基于多模激光光譜技術(shù)的甲烷氣體濃度檢測(cè)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型屬于氣體檢測(cè)領(lǐng)域，具體設(shè)及的是一種甲燒氣體濃度檢測(cè)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 環(huán)境保護(hù)是當(dāng)今世界面臨的重要問(wèn)題，環(huán)境污染特別是大氣污染給全球帶來(lái)了巨 大的經(jīng)濟(jì)損失，并對(duì)人類健康和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了巨大的威脅。研究表明，人類活動(dòng)造成的 溫室效應(yīng)約五分之一和甲燒排放有關(guān)，所W甲燒氣體一直是大氣監(jiān)測(cè)中的關(guān)注重點(diǎn)。甲燒 (CH4)氣體是天然氣、沼氣、及煤礦坑道氣的主要成分。近些年來(lái)隨著對(duì)天然氣資源利用的 迅速增加，天然氣泄漏已經(jīng)成為環(huán)境大氣中甲燒含量增加的一個(gè)主要人為排放源，高濃度 的甲燒氣體可導(dǎo)致人窒息死亡，及時(shí)檢測(cè)甲燒氣體的來(lái)源、含量及泄漏情況對(duì)環(huán)境保護(hù)、工 礦安全運(yùn)行及人身安全均具有重要的意義。
[0003] 目前用于甲燒氣體的檢測(cè)裝置有很多種，其中較常用的為基于可調(diào)諧二極管激光 吸收光譜技術(shù)（TDLA巧的甲燒檢測(cè)儀，利用激光器的波長(zhǎng)掃描和電流調(diào)諧特性，獲得被測(cè) 氣體的特征吸收光譜，從而對(duì)污染氣體進(jìn)行定性或定量分析。但是TDLAS技術(shù)的缺點(diǎn)是對(duì) 光源的單模輸出具有很高的要求，通常的TDLAS系統(tǒng)必須使用單模二極管激光器，而單模 二極管激光器的工藝復(fù)雜性導(dǎo)致它的成本很高。此外，單模二極管激光器的中屯、波長(zhǎng)隨外 界溫度或機(jī)械特性的變化會(huì)發(fā)生偏移的缺點(diǎn)會(huì)影響到測(cè)量的準(zhǔn)確性，因而在惡劣環(huán)境中應(yīng) 用時(shí)需要進(jìn)行鎖頻或嚴(yán)格的溫控，運(yùn)提高了系統(tǒng)的復(fù)雜性，并且即使運(yùn)樣也難W保證儀器 在復(fù)雜多變的工業(yè)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定的測(cè)量，因此限制了基于TDLAS技術(shù)的甲燒檢測(cè)儀 的廣泛應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 發(fā)明目的：本實(shí)用新型的目的是提供了一種基于多模激光光譜技術(shù)的甲燒氣體濃 度檢測(cè)裝置，解決現(xiàn)有基于光譜技術(shù)的甲燒檢測(cè)儀使用單模二極管激光器成本高、輸出波 長(zhǎng)對(duì)溫度變化敏感W及穩(wěn)定性差等問(wèn)題。 陽(yáng)〇化]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用了如下的技術(shù)方案：一種基于多模激光光譜 技術(shù)的甲燒氣體濃度檢測(cè)裝置，包括激光器裝置、氣體池和數(shù)據(jù)采集分析裝置，所述激光器 裝置包括正弦波發(fā)生器、=角波發(fā)生器、加法器、激光控制器、可調(diào)諧二極管激光器和光纖 分束器，所述氣體池包括參考池和樣品池，參考池中充有已知濃度的甲燒和空氣的混合氣 體，樣品池中充有待測(cè)的甲燒和空氣的混合氣體，所述數(shù)據(jù)采集分析裝置包括第一光電探 測(cè)器、第二光電探測(cè)器、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)，正弦波發(fā)生器和=角波發(fā)生器輸出端均連接 加法器和數(shù)據(jù)采集卡輸入端，加法器輸出端連接激光控制器輸入端，激光控制器輸出端連 接可調(diào)諧二極管激光器輸入端，可調(diào)諧二極管激光器輸出端連接光纖分束器輸入端，光纖 分束器第一輸出端連接參考池進(jìn)光口，參考池出光口連接第一光電探測(cè)器輸入端，光纖分 束器第二輸出端連接樣品池進(jìn)光口，樣品池出光口連接第二光電探測(cè)器輸入端，第一光電 探測(cè)器和第二光電探測(cè)器輸出端均連接數(shù)據(jù)采集卡輸入端，數(shù)據(jù)采集卡輸出端連接計(jì)算機(jī) 輸入端。
[0006] 進(jìn)一步的，所述可調(diào)諧二極管激光器的中屯、波長(zhǎng)為1675nm。
[0007] 進(jìn)一步的，所述樣品池包括派熱克斯玻璃或不誘鋼材質(zhì)的筒形腔體，筒形腔體端 部設(shè)置進(jìn)光口和出光口，筒形腔體內(nèi)靠近兩端的位置分別設(shè)有一片離散凹面鏡。
[0008] 有益效果：本實(shí)用新型利用多模激光光譜技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)甲燒氣體濃度的有效檢 ，用參考?xì)怏w本身的光譜信息實(shí)現(xiàn)了對(duì)甲燒的選擇性探測(cè)，排除了中屯、波長(zhǎng)波動(dòng)帶來(lái)的 干擾，并且系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單，激光器成本較低；本實(shí)用新型可W達(dá)到測(cè)量靈敏度約為lOlppb， 充分滿足了工業(yè)污染排放監(jiān)測(cè)的要求。
【附圖說(shuō)明】
[0009] 圖1是本實(shí)用新型的整體結(jié)構(gòu)意圖。
[0010] 圖中：1-正弦波發(fā)生器，2-S角波發(fā)生器，3-加法器，4-激光控制器，5-可調(diào) 諧二極管激光器，6-光纖分束器，7-參考池，8-第一光電探測(cè)器，9-樣品池，10-第二光 電探測(cè)器，11-數(shù)據(jù)采集卡，12-計(jì)算機(jī)。
【具體實(shí)施方式】：
[0011] 下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做更進(jìn)一步的解釋。 陽(yáng)〇1引 實(shí)施例一
[0013]如圖1所示，本實(shí)用新型的基于多模激光光譜技術(shù)的甲燒氣體濃度檢測(cè)裝置包括 激光器裝置、氣體池和數(shù)據(jù)采集分析裝置。所述激光器裝置包括正弦波發(fā)生器1、=角波發(fā) 生器2、加法器3、激光控制器4、可調(diào)諧二極管激光器5和光纖分束器6 ;所述氣體池包括參 考池7和樣品池8,其中，所述樣品池9包括派熱克斯玻璃材質(zhì)的筒形腔體，筒形腔體端部 設(shè)置進(jìn)光口和出光口，筒形腔體內(nèi)靠近兩端的位置分別設(shè)有一片離散凹面鏡。參考池7中 充有已知濃度的甲燒和空氣的混合氣體，樣品池9中充有待測(cè)的甲燒和空氣的混合氣體； 所述數(shù)據(jù)采集分析裝置包括第一光電探測(cè)器8、第二光電探測(cè)器9、數(shù)據(jù)采集卡11和計(jì)算機(jī) 12。正弦波發(fā)生器1和=角波發(fā)生器2輸出端均連接加法器3和數(shù)據(jù)采集卡11輸入端，加 法器3輸出端連接激光控制器4輸入端，激光控制器4輸出端連接可調(diào)諧二極管激光器5 輸入端，所述可調(diào)諧二極管激光器的中屯、波長(zhǎng)為1675nm?？烧{(diào)諧二極管激光器5工作溫度 和電流通過(guò)激光控制器4控制，用W調(diào)諧激光的發(fā)射波長(zhǎng)，正弦波發(fā)生器1發(fā)出正弦波，= 角波發(fā)生器2發(fā)出=角波，兩路信號(hào)分別接入加法器3的輸入端，加法器3輸出端連接激光 控制器4的輸入端，對(duì)可調(diào)諧二極管激光器5的波長(zhǎng)進(jìn)行快速調(diào)制?？烧{(diào)諧二極管激光器 5輸出端連接光纖分束器6輸入端，光纖分束器6第一輸出端連接參考池7進(jìn)光口，參考池 7出光口連接第一光電探測(cè)器8輸入端，光纖分束器6第二輸出端連接樣品池9進(jìn)光口，樣 品池9出光口連接第二光電探測(cè)器10輸入端?？烧{(diào)諧二極管激光器5的輸出光進(jìn)入光纖 分束器6后被分成參考光和測(cè)量光，參考光入射到參考池7、透射光被第一光電探測(cè)器8探 測(cè)，測(cè)量光入射到樣品池9、透射光被第二光電探測(cè)器10探測(cè)。第一光電探測(cè)器8和第二光 電探測(cè)器10輸出端均連接數(shù)據(jù)采集卡11輸入端，數(shù)據(jù)采集卡11輸出端通過(guò)PCI插槽連接 計(jì)算機(jī)12輸入端，計(jì)算機(jī)12安裝有基于UbView編寫的數(shù)字軟件，通過(guò)該數(shù)字軟件可W實(shí) 時(shí)處理來(lái)自數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)，分別得到測(cè)量光信號(hào)振幅、參考光信號(hào)振幅、樣品池的氣體 信號(hào)的初始平均光強(qiáng)和參考池氣體信號(hào)的初始平均光強(qiáng)。
[0014] 本實(shí)用新型工作原理：可調(diào)諧二極管激光器5在激光控制器4的控制和正弦波、= 角波的調(diào)制下發(fā)出具有寬發(fā)射光譜的光束，經(jīng)光纖分束器6分成兩束，分別為參考光和測(cè) 量光，參考光經(jīng)過(guò)氣體參考池7被知濃度的甲燒和空氣的混合氣體吸收，測(cè)量光經(jīng)樣品池9 被待測(cè)的甲燒和空氣的混合氣體吸收，參考光和測(cè)量光的透射光分別被第一光電探測(cè)器8、 第二光電探測(cè)器10同時(shí)探測(cè)記錄，從而可保持原始信號(hào)的相關(guān)狀態(tài)。
[0015] 第一光電探測(cè)器8、第二光電探測(cè)器10探測(cè)得到的參考光信號(hào)和測(cè)量光信號(hào)間存 在如下關(guān)系：
[0016]
[0017]Xm表示待測(cè)甲燒氣體的濃度，XU表示參考池中甲燒氣體的濃度，S2fM表示測(cè)量光信 號(hào)振幅，SzfK表不參考光信號(hào)振幅，Jw/表不樣品池氣體信號(hào)的初始平均光強(qiáng)，lag表不參考 池氣體信號(hào)的初始平均光強(qiáng)，Lm表示樣品池的光程長(zhǎng)度，LK表示參考池的光程長(zhǎng)度，該公式 表明，測(cè)量光和參考光光路中所測(cè)目標(biāo)氣體的含光程濃度比等于光強(qiáng)歸一化后的諧波信號(hào) 幅值之比，利用該公式即可推演待測(cè)氣體濃度。 陽(yáng)018] 為了確定參考池的光程長(zhǎng)度，可W先往參考池中充有已知濃度的氣體，單獨(dú)測(cè) 量該氣體的直接吸收光譜信號(hào)，根據(jù)該已知濃度氣體直接吸收光譜的積分吸收面積A= PXL(式中A為直接吸收光譜的積分吸收面積，P為參考池壓強(qiáng)，X為氣體濃度，L為光程長(zhǎng) 度），反推出樣品參考池的光程長(zhǎng)度。樣品池的光程長(zhǎng)度也可通過(guò)該方法事先測(cè)量得到。
[0019] 實(shí)施例二
[0020] 本實(shí)施例與實(shí)施例一的不同之處在于：所述樣品池9的筒形腔體為不誘鋼材質(zhì)。
[0021] W上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技 術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本實(shí)用新型原理的前提下，還可W做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，運(yùn)些改進(jìn)和 潤(rùn)飾也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于多模激光光譜技術(shù)的甲烷氣體濃度檢測(cè)裝置，包括激光器裝置、氣體池和 數(shù)據(jù)采集分析裝置，其特征在于：所述激光器裝置包括正弦波發(fā)生器（1)、三角波發(fā)生器 (2)、加法器（3)、激光控制器（4)、可調(diào)諧二極管激光器（5)和光纖分束器（6)，所述氣體池 包括參考池（7)和樣品池（9)，參考池（7)中充有已知濃度的甲烷和空氣的混合氣體，樣品 池（9)中充有待測(cè)的甲烷和空氣的混合氣體，所述數(shù)據(jù)采集分析裝置包括第一光電探測(cè)器 (8)、第二光電探測(cè)器（10)、數(shù)據(jù)采集卡（11)和計(jì)算機(jī)（12)，正弦波發(fā)生器（1)和三角波發(fā) 生器⑵輸出端均連接加法器⑶和數(shù)據(jù)采集卡（11)輸入端，加法器⑶輸出端連接激光 控制器（4)輸入端，激光控制器（4)輸出端連接可調(diào)諧二極管激光器（5)輸入端，可調(diào)諧二 極管激光器（5)輸出端連接光纖分束器（6)輸入端，光纖分束器（6)第一輸出端連接參考 池（7)進(jìn)光口，參考池（7)出光口連接第一光電探測(cè)器（8)輸入端，光纖分束器（6)第二輸 出端連接樣品池（9)進(jìn)光口，樣品池（9)出光口連接第二光電探測(cè)器（10)輸入端，第一光 電探測(cè)器（8)和第二光電探測(cè)器（10)輸出端均連接數(shù)據(jù)采集卡（11)輸入端，數(shù)據(jù)采集卡 (11)輸出端連接計(jì)算機(jī)（12)輸入端。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多模激光光譜技術(shù)的甲烷氣體濃度檢測(cè)裝置，其特 征在于：所述可調(diào)諧二極管激光器的中心波長(zhǎng)為1675nm。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多模激光光譜技術(shù)的甲烷氣體濃度檢測(cè)裝置，其特 征在于：所述樣品池（9)包括派熱克斯玻璃或不銹鋼材質(zhì)的筒形腔體，筒形腔體端部設(shè)置 進(jìn)光口和出光口，筒形腔體內(nèi)靠近兩端的位置分別設(shè)有一片離散凹面鏡。
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種基于多模激光光譜技術(shù)的甲烷氣體濃度檢測(cè)裝置，包括正弦波發(fā)生器和三角波發(fā)生器，正弦波發(fā)生器和三角波發(fā)生器輸出端均連接加法器和數(shù)據(jù)采集卡輸入端，加法器輸出端通過(guò)激光控制器連接可調(diào)諧二極管激光器輸入端，可調(diào)諧二極管激光器輸通過(guò)光纖分束器連接參考池和樣品池輸入端，參考池輸出端連接第一光電探測(cè)器輸入端，樣品池輸出端連接第二光電探測(cè)器輸入端，第一光電探測(cè)器和第二光電探測(cè)器輸出端均連接數(shù)據(jù)采集卡輸入端，數(shù)據(jù)采集卡輸出端連接計(jì)算機(jī)輸入端。本實(shí)用新型利用多模激光光譜技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)甲烷氣體濃度有效檢測(cè)，用參考?xì)怏w本身光譜信息實(shí)現(xiàn)對(duì)甲烷選擇性探測(cè)，排除了中心波長(zhǎng)波動(dòng)帶來(lái)的干擾，系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單，成本低。
【IPC分類】G01N21/39
【公開(kāi)號(hào)】CN204855369
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520602064
【發(fā)明人】高光珍, 蔡廷棟
【申請(qǐng)人】江蘇師范大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年12月9日
【申請(qǐng)日】2015年8月11日