一种在位式吸收光谱气体分析系统技术方案

本发明专利技术公开了一种在位式吸收光谱气体分析系统，包括光发射单元、光接收单元和信号分析单元；所述光发射单元包括光源、会聚透镜；特点是：所述会聚透镜背对光源的一端为弧面；在会聚透镜的弧面端设置一端开口、一端封闭的标定腔室，开口端与会聚透镜密封连接；所述会聚透镜的中间部分的A-A截面为任意几何形状；所述光源发出的光通过所述会聚透镜、标定腔室后进入被测介质。本发明专利技术具有能实时在线标定、测量精度和测量灵敏度较高、结构简单可靠、易于实现隔爆功能、无需吹扫、密封要求低以及制造方便等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光谱分析，特别涉及一种在位式吸收光谱气体分析系统。
技术介绍
在位式气体分析系统与传统采样方式气体分析系统不同，它不需要采样和预处理 过程，克服了传统采样方式气体分析系统的很多缺陷，具有系统简单，可靠性高，测量响应 速度快，分析精度高，可以测量气体的浓度和速度等优点，在现代工业，科研，环保等领域获 得了越来越广泛的应用。在位式气体分析系统可以采用多种吸收光谱技术来实现，如非 分光红外光谱(NDIR)技术，差分光学吸收光谱(D0AQ技术，可调谐半导体激光吸收光谱 (TDLAS)技术。如图1所示，一种半导体激光吸收光谱气体分析系统，包括光发射单元1、光接收 单元2和信号分析单元3，所述光发射单元1和光接收单元2安装在被测气体4的两侧。所 述光发射单元包括半导体激光器11、会聚透镜12和玻璃窗片13 ；所述光接收单元2包括会 聚透镜20、光接收器件21和玻璃窗片22。当所述分析系统需要防爆时，所述玻璃窗片13、 22使用钢化玻璃，而且为了满足隔爆面大小的需要，钢化玻璃13、22的直径较大；同时很多 在位测量应用也需要大孔径的光束来降低被测气体中颗粒物散射对测量光产生的不均勻 衰减，所以会聚透镜12和会聚透镜20的直径较大。所述分析系统的工作过程如下所述半导体激光器11发光，经过光发射单元1中 的会聚透镜12会聚成平行光，之后经过玻璃窗片13穿过被测气体4，穿过被测气体4的光 在穿过光接收单元2中的玻璃窗片22后再经过会聚透镜20会聚，之后被所述光接收器件 21接收，而接收信号送信号分析单元3分析，从而得到被测气体4的浓度等。在很多应用场合，分析系统需要安装在易燃易爆环境中，如含有一氧化碳或氢气 等危险气体的工作区内。在这些场合就需要对分析系统做好防爆设计，并取得防爆认证。防 爆设计有多种方式，如正压防爆、隔爆、本安防爆等。由于隔爆具有可靠性高、应用方便等优 越性，获得非常广泛的应用。激光由半导体激光器11发射出后，在经过会聚透镜12、玻璃窗片13、玻璃窗片22、 会聚透镜20等各个光学元器件的表面时，尽管绝大多数激光能量折射通过光学器件，但是 一小部分激光能量会被上述光学器件的表面往复反射或散射后再被光接收器件接收，因 此，到达光接收器件的各次反射、散射激光束之间会存在相位差，产生多光束干涉(etalon) 现象。这种多光束干涉现象会对测量光束的透过率产生影响，从而改变光接收器件接收到 的光信号。由于吸收光谱分析技术是通过分析光接收器件接收到的光信号来分析气体浓 度，上述多光束干涉现象会对气体浓度分析产生干扰，这种干扰通常被称为etalon噪音。 在激光波长扫描过吸收谱线的过程中，多光束之间相位差随激光波长不断变化；也就是说， 在激光波长扫描过吸收谱线的过程中光束的透过率是变化的，因此，etalon噪音随光频率 的变化而变化，图2给出了一种etalon噪音与光频率的关系。另外，受各种环境因素(温 度变化、机械振动等)的影响，各光学元器件表面之间的距离经常发生微小的变化；由于激3光波长较短，微小的变化就会引起多光束之间相位差的明显改变，从而显著改变上述多光 束干涉产生的透过率变化，也就是说etalon噪音随光频率的分布会受各种环境因素的影 响而发生变化，进而给准确气体参数分析带来困难。图3给出了在没有etalon噪音情况下 分析系统测得的气体单线吸收光谱，在有etalon噪音情况下测得的气体单线吸收光谱的 信噪比会显著下降，如图4所示。对于固定波长测量方法，波长的微小漂移或环境因素的变 化也均会导致光学系统表观透过率的变化，从而影响测量精度。上述分析系统存在一些不足1)结构相对复杂，采用会聚透镜来会聚发散光，而 同时还需要钢化玻璃来实现隔爆；由于采用多个光学元器件，增加了反射表面数目，增大了 etalon光学噪音，降低了测量精度和测量灵敏度；幻在测量一些介质浓度时，如测量微量 水份和氧气的浓度时，由于半导体激光器、会聚透镜、隔爆玻片之间，光接收器件，会聚透镜 和隔爆玻片之间都存在不少空间，如果这些空间中气体存在被测气体组分，就会对测量产 生影响，当前的方法是或者采用氮气吹扫，或者采用氮气灌封的方法来避免这些空间中存 在这些被测气体；但吹扫增加了系统的复杂度，另外灌封方法在发生泄漏时会产生较大的 测量不准确性，尤其当被测介质浓度较低时，例如PPm量级，因此，光发射单元1、光接收单 元2均需要严格密封，防泄漏要求高，这进一步增加了系统设计和制造的复杂性。在上述分析系统的使用过程中，光源和电子元器件等的老化会导致分析系统参数 的缓慢漂移，影响测量的准确性，因此需要对在位式气体分析系统进行周期性的标定。如图5所示，美国专利US5517314公开了一种在位气体分析系统，该系统具有在位 标定功能，具体包括光发射装置，标定和测量管道，光接收装置，分析装置；工作原理如下 光源发出的光经过两个凹面镜反射成两束平行光，分别经过封闭管道和测量管道，进入到 光接收装置，经过两个凹面镜反射进光接收器，之后通过光纤送分析装置分析。在标定光路 上被测气体管道外有标定气体腔室，腔室也可放置在被测过程气体管道内并让标定光束通 过，零气或已知浓度的被测气体通过阀门控制充入腔室，吹扫气体通过通气接头通入测量 管道；当需要标定时，计算机控制马达将挡体置放在测量光路上，打开阀门，在腔室充入零 气或已知浓度的被测气体，标定光路的光通过接收器送入分析装置。测量时，计算机控制马 达将挡体置放在标定光路上，测量光束通过接收器送入分析装置。该系统能够实现在位标定，但结构复杂，比如在光发射单元里面，一个光源发出 的光经过凹面镜后反射成两束平行光，在光接收单元这两束平行光又通过凹面镜反射进一 个接收器，这要求很高的机械加工和装配精度；再有，标定和测量需要在两根管道内独立进 行，不能有效地利用测量管道进行标定，造成在安装和调试时增加难度；还有，在标定时，要 挡体很好的阻断测量光束，否则会有测量光束进入光接收器，降低标定精度。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的上述不足，本专利技术提供了一种能实时在线标定、测量 精度和测量灵敏度较高、结构简单可靠、易于实现隔爆功能、无需吹扫、密封要求低以及制 造方便的在位式吸收光谱气体分析系统。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案一种在位式吸收光谱气体分析系统，包括光发射单元、光接收单元和信号分析单 元；所述光发射单元包括光源、会聚透镜；特点是所述会聚透镜背对光源的一端为弧面；在会聚透镜的弧面端设置一端开口、一端 封闭的标定腔室，开口端与会聚透镜密封连接；所述会聚透镜的中间部分的A-A截面为任 意几何形状；所述光源发出的光通过所述会聚透镜、标定腔室后进入被测介质。作为优选，所述光源与所述会聚透镜之间光束主光线光程小于或等于7mm。作为优选，所述会聚透镜相对光源的一端为斜面。本专利技术还提出了另外一种在位式吸收光谱气体分析系统，包括光发射单元、光接 收单元和信号分析单元，所述光接收单元包括光接收器件、会聚透镜；特点是所述会聚透镜背对光接收器件的一端为弧面；在会聚透镜的弧面端设置一端开 口、一端封闭的标定腔室，开口端与会聚透镜的弧面端密封连接；所述会聚透镜的中间部分 的A-A截面为任意几何形状；从被测介质中穿过的光通本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种在位式吸收光谱气体分析系统，包括光发射单元、光接收单元和信号分析单元；所述光发射单元包括光源、会聚透镜；其特征在于：所述会聚透镜背对光源的一端为弧面；在会聚透镜的弧面端设置一端开口、一端封闭的标定腔室，开口端与会聚透镜密封连接；所述会聚透镜的中间部分的Ａ－Ａ截面为任意几何形状；所述光源发出的光通过所述会聚透镜、标定腔室后进入被测介质。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张文艳，周新，吴国凯，俞大海，马海波，
申请(专利权)人：聚光科技杭州股份有限公司，
类型：发明
国别省市：86