CN104266971A - 管道气体在线检测的原位标定装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及管道气体在线检测的原位标定装置及方法，激光发射单元与激光接收单元分别通过法兰安装于检测管道的两端，激光发射单元腔室内布置有DFB激光器及一分二光开关，一分二光开关的一输出端经管道由激光接收单元的光电探测器探测管道内部待测气体，另一输出端经铠装光纤与标定单元相连进行标气标定，标定单元的腔室内布置有高反射镜，高反射镜的输出端经约束孔与激光接收单元腔室内的全透全反镜相对接，激光接收单元腔室内两侧分别密封安装高透射镜片形成标定气室，全透全反镜的输出端经标定气室与光电探测器相对接，氮气供给管路接入至激光发射单元的腔室、标定单元的腔室。避免了离线标定方式的拆卸复杂等缺点，缩短标定时间。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于激光吸收光谱技术的管道气体在线检测的原位标定装置及其方法，属于气体分析技术领域。
背景技术
近20年来，随着中国经济的高速发展，厂矿、企业逐渐增多，能源需求逐年增加，大气环境污染问题也日益突出。大气环境污染不但制约了经济的持续发展，而且也给人民健康带来严重危害。随着国家环保意识的提高，提出可持续发展战略，要求整顿高能耗、高污染的行业，提高资源能源利用率，加强污染物排放监控，改善自然环境，提高身体健康状况。其中，大量消耗资源，产生大量有害气体的工矿等行业是整顿治理的重要方面。治理的根本途径是对工业生产过程产生的有毒有害气体进行实时检测，然后根据检测结果对生产过程进行控制，优化生产过程，提高资源能源利用率，最终降低有害气体的排放量，保护大气环境。
60年代中期，铅盐可调谐二极管激光器出现后，立即被发现可用作高分辨率红外激光吸收光谱技术的光源。随后，一种新的痕量气体检测技术得到了应用，这个技术被称为可调谐二极管激光吸收光谱技术(TunableDiode Laser Absorption Spectroscopy－TDLAS)。随着光通讯和光电子技术的发展，二极管激光器也迅速商品化，特别是近红外二极管激光器具有体积小、长寿命和高电光转换效率等特点，使其成为工业环境痕量分子检测的理想光源。相对于其他光谱技术，该技术具有高灵敏度、高选择性、实时、动态、多组分同时测量等优点，在大气痕量气体探测和工业控制、工业污染排放的非接触实时在线检测方面近年来在国际上被广泛采用。
在TDLAS技术应用于管道气体浓度在线检测过程中时，其要求必须采用标准气体进行***的标定。常用的标定方法均为离线方式，其过程如下：***标定时将现有检测对射装置发射单元和接收单元，正压保护单元拆卸下来，然后安装于提供的标定管两端，调整好光路以后在标定管中充入高纯氮气然后记录其为背景信号。背景信号获得以后再对标定管中充入高浓度的待测气体采集此时的高浓度信号。上述信号获取以后与前面采集到的背景信号相减即为所要获取的标定信号。标定信号保存完毕后关闭***，拆卸下安装在标定管两端的发射和接收单元，重新装回测量管道两侧，再次进行光路的调整，光路调整好和正压保护安装好以后打开***电源即可进行在线检测。以上标定过程繁琐，且要求标定人员具有较好的专业技能和判断能力，对于厂矿企业检测人员来说具有一定的难度，且增加了运行成本。
因此研发一种不拆卸原位在线管道标定装置及其方法将具有非常重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于激光吸收光谱技术的管道气体在线检测的原位标定装置及其方法，旨在解决目前离线标定方法的拆卸过程复杂、易产生人为干扰、标定误差、标定时间长等不足。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
管道气体在线检测的原位标定装置，特点是：包括激光发射单元、激光接收单元和标定单元，所述激光发射单元与激光接收单元相连，激光发射单元的腔室内布置有DFB激光器及位于其输出端的一分二光开关，一分二光开关的一输出端经管道与激光接收单元的光电探测器相对接，另一输出端经铠装光纤与标定单元相对接，标定单元的腔室内布置有高反射镜，高反射镜的输出端经约束孔与激光接收单元腔室内的全透全反镜相对接，激光接收单元腔室内两侧分别密封安装高透射镜片形成标定气室，全透全反镜的输出端经标定气室与光电探测器相对接，氮气供给管路分别接入至激光发射单元的腔室、标定单元的腔室和标定气室。
进一步地，上述的管道气体在线检测的原位标定装置，所述DFB激光器为分布反馈式尾纤输出可调谐半导体激光器。
更进一步地，上述的管道气体在线检测的原位标定装置，所述高反射镜为平面镜，由控制俯仰角的细调螺栓和控制前后位置的调节螺钉相连接。
更进一步地，上述的管道气体在线检测的原位标定装置，所述约束孔有两个。
更进一步地，上述的管道气体在线检测的原位标定装置，所述全透全反镜为双面镀膜的镜片，一面为全透，一面为全反。
更进一步地，上述的管道气体在线检测的原位标定装置，所述激光接收单元腔室上安装有与标定气室相通的进气阀门和出气阀门。
再进一步地，上述的管道气体在线检测的原位标定装置，所述高透射镜片为非平行安装，其倾斜角度为5度。
再进一步地，上述的管道气体在线检测的原位标定装置，所述激光发射单元的腔室上安装有窗片，窗片为平面镜结构。
再进一步地，上述的管道气体在线检测的原位标定装置，所述激光接收单元的腔室上安装有窗片，窗片为平面镜结构。
本发明管道气体在线检测的原位标定方法，工作在测量管道气体浓度情况下时，激光发射单元控制一分二光开关切换至测量光路，使DFB激光器的激光经过一分二光开关的测量光路，经准直后的准直光束经过管道内的待测气体吸收以后，由激光接收单元的光电探测器接收，经过光电转换以后的信号送入激光接收单元的锁相放大器和信号处理模块进行浓度反演处理；当需要对检测***进行标定时，控制一分二光开关切换至标定光路，通过铠装光纤将激光光束引入至标定单元，通过高反射镜使激光光束同时透过两个约束孔后打在全透全反镜的中心位置上以确保激光光束D与准直光束经过同一路径，经过全透全反镜反射后的光束透过标定气室被光电探测器接收，经过光电转换以后的信号送入激光接收单元的锁相放大器和信号处理模块进行信号采集与处理；标定过程为：首先，在标定气室中充入高纯氮气并达到均匀后，记录其为背景信号，然后再对标定气室中充入高浓度的待测气体并达到均匀后采集此时的高浓度信号，高浓度信号获取以后与之前采集的背景信号相减即为所要获取的标定信号。
本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：
①本发明的原位在线安装标定结构，避免了离线标定方式的拆卸复杂等缺点，降低了维护成本；
②采用高反镜片和增透高反镜片相结合，保证了测量光路和标定光路的一致性，可以有效地消除测量过程中其他光学部件的影响；标定气室与之前的离线标定气室相比体积更加小巧，缩短了标定时间与标定程序；
③利用TDLAS技术的中波长调制方法进行浓度反演，相比直接吸收光谱技术而言灵敏度更高，精度较好；
④在检测管道内部气体浓度较低时，可以在标定气室中通入高浓度气体的方法抬升气体本底信号，然后再进行后续的处理得到管道内部气体的浓度值。可以满足浓度低、光程短等检测场合的要求，是现有激光在线检测仪器所不具备的；
⑤各部分单元分别集成封装，采用密封圈等材料进行密封，且内部充满氮气氛围，达到了防爆要求，且在测量过程中消除了其他干扰气体的影响；简易适用，市场前景广阔。
附图说明
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：
图1：本发明的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，管道气体在线检测的原位标定装置，包括激光发射单元1、激光接收单元2和标定单元3，激光发射单元1通过焊接DN50法兰单元4与激光接收单元2连接后安装于管道对射两侧，激光发射单元1的腔室内布置有DFB激光器5及位于其输出端的一分二光开关6，DFB激光器5为根据待测气体选定的特定波长的分布反馈式尾纤输出可调谐半导体激光器，一分二光开关6实现测量光路A和标定光路B之间的切换，一分二光开关6的一输出端经管道与激光接收单元2的光电探测器19相对接，另一输出端经铠装光纤10与标定单元3相对接，铠装光纤10连接激光发射单元1的光纤法兰盘9与标定单元3的光纤法兰盘11，标定单元3的腔室内布置有高反射镜12，高反射镜12为平面镜，由控制俯仰角的细调螺栓13和控制前后位置的调节螺钉14相连接，具有高反射功能，调节过程中由细调螺栓13控制高反射镜12的俯仰角，调节螺钉14控制高反射镜12的前后位置，使激光光束D同时透过两个约束孔15，约束孔15有两个，使激光光束D同时穿过，保证其与全透全反镜16的绝对反射角度45度，高反射镜12的输出端经约束孔15与激光接收单元2腔室内的全透全反镜16相对接，全透全反镜16为双面镀膜的镜片，a面为对准直光束C全透，b面为对激光光束D全反，激光接收单元2腔室内两侧分别密封安装高透射镜片形成标定气室22，左侧高透射镜片20与右侧高透射镜片21为非平行安装，以避免干涉等噪声信号的出现，其倾斜角度为5度，标定气室22为长度10cm的密封气室，通过进气阀门23和出气阀门24充入目标气体采集相应信号，全透全反镜16的输出端经标定气室22与光电探测器19相对接，氮气供给管路25分别接入至激光发射单元1的腔室、标定单元3的腔室和标定气室22。
激光发射单元1的腔室上安装有窗片8，窗片8为平面镜结构，其材质为CaF2，通过转接管7连接吹扫气嘴，对窗片8吹扫，防止粉尘污染窗片。激光接收单元2的腔室上安装有窗片18，窗片18为平面镜结构，其材质为CaF2，通过转接管17连接吹扫气嘴，对窗片18吹扫，防止粉尘污染窗片。
正压吹扫单元向氮气供给管路25提供高压氮气，一是为了保护***装置的正压性达到防爆要求，二是对窗片进行高压吹扫，防止检测管道内部的粉尘、油污的污染，影响检测结果。
管道气体在线检测的原位标定方法，工作在测量管道气体浓度情况下时，激光发射单元1控制一分二光开关6切换至测量光路A，使DFB激光器5的激光经过一分二光开关6的测量光路，经准直后的准直光束C经过管道内的待测气体吸收以后，由激光接收单元2的光电探测器19接收，经过光电转换以后的信号送入激光接收单元2的锁相放大器和信号处理模块进行浓度反演处理；当需要对检测***进行标定时，控制一分二光开关6切换至标定光路B，通过铠装光纤10将激光光束引入至标定单元3，通过高反射镜12使激光光束D同时透过两个约束孔15后打在全透全反镜16的中心位置上以确保激光光束D与准直光束C经过同一路径，经过全透全反镜16反射后的光束透过标定气室22被光电探测器19接收，经过光电转换以后的信号送入激光接收单元2的锁相放大器和信号处理模块进行信号采集与处理；标定过程为：首先，在标定气室22中充入高纯氮气并达到均匀后，记录其为背景信号，然后再对标定气室22中充入高浓度的待测气体并达到均匀后采集此时的高浓度信号，高浓度信号获取以后与之前采集的背景信号相减即为所要获取的标定信号。整个检测过程和标定过程光束的路经除待测区域以外均在氮气正压保护状态进行。
激光吸收光谱技术其依据的原理是Beer-Lambert定律。其检测过程采用的是二次谐波信号和一次谐波信号的比例消元法消除光强影响以后的信号为检测信号，依据参考标定信号进行浓度反演
可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)是利用二极管激光器的波长调谐特性，获得被选定的待测气体特征吸收线的吸收光谱，从而对待测气体进行定性或定量分析。由于痕量气体含量比较低，吸收信号比较弱，因此锁相放大器的二次谐波检测已经被广泛应用于可调谐二极管激光吸收光谱对大气痕量气体的检测。根据Lambert－Beer吸收定律，激光器发出强度为I0，频率为υ的单色激光，通过长度为L的吸收介质后，在接收端测得的强度为
I(υ)＝I0(υ)exp(－σ(υ)cL) (1)
其中L为样品池的光路长度，σ(υ)是吸收截面，c为吸收气体的分子数浓度。对于近红外分子吸收来说，一般都满足|σ(v)cL|<<1，因此公式(1)可以近似为：
I(ν)≈I0(v)(1－σ(v)cL) (2)
即通过吸收气体之后光强变化与浓度和光程成线性关系。为了提高***检测灵敏度常常采用锁相放大器对吸收信号进行处理，对所得到的二次谐波信号进行分析，即表示如下：
I2f∝I0σ0NL (3)
综上所述，本发明设计独特、结构新颖，原位在线安装标定结构，避免了离线标定方式的拆卸复杂等缺点，降低了维护成本；采用高反镜片和增透高反镜片相结合，保证了测量光路和标定光路的一致性，可以有效地消除测量过程中其他光学部件的影响；标定气室与之前的离线标定气室相比体积更加小巧，缩短了标定时间与标定程序；利用TDLAS技术的中波长调制方法进行浓度反演，相比直接吸收光谱技术而言灵敏度更高，精度更好。在检测管道内部气体浓度较低时，可以在标定气室中通入高浓度气体的方法抬升气体本底信号，然后再进行后续的处理得到管道内部气体的浓度值。可以满足浓度低、光程短等检测场合的要求。是现有激光在线检测仪器所不具备的。各部分单元分别集成封装，采用密封圈等材料进行密封，且内部充满氮气氛围，达到了防爆要求，且在测量过程中消除了其他干扰气体的影响。堪称具有新颖性、创造性、实用性的好技术。
需要理解到的是：以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.管道气体在线检测的原位标定装置，其特征在于：包括激光发射单元(1)、激光接收单元(2)和标定单元(3)，所述激光发射单元(1)与激光接收单元(2)相连，激光发射单元(1)的腔室内布置有DFB激光器(5)及位于其输出端的一分二光开关(6)，一分二光开关(6)的一输出端经管道与激光接收单元(2)的光电探测器(19)相对接，另一输出端经铠装光纤(10)与标定单元(3)相对接，标定单元(3)的腔室内布置有高反射镜(12)，高反射镜(12)的输出端经约束孔(15)与激光接收单元(2)腔室内的全透全反镜(16)相对接，激光接收单元(2)腔室内两侧分别密封安装高透射镜片形成标定气室(22)，全透全反镜(16)的输出端经标定气室(22)与光电探测器(19)相对接，氮气供给管路(25)分别接入至激光发射单元(1)的腔室、标定单元(3)的腔室和标定气室(22)。
2.根据权利要求1所述管道气体在线检测的原位标定装置，其特征在于：所述DFB激光器(5)为分布反馈式尾纤输出可调谐半导体激光器。
3.根据权利要求1所述的管道气体在线检测的原位标定装置，其特征在于：所述高反射镜(12)为平面镜，由控制俯仰角的细调螺栓(13)和控制前后位置的调节螺钉(14)相连接。
4.根据权利要求1所述的管道气体在线检测的原位标定装置，其特征在于：所述约束孔(15)有两个。
5.根据权利要求1所述的管道气体在线检测的原位标定装置，其特征在于：所述全透全反镜(16)为双面镀膜的镜片，一面为全透，一面为全反。
6.根据权利要求1所述的管道气体在线检测的原位标定装置，其特征在于：所述激光接收单元(2)腔室上安装有与标定气室(22)相通的进气阀门(23)和出气阀门(24)。
7.根据权利要求1所述的管道气体在线检测的原位标定装置，其特征在于：所述高透射镜片为非平行安装，其倾斜角度为5度。
8.根据权利要求1所述的管道气体在线检测的原位标定装置，其特征在于：所述激光发射单元(1)的腔室上安装有窗片(8)，窗片(8)为平面镜结构。
9.根据权利要求1所述的管道气体在线检测的原位标定装置，其特征在于：所述激光接收单元(2)的腔室上安装有窗片(18)，窗片(18)为平面镜结构。
10.利用权利要求1所述装置实现管道气体在线检测的原位标定方法，其特征在于：工作在测量管道气体浓度情况下时，激光发射单元(1)控制一分二光开关(6)切换至测量光路A，使DFB激光器(5)的激光经过一分二光开关(6)的测量光路，经准直后的准直光束C经过管道内的待测气体吸收以后，由激光接收单元(2)的光电探测器(19)接收，经过光电转换以后的信号送入激光接收单元(2)的锁相放大器和信号处理模块进行浓度反演处理；当需要对检测***进行标定时，控制一分二光开关(6)切换至标定光路B，通过铠装光纤(10)将激光光束引入至标定单元(3)，通过高反射镜(12)使激光光束D同时透过两个约束孔(15)后打在全透全反镜(16)的中心位置上以确保激光光束D与准直光束C经过同一路径，经过全透全反镜(16)反射后的光束透过标定气室(22)被光电探测器(19)接收，经过光电转换以后的信号送入激光接收单元(2)的锁相放大器和信号处理模块进行信号采集与处理；标定过程为：首先，在标定气室(22)中充入高纯氮气并达到均匀后，记录其为背景信号，然后再对标定气室(22)中充入高浓度的待测气体并达到均匀后采集此时的高浓度信号，高浓度信号获取以后与之前采集的背景信号相减即为所要获取的标定信号。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |