燃氣輪機廣泛應用于發電和飛機推進領域，對燃氣輪機廢氣成分進行監測和分析是控制污染排放以確保符合空氣質量規定的有效方法，同時也有助于優化工廠運行。由于燃氣輪機廢氣中各類污染物具有不同的濃度尺度，使用單一技術測量濃度百分比、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測，尤其在涉及低濃度氣體檢測的場景中。

據麥姆斯咨詢報道，近期，來自意大利錫耶納大學（University of Siena）和德國科堡應用技術大學（Coburg University of Applied Sciences and Arts）的研究人員提出一種基于光聲效應的低成本、簡易的氣體檢測系統，可用于同時檢測工業廢氣中的二氧化碳（CO?）和二氧化氮（NO?）。相關研究成果以“A photoacoustic based measurement system for dual detection of NO? and CO? in combustion exhaust gases”為題發表在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被設計為燃氣輪機連續排放監測系統（CEMS）的一部分。光聲氣體檢測系統利用聲學諧振器提供的光聲信號放大，其特點是結構簡單且堅固耐用，適用于現場氣體檢測。雙重氣體檢測是通過兩種檢測原理實現的：第一種檢測原理是基于經典的光聲效應，專門用于檢測目標混合物中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諧振器的特征模態頻率對聲速的依賴性來測量廢氣中濃度在百分比范圍內的氣體成分。由于CO?會對聲速產生影響，進而對諧振器的諧振頻率產生影響。為了測量CO?濃度，光聲氣體檢測系統自動跟蹤諧振頻率變化以實現檢測目的。兩種氣體檢測是通過一個獨特的傳感器同時實現的，并具有實時測量功能。

圖1 光聲氣體檢測系統：（a）示意圖；（b）整體檢測系統照片

實驗結果表明，該光聲氣體檢測系統對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。該方法還可以擴展到其它氣體分析系統，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?濃度的函數關系

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?濃度的函數關系

綜上所述，這項研究提出一種結合了光聲效應和諧振頻率跟蹤測量技術的新方法，可以同時量化兩種不同的氣體：NO?和CO?，其重點是應用于燃氣輪機中的廢氣排放監測。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）導致聲速變化的環境中實現以ppm分辨率檢測目標氣體（NO?）所需精度的關鍵因素。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，利用環形諧振器作為光聲單元結構，不僅確保了高靈敏度，還有助于集成簡單、經濟高效的調節電子器件。因此，該方法將對工業氣體排放監測起到重要的推動作用。

審核編輯：劉清