检测气体浓度

浅谈气体浓度检测技术
1 采用超声技术检测气体浓度
所采用的传感器：传感器（换能器）。

各厂家生产的换能器不但结构不同，而且适用的气体条件(温度、压力等)、管道条件(材质、形状、管径、直管长度等)和安装条件等也各不相同，此外，换能器还与测量中声道的设置方法有关，声道的设置方法与测量精度和重复性等密切相关，因此换能器的选择对仪器测量精确度有很大的影响口。

由于在固体和气体界面间超声波传播的效率非常低，因此气体换能器一般只能用直射式换能器。

为保证测量精度，在选用换能器时首先应仔细分析气体检测现场的条件，选用频率段合适的换能器。

布置方法：采用两对超声换能器，使得只要测量出超声波在两对超声换能器之间的传播时间，就可以根据本文中的计算公式快速地得到目标气体的浓度，而不必考虑温度的影响。

1.1 基本原理
气体浓度的超声检测方法可分为单通道检测和多通道检测2种，这2种方法在通道内声波脉冲的发射和接收的基本原理都是一样的。

气体浓度的超声检测法适用于二元混合气体，甚至多元混合气体中单种气体组分的微量检测。

二元混合气体在常温常压下可以看作是理想气体，超声波是以很高速度作小振幅振动从而在气体中传播的，其过程可以看作是绝热过程。

气体可用状态方程来描述： 设气体a 和b 的质量定压热容分别为PA C 和PB C ，质量定容热容分别为VA C 和VB C ，相对分子质量分别为RA M 和RB M ，则二元混合气体的平均质量定压定容热容γ和平均相对分子质量R M 分别为：
VB PB
C n C n )1(nC )1(nC VA PA -+-+=γ和RB RA R M nM M )n 1(-+=
式中，n 为气体a 在混合气中的浓度。

而混合气体的平均声速为：
R M RT C γ=
2 (1-1) 式中，T 为气体的热力学温度，R 为气体常数，若命 R M RT C Y γ==2 (1-2)
则可通过测量超声脉冲在固定声程L 中的传播时间t ，由C =L/t 求得声速，代入式即可得到Y 的值。

由以上诸式整理可得：
02=++C BN AN (1-3)
由于10≤≤N ，因此由式(1-3)可解得气体a 的浓度为：
A AC
B B N 242-+-=
其中A ，B ，C 均为Y 的函数。

PA
VB RB PB
PA VB RB VA RB VB RA VB
RB VB RA VB RB VA RA C Y C M C C C C M C M C M B C M C M C M C M A -=+--+=--+=)2(
1.2 超声技术检测气体浓度的优缺点
气体浓度的超声检测法为非接触式测量，具有测量范围宽、无节流、量程比高、测量精度高、适应性强等优点，而且测试设备体积小，无需维护，使用寿命长。

与传统检测方法相比，在气体浓度检测领域占有明显的优势。

气体浓度的超声检测法克服了传统检测方法本身固有的缺点，在大流量、大管径的气体浓度检测领域，完全可以适应未来高精度测量的挑战，继续保持在气体浓度检测领域中的领先地位。

不足之处在于各厂家生产的换能器不但结构不同，而且适用的气体条件(温度、压力等)、管道条件(材质、形状、管径、直管长度等)和安装条件等也各不相同，此外，换能器还与测量中声道的设置方法有关。

由于在固体和气体界面间超声波传播的效率非常低，因此气体换能器一般只能用直射式换能器。

为保证测量精度，同时在选用换能器时首先应仔细分析气体检测现场的条件，选用频率段合适的换能器。

2 基于光干涉原理测气体浓度
传感器：主要采用光学器件。

布置方法：光路布置原理图如下：
2.1 基本原理
应用光干涉现象测定瓦斯浓度的测试原理如图l 。

其中l 是光源；2是聚光镜；3是平面镜；4是平行玻璃；5是气室；6是折光棱镜；7是反射系统；8是望远镜系统。

光源发出的光经聚光镜2后变成平行光束，该平行光束射到a 点后分为两束，一束经a 一b 一c 一d 一e 一f 一g ，一束经a 一b'一c'一d'一f 一g ，两束光在气室中通过两次后会聚于f 点，再经g 点反射进入望远镜系统。

这样由同一光源发出的光波被平面镜分为两束光，经不同路线后又汇集成一束光，发生光干涉现象，产生干涉条纹。

从望远镜中可以观察到白光光源的干涉现象；中央为白条纹，其两侧各有一条黑条纹，其余是以中央白条纹对称的彩色条纹。

在一定的大气压和温度的条件下，当气室的空气室A 和验气室B 均充以同样纯净的空气时，两光束的光程相同，光程差为零，形成稳定不动的干涉条纹。

如果把这种情况下干涉条纹的位置作为零级条纹的位置，那么，一旦验气室B 中的纯净空气被空气和其它气体的混合气体所取代时，则由于折射率的变化使光程差发生了变化。

从而干涉条纹的位置发生移动。

干涉条纹位置的移动量可直接从望远镜的分划板上读出，小数部分从测微刻度盘上读取。

位移量取决于被测气体的浓度。

设气室长度为L/2，在压强为P ，温度为T 条件下，甲烷气体的折射率为P N ，空气室A 中空气折射率为E
N ，验气室B 中甲烷和空气的混合气体折射率为N'，混合气体中甲烷含量为X/100，则：
E P N X XN N )100
1(100'-+= (2-1) 那么通过气室A 、B 两光束的光程差为：E N L N -'。

设所用单色光波长为λ，则有：
λN N L N E =-' (2-2) 式中N 为干涉条纹移动量。

由(2- l)、(2-2)两式得：
λN L N N X E P =-)(100
(2-3) 由(2-3)式可看出测得干涉条纹的位移量，也就测得了甲烷气体的浓度。

测定其它气体时，仪器上所示读数不是被测气体的实际含量，还必须换算。

在空气中测定其它气体时，换算系数为Q ： A
B E P N N N N Q --= 式中P N =1。

000411，A N =l 。

00072，分别为甲烷和空气在760mmHg ，20℃
时的折射率。

A
N 为被测气体的折射率。

如测得2CO 含量的读数为X ，则实际含量为QX 。

2.2 光干涉原理测气体浓度的优缺点
在检测甲烷气体浓度时可以采用光干涉型甲烷测定器，既直观又方便，同时校正方法简单方便，寿命长，特别适用于恶劣的有害气体环境，有效预防事故的发生。

3 基于红外吸收光谱检测气体浓度
传感器：光谱吸收式光纤气体传感器，基于分子振动和转动吸收谱与光源发光光谱的一致性原理。

当光通过某种介质时，利用介质对光吸收而使光衰减这一特性研制成吸收型气体传感器。

3.1 基本原理
根据朗伯－比尔(Lambert-Beer)定律，假定气体分子在波长λ处存在吸收峰，则有
(3-1) 式中，Ｉ(λ)是透射光强，()λ0I 是入射光强，()λα为波长在λ处的吸收系
数，c 为待测气体浓度，l 为光和气体作用长度即吸收长度。

为消除光源波动和光路中产生的干扰，引入了双波长差分技术，即引入一个瓦斯吸收峰以外的参考波长，由
(3-2)
式中，Ｉ(λ′)为参考波长的出射光强，()'0λ
I为参考光的入射光强。

把式(3-1)和式(3-2)相除，整理可以得到
(3-3) 待测气体的吸收波长和参考波长可以通过在探测器前加窄带干涉滤光片实现。

对于瓦斯气体而言，探测波长选用中心波长为3。

31μｍ的干涉滤光片，参考波长选用中心波长为4。

0μｍ的干涉滤光片。

实验系统框图如下图所示。

系统采用差分吸收技术和单光路双波长的工作方式。

白炽光源经过方波脉冲调制后，探测光束进入吸收气室被待测气体吸收，而参考光束不被吸收，两束光经过探测器、信号调理电路转换成与浓度相关的电压输出。

光源调制采用电调制方式，调制频率为4Hz，可有效抑制背景干扰噪声，提高检测灵敏度，用于调制的方波脉冲信号由单片机产生。

由于探测器TPS2534输出信号非常微弱，只有几十微伏，因此信号调理电路采用两级放大结构。

第一级放大电路采用仪器仪表放大器AD620，第二放大电路采用差动放大电路，由精密放大器OP07组成，把吸收信号输出和参考信号输出经差动电路后放大输出，然后有高速A/D芯片采集浓度信息，并由上位机实现解调、显示浓度和报警等功能。

3.2 红外吸收光谱检测气体浓度的优缺点
由于采用了单光路双波长的工作方式，对红外光源进行方波脉冲电调制，有效抑制了噪声干扰，简化了系统的结构。

在红外光谱吸收的理论基础上，采用了差分吸收技术消除系统误差和环境干扰，电路采用了差动放大电路检测微弱信号，利用线性关系式拟合浓度和输出电压曲线，测量范围宽（０～100％），检测精度高（＜２％），工作稳定可靠。

4 基于掺铒光纤激光器内腔吸收谱检测气体浓度
传感器：基于掺铒光纤激光器瞬态特性的内腔吸收式气体浓度传感器。

实验装置：对于检测气体乙炔浓度传感器的实验装置如下图所示。

由光纤环反射镜和带温度补偿的光纤Bragg光栅(FBG)组成F-P激光谐振腔。

FBG的带宽为0。

05 nm，反射率为50%，不受力时Bragg反射波长为1532。

81 nm，对FBG施加纵向应力，并用光谱仪(OSA)监测激光激射波长，使激光器的工作波长落在乙炔的吸收峰1532。

8 nm。

增益介质为1。

5 m长的掺铒光纤，掺杂浓度为400×10-6，数值孔径为0。

23。

腔中插入了小型渐变折射率透镜构成的C2H2气体吸收室，该气室耦合损耗小，耦合状态稳定，准直性好，温度稳定性和抗震性高，气室长为50 mm，内部真空度约为10-1Pa时，测得其插入损耗为2。

74 dB。

测量气体压强为标准大气压，采用方波调制980 nm LD的注入电流，并通过波分复用器(WDM)抽运掺铒光纤。

实验中，抽运光以脉冲方式注入内腔，频率为20Hz，使用如此低的频率是为了使上一个脉冲产生激光时，跃迁到高能态的铒离子有充足的时间在下一个抽运脉冲到来时充分回到低能态，以便更好地获得掺铒激光器的瞬态特性。

光通过气体吸收室时，对应气体吸收峰波长的光将产生衰减，其衰减度与气体浓度和作用距离有关。

由于激光腔内插入了气体吸收室，气体浓度的变化将会引起腔损耗的变化，进而影响激光器的瞬态特性。

随着气体浓度的增大，产生激光的延迟时间也将变长。

因此，可以通过测量激光的延迟时间，获得待测气体乙炔的浓度。

4.1 基本原理
掺铒光纤激光器辐射波长与传感光纤的低损耗窗口相匹配，腔中插入C2H2气体吸收室，不同浓度的气体引起不同的腔损耗，这影响了激光器的瞬态特性，
我们可以通过测量激光激射延迟时间获得被测气体的浓度。

时域测量使得信号检测变得简单、精确。

内腔激光吸收光谱的原理简要如下：从抽运光注入开始，激光器光谱的演变包含很多阶段，光谱的浓缩阶段取决于模式间功率的重新分配。

包含时间和模式数的内腔吸收线的形式为：
()⎥⎦⎤⎢⎣⎡-∙⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=n ct f exp t t q -q exp t t t s q c s 20c s tot s s q A Q Q M M π (4-1) 式中，()t q M 为模式为q 的光子数；Q 为辐射半宽内的模式数；c t 为腔内光子的寿命； c/n 是光在介质中传播的速度；q A 表示单位长度的吸光率；f 是腔内的填补因数；s t 为激光激射延迟时间，定义为从抽运光注入到产生第一个振荡脉冲的时间，也就是腔内达到产生激光的粒子数反转所需要的时间。

第一个指数项表示增益下的光谱浓缩，第二项表示吸收效应。

对于掺铒光纤激光器的内腔吸收谱，可以根据展宽的光谱动力学理论，可调谐掺铒光纤激光器可以近似为三能级模式，基态吸收不能被忽略。

基于Baev
理论，为气体对光的有效吸收路径，其大小依赖于光在腔内循环的次数。

有效路径的具体表达式为：
(4-2) 式中，η是泵浦功率和输出功率的比值；0τ是激发时间；B 是受激发射率：
(4-3) 式中，e σ是铒离子的发射截面；γ是发射系数；S 是光纤的有效吸收截面；Γ是
限制因素；τ为铒离子在上能级的寿命；ρ是铒离子浓度。

从以上方程式可以看出光纤激光器的灵敏度根本上还是取决于元件的选择和光纤腔的设计。

例如，腔内的光栅能限制线宽和模式数Q 。

我们也可以从构成上减小腔内损耗，增加腔的寿命。

从速率方程出发，利用小信号微扰近似的方法推导出s t 的表达式：
式中，T为腔内单程传播系数；Pp为抽运功率；h为普朗克常数；L为掺铒光纤长度；γa(v)，γe(v)分别表示激活介质的吸收和发射系数，与抽运光的频率νp和激光的频率ν1有关。

气体浓度的改变将引起激光延迟时间ts变化，也就是说，合理定标后，通过测量激光延迟时间ts就可以获得待测气体的浓度。

4.2 掺铒光纤激光器内腔吸收谱检测气体浓度的优缺点
内腔吸收光谱能实现这种高灵敏度的检测技术，使光多次通过被测气体，从而极大地增加了光与气体的有效作用距离，分辨率一般能达到9
10 量级。

内腔吸收式传感器的优点在于不需要外加光源，光可以在腔内来回循环，增加了有效吸收路径，测量的精度也比较高。

传感器的灵敏度和分辨率可以通过抽运功率的高、低电平来调节。

高电平功率越低，低电平功率越接近阈值，传感器的灵敏度越高。

当高功率和低功率电平分别为23 mW和5。

0 mW时，该传感器的灵敏度和分辨率分别为100×10-6/μs和10×10-6。

传感系统工作稳定。

5 基于环形光路的Sagnac效应及腔衰荡测量微量气体浓度
传感器：利用环形光路的Sagnac效应，将光纤环作为一个等效反射镜，与高反射率镜形成衰荡腔。

5.1 基本原理
Sagnac 原理：当光路以一定的角速度旋转时，在光路中的两路反方向传输的光之间将产生一个与旋转角速度成定比例的相位差，这种效应即为Sagnac 效应。

腔衰荡法气体浓度测量方法原理：腔衰荡法气体浓度测量系统如下图所示，光纤环腔衰荡测量系统由可调连续波激光器、声光调制器、光隔离器、谐振腔、吸收气室、光探测器及触发器等组成，谐振腔由超高反射率镜及光纤环构成。

根据被测气体吸收特性选择激光器，使得激光器所发出的连续波激光波长能够覆盖所测气体吸收峰值，光经过声光调制器及光隔离器，进入吸收气室，激光经过气体吸收后，进入光纤环中，反射光再次进入气室，这里光纤环起到另一个反射镜的作用，与超高反射率镜构成一个谐振腔，该谐振腔能通过PZT 调节前超高反射镜的位置改变腔长使得激光器和谐振腔模式匹配，且可以通过改变光纤环的旋转角度改变它的出射光强度比，即谐振腔的透射率，当环路中的光强达到一定阈值时，触发器发出一个触发信号，声光调制器就会快速关断(t<1μs)输入信号，这样光强信号就会在光纤环路中循环衰减，当光探测器探测到光的幅值为1/e 时，微机根据衰荡时间即给出了这种气体的浓度。

环路中应用光隔离器是为了消除或抑制光纤信道中产生的反向光。

定义输出的光衰减到1/e 的时间τ为光纤环腔衰荡时间。

对于无气体吸收时的本征衰荡，由Lambert-Beer 定律可得
式中：L 为光腔的长度；c0为光在纤芯中的传播速度；As表示系统元器件总损耗(包括耦合损耗、光纤的传输损耗、吸收气室的插入损耗等)对光强的影响因子。

如果在气室中充入待测气体，设
式中：α为某种气体对输入某峰值波长的光的吸收系数；C 为气室中被测气体的浓度；d 为气室的长度。

则此时的衰荡时间τ为：
通过以上各公式可得被测气体的浓度为：
如果分别测得气室中有无被测气体时的衰荡时间τ和τ0，就可以求出被测气体的浓度。

因此，只要测得实验信号的时间变化就可以得到气体的浓度。

与传统的谐振腔测量气体浓度系统相比，本系统可以通过调节光纤环角速度改变出射光光
强，即可以控制系统的充光时间，为信号处理提供了条件并提高了系统的精确度。

5.2 环形光路的 Sagnac 效应及腔衰荡测量微量气体浓度的优缺点
传统的光腔衰荡光谱技术方案通过测量光腔衰荡时间得到气体浓度，与别的方法相比受光源波动影响不大，且具有吸收光程长的优点，这种方案中衰荡腔的腔镜一旦选中之后反射率就固定了，随之被测气体浓度及入射光功率的变化都会影响系统的出射光强度。

而由于光电探测器对于被测光的功率要求比较高，出射光的强度会直接影响系统检测精度及灵敏度，限制了气体浓度测量技术的发展。

而这里所提出的新型的连续波腔衰荡气体浓度测量系统，系统将光纤环作为一个反射镜，与高反射率镜形成谐振腔，利用环形光路的 Sagnac 效应，实现衰荡腔的反射率可调，当出射光光功率较低时，在不影响衰荡时间的前提下，调节反射率，提高出射光强度，为系统信号处理提供便利并提高检测系统的精确度。

6 保持热导传感器温度恒定的情况下检测气体浓度
6.1 基本原理
科学实验已经证明，对于由多种气体组成的混合气体，若彼此之间无化学反应的相互作用，其导热系数近似地认为是由各组分导热系数的算术平均值。

(6-1)
式中n C 代表混合气体中第n 个气体组分的体积百分含量，n 为第n 个气体相应的导热系数当待测气体为单一气体，其背景气体为空气（即只与空气相混合）。

混合气体的导热系数与待测组分气体的浓度有线性关系，只要测得混合气体的导热系数，便可知待测组分气体的浓度公式如下：
(6-2)
(6-3)
混合气体中的某一组分的气体含量发生变化，必然会引起混合气体的导热系数发生变化，热导传感器正是根据这一物理特性实现对气体浓度的检测。

根据以上公式可知直接测量导热系数就可以通过计算获得待测气体的浓度，但是直接测量导热系数很难实现，通常是把混合气体的导热系数的变化转化为电阻的变化，再将电阻的变化转变为电压的变化来实现待测气体含量的检测。

这里采用一种保持传感器温度恒定的测量方法。

要保持温度恒定就必须在传感器的温度随气体浓度(亦即气体导热系数)变化时，改变传感器的工作电流(即采用可变电流源)，利用电流的热效应确保传感器的温度不度。

只要做到一点，就可以利用传感器工作电流的变化与被测气体导热系数的关系实现气体浓度的检测。

热导气体传感器恒温检测原理图如下：
图中，R1、R2、R3为桥臂电阻，r 为热导传感器，它们共同组成一个电桥，调节器A 、伺服电路、可变的电流源与电桥共同组成一个闭环控制电路。

当气体浓度为零时，调节桥臂电阻，使电桥处于平衡状态(321R R rR =)，调定
传感器的工作电流0I (该工作电流决定了传感器的工作温度)。

检测气体时，若气
体导热系数增加(减少)，由于气体的热传导作用，传感器的温度降低(上升)，阻值减少(增加)，电桥失去平衡，输出不平衡电压经放大后送到控制伺服电路，伺服电路的输出使可变电流源的输出电流增大(减少)，增大(减少)的电流通过热导传感器，使温度上升(下降)，阻值增大(减少)，直到电桥重新恢复平衡为止。

电流增大(减小)的数值反映的导热系数的大小，测出Uo 的变化量就可检测出被测气体浓度值。

电桥最后仍处于平衡状态，显然传感器电阻未变，即传感器所处的温度未变，这就是恒温检测的显著特点。

根据相应的计算公式可以得到：工作电流的平方与被测气体的导热系数A 成正比，把该工作电流通过电阻转变为电压输出，该电压反映了混合气体导热系数的大小。

由热力学理论，在被测气体只与空气相混合的情况下，混合气体的导热系数与待测组分气体的浓度有线性关系，即()()0101/λλλλ--=C ，只要测得混
合气体的导热系数λ，便可知待测气体的气体浓度1C ，从而实现了对气体浓度的检测。

6.2 保持热导传感器温度恒定的情况下检测气体浓度的优缺点
传统的检测方法的本质特征是热导传感器的温度随被测气体浓度的变化而变化，也正是利用这一特性实现对不同气体浓度的检测，该特性是导致气体浓度检测的精度差、灵敏度低、温度漂移大等缺陷的根本原因。

这些缺陷是传统检测方法气所固有的，在不改变检测方法的前提下，不可能得到有效的克服。

热导气体传感器恒温检测方法仍然基于热导气体传感器的导热原理，保留了热导传感器的全部优点，但是可以从根本上得到克服这个固有缺陷，它还具有传统检测方法
所不具备的许多突出优点。

例如在环境温度一定的情况下，被测气体的温度分布是一定的，保证了导热系数不受传感器温度变化的影响，仅是气体浓度的函数，克服了气体导热系数随温度变化对检测精度带来的重大影响，提高了检测精度；克服了由于热时间常数而导致的过渡时间长的缺陷，加快了检测速度，这一点在动态检测时尤为重要；避免了因传感器温度变化导致的灵敏度补偿问题，同时降低了检测系统的非线性，提高了系统的检测性能等。

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