基于长光程气室的多组分气体监测系统

闫泽宇; 孙祚; 费宁; 刘涛; 万涛; 刘邦学

doi:10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0240

基于长光程气室的多组分气体监测系统

doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0240

重庆大学，重庆 400044

基金项目: 重庆市技术创新与应用发展专项（cstc2020jscx-dxwtBX0052）。

详细信息

作者简介:
闫泽宇（1997-），重庆大学光电工程学院硕士研究生，研究方向：气体监测与传感，邮箱：zbdxyzy@163.com

中图分类号: TB99
计量
- 文章访问数: 161
- HTML全文浏览量: 42
- PDF下载量: 26
- 被引次数: 0
出版历程
- 收稿日期: 2023-10-24
- 录用日期: 2023-11-03
- 修回日期: 2023-11-21
- 网络出版日期: 2023-11-24
- 刊出日期: 2023-09-18

Multi-Component Gas Monitoring System Based on an Long-Path Gas Cell

Chongqing University, Chongqing 400044, China

摘要

摘要: 为更好的满足工况环境下多组分危险气体的低浓度范围监测需求，减小测量仪器的体积，提高气体浓度的测量精度，研制了基于怀特池结构的长光程气体吸收池，用于降低仪器的检测限，从而能够探测出低浓度的多组分危险气体。介绍了基于怀特池结构的长光程气体吸收池的设计、工作原理和仿真结果，介绍了光学实验平台的搭建以及红外光源、红外热释电探测器的选型，并在此基础上开展了实验。采用最小二乘法拟合出各个气体的浓度反演模型，使用不同组合的标准气体对模型进行了验证，并计算了实验结果的相对误差。数据结果表明，设计的多组分危险气体在线监测仪器检测限可达5 μL/L，测量误差≤±5%F.S.（满量程），能够满足低浓度多组分危险气体的测量需求。
- 计量学 /
- 非分散红外 /
- 气体监测 /
- 长光程气室 /
- 怀特池 /
- 热释电探测器
Abstract: To address the monitoring needs of low-concentration multi-component hazardous gases in industrial environments and reduce the size of measurement instruments, a long-path gas absorption cell using the White cell structure was developed. This cell aims to lower the detection limit, enabling the detection of low-concentration multi-component hazardous gases. This paper discusses the design, working principles, and simulation results of the long-path gas absorption cell, as well as the setup of the optical experimental platform, selection of the infrared light source, and infrared pyroelectric detectors. Experiments based on this setup were conducted, and the least squares method was employed to derive concentration inversion models for various gases. These models were validated using different combinations of standard gases, and the relative errors of the experimental results were calculated. The results indicate that the designed multi-component hazardous gas online monitoring instrument can detect concentrations as low as 5 μL/L with a measurement error of ≤±5%F.S. (full scale), meeting the needs for low-concentration multi-component hazardous gas measurements.
- metrology /
- non-dispersive infrared (NDIR) /
- gas /
- long-path gas cell /
- White cell /
- pyroelectric detector

HTML全文

图 1 气体红外吸收示意图

Figure 1. Diagram of gas infrared absorption

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 2 怀特池结构

Figure 2. Structure of the white cell

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 3 ZEMAX中怀特池三维布局

Figure 3. 3D Layout of the White cell in ZEMAX

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 4 ZEMAX的入射和出射光斑图

Figure 4. Incident and outgoing light spot diagrams in ZEMAX

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 5 气体吸收池的尺寸及实物图

Figure 5. Dimensions and physical image of the gas absorption cell

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 6 实验现场设备

Figure 6. Equipment at the experimental site

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 7 系统结构框图

Figure 7. System structure diagram

下载: 全尺寸图片幻灯片

表 1 各气体检测限(11 cm光程长)及检测到5 μL/L所需光程长

Table 1. Detection limits for each gas (optical path length of 11 cm) and required optical path length for detecting 5 μL/L

气体	光程长为11cm的仪器检测限/μL/L	检测到5μL/L所需要的光程/m
CO	110	2.42
SO₂	108	2.376
NO	90	1.98
CO₂	95	2.09
NH₃	100	2.2

下载: 导出CSV

表 2 滤光片参数

Table 2. Parameters of the optical filters

目标气体	中心波长/nm	半波宽/nm
CO₂	4265	120
CO	4650	180
NO	5300	200
SO₂	7300	180
NH₃	10540	690

下载: 导出CSV

表 3 单一组分气体准确性测试实验数据

Table 3. Accuracy test data for single-component gases

CO₂标准浓度（μL/L）	测量浓度（μL/L）	满量程误差
200	223.5	2.35%
400	393.9	-0.61%
600	619.3	1.93%
800	825.3	2.53%
CO标准浓度（μL/L）	测量浓度（μL/L）	满量程误差
5	9.2	4.20%
35	37.9	2.90%
65	60.2	-4.80%
95	90.8	-4.20%
SO₂标准浓度（μL/L）	测量浓度（μL/L）	满量程误差
5	8.5	3.50%
35	32.9	-2.10%
65	63.3	-1.70%
95	96.7	1.70%
NO标准浓度（μL/L）	测量浓度（μL/L）	满量程误差
5	6.7	1.70%
35	37.5	2.50%
65	61.6	-3.40%
95	90	-5.00%
NH₃标准浓度（μL/L）	测量浓度（μL/L）	满量程误差
5	4.5	-0.50%
35	32.5	-2.50%
65	69.4	4.40%
95	93.3	-1.70%

下载: 导出CSV

表 4 单一组分气体重复性测试实验数据

Table 4. Repeatability test data for single-component gases

气体	1	2	3	4	5	平均值
CO₂/500 μL/L	525	483	475	509	532	504.8
CO/ 50 μL/L	47	52	55	54	49	51.4
SO₂/ 50 μL/L	52	53	49	49	55	51.6
NO/ 50 μL/L	45	46	47	49	52	47.8
NH₃/ 50 μL/L	49	52	55	51	48	51

下载: 导出CSV

表 5 多组分气体测试实验数据

Table 5. Experimental data for multi-component gas testing

实验组	气体	标气浓度（μL/L）	测量浓度（μL/L）	满量程误差
第一组	CO	25	24.2	−0.8%
	CO₂	120	109.8	−1.0%
	NO	50	52.3	2.3%
	SO₂	95	97.5	2.5%
	NH₃	100	102.1	2.1%
第二组	CO	50	54.5	4.5%
	CO₂	400	382.5	−1.8%
	NO	65	63.0	−2.0%
	SO₂	35	33.3	−1.7%
	NH₃	40	43.2	3.2%

下载: 导出CSV

参考文献(30)

[1]	TAN Q L, TANG L C, YANG M L, et al. Three-gas detection system with IR optical sensor based on NDIR technology[J]. Opt. Lasers Eng, 2015, 74: 103-108.
[2]	方丽丽. 基于NDIR的CO₂气体浓度监测的飞机火警探测关键技术研究[D]. 合肥: 中国科学技术大学, 2016.
[3]	陈胜源. 基于NDIR技术的SF₆气体浓度检测系统设计[D]. 武汉: 华中科技大学, 2019.
[4]	赵勇毅. 基于NDIR技术的双组分气体传感系统的设计与实现[D]. 南京: 南京信息工程大学, 2021.
[5]	潘斐. 基于NDIR和神经网络的甲烷辨别系统设计与实现[D]. 南京: 南京信息工程大学, 2023.
[6]	王蕊. 红外光谱仪长光程气体池的研究[D]. 天津: 天津大学, 2007.
[7]	王玮琪. 高精度红外多气体传感器吸收池的研究与设计[D]. 长春: 吉林大学, 2014.
[8]	钟国强. 面向红外气体检测的多通池研制与应用[D]. 长春: 吉林大学, 2020.
[9]	张云波. 基于NDIR和双通道锁相放大器的高灵敏度乙烯气体传感器系统研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2022.
[10]	李洪刚, 关淑翠, 李永刚, 等. 基于ZEMAX的傅里叶红外多组分气体分析仪的光学设计[J]. 承德石油高等专科学校学报, 2023, 25(1): 55-58. doi: 10.3969/j.issn.1008-9446.2023.01.013
[11]	沈俞. 基于TDLAS技术的批量种子活力检测分选生产线的设计与研制[D]. 湖州: 湖州师范学院, 2022.
[12]	刘培源, 李剑, 夏春, 等. 多种气体对烟气分析仪中电化学传感器的交叉干扰研究[J]. 计量科学与技术, 2023, 67(7): 62-67,52. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0221
[13]	潘甫钱, 胡斌, 梁晓瑜, 等. 非色散红外CO₂传感器温度补偿方法研究[J]. 激光与红外, 2023, 53(6): 887-894. doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2023.06.012
[14]	李亚飞. 基于红外吸收光谱的气体检测技术与应用[D]. 长春: 吉林大学, 2023.
[15]	王德发, 李琪 , 叶菁, 等. 气体测量中的线性拟合 [J]. 计量科学与技术, 2022, 66 (10): 3-9.
[16]	魏丽君, 粟慧龙. 非分光红外(NDIR)探硫传感器的研究与设计[J]. 现代电子技术, 2023, 46(10): 31-36.
[17]	姚展, 郗艳华. 一种基于NDIR汽车尾气检测系统改进设计[J]. 内燃机与配件, 2022(23): 109-111.
[18]	王林峰. 用于NDIR气体传感器的硅基红外光源的研制[D]. 大连: 大连理工大学, 2023.
[19]	郭瑞民. 气体光谱计量技术研究进展[J]. 计量科学与技术, 2022, 66(10): 52-56. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2022.0145
[20]	靳长明. NDIR低功耗自供电式二氧化碳传感器设计[D]. 太原: 中北大学, 2023.
[21]	江湃. 具有长光程的多通道红外气体传感系统[D]. 武汉: 华中科技大学, 2022.
[22]	张赵良, 潘斐, 朱菊香. 基于NDIR的甲烷传感器微弱信号调理设计[J]. 自动化与仪表, 2021, 36(12): 85-88,91. doi: 10.19557/j.cnki.1001-9944.2021.12.019
[23]	熊涛. 新型光室结构的主流式NDIR呼吸CO₂监测系统研究[D]. 西安: 西安工业大学, 2021.
[24]	王玉婷, 江贵生, 李伶俐, 等. 光学气体吸收池的发展综述[J/OL]. 大气与环境光学学报 [2023-10-23]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/34.1298.O4.20220930.1132.002.html.
[25]	孙奥龙, 钱宇昊, 王凯源, 等. 基于Zemax的新型对称式气体吸收池设计[J]. 光学技术, 2022, 48(4): 445-451. doi: 10.3321/j.issn.1002-1582.2022.4.gxjs202204011
[26]	王若竹. 基于TDLAS的痕量气体检测及燃烧场温度测量研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2022.
[27]	马若梦. 基于多次反射直接吸收的烟道气二氧化碳浓度测量的研究[D]. 保定: 河北大学, 2020.
[28]	宋安. 基于光吸收的电子鼻气体传感方法研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2021.
[29]	王福鹏. 吸收光谱法气体传感器的背景干扰消除和关键性能提升[D]. 济南: 山东大学, 2019.
[30]	陈晓, 李世光, 朱小磊, 等. 基于长程气体吸收池的单频纳秒脉冲激光光谱纯度测量[J]. 中国激光, 2019, 46(2): 126-131.