CN107144549B - 基于tdlas痕量co气体浓度的检测装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是基于TDLAS痕量CO气体浓度检测的装置和方法，解决了现有技术测量CO气体浓度值出现偏差，测量结果可靠性低的问题。检测装置包括函数信号发生器、激光器、准直器、流量计、气泵、herriott吸收池、温度传感器、压力传感器、聚焦透镜、光电探测器、前置放大器、数字锁相放大器、微处理器和计算机；微处理器中设置有修正模块，修正模块用于对检测到的气体浓度值进行修正；检测装置和方法主要用于痕量CO气体的实时自动监测，可以有效避免由CO气体而引起人员中毒死亡事故的发生。

Description

基于TDLAS痕量CO气体浓度的检测装置和方法
技术领域
本发明涉及气体浓度检测领域，具体涉及一种基于TDLAS痕量CO气体浓度检测的装置和方法。
背景技术
CO气体是一种无色、无味的有毒气体，痕量CO是大气中浓度低于10-6的气体。CO浓度的高低是化工、煤矿是否发生灾害的重要标志之一，也是导致人员中毒死亡的重要原因。因此对CO浓度进行准确检测十分重要。
检测气体的方法大致分为两种。一种是传统气体检测方法，另一种是光学检测方法。传统的气体检测方法包含化学分析法与色谱法，化学分析法只能在实验室或进行现场初步定性定量的分析，分析人员的操作水平直接影响测量的精度，且只能逐个检测单一成分，分析费时，不能对气体实时在线检测；色谱法与化学分析法相比，以其分析时间短、效率高、灵敏度高等优点受到广泛应用，但是这种方法往往要检测流动相，可操作性和稳定性受到影响，不利于实时分析气体。随着气体在线监测技术需求的不断增加，近年来涌现出来的光谱学检测技术得到的迅速的发展，它具有快速、准确、非接触式的检测特性，其中可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)具有非常好的适用性与通用性，且检测速度快，灵敏度高，可实现气体的高精度非接触式实时监测。
TDLAS是检测气体的一种光学测量方法。该技术可实现气体的在线测量，不需要取样和预处理，仪器可直接安装在现场，且测量灵敏度高，响应速度快，如今该技术己在许多领域普遍应用，例如对石油、化工行业产生的有害气体泄漏检测，汽车排放的尾气实时遥测以及对发动机燃烧效率的测量，冶金厂、电厂燃烧产生的气体污染物监测等。此外，由于可调谐半导体激光吸收光谱技术的测量响应十分迅速，结合调制光谱技术和长光程技术，就可以测出低于10-6级别的气体浓度，可满足工业现场的在线气体痕量监测要求，然而当测量现场中的温度压强环境因素不稳定时，气体的谱线宽度与幅度都会发生改变，导致测得的气体浓度值出现偏差，测量结果可靠性低。因此必须对气体浓度进行温度压强的修正。
发明内容
为解决现有技术测量CO气体浓度值出现偏差，测量结果可靠性低的问题，本发明提供了一种准确检测浓度大小，提高检测可靠性的基于TDLAS痕量CO气体浓度的检测装置和方法。
为了实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种基于TDLAS痕量CO气体浓度的检测装置，包括函数信号发生器、激光器、准直器、流量计、气泵、herriott吸收池、温度传感器、压力传感器、聚焦透镜、光电探测器、前置放大器、数字锁相放大器、微处理器和计算机；函数信号发生器的输出端分别与激光器和数字锁相放大器的输入端连接；激光器通过光纤与准直器连接；准直器设置在herriott吸收池的入射端口前的入射光路上；流量计与气泵通过输气管依次连接在herriott吸收池进气口处；温度传感器的探头安装在herriott吸收池内，温度传感器的输出端与微处理器连接，压力传感器设置在herriott吸收池的气体出口处，压力传感器输出端与微处理器连接；聚焦透镜设置在herriott吸收池出射端口的出射光路上；光电探测器设置在聚焦透镜的焦点处，光电探测器的输出端与前置放大器的输入端连接；前置放大器的输出端与数字锁相放大器的输入端连接；数字锁相放大器的输出端与微处理器连接；微处理器与计算机通信连接，微处理器内设有修正模块，所述修正模块用于对检测到的气体浓度值进行修正；激光器的光出孔、准直器的光入孔和光出孔、herriott吸收池的光入孔和光出孔均设置在同一直线上。
进一步地，为提高检测的准确性，激光器为DFB激光器，herriott吸收池为长光程吸收池。
进一步地，为提高检测的准确性，光电探测器采用铟镓砷传感器。
进一步地，函数信号发生器型号为AFG3052C。
进一步地，微处理器采用STM32单片机。
进一步地，温度传感器为WSB-5-H2，压力传感器为MY-YBS-C。
一种基于TDLAS痕量CO气体浓度的检测方法，包括以下步骤：
1)将入射激光调整为参考波长的入射激光；
2)将调整后的入射激光准直，准直后的入射激光被herriott吸收池内的CO吸收并转化为出射激光；测量吸收池内的压强和温度值；
3)将出射激光转化为电信号，并对电信号进行放大；
4)对放大后的电信号进行低通滤波，微弱电信号提取以及谐波检测，完成二次谐波的采集与提取；
5)对二次谐波进行A/D转换，对气体浓度进行反演，得到修正前不同温度压力下的气体浓度值C(xy)，对测量的温度与压强信号进行A/D转换，得到温度值y与压强值x；
6)微处理器对气体浓度值进行修正，微处理器内设有修正模块，所述修正模块包含修正公式：
C(0)＝C(xy)/(0.615-0.0015x+0.0175y-5.438×10-6x2-0.00011xy-0.000025y2-2.9255×10-7x2y+3.3185×10-6xy2-3.292×10-6y3)
其中：
x表示吸收池内压强值(kPa)；
y表示吸收池内温度值(℃)；
C(xy)表示修正前不同温度压力下的气体浓度值(ppm)；
C(0)表示修正后常温常压下的气体浓度值(ppm)；
7)显示修正后的气体浓度值。
本发明的有益效果是：
1.该检测装置和方法主要用于痕量CO气体的实时自动监测，可以有效避免由CO气体引起的人员中毒死亡事故的发生。本发明结构简单，成本低，稳定性高，结合长光程技术以及波长调制技术，大大提高了系统的气体检测精度，应用TDLAS技术对痕量气体可实现高灵敏度，高精度检测。
2.修正公式大大提高了CO浓度检测结果的准确性；温度压强修正公式可以有效降低环境因素对气体检测的影响，大大提高系统的测量精度。
3.精确、实时、一体化、在线、非接触气体检测装置。可调谐半导体激光吸收光谱分析(TDLAS)技术是实现高灵敏气体痕量检测的新型激光光谱方法，由于分子光谱的“指纹”特征，该方法不受其它气体的干扰，这一特性与其它方法相比有明显的优势，具有非接触、快速、高效、高选择性、高灵敏性及实时在线监测等优点。
4.可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)能实现气体的高灵敏度，高分辨率的非接触式检测。但二次谐波信号会随环境中温度和压强的变化发生改变，导致测量值出现较大误差，本发明可以实现环境中温度与压强对浓度造成的影响进行实时修正，从而进一步提高气体检测的准确性。
附图说明
图1为本发明TDLAS痕量CO气体浓度检测系统的示意图；
图2为本发明TDLAS痕量CO气体浓度检测方法的流程图。
附图标记：1-函数信号发生器，2-DFB激光器，3-光纤，4-准直器，5-流量计，6-气泵，7-herriott吸收池，8-温度传感器，9-压力传感器，10-聚焦透镜，11-光电探测器，12-前置放大器，13-数字锁相放大器，14-微处理器，15-计算机，16-光学镜片。
具体实施方式
本发明提供了一种基于TDLAS痕量CO浓度气体的在线检测装置和检测方法，对检测出的气体浓度进行实时的温度压强修正。首先使用波长调制技术，将激光器发射出的波长锁定在CO吸收峰附近，最后计算机显示出待测的CO气体浓度值，为了准确检测浓度大小，本发明增加了系统修正功能。
如图1所示的基于TDLAS痕量CO气体浓度的检测系统，包括函数信号发生器1、DFB激光器2、准直器4、流量计5、气泵6、herriott吸收池7、温度传感器8、压力传感器9、聚焦透镜10、光电探测器11、前置放大器12、数字锁相放大器13、微处理器14和计算机15；函数信号发生器1的输出端分别与DFB激光器2和数字锁相放大器13输入端连接；DFB激光器2和准直器4通过光纤3连接；准直器4设置在herriott吸收池7的入射端口前的入射光路上；流量计5与气泵6通过输气管依次连接在herriott吸收池7进气口处；温度传感器8的探头安装在herriott吸收池7内，温度传感器8的输出端与微处理器14连接，压力传感器9设置在herriott吸收池7气体出口处，压力传感器9输出端与微处理器14连接；herriott吸收池7内设有光学镜片16，激光经池内的光学镜片多次折射后，从出射端口射出，聚焦透镜10设置在herriott吸收池7出射端口的出射光路上；出射激光通过聚焦透镜10照射在光电探测器11上，光电探测器11的输出端与前置放大器12的输入端连接；前置放大器12的输出端与数字锁相放大器13的输入端连接；数字锁相放大器13的输出端与微处理器14连接；微处理器14输出端通过数据线与计算机15输入端连接，微处理器14设有修正模块，修正模块用于对检测到的气体浓度值进行修正，修正模块包含将不同的温度与压强，以及对应不同温度与压强下的CO气体浓度归一值应用MATLAB多项式进行三维数据拟合后经数学变换得到修正公式
C(0)＝C(xy)/(0.615-0.0015x+0.0175y-5.438×10-6x2-0.00011xy-0.000025y2-2.9255×10-7x2y+3.3185×10-6xy2-3.292×10-6y3)的修正程序，
其中：
x表示吸收池内压强值(kPa)；
y表示吸收池内温度值(℃)；
C(xy)表示修正前不同温度压力下的气体浓度值(ppm)；
C(0)表示修正后常温常压下的气体浓度值(ppm)。
为了保证DFB激光器2的出射激光能够被光电探测器11接收，DFB激光器2的光出孔、准直器4的光入孔和光出孔、herriott吸收池7的光入孔和光出孔均设置在同一直线上。
DFB激光器2可产生750nm—3000nm之间的任意波长的激光，具有非常高的边模抑制比和很好的单色性,特别适合用作气体的光谱分析。函数信号发生器1采用型号为AFG3052C的函数信号发生器。温度传感器8采用型号为WSB-5-H2的温度传感器，压力传感器9采用型号为MY-YBS-C的压力传感器。数字锁相放大器13采用SR850数字锁相放大器。微处理器14采用STM32单片机。herriott吸收池7采用GW-1020D基本长光程气体吸收池，GW-1020D基本长光程气体吸收池进入其内气体对在其内多次反射的激光充分吸收，然后将有用光信号输出。光电探测器11采用铟镓砷传感器，本发明中不限于铟镓砷传感器，还应该包含其他可将光信号转换为电信号的光电探测器。本发明中的其他部件不限于上述具体的型号，也可采用具有相同功能的其他常规产品替代。
函数信号发生器1通过射频连接线与DFB激光器2和数字锁相放大器13连接，函数信号发生器一路发出调制信号将入射激光调整为参考波长(即CO吸收峰附近的波长)的入射激光，另一路将正弦信号送入数字锁相放大器13作为调节参考信号；准直器4用于把光纤3传出的发散光最大效率的耦合进入吸收池光入口处；流量计5控制herriott吸收池7内待测气体进气流量的大小，气泵6将待测气体充入吸收池；温度传感器8用于采集herriott吸收池内温度，压力传感器9用于采集herriott吸收池内压强，温度传感器8与压力传感器9将采集的数据反馈给微处理器14；入射激光被herriott吸收池7内的CO吸收并转化为出射激光；聚焦透镜10用于把分散的出射激光汇聚后射入光电探测器11；光电探测器11将herriott吸收池7射出的激光并转化为电信号；前置放大器12用于将光电探测器11输出的电信号进行放大；数字锁相放大器13用于低通滤波、微弱信号提取以及谐波检测，用以完成二次谐波的采集与处理；微处理器14用于对锁相放大器输出的二次谐波信号进行A/D转换、对气体浓度进行反演，对温度压强信号进行A/D转换；并对气体浓度进行修正，然后修正后的浓度信号传送给计算机15，计算机15显示气体浓度值。
如图2所示，基于TDLAS痕量CO气体浓度的检测方法，包括以下步骤：
1)将入射激光调整为参考波长(即CO吸收峰附近的波长)的入射激光：
微处理器14控制激光的电流和温度将DFB激光器2产生的波长锁定为入射激光的参考波长，即DFB激光器2中心频率定位在气体吸收峰附近；由于2332nm处的CO谱线强度比1568nm处的高两个数量级，所以将DFB激光器2产生的中心波长定位在2332nm附近，并将2332nm定义为参考波长；
2)将调整后的入射激光经过准直器4准直，将准直后的入射激光射入herriott吸收池7，经过多次反射后，入射激光被herriott吸收池7内的CO吸收并转化为出射激光，通过聚焦透镜10照射出；利用温度传感器8和压力传感器9测量吸收池内的压强和温度值；
3)将出射激光转化为电信号，并对电信号进行放大：
光电探测器11将采集到的herriott吸收池7射出的出射激光转化为电信号，然后将电信号发送给前置放大器12；由于电信号很微弱，前置放大器12首先对电信号进行放大，即将电信号的功率放大至数字锁相放大器所能接受的输入功率范围内；
4)利用FPGA实现数字锁相放大器13功能，用以对输入的电信号进行低通滤波、微弱电信号提取以及谐波检测，用以完成二次谐波采集与提取；
5)14STM32型微处理器对二次谐波进行A/D转换，对气体浓度进行反演，得到修正前不同温度压力下的气体浓度值C(xy)，对测量的温度与压强信号进行A/D转换，得到温度值y与压强值x；
6)对气体浓度修正；将修正模块的修正程序写入微处理器的STM32单片机内，根据步骤5)得到的气体浓度值C(xy)、温度值y与压强值x，实时对温度压力变化而引起的气体浓度偏差进行修正，进而提高对痕量CO气体检测的准确度：
具体为：采集同一时刻下的温度与压强值，以及对应温度与压强下的CO气体浓度值；应用MATLAB多项式进行温度、压强、归一化CO浓度三维数据拟合；通过对比分析拟合出的多组关系式，得到一个CO浓度与温度压力之间的综合关系式；由于不同温度压强下的浓度都可转化为常温常压下的浓度值，对拟合的多项式经数学变换得到修正公式，不同温度压强下的浓度值与常温常压下的浓度值转化可以由下式实现:
C(0)＝C(xy)/(0.615-0.0015x+0.0175y-5.438×10-6x2-0.00011xy-0.000025y2-2.9255×10-7x2y+3.3185×10-6xy2-3.292×10-6y3)
其中：
x表示吸收池内压强值(kPa)；
y表示吸收池内温度值(℃)；
C(xy)表示修正前不同温度压力下的气体浓度值(ppm)；
C(0)表示修正后常温常压下的气体浓度值(ppm)；
把修正公式写入程序中，分别输入x、y、C(xy)即可得到修正后的气体浓度值。
7)显示修正后的气体浓度值，最后把浓度信号发送给计算机15，通过LabVIEW8.6上位机显示出CO浓度值。
基于上述可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)的检测装置能实现待测气体的高灵敏度、高分辨率的非接触式检测。但二次谐波信号会随环境中温度和压强的变化发生改变，导致测量值出现较大误差，本发明可以实现环境中温度与压强对浓度造成的影响进行实时修正，从而进一步提高气体检测的准确性。该监测系统和监测方法主要用于痕量CO气体的实时自动监测，可以有效避免由CO气体而引起的人员中毒死亡事故的发生，利用温度压强修正公式进行监测值修正可以有效降低环境因素对气体检测的影响，大大提高系统的测量精度。本发明结构简单，成本低，稳定性高，结合长光程技术以及波长调制技术，大大提高了系统的气体检测精度。
本发明也可用于其他气体浓度检测。
本发明的保护范围不限于本发明的具体实施方式，对于本技术领域的技术人员而言，在本发明的启示下，能够从本专利公开内容中直接导出联想一些原理和结构相同的基本变形，或现有技术中常用公知技术的替代，以及特征相同的相互不同组合、相同或相似技术效果的技术特征简单改换，尤其是在煤自燃的应用技术和产品，都属于本发明技术的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于TDLAS痕量CO气体浓度的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)搭建基于TDLAS痕量CO气体浓度的检测装置；
所述检测装置包括函数信号发生器、激光器、准直器、流量计、气泵、herriott吸收池、温度传感器、压力传感器、聚焦透镜、光电探测器、前置放大器、数字锁相放大器、微处理器和计算机；
函数信号发生器的输出端分别与激光器和数字锁相放大器的输入端连接；激光器通过光纤与准直器连接；准直器设置在herriott吸收池的入射端口前的入射光路上；流量计与气泵通过输气管依次连接在herriott吸收池进气口处；温度传感器的探头安装在herriott吸收池内，温度传感器的输出端与微处理器连接，压力传感器设置在herriott吸收池的气体出口处，压力传感器输出端与微处理器连接；聚焦透镜设置在herriott吸收池出射端口的出射光路上；光电探测器设置在聚焦透镜的焦点处，光电探测器的输出端与前置放大器的输入端连接；前置放大器的输出端与数字锁相放大器的输入端连接；数字锁相放大器的输出端与微处理器连接；微处理器与计算机通信连接，微处理器内设有修正模块，所述修正模块用于对检测到的气体浓度值进行修正；
激光器的光出孔、准直器的光入孔和光出孔、herriott吸收池的光入孔和光出孔均设置在同一直线上；
2)将入射激光调整为参考波长的入射激光；
3)将调整后的入射激光准直，准直后的入射激光被herriott吸收池内的CO吸收并转化为出射激光；测量吸收池内的压强和温度值；
4)将出射激光转化为电信号，并对电信号进行放大；
5)对放大后的电信号进行低通滤波，微弱电信号提取以及谐波检测，完成二次谐波的采集与提取；
6)对二次谐波进行A/D转换，对气体浓度进行反演，得到修正前不同温度压力下的气体浓度值C(xy)，对测量的温度与压强信号进行A/D转换，得到温度值y与压强值x；
7)微处理器对气体浓度值进行修正，微处理器内设有修正模块，所述修正模块包含修正公式：
C(0)＝C(xy)/(0.615-0.0015x+0.0175y-5.438×10-6x2-0.00011xy-0.000025y2-
2.9255×10-7x2y+3.3185×10-6xy2-3.292×10-6y3)
其中：
x表示吸收池内压强值(kPa)；
y表示吸收池内温度值(℃)；
C(xy)表示修正前不同温度压力下的气体浓度值(ppm)；
C(0)表示修正后常温常压下的气体浓度值(ppm)；
8)显示修正后的气体浓度值。
2.根据权利要求1所述的基于TDLAS痕量CO气体浓度的检测方法，其特征在于：激光器为DFB激光器，herriott吸收池为长光程吸收池。
3.根据权利要求1或2所述的基于TDLAS痕量CO气体浓度的检测方法，其特征在于：光电探测器采用铟镓砷传感器。
4.根据权利要求3所述的基于TDLAS痕量CO气体浓度的检测方法，其特征在于：函数信号发生器型号为AFG3052C。
5.根据权利要求4所述的基于TDLAS痕量CO气体浓度的检测方法，其特征在于：微处理器采用STM32单片机。
6.根据权利要求5所述的基于TDLAS痕量CO气体浓度的检测方法，其特征在于：温度传感器为WSB-5-H2，压力传感器为MY-YBS-C。
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