穩(wěn)定，波長(zhǎng)鎖定在吸收峰處，那么差分吸收檢測(cè)精度可以達(dá)到很高。實(shí)際上光源輸出會(huì)有波動(dòng)，產(chǎn)生非嚴(yán)格的正弦波，造成很大測(cè)量誤差。因此在傳入氣室之前現(xiàn)將其進(jìn)行濾波，然后再傳入氣室。使光源輸出的光波更精準(zhǔn)，圖4中的波形受到了各種因素的干擾，導(dǎo)致波形發(fā)生了變化，圖5是經(jīng)過(guò)濾波后得到的波形，可以看出濾波后的光波很平滑，從而顯著減小了因波形變化而導(dǎo)致的誤差。

圖4 受到干擾的波形

圖5 濾波后的波形

3 實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果與分析

在Simulink仿真中可以檢驗(yàn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，其中α(λ1)與α(λ2)的值可以通過(guò)波長(zhǎng)λ1和λ2來(lái)確定。設(shè)置光通過(guò)被測(cè)氣體的長(zhǎng)度L為1 000 cm，入射光的光強(qiáng)為100 cd[11]，通過(guò)改變仿真中的濃度值，得到幅值比值，在擬合推算出氣體的測(cè)量值[12-13]。符合本文中對(duì)H2S氣體濃度的檢測(cè)，擬合出H2S氣體濃度與兩個(gè)幅值信號(hào)比值的線性關(guān)系曲線，如圖6所示[14]。

圖6 氣體濃度與幅值信號(hào)比值擬合曲線

通過(guò)圖6得出，H2S氣體濃度檢測(cè)誤差在2%之內(nèi)，差分吸收檢測(cè)系統(tǒng)能夠達(dá)到很好的精確度[15]。

4 結(jié)論

直接吸收檢測(cè)H2S的方法雖然容易實(shí)現(xiàn)，但是由于光源不穩(wěn)定，干擾比較大，使得檢測(cè)精度偏低，無(wú)法對(duì)油氣井現(xiàn)場(chǎng)氣體H2S濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。本文采用LED作為光源，有效降低成本，將光源濾波之后再使用，減少因波形不穩(wěn)定造成的誤差，采用壓電陶瓷和光纖光柵的差分吸收檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)H2S氣體的濃度，減少了由溫度不穩(wěn)定，光源波動(dòng)，光路的強(qiáng)弱等引起一系列干擾，提高了檢測(cè)氣體的精確度。本研究中檢測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定、成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，除H2S氣體，其他有毒氣體也可以用該方法進(jìn)行檢測(cè)。