CN105021568A - 基于多模激光光谱技术的甲烷气体浓度检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多模激光光谱技术的甲烷气体浓度检测装置，包括正弦波发生器和三角波发生器，正弦波发生器和三角波发生器输出端均连接加法器和数据采集卡输入端，加法器输出端通过激光控制器连接可调谐二极管激光器输入端，可调谐二极管激光器输通过光纤分束器连接参考池和样品池输入端，参考池输出端连接第一光电探测器输入端，样品池输出端连接第二光电探测器输入端，第一光电探测器和第二光电探测器输出端均连接数据采集卡输入端，数据采集卡输出端连接计算机输入端。本发明利用多模激光光谱技术实现对甲烷气体浓度有效检测，用参考气体本身光谱信息实现对甲烷选择性探测，排除了中心波长波动带来的干扰，系统组成简单，激光器成本较低。

Description

基于多模激光光谱技术的甲烷气体浓度检测装置

技术领域

本发明属于气体检测领域，具体涉及的是一种甲烷气体浓度检测装置。

背景技术

环境保护是当今世界面临的重要问题，环境污染特别是大气污染给全球带来了巨大的经济损失，并对人类健康和生态环境产生了巨大的威胁。研究表明，人类活动造成的温室效应约五分之一和甲烷排放有关，所以甲烷气体一直是大气监测中的关注重点。甲烷(CH4)气体是天然气、沼气、及煤矿坑道气的主要成分。近些年来随着对天然气资源利用的迅速增加，天然气泄漏已经成为环境大气中甲烷含量增加的一个主要人为排放源，高浓度的甲烷气体可导致人窒息死亡，及时检测甲烷气体的来源、含量及泄漏情况对环境保护、工矿安全运行及人身安全均具有重要的意义。

目前用于甲烷气体的检测装置有很多种，其中较常用的为基于可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)的甲烷检测仪，利用激光器的波长扫描和电流调谐特性，获得被测气体的特征吸收光谱，从而对污染气体进行定性或定量分析。但是TDLAS技术的缺点是对光源的单模输出具有很高的要求，通常的TDLAS系统必须使用单模二极管激光器，而单模二极管激光器的工艺复杂性导致它的成本很高。此外，单模二极管激光器的中心波长随外界温度或机械特性的变化会发生偏移的缺点会影响到测量的准确性，因而在恶劣环境中应用时需要进行锁频或严格的温控，这提高了系统的复杂性，并且即使这样也难以保证仪器在复杂多变的工业环境中实现长期稳定的测量，因此限制了基于TDLAS技术的甲烷检测仪的广泛应用。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供了一种基于多模激光光谱技术的甲烷气体浓度检测装置，解决现有基于光谱技术的甲烷检测仪使用单模二极管激光器成本高、输出波长对温度变化敏感以及稳定性差等问题。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：一种基于多模激光光谱技术的甲烷气体浓度检测装置，包括激光器装置、气体池和数据采集分析装置，所述激光器装置包括正弦波发生器、三角波发生器、加法器、激光控制器、可调谐二极管激光器和光纤分束器，所述气体池包括参考池和样品池，参考池中充有已知浓度的甲烷和空气的混合气体，样品池中充有待测的甲烷和空气的混合气体，所述数据采集分析装置包括第一光电探测器、第二光电探测器、数据采集卡和计算机，正弦波发生器和三角波发生器输出端均连接加法器和数据采集卡输入端，加法器输出端连接激光控制器输入端，激光控制器输出端连接可调谐二极管激光器输入端，可调谐二极管激光器输出端连接光纤分束器输入端，光纤分束器第一输出端连接参考池进光口，参考池出光口连接第一光电探测器输入端，光纤分束器第二输出端连接样品池进光口，样品池出光口连接第二光电探测器输入端，第一光电探测器和第二光电探测器输出端均连接数据采集卡输入端，数据采集卡输出端连接计算机输入端。

进一步的，所述可调谐二极管激光器的中心波长为1675nm。

进一步的，所述样品池包括派热克斯玻璃或不锈钢材质的筒形腔体，筒形腔体端部设置进光口和出光口，筒形腔体内靠近两端的位置分别设有一片离散凹面镜。

有益效果：本发明利用多模激光光谱技术实现了对甲烷气体浓度的有效检测，用参考气体本身的光谱信息实现了对甲烷的选择性探测，排除了中心波长波动带来的干扰，并且系统组成简单，激光器成本较低；本发明可以达到测量灵敏度约为101ppb，充分满足了工业污染排放监测的要求。

附图说明

图1是本发明的整体结构意图。

图中：1—正弦波发生器，2—三角波发生器，3—加法器，4—激光控制器，5—可调谐二极管激光器，6—光纤分束器，7—参考池，8—第一光电探测器，9—样品池，10—第二光电探测器，11—数据采集卡，12—计算机。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

实施例一

如图1所示，本发明的基于多模激光光谱技术的甲烷气体浓度检测装置包括激光器装置、气体池和数据采集分析装置。所述激光器装置包括正弦波发生器1、三角波发生器2、加法器3、激光控制器4、可调谐二极管激光器5和光纤分束器6；所述气体池包括参考池7和样品池8，其中，所述样品池9包括派热克斯玻璃材质的筒形腔体，筒形腔体端部设置进光口和出光口，筒形腔体内靠近两端的位置分别设有一片离散凹面镜。参考池7中充有已知浓度的甲烷和空气的混合气体，样品池9中充有待测的甲烷和空气的混合气体；所述数据采集分析装置包括第一光电探测器8、第二光电探测器9、数据采集卡11和计算机12。正弦波发生器1和三角波发生器2输出端均连接加法器3和数据采集卡11输入端，加法器3输出端连接激光控制器4输入端，激光控制器4输出端连接可调谐二极管激光器5输入端，所述可调谐二极管激光器的中心波长为1675nm。可调谐二极管激光器5工作温度和电流通过激光控制器4控制，用以调谐激光的发射波长，正弦波发生器1发出正弦波，三角波发生器2发出三角波，两路信号分别接入加法器3的输入端，加法器3输出端连接激光控制器4的输入端，对可调谐二极管激光器5的波长进行快速调制。可调谐二极管激光器5输出端连接光纤分束器6输入端，光纤分束器6第一输出端连接参考池7进光口，参考池7出光口连接第一光电探测器8输入端，光纤分束器6第二输出端连接样品池9进光口，样品池9出光口连接第二光电探测器10输入端。可调谐二极管激光器5的输出光进入光纤分束器6后被分成参考光和测量光，参考光入射到参考池7、透射光被第一光电探测器8探测，测量光入射到样品池9、透射光被第二光电探测器10探测。第一光电探测器8和第二光电探测器10输出端均连接数据采集卡11输入端，数据采集卡11输出端通过PCI插槽连接计算机12输入端，计算机12安装有基于LabView编写的数字软件，通过该数字软件可以实时处理来自数据采集卡的数据，分别得到测量光信号振幅、参考光信号振幅、样品池的气体信号的初始平均光强和参考池气体信号的初始平均光强。

本发明工作原理：可调谐二极管激光器5在激光控制器4的控制和正弦波、三角波的调制下发出具有宽发射光谱的光束，经光纤分束器6分成两束，分别为参考光和测量光，参考光经过气体参考池7被知浓度的甲烷和空气的混合气体吸收，测量光经样品池9被待测的甲烷和空气的混合气体吸收，参考光和测量光的透射光分别被第一光电探测器8、第二光电探测器10同时探测记录，从而可保持原始信号的相关状态。

第一光电探测器8、第二光电探测器10探测得到的参考光信号和测量光信号间存在如下关系：

$X_M=\frac{S_{2fM}/({\stackrel{\‾}{I}}_{0M}\·L_M)}{S_{2fR}/({\stackrel{\‾}{I}}_{0R}\·L_R)}\·X_R$

X_M表示待测甲烷气体的浓度，X_R表示参考池中甲烷气体的浓度，S_2fM表示测量光信号振幅，S_2fR表示参考光信号振幅，表示样品池气体信号的初始平均光强，表示参考池气体信号的初始平均光强，L_M表示样品池的光程长度，L_R表示参考池的光程长度，该公式表明，测量光和参考光光路中所测目标气体的含光程浓度比等于光强归一化后的谐波信号幅值之比，利用该公式即可推演待测气体浓度。

为了确定参考池的光程长度，可以先往参考池中充有已知浓度的气体，单独测量该气体的直接吸收光谱信号，根据该已知浓度气体直接吸收光谱的积分吸收面积A＝PXL(式中A为直接吸收光谱的积分吸收面积，P为参考池压强，X为气体浓度，L为光程长度)，反推出样品参考池的光程长度。样品池的光程长度也可通过该方法事先测量得到。

实施例二

本实施例与实施例一的不同之处在于：所述样品池9的筒形腔体为不锈钢材质。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于多模激光光谱技术的甲烷气体浓度检测装置，包括激光器装置、气体池和数据采集分析装置，其特征在于：所述激光器装置包括正弦波发生器(1)、三角波发生器(2)、加法器(3)、激光控制器(4)、可调谐二极管激光器(5)和光纤分束器(6)，所述气体池包括参考池(7)和样品池(9)，参考池(7)中充有已知浓度的甲烷和空气的混合气体，样品池(9)中充有待测的甲烷和空气的混合气体，所述数据采集分析装置包括第一光电探测器(8)、第二光电探测器(10)、数据采集卡(11)和计算机(12)，正弦波发生器(1)和三角波发生器(2)输出端均连接加法器(3)和数据采集卡(11)输入端，加法器(3)输出端连接激光控制器(4)输入端，激光控制器(4)输出端连接可调谐二极管激光器(5)输入端，可调谐二极管激光器(5)输出端连接光纤分束器(6)输入端，光纤分束器(6)第一输出端连接参考池(7)进光口，参考池(7)出光口连接第一光电探测器(8)输入端，光纤分束器(6)第二输出端连接样品池(9)进光口，样品池(9)出光口连接第二光电探测器(10)输入端，第一光电探测器(8)和第二光电探测器(10)输出端均连接数据采集卡(11)输入端，数据采集卡(11)输出端连接计算机(12)输入端。

2.根据权利要求1所述的一种基于多模激光光谱技术的甲烷气体浓度检测装置，其特征在于：所述可调谐二极管激光器的中心波长为1675nm。

3.根据权利要求1所述的一种基于多模激光光谱技术的甲烷气体浓度检测装置，其特征在于：所述样品池(9)包括派热克斯玻璃或不锈钢材质的筒形腔体，筒形腔体端部设置进光口和出光口，筒形腔体内靠近两端的位置分别设有一片离散凹面镜。