大学论文
摘要：城市污水管网环境由于密闭环境易产生甲烷等易燃、易爆气体，因为潮湿、其它干扰气体的影响，现有气体检测技术存在检测数据不准、易失效等突出问题。利用半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）的带宽窄、检测选择性好的优势，用于城市污水管网环境的甲烷气体监测，能够有效避免水汽、其他气体的干扰，提高检测的准确性。同时，激光光纤传输的特点，适用于长距离的污水管网气体在线监测用。通过实际测试效果来看，将TDLAS技术引入城市污水管网可燃气体监测领域，是对现有污水管网监控的创新性应用，弥补了其他检测技术的缺点，提升了智慧市政监管的技术水平。
关键词：污水管网； 半导体激光吸收光谱技术； 抗干扰； 气体单一选择性； 甲烷探头；
Abstract:Due to the closed environment,flammable and explosive gases such as methane are easily generated in the urban sewage network environment. Due to the influence of moisture and other interfering gases,the existing gas detection technology has outstanding problems such as inaccurate detection data and easy failure. Utilizing the advantages of narrow bandwidth and good detection selectivity of semiconductor laser absorption spectroscopy（TDLAS），it is used for methane gas monitoring in urban sewage pipe network environment,which can effectively avoid the interference of water vapor and other gases and improve the accuracy of detection. At the same time,the characteristics of laser fiber transmission are suitable for long-distance sewage pipeline network gas monitoring applications. Judging from the actual test results,introducing TDLAS technology into the flammable gas monitoring field of urban sewage pipe networks is an innovative application to the monitoring of existing sewage pipe networks,making up for the shortcomings of other detection technologies and improving the technical level of smart municipal supervision.
Keyword:sewage pipe network; TDLAS; anti-interference; gas single selectivity; laser methane probe;
城市市政污水管道是城市中的重要基础设施，主要由排水的汇集、输送、提升、处理和附属设备等组成[1].污水管道相对封闭，湿度大，污水中的有机物和无机物质在厌氧条件下，会分解产生多种易燃易爆气体，如甲烷、硫化氢等气体[2].近年来，针对污水管网有毒有害气体监测技术研究，大多集中在传输层、应用软件层，对于有毒有害气体检测技术在污水管网环境适应性应用研究较少。
文献[1]研究了城市下水道及化粪池可燃气体监控预警系统，首次提出将无线传感器网络技术运用于市政排水管道可燃气体监测，并选定固定式红外可燃气传感器，通过现场测试确定了传感器的安装位置和现场设备安装原则。文献[2]对下水道可燃性气体预警系统关键技术研究进行了研究，提出采用热导传感器对下水道内可燃性气体浓度进行测定，具有实时、连续、自动监测的能力。
国内部分科研单位也推出了用于污水管道危险源气体检测的相关产品装置，从目前的应用情况来看，一定程度上实现了污水管道危险源气体浓度预警，预防了重大事故的发生。但是，仍然存在有毒有害气体传感检测技术单一等问题。目前市场上现有产品监测甲烷气体浓度主要采用的是"非色散红外光学原理"[3,4],即红外甲烷敏感元件。该元件长期在含有H2S环境中使用时，内部红外光源受腐蚀，检测零点将严重漂移，且无法恢复。另外红外甲烷检测技术受水汽影响特别大，直接导致甲烷气体监测误差过大[5,6].
半导体激光吸收光谱技术是近年来发展起来的甲烷检测技术，本文提出一种将半导体激光吸收光谱技术应用于城市污水管网危险源气体检测，并通过实验测试，验证其应用效果。
1 半导体激光吸收光谱技术
半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）依据朗伯-比尔定律，即在光程和反射系数不变的情况下气体浓度与吸收率具有量化对应关系[7,9].半导体激光吸收光谱技术的基本原理与红外气体检测原理是一致的，但与红外气体检测原理相比较，测量精度和准确度更高。可以实现环境中CH4、CO2、CO等多种特征气体的检测，且不易受环境湿度的干扰。
半导体激光吸收光谱技术相较于其他甲烷传感技术，在抗干扰能力、测量精度和稳定性、气体吸收单一选择性、多种气体可扩展性和本安防爆等方面具有比较大的优势特点[8,10].激光光谱吸收式气体检测技术是将光纤传感技术、激光光谱分析技术与微弱信号锁相检测技术相结合的产物，它将激光光谱分析技术从气体分析应用领域发展到工业现场实时、在线监测领域，具有气体选择特性好、灵敏度高、响应时间快等优势，特别适用于可燃气体的实时精确监测，是未来污水管道危险源气体监测的重要发展趋势。
2 总体设计
2.1 方案设计
基于半导体激光吸收光谱技术原理，设计了一款激光甲烷探头，用于污水管网环境甲烷气体监测。该甲烷探头主要包括MCU处理器、TDLAS激光元件、温控电路、激光器驱动电路、数字放大电路、模/数转换器、显示交互电路及数据传输电路等，如图1所示。首先MCU处理器将已调制的驱动信号输入到TDLAS激光器驱动电路中，通过温度控制电路的实时调节，激光器在相对稳定的温度条件下工作，并激发出调制光信号。调制后的光信号透过检测气室，通过光电转换电路将被测气体吸收浓度信息转换成模拟电信号；通过模/数转换采样电路实现模/数转换，通过MCU控制器将测量气体浓度数据解调出来，最后通过温度、压力补偿算法，实现相应的拟合补偿，最终获得精确的甲烷气体浓度值。
图1 激光甲烷探头功能组成框图
Fig.1 Block diagram of the functional composition of the laser methane probe
2.2 光学模块设计
根据"GB 3836.1-2010爆炸性环境第1部分：设备通用要求",对激光器的光功率输出作出了明确要求。本应用设计采用的激光器为连续光输出，其最大光功率输出不大于8 m W/mm2,远小于标准要求的20 m W/mm2.
由于气体吸收强度与气体吸收光程有关，光程越长气体吸收越明显，因此对低浓度时分辨率越高，但对高浓度时浓度的改变就很少引起信号的变化了，因此，针对气体检测量程的需要和测量精度的要求需选择一种合适的气室长度。另外，为了便于现场应用需尽量减小气室大小（气室内部采用反射方式实现），但过多的反射次数必定会造成光强的损失，本应用设计采用镀膜处理工艺来加强镜面的反射率。
2.3 电路设计
将一体化激光元件、数据存取芯片、光电信号前置放大电路和温度信号前置放大电路集成为一个独立模块，即一体化激光甲烷探头模块，如图2所示。一体化激光甲烷传感模块配置激光器温控电流接口及驱动电流接口，以实现激光器输出波长中心的控制和调整；数据存储芯片主要存取激光器对应的温度设置值及原始零点值；模块将转换、调节后的光电信号、温度信号及压力信号直接连接到AD采样电路和MCU,实现信号的采集和转换。
图2 激光甲烷探头电路设计框图
Fig.2 Block diagram of laser methane probe circuit design
MCU控制DAC电路实现对激光器的电流扫描功能；同时MCU同步控制温控驱动电路，实现对激光器温度设置值的实时控制和调节功能。MCU将解调后的浓度信号，通过双向通信数据交互接口，实时输出检测数据。
由于检测信号相对微弱，因此信号处理电路需要共模抑制比高、灵敏度高和频率响应范围宽等。
3 污水管网甲烷气体检测现场应用
3.1 现场施工安装、调试
本研究成果应用于污水管网有害气体的远程监测预警系统，结合重庆市两江新区数字化城市管理中心监控平台，对污水管网中甲烷气体浓度进行实时采集，实现远程监控和预警，确保污水管网安全运行。
污水管网中的甲烷气体的产生，为发酵逸出，气体浓度缓慢增高，不具有突发性。同时，气体检测模块若布设在化粪池内部，有可能被粪水淹没、气体腐蚀，造成损害。因此，监控终端采用抽气泵抽取化粪池内气体进行检测的方式，延长了检测模块的使用寿命，也方便后期运营维护。
3.2 实验测试数据及分析
经过实验测试，在甲烷浓度小于8%的环境中，吸收峰随温度变化的波动对测量浓度的影响可以忽略；在对有参考气室吸收峰中心检测算法研究的基础上，将原算法移植进行一次谐波中心点检测，使新的中心检测算法能够实现在甲烷浓度为0.5%时，中心检测值真实、平稳、有效。在此实验测试基础上，结合相应的软件控制设计，完全能够实现对甲烷气体的全量程精确测量。
在实际应用过程中，激光甲烷探头连续一个月的运行，检测数据能够真实反映污水管网内部甲烷气体的聚集情况，数据曲线如图3所示。
图3 安装测试点的甲烷探头检测数据曲线图
Fig.3 Curve of detection data of methane probe installed at test point
4 结语
半导体激光吸收光谱技术由于具有带宽窄、检测选择性好的突出特点，特别适合城市污水管网环境的甲烷气体监测，能够有效避免水汽、其他气体的干扰，提高检测的准确性。同时，利用激光光纤传输的特点，适合在长距离的污水管网气体在线监测应用。通过实际测试效果来看，将激光甲烷检测技术引入城市污水管网可燃气体监测领域，是对现有污水管网监控的创新性应用，弥补了其他检测技术的缺点，提升了智慧市政监管的技术水平。
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