基于多频调制和多频解调的多气体组份检测方法及装置制造方法及图纸

一种基于多频调制和多频解调的多气体组份检测方法及装置，该方法是分别用不同调制频率加载到不同激光器的驱动模块上，让激光器的中心波长分别扫过气室中各气体组份的特征吸收谱线，激光光束经光纤合束器耦合成为一束光，耦合到气室里，入射到光电探测器上，对光电信号进行处理，透射信号分别传送到不同锁相放大器并分别选择不同解调频率进行解调。该装置包括微处理器、频率合成器、激光器、光纤合束器、准直透镜、气室、光电探测器、前置放大器、锁相放大器和模数转换器。本发明专利技术使多个不同波长光源复用光谱采样气室的一个光程，多分析物复用一个光路，降低了样气的消耗量和温控系统的能量消耗。

Multi gas component detection method and device based on multi frequency modulation and multi frequency demodulation

A multi gas component detection method and device based on multi frequency modulation and multi frequency demodulation, which is loaded on the driving modules of different lasers with different modulation frequencies, allowing the central wavelength of the laser to sweep the characteristic absorption spectrum of each gas component in the gas chamber, and the light beam is coupled by the fiber bundle. The beam, coupled to the gas chamber, incident on the photodetector, processed the photoelectric signal. The transmission signals were transmitted to the different phase locked amplifiers and were separately demodulated for different demodulation frequencies. The device includes a microprocessor, a frequency synthesizer, a laser, a fiber beam collimator, a collimating lens, a gas chamber, a photodetector, a preamplifier, a phase locked amplifier and a analog to digital converter. The invention enables a plurality of different wavelength light sources to reuse a light path of a gas chamber, and a multi analyte multiplexes an optical path, reducing the consumption of the sample gas and the energy consumption of the temperature control system.

【技术实现步骤摘要】
基于多频调制和多频解调的多气体组份检测方法及装置
本专利技术涉及一种用于多气体组份检测的方法和装置，属于气体检测

技术介绍
在石油化工工艺过程中均会有大量的环节需要对气体进行多组份检测。比如油田开采过程中产生的油田伴生气，它的主要成分是甲烷、乙烷等轻烷烃，还含有硫化氢、二氧化碳、一氧化碳等具有腐蚀性的有毒气体。毒性腐蚀性微量杂质气体会对天然气运输管道腐蚀，并对天然气的利用加工带来危险。只有具备条件的油田才将零散井口的伴生气集中输送到大型轻烃回收处理站，进行脱水、脱硫化氢等工序，处理后的产品主要有液化石油气（C3+C4）、轻质油（C5+）和天然气甲烷乙烷（C1+C2）。因而准确实时测量油田伴生气中的硫化氢、二氧化碳、一氧化碳等微量成分的含量，为油田伴生气的回收工艺改进和质量控制提供依据。还有，在化工过程分析的应用中，气体的组成和含量都在动态变化。以烯烃生产为例，主要分为烯烃裂解和分离过程，它的裂解原料包括天然气、炼厂气以及炼油装置产品如石脑油、轻柴油等。裂解炉出口的成分包括氢气、甲烷、乙烯、乙烷、丙烯、丙烷、丁二烯、丁烯、丁烷、戊二烯/戊炔、戊烯、戊烷、C6-C8非芳烃、苯、甲苯、二甲苯/乙苯/苯乙烯、C9-205C、205-288C（裂解柴油）和288C+(裂解燃料油）。也包含关键影响的一些痕量杂质如CO、CO2、H2S、H2O、C2H2、C3H4和丁炔等。多组分测量尤其是多种痕量成分的测量的重要意义体现在三个方面：及时调整工艺参数，提高产品收率和相对比例。影响裂解产品组份的因素包括原料特性和裂解工艺条件（温度，停留时间、烃分压）等；为后续处理如脱杂和分离提供输入信息，影响最终产品的等级；保护催化剂，延长催化寿命；理解催化工艺的动力学过程，加速新工艺新技术的研究。由于测量精度差，灵敏度不高，选择性、稳定性和可靠性不好，校正周期和寿命短，容易受到不同气体之间的干扰，反应时间较长、易“中毒”，传统气体检测方法如电化学、半导体（气敏元件）、载体催化等不适于多组分气体检测。红外光谱法通常指非分光红外吸收方法（NDIR），其技术原理是：许多气体分子有吸收红外光的性质，在固有的特征吸收频率处吸收光最强。气体吸收光后，光强减小ΔI，遵循朗伯-比尔定律，ΔI是气体浓度的函数，所以测量出光强变化便得到气体浓度。红外吸收光谱技术一般采用红外热光源，发射光谱宽，对分析物吸收峰的选择是通过光学滤波片实现的，一种分析物对应一个滤波片透过的一个波长（或者波带），分辨率低，无法提供不同分析物的指纹特征，因而无法解决在多组份检测时不同分析物之间的串扰。还由于光源具有热惰性，光功率小，信号调制频率低，气体吸收的有效光程小，导致气体检测灵敏度低。中国专利文献CN103543124A公开的《一种基于软件锁相的可调激光吸收光谱气体检测方法》，包括：1）驱动信号产生，由内置采集卡的DAQ驱动采集卡的模拟输出端产生电压信号，该信号加载到DFB激光驱动器上，用以调制DFB输出激光；2）气体吸收及探测，经调制的激光经气体吸收池携带有气体浓度信息；经光电探测器将该光信号转化成电信号，再由采集卡的模拟输入端采集；3）软件锁相及解调，采集的数据经软件锁相放大滤波算法，解调出气体浓度信息。上述方法不采用庞大的硬件锁相放大设备，仅用一块数据采集卡及软件算法锁相，易于实现仪器化和便携化。但是，对于多气体组份检测仍存在样气和能量消耗高的不足。
技术实现思路
本专利技术针对现有多气体组份检测技术存在的不足，提供一种样气消耗量低、能量消耗低、气体检测灵敏度高的基于多频调制和多频解调的多气体组份检测方法。同时提供一种实现上述方法的装置。本专利技术的基于多频调制和多频解调的多气体组份检测方法，是使用多个不同的调制频率进行激光器的驱动信号调制，并使用不同的频率作为参考信号在不同的锁相放大器进行解调；具体过程如下所述：分别用k个不同调制频率（f1、f2、……fk）加载到k个不同激光器的驱动模块上，让激光器的中心波长分别扫过具有k个检测通道（即k种气体组份）的同一气室中各气体组份的特征吸收谱线，激光光束经光纤合束器耦合成为一束光，由准直器（准直透镜）耦合到气室里，使合束激光的模式与气室光学模式匹配（就是让激光光束的束腰与气室端镜的焦点重合），经过反射之后入射到光电探测器上，将光电探测器接收的光电信号进行前置放大滤波去噪，所得的透射信号分别传送到k个锁相放大器，k个锁相放大器分别选择不同解调频率（nf1、nf2、……nfk）进行解调，解调的信号包含气室中各种组份气体的浓度信息。调制和解调所用的信号由频率合成器产生。所述k至少为2。所述调制频率（f1、f2、……fk）为5KHz～40KHz。所述k个调制频率中任意两个调制频率之间的差|fi-fj|>△f,其中i，j=1,2,……k，i不等于j，△f为激光器的驱动信号和光电探测器接收的光电信号的带宽。作为优选，|fi-fj|>2△f。所述k个调制频率中任意两个解调频率之间的差|nfi-nfj|>△f,其中i，j=1,2,……k，i不等于j，n为整数，定义为调制频率的倍数，△f为激光器的驱动信号和光电探测器接收的光电信号的带宽。优选地，|nfi-nfj|>2△f。更优选地，n=2，即二次谐波解调技术。所述k个调制和解调频率中，任意调制和解调频率之间的差|fi-nfj|>△f,其中i，j=1,2,……k，△f为激光器的驱动信号和光电探测器接收的光电信号的带宽。优选地，|fi-nfj|>2△f。实现上述方法的基于多频调制和多频解调的多气体组份检测装置，采用以下技术方案：该装置，包括频率合成器和一个光谱采样气室，光谱采样气室内设置有至少两个检测通道，光谱采样气室的前方依次设置有光纤合束器和准直透镜，光纤合束器的前方设置有与检测通道数量相同的激光器，光谱采样气室的后方设置有光电探测器,光电探测器与前置放大器、锁相放大器、模数转换器和微处理器依次连接，锁相放大器的数量与检测通道的数量相同，频率合成器与微处理器连接。本专利技术结合可调谐二极管激光吸收光谱技术（TDLAS）和波长调制技术(WMS)，充分利用TDLAS技术的高分辨率和高灵敏度，多个不同波长光源复用光谱采样气室的一个光程，应用于化工过程气体在线分析的多组分检测。本专利技术大幅简化光学系统设计，从传统的TDLAS分析仪一种分析物使用一个气室或一个光程的结构，到多分析物复用一个光路，节省了气室个数，简化了气室设计，缩小了分析仪的体积，降低了样气的消耗量和温控系统的能量消耗，不同分析物之间串扰小，检测灵敏度高。附图说明图1为本专利技术基于多频调制和解调的多气体组份检测装置的结构原理示意图。图中：1.微处理器，2.频率合成器，3.激光驱动器，4.激光器，5.光纤合束器，6.准直透镜，7.光谱采样气室，8.光电探测器,9.前置放大器,10锁相放大器,11.模数转换器。具体实施方式本专利技术基于多频调制和多频解调的多气体组份检测方法，是使用k个不同的调制频率（f1、f2、……fk）进行激光器的驱动信号调制，并使用k个不同的解调频率（nf1、nf2、……nfk）作为参考信号在k个不同的锁相放大器进行解调。k为检测通道总数即k本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于多频调制和多频解调的多气体组份检测方法，其特征是：分别用k个不同调制频率加载到k个不同激光器的驱动模块上，让激光器的中心波长分别扫过具有k个检测通道的同一气室中各气体组份的特征吸收谱线，激光光束经光纤合束器耦合成为一束光，由准直器耦合到气室里，使合束激光的模式与气室光学模式匹配，经过反射之后入射到光电探测器上，将光电探测器接收的光电信号进行前置放大滤波去噪，所得的透射信号分别传送到k个锁相放大器，k个锁相放大器分别选择不同解调频率进行解调，解调的信号包含气室中各种组份气体的浓度信息。

【技术特征摘要】
1.一种基于多频调制和多频解调的多气体组份检测方法，其特征是：分别用k个不同调制频率加载到k个不同激光器的驱动模块上，让激光器的中心波长分别扫过具有k个检测通道的同一气室中各气体组份的特征吸收谱线，激光光束经光纤合束器耦合成为一束光，由准直器耦合到气室里，使合束激光的模式与气室光学模式匹配，经过反射之后入射到光电探测器上，将光电探测器接收的光电信号进行前置放大滤波去噪，所得的透射信号分别传送到k个锁相放大器，k个锁相放大器分别选择不同解调频率进行解调，解调的信号包含气室中各种组份气体的浓度信息。2.根据权利要求1所述的基于多频调制和多频解调的多气体组份检测方法，其特征是：所述k至少为2。3.根据权利要求1所述的基于多频调制和多频解调的多气体组份检测方法，其特征是：所述k个调制频率中任意两个调制频率之间的差|fi-fj|>△f,其中i，j=1,2,……k，i不等于j，△f为激光器的驱动信号和光电探测器接收的光电信号的带宽。4.根据权利要求1所述的基于多频调制和多频解调的多气体组份检测方法，其特征是：所述k个调制频率中任意两个调制频率之间的差|fi-fj|>2△f,其中i，j=1,2,……k，i不等于j，△f为激光器的驱动信号和光电探测器接收的光电信号的带宽。5.根据权利要求1所述的基于多频调制和多频解调的多气体组份检测方法，其特征是：所述k个解调频率中任意两个解调频率之间的差|nfi-nfj|>△f,其中i，j=1,2,……k，i不等于j，n为整数，定义为调制频率的倍数，△f为激...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国林，吕晓翠，季文海，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东,37