用于同時檢測工業(yè)廢氣中NO?和CO?的光聲氣體檢測系統(tǒng)開發(fā)

燃?xì)廨啓C(jī)廣泛應(yīng)用于發(fā)電和飛機(jī)推進(jìn)領(lǐng)域，對燃?xì)廨啓C(jī)廢氣成分進(jìn)行監(jiān)測和分析是控制污染排放以確保符合空氣質(zhì)量規(guī)定的有效方法，同時也有助于優(yōu)化工廠運(yùn)行。由于燃?xì)廨啓C(jī)廢氣中各類污染物具有不同的濃度尺度，使用單一技術(shù)測量濃度百分比、百萬分比（ppm）甚至十億分比（ppb）值具有很大難度。光聲（PA）檢測由于對痕量氣體的高靈敏性，使其成為氣體測量和分析的有價值且通用的解決方案，被廣泛用于氣體排放監(jiān)測，尤其在涉及低濃度氣體檢測的場景中。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，來自意大利錫耶納大學(xué)（University of Siena）和德國科堡應(yīng)用技術(shù)大學(xué)（Coburg University of Applied Sciences and Arts）的研究人員提出一種基于光聲效應(yīng)的低成本、簡易的氣體檢測系統(tǒng)，可用于同時檢測工業(yè)廢氣中的二氧化碳（CO?）和二氧化氮（NO?）。相關(guān)研究成果以“A photoacoustic based measurement system for dual detection of NO? and CO? in combustion exhaust gases”為題發(fā)表在IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement期刊上。

這項研究工作提出的光聲氣體檢測系統(tǒng)被設(shè)計為燃?xì)廨啓C(jī)連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）的一部分。光聲氣體檢測系統(tǒng)利用聲學(xué)諧振器提供的光聲信號放大，其特點是結(jié)構(gòu)簡單且堅固耐用，適用于現(xiàn)場氣體檢測。雙重氣體檢測是通過兩種檢測原理實現(xiàn)的：第一種檢測原理是基于經(jīng)典的光聲效應(yīng)，專門用于檢測目標(biāo)混合物中ppm濃度范圍的NO?。其光源是一個中心波長為405 nm的發(fā)光二極管，與NO?的吸附峰相匹配，因此可直接從光聲信號的振幅推算出NO?濃度；另一種檢測原理是基于聲學(xué)諧振器的特征模態(tài)頻率對聲速的依賴性來測量廢氣中濃度在百分比范圍內(nèi)的氣體成分。由于CO?會對聲速產(chǎn)生影響，進(jìn)而對諧振器的諧振頻率產(chǎn)生影響。為了測量CO?濃度，光聲氣體檢測系統(tǒng)自動跟蹤諧振頻率變化以實現(xiàn)檢測目的。兩種氣體檢測是通過一個獨特的傳感器同時實現(xiàn)的，并具有實時測量功能。

圖1 光聲氣體檢測系統(tǒng)：（a）示意圖；（b）整體檢測系統(tǒng)照片

實驗結(jié)果表明，該光聲氣體檢測系統(tǒng)對NO?的檢測分辨率低于1 ppm，對CO?的檢測分辨率約為0.2%，證明了其用于同時檢測兩種氣體的可行性。該方法還可以擴(kuò)展到其它氣體分析系統(tǒng)，以用于測量具有較大濃度差異的氣體混合物，通過選擇合適的光源來檢測濃度在ppm范圍內(nèi)的氣體，同時利用聲速變化來檢測濃度在更高范圍的氣體。

圖2 以N?作為載氣，NO?固定濃度為10 ppm (vol/vol)，總流量為100 ml/min時，測得的頻率偏移（a）和跟蹤共振頻率下的光聲信號振幅（b）與CO?濃度的函數(shù)關(guān)系

圖3 以N?作為載氣，CO?固定濃度為2% (vol/vol)，總流量為100 ml/min時，測得的頻率偏移（a）和跟蹤共振頻率下的光聲信號振幅（b）與CO?濃度的函數(shù)關(guān)系

綜上所述，這項研究提出一種結(jié)合了光聲效應(yīng)和諧振頻率跟蹤測量技術(shù)的新方法，可以同時量化兩種不同的氣體：NO?和CO?，其重點是應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)中的廢氣排放監(jiān)測。該方法的新穎之處在于其利用了諧振頻率跟蹤，這是在不同工作條件（包括載氣成分的波動）導(dǎo)致聲速變化的環(huán)境中實現(xiàn)以ppm分辨率檢測目標(biāo)氣體（NO?）所需精度的關(guān)鍵因素。同時，研究人員證明了利用諧振頻率跟蹤作為CO?濃度直接測量的可行性。此外，利用環(huán)形諧振器作為光聲單元結(jié)構(gòu)，不僅確保了高靈敏度，還有助于集成簡單、經(jīng)濟(jì)高效的調(diào)節(jié)電子器件。因此，該方法將對工業(yè)氣體排放監(jiān)測起到重要的推動作用。

審核編輯：劉清