CN107328738B - 一种串联双气室痕量气体分析系统及气体浓度计算方法 - Google Patents

一种串联双气室痕量气体分析系统及气体浓度计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种串联双气室痕量气体分析系统，包含电路模块、光学模块和气路模块，激光驱动电路和数字温控模块都连接至激光器，激光器通过光纤连接至标准气室上的激光入射接口，第一激光出射接口通过光纤连接至第二准直汇聚透镜，第二激光出射接口通过光纤连接至第三准直汇聚透镜，第一光电二极管探测器连接至第一前置放大电路，所述第二光电二极管探测器连接至第二前置放大电路。本发明消除了TDLAS技术中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，提高系统对激光器性能的容错率和对环境的适应力。

Description

一种串联双气室痕量气体分析系统及气体浓度计算方法
技术领域
本发明涉及一种串联双气室痕量气体分析系统及气体浓度计算方法。
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，具有选择性好、精度高、实时非接触等优点。TDLAS技术基于分子吸收光谱原理，由于不同气体分子的振动形式导致分子会吸收特定波长的激光，比尔朗博(Beer-Lambert)定律，即当一束特定波长的激光经过一定长度含有目标气体的吸收池后，其出射光强的衰减强度与气体的浓度成比例关系。在实际应用中，激光器的驱动电流增加高频正弦调制电流以减小低频噪声的干扰、提高测量精度，通过数学计算可以证明，在一定环境条件下，光谱信号的二次谐波信号的信号高度与待测气体的浓度和吸收池光程成正比。
现有的TDLAS系统往往只有一个分析气室，待测气体在该气室中受到激光照射形成对应的光谱信号，但由于气体本身的性质受到温度和压力的影响，相同浓度的气体在不同温度下的吸收光谱展宽和高度都不同，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，而且系统使用的可调谐半导体(DFB)激光器，对激光器谱线宽度、边模抑制比和稳定性都有较高要求，这种激光器价格较为昂贵。综上，恒温系统、精密元器件和修正算法的应用会大大提高设备的成本、增加设备体积，更重要的是各种修正参数的确定需要大量标定数据积累，从长期来看不能完全保证测量浓度的准确性。
发明内容
本发明提出一种串联双气室痕量气体分析系统及气体浓度计算方法，消除了TDLAS技术中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，提高系统对激光器性能的容错率和对环境的适应力。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种串联双气室痕量气体分析系统，包含电路模块、光学模块和气路模块，
所述电路模块分为控制电路、信号处理电路和数据处理单元，所述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相连；所述信号处理电路包括第一处理电路和第二处理电路，所述第一处理电路包括依次连接的第一前置放大电路、第一滤波电路、第一锁相放大器；所述第二处理电路分别包括依次连接的第二前置放大电路、第二滤波电路、第二锁相放大器；所述第一滤波电路、第一锁相放大器、第二滤波电路、第二锁相放大器都连接至数据处理单元；所述调制波形发生器分别连接至第一锁相放大器、第二锁相放大器；
所述光学模块包括激光器、第一准直汇聚透镜、第一光电二极管探测器、第二光电二极管探测器、第二准直汇聚透镜和第三准直汇聚透镜，所述激光器、第一准直汇聚透镜配合安装；所述第一光电二极管探测器和第二准直汇聚透镜配合安装；所述第二光电二极管探测器和第三准直汇聚透镜配合安装；
所述气路模块包括串联设置的标准气室和样气气室，所述标准气室的后端与样气气室的前端分别配合安装在分光镜的两侧，所述样气气室的后端设有反射镜；所述标准气室的前端设有激光入射接口、第一激光出射接口和第二激光出射接口，所述激光入射接口接入的激光经过分光镜分成两束，一束激光反射并从第二激光出射接口射出，另一束激光穿过分光镜并经过反射镜反射后穿过分光镜并从第一激光出射接口射出；
所述激光驱动电路和数字温控模块都连接至激光器，激光器通过光纤连接至标准气室上的激光入射接口，所述第一激光出射接口通过光纤连接至第二准直汇聚透镜，所述第二激光出射接口通过光纤连接至第三准直汇聚透镜，所述第一光电二极管探测器连接至第一前置放大电路，所述第二光电二极管探测器连接至第二前置放大电路。
一种串联双气室痕量气体分析系统的气体浓度计算方法，包括以下步骤：
S1：标准气室封装已知浓度的标准气体，样气气室通入待测气体；
S2：调节调制波形发生器，被调谐后的激光器发射的激光光强为I0(v)，由光纤引入光程为L1的标气气室，与气室中封装的浓度为C1的标准气体作用并被分光镜分束形成反射光和折射光，反射光强度为I1(v)，折射光强度为I2(v)；
反射光通过第二激光出射接口射出，形成的光谱信号被光纤和第三准直汇聚透镜引入第二光电二极管探测器接收；折射光进入光程为L2的样气气室，与气室中流动的浓度为C2的待测气体作用并被反射镜反射回标气气室中从第一激光出射接口射出，形成的光谱信号被光纤和第二准直汇聚透镜引入第一光电二极管探测器接收；
S3：上述第一光电二极管探测器的光信号分别经过第一前置放大电路、第一滤波电路、第一锁相放大器得到二次谐波，作为参考信号；上述第二光电二极管探测器的光信号分别经过第二前置放大电路、第二滤波电路、第二锁相放大器得到二次谐波，作为待测信号；
S4：通过数据处理单元比较得到的二次谐波的参考信号和待测信号，计算得出待测气体的浓度。
上述步骤S4中的计算方法为：
S4.1：计算激光驱动电路为激光器提供的实际电流i(t)：
i(t)＝ic+immsωt (I)
公式(I)中，ic表示激光驱动电路的中心电流，im表示调制波形发生器的电流调制幅值，ω表示调制频率，t表示时间；
计算激光器发出激光的实际频率v(t)：
v(t)＝vc+vmcosωt (II)
公式(II)中，vc表示激光器出射光中心频率，vm表示频率调制幅值；
且：
I0(v)＝I1(v)+I2(v)
I0(v)表示频率为v的入射光强，反射光强度为I1(v)，折射光强度为I2(v)；
S4.2：建立无量纲化的二次谐波波形如图2，数学计算可以得到：提取到的二次谐波的波形A0(v)可以写为：
其中，I0(v)表示频率为v的入射光强；C表示被测组分的浓度，L表示光束在气体内走过的光程，α(v)表示频率v处气体的吸收截面，与温度T和压力P有关，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；
S4.3：根据公式(III)可得参考信号的二次谐波波形为：
待测信号的二次谐波波形为：
结合公式(IV)和(V)可以得到：
S4.4：实际应用中只需要提取二次谐波的幅值A和探测器探测到的中心光强I，即为：
其中I1为进入到标准气室的激光强度，I2为进入到样气气室的激光强度，A1为得到的二次谐波的参考信号值，A2为得到的二次谐波的待测信号值，
上述公式(VII)即待测气体的浓度计算公式。
本发明产生的有益效果为：由于被分光镜分束的激光来自同一光源，波长的漂移具有一致性，因此对参考信号和待测信号的影响是同步的；此外，串联双气室结构处在同一个环境温度下，标气和样气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。在反演待测气体浓度时可以直接利用参考信号进行比例计算，消除了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。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的分析系统的结构原理图。
图2为无量纲化的二次谐波波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示一种串联双气室痕量气体分析系统，包含电路模块1、光学模块2和气路模块3，
所述电路模块1分为控制电路1.1、信号处理电路1.2和数据处理单元1.3，所述控制电路1.1包括调制波形发生器1.1.1、激光驱动电路1.1.2和数字温控模块1.1.3，所述调制波形发生器1.1.1与激光驱动电路1.1.2相连；所述信号处理电路1.2包括第一处理电路1.2.1和第二处理电路1.2.2，所述第一处理电路1.2.1包括依次连接的第一前置放大电路1.2.1.1、第一滤波电路1.2.1.2、第一锁相放大器1.2.1.3；所述第二处理电路1.2.2分别包括依次连接的第二前置放大电路1.2.2.1、第二滤波电路1.2.2.2、第二锁相放大器1.2.2.3；所述第一滤波电路1.2.1.2、第一锁相放大器1.2.1.3、第二滤波电路1.2.2.2、第二锁相放大器1.2.2.3都连接至数据处理单元1.3；所述调制波形发生器1.1.1分别连接至第一锁相放大器1.2.1.3、第二锁相放大器1.2.2.3；
所述光学模块2包括激光器2.1、第一准直汇聚透镜2.2、第一光电二极管探测器2.5、第二光电二极管探测器2.6、第二准直汇聚透镜2.7和第三准直汇聚透镜2.8，所述激光器2.1、第一准直汇聚透镜2.2配合安装；所述第一光电二极管探测器2.5和第二准直汇聚透镜2.7配合安装；所述第二光电二极管探测器2.6和第三准直汇聚透镜2.8配合安装；
所述气路模块3包括串联设置的标准气室3.1和样气气室3.2，所述标准气室3.1的后端与样气气室3.2的前端分别配合安装在分光镜3.4的两侧，所述样气气室3.2的后端设有反射镜3.3；所述标准气室3.1的前端设有激光入射接口、第一激光出射接口和第二激光出射接口，所述激光入射接口接入的激光经过分光镜3.4分成两束，一束激光反射并从第二激光出射接口射出，另一束激光穿过分光镜3.4并经过反射镜3.3反射后穿过分光镜3.4并从第一激光出射接口射出；
所述激光驱动电路1.1.2和数字温控模块1.1.3都连接至激光器2.1，激光器2.1通过光纤连接至标准气室3.1上的激光入射接口，所述第一激光出射接口通过光纤连接至第二准直汇聚透镜2.7，所述第二激光出射接口通过光纤连接至第三准直汇聚透镜2.8，所述第一光电二极管探测器2.5连接至第一前置放大电路1.2.1.1，所述第二光电二极管探测器2.6连接至第二前置放大电路1.2.2.1。
一种串联双气室痕量气体分析系统的气体浓度计算方法，包括以下步骤：
S1：标准气室3.1封装已知浓度的标准气体，样气气室3.2通入待测气体；
S2：调节调制波形发生器1.1.1，被调谐后的激光器2.1发射的激光光强为I0(v)，由光纤引入光程为L1的标气气室3.1，与气室中封装的浓度为C1的标准气体作用并被分光镜3.4分束形成反射光和折射光，反射光强度为I1(v)，折射光强度为I2(v)；
反射光通过第二激光出射接口射出，形成的光谱信号被光纤和第三准直汇聚透镜2.8引入第二光电二极管探测器2.6接收；折射光进入光程为L2的样气气室3.2，与气室中流动的浓度为C2的待测气体作用并被反射镜3.3反射回标气气室3.1中从第一激光出射接口射出，形成的光谱信号被光纤和第二准直汇聚透镜2.7引入第一光电二极管探测器2.5接收；
S3：上述第一光电二极管探测器2.5的光信号分别经过第一前置放大电路1.2.1.1、第一滤波电路1.2.1.2、第一锁相放大器1.2.1.3得到二次谐波，作为参考信号；上述第二光电二极管探测器2.6的光信号分别经过第二前置放大电路1.2.2.1、第二滤波电路1.2.2.2、第二锁相放大器1.2.2.3得到二次谐波，作为待测信号；
S4：通过数据处理单元1.3比较得到的二次谐波的参考信号和待测信号，计算得出待测气体的浓度。
上述步骤S4中的计算方法为：
S4.1：计算激光驱动电路1.1.2为激光器2.1提供的实际电流i(t)：
i(t)＝ic+imcosωt (I)
公式(I)中，ic表示激光驱动电路的中心电流，im表示调制波形发生器的电流调制幅值，ω表示调制频率，t表示时间；
计算激光器2.1发出激光的实际频率v(t)：
v(t)＝vc+vmcosωt (II)
公式(II)中，vc表示激光器出射光中心频率，vm表示频率调制幅值；
且：
I0(v)＝I1(v)+I2(v)
I0(v)表示频率为v的入射光强，反射光强度为I1(v)，折射光强度为I2(v)；
S4.2：建立无量纲化的二次谐波波形如图2，数学计算可以得到：提取到的二次谐波的波形A0(v)可以写为：
其中，I0(v)表示频率为v的入射光强；C表示被测组分的浓度，L表示光束在气体内走过的光程，α(v)表示频率v处气体的吸收截面，与温度T和压力P有关，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；
S4.3：根据公式(III)可得参考信号的二次谐波波形为：
待测信号的二次谐波波形为：
结合公式(IV)和(V)可以得到：
S4.4：实际应用中只需要提取二次谐波的幅值A和探测器探测到的中心光强I，即为：
其中I1为进入到标准气室的激光强度，I2为进入到样气气室的激光强度，A1为得到的二次谐波的参考信号值，A2为得到的二次谐波的待测信号值，
上述公式(VII)即待测气体的浓度计算公式。
公式(VII)中没有与环境条件相关的系数α，也消除了与激光器性能相关的ν，剩余项均为已知项和可测项。因此采用这种串联双气室结构后，在反演待测气体浓度时可以直接利用参考信号进行比例计算，消除了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。
本发明中激光驱动电路为激光器提供调谐和高频调制电流，数字温控模块控制激光器和探测器的温度。激光驱动电路控制激光器发出一定频率的激光，激光被第一准直透镜汇聚后由光纤引入到串联双气室结构中；两个气室之间用一个分光镜隔开，激光被分光镜一分为二；激光首先进入的是参考气室，该气室用于封装一定浓度的标准气体，另一个气室作为样气气室，以一定流量通入待测气体；激光在参考气室与标准气体作用，分光镜的反射光回到一个光电二极管探测器中，经过信号处理电路的放大、过滤和锁相处理得到参考信号；分光镜的折射光进入样气气室，被样气气室端部的反射镜反射回到参考气室中，最终被另一个光电二极管探测器接收，并经过相应的信号处理电路得到待测信号；最后经过分析系统运算反演得到待测气体的浓度信息。本系统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。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种串联双气室痕量气体分析系统，其特征在于，包含电路模块(1)、光学模块(2)和气路模块(3)，
所述电路模块(1)分为控制电路(1.1)、信号处理电路(1.2)和数据处理单元(1.3)，所述控制电路(1.1)包括调制波形发生器(1.1.1)、激光驱动电路(1.1.2)和数字温控模块(1.1.3)，所述调制波形发生器(1.1.1)与激光驱动电路(1.1.2)相连；所述信号处理电路(1.2)包括第一处理电路(1.2.1)和第二处理电路(1.2.2)，所述第一处理电路(1.2.1)包括依次连接的第一前置放大电路(1.2.1.1)、第一滤波电路(1.2.1.2)、第一锁相放大器(1.2.1.3)；所述第二处理电路(1.2.2)分别包括依次连接的第二前置放大电路(1.2.2.1)、第二滤波电路(1.2.2.2)、第二锁相放大器(1.2.2.3)；所述第一滤波电路(1.2.1.2)、第一锁相放大器(1.2.1.3)、第二滤波电路(1.2.2.2)、第二锁相放大器(1.2.2.3)都连接至数据处理单元(1.3)；所述调制波形发生器(1.1.1)分别连接至第一锁相放大器(1.2.1.3)、第二锁相放大器(1.2.2.3)；
所述光学模块(2)包括激光器(2.1)、第一准直汇聚透镜(2.2)、第一光电二极管探测器(2.5)、第二光电二极管探测器(2.6)、第二准直汇聚透镜(2.7)和第三准直汇聚透镜(2.8)，所述激光器(2.1)、第一准直汇聚透镜(2.2)配合安装；所述第一光电二极管探测器(2.5)和第二准直汇聚透镜(2.7)配合安装；所述第二光电二极管探测器(2.6)和第三准直汇聚透镜(2.8)配合安装；
所述气路模块(3)包括串联设置的标准气室(3.1)和样气气室(3.2)，所述标准气室(3.1)的后端与样气气室(3.2)的前端分别配合安装在分光镜(3.4)的两侧，所述样气气室(3.2)的后端设有反射镜(3.3)；所述标准气室(3.1)的前端设有激光入射接口、第一激光出射接口和第二激光出射接口，所述激光入射接口接入的激光经过分光镜(3.4)分成两束，一束激光反射并从第二激光出射接口射出，另一束激光穿过分光镜(3.4)并经过反射镜(3.3)反射后穿过分光镜(3.4)并从第一激光出射接口射出；
反射光通过第二激光出射接口射出，形成的光谱信号被光纤和第三准直汇聚透镜(2.8)引入第二光电二极管探测器(2.6)接收；折射光进入样气气室(3.2)，与气室中流动的待测气体作用并被反射镜(3.3)反射回标气气室(3.1)中从第一激光出射接口射出，形成的光谱信号被光纤和第二准直汇聚透镜(2.7)引入第一光电二极管探测器(2.5)接收；
所述激光驱动电路(1.1.2)和数字温控模块(1.1.3)都连接至激光器(2.1)，激光器(2.1)通过光纤连接至标准气室(3.1)上的激光入射接口，所述第一激光出射接口通过光纤连接至第二准直汇聚透镜(2.7)，所述第二激光出射接口通过光纤连接至第三准直汇聚透镜(2.8)，所述第一光电二极管探测器(2.5)连接至第一前置放大电路(1.2.1.1)，所述第二光电二极管探测器(2.6)连接至第二前置放大电路(1.2.2.1)。
2.一种利用权利要求1的串联双气室痕量气体分析系统的气体浓度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：标准气室(3.1)封装已知浓度的标准气体，样气气室(3.2)通入待测气体；
S2：调节调制波形发生器(1.1.1)，被调谐后的激光器(2.1)发射的激光光强为I0(v)，由光纤引入光程为L1的标气气室(3.1)，与气室中封装的浓度为C1的标准气体作用并被分光镜(3.4)分束形成反射光和折射光，反射光强度为I1(v)，折射光强度为I2(v)；
反射光通过第二激光出射接口射出，形成的光谱信号被光纤和第三准直汇聚透镜(2.8)引入第二光电二极管探测器(2.6)接收；折射光进入光程为L2的样气气室(3.2)，与气室中流动的浓度为C2的待测气体作用并被反射镜(3.3)反射回标气气室(3.1)中从第一激光出射接口射出，形成的光谱信号被光纤和第二准直汇聚透镜(2.7)引入第一光电二极管探测器(2.5)接收；
S3：上述第一光电二极管探测器(2.5)的光信号分别经过第一前置放大电路(1.2.1.1)、第一滤波电路(1.2.1.2)、第一锁相放大器(1.2.1.3)得到二次谐波，作为参考信号；上述第二光电二极管探测器(2.6)的光信号分别经过第二前置放大电路(1.2.2.1)、第二滤波电路(1.2.2.2)、第二锁相放大器(1.2.2.3)得到二次谐波，作为待测信号；
S4：通过数据处理单元(1.3)比较得到的二次谐波的参考信号和待测信号，计算得出待测气体的浓度。
3.如权利要求2所述的一种串联双气室痕量气体分析系统的气体浓度计算方法，其特征在于，上述步骤S4中的计算方法为：
S4.1：计算激光驱动电路(1.1.2)为激光器(2.1)提供的实际电流i(t)：
i(t)＝ic+imcosωt (I)
公式(I)中，ic表示激光驱动电路的中心电流，im表示调制波形发生器的电流调制幅值，ω表示调制频率，t表示时间；
计算激光器(2.1)发出激光的实际频率v(t)：
v(t)＝vc+vmcosωt (II)
公式(II)中，vc表示激光器出射光中心频率，vm表示频率调制幅值；
且：
I0(v)＝I1(v)+I2(v)
I0(v)表示频率为v的入射光强，反射光强度为I1(v)，折射光强度为I2(v)；
S4.2：建立无量纲化的二次谐波波形，数学计算可以得到：提取到的二次谐波的波形A0(v)可以写为：
其中，I0(v)表示频率为v的入射光强；C表示被测组分的浓度，L表示光束在气体内走过的光程，α(v)表示频率v处气体的吸收截面，与温度T和压力P有关，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；
S4.3：根据公式(III)可得参考信号的二次谐波波形为：
待测信号的二次谐波波形为：
结合公式(IV)和(V)可以得到：
S4.4：实际应用中只需要提取二次谐波的幅值A和探测器探测到的中心光强I，即为：
其中I1为进入到标准气室的激光强度，I2为进入到样气气室的激光强度，A1为得到的二次谐波的参考信号值，A2为得到的二次谐波的待测信号值，
上述公式(VII)即待测气体的浓度计算公式。
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