Simultaneous methane and acetylene detection using frequency-division multiplexed laser absorption spectroscopy

材料科学 检出限 艾伦方差 甲烷 激光器 光谱学 时滞与积分 光学 吸收光谱法 探测器 光电子学 分析化学(期刊) 标准差 物理 化学 统计 数学 有机化学 色谱法 量子力学
作者
Mohsin Raza,Ke Xu,Zhimin Lü,Wei Ren
出处
期刊:Optics and Laser Technology [Elsevier BV]
卷期号:154: 108285-108285 被引量:21
标识
DOI:10.1016/j.optlastec.2022.108285
摘要

A dual-gas optical sensor was developed using frequency-division multiplexed (FDM) scanned-wavelength modulation spectroscopy for simultaneous detection of methane (CH4) and acetylene (C2H2). Two infrared lasers were combined to exploit C2H2 and CH4 absorption lines centered at 6539.45 cm−1 and 6057.09 cm−1, respectively. Scanned-WMS with the second-harmonic detection (WMS-2f) and a compact astigmatic multipass gas cell (36-m path length in a 0.3 L volume) were employed to improve detection sensitivity. Simultaneous dual-gas detection was realized by modulating each laser at a different frequency (5 kHz for 1529 nm and 13 kHz for 1650 nm) and software lock-in amplifiers were used to obtain the corresponding WMS-2f signals from a single photodetector. The Allan deviation analysis was performed to assess the long-term stability and minimum detection limit (MDL) of the sensor system. The MDL of 0.92 ppm for CH4 and 0.64 ppm for C2H2 was achieved at 0.02-s integration time, which can be further improved to 55 ppb for CH4 and 10 ppb for C2H2 at an optimum integration time of 10-s and 15-s, respectively. Such a dual-gas sensor has a promising potential for detecting dissolved gases (CH4 and C2H2) in transformer oil for fault diagnosis due to its high sensitivity, hardware simplicity, and fast temporal resolution.
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