二氧化碳浓度实时监测方法及其应用

陈曦（沈阳计量测试院，辽宁 沈阳 110179）

0 引言

21世纪以来，随着人口的增长，工业化、城市化步伐的加快，尤其是火力发电厂的迅速发展，二氧化碳排放不断增加，空气中二氧化碳含量显著增加。由于盲目地跟随经济的发展，忽视了保护生态环境，导致气候变暖，冰川融化，以及植物减产，温室效应突出，严重威胁人类和其他生物的生存。正是由于这个原因，“低碳经济”成为全球关注的焦点。另一方面，二氧化碳也有其使用价值，可以作为早期火灾探测和火灾监测中的特征性气体，还可用于碱、糖、机焊、阻焊剂、铅焊等行业，在火灾探测、汽车尾气检测、燃烧控制和优化等方面CO2也发挥着重要作用。

1 基本原理

光子刺激气体分子的外层电子，使其在连续波长的光谱中穿过一种特殊的气态物质，从而使光束强度减弱。此外，每一个气体分子都有其独特的光谱特征，通过对穿过该物质前后的强度、被测物质的浓度等信息的分析，发现气体浓度的变化会使光的强度变弱，近红外选择性吸收理论是其理论基础。近几年来，光谱吸收技术的应用理论是基于光谱吸收原理。通过测量在吸收气体之前或之后的光强度来测量气体浓度。此方法可用于二氧化碳在标准状态下的高精度测量[1]。

2 检测方法分类

2.1 直接光谱吸收法

该方法通过调整输入激光器的流量，改变输出激光器的波长，使激光器的波长移动到气体吸收光谱的频率范围内，当压力、线强度和激光强度为已知时，计算弱激光和参考激光的速度以及气体浓度；直接吸收谱是指激光气体的吸收强度。该方法能直接计算出某些信号与谱线的干扰，并能分析各种干扰对委托气体浓度的影响，方便快捷。使用直接吸收法时，会影响输入激光的光谱强度和计算结果的准确性，尤其是当探测信号较弱时，会严重影响最终气体的浓度。

2.2 调制光谱吸收法

在大气径迹探测中，为了提高灵敏度，通常根据激光的特性，采用波长调制、幅度调制、频率调制和相位调制等多种调制方法。可以调节吸收光谱的可调谐激光吸收光腔和各种噪声压缩技术都要充分利用半导体激光器的光谱特性，测量气体吸收线的光谱吸收。定性或定量处理被测气体。波长调制技术与直接吸收光谱法相比，降低测量系统中低频干扰的噪声，提高测量灵敏度。在检测过程中，目标信号被高频调制，而目标信号在随后处理信号时由于没有调制而被删除，从而大大降低了外部误差信号对检测的影响[2]。

3 检测谱线的选择

在近红外线方面发展最快的是处在700～2 500 nm近红外区的光谱，其吸收系数虽低于中红外吸收，但仍位于吸收带外，且有密集的气体分子吸收线。此外，工作在该波段的激光具有成本低、性能稳定、调谐速度快、光谱分辨率高等优点。小于较好的环境条件下，可将近红外范围内的测量灵敏度控制在一定的产品开发周期内，例如分布反馈激光器（DFB）和外部反馈激光器空心空间导体激光器（ECDL）。二氧化碳在红外波段有三条强的基本吸收路径，分别位于4.3 μm，7.23 μm和153 μm处。CO2的强度可达10-18cm-1/ (molecule ×cm-2)以上，更适合于光谱分析。但是，这三种波长的价格比较昂贵，不适合光谱分析，不利于气体计量的应用和推广。此外，在2 μm的吸收带附近，CO2的线强度小于基本吸收带，可以达到10-21cm-1/ (molecule ×cm-2)以上。

目前我们已经研制出一种工作在室温下2.0 pm，价格相对较好的半导体激光器。一些科学家已经用这种带子激光二极管来测量。在1.51 μm通信带附近的吸收带中，CO2的光谱强度比基频带低5个数量级，约为10-23cm-1/ (molecule ×cm-2)。尽管这个波段的频谱强度较低，但是半导体激光器在这个波段上价格低廉，使用方便，在1.58 m的波段上，随着产品加工和通讯技术的发展，激光器的性能不断提高，研究与开发的步伐不断加快，通过测量二氧化碳浓度，可有效避免H2O和SO2的光谱干扰。

4 误差补偿

光谱法能在线检测二氧化碳，但对环境要求太高。光谱法测量气体浓度是指气体温度、压力、湿度和浓度的测量。另外，对噪声(如干扰信号、空气中水在激光上的反射等)光谱线的选择进行了分析，结果显示，探测显示出类似气体的灵敏度，但是对于某些气体，专家和科学家采用了不同的方法来纠正测量中的误差。举例来说，利用热电偶和压力表测量系统的温度和压力，探测器使用封闭放大器中的一次谐波信号来测量气体浓度信号，这样在测量环境中气体浓度信号时就不会被激光强度所影响，也不会被背景辐射、微粒物质和介质的影响所影响。还有一些专家和科学家使用预设电路和误差补偿来纠正错误。由于只是在特定环境下的简单补偿，因此无法用于实时气体监测[3]。

5 检测系统设计

5.1 检测系统分析

模拟识别系统的建立，首先要对监控系统的整体管理和信息流动进行分析，同时还要对目标、方法、模型进行分析，从而根据内外因素和系统测量结果，确定实验模型是否合理。CO2排放系统是一个连续的交换系统。根据光谱吸收理论，考虑了4个主要的实际环境因素，即温度、压力、湿度以及类似气体等，模拟实验和测定了这些变量的连续变化。对仿真实验得到的误差进行综合分析，并调整系数。在直接测量CO2浓度时修正了误差。

5.2 系统总体设计

在实验室条件下，我们选择了四种环境变量作为试验对象，这些环境变量影响很大，并且在实验室温度、湿度、压力和类似气体中变化很小实验中采用了可调谐激光光谱(TDLAS)的测量输入和理论值。在此基础上开发了一个模拟实验平台。信号灯，信号灯记录模块，主要信号灯记录模块，包含测量仪器，用来测量环境变量。信号处理的主要模块是计算机。这一制度应包括下列步骤：

测量第一部分配置的不同成分浓度的混合气体，包括氮，二氧化硫和二氧化碳。中午一点五分的二氧化硫浓度类似于二氧化碳。通过对压力表、温控仪、湿度计的观测，根据实际环境条件调节环境变量，为模拟实际环境提供依据。在这种情况下，他们使用定容气体容器来调节反射容器中气体的压力，吸收容器的温度由温度控制器控制，空气室的湿度由吸收水的波长来调节。信号从激光器发送到准直器，然后再发送到准直器。同时将传感器的光线值通过数据采集卡发送到数据中心合并分析，纠正直接测量值的误差[4]。

5.3 硬件系统的设计

5.3.1 光源

在CO2监测系统中，光源是主要输入源。激光的结构主要包括三个部分：工作环境、激励和谐波源。激光的特性可以分成很多种类型。根据工作环境的不同，包括固体激光器、气体激光器、气体激光器、气体发生器、气体发生器等。根据接收方式的不同，半导体液体激光器可以分为连续脉冲激光器、光谱级和功率级半导体激光通信行业已经发展了很多年。调节式半导体激光器是目前气体控制领域的研究热点。

5.3.2 探测器

气控系统中使用的探测器一般是用来检测光信息的光电感应装置。通过监控电信号，把测试结果转化为电信号来控制灯光信号。可调谐激光吸收光谱仪对相应波长范围内的光信号应具有很高的灵敏度，为了满足调制测量的要求，同时应具有足够的频率响应带宽。

5.3.3 锁相放大器

在检测系统中，可检测的信号往往是微弱的，而且噪声和干扰也非常强烈，因此需要对信号进行叠加和过滤。在分析测量信号时，可取标准信号和噪声信号，在特定的倍频带上接收，再用互频滤波器过滤，再用低频滤波。效声带宽非常窄，从而削弱输入噪声信号，然后放大以满足系统的增益要求。

5.3.4 传感器的选择

尽管在线CO2监测基于光谱吸收原理，但在复杂的条件下很难确定气体的具体浓度，也很难确定气体的类型和浓度，因为气体浓度在气体传感器非线性和系统中浓度变化时具有不标准的选择性。综合多种传感器的数据，既能测量气体的成分和浓度，又能测量气体的质量。但在复杂的情况下，它是由数量和质量决定的。该系统由一些感光传感器组成。通过分析来处理传感器输出信号。模式识别与量值定义。每一个参数都要选择合适的传感器或测量设备，因此，必须与气量和传感器的参数因素相匹配。由于单个传感器射线的交叉灵敏度难以检测，因此通过简单的数据处理就可以得到每个传感器对应气体的全部信息。

5.4 软件系统的设计

该软件系统属于CO2实时控制系统。从传感器到数据中心的数据传输，根据硬件要求进行数据采集和速度控制有些步骤是手动控制的，有些则需要由计算机控制。采用模块化设计程序。通过上位机控制采样频率，将采集到的数据送入计算机中心。

6 结语

将光谱吸收技术、信息技术、传感器技术、电子技术与二氧化碳排放的利用相结合，基于多传感器数据集成技术，形成了CO2浓度实时监测方法。本文着重介绍集中监控方法的实现算法。通过开发模拟环境物理条件的模拟和应用软件，在实验室建立了二氧化碳实时模型；在制定试验步骤和收集试验数据方面所取得的成果表明，该方法测量精确，具有良好的实时性，可快速、准确地实时监测二氧化碳浓度。