基于温度调谐吸收光谱技术的多组分检测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及气体检测技术领域，具体涉及一种基于温度调谐吸收光谱技术的多组分检测装置，包括温度控制器、半导体激光器、带调制的恒流源、长程气室、探测器、前置放大器、锁相放大器和主控制器，还提供一种采用上述装置进行检测的方法，具体为：长程气室内填充气体，确定温度控制器的温度输出范围、半导体激光器扫描周期及分辨率，半导体激光器发射的激光经准直后导入至长程气室，经探测器、前置放大器后将光电流信号转换为电压信号DC并输出至锁相放大器，锁相放大器提取二次谐波信号2f，将二次谐波信号2f和电压信号DC发送至主控制器，利用浓度反演法计算气体中各组分浓度。本发明专利技术仅用一台激光器实现气体多个成分的同时检测，节约成本。

【技术实现步骤摘要】
基于温度调谐吸收光谱技术的多组分检测装置及方法
本专利技术涉及气体检测
，具体涉及一种基于温度调谐吸收光谱技术的多组分检测装置及方法。
技术介绍
在工业过程中尤其是化工工业过程中，例如天然气化工、石油化工、煤化工、氯碱化工、精细化工等领域，存在对气体的多组分浓度监测的大量需求。多组分检测的传统技术包括色谱技术、拉曼光谱技术，荧光光谱技术，非分光红外技术NDIR等。但是相对调制吸收光谱技术来说，它们的灵敏度偏低，反应时间慢。如果TDLAS按照本方案实施多组分分析，在各个方面的性能都比传统技术提高。本专利技术以实现天然气中各个组分的浓度测量为主要目标，可以迅速计算天然气的热值，在各个天然气计量站推广应用。除了烷烃成分之外，测量H2S和CO2的含量，对于天然气的品质定量评估，这些成分会腐蚀管道，会威胁使用者的健康安全，会降低天然气的热值。调制吸收光谱技术TDLAS(TunableDiodeLaserAbsorptionSpectroscopy)是一种新型的吸收光谱技术，由于它灵敏度高、探测限低、响应度快、可动态测量等特点，被开发成气体分析仪器，应用于实验室内科学研究和现场的过程在线分析，在石油化工、天然气处理、清洁能源、环保、医药、农业、冶金、食品等领域逐渐成为现代过程分析技术的主力军。TDLAS分析仪器由硬件、软件和分析模型三部分组成。硬件包括取样系统、预处理系统、光谱仪、测量附件、数据通讯模块；软件包括仪器控制和测量软件、化学计量学软件和人机界面、数据通讯软件等；依据不同的测量对象和测量参数，还需建立专用分析模型。光谱仪是整个分析系统的核心，主要功能是产生、采集和处理反应待测物质特性的光谱。光谱仪主要包括光源、探测器、光源驱动和探测器处理电路、光学采样气室以及光纤、电线等辅助器件。本专利技术的内容就是一种基于温度调谐的TDLAS的新型光谱仪设计。TDLAS分析仪一般采用近红外波段的分布反馈式(Distributedfeedback,DFB)激光器作为光源，采用光电二极管(Positive-Intrinsic-Negative,PIN)探测器对透射光进行探测。TDLAS分析平台采用智能化的微处理器为仪器的中心控制，采用信号处理模块实现对可调谐半导体激光器的波长调制和波长扫描；激光经过聚焦准直进入气室，在Herriot气室或者White气室中多次反射到达探测器，光程可达几十甚至上百米。探测到的信号经过信号产后护理模块放大和谐波解调，生成反映气体吸收的光谱信号，再经过模数转换发送到微处理器进行浓度反演和建立校验模型。对半导体激光器电流调谐，重现性好，速度快，是目前TDLAS气体分析仪器都采用的一种方法。但是，半导体激光器的电流调谐系数约为0.01nm/mA。从半导体激光器的阈值电流一般为10-20mA，激光器所能承受的最大电流100mA。当分析仪进行波长扫描时，电流的变化范围一般在40-80mA,对应的波长变化范围不超过1nm。这样的范围一般只对应一个分析物的特征吸收。特殊情况下，如果两种分析物的结构相近，切对浓度测量范围的要求也相近时，也可以同时进行两种物质的浓度。比如，M.Gabrysch等人首先尝试了利用1.578um激光器对大气背景的CO和CO2同时进行检测。涂兴华等人利用TDLAS技术针对CO和CO2在1.58um波段吸收光谱技术用于在线监测机动车尾气排放的CO和CO2。邢昆明利用TDLAS技术针对CO和CO2在1.579um不断吸收光谱测量了卷烟主流烟气的CO和CO2的浓度。石油大学痕量检测技术课题组2018年在光学精密工程26卷8期发表的文章TDLAS技术在烯烃生产过程中的多组分检测应用。该成果利用一个1580nm的DFB激光器结合偏最小二乘法(PLS)实现了0-10％浓度范围的CO和CO2同步检测。如果想实现更多成分的测量，就必须采用多个激光器，而且还必需配备相应的气室或者气室通道，主控制器还必需分配资源进行控制和算法处理，增加了成本。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术的目的在于：提供一种基于温度调谐吸收光谱技术的多组分检测装置及方法，仅用一台激光器实现气体多个成分的同时检测，节约成本。本专利技术为解决其技术问题所采用的技术方案为：所述基于温度调谐吸收光谱技术的多组分检测装置，包括以下几部分：温度控制器，用于控制温度扫描范围；半导体激光器，用于提供合适扫描周期和扫描分辨率的激光光源；带调制的恒流源，为半导体激光器提供带调制信号的驱动电流；长程气室，半导体激光器发出的激光经准直后导入长程气室，经多次反射后出射至探测器；探测器，将激光的光功率转换为电流信号；前置放大器，将探测器输出的电流信号转换为电压信号，电压信号分为两路，一路输出至锁相放大器，另一路输出至主控制器的模拟信号输入端；锁相放大器，采用与调制信号同源的倍频信号作为参考信号提取前置放大器输出的电压信号中的二次谐波信号并输出至主控制器的模拟信号输入端；显示输入模块，用于显示及输入指令；主控制器，根据获取的信号进行气体中多个组分浓度的计算并对上述各部件进行控制。本专利技术中，半导体激光器的温度由专门的温度控制器进行控制，它的功能是对半导体激光器波长进行粗调，调节到目标分析物的特征吸收峰。在扫描过程中，保持半导体激光器的温度恒定不变，从而保证每次波长扫描的重现性。在实际的应用环境中，由温度控制器的温度调谐范围和半导体激光器的温度调谐系数确定波长的调谐范围，因温度控制器的温度调谐范围较大，使得波长调谐范围能远远超出电流调谐的范围，涵盖更多成分的吸收峰，便于实现多组分检测。首先根据波长扫描范围，计算温度扫描范围，进一步确定施加在温度控制器上的电压变化范围，根据半导体激光器安装底座的热负载时间响应特性，确定扫描的周期和扫描的分辨率，半导体激光器的驱动电流由带调制的恒流源提供。为了提高光谱信号的强度，宜选择在高位电流，建议为最大电流的80％左右，调制电流的频率选择在几KHz到几十KHz为最佳，调制幅度需要根据分析物的光谱特征宽度优化，调制宽度为特征光谱的本征谱宽的2.2倍时，解调光谱的幅度最大。半导体激光器发出的激光经过准直之后导入到长程气室中，经过多次反射在出射口输出，长程气室分为Herriot气室和White气室两种基本类型，光程可以达到几十米甚至上百米。将出射的光线汇聚在探测器上，经过前置放大器，将微弱的光电流转换成电压信号，然后再输入到锁相放大器。锁相放大器采用与调制的恒流源的调制信号同源的倍频信号作为参考信号，提取谐波成分。在TDLAS技术中常用的是二倍频解调，获得二次谐波信号，二次谐波信号本质上是直接吸收信号的二阶微分，呈现对称结构，没有基线。光谱的幅度与吸收分子的浓度成正比，基本理论是朗博比尔定律，是气体浓度反演的基础。通过对电压信号滤波，也会得到反映光信号强度的光功率信号。利用光功率信号，可以补偿由于功率的波动导致的二次谐波信号的变化。光功率信号和二次谐波信号发送到主控制器的模拟信号输入端，主控制器同步波长扫描和信号采本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于温度调谐吸收光谱技术的多组分检测装置，其特征在于，包括以下几部分：/n温度控制器，用于控制温度扫描范围；/n半导体激光器，用于提供合适扫描周期和扫描分辨率的激光光源；/n带调制的恒流源，为半导体激光器提供带调制信号的驱动电流；/n长程气室，半导体激光器发出的激光经准直后导入长程气室，经多次反射后出射至探测器；/n探测器，将激光的光功率转换为电流信号；/n前置放大器，将探测器输出的电流信号转换为电压信号，电压信号分为两路，一路输出至锁相放大器，另一路输出至主控制器的模拟信号输入端；/n锁相放大器，采用与调制信号同源的倍频信号作为参考信号提取前置放大器输出的电压信号中的二次谐波信号并输出至主控制器的模拟信号输入端；/n显示输入模块，用于显示及输入指令；/n主控制器，根据获取的信号进行气体中多个组分浓度的计算并对上述各部件进行控制。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于温度调谐吸收光谱技术的多组分检测装置，其特征在于，包括以下几部分：
温度控制器，用于控制温度扫描范围；
半导体激光器，用于提供合适扫描周期和扫描分辨率的激光光源；
带调制的恒流源，为半导体激光器提供带调制信号的驱动电流；
长程气室，半导体激光器发出的激光经准直后导入长程气室，经多次反射后出射至探测器；
探测器，将激光的光功率转换为电流信号；
前置放大器，将探测器输出的电流信号转换为电压信号，电压信号分为两路，一路输出至锁相放大器，另一路输出至主控制器的模拟信号输入端；
锁相放大器，采用与调制信号同源的倍频信号作为参考信号提取前置放大器输出的电压信号中的二次谐波信号并输出至主控制器的模拟信号输入端；
显示输入模块，用于显示及输入指令；
主控制器，根据获取的信号进行气体中多个组分浓度的计算并对上述各部件进行控制。


2.根据权利要求1所述的基于温度调谐吸收光谱技术的多组分检测装置，其特征在于，还包括电压调谐器，通过调节电压调谐器的输出电压值来调制温度控制器的温度输出值。


3.根据权利要求1所述的基于温度调谐吸收光谱技术的多组分检测装置，其特征在于，所述显示输入模块包括显示屏和按键。


4.根据权利要求1所述的基于温度调谐吸收光谱技术的多组分检测装置，其特征在于，所述显示输入模块采用触摸显示屏。


5.采用权利要求1所述的基于温度调谐吸收光谱技术的多组分检测装置进行气体检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，向长程气室内填充适量的待检测气体；
第二步，根据待检测气体的波长扫描范围确定温度控制器的温度输出范围，进而确定施加在温度控制器上的电压变化范围；
第三步，根据半导体激光器的热负载时间响应特性确定扫描的周期和扫描分辨率；
第四步，带调制信号的恒流源为半导体激光器提供驱动电流，半导体激光器发射的激光经准直后导入至长程气室，经多次反射在出射口输出；
第五步，将第四步输出的光线汇聚在探测器上，经过前置放大器，将微弱的光电流信号转换为电压信号DC；
第六步，电压信号DC输出至锁相放大器，锁相放大器采用与调制信号同源的倍频信号作为参考信号，提取二次谐波信号2f；
第七步，将二次谐波信号2f和电压信号DC发送至主控制器的模拟信号输入端，利用浓度反演法计算待检测气体中多个组分的浓度。

【专利技术属性】
技术研发人员：李玉荣，季文海，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，中国石油化工股份有限公司齐鲁分公司，
类型：发明
国别省市：山东;37