CN107091818B - 一种多气室复杂组分气体分析系统及方法 - Google Patents

一种多气室复杂组分气体分析系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多气室复杂组分气体分析系统及方法，属于气体分析领域。该系统包括电路模块、光学模块和气路模块；其中所述气路模块，包括一个用于封装多种成分混合组成的待测气体的样气气室和多个用于根据待测气体组成成分分别在每个气室中封装单一组分气体的标气气室。由于进入所有气室中的分束激光来自同一光源，波长的漂移具有一致性，因此对待测信号和参考信号的影响是同步的；此外，多气室结构处在同一个环境温度下，待测气体和参考气体的光谱曲线相对变化程度是一致的。综上，即使激光器波长漂移或者环境温度改变，始终有参考信号来实时评估这些不稳定因素的影响，从而实现对待测气体浓度的精确反演。

Description

一种多气室复杂组分气体分析系统及方法
技术领域
本发明涉及气体分析领域，尤其涉及一种基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的多气室复杂组分气体分析系统及方法。
背景技术
可调谐半导体激光吸收光谱法(TDLAS，Tunable Diode Laser AbsorptionSpectroscopy)是一种广泛应用于痕量气体浓度检测的技术，被广泛应用于石油化工、环境检测、生物医药、航空航天等领域。现有的TDLAS系统往往只有一个分析气室，使用窄线宽、边模抑制比较高的激光器作为光源，对单一气体光谱曲线进行分析，在面对复杂组分的分体分析时，若是多种气体的光谱信号互相重叠，则往往需要采用化学计量学相关算法将每种气体的特征光谱信息分开。但由于气体本身的性质受到温度和压力的影响，不同气体在不同温度下的吸收光谱展宽和高度都不同，光谱重叠度也不一样，这时往往无法区分温度变化和气体浓度本身变化对光谱信号的影响，因此普遍需要对气室进行恒温伴热处理，加上吸收谱线定位和温度修正等算法减少不稳定因素的影响。
TDLAS系统所使用的激光器由于性能要求较高，一般价格较为昂贵，恒温装置的加入也会大大增加设备体积，此外，在面对复杂组分气体测量时，由于不同气体的光谱修正系数不同，需要大量的标定数据积累，长期来看不能完全保证测量浓度的准确性。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种多气室复杂组分气体分析系统及方法，打破TDLAS技术对测量气体组分数量和浓度的限制，消除激光器波长漂移和温度压力变化等不稳定因素对气体分析结果的影响，扩大气体浓度分析范围，提高系统对激光器性能的容错率和对环境的适应力。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种多气室复杂组分气体分析系统，包括：电路模块、光学模块和气路模块；其中所述气路模块，包括一个用于封装多种成分混合组成的待测气体的样气气室和多个用于根据待测气体组成成分分别在每个气室中封装单一组分气体的标气气室；
所述电路模块，用于提供调谐和高频调制电流给光学模块、对从光学模块接收到的光信号进行处理分别得到待测信号和多个参考信号、以及对得到的信号数据经过分析系统运算反演得到待测气体的浓度信息；
所述光学模块，用于产生激光并将激光分别引入到样气气室和标气气室、以及探测从样气气室和标气气室反射的光信号并发送给电路模块进行处理。
其中，所述电路模块，包括驱动控制电路、信号处理电路、运算电路；
所述驱动控制电路，包括调制波形发生器、激光驱动电路和数字温控模块，所述调制波形发生器与激光驱动电路连接，所述激光驱动电路和数字温控模块分别与光学模块连接用于驱动光学模块产生激光并对系统进行温控；
所述信号处理电路，包括前置放大电路、滤波电路和锁相放大器，所述前置放大电路、滤波电路和锁相放大器依次连接，所述前置放大电路与光学模块连接用于放大从样气气室和标气气室反射的光信号，所述调制波形发生器与锁相放大器连接，所述锁相放大器和滤波电路均与运算电路连接；
所述运算电路，包括数据处理电路。
其中，所述光学模块，按光路顺序依次包括激光器、准直透镜、分束器、反射镜、探测器，所述激光器产生的激光依次经过准直透镜、分束器后，分别入射到样气气室和标气气室，激光分别与样气气室中的待测气体和标气气室中的标准气体作用，被反射镜反射后被各自的探测器接收；每个探测器将接收到的光信号经过各自的信号处理电路放大、过滤和锁相处理后，分别得到待测信号和多个参考信号。
其中，所述光学模块，还包括光纤，所述激光器产生的激光依次经过准直透镜、分束器后，再由光纤分别引入到样气气室和标气气室。
其中，所述光学模块，还包括第二反射镜，所述激光器产生的激光依次经过准直透镜、分束器后，利用第二反射镜分别引入到样气气室和标气气室。
其中，所述光学模块，还包括光纤和汇聚透镜，激光被样气气室和标气气室中的反射镜反射，由光纤和汇聚透镜引回至各自对应的探测器接收。
其中，在所述样气气室进气口前增设减压阀和过滤器以对进入样气气室的待测气体进行预处理。
其中，在所述样气气室出气口设置泵以维持样气气室内的压力。
其中，将所述气路模块整体置于恒温箱中以提高系统对待测气体和安装环境的适应性。
一种采用上述所述的多气室复杂组分气体分析系统的方法，包括：
步骤S1、将待测混合气体g0通入样气气室，标气气室中分别通入g1、g2···gn，各标气气室中g1、g2···gn的浓度分别为C1、C2···Cn(0≤C≤100％)，其中，吸收光谱相互重叠的单一组分气体g1、g2···gn按照一定比例混合得到g0；
步骤S2、正弦电流驱动信号为：
i(t)＝ic+i‘cosωt (1)
公式(1)中，ic表示中心电流，i‘表示电流调制幅值，ω表示调制频率，则光学模块发出的激光频率为
v(t)＝vc+v‘cosωt (2)
公式(2)中，νc表示激光器出射光中心频率，ν‘表示频率调制幅值，理想情况下激光调制频率与调制电流呈线性关系，但实际情况由激光器的调谐性能决定；
步骤S3、被调谐后的激光光强为I(ν)经过准直透镜汇聚后经过分束器分为强度分别为I0(ν)、I1(ν)、I2(ν)、···、In(v)的多束激光，并入射各个气室；I0(v)激光被光程L0样气气室内的混合气体吸收，光强为I1(v)、I2(v)、···、In(v)的激光分别进入光程长度为L1、L2···Ln的各标气气室，分别与组分浓度为C1、C2···Cn的标气作用；所有激光由各个气室底部的反射镜反射至每个气室对应的探测器接收；由配套的信号处理电路放大、过滤和锁相处理后提取到样气和各标气的二次谐波，分别作为待测信号和多路参考信号进行数据处理；
步骤S4、提取到二次谐波的波形A(v)可以近似写为：
Figure BDA0001335628680000051
其中，v[cm-1]表示激光频率；I(v)表示频率为v的入射光强；C[molecule/cm3]表示被测组分的浓度，L[cm]表示光束在气体内走过的光程，α(v)[cm2/molecule]表示频率v处气体的吸收截面，与温度T和压力P有关；有次可知，无量纲化后的二次谐波幅值，即峰高与待测组分浓度成正比；
根据公式(3)可以得到所有参考信号的二次谐波波形为：
Figure BDA0001335628680000052
待测混合气体的光谱信号是这些参考信号按照一定比例的叠加：
Figure BDA0001335628680000053
其中an为各参考信号对待测信号影响的加权系数；公式(5)简化后可得：
I0(v)CL0＝a1·I1(v)C1L1+a2·I2(v)C2L2+…+an·In(v)CnLn (6)
由于I(v)是一段根据v变化的曲线，所以可以在整段曲线上取点v1、v2···vm，建立方程组，形成m×(n+1)的矩阵，再采用化学计量学中多元线性回归算法得到系数a1、a2···an，这些系数与混合气体中的每种气体的浓度成正比关系，在实际应用中，需要对这一关系进行标定，最终实现复杂气体组分浓度的反演。
有益效果：
本发明提供了一种多气室复杂组分气体分析系统及方法，所述系统包括电路模块、光学模块和气路模块；其中所述气路模块，包括一个用于封装多种成分混合组成的待测气体的样气气室和多个用于根据待测气体组成成分分别在每个气室中封装单一组分气体的标气气室。具有以下优点：1、有效消除激光器波长漂移的影响，无需性能极度稳定的激光器，降低了元器件购置成本。2、有效避免温度变化的影响，无需对气路系统进行保温，去除保温箱可令系统更小巧便携。3、无需温度修正系数和峰值追踪功能，简化系统算法和标定流程，避免修正系数不准确对测量结果的干扰。4、对单一组分气体测量时，可以扩大测量范围，避免在不同浓度下环境因素影响的非线性。5、打破TDLAS技术只能测量单一组分的限制，实现一套系统同时测量多种组分气体的浓度，若待测气体组分数量变化，还可以在现有基础上直接增加或减少参考气室。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种多气室复杂组分气体分析系统的结构图。
图2是无量纲化的二次谐波波形。
图3是单一组分气体吸收光谱和混合气体吸收光谱。
图中：
1-电路模块；1.1-驱动控制电路；1.2-信号处理电路；1.3-运算电路；
2-光学模块；2.1-激光器；2.2-准直透镜；2.3-分束器；2.4-光纤；2.5-探测器；2.6-反射镜；
3-气路模块；3.0-样气气室；3.1～3.n-标气气室。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例来对本发明做进一步的说明。
实施例1
如图1所示，本发明所述的一种多气室复杂组分气体分析系统，包括：电路模块、光学模块和气路模块；其中所述气路模块，包括一个用于封装多种成分混合组成的待测气体的样气气室和多个用于根据待测气体组成成分分别在每个气室中封装单一组分气体的标气气室；
所述电路模块，用于提供调谐和高频调制电流给光学模块、对从光学模块接收到的光信号进行处理分别得到待测信号和多个参考信号、以及对得到的信号数据经过分析系统运算反演得到待测气体的浓度信息；
所述光学模块，用于产生激光并将激光分别引入到样气气室和标气气室、以及探测从样气气室和标气气室反射的光信号并发送给电路模块进行处理。
其中，所述电路模块，包括驱动控制电路、信号处理电路、运算电路；
所述驱动控制电路，包括调制波形发生器、激光驱动电路和数字温控模块，所述调制波形发生器与激光驱动电路连接，所述激光驱动电路和数字温控模块分别与光学模块连接用于驱动光学模块产生激光并对系统进行温控；
所述信号处理电路，包括前置放大电路、滤波电路和锁相放大器，所述前置放大电路、滤波电路和锁相放大器依次连接，所述前置放大电路与光学模块连接用于放大从样气气室和标气气室反射的光信号，所述调制波形发生器与锁相放大器连接，所述锁相放大器和滤波电路均与运算电路连接；
所述运算电路，包括数据处理电路。
其中，所述光学模块，按光路顺序依次包括激光器、准直透镜、分束器、反射镜、探测器，所述激光器产生的激光依次经过准直透镜、分束器后，分别入射到样气气室和标气气室，激光分别与样气气室中的待测气体和标气气室中的标准气体作用，被反射镜反射后被各自的探测器接收；每个探测器将接收到的光信号经过各自的信号处理电路放大、过滤和锁相处理后，分别得到待测信号和多个参考信号。
由于复杂组分气体光谱重叠度受到激光光源波长分布、稳定性和环境条件等因素的影响，为了从根本上解决这一问题，本发明提供的多气室复杂组分气体分析系统，除一个气室作为供待测气体流动的样气气室外，剩下的气室均为标气气室，根据待测气体组成分别在每个标气气室中封装单一组分气体，以标气气室内的气体光谱作为各组分的参考信号，对样气气室中混合气体的叠加信号进行定量分析。由于进入所有气室中的分束激光来自同一光源，波长的漂移具有一致性，因此对待测信号和参考信号的影响是同步的；此外，多气室结构处在同一个环境温度下，待测气体和参考气体的光谱曲线相对变化程度是一致的。综上，即使激光器波长漂移或者环境温度改变，始终有参考信号来实时评估这些不稳定因素的影响，从而实现对待测气体浓度的精确反演。
本发明的光学模块可以使用空间光，利用分光镜和反射镜将光导入到气室结构中。也可以采用光纤将光引入到气室结构中。
因此，作为另一种实施例：所述光学模块，还包括光纤，所述激光器产生的激光依次经过准直透镜、分束器后，再由光纤分别引入到样气气室和标气气室。需要说明的是，
作为另一种优选的实施例：所述光学模块，还包括第二反射镜，所述激光器产生的激光依次经过准直透镜、分束器后，利用第二反射镜分别引入到样气气室和标气气室。
进一步地，所述光学模块，还包括光纤和汇聚透镜，激光被样气气室和标气气室中的反射镜反射，由光纤和汇聚透镜引回至各自对应的探测器接收。
需要说明的是，标气气室和样气气室的光程可相同，也可不同，气室长度和激光反射次数可以根据实际需要进行设计。本发明采用的多气室结构可以是独立拆卸的，也可以是一体式设计。
本发明中的气路模块可根据实际需要增加辅助性装置，如在样气气室进气口前增设减压阀和过滤器以对进入样气气室的待测气体进行预处理，也可以在样气气室出气口增加泵以维持样气气室内的压力，或将气路模块整体置于恒温箱中进一步提高系统对待测气体和安装环境的适应性。可以为本系统增设人机交互、通讯报警等模块。
实施例2
本实施例2是方法实施例，上述实施例1是系统实施例。本实施例与上述系统实施例属于同一技术构思，在本实施例中未详尽描述的内容，请参见上述系统实施例。
一种采用上述所述的多气室复杂组分气体分析系统的方法，包括：
步骤S1、将待测混合气体g0通入样气气室，标气气室中分别通入g1、g2···gn，各标气气室中g1、g2···gn的浓度分别为C1、C2···Cn(0≤C≤100％)，其中，吸收光谱相互重叠的单一组分气体g1、g2···gn按照一定比例混合得到g0；
假设吸收光谱相互重叠的单一组分气g1、g2···gn按照一定比例混合得到g0，使用本发明系统和算法对混合气体中的各组分进行测量，则将待测混合气体g0通入样气气室，标气气室中分别通入含有g1、g2···gn且背景气为对光谱无影响的混合气，各标气气室中g1、g2···gn的浓度分别为C1、C2···Cn(0≤C≤100％)。
本专利涉及可调谐半导体激光吸收光谱技术普遍采用的单气室测量原理“比尔朗博(Beer-Lambert)定律”已成为本领域技术人员公知，在此不再赘述。
步骤S2、正弦电流驱动信号为：
i(t)＝ic+i‘cosωt (1)
公式(1)中，ic表示中心电流，i‘表示电流调制幅值，ω表示调制频率，则光学模块发出的激光频率为
v(t)＝vc+v‘cosωt (2)
公式(2)中，vc表示激光器出射光中心频率，v‘表示频率调制幅值，理想情况下激光调制频率与调制电流呈线性关系，但实际情况由激光器的调谐性能决定；
实际应用方面，在激光器的驱动信号中加入高频调制正弦电流，并提取探测信号的二次谐波，以降低系统低频噪音干扰、提高测量灵敏度。
步骤S3、被调谐后的激光光强为I(v)经过准直透镜汇聚后经过分束器分为强度分别为I0(v)、I1(v)、I2(v)、···、In(v)的多束激光，并入射各个气室；I0(v)激光被光程L0样气气室内的混合气体吸收，光强为I1(v)、I2(v)、···、In(v)的激光分别进入光程长度为L1、L2···Ln的各标气气室，分别与组分浓度为C1、C2···Cn的标气作用；所有激光由各个气室底部的反射镜反射至每个气室对应的探测器接收；由配套的信号处理电路放大、过滤和锁相处理后提取到样气和各标气的二次谐波，分别作为待测信号和多路参考信号进行数据处理；
步骤S4、无量纲化的二次谐波波形如图2所示，根据数学计算可以得到，提取到二次谐波的波形A(v)可以近似写为：
Figure BDA0001335628680000121
其中，v[cm-1]表示激光频率；I(v)表示频率为v的入射光强；C[molecule/cm3]表示被测组分的浓度，L[cm]表示光束在气体内走过的光程，α(v)[cm2/molecule]表示频率v处气体的吸收截面，与温度T和压力P有关；有此可知，无量纲化后的二次谐波幅值，即峰高与待测组分浓度成正比；
根据公式(3)可以得到所有参考信号的二次谐波波形为：
Figure BDA0001335628680000122
如图3所示，待测混合气体的光谱信号是这些参考信号按照一定比例的叠加：
Figure BDA0001335628680000123
其中an为各参考信号对待测信号影响的加权系数；公式(5)简化后可得：
I0(v)CL0＝a1·I1(v)C1L1+a2·I2(v)C2L2+…+an·In(v)CnLn (6)
由于I(v)是一段根据v变化的曲线，所以可以在整段曲线上取点v1、v2···vm，建立方程组，形成m×(n+1)的矩阵，再采用化学计量学中多元线性回归算法得到系数a1、a2···an，这些系数与混合气体中的每种气体的浓度成正比关系，在实际应用中，需要对这一关系进行标定，最终实现复杂气体组分浓度的反演。
公式(6)中没有与环境条件相关的系数α，激光器波长漂移对矩阵中每一行的影响也是明确可测的，剩余项均为已知项和可测项。因此采用这种多气室结构和方法后，在反演复杂待测气体浓度时可以消除激光器波长漂移和温度压力变化等不稳定因素的影响，提高系统对激光器性能的容错率和对环境的适应力。
本发明涉及的多气室复杂组分气体分析系统同样适用于单组分气体的测量，只需要在不同标气气室中通入单一目标气体浓度分别为C1、C2···Cn的标准气体，即可为待测信号提供单一组分在不同浓度点情况下的参考信号，减少两点标定的线性误差。
本发明涉及的多气室复杂组分气体分析系统及方法不限于在TDLAS技术中使用，其本质思想在于提供实时的标准参考信号，同样适用于各类光谱分析技术。
本发明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式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (9)

1.一种多气室复杂组分气体分析方法，其特征在于，采用的多气室复杂组分气体分析系统包括：电路模块、光学模块和气路模块；
其中，所述气路模块，包括一个用于封装多种成分混合组成的待测气体的样气气室和多个用于根据待测气体组成成分分别在每个气室中封装单一组分气体的标气气室；
所述电路模块，用于提供调谐和高频调制电流给光学模块、对从光学模块接收到的光信号进行处理分别得到待测信号和多个参考信号、以及对得到的信号数据经过分析系统运算反演得到待测气体的浓度信息；
所述光学模块，用于产生激光并将激光分别引入到样气气室和标气气室、以及探测从样气气室和标气气室反射的光信号并发送给电路模块进行处理；
方法包括：
步骤S1、将待测混合气体g0通入样气气室，标气气室中分别通入g1、g2...gn，各标气气室中g1、g2...gn的浓度分别为C1、C2...Cn(0≤C≤100％)，其中，吸收光谱相互重叠的单一组分气体g1、g2...gn按照一定比例混合得到g0；
步骤S2、正弦电流驱动信号为：
i(t)＝ic+i′cosωt (1)
公式(1)中，ic表示中心电流，i′表示电流调制幅值，ω表示调制频率，则光学模块发出的激光频率为
v(t)＝vc+v′cosωt (2)
公式(2)中，vc表示激光器出射光中心频率，v′表示频率调制幅值，理想情况下激光调制频率与调制电流呈线性关系，但实际情况由激光器的调谐性能决定；
步骤S3、被调谐后的激光光强为I(v)经过准直透镜汇聚后经过分束器分为强度分别为I0(v)、I1(v)、I2(v)、...、In(v)的多束激光，并入射各个气室；I0(v)激光被光程L0样气气室内的混合气体吸收，光强为I1(v)、I2(v)、...、In(v)的激光分别进入光程长度为L1、L2...Ln的各标气气室，分别与组分浓度为C1、C2...Cn的标气作用；所有激光由各个气室底部的反射镜反射至每个气室对应的探测器接收；由配套的信号处理电路放大、过滤和锁相处理后提取到样气和各标气的二次谐波，分别作为待测信号和多路参考信号进行数据处理；
步骤S4、提取到二次谐波的波形A(v)可以近似写为：
Figure FDA0002324318230000021
其中，v[cm-1]表示激光频率；I(v)表示频率为v的入射光强；C[molecule/cm3]表示被测组分的浓度，L[cm]表示光束在气体内走过的光程，α(v)[cm2/molecule]表示频率v处气体的吸收截面，与温度T和压力P有关；有次可知，无量纲化后的二次谐波幅值，即峰高与待测组分浓度成正比；
根据公式(3)可以得到所有参考信号的二次谐波波形为：
Figure FDA0002324318230000022
待测混合气体的光谱信号是这些参考信号按照一定比例的叠加：
Figure FDA0002324318230000031
其中an为各参考信号对待测信号影响的加权系数；公式(5)简化后可得：
I0(v)CL0＝a1·I1(v)C1L1+a2·I2(v)C2L2+…+an·In(v)CnLn (6)
由于I(v)是一段根据v变化的曲线，所以可以在整段曲线上取点v1、v2...vm，建立方程组，形成m×(n+1)的矩阵，再采用化学计量学中多元线性回归算法得到系数a1、a2...an，这些系数与混合气体中的每种气体的浓度成正比关系，在实际应用中，需要对这一关系进行标定，最终实现复杂气体组分浓度的反演。
2.根据权利要求1所述的多气室复杂组分气体分析方法，其特征在于，所述电路模块，包括驱动控制电路、信号处理电路、运算电路；
所述驱动控制电路，包括调制波形发生器、激光驱动电路和数字温控模块，所述调制波形发生器与激光驱动电路连接，所述激光驱动电路和数字温控模块分别与光学模块连接用于驱动光学模块产生激光并对系统进行温控；
所述信号处理电路，包括前置放大电路、滤波电路和锁相放大器，所述前置放大电路、滤波电路和锁相放大器依次连接，所述前置放大电路与光学模块连接用于放大从样气气室和标气气室反射的光信号，所述调制波形发生器与锁相放大器连接，所述锁相放大器和滤波电路均与运算电路连接；
所述运算电路，包括数据处理电路。
3.根据权利要求2所述的多气室复杂组分气体分析方法，其特征在于，所述光学模块，按光路顺序依次包括激光器、准直透镜、分束器、反射镜、探测器，所述激光器产生的激光依次经过准直透镜、分束器后，分别入射到样气气室和标气气室，激光分别与样气气室中的待测气体和标气气室中的标准气体作用，被反射镜反射后被各自的探测器接收；每个探测器将接收到的光信号经过各自的信号处理电路放大、过滤和锁相处理后，分别得到待测信号和多个参考信号。
4.根据权利要求3所述的多气室复杂组分气体分析方法，其特征在于，所述光学模块，还包括光纤，所述激光器产生的激光依次经过准直透镜、分束器后，再由光纤分别引入到样气气室和标气气室。
5.根据权利要求3所述的多气室复杂组分气体分析方法，其特征在于，所述光学模块，还包括第二反射镜，所述激光器产生的激光依次经过准直透镜、分束器后，利用第二反射镜分别引入到样气气室和标气气室。
6.根据权利要求3所述的多气室复杂组分气体分析方法，其特征在于，所述光学模块，还包括光纤和汇聚透镜，激光被样气气室和标气气室中的反射镜反射，由光纤和汇聚透镜引回至各自对应的探测器接收。
7.根据权利要求1所述的多气室复杂组分气体分析方法，其特征在于，在所述样气气室进气口前增设减压阀和过滤器以对进入样气气室的待测气体进行预处理。
8.根据权利要求1所述的多气室复杂组分气体分析方法，其特征在于，在所述样气气室出气口设置泵以维持样气气室内的压力。
9.根据权利要求1所述的多气室复杂组分气体分析方法，其特征在于，将所述气路模块整体置于恒温箱中以提高系统对待测气体和安装环境的适应性。
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