CN104198461B - 基于拉曼效应的工业过程气体分析仪 - Google Patents
基于拉曼效应的工业过程气体分析仪 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种基于拉曼效应的工业过程气体分析仪,可现场在线检测几乎所有工业过程气体,适合复杂混合气体检测,响应时间快,检测间隔短。基于拉曼效应的工业过程气体分析仪,包括:气体控制模块;激光器检测装置;供电模块;控制模块;显示模块。本发明涉及光、机、电、气、算各个模块,可以同时检测出混合气体中4‑16个成分的气体,可用于成分复杂的气体成分分析,分析过程可实现自动控制器程序控制,操作过程简单,分析结果准确可靠;可以实现多种成分气体的定量检测,成本低。本发明可以广泛应用于石油化工、钢铁冶金、水泥建材、生化制药、微电子、煤矿安全、科学研究、航空航天等行业,可以实现多成分混合气体的实时定性定量检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种分析化学专业中的分析仪器,特别是涉及一种基于拉曼效应的工业过程气体分析仪。
背景技术
过程分析仪器又称在线分析仪器,是用于工业生产流程中对物质的成分及性质进行自动分析与测量仪器的总称,显示的数据反映生产过程中的实时状况。工业过程分析仪器包括液体分析仪器、气体分析仪器和固体分析仪器三种,工业过程气体分析仪器用于工业过程中气体浓度或成分的在线实时分析。
根据行业的不同,过程气体分析仪器的应用领域和检测气体如下表:
行业 | 检测气体种类 |
石油化工 | O2,CO2,CO,CH4,H2S,CXHY |
多晶硅、氯碱等化工行业 | CH2,H2O,CO,O2,H2S,NH3,CXHY,Cl2 |
火电发电 | CO2,CO,O2,SO2,NOX |
生物制药 | CO2,CO,O2,HF |
航空航天 | CO2,CO,O2,SO2 |
钢铁冶金 | CH4,HCl,H2O,CO,O2,H2S,NH3,HF |
煤炭行业 | H2S,CO2,CO,O2,CH4,O2,CXHY |
水泥建材 | CO2,CO,O2,SO2 |
垃圾焚烧、生物沼气等 | CH4,H2O,CO,O2,H2S |
虽然各个行业需要检测的气体不同,但需要检测的主要气体有:CO2、CO、O2、H2S、CH4、CXHY、NOX、Cl2、NH3和HF。根据检测原理及应用的不同,目前应用在气体分析领域的检测仪器可分为以下几种:热导式气体分析仪、电化学式气体分析仪、红外(紫外)吸收式气体分析仪、气相色谱仪,将各种检测仪器进行比较,比较结果如下表:
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于拉曼效应的工业过程气体分析仪,可现场在线检测几乎所有工业过程气体,适合复杂混合气体检测,响应时间快,检测间隔短,便于安装和操作。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是:基于拉曼效应的工业过程气体分析仪,包括:
气体控制模块:将待检测气体通入到检测腔中;
激光器检测装置:激光照射待检测气体,产生拉曼散射光;
供电模块:将标准电压值转换为不同的电压值并提供工作电压;
控制模块:实时监控、采集工作状态信息,并通过软件转化成所需要的气体浓度值;
显示模块:显示监控数据、标定数据和检测的气体浓度值,实现人机交互。
本发明的有益效果是:本发明采用基于12位AV+DV采集卡的总控制板实现电路各路模拟、实现数字信号与显示模块的通信,不仅处理速度加快,且能减小产品的体积;整个仪器涉及光、机、电、气、算各个模块,可以同时检测出混合气体中4-16个成分的气体,可用于成分复杂的气体成分分析,分析过程可实现自动控制器程序控制,操作过程简单,分析结果准确可靠;本发明可以实现多种成分气体的定量检测,成本低。本发明可以广泛应用于石油化工、钢铁冶金、水泥建材、生化制药、微电子、煤矿安全、科学研究、航空航天等行业,可以实现多成分混合气体的实时定性定量检测。
附图说明
图1是本发明的气体分析仪的结构示意图。
图2是本发明的激光器检测装置的主视图。
图3是图2的A-A剖视图。
图4是本发明的激光器检测装置的立体图。
具体实施方式
本发明的工业过程气体分析仪根据功能的不同可分为4个主要部件:
1)气体控制模块
如图1所示,气体控制模块依次包括输入连接口1、过滤阀2、气室3、输入气管4、检测腔5、输出气管19、电磁阀20、压力传感器21、真空泵23、输出连接口24。气室3与检测腔5通过输入气管4连接,将通过输入连接口1后的待检测气体通入到检测腔5中,在检测过程中,待检测气体连续通过检测腔5,同时激光7照射待检测气体,产生所需要的拉曼散射光。待检测气体经过位于检测腔5前后两侧的输出气管19后,分别进入由电磁阀20、压力传感器21、真空泵23组成的气压流量控制系统,最终通过输出连接口24输出到废气处理装置。
上述压力传感器21最好采用MEMS压力传感器,这样方便设置在PCB板上。电磁阀20和压力传感器21的供电及控制均由气压流量控制板26实现。压力传感器21进行气压监测,与气压流量控制板26一起实现待检测气体的恒压精密控制。真空泵23的转速通过脉宽调制模块25中PWM专用芯片UC3524构成的脉宽调制电路直接调节,同时利用真空泵23的FG电机转速反馈信号给气压流量控制板26,控制气体流量。
2)激光器检测装置
如图1-图4所示,激光器检测装置依次包括激光器电源29、激光管8、输出镜调整机构9和输出腔13,在所述输出腔13内设置有输出镜10、滤光片11和光电探测器12,输出镜调节机构9用于调节输出激光功率,实现最强激光输出。
激光管8前端设置有反射镜30,激光管8后端采用布儒斯特窗口31密封,当激光在反射镜30和输出镜10之间反射时,光能量在激光管8中被激活介质放大,最终发出强的激光光束。反射镜30和输出镜10两个镜片中,反射镜30是固定不可调的,输出镜10固定在输出腔13上,通过输出镜调整机构9可以完成对输出镜10的微调,以优化光能量。滤光片11可以采用中心波长为632.8nm、半带宽为1nm的窄带通滤光片,保证探测输出光的准确性。激光器检测装置外部设计有安装固定结构,以保证激光管8、输出镜10、滤光片11同轴,同时也保证了整个装置的密封性。
检测腔5前端与激光管8密封连接,检测腔5后端与激光器输出镜调整机构9密封连接。检测腔5两侧开有检测窗口6,检测窗口6根据检测需求可在两侧各设置1-8个,典型结构是各设置4个,如图1和图3所示。在各个检测窗口6上依次设置有透镜(图中没有画出)、检测特定中心波长的拉曼滤光片14、聚焦镜片组15和雪崩光电二极管16,当然也可以采用其它光路,只要可以实现选波长、聚焦和接收光信号并转化为电信号的作用就可以了,比如还可采用光谱仪或者多层滤光片组合代替拉曼滤光片选择波长,采用半球或者超半球透镜实现聚焦,采用光电二级管进行光信号的接收并转化为电信号。检测腔5前后两端都开有小孔,用于激光7的通过。
输出腔13中的光电探测器12可实时检测激光光强变化,当光强变化超过预定值时,仪器给出报警提示。
激光器检测装置采用半内腔结构,在布儒斯特窗口31和输出镜调整机构9之间设置检测腔5,克服了传统外腔式检测方法输出功率低的缺点。
激光管8、激光器输出镜调整机构9、输出镜10、滤光片11构成半内腔式激光器,用来作为产生拉曼效应的激发光源。
上述激光管8可采用稳定性好的氦氖气体激光管。检测腔5内激光功率可超过500mw,通过输出镜10后的激光功率中心波长为632.8nm,输出发散角<1mrad,输出能量为2.5mw-5mw,工作功率稳定性<1%。
本发明将激光器检测装置与检测腔5连接成一个整体,如图3和图4所示,这样可充分保证检测过程中检测环境(压强和温度)的稳定性,从而保证检测的精确度,同时,也有利于仪器结构紧凑,减小仪器体积。
本发明将检测腔5设置于激光器检测装置的反射镜30和输出镜10之间,由于激光能量在反射镜30和输出镜10之间不断反射,检测腔5腔内能量比输出镜10的输出能量高几百倍,这样可充分利用激光能量,为微弱信号的处理及配套器件的选型降低难度,提高检测精度,降低仪器成本。
3)供电模块
考虑到本发明电源系统复杂,各个模块所需的电压值不同,在系统内部建立独立的供电模块,可保证各个模块正常运作的同时降低使用难度。供电模块主要由配电板28和各种连接线构成,将标准电压值(220V)转换为不同的电压值,为总控制板18、控制电路17、气压流量控制板26、PC机27和激光电源29提供工作电压,保证各个模块的正常工作。
4)控制模块
控制模块包括总控制板18、控制电路17、气压流量控制板26、功率电阻32和NTC热敏电阻33。功率电阻32设置在检测腔5的外表面,用于控制检测腔5的加热。NTC热敏电阻33有2个,一个设置在检测腔5的外表面,用于检测检测腔5的温度,因为检测腔5一般需要在室温条件下工作;另一个设置在雪崩光电二极管16的制冷片上,用于检测雪崩光电二极管16的温度,因为雪崩光电二极管16一般需要在零度以下的环境中工作。这样,保证了所需要的检测环境,才能保证检测数据的精确度。总控制板18中设置信号分析模块,可以完成对控制电路17、光电探测器12、气压流量控制板26和功率电阻32的实时监控、实时采集工作状态信息及关键信号,并通过分析软件转化成所需要的气体浓度值。
5)显示模块
显示模块包括PC机27,PC机27与总控制板18连接,用于显示监控数据、标定数据和检测的气体浓度值,实现人机交互。
工作时,待检测气体通过输入连接口1、过滤阀2、气室3、输入气管4后进入检测腔5中。在检测腔5内,激光7与待检测气体作用发生拉曼效应,产生拉曼散射光,拉曼散射光依次通过固定在各个检测窗口6上的透镜发散、检测特定中心波长的拉曼滤光片14选波长以及聚焦镜片组15聚焦,最终聚焦在雪崩光电二极管16的感光面中,通过光电雪崩二级管16的光电转化及控制电路17的信号处理后,将处理后信号输送到总控制板18。总控制板18与控制电路17、光电探测器12、气压控制流量板26通过显示模块软件实现数据交互,并将得出的测试和监控数据最终显示在PC机27上。
上述拉曼散射光照射在雪崩光电二极管16上,雪崩光电二极管16雪崩,控制电路17得到雪崩信号后会发出一个反馈信号,使雪崩光电二极管16雪崩截止,雪崩二极管16完成主动淬火,等待进行下一次雪崩。
雪崩光电二极管16工作需保证其暗电流大小在可容忍的范围内,通过降低雪崩光电二极管16芯片工作温度,可有效减小暗电流的影响。雪崩光电二极管16的制冷采用半导体制冷片实现,并通过NTC热敏电阻33来检测制冷片温度,进而控制半导体制冷片制冷工作状态。
仪器工作需保证检测腔5中气体的恒温恒压状态。本发明通过总控制板18监控检测腔5上的NTC热敏电阻33阻值的变化,来实时检测和控制检测腔5的温度。当检测腔5的温度低于预定温度时,由功率电阻32、NTC热敏电阻33及总控制板18构成的温度监控电路控制开启加热功率电阻32;当检测腔5温度高于预定温度时,功率电阻32停止工作。检测腔5中气体的恒压状态通过压力传感器21和气压流量控制板26来控制。
检测腔5温度通过功率电阻32和NTC热敏电阻33;雪崩光电二极管16的电压通过控制电路17;输出激光功率通过光电探测器12;激光器工作电压通过激光器电源29分别与总控制板18连接,统一由总控制板18与监控软件实时交互,实现对气压、流量、温度、电压、激光功率的监控,保证本发明工作环境的稳定,最终保证了检测结果的高精度。本发明采用基于12位AV+DV采集卡的总控制板18实现电路各路模拟、实现数字信号与显示模块的通信。
本发明的拉曼气体分析仪的检测原理是:根据不同气体发生拉曼效应得到的“指纹”频移谱判断气体种类,根据得到的光电信号强度得出气体的浓度。本发明可以在线即时检测(响应时间<1s),可以同时对多种气体进行连续在线的高精度检测,根据不同行业需求,可检测不同气体,完全满足使用需求。本发明线性误差:0.25%F.S;重复性:0.25%;无零点漂移;仪器响应时间:T90≤500ms;检测精度高,稳定性高。
Claims (13)
1.基于拉曼效应的工业过程气体分析仪,其特征在于,包括:
气体控制模块:将待检测气体通入到检测腔(5)中;
激光器检测装置:激光(7)照射检测腔(5)中的待检测气体,产生拉曼散射光;
所述激光器检测装置依次包括激光器电源(29)、激光管(8)、输出镜调整机构(9)和输出腔(13),在所述输出腔(13)内设置有输出镜(10)、滤光片(11)和光电探测器(12),所述输出镜调节机构(9)用于调节输出激光功率;
所述激光管(8)前端设置有反射镜(30),所述激光管(8)后端采用布儒斯特窗口(31)密封;所述激光器检测装置采用半内腔结构,在所述布儒斯特窗口(31)和输出镜调整机构(9)之间设置检测腔(5);所述反射镜(30)固定不可调,所述输出镜(10)固定在输出腔(13)上,并通过输出镜调整机构(9)微调;所述激光管(8)、输出镜(10)和滤光片(11)同轴;所述检测腔(5)前端与激光管(8)密封连接,检测腔(5)后端与输出镜调整机构(9)密封连接;所述激光管(8)、输出镜调整机构(9)、输出镜(10)、滤光片(11)构成半内腔式激光器,用来作为产生拉曼效应的激发光源;
供电模块:将标准电压值转换为不同的电压值并提供工作电压;
控制模块:实时监控、采集工作状态信息,并通过软件转化成所需要的气体浓度值;
显示模块:显示监控数据、标定数据和检测的气体浓度值,实现人机交互;
所述检测腔(5)设置于激光器检测装置的反射镜(30)和输出镜(10)之间。
2.如权利要求1所述的基于拉曼效应的工业过程气体分析仪,其特征在于,所述气体控制模块依次包括输入连接口(1)、过滤阀(2)、气室(3)、输入气管(4)、检测腔(5)、输出气管(19)、电磁阀(20)、压力传感器(21)、真空泵(23)和输出连接口(24),所述气室(3)与检测腔(5)通过输入气管(4)连接;所述控制模块包括总控制板(18)、控制电路(17)、气压流量控制板(26)、功率电阻(32)和NTC热敏电阻(33)。
3.如权利要求2所述的基于拉曼效应的工业过程气体分析仪,其特征在于,所述压力传感器(21)采用MEMS压力传感器;所述检测腔(5)两侧各设置1-8个选波长、聚焦和接收光信号并转化为电信号的检测窗口(6)。
4.如权利要求3所述的基于拉曼效应的工业过程气体分析仪,其特征在于,在所述各个检测窗口(6)上依次设置有透镜、检测特定中心波长的拉曼滤光片(14)、聚焦镜片组(15)和雪崩光电二极管(16)。
5.如权利要求4所述的基于拉曼效应的工业过程气体分析仪,其特征在于,所述电磁阀(20)和压力传感器(21)的供电及控制由气压流量控制板(26)实现;所述压力传感器(21)进行气压监测,与气压流量控制板(26)一起实现待检测气体的恒压精密控制;所述真空泵(23)的转速通过脉宽调制模块(25)中PWM专用芯片UC3524构成的脉宽调制电路直接调节,同时利用真空泵(23)的FG电机转速反馈信号给气压流量控制板(26),控制气体流量;所述功率电阻(32)设置在检测腔(5)的外表面,用于控制检测腔(5)的加热;所述NTC热敏电阻(33)有2个,一个设置在检测腔(5)的外表面,用于检测检测腔(5)的温度,另一个设置在雪崩光电二极管(16)的制冷片上,用于检测雪崩光电二极管(16)的温度。
6.如权利要求1所述的基于拉曼效应的工业过程气体分析仪,其特征在于,所述供电模块包括配电板(28)和各种连接线。
7.如权利要求1所述的基于拉曼效应的工业过程气体分析仪,其特征在于,所述显示模块包括PC机(27),所述PC机(27)与总控制板(18)连接。
8.采用权利要求1所述的基于拉曼效应的工业过程气体分析仪的检测方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
1)待检测气体进入检测腔(5)中,激光器检测装置的激光管(8)产生的激光(7)在检测腔(5)内与待检测气体作用发生拉曼效应,产生拉曼散射光;
2)拉曼散射光通过检测窗口(6)选波长、聚焦和接收光信号并转化为电信号以及控制电路(17)的信号处理后,将处理后信号输送到总控制板(18);
3)总控制板(18)与控制电路(17)、光电探测器(12)、气压流量控制板(26)通过显示模块软件实现数据交互,并将得出的测试和监控数据最终显示在PC机(27)上。
9.如权利要求8所述的基于拉曼效应的工业过程气体分析仪的检测方法,其特征在于,所述激光器检测装置的输出腔(13)中的光电探测器(12)实时检测激光光强变化,当光强变化超过预定值时,仪器给出报警提示。
10.如权利要求8所述的基于拉曼效应的工业过程气体分析仪的检测方法,其特征在于,所述总控制板(18)中设置信号分析模块,可以完成对控制电路(17)、光电探测器(12)、气压流量控制板(26)和功率电阻(32)的实时监控、实时采集工作状态信息及关键信号,并通过分析软件转化成所需要的气体浓度值。
11.如权利要求8所述的基于拉曼效应的工业过程气体分析仪的检测方法,其特征在于,通过总控制板(18)监控检测腔(5)上的NTC热敏电阻(33)阻值的变化,来实时检测和控制检测腔(5)的温度,当检测腔(5)的温度低于预定温度时,由功率电阻(32)、NTC热敏电阻(33)及总控制板(18)构成的温度监控电路控制开启加热功率电阻(32);当检测腔(5)温度高于预定温度时,功率电阻(32)停止工作;检测腔(5)中气体的恒压状态通过压力传感器(21)和气压流量控制板(26)来控制。
12.如权利要求8所述的基于拉曼效应的工业过程气体分析仪的检测方法,其特征在于,当激光在反射镜(30)和输出镜(10)之间反射时,光能量在激光管(8)中被激活介质放大,最终发出强的激光光束。
13.如权利要求8所述的基于拉曼效应的工业过程气体分析仪的检测方法,其特征在于,待检测气体经过位于检测腔(5)前后两侧的输出气管(19)后,分别进入由电磁阀(20)、压力传感器(21)、真空泵(23)组成的气压流量控制系统,最终通过输出连接口(24)输出到废气处理装置。
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C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20201217 Address after: No.1, kekecheng Avenue, Youxian District, Mianyang City, Sichuan Province Patentee after: Sichuan Jiuyuan environmental protection equipment Co.,Ltd. Address before: No.77, Lane 655, Qiming Road, Yinzhou District, Ningbo City, Zhejiang Province Patentee before: NINGBO HAIEN OPTO-ELECTRONIC INSTRUMENT Co.,Ltd. |
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TR01 | Transfer of patent right |