【摘 要】
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针对工业化园区燃气管网、天然气罐区和城市重点区域燃气管线等区域,由于管道老化、破损或施工疏忽人为破坏,导致的燃气可燃气体泄漏造成城市安全与人身安全等问题,须引起安全部门和民众等重视。因此对相关区域的安全状态进行全天候、自动巡检具有重要意义。分析、设计并研制了一种基于可调谐二极管激光吸收光谱-波长调制光谱（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy-Wav
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针对工业化园区燃气管网、天然气罐区和城市重点区域燃气管线等区域,由于管道老化、破损或施工疏忽人为破坏,导致的燃气可燃气体泄漏造成城市安全与人身安全等问题,须引起安全部门和民众等重视。因此对相关区域的安全状态进行全天候、自动巡检具有重要意义。分析、设计并研制了一种基于可调谐二极管激光吸收光谱-波长调制光谱（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy-Wavelength Modulated Spectrum,TDLAS-WMS）的甲烷（CH4）泄漏遥测系统以满足CH4气体泄漏高精度、非接触和远距离探测的需求。选用CH4分子在6046.995 cm-1（1653.72 nm）处的吸收峰作为CH4浓度检测的吸收谱线,并通过TEC温控芯片MAX8521调节温度与调制驱动电流使得可调谐分布反馈式（DFB）激光器的中心波长稳定在1653.72 nm附近,使其能够精准吸收CH4分子形成吸收谱线,获取线强和线宽等有效信息。该系统采用高级精简指令集机器（ARM）和现场可编程逻辑门阵列（FPGA）双核架构,FPGA实现数字锁相解调提取一次谐波（1f）和二次谐波（2f）信号,ARM通过SPI实时接收FPGA解调的1f、2f信号并传送至Lab VIEW进行谐波信号分析和甲烷浓度在线解调。本研究通过2f/1f信号处理技术消除光强与靶标反射系数的变化对系统测量结果的影响,分析了同等实验条件下0 m～90 m范围内谐波信号与探测距离的关系,结果表明,2f/1f信号处理技术对噪声抑制效果显著。同时,测量了CH4气体在0 ppm·m～26000 ppm·m范围内的谐波信号以探索不同CH4气体积分浓度之间的关系,并研究了该系统的线性区间。采用最小二乘法对2f/1f和气体积分浓度数据进行线性拟合,获得系统标定线性度为0.9966。对系统误差进行了实验测量和分析,在0 ppm·m～2000 ppm·m范围内,系统测量最大相对误差为-3.66%,最小为-0.23%。利用1500 ppm·m CH4积分浓度的二次谐波信号评估系统的检测下限为70.5 ppm·m。以清华大学合肥公共安全研究院地下黄色燃气管网为实验平台,选取7 m、15 m和30 m距离为实际模拟距离,得出该系统的相对测量误差分别为-0.87%、-2.32%和-5.24%。结果表明,设计和研制的CH4泄漏遥测系统可广泛应用于城市燃气场站和天然气管网等场合的燃气突发泄漏监测预警。图[43]表[4]参[89]
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