一種在位式吸收光譜氣體分析系統技術方案

本發明專利技術公開了一種在位式吸收光譜氣體分析系統，包括光發射單元、光接收單元和信號分析單元；所述光發射單元包括光源、會聚透鏡；特點是：所述會聚透鏡背對光源的一端為弧面；在會聚透鏡的弧面端設置一端開口、一端封閉的標定腔室，開口端與會聚透鏡密封連接；所述會聚透鏡的中間部分的A-A截面為任意幾何形狀；所述光源發出的光通過所述會聚透鏡、標定腔室后進入被測介質。本發明專利技術具有能實時在線標定、測量精度和測量靈敏度較高、結構簡單可靠、易于實現隔爆功能、無需吹掃、密封要求低以及制造方便等優點。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及光譜分析，特別涉及一種在位式吸收光譜氣體分析系統。
技術介紹
在位式氣體分析系統與傳統采樣方式氣體分析系統不同，它不需要采樣和預處理 過程，克服了傳統采樣方式氣體分析系統的很多缺陷，具有系統簡單，可靠性高，測量響應 速度快，分析精度高，可以測量氣體的濃度和速度等優點，在現代工業，科研，環保等領域獲 得了越來越廣泛的應用。在位式氣體分析系統可以采用多種吸收光譜技術來實現，如非 分光紅外光譜(NDIR)技術，差分光學吸收光譜(D0AQ技術，可調諧半導體激光吸收光譜 (TDLAS)技術。如圖1所示，一種半導體激光吸收光譜氣體分析系統，包括光發射單元1、光接收 單元2和信號分析單元3，所述光發射單元1和光接收單元2安裝在被測氣體4的兩側。所 述光發射單元包括半導體激光器11、會聚透鏡12和玻璃窗片13 ；所述光接收單元2包括會 聚透鏡20、光接收器件21和玻璃窗片22。當所述分析系統需要防爆時，所述玻璃窗片13、 22使用鋼化玻璃，而且為了滿足隔爆面大小的需要，鋼化玻璃13、22的直徑較大；同時很多 在位測量應用也需要大孔徑的光束來降低被測氣體中顆粒物散射對測量光產生的不均勻 衰減，所以會聚透鏡12和會聚透鏡20的直徑較大。所述分析系統的工作過程如下所述半導體激光器11發光，經過光發射單元1中 的會聚透鏡12會聚成平行光，之后經過玻璃窗片13穿過被測氣體4，穿過被測氣體4的光 在穿過光接收單元2中的玻璃窗片22后再經過會聚透鏡20會聚，之后被所述光接收器件 21接收，而接收信號送信號分析單元3分析，從而得到被測氣體4的濃度等。在很多應用場合，分析系統需要安裝在易燃易爆環境中，如含有一氧化碳或氫氣 等危險氣體的工作區內。在這些場合就需要對分析系統做好防爆設計，并取得防爆認證。防 爆設計有多種方式，如正壓防爆、隔爆、本安防爆等。由于隔爆具有可靠性高、應用方便等優 越性，獲得非常廣泛的應用。激光由半導體激光器11發射出后，在經過會聚透鏡12、玻璃窗片13、玻璃窗片22、 會聚透鏡20等各個光學元器件的表面時，盡管絕大多數激光能量折射通過光學器件，但是 一小部分激光能量會被上述光學器件的表面往復反射或散射后再被光接收器件接收，因 此，到達光接收器件的各次反射、散射激光束之間會存在相位差，產生多光束干涉(etalon) 現象。這種多光束干涉現象會對測量光束的透過率產生影響，從而改變光接收器件接收到 的光信號。由于吸收光譜分析技術是通過分析光接收器件接收到的光信號來分析氣體濃 度，上述多光束干涉現象會對氣體濃度分析產生干擾，這種干擾通常被稱為etalon噪音。 在激光波長掃描過吸收譜線的過程中，多光束之間相位差隨激光波長不斷變化；也就是說， 在激光波長掃描過吸收譜線的過程中光束的透過率是變化的，因此，etalon噪音隨光頻率 的變化而變化，圖2給出了一種etalon噪音與光頻率的關系。另外，受各種環境因素(溫 度變化、機械振動等)的影響，各光學元器件表面之間的距離經常發生微小的變化；由于激3光波長較短，微小的變化就會引起多光束之間相位差的明顯改變，從而顯著改變上述多光 束干涉產生的透過率變化，也就是說etalon噪音隨光頻率的分布會受各種環境因素的影 響而發生變化，進而給準確氣體參數分析帶來困難。圖3給出了在沒有etalon噪音情況下 分析系統測得的氣體單線吸收光譜，在有etalon噪音情況下測得的氣體單線吸收光譜的 信噪比會顯著下降，如圖4所示。對于固定波長測量方法，波長的微小漂移或環境因素的變 化也均會導致光學系統表觀透過率的變化，從而影響測量精度。上述分析系統存在一些不足1)結構相對復雜，采用會聚透鏡來會聚發散光，而 同時還需要鋼化玻璃來實現隔爆；由于采用多個光學元器件，增加了反射表面數目，增大了 etalon光學噪音，降低了測量精度和測量靈敏度；幻在測量一些介質濃度時，如測量微量 水份和氧氣的濃度時，由于半導體激光器、會聚透鏡、隔爆玻片之間，光接收器件，會聚透鏡 和隔爆玻片之間都存在不少空間，如果這些空間中氣體存在被測氣體組分，就會對測量產 生影響，當前的方法是或者采用氮氣吹掃，或者采用氮氣灌封的方法來避免這些空間中存 在這些被測氣體；但吹掃增加了系統的復雜度，另外灌封方法在發生泄漏時會產生較大的 測量不準確性，尤其當被測介質濃度較低時，例如PPm量級，因此，光發射單元1、光接收單 元2均需要嚴格密封，防泄漏要求高，這進一步增加了系統設計和制造的復雜性。在上述分析系統的使用過程中，光源和電子元器件等的老化會導致分析系統參數 的緩慢漂移，影響測量的準確性，因此需要對在位式氣體分析系統進行周期性的標定。如圖5所示，美國專利US5517314公開了一種在位氣體分析系統，該系統具有在位 標定功能，具體包括光發射裝置，標定和測量管道，光接收裝置，分析裝置；工作原理如下 光源發出的光經過兩個凹面鏡反射成兩束平行光，分別經過封閉管道和測量管道，進入到 光接收裝置，經過兩個凹面鏡反射進光接收器，之后通過光纖送分析裝置分析。在標定光路 上被測氣體管道外有標定氣體腔室，腔室也可放置在被測過程氣體管道內并讓標定光束通 過，零氣或已知濃度的被測氣體通過閥門控制充入腔室，吹掃氣體通過通氣接頭通入測量 管道；當需要標定時，計算機控制馬達將擋體置放在測量光路上，打開閥門，在腔室充入零 氣或已知濃度的被測氣體，標定光路的光通過接收器送入分析裝置。測量時，計算機控制馬 達將擋體置放在標定光路上，測量光束通過接收器送入分析裝置。該系統能夠實現在位標定，但結構復雜，比如在光發射單元里面，一個光源發出 的光經過凹面鏡后反射成兩束平行光，在光接收單元這兩束平行光又通過凹面鏡反射進一 個接收器，這要求很高的機械加工和裝配精度；再有，標定和測量需要在兩根管道內獨立進 行，不能有效地利用測量管道進行標定，造成在安裝和調試時增加難度；還有，在標定時，要 擋體很好的阻斷測量光束，否則會有測量光束進入光接收器，降低標定精度。
技術實現思路
為了解決現有技術中存在的上述不足，本專利技術提供了一種能實時在線標定、測量 精度和測量靈敏度較高、結構簡單可靠、易于實現隔爆功能、無需吹掃、密封要求低以及制 造方便的在位式吸收光譜氣體分析系統。為實現上述目的，本專利技術采用以下技術方案一種在位式吸收光譜氣體分析系統，包括光發射單元、光接收單元和信號分析單 元；所述光發射單元包括光源、會聚透鏡；特點是所述會聚透鏡背對光源的一端為弧面；在會聚透鏡的弧面端設置一端開口、一端 封閉的標定腔室，開口端與會聚透鏡密封連接；所述會聚透鏡的中間部分的A-A截面為任 意幾何形狀；所述光源發出的光通過所述會聚透鏡、標定腔室后進入被測介質。作為優選，所述光源與所述會聚透鏡之間光束主光線光程小于或等于7mm。作為優選，所述會聚透鏡相對光源的一端為斜面。本專利技術還提出了另外一種在位式吸收光譜氣體分析系統，包括光發射單元、光接 收單元和信號分析單元，所述光接收單元包括光接收器件、會聚透鏡；特點是所述會聚透鏡背對光接收器件的一端為弧面；在會聚透鏡的弧面端設置一端開 口、一端封閉的標定腔室，開口端與會聚透鏡的弧面端密封連接；所述會聚透鏡的中間部分 的A-A截面為任意幾何形狀；從被測介質中穿過的光通本文檔來自技高網...

【技術保護點】
１．一種在位式吸收光譜氣體分析系統，包括光發射單元、光接收單元和信號分析單元；所述光發射單元包括光源、會聚透鏡；其特征在于：所述會聚透鏡背對光源的一端為弧面；在會聚透鏡的弧面端設置一端開口、一端封閉的標定腔室，開口端與會聚透鏡密封連接；所述會聚透鏡的中間部分的Ａ－Ａ截面為任意幾何形狀；所述光源發出的光通過所述會聚透鏡、標定腔室后進入被測介質。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：張文艷，周新，吳國凱，俞大海，馬海波，
申請(專利權)人：聚光科技杭州股份有限公司，
類型：發明
國別省市：86