CN105021569A - 一种同时监测一氧化碳和甲烷的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种同时监测一氧化碳和甲烷的装置，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、锯齿波发生器、加法器、激光控制器、可调谐二极管激光器、准直透镜、第一分光镜和第二分光镜，所述气体池包括第一气体吸收池、第二气体吸收池和长程吸收池，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、第三光电探测器、数据采集卡和计算机。本发明为复杂多变环境下一氧化碳和甲烷的同时、实时监测提供了低成本解决方法，并具有灵敏度高、响应速度快、稳定性好、可靠性高、维护简单的优点。
Description
技术领域
本发明属于环境气体检测领域，具体涉及一种同时监测一氧化碳和甲烷浓度的装置。
背景技术
天然气是一种主要由甲烷组成的气态化石燃料，具有燃烧效率高、燃烧产物更为清洁等优点，逐渐成为当前的重要能源之一，被用于生产、生活的各个领域。随着全球能源危机日益加剧，人们对燃料利用效率提出了更高的要求，甲烷作为天然气的最主要成分，对其在燃烧气体中的含量进行监控可有效反映天然气的燃烧效率。CO是主要由化石燃料燃烧产生的对人体有严重危害的污染物，随着人们对环境保护的逐渐重视，对CO排放的限制将更加严格。CO也是燃烧充分程度的重要指示剂。所以对CH4和CO同时进行探测可提供关于天然气燃烧利用效率更为详细的信息。除此之外，CH4是重要程度仅次于CO2的温室气体，CO对人体有非常严重的危害，当两者在空气中的含量到达一定程度后多会引起爆炸，因此对于CH4和CO的探测在能源、环境、安全等方面都有非常重要的意义。
目前国内采用的气体检测方法主要分为化学方法和光学方法。相比于化学检测方法，光学方法特别是光谱学的方法具有非接触、高灵敏、测量范围广等特点，是目前大气检测技术发展的主流方向。光谱学方法中的可调谐二极管激光光谱技术(TDLAS)使用单模激光器，具有谱线窄的优点，可实现高分辨率、高灵敏度和快速测量。然而TDLAS技术的缺点是：(1)为实现对目标气体的高选择性，对光源单模输出要求高，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，这也增加了系统的复杂性。(2)从产业化角度看，单模激光器的价格较高，不利于系统的商品化。以上缺点都制约了它的进一步广泛应用。
发明内容
发明目的：为解决现有光谱学气体探测装置中使用单模二极管激光器成本高，并且输出波长对工作温度变化敏感的问题，本发明提供一种采用可调谐多模二极管激光器的同时监测一氧化碳和甲烷浓度的装置。
为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：一种同时监测一氧化碳和甲烷的装置，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、锯齿波发生器、加法器、激光控制器、可调谐二极管激光器、准直透镜、第一分光镜和第二分光镜，所述气体池包括第一气体吸收池、第二气体吸收池和长程吸收池，第一气体吸收池中充入已知浓度的甲烷气体，第二气体吸收池中充入已知浓度的一氧化碳气体，长程吸收池中充入待测的一氧化碳和甲烷的混合气体，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、第三光电探测器、数据采集卡和计算机；
正弦波发生器和锯齿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，激光控制器输出端与长程吸收池的进光口之间依次设置准直透镜、第一分光镜、第二分光镜，第一分光镜反射光路上依次设置第一气体吸收池和第一光电探测器，第二分光镜反射光路上依次设置第二气体吸收池和第二光电探测器，长程吸收池的出光口设置反光镜，反光镜反射光路上设置第三光电探测器，第一光电探测器、第二光电探测器和第三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，所述第一气体吸收池和第二气体吸收池均包括玻璃池体，玻璃池体两端设有进光窗片和出光窗片，进光窗片与经第一分光镜和第二分光镜反射的光线呈88.8°的夹角。
进一步的，所述玻璃池体长度为50cm至80cm。
进一步的，所述第一气体吸收池中充入甲烷和氮气的混合气体，甲烷占到混合气体体积的3％，所述第二气体吸收池中充入一氧化碳和氮气的混合气体，一氧化碳占到混合气体体积的3％。
进一步的，所述长程吸收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，筒形腔体侧面设有抽气口和进气口，进气口和抽气口均设有针阀，筒形腔体内靠近两端的位置分别设有一片离散凹面镜。
进一步的，所述筒形腔体体积为3.2L，两片离散凹面镜之间的距离为55cm，离散凹面镜反射率大于99％。
本发明的优点是：
1、本发明为复杂多变环境下一氧化碳和甲烷的同时、实时监测提供了低成本解决方法，并具有灵敏度高、响应速度快、稳定性好、可靠性高、维护简单的优点。
2、通过将工艺简单的红外室温延长波段多模二极管激光器代替价格昂贵的单模激光器，同时使用无需液氮冷却的室温延伸波段InGaAs探测器，使得测量装置成本降低。应用可调谐多模二极管激光光谱技术同关联光谱技术相结合，实现了由单台多模二极管激光器同时测量两种气体，简化了系统，提高了测量效率。
3、通过应用多模二极管激光关联光谱波长调制技术对气体进行监测时，无需对二极管激光器的波长进行准确的标定，对中心波长的漂移限制也是宽松的，提升了系统对环境的脱敏程度，提高了测量的稳定性和可靠性。长程吸收技术和波长调制技术的引入可大大提高系统的探测灵敏度，这些特性不仅提高了本系统的探测性能，而且有效降低了系统的测量成本。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是长程吸收池的结构示意图。
图中：1—正弦波发生器，2—锯齿波发生器，3—加法器，4—激光控制器，5—可调谐二极管激光器，6—准直透镜，7—第一分光镜，8—第一气体吸收池，9—第一光电探测器，10—第二分光镜，11—第二气体吸收池，12—第二光电探测器，13—长程吸收池，14—反光镜，15—第三光电探测器，16—数据采集卡，17—计算机，18—进光口，19—出光口，20—离散凹面镜一，21—离散凹面镜二，22—进气口，23—抽气口。
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和2所示，本发明的同时监测一氧化碳和甲烷的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、锯齿波发生器2、加法器3、激光控制器4、可调谐二极管激光器5、准直透镜6、第一分光镜7和第二分光镜10。正弦波波发生器1的技术参数为：正弦波的频率为12KHz，可选用型号为F05的函数信号发生器；锯齿波发生器2的技术参数为：锯齿波的频率为30Hz，可选用型号为F05的函数信号发生器；激光控制器5的技术参数为：温度调节范围为20-30℃，步长为0.5℃，精度为0.005℃，电流调谐范围为20-110mA，精度为0.001mA，可选用LDC-3724型控制器；可调谐多模二极管激光器4的技术参数：中心波长位于2.33μm，最大输出功率5mW。
所述气体池包括第一气体吸收池8、第二气体吸收池11和长程吸收池13，所述第一气体吸收池8和第二气体吸收池11均包括玻璃池体，玻璃池体长度为50cm，玻璃池体两端设有进光窗片和出光窗片，进光窗片与经第一分光镜7和第二分光镜10反射的光线呈88.8°的夹角，以减少光束在窗片上产生的干涉条纹噪声。第一气体吸收池8中充入已知浓度的甲烷气体，第二气体吸收池11中充入已知浓度的一氧化碳气体，本实施例中，第一气体吸收池8中充入甲烷和氮气的混合气体，甲烷占到混合气体体积的3％，通过甲烷所占体积比可以换算出甲烷浓度，第二气体吸收池11中充入一氧化碳和氮气的混合气体，一氧化碳占到混合气体体积的3％，通过一氧化碳所占体积比可以换算出一氧化碳浓度，长程吸收池13中充入待测的一氧化碳和甲烷的混合气体。所述长程吸收池13包括派热克斯玻璃材质的筒形腔体，所述筒形腔体体积为3.2L，筒形腔体端部设置进光口18和出光口19，筒形腔体侧面设有抽气口23和进气口22，进气口22和抽气口23均设有针阀，筒形腔体内靠近两端的位置分别设有一片离散凹面镜，分别为离散凹面镜一20和离散凹面镜二21，两片离散凹面镜之间的距离为55cm，离散凹面镜反射率大于99％，光束经182次反射后光程可达100m。
所述数据采集分析装置包括第一光电探测器9、第二光电探测器12、第三光电探测器15、数据采集卡16和计算机17。第一光电探测器9、第二光电探测器12和第三光电探测器15的技术参数为：响应波段为1200-1800nm，可选用2011型InGaAs光电探测器；数据采集卡16的技术参数：采用PCI总线，支持即插即用，具有2路12位D/A输出、8路无相差模拟输入、1路16位计数器、16路可编程开关量，采集转换可以支持多种触发形式，可采用AC6115型数据采集卡。
正弦波发生器1和锯齿波发生器2输出端均连接加法器3和数据采集卡16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输出端与长程吸收池13的进光口18之间依次设置准直透镜6、第一分光镜7、第二分光镜10，第一分光镜7反射光路上依次设置第一气体吸收池8和第一光电探测器9，第二分光镜10反射光路上依次设置第二气体吸收池11和第二光电探测器12，长程吸收池13的出光口19设置反光镜14，反光镜14反射光路上设置第三光电探测器15。第一光电探测器9、第二光电探测器12和第三光电探测器15输出端均连接数据采集卡16输入端，数据采集卡16输出端连接计算机17输入端。
工作原理：正弦波发生器1发出正弦波，锯齿波发生器2发出锯齿波，两路信号分别接入加法器3的两端，加法器3输出端连接激光控制器4的输入端，可调谐多模二极管激光器5的输出光入射到准直透镜6内，经过准直透镜6的平行光顺次射入第一分光镜7、第二分光镜10，经第一分光镜7折射的强度最弱的光束入射到第一气体池8、透射光被第一光电探测器9探测，经第二分光镜10折射的强度较弱的光束入射到第二气体池11、透射光被第二光电探测器12探测；强度最强的光束顺次入射到第三气体池13、反射镜14，透射光被第三光电探测器15探测。本发明使用多模二极管激光关联光谱技术和波长调制光谱技术，实现方法是将一个较高频率的正弦波调制信号加载到激光器的注入电流中，使激光输出在其光学频率附近作正弦抖动，在对信号解调时只针对调制频率二次谐波附近很窄带宽的信号进行提取，实现调谐的范围在目标气体吸收线附近。从而抑制了其它大部分频段的噪声信号，大大提高了信噪比。与此同时，一个较低频率的锯齿波被同时加载到激光器的注入电流中，使得激光器输出的中心波长能完整地扫描过气体吸收线。三路吸收光信号通过光电探测器后转化成电压信号被数据卡采集，最终被送入计算机17处理。计算机利用基于LabVIEW软件编写的程序可以实时处理来自数据采集卡的数据，首先测试激光器设定范围内的一系列不同浓度的CH4-CO-N2混合气体谱线，从中选择出一些具有高相关度的谱线对，并对这些谱线对建立模型。测量时，把测得的参考信号和测量信号与模型对比，与模型相关度高的信号被选作有用信号，对多组有用信号对进行对多组可用信号进行基于最小二乘法的线性回归，反演出一氧化碳和甲烷的浓度，并对测量过程进行灵敏度和线性度分析。
本发明实施的方法按以下步骤进行：(1)将正弦波发生器1输出的正弦波和锯齿波发生器2输出的锯齿波通过加法器3耦合后输入到激光控制器4中，控制可调谐多模二极管激光器5，激光控制器4的输出加载至可调谐多模二极管激光器5对波长进行调制，可调谐多模二极管激光器5的中心波长为2.33μm±2nm；对输出波长进行调制。(2)经调制，激光的输出通过准直透镜6后获得平行光，平行光经过第一分光镜7分成两束平行光，其中透过光通过装有未知浓度待测气体的第一气体池8后被第一光电探测器9接收产生电信号；其中反射光再经过第二分光镜10分成两束，两束中反射的一束光通过装有已知浓度一氧化碳气体的第二参考气体池11后被第二光电探测器12接收产生电信号；两束中的透射光通过反射镜16反射后，通过装有待测的甲烷和一氧化碳的混合气体的第三气体池13后被反光镜14反射，然后被第三光电探测器15接收产生电信号，第一光电探测器9、第二光电探测器12和第三光电探测器15产生的电信号由数据采集卡16采集，通过PCI接口输入到计算机17进行处理分析。
实施例二
本实施例与实施例一的不同之处在于：所述长程吸收池13的筒形腔体为不锈钢材质。
实施例三
本实施例与实施例一的不同之处在于：所述第一气体吸收池8和第二气体吸收池11的玻璃池体长度80cm。
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 (6)
1.一种同时监测一氧化碳和甲烷的装置，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)、锯齿波发生器(2)、加法器(3)、激光控制器(4)、可调谐二极管激光器(5)、准直透镜(6)、第一分光镜(7)和第二分光镜(10)，所述气体池包括第一气体吸收池(8)、第二气体吸收池(11)和长程吸收池(13)，第一气体吸收池(8)中充入已知浓度的甲烷气体，第二气体吸收池(11)中充入已知浓度的一氧化碳气体，长程吸收池(13)中充入待测的一氧化碳和甲烷的混合气体，所述数据采集分析装置包括第一光电探测器(9)、第二光电探测器(12)、第三光电探测器(15)、数据采集卡(16)和计算机(17)；
正弦波发生器(1)和锯齿波发生器(2)输出端均连接加法器(3)和数据采集卡(16)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)输出端与长程吸收池(13)的进光口(18)之间依次设置准直透镜(6)、第一分光镜(7)、第二分光镜(10)，第一分光镜(7)反射光路上依次设置第一气体吸收池(8)和第一光电探测器(9)，第二分光镜(10)反射光路上依次设置第二气体吸收池(11)和第二光电探测器(12)，长程吸收池(13)的出光口(19)设置反光镜(14)，反光镜(14)反射光路上设置第三光电探测器(15)，第一光电探测器(9)、第二光电探测器(12)和第三光电探测器(15)输出端均连接数据采集卡(16)输入端，数据采集卡(16)输出端连接计算机(17)输入端。
2.根据权利要求1所述的一种同时监测一氧化碳和甲烷的装置，其特征在于：所述第一气体吸收池(8)和第二气体吸收池(11)均包括玻璃池体，玻璃池体两端设有进光窗片和出光窗片，进光窗片与经第一分光镜(7)和第二分光镜(10)反射的光线呈88.8°的夹角。
3.根据权利要求2所述的一种同时监测一氧化碳和甲烷的装置，其特征在于：所述玻璃池体长度为50cm至80cm。
4.根据权利要求1所述的一种同时监测一氧化碳和甲烷的装置，其特征在于：所述第一气体吸收池(8)中充入甲烷和氮气的混合气体，甲烷占到混合气体体积的3％，所述第二气体吸收池(11)中充入一氧化碳和氮气的混合气体，一氧化碳占到混合气体体积的3％。
5.根据权利要求1所述的一种同时监测一氧化碳和甲烷的装置，其特征在于：所述长程吸收池(13)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(18)和出光口(19)，筒形腔体侧面设有抽气口(23)和进气口(22)，进气口(22)和抽气口(23)均设有针阀，筒形腔体内靠近两端的位置分别设有一片离散凹面镜。
6.根据权利要求1所述的一种同时监测一氧化碳和甲烷的装置，其特征在于：所述筒形腔体体积为3.2L，两片离散凹面镜之间的距离为55cm，离散凹面镜反射率大于99％。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20151104 |