CN103592253A - 一种对测量气体浓度进行精确温度补偿的***体分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对测量气体浓度进行精确温度补偿的***体分析仪，包括两个激光器，两个激光器均与激光器驱动控制电路控制连接，两个激光器的激光发射端分别通过单模光纤接入合束器，合束器的光输出端的光路上置有准直透镜，准直透镜后的探测气体光路上设有光电转换接收端，光电转换接收端连接信号处理模块，信号处理模块的信号输出端连接时分复用控制及数据处理单元，时分复用控制及数据处理单元与激光器驱动控制电路连接；本发明实现了待测气体温度的准确补偿，极大的提高了测量准确性，为工业过程控制提供更加准确的监测数据。

Description

一种对测量气体浓度进行精确温度补偿的***体分析仪

技术领域

本发明涉及一种对测量气体浓度进行精确温度补偿的***体分析仪，主要用于工业生产现场过程气体浓度的准确监测。

背景技术

半导体***体分析仪是一种“实时”、“在线”的气体监测装置，常用于石化、钢铁、水泥、环保、工业在线监控等领域。***体分析仪是一种高灵敏度的气体分析手段，其原理是特定波长的激光通过气体后，因受气体特定吸收峰的吸收，产生光强的衰减。光强的衰减可用Beer-Lambert定律准确描述：

I(v)=I₀(v)exp[-S(T)φ(v)PXL]

其中I(v),I₀(v)分别是激光通过气体后，通过气体前的光强，v是激光的频率，P，X和L分别是气体的压力、浓度和光程。线强S（T）是温度T的函数，线性函数φ(v)表示吸收谱线的形状。由Beer-Lambert定律可知，光强的衰减和被测气体的浓度成正比，从而可以通过测量激光通过气体后的衰减获得被测气体的浓度。同时，由于DFB激光器的发射峰很窄（小于15MHz），工作时可以选择单根气体吸收谱线进行测量，不受其他气体的干扰，具有很高的测量灵敏度。

由于***体分析仪是基于Beer-Lambert定律的一种光学监测方法，所以其测量结果会随气体的吸收峰的吸收强度、峰形的改变而产生误差。气体吸收峰的吸收强度与峰形会随气体温度的改变而发生很明显的变化，如氨气的吸收峰在180度时只有常温下吸收峰强度的一半左右，而实际氨气测量现场的温度在180度到350度范围内，所以现场氨气气体的温度会造成氨气浓度测量的很大误差。

气体吸收峰强度和吸收峰形状随温度的变化情况可以通过理论推导，获得与实际气体峰形变化很接近的理论值。但在实际应用中，气体浓度的准确测量存在的最大问题来自于无法获得准确的待测气体温度。目前，一般使用热电偶监测测量点的气体温度，通过4－20mA信号传输到***体分析仪，并在仪器内部对测量的浓度进行温度补偿。但是，热电偶只能测量单点的气体温度，而***体分析仪是测量沿测量光路一条线的平均浓度，这两者存在误差。并且，对于一些现场，沿测量光路温度的变化非常剧烈，待测气体温度可以从边缘的几十度变化中心位置的几百度。在这种条件下，单点测量温度存在很大的误差，最后的浓度测量结果难以真实反映实际情况。

利用***体分析仪测量气体温度的技术最近几年发展比较迅速。同一物质不同的吸收峰由于其吸收峰特性不一样，吸收峰随温度的变化特性也不一样，所以两根吸收峰强度的比值与气体温度是一一对应的，如图1所示。利用这种特性，就能够利用***体分析仪监测待测气体的温度。

发明内容

本发明提出了一种对测量气体浓度进行精确温度补偿的***体分析仪，利用***体分析仪能够测量沿光路待测气体的平均温度的特性，取代传统的利用热电偶测量温度后再传输给***体分析仪进行计算的方式，可以实现更加准确的待测气体浓度测量。

本发明的主要内容包括：

一种对测量气体浓度进行精确温度补偿的***体分析仪，其特征在于：包括有两个激光器，两个激光器均与激光器驱动控制电路控制连接，两个激光器的激光发射端分别通过单模光纤接入合束器，合束器的光输出端的光路上置有准直透镜，准直透镜后的探测气体光路上设有光电转换接收端，光电转换接收端连接信号处理模块，信号处理模块的信号输出端连接时分复用控制及数据处理单元，时分复用控制及数据处理单元与所述的激光器驱动控制电路连接；所述的两个激光器分别用于测量待测气体的浓度和待测气体的温度，利用***体分析技术监测沿光路待测气体的温度平均值，并以此值对待测气体浓度进行补偿，准确的获得待测气体的浓度。

所述的一种对测量气体浓度进行精确温度补偿的***体分析仪，其特征在于：利用工业中大量存在的水气作为测量气体温度的载体，分别测量1397.87nm与1397.75nm的两条水的吸收峰的强度比值来测量气体温度。

所述的一种对测量气体浓度进行精确温度补偿的***体分析仪，其特征在于：所述的时分复用控制及数据处理单元采用时分复用的方式进行工作，在不同的时间开启不同的激光器，测量不同的组分。

所述的一种对测量气体浓度进行精确温度补偿的***体分析仪，其特征在于：所述的两个激光器发射的两个波长激光分别为1397nm测量水气的激光与根据测量气体种类而定的待测气体特征波长激光。

本发明的原理是：由于工业过程中一般都存在大量的水气，因此利用测量水气吸收峰的方法监测气体的温度。采用波分复用的方法，将测量气体浓度所使用的波长与测量气体温度的波长耦合进同一光路，这样就能获得沿测量光路准确的待测气体温度，利用测量到气体的温度对气体浓度进行补偿，就能够获得准确的待测气体浓度。

本发明的优点是：

本发明实现了待测气体温度的准确补偿，极大的提高了测量准确性，为工业过程控制提供更加准确的监测数据。

附图说明

图1为***体分析仪测量温度的原理图。

图2为准确温度补偿的***体分析仪结构图。

图3为***工作程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实例对本发明做进一步说明：

图2是准确温度补偿的***体分析仪结构图。一种对测量气体浓度进行精确温度补偿的***体分析仪，包括有两个激光器1，两个激光器1均与激光器驱动控制电路2控制连接，两个激光器1的激光发射端分别通过单模光纤接入合束器3，合束器3的光输出端的光路上置有准直透镜4，准直透镜4后的探测气体光路5上设有光电转换接收端6，光电转换接收端6连接信号处理模块7，信号处理模块7的信号输出端连接时分复用控制及数据处理单元8，时分复用控制及数据处理单元8与所述的激光器驱动控制电路2连接；所述的两个激光器1分别用于测量待测气体的浓度和待测气体的温度，利用***体分析技术监测沿光路待测气体的温度平均值，并以此值对待测气体浓度进行补偿，准确的获得待测气体的浓度。

利用工业中大量存在的水气作为测量气体温度的载体，分别测量1397.87nm与1397.75nm的两条水的吸收峰的强度比值来测量气体温度。

时分复用控制及数据处理单元8采用时分复用的方式进行工作，在不同的时间开启不同的激光器，测量不同的组分。

两个激光器1发射的两个波长激光分别为1397nm测量水气的激光与根据测量气体种类而定的待测气体特征波长激光。

***采用时分复用的方式工作：即***在不同的时间分别驱动不同的激光器1工作，测量不同的组分。两个激光器1输出的激光经过波分复用的方式耦合进同一条光路，再通过准直透镜4的准直后射入待测气体区域，进行气体的监测。与气体作用后的激光经过收集和光电转化后进入主控程序进行信号的处理。图3是***工作程序流程图。如图所示，首先，***通过程序切换到测量温度的通道，即开启测量温度的激光器工作，停止测量气体浓度的激光器。***稳定后，测量两条水气吸收峰的高度，再通过算法计算后获得待测气体的平均温度。此时，测量的温度记录在***体分析仪中，以备后面使用。温度测量完成后，***通过程序切换到测量气体浓度的通道，即开启测量气体浓度的激光器工作，停止测量温度的激光器。待***稳定后，测量气体吸收峰的高度，并通过前面测量得到的待测气体平均温度计算出待测气体的准确浓度，然后将此浓度值通过显示界面、4-20mA、RS485等手段传输给工厂中央控制室。由此完成一个循环的浓度监测，***将不断的重复上述流程，以实现气体浓度的连续监测。

Claims (4)

1.一种对测量气体浓度进行精确温度补偿的***体分析仪，其特征在于：包括有两个激光器，两个激光器均与激光器驱动控制电路控制连接，两个激光器的激光发射端分别通过单模光纤接入合束器，合束器的光输出端的光路上置有准直透镜，准直透镜后的探测气体光路上设有光电转换接收端，光电转换接收端连接信号处理模块，信号处理模块的信号输出端连接时分复用控制及数据处理单元，时分复用控制及数据处理单元与所述的激光器驱动控制电路连接；所述的两个激光器分别用于测量待测气体的浓度和待测气体的温度，利用***体分析技术监测沿光路待测气体的温度平均值，并以此值对待测气体浓度进行补偿，准确的获得待测气体的浓度。

2.根据权利要求1所述的一种对测量气体浓度进行精确温度补偿的***体分析仪，其特征在于：利用工业中大量存在的水气作为测量气体温度的载体，分别测量1397.87nm与1397.75nm的两条水的吸收峰的强度比值来测量气体温度。

3.根据权利要求1所述的一种对测量气体浓度进行精确温度补偿的***体分析仪，其特征在于：所述的时分复用控制及数据处理单元采用时分复用的方式进行工作，在不同的时间开启不同的激光器，测量不同的组分。

4.根据权利要求1或2所述的一种对测量气体浓度进行精确温度补偿的***体分析仪，其特征在于：所述的两个激光器发射的两个波长激光分别为1397nm测量水气的激光与根据测量气体种类而定的待测气体特征波长激光。

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