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 中国电力科学研究院 高电压研究所，北京0092
2 大连理工大学 光电工程与仪器科学学院，辽宁大连11604
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，C2H2对CH4、CH4对C2H6的干扰水平分别达到10.49 μV/（μL/L）、18.66 μV/（μL/L），其他烃类气体间的干扰可以忽略。CO2对CO、CH4、C2H2和C2H4干扰响应度分别为1.615 μV/（μL/L）、0.055 μV/（μL/L）、0.130 μV/（μL/L）以及0.016 μV/（μL/L）。此外，水气对C2H2、CH4、C2H6、C2H4、CO和CO2都会产生一定的干扰，干扰的响应度分别为0.591 μV/（μL/L）、0.421 μV/（μL/L）、0.071 μV/（μL/L）、0.007 μV/（μL/L）、0.051 μV/（μL/L）和0.055 μV/（μL/L）。实验结果表明C2H2对CH4、CH4对C2H6、CO2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。
光声光谱 多组分气体检测 红外光谱 交叉干扰 测量误差 Photoacoustic spectroscopy Multi-gas detection Infrared spectroscopy Cross interference Measurement error
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 中北大学信息与通信工程学院, 山西 太原 030051
2 晋中学院机械学院, 山西 晋中 030600
对于多组分混合气体定量分析而言, 基于特征光谱的定量分析技术具有不可比拟的优势, 而定量检测效率与精度取决于其采用的光谱数据处理算法的优劣。 优化光谱分析算法参数与改进光谱数据处理方式是提高定量分析速度与精度的重要手段。 针对井下多组分气体定量分析建模过程中支持向量机(SVM)参数难以确定, 并且随组分数增多而呈指数增长的光谱数据运算量的问题, 提出了一种改进型粒子群优化-支持向量机(PSO-SVM)算法。 该算法主要针对多组分气体混合光谱数据量大, 光谱特征信息存在交叠的问题进行研究。 通过粒子变异约束PSO算法的收敛路径, 再通过粒子信息共享提高模型优化效率, 最后利用设置动态不敏感区提高模型精度。 设计了一种井下多组分气体快速定量检测系统。 该系统由CPU控制信号调制模块驱动红外光源, 信号光经过滤尘除湿后的气室照射在探测器上。 在压力与温度传感器补偿的基础上, 由信号处理模块将探测得到的光信号量化传入CPU, 最终, 结合改进型PSO-SVM算法实现各组分气体浓度的定量分析。 在完成井下实际样气采集、 预处理的基础上, 对浓度范围0～100%的CH4和浓度范围0～10%的C2H6, C3H8, SO2和CO2共5种组分的混合气体进行了测试, 获得了800组红外光谱数据, 其中训练集400组, 验证集400组。 采用SVM建立了多组分气体的定量分析模型, 利用改进型PSO对SVM中的参数进行了优化, 并将获得的最优参数重建了定量分析模型。 对采集的红外光谱数据分别由本算法与传统BP网络算法进行各组分气体浓度反演, 实验结果显示, 由于变异粒子对其产生的约束, 使最优值收敛范围变小, 从而提高了收敛速度, 该算法建模时间仅为传统方法的1/10; 由于通过气体光谱特性给出不敏感区, 使特征光谱计算时交叉敏感效率降低, 从而提高了模型预测的准确度, 平均误差约为传统方法的1/5。 由此可见, 该算法在全局优化及快速收敛方面得到了显著提升, 改进型PSO结合SVM用于井下多组分气体定量分析是可行的。 改进型PSO-SVM算法对于多组分气体混合红外光谱数据的分离具有很好的适用性, 其有一定的实际应用价值。
多组分气体定量分析 粒子群算法 支持向量机 红外光谱 Multicomponent gas quantitative analysis Particle swarm optimization(PSO) Support vector machine (SVM) Infrared spectroscopy 光谱学与光谱分析
2019, 39(9): 2883
