[发明专利]一种高浓度甲烷背景中的微量乙烯气体测量系统及方法

说明书

本发明提供了一种高浓度甲烷背景中的微量乙烯气体测量系统及方法，属于气体检测、吸收光谱和光纤传感技术领域。采用红外宽谱光源激发乙烯产生光声信号，并采用近红外可调谐激光光源测量高浓度甲烷的浓度值，利用测量的甲烷浓度对乙烯吸收产生的光声信号进行修正，从而实现对高浓度甲烷背景中的微量乙烯气体的高精度测量。采用的两种光声激发光源都具有低成本和小体积的优势，此外，系统采用光纤传声器和高速光谱解调法，可对光源产生的基频和二次谐波光声信号进行超高灵敏度测量，对乙烯测量检测极限达到0.1ppm量级。本发明为煤层自然发火的预警提供了一种极具竞争力的技术方案。

技术领域

本发明属于气体检测、吸收光谱和光纤传感技术领域，涉及一种高浓度甲烷背景中的微量乙烯气体测量系统及方法。

背景技术

乙烯是在碳氢化合物氧化过程中产生的重要中间产物，因此，微量乙烯检测在燃烧化学领域非常重要。煤层的自然发火是除瓦斯爆炸之外对煤矿安全的最大威胁。在自然发火的初期(煤层温度超过150℃)，会产生微量的乙烯。随着煤的自然氧化，乙烯的释放量将逐渐增加。乙烯的产生表明煤的氧化已进入自热阶段，可将乙烯作为矿井煤层自然发火指示性气体。在自然发火的早期阶段，乙烯的浓度通常在0-100ppm的范围内。因此，微量乙烯气体的检测对预防矿难具有重要意义。

用于微量乙烯气体测量的方法主要有气相色谱法、电化学传感法和光谱法。气相色谱仪利用色谱分离和检测技术对多组分混合物进行定量分析。气相色谱仪具有测量精度高和气体组分间交叉干扰小的优点。但是，通常需要较长的启动预热时间(通常超过1小时)，这不能满足现场实时测量的要求。此外，气相色谱仪需要载气和定期校准，增加了仪器的维护工作量。电化学气体传感器以其小尺寸和低成本已经得到广泛应用。电化学乙烯传感器对甲烷完全无响应，因此不存在高浓度甲烷的干扰问题。然而，较差的气体选择性和较短的使用寿命使其难以长期可靠地应用。在自然发火发生的过程中，一氧化碳的产生温度远低于乙烯，当乙烯出现时一氧化碳的浓度通常超过100ppm。但是，电化学乙烯传感器对一氧化碳也有较高的响应，因此难以被用于煤矿的自然发火监测。基于可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)或者光声光谱的光谱法利用待测气体吸收特定波长的光波的原理，具有灵敏度高、选择性好和响应速度快的优点。文献Wei Y,Chang J,Lian J,et al.A coal minemulti-point fiber ethylene gas concentration sensor.Photonic Sensors,2015,5(1):67-71设计了一个基于TDLAS的光纤乙烯气体传感器，采用1.62μm的分布式反馈(DFB)激光二极管作为检测光源，利用光纤耦合的多程吸收式Herriot吸收池以及波长解调技术，实现了对ppm级的乙烯气体浓度的检测。与TDLAS相比，光声光谱通常使用较小的气室。文献Schilt S,Kosterev A A,Tittel F K.Performance evaluation of a near infraredQEPAS based ethylene sensor.Applied Physics B,2009,95(4):813-824使用近红外DFB激光器设计了石英增强型光声光谱传感器，对微量乙烯气体的检测灵敏度达到0.5ppm。为了进一步提高乙烯的检测灵敏度，可使用中红外激光器作为光源，例如带间级联激光器、量子级联激光器和二氧化碳激光器。但是，当煤矿的采空区发生瓦斯突出时，甲烷的浓度可能高达50％。由于小分子烃类气体相近的碳氢键结构导致吸收光谱的密集重叠，因此需要重点考虑高浓度甲烷气体干扰的影响。乙烯在1.62μm、3.32μm和10.6um波长附近具有较高的吸收系数，但甲烷在1.62μm和3.32μm波长附近具有与乙烯相当的吸收系数，存在严重的吸收光谱干扰问题，因此这两个光谱吸收区域不能用于高浓度甲烷背景中的微量乙烯检测。在10.6μm波长附近，乙烯具有最大的吸收系数，并且几乎没有甲烷吸收光谱的干扰，是高浓度甲烷背景中的微量乙烯检测的理想波段。然而，发射波长为10.6μm的量子级联激光器和二氧化碳激光器分别存在光源成本高和体积庞大的缺点。此外，高浓度甲烷改变了光声乙烯测量的气体背景，会对乙烯的光声响应产生影响，进而产生较大的测量误差。因此，设计一种高浓度甲烷背景中的微量乙烯气体的高精度测量系统具有重要的应用价值。

发明内容