燃气轮机广泛应用于发电和飞机推进领域，对燃气轮机废气成分进行监测和分析是控制污染排放以确保符合空气质量规定的有效方法，同时也有助于优化工厂运行。由于燃气轮机废气中各类污染物具有不同的浓度尺度，使用单一技术测量浓度百分比、百万分比（ppm）甚至十亿分比（ppb）值具有很大难度。光声（PA）检测由于对痕量气体的高灵敏性，使其成为气体测量和分析的有价值且通用的解决方案，被广泛用于气体排放监测，尤其在涉及低浓度气体检测的场景中。
据麦姆斯咨询报道，近期，来自意大利锡耶纳大学（University of Siena）和德国科堡应用技术大学（Coburg University of Applied Sciences and Arts）的研究人员提出一种基于光声效应的低成本、简易的气体检测系统，可用于同时检测工业废气中的二氧化碳（CO₂）和二氧化氮（NO₂）。相关研究成果以“A photoacoustic based measurement system for dual detection of NO₂ and CO₂ in combustion exhaust gases”为题发表在IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement期刊上。
这项研究工作提出的光声气体检测系统被设计为燃气轮机连续排放监测系统（CEMS）的一部分。光声气体检测系统利用声学谐振器提供的光声信号放大，其特点是结构简单且坚固耐用，适用于现场气体检测。双重气体检测是通过两种检测原理实现的：第一种检测原理是基于经典的光声效应，专门用于检测目标混合物中ppm浓度范围的NO₂。其光源是一个中心波长为405 nm的发光二极管，与NO₂的吸附峰相匹配，因此可直接从光声信号的振幅推算出NO₂浓度；另一种检测原理是基于声学谐振器的特征模态频率对声速的依赖性来测量废气中浓度在百分比范围内的气体成分。由于CO₂会对声速产生影响，进而对谐振器的谐振频率产生影响。为了测量CO₂浓度，光声气体检测系统自动跟踪谐振频率变化以实现检测目的。两种气体检测是通过一个独特的传感器同时实现的，并具有实时测量功能。
图1 光声气体检测系统：（a）示意图；（b）整体检测系统照片
实验结果表明，该光声气体检测系统对NO₂的检测分辨率低于1 ppm，对CO₂的检测分辨率约为0.2%，证明了其用于同时检测两种气体的可行性。该方法还可以扩展到其它气体分析系统，以用于测量具有较大浓度差异的气体混合物，通过选择合适的光源来检测浓度在ppm范围内的气体，同时利用声速变化来检测浓度在更高范围的气体。
图2 以N₂作为载气，NO₂固定浓度为10 ppm (vol/vol)，总流量为100 ml/min时，测得的频率偏移（a）和跟踪共振频率下的光声信号振幅（b）与CO₂浓度的函数关系
图3 以N₂作为载气，CO₂固定浓度为2% (vol/vol)，总流量为100 ml/min时，测得的频率偏移（a）和跟踪共振频率下的光声信号振幅（b）与CO₂浓度的函数关系
综上所述，这项研究提出一种结合了光声效应和谐振频率跟踪测量技术的新方法，可以同时量化两种不同的气体：NO₂和CO₂，其重点是应用于燃气轮机中的废气排放监测。该方法的新颖之处在于其利用了谐振频率跟踪，这是在不同工作条件（包括载气成分的波动）导致声速变化的环境中实现以ppm分辨率检测目标气体（NO₂）所需精度的关键因素。同时，研究人员证明了利用谐振频率跟踪作为CO₂浓度直接测量的可行性。此外，利用环形谐振器作为光声单元结构，不仅确保了高灵敏度，还有助于集成简单、经济高效的调节电子器件。因此，该方法将对工业气体排放监测起到重要的推动作用。
论文信息：
DOI: 10.1109/TIM.2023.3328691
