可調(diào)諧激光硫化氫分析系統(tǒng)在天然氣、高爐、焦?fàn)t煤氣中的分析

硫化氫具有強(qiáng)烈的毒性和腐蝕性，在一些工業(yè)生產(chǎn)如采礦、含硫石油開采與提煉、天然氣開采與運(yùn)輸過程中，均存在硫化氫產(chǎn)生與泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。為了控制硫化氫氣體泄漏可能對人體健康及環(huán)境造成的污染威脅，研究一種高靈敏度的監(jiān)測方法具有十分重要的研究意義和應(yīng)用價(jià)值。現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)檢測方法中滴定顯色法需要取樣，并對樣氣進(jìn)行預(yù)處理，過程繁瑣，定量精度差，而且得到的數(shù)據(jù)嚴(yán)重滯后于工業(yè)現(xiàn)場的氣質(zhì)變化；電化學(xué)傳感器響應(yīng)時(shí)間較長，使用壽命較短，并且監(jiān)測范圍小，因此，以上方法均不滿足高靈敏度硫化氫在線監(jiān)測需要。有限的幾種從國外進(jìn)口的在線分析儀器，由于價(jià)格昂貴，目前僅限于少數(shù)氣井和集氣站使用，而且還在不同程度上存在著使用維護(hù)困難，易受現(xiàn)場環(huán)境及各種污染物干擾二不夠穩(wěn)定可靠等問題。 光學(xué)檢測方法在氣體在線監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，主要包括差分吸收激光雷達(dá)法（DIAL）、非色散紅外法（NDIR）、傅里葉變換紅外光譜法（FTIR）、差分光學(xué)吸收色譜法（DOAS）和可調(diào)諧激光吸收光譜法（TDLAS）等。由于硫化氫含量相對較低，并且常與其他氣體混合存在，因此要求監(jiān)測方法具有較高的靈敏度，以及較強(qiáng)特異性。DIAL與NDIR法檢測靈敏度相對較低，F(xiàn)TIR方法需要比較復(fù)雜的建模處理方法，DOAS方法往往針對紫外波段范圍內(nèi)吸收明顯的氣體有效，在硫化氫氣體檢測領(lǐng)域應(yīng)用受到一定限制，而TDLAS技術(shù)具有實(shí)時(shí)在線、操作簡單、反應(yīng)快速和**穩(wěn)定的特點(diǎn)，能夠彌補(bǔ)現(xiàn)有測量方法的不足。 氣體分子的內(nèi)在結(jié)構(gòu)決定了其特有的自然振動(dòng)頻率。當(dāng)入射光束剛好滿足被測分子的自然振動(dòng)頻率時(shí)，該分子便會(huì)吸收入射光束的能量。當(dāng)局有該選定頻率的一定強(qiáng)度的光束通過樣品池時(shí)，由于被測氣體的吸收作用，光束的強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生衰減。為了進(jìn)一步提高濃度測量的信噪比，在實(shí)際的測量中采用波長調(diào)制技術(shù)。其原理是在原有的激光驅(qū)動(dòng)型號中加載一個(gè)高頻正弦信號，產(chǎn)生的激光信號經(jīng)過氣體介質(zhì)吸收后，利用鎖相放大器解調(diào)制，得到其二次諧波信號。 TDLAS技術(shù)基于激光調(diào)諧與鎖相放大技術(shù)，光源采用可調(diào)諧激光器，利用溫度或者電流調(diào)諧方式使激光器波長掃過待測氣體特征吸收峰，并采用鎖相方法提起吸收信號中二次諧波分量，根據(jù)吸收峰強(qiáng)度計(jì)算氣體濃度。該方法具有速度快、靈敏度高、檢測范圍大、信號抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在各種氣體在線監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。 TDLAS檢測核心技術(shù)是激光二極管調(diào)諧與鎖相檢測技術(shù)，系統(tǒng)組成如圖所示： 檢測系統(tǒng)主要組成包括激光器調(diào)諧電路與激光器單元、檢測器與鎖相放大模塊以及數(shù)據(jù)處理單元。激光器調(diào)諧電路通過溫度與電流調(diào)諧兩種方式對激光器輸出波長進(jìn)行調(diào)諧。溫度調(diào)諧范圍較大，可以保證激光器輸出波長范圍覆蓋硫化氫氣體吸收范圍，電流調(diào)諧速率較快，可以提高測定精度與靈敏度。首先采用溫度調(diào)諧方式確定工作波長區(qū)間，然后用正弦電流驅(qū)動(dòng)信號對激光器進(jìn)行調(diào)諧。鎖相檢測部分利用激光調(diào)諧電路輸出正弦信號作為參考信號，結(jié)合相敏檢波原理，從光電檢測單元測量到的氣體吸收信號中提取二次諧波分量，并擬合獲得硫化氫氣體吸收線型，穿輸入數(shù)據(jù)處理單元，根據(jù)吸收峰強(qiáng)度可建模處理計(jì)算硫化氫氣體濃度。

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