CN103528993A - 一种激光气体分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光气体分析仪，主要包括激光器模块，所述的激光器模块包括激光器、激光器驱动电路以及激光器温控调节电路，可将激光器产生的光束进行分光成2～9束的分光耦合器，参比池光信号发射端，参比池，参比池信号接收端，1～8个的光纤连接器插口，1～8个气体检测电信号插口，电信号集成电路板，包含滤波及锁相放大电路和4～20mA电流环的中央控制系统模块，人机交互模块，数字输出模块，电源，分析仪机箱。本发明的有益效果是：可以原位对穿式测量，具有自动校验和实时锁定波长的功能，可实现“一机多点”的原位式在线监测。

Description

一种激光气体分析仪

技术领域

本发明涉及激光气体检测领域，尤其涉及一种激光气体分析仪。

背景技术

激光光谱学是自激光技术出现以来，在传统光谱学基础上发展起来的一门新兴学科。由于激光所具有的特性是：谱线宽度极窄及相干性优良、光谱功率密度极高、波长可调谐，并且可对频率与幅度进行调制等等。激光的这些特性使得光谱学发生了一系列革命性变革。与传统吸收光谱相比，激光吸收光谱技术的分辨率和灵敏度可大大高于传统的光谱方法。对于某种污染物只要选择合适的光谱波段，可以实现ppm量级的精度；从结构方面，可以采用直接测量方式，测量结果反映一个区域的浓度平均水平，结果更具有代表性。

目前利用0.75μm2.5μm近红外波长范围内的激光二极管可以用于检测的气体组分包括CO、CH₄、CO₂、O₂、H₂O、HF、H2S等大量常见的种类，还包括OH等燃烧中非常重要的非稳定物质。在近红外波段，部分气体的特征谱线强度较强，可以在现场在线测量中实现ppm量级甚至更低浓度的检测，如利用在1.53μm处的吸收谱线对于NH₃的检测，在1.65μm处对于CH₄浓度的检测，在2.3μm处对于CO以及在2μm处对于CO₂的测量等等。

现在市场上出现的激光气体分析仪采用原位式安装的，一台激光气体分析仪仪器只能在线监测一处的数据，这类仪器也未考虑的在线标定和校准的问题，测量的准确性没有保障。

公开号为CN101403692A的“一种激光气体分析仪及标定方法”，介绍了一种光路密封，操作过程简单的激光气体分析仪及标定方法。但是上述专禾文件描述的激光气体分析仪只能采用抽取法对待测气体进行分析测量。实际生产过程中，直接抽取法是用抽气泵连续抽取烟气经伴热传送(120℃-150℃)至地面控制柜，经过除尘、除水后，送至气体分析仪进行分析。对于NH₃、HCL等水溶性极强的气体，在预处理过程中会造成成分损失，形成较大的测量误差，有些工况下甚至测不出来，无法使用。另外采用抽取法对待测气体进行分析测量往往整体结构复杂、维护量大。

如果将公开号为CN101403692A的“一种激光气体分析仪及标定方法”照搬到原位对穿式的测量方法上，必将面临光强度不足，不能满足测量实际需要的问题，但是采用原位对穿式激光气体测量法可以实时监控在线数据是其他测试方法无法取代的优点，因此开发一种可使用原位对穿式进行测量，测量精度高，可实现“一机多点”监测激光气体分析仪十分必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光气体分析仪，可使用原位对穿式进行测量，测量精度高，实现“一机多点”监测。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种激光气体分析仪，包括：用于产生近红外光束的激光器模块，所述的激光器模块包括激光器、激光器驱动电路以及激光器温控调节电路，可将激光器产生的光束进行分光成2～9束的分光耦合器，参比池光信号发射端，参比池，包含光电转换模块的参比池信号接收端，1～8个的光纤连接器插口，1～8个气体检测电信号插口，用于收集参比池信号接收端和气体检测电信号插口传输出电信号的电信号集成电路板，包含滤波及锁相放大电路和4～20mA电流环的中央控制系统模块，人机交互模块，数字输出模块，用于向激光器模块、中央控制系统模块、参比池信号接收端、人机交互模块、电信号集成电路板供电的电源，分析仪机箱；激光器模块与分光耦合器之间，分光耦合器分别与参比池光信号发射端、光纤连接器接口之间通过光纤连接，电信号集成电路板分别与参比池信号接收端、气体检测电信号插口通过同轴电缆连接，中央控制系统模块分别与电信号集成电路板之间、人机交互模块、数字输出模块、激光器模块通过信号线连接，电源分别与激光器模块、中央控制系统模块、参比池信号接收端、人机交互模块、电信号集成电路板通过电源线连接。

所述的激光器模块、分光耦合器、参比池光信号发射端，参比池，包含光电转换模块的参比池信号接收端固定在一个支架上，支架再固定到分析仪机箱底部，中央控制系统模块、电源、人机交互模块、数字输出模块、电信号集成电路板、光纤连接器插口、气体检测电信号插口固定在分析仪机箱的侧面。

所述的参比池设置成透明圆筒状，圆筒直径2～5cm，长度15～25cm，密封有已知浓度的气体，两个端面与轴线向方向设置有一定的角度，用于减少光束反射干扰。

所述的人机交互模块包括显示所述中央控制系统模块的参数及其反馈的分析数据的显示屏和对所述中央控制系统模块进行参数设置的智能按键。

所述的数字输出模块包括可以将分析数据导出的USB输出接口和可以将分析数值上传至控制中心的通讯接口。

所述的分析仪机箱设置成密闭的，以防外界光线干扰。

本发明的优点有：

1.本专利所述的激光气体检测仪可以原位对穿式测量，具有实时在线检测功能；

2.具有自动校验和实时锁定波长的功能；

3.可实现一台分析控制器同时监测多个现场监测点，不同与其他采样分析系统电磁阀多路切换技术，是真正的多点同步实时监测。从性价比方面，对于多个排放管道需要浓度的同时监测的场合，采用“一机多点”技术，成本显著降低；4.数据可通过通讯接口传送至监控中心，并实现远程实时监测和控制。

附图说明

图1是本发明主要部件结构框图

图2是本发明提供的一个实施例主视机构示意图

图3是本发明提供的一个实施例参比池结构示意图

图4是本发明一个实施例“一机多点”监测结构示意图

图中：

0.激光气体分析仪，1.分析仪机箱，2、光纤，3.同轴电缆，4.信号线，5.电源线，6.支架，100.激光器模块，200.分光耦合器，300.光纤连接器插口，400.参比池光信号发射端，500.参比池，600.参比池信号接收端，700.电信号集成电路板，800.气体检测电信号插口，900.中央控制系统模块，1000.数字输出模块，1100.人机交互模块，1200.电源。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述。

一种激光气体分析仪，包括：用于产生近红外光束的激光器模块100，所述的激光器模块包括激光器、激光器驱动电路以及激光器温控调节电路，可将激光器产生的光束进行分光成2～9束的分光耦合器200，实施例中光耦合器200将激光器产生的光束进行分光成3束，参比池光信号发射端400，参比池500，包含光电转换模块的参比池信号接收端600，1～8个的光纤连接器插口300，实施例中设置有2个光纤连接器插口300，1～8个气体检测电信号插口800，实施例中设置有2个气体检测电信号插口800，用于收集参比池信号接收端600和气体检测电信号插口800传输出电信号的电信号集成电路板700，包含滤波及锁相放大电路和4～20mA电流环的中央控制系统模块900，人机交互模块1100，数字输出模块1000，用于向激光器模块100、中央控制系统模块900、参比池信号接收端600、人机交互模块1100、电信号集成电路板700供电的电源1200，分析仪机箱1；激光器模块100与分光耦合器200之间，分光耦合器200分别与参比池光信号发射端400、光纤连接器插口300之间通过光纤2连接，电信号集成电路板700分别与参比池信号接收端600、气体检测电信号插口800通过同轴电缆3连接，中央控制系统模块900分别与电信号集成电路板之间700、人机交互模块1100、数字输出模块1000、激光器模块100通过信号线4连接，电源1200分别与激光器模块100、中央控制系统模块900、参比池信号接收端600、人机交互模块1100、电信号集成电路板700通过电源线5连接。如图1和图2所示。

激光器模块100、分光耦合器200、参比池光信号发射端400，参比池500，包含光电转换模块的参比池信号接收端600固定在支架6上，支架6再固定到分析仪机箱1底部，中央控制系统模块900、电源1200、人机交互模块1100、数字输出模块1000、电信号集成电路板700、光纤连接器接口300、气体检测电信号插口800固定在分析仪机箱1的侧面，如图2所示。

参比池500设置成透明圆筒状，圆筒直径2～5cm，实施例选2.5cm，长度15～25cm，实施例选20cm，密封有已知浓度的标准气体，实施例选NH₃，两个端面与轴线向方向设置有一定的角度，实施例选45度，用于减少光束反射干扰，如图3所示。

人机交互模块1100包括显示所述中央控制系统模块的参数及其反馈的分析数据的显示屏和对所述中央控制系统模块进行参数设置的智能按键。

数字输出模块1000包括可以将分析数据导出的USB输出接口和可以将分析数值上传至控制中心的通讯接口。

分析仪机箱1设置成密闭的。

使用时打开电源1200，电源1200通过电源线5向激光器模块100、中央控制系统模块900、参比池信号接收端600，人机交互模块1100、电信号集成电路板700供电，中央控制系统模块900通过激光器模块100上的激光器驱动电路、激光器温控调节电路控制激光器发出近红外光束，近红外光束通过光纤2进入分光耦合器200，分光耦合器200将光束分成3束，其中1束通过光纤2传输到参比池光信号发射端400，光束经过参比池光信号发射端400，射入参比池500，参比池500内装有已知浓度的NH₃，光束衰减后进入参比池信号接收端600，参比池信号接收端600包含光电转换模块，衰减的光信号转换成的电信号经过同轴电缆3传输到电信号集成电路板700，电信号集成电路板700通过信号线将信号传送至中央控制系统模块900，进行校准和波长锁定，通过激光器温控调节电路调节激光器的温度，使所选择的测量波长处于合适位置，并将该位置存入中央控制系统模块900内存。当温度产生漂移后，激光器模块100的输出波长将发生变化，导致被测气体的吸收峰的位置改变，通过对比前后两次的吸收峰位置，得到一个反馈信号，该反馈信号自动去控制激光器100的温度，使其或者升高或降低，从而使得吸收峰在每次检测时都处于同一个位置，即激光输出波长恒定。

实施例中分光耦合器200将光束分成3路传输，一路与参比池光信号发射端相连，另外2路分别与2个光纤连接器插口相连，光束经过光纤连接器插口再通过光纤可以传输到原位对穿式信号的发射端，穿过被测气体后在原位对穿式信号的接收端将检测的光信号通过光电转换模块转换成电信号，通过同轴电缆传输到所述的2个气体检测电信号插口800，经过同轴电缆3传输到电信号集成电路板700，电信号集成电路板700通过信号线将信号传送至中央控制系统模块900，可实现对2处待测点气体浓度的实时在线测量，如图4所示。

在工业现场，用仪表放大器来完成信号的调理，并以电压形式进行长线传输，会产生以下问题：第一，由于传输的信号是电压信号，传输线会受到噪声的干扰；第二，传输线的分布电阻会产生电压降；第三，在现场如何提供仪表放大器的工作电压也是个问题。为了解决上述问题和避开相关噪声的影响，特采用电流来传输信号，因为电流对噪声并不敏感。中央控制系统模块900设置了4～20mA的电流环和滤波及锁相放大电路。4～20mA的电流环便是用4mA表示零信号，用20mA表示信号的满刻度。滤波及锁相放大电路通过锁相电路将有用信号与噪声信号进行分离。

需要说明的是，本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明，本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方法替代，但并不会偏离本发明的精神或超越所附权利要求书定义的范围。

Claims (6)

1.一种激光气体分析仪，其特征在于：包括：用于产生近红外光束的激光器模块，所述的激光器模块包括激光器、激光器驱动电路以及激光器温控调节电路，可将激光器产生的光束进行分光成2～9束的分光耦合器，参比池光信号发射端，参比池，包含光电转换模块的参比池信号接收端，1～8个的光纤连接器插口，1～8个气体检测电信号插口，用于收集参比池信号接收端和气体检测电信号插口传输出电信号的电信号集成电路板，包含滤波及锁相放大电路和4～20mA电流环的中央控制系统模块，人机交互模块，数字输出模块，用于向激光器模块、中央控制系统模块、参比池信号接收端、人机交互模块、电信号集成电路板供电的电源，分析仪机箱；激光器模块与分光耦合器之间，分光耦合器分别与参比池光信号发射端、光纤连接器接口之间通过光纤连接，电信号集成电路板分别与参比池信号接收端、气体检测电信号插口通过同轴电缆连接，中央控制系统模块分别与电信号集成电路板之间、人机交互模块、数字输出模块、激光器模块通过信号线连接，电源分别与激光器模块、中央控制系统模块、参比池信号接收端、人机交互模块、电信号集成电路板通过电源线连接。

2.根据权利要求1所述的激光气体分析仪，其特征在于：所述的激光器模块、分光耦合器、参比池光信号发射端，参比池，包含光电转换模块的参比池信号接收端固定在一个支架上，支架再固定在分析仪机箱底部，中央控制系统模块、电源、人机交互模块、数字输出模块、电信号集成电路板、光纤连接器接口、气体检测电信号插口固定在分析仪机箱的侧面。

3.根据权利要求1所述的激光气体分析仪，其特征在于：所述的参比池设置成透明圆筒状，圆筒直径2～5cm，长度15～25cm，密封有已知浓度的标准气体，两个端面与轴线向方向设置有一定的角度，用于减少光束反射干扰。

4.根据权利要求1所述的激光气体分析仪，其特征在于：人机交互模块包括显示所述中央控制系统模块的参数及其反馈的分析数据的显示屏和对所述中央控制系统模块进行参数设置的智能按键。

5.根据权利要求1所述的激光气体分析仪，其特征在于：数字输出模块包括可以将分析数据导出的USB输出接口和可以将分析数值上传至控制中心的通讯接口。

6.根据权利要求1所述的激光气体分析仪，其特征在于：所述的分析仪机箱设置成密闭的。

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