1 西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西西安70054
2 陕西省煤火灾害防治重点实验室，陕西西安710054
3 中石化安全工程研究院有限公司 化学品安全全国重点实验室，山东青岛266000
H2S，CH4多组分气体浓度测量技术的研究对石油石化行业的安全生产有重要意义。基于中红外TDLAS技术， 选用中心波长为8.309 μm的量子级联激光器(Quantum Cascade Laser,QCL)为检测光源，搭建30 m长距离的遥测实验系统，使用WMS波长调制法对H2S，CH4气体的吸收谱线进行连续调谐与扫描，并对高频正弦载波进行了最优深化调制，实现了H2S，CH4多组分气体的同时测量。实验将H2S与5%体积分数的高浓度水汽进行混合测量，分析并验证了该波段的水汽吸收难以对测量造成交叉干扰的优良特性，并利用Savitzky-Golay平滑滤波器提高了检测信号的信噪比。通过遥测实验，分析了15 m，30 m不同遥测距离对检测信号的影响，并利用增加积分时间与计算信噪比的方法，得到了128.75×10-9 m的遥测最低限。最后，Allan方差的计算结果表明，当积分时间为183 s，142 s时，系统对H2S，CH4气体的最低检测下限分别为0.593×10-9和1.160×10-9。本文的研究结果为中红外波段H2S，CH4多组分气体的高灵敏度、同时测量提供了一种有效途径，为多组分气体的遥测应用提供了参考。
中红外 硫化氢 量子级联激光器 多组分气体遥测 mid-infrared hydrogen sulfide Quantum Cascade Laser(QCL) multi-component gas sensing
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所光子器件与材料安徽省重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学研究生院科学岛分院, 安徽 合肥 230026
3 蚌埠学院电子与电气工程学院, 安徽 蚌埠 233030
4 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230026
5 中国科学院合肥物质科学研究院中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
近红外波段的气体吸收强度低,不利于痕量气体的测量。利用分子在中红外波段的基频吸收特性,使用单个新型室温连续输出量子级联激光器(CW-QCL)结合波长调制光谱技术(WMS)和长程光学吸收池,建立了一套高灵敏度和高精度的大气多组分温室气体同时检测的激光光谱系统。该系统的输出波数范围为2202.8~2205.6 cm -1,覆盖了CO、N2O和H2O的中心吸收谱线。实验测试结果表明:在1 s的时间分辨率下,CO、N2O和H2O的测量精度分别为1.83×10 -8,1.86×10 -9,1.19×10 -4;当满足最佳积分时间(100 s)时,系统的最低检测限可以达到1.8×10 -9(CO),0.16×10 -9(N2O),1.5×10 -5(H2O)。通过长时间测量和分析可知,所提系统部件简单,使用方便,满足大气多组分气体长时间测量要求,可广泛应用于大气化学和温室气体等领域的高灵敏检测研究。
光谱学 连续输出量子级联激光器 激光光谱 波长调制 多组分气体
哈尔滨工业大学仪器科学与工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
变压器绝缘油以链烷烃(CnH2n+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(CH4, C2H2, C2H4, C2H6, CO和CO2), 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1 580, 1 654, 1 626和1 530 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(CH4, C2H2, C2H4和C2H6)和碳氧化合物(CO和CO2)。 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0.5~1 000 μL·L-1, 范围小于5 μL·L-1时最大测量误差小于0.8, 5~1 000 μL·L-1时最大误差在6 μL·L-1以下; 甲烷、 乙烷、 乙烯的浓度测量范围为0.5~1 000 μL·L-1, 最大测量误差小于6 μL·L-1; 碳氧化合物(CO和CO2)测量范围分别为25~5 000, 25~15 000 μL·L-1, 最大测量误差分别在2与20 μL·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。
近红外光谱 故障气体检测 多组分气体检测 TDLAS Near infrared spectroscopy Fault gases detection Multi-component gas detection TDLAS 光谱学与光谱分析
2021, 41(12): 3712
光子学报
2021, 50(11): 1130001
1 重庆川仪自动化股份有限公司技术中心， 重庆 401121
2 重庆川仪软件有限公司， 重庆 401121
介绍了一种基于差分吸收光谱技术（DOAS）的烟气浓度反演方法，将该方法应用于实际的多组分气体检测中。文中使用短光程和分辨率较低的国产光谱仪，在信噪比较低的情况下，应用DOAS算法，设计了基于最小二乘法的NO和SO2混合气体浓度计算方法; 详细介绍了NO和SO2气体的差分吸收截面获取方法，详述了SO2和NO混合气体在不同波段的浓度反演方法; 在常温常压下，实现了单组分SO2、NO气体和混合气体的在线实时监测。实验结果表明，方法能够检测短光程下（300mm）的单组分SO2、NO气体和混合气体，检测结果比较稳定，误差较小。
DOAS算法 气体检测 多组分气体 吸收截面 短光程 DOAS algorithm gas detection multi-component gas cross section short light path
1 西安电子科技大学物理与光电工程学院, 陕西 西安 710071
2 Center for Advanced Diffusion-Wave and Photoacosutic Technologies (CADIPT), Department of Mechanical and Industrial Engineering, University of Toronto, Toronto M5S 3G8, Canada
3 光电集团河南平原光电有限公司, 河南 焦作 454100
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380 μL·L-1 CO2∶1 000 μL·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12.6 μW时, CO2气体的检测精度为4 μL·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30 μW时, C2H2气体在的检测精度为5 μL·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。
多组分气体检测 T型光声池 宽波段光声光谱 痕量气体探测 Multi-component gas detection T-resonator Broadband photoacoustic spectroscopy Trace gas analysis
1 西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室, 陕西 西安 710049
2 西安科技大学, 陕西 西安 710054
3 中国计量科学研究院, 北京 100013
在利用傅里叶变换红外光谱进行混合气体定量分析中, 针对烃类尤其是同分异构体等构成的混合气体其谱图特征相似、 吸收峰严重交叠, 不易进行特征吸收成分的判别和特征变量选择的问题, 为增强谱峰分辨力, 采用广义二维相关光谱和傅里叶变化红外光谱对烃类混合气体分析中同分异构体进行辨别, 以异丁烷和正丁烷的红外光谱及受浓度扰动组成的光谱组为例进行二维相关红外光谱分析。 通过观察全波段和主吸收峰波段单组分气体的傅里叶变换红外光谱, 可知其谱图相似, 吸收峰严重交叠, 如果混合在一起, 将基本无法辨别何种分子结构及成分。 通过广义二维相关光谱的变换, 其二维相关光谱的同步谱和异步谱可以清晰地辨别出异丁烷和正丁烷的特征吸收峰及其各自强度, 实验结果可知, 异丁烷在2 893, 2 954和2 977 cm-1, 正丁烷在2 895和2 965 cm-1具有强的吸收特征谱线。 分析结果初步验证了二维红外相关光谱在多组分混合气体傅里叶变换红外光谱定量分析中谱分辨率增强方面的应用。
二维相关光谱 傅里叶变换红外光谱 谱分辨率增强 同分子异构体 多组分混合气体定量分析 Two-dimensional correlation spectroscopy Fourier transform infrared spectroscopy Spectral resolution enhancement Alkane isomers Multi-component gas quantitative analysis 光谱学与光谱分析
2014, 34(10): 2623
江苏省电力公司电力科学研究院, 江苏 南京 211103
针对多组分气体测量精度低、 交叉影响等问题, 建立了一种高精度多气体网络式在线检测系统。 系统中采用窄线宽激光器作为光源, 设计了新型长光程气室, 通过单一高频三角信号调制激光光谱, 利用谐波检测技术和光学时分、 空分复用技术相结合, 实现了三种气体(CO, CH4, C2H2)的同时多点高精度在线测量。 实验结果表明, 多气体浓度测量最大相对误差小于4%, 每种气体响应时间均小于15 s。 该系统多气体检测精度高、 响应时间快, 非常适合用于变压器绝缘油中多组分气体实时在线检测。
变压器多气体检测 光谱调制 谐波检测 长光程气室 Multi-component gas detection for power transforme Spectral modulation Harmonic detection Long-path cell 光谱学与光谱分析
2013, 33(12): 3326
中国科学院 安徽光学精密机械研究所 安徽省光子器件与材料重点实验室, 安徽 合肥 230031
由于线宽窄, 可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)一般情况下只能对一种气体进行检测。为了实现多气体同时或近同时在线检测, 本文以1 578 nm-H2S和1 747 nm-HCl混合气体同时在线监测为例, 研究了3种检测方法：(1)同频10 kHz正弦波和两路同频30 Hz不同步的分时锯齿信号法; (2)同频10 kHz正弦和30 Hz锯齿信号的光开关检测法; (3)多频(10 kHz和20 kHz正弦信号)正弦调制法。实验结果表明：分时锯齿信号法除幅值略有微小变化外, 在使用前后对测试结果影响很小; 光开关法在切换过程瞬间会略有不稳定, 但不影响后期的浓度反演; 多频正弦法的信噪比和抗干扰能力均有所提高, 进行HCl探测和H2S探测时, 信噪比在激光器关闭和打开情况下分别提高了0.95倍和3.17倍。以上3种方法操作简单, 可以方便地实现多气体组分的同时在线监测, 提高了TDLAS仪器的竞争力。
可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS) 多组分气体 分时锯齿信号 光开关 多频正弦调制 Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS multi-component gas timeshare-sawtooth signal optical-switch multi-frequency sin-wave modulation 光学 精密工程
2013, 21(11): 2771
