TDLAS在森林可燃物熱解氣體多組分同步測量中的應用分析

郭松杰, 王璐鵬, 陳金錚, 馬 云, 梁 安, 盧志民, 姚順春*

1. 華南理工大學電力學院, 廣東 廣州 510640

2. 云浮市消防救援支隊, 廣東 云浮 527399

引 言

森林是地球上最大的陸地生態系統, 具有保持水土、 調節氣候、 凈化空氣等功能, 對維持地球生態平衡起著至關重要的作用[1]。 森林火災突發性強、 處置困難、 破壞性大, 已經成為我國森林三大災害之一。 森林可燃物熱解對揭示森林燃燒機理和著火特性具有重要意義[2-3]。 森林火災的發生通常會經歷一定過程, 火災早期的主要形式是森林可燃物熱解, 環境溫度過高導致植被熱解生成CO、 CO2和CH4等主要含碳氣體, 所以對熱解氣體進行早期探測是森林火災預警的有效措施。 CO和CH4在大氣中的含量極低, 只有在熱解和發生火災時才會明顯上升, 是火災早期的典型預警信號[4]。 CO2雖然是大氣中的常見氣體, 但是在熱解特別是著火時也會急劇上升。 這些含碳氣體的不斷釋放不僅容易引發火災, 而且會改變大氣環境, 加劇溫室效應, 快速靈敏檢測這三種組分的濃度對森林火災預警以及計算CO、 CO2和CH4的釋放總量具有重要作用[5-7]。 目前森林火災監測的常用手段有地面、 空中巡邏、 瞭望臺監測、 視頻監控、 衛星遙感監測等[8], 傳統手段覆蓋面窄、 效率低, 難以對早期火災進行有效監測。 為了提高火災監測效率, 各種傳感器應運而生[9]。 森林地區環境復雜, 干擾因素較多, 對傳感器提出了較高的要求。 基于激光光譜技術的氣體檢測型傳感器具有響應時間短、 準確率高、 靈敏度高等優點, 適用于森林火災的早期探測。

可調諧二極管激光吸收光譜(TDLAS)是一種靈敏度高、 選擇性強、 抗干擾能力強、 可實時在線測量的吸收光譜技術, 已經廣泛應用于大氣污染物監測、 工業過程控制、 醫療診斷、 航空航天等領域[10-11]。 TDLAS技術同樣適用于森林熱解氣體測量, 張佳薇[5]等通過TDLAS技術測量CO進行了森林火災早期探測研究。 然而, 對單一組分進行測量容易引起火情誤判, 對熱解氣體多種組分進行同步分析, 可以進一步提高森林火災早期預警的準確率。 隨著半導體激光器大規模商業化, 制造成本不斷降低, 通過多個激光器聯用實現多組分氣體同步測量的研究逐漸成為行業熱點并應用于實際測量中。 波分復用[12]、 頻分復用[13]、 時分復用[14]等方法是同步測量的常用手段。 頻分復用指在載波上加載不同頻率的調制信號, 且這些調制信號互不干擾、 并行傳輸, 在接收端分別解調可以得到各自的傳輸信息。 頻分復用方法用在氣體測量中, 可以實現單個掃描周期內不同組分的同步測量, 簡化測量系統的同時響應時間不變, 具有較高的實用價值。 森林可燃物在熱解過程中不同組分的濃度存在差異, 基于波長調制光譜(WMS)技術選擇適用于不同濃度的反演方法, 對簡化系統、 提升檢測效率具有重要的現實意義。

基于TDLAS-頻分復用技術搭建了一套測量森林可燃物熱解氣體中CO、 CO2和CH4濃度的實驗系統, 采用仿真的方式對比了二次諧波(2f)信號和二次諧波/直流(2f/DC)信號反演不同濃度的準確性, 通過測量2f/DC信號反演了三種組分的濃度。

1 原 理

1.1 TDLAS原理

根據Beer-Lambert定律[15], 入射激光被氣體樣品吸收后會導致出射光強衰減。 當激光中心頻率ν0受到角頻率為ω的正弦波調制時, 激光的瞬時頻率ν(t)可以表示為[16]

ν(t)=ν0+acos(ωt)

(1)

式(1)中,a為調制幅度。 由于DFB激光器的特性, 在激光頻率調制的同時, 激光強度也會受到調制。 調制后的透射激光強度用傅里葉級數表示為

I(t)=I0(t)τ(ν0+acos(ωt))=

(2)

式(2)中,Hk(ν0,a)為透射率τ(ν0+acos(ωt))的傅里葉系數。 探測器將接收的透射激光信號轉換為電信號輸入鎖相放大器, 與不同頻率的參考信號相乘并經過低通濾波, 便可得到不同階次的諧波信號。

由于奇數次的諧波信號在譜線中心處為零, 而偶數次的諧波信號在譜線中心處達到最大值, 且隨著諧波次數增加, 諧波信號的峰值逐漸減小, 因此2f信號中心峰值適合用于反演氣體濃度。 借助標準氣體標定的方式可以確定氣體絕對濃度。

假設有兩個不同頻率(ω1和ω2)的調制信號同時加載到激光器, 激光的瞬時光強I(t)可以表示為

I(t)=I0+bcos(ω1t+φ1)+ccos(ω2t+φ2)

(3)

式(3)中,b和c分別為兩個調制信號的調制幅度,ω1和ω2分別為不同的調制頻率,φ1和φ2分別為各自的相位。 在對吸收光強信號進行解調時, 由于ω1和ω2通常為數十kHz的高頻信號, 且兩個頻率相差較大, 所以解調信號不受干擾。 光強信號與頻率為ω1和ω2的參考信號f1=dcos(ω1t+φ3)和f2=ecos(ω2t+φ4)分別進行混頻濾波, 其中,d和e分別表示兩個參考信號的幅度,φ3和φ4表示各自的相位。 混頻濾波后, 頻率為ω1、ω2、ω1+ω1、ω2+ω2、ω1+ω2、ω1-ω2的高頻成分都被低通濾波器濾除, 只保留頻率為ω1-ω1和ω2-ω2項對應的直流成分, 其中包含輸入信號幅值變化信息。 因此, 同時加載兩個不同頻率的調制信號用于測量不同氣體的頻分復用方法理論上可行。

1.2 譜線選擇

在頻分復用方案的基礎上, 需要選擇合適的吸收譜線。 CO、 CO2和CH4的吸收譜線分布范圍廣, 從近紅外到中紅外波段都有分布, 如圖1(a)所示。 近紅外波段的二極管激光器以及配套的光纖器件制造工藝成熟、 成本較低, 適合用于現場測量和各種傳感器開發。 同時, 為了實現三種組分同步測量, 避免出現飽和吸收現象, 選擇強度適宜且互不干擾的吸收譜線至關重要。 通過查詢HITRAN數據庫, 確定了三種組分的吸收譜線, 如圖1(b)、 (c)中的黑色箭頭所示, 對應的譜線參數見表1。

表1 選取的CO、 CO2和CH4的吸收譜線及其強度

圖1 CO、 CO2和CH4的吸收譜線分布

2 實驗部分

研究表明, 當氣體吸光度小于0.05時, 2f信號峰值與氣體濃度近似滿足線性關系[17], 隨著吸光度增加, 光強透射率與吸光度線性度降低, 由光強透射率解調的2f信號峰值與濃度的線性度也會隨之下降。 為了適應熱解氣體中不同組分濃度的反演, 克服2f峰值-濃度函數線性區間有限的缺點, 本工作提出了利用DC信號拓展標定模型的線性區間, 并且采用Simulink仿真的方式進行了驗證, 隨后搭建實驗裝置對熱解氣體中CO、 CO2和CH4三種組分進行了實際測量。

2.1 Simulink仿真

DC信號表示直接對透射光強進行低通濾波獲得的直流信號, DC信號中包含透射率信息, 2f/DC信號可以消除指數特征的影響, 進一步增大線性區間。 在此通過Simulink仿真的方式分別驗證了2f信號峰值與濃度、 2f/DC信號峰值與濃度的線性度。 我們模擬了CO位于6 330.15 cm-1處、 濃度在0.33%～1.67%(對應吸光度范圍為0.01～0.05)和2%～10%(對應吸光度范圍為0.06～0.3)之間的吸收光譜, 并進行線性擬合, 結果如圖2所示。 可以看出當吸光度小于0.05時, 2f信號峰值關于濃度的線性度與2f/DC信號基本一致, 均大于0.999; 但是當吸光度大于0.05時, 2f信號峰值的線性度明顯減小, 而2f/DC信號幾乎不變, 說明2f/DC信號具有更大的線性區間。 由于實驗中CO的吸光度大于0.05, CO2和CH4的吸光度小于0.05, 因此, 后續測量中將利用2f/DC信號反演CO、 CO2和CH4的濃度。

圖2 信號峰值與濃度仿真數據線性擬合

圖2(a)和(b)分別表示氣體吸光度在0.01～0.05范圍內, 2f信號峰值與2f/DC信號峰值關于濃度的線性擬合情況。 同樣, (c)和(d)分別表示2f信號和2f/DC信號在吸光度為0.05～0.3范圍內的線性擬合情況。

2.2 裝置

基于頻分復用的CO、 CO2和CH4三種組分同步測量實驗裝置如圖3所示。 主要包括激光、 氣體吸收池、 數據采集分析系統以及氣路部分。 DFB1激光器的中心波長為1 580.0 nm, 其波長調諧范圍可以同時覆蓋CO在6 330.15 cm-1、 CO2在6 328.95 cm-1處的吸收譜線, 實現CO和CO2的同時測量。 激光控制器1(PCI-1DA, Port City Instruments)內部集成了激光器的溫度控制器、 電流驅動、 信號發生器、 鎖相放大器、 數據采集卡等部件, 通過計算機控制, 可以直接獲取氣體濃度諧波信號。 DFB1激光器的調諧參數如下： 低頻鋸齒波掃描頻率為5 Hz, 高頻正弦波調制頻率為31.2 kHz。 DFB2激光器的中心波長為1 653.7 nm, 可以覆蓋CH4在6 044.12 cm-1處的吸收譜線。 激光控制器2包含激光器的溫度控制器(TC10-LAB, Wavelength Electronics)和電流驅動(QCL1500-LAB, Wavelength Electronics)兩部分, 鎖相放大器(HPLIA, Healthy photon)內部集成了信號發生器, 由其產生頻率為5 Hz的鋸齒波信號和頻率為6 kHz的正弦波信號加載到激光控制器2。 DFB1激光器和DFB2激光器發出的激光通過1∶1光纖合束器(TW1650R5A1, Thorlabs)進行合束, 合束光經過反射鏡后入射到Herriott吸收池, 與氣體相互作用。 該吸收池長度30 cm, 有效光程約18 m。 從吸收池出射的激光入射到探測器(PDA10D2, Thorlabs), 探測器將光信號轉化為電信號后分別傳輸至激光控制器1和鎖相放大器進行諧波解調。 數據采集分析系統包含： 激光控制器1、 數據采集卡和計算機。 激光控制器1可直接將CO和CO2的諧波信號傳輸至計算機, 鎖相放大器解調的CH4諧波信號通過數據采集卡(USB-6363, NI)傳輸至計算機。 氣路部分包括： 利用氣體采樣袋收集的熱解氣體、 已知濃度的CO、 CO2、 CH4標準氣體、 純N2標準氣體、 流量計(S48 32/HMT, HORIBA METRON)、 流量計控制器(MT/-56-3J, 北京堀場匯博隆精密儀器)以及氣體混合器等。

圖3 實驗裝置圖

2.3 熱解氣體制備

為了測量典型山林樹種熱解氣體中CO、 CO2和CH4三種主要含碳氣體的濃度, 從某山林收集了楓香樹、 松樹和樟樹的枝葉, 經過人工枝葉分離后分為六種樣品： 楓香葉、 楓香枝、 松木葉、 松木枝、 樟木葉、 樟木枝。 首先將六種樹種樣品置于40 ℃干燥箱中干燥24 h, 以模擬山林樹種自然干枯的過程。 使用粉碎機對干燥后的樣品進行粉碎, 并將粉碎后的樣品放入管式爐中加熱制取熱解氣。 管式爐入口連接氮氣, 流速1 L·min-1, 出口經過水洗過濾系統后與氣體采樣袋相連。 管式爐的設定溫度為900 ℃, 穩定加熱20 min后向管式爐中通入氮氣, 利用氮氣將熱解氣體吹掃至氣體采樣袋中。

3 結果與討論

3.1 2f/DC信號測量

將氣體采樣袋收集的熱解氣體充入吸收池后密封, 保持吸收池內的氣壓為0.99 atm(廣州本地氣壓), 溫度為25 ℃。 通過優化調制幅度和解調相位等參數, 使解調的2f/DC信號具有較高的峰值和信噪比。 六種樹種熱解氣體中三種組分的2f/DC信號如圖4所示。

圖4 六種樹種熱解氣體中三種組分的2f/DC信號

3.2 標準氣體標定

通過測量已知濃度的標準氣體進行系統線性響應度評估, 同時計算六種樹種熱解氣體中CO、 CO2、 CH4的濃度。 分別配制了CO、 CO2、 CH4三種組分不同濃度的標準氣體, 具體為： 五組CO標準氣體(2%、 4%、 6%、 8%、 10%)、 五組CO2標準氣體(2%、 4%、 6%、 8%、 10%)以及五組CH4標準氣體(1%、 2%%、 3%、 4%、 5%), 測量三種組分每個濃度對應的2f/DC信號。 每個2f/DC信號由10組數據平均所得, 并通過線性擬合得到2f/DC信號峰值與氣體濃度的函數, 如圖5所示。 從圖中可以看出,R2均大于0.995, 證明三種組分的2f/DC信號與濃度均滿足較好的線性關系。

圖5 三種組分標準氣體的2f/DC信號峰值與濃度線性擬合

利用標準氣體的線性擬合模型, 可以計算出六種樹種熱解氣體中CO、 CO2、 CH4的濃度, 結果如表2所示, 濃度比值如圖6所示。

表2 六種樹種熱解氣體中CO、 CO2和CH4的濃度

圖6 六種樹種熱解氣體CO、 CO2、 CH4的濃度比值

由表2和圖6可以看出, 六種樹種熱解氣體中CO、 CO2、 CH4的比值略微存在差異, 其中CO的含量最高, 原因是在900℃高溫條件下主要發生焦炭氣化反應和Boundouard反應, 說明在900 ℃高溫下山林樹種熱解產生的含碳氣體中主要成分為CO。

3.3 系統檢測限分析

為了對系統檢測限進行評估, 在此選擇了楓香葉熱解氣體中的CO、 CO2、 CH4信號進行計算, 如圖7示。 在無吸收區域截取一段信號, 計算其標準差(SD), 通過CO、 CO2和CH4的2f/DC信號峰值與標準差, 可以得到三種組分的信噪比分別為311、 211和44, 結合采樣頻率和平均次數, 可知該光譜系統在2 s測量時間內, 對于CO、 CO2、 CH4的最低檢測限分別為0.007 3%、 0.007 7%、 0.007%, 靈敏度分別為0.004 8%、 0.004 8%、 0.002%。 研究表明, CO和CH4的濃度分別大于12.5%和5%時容易發生爆炸[18], 因此該系統滿足森林可燃物熱解氣體測量和森林火災早期預警需求。

圖7 楓香葉熱解氣體中CO、 CO2和CH4的

4 結 論

利用TDLAS-頻分復用技術測量了六種樹種熱解氣體中三種主要含碳組分CO、 CO2和CH4的濃度, 結果表明, 三種組分的2f/DC信號峰值與濃度均滿足良好的線性關系, 線性度大于0.995, 證明2f/DC信號適用于不同濃度的反演。 分析六種樹種解熱氣體中三種組分的總體釋放情況可知, CO占比明顯高于CO2和CH4, 這是由于在900 ℃高溫條件下主要發生焦炭氣化反應和Boundouard反應。 通過評估最低檢測限, 證明該系統滿足森林可燃物熱解氣體測量和森林火災早期預警的需求。 在本工作的基礎上, 下一步將利用該系統對三種組分進行在線實時測量, 進一步研究森林可燃物熱解過程中不同時刻三種組分的釋放情況。