CN108426872A - 一种用于拉曼散射光纤传感的气体浓度在线测量系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于拉曼散射光纤传感的气体浓度在线测量系统及其方法，用于监测混合气体中各部分的浓度，包括光路Ⅰ和气路Ⅱ，光路Ⅰ位于室内，气路Ⅱ位于室外，以保证实验的安全性；光路包括电源、激光光源、气体样品池、拉曼光谱分析仪、计算机；气路包括待测气体钢瓶、氮气钢瓶、真空泵；该方法采用上述测量系统测试多组由多种不同浓度气体组成的标准气体的拉曼光谱图，并通过曲线拟合获得标定方程，然后结合标定方程和未知气体的拉曼散射峰面积，获得未知气体中各成分的浓度。本发明提高了气体浓度测量的自动化程度，克服了传统安装在现场的监测系统装置容易导致安全隐患的问题。
Description
技术领域
本发明涉及易燃易爆气体监测技术领域，更具体地说，涉及一种用于拉曼散射光纤传感的气体浓度在线测量系统及其方法。
背景技术
对未知气体浓度进行定量分析在石化等工业生产中具有至关重要的作用。目前，测量气体纯度的方法主要有三种：电化学型、电学型和光学型。但如果要监测像氢气这类易燃易爆气体，使用电类传感器危险很大，因此在工业生产中应用比较广泛主要是光学传感器。其中，气相色谱分析是一种分离测定多组分混合物的气体光学检测方法，该方法需要特定的气体或液体作为流动载体，携带样品进入色谱柱进行分析，增加了系统的复杂性，提高了运行成本，只能采用间断分析方式。而红外光谱技术检测灵敏度高，且不会污染和消耗样气，但对于每种气体都需要一个特定波长的激光来实现气体的有效监测，因此往往适用于单组分气体的分析，而对于混合气体的分析其系统构成非常复杂，也不适用于石化等工业现场多组分气体的分析。
目前，应用于石化等工业生产中，行业乙烯、氢气等易燃易爆气体的拉曼在线监测的测量系统在国内还比较少见，不仅要考虑测量精度和测量效率问题，同时还要克服安装在现场的系统装置容易导致安全隐患及样品池密封困难的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于拉曼散射光纤传感的气体浓度在线测量系统及其方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：设计一种用于拉曼散射光纤传感的气体浓度在线测量系统，包括光路和气路；所述光路包括电源、激光光源、气体样品池、拉曼光谱分析仪、计算机，所述电源与激光光源电连接，所述激光光源通过激光光纤与气体样品池连接，所述气体样品池通过探测光纤与拉曼光谱分析仪连接，所述拉曼光谱分析仪与计算机连接；所述气路包括待测气体钢瓶、氮气钢瓶、真空泵、三个三通阀以及两个截止阀，所述第一三通阀、第二三通阀、第三三通阀依次通过导气管串联，所述待测气体钢瓶、氮气钢瓶的输出端分别通过进气管与第一三通阀连通；所述真空泵经第一截止阀与第二三通阀连通，构成支路Ⅰ；所述排气管经第二截止阀与第三三通阀连通，构成支路Ⅱ；所述第三三通阀通过导气管与气体样品池连通。
优选地，所述真空泵为旋片式真空泵，其抽气速率为4L/s，极限真空为0.06Pa，安装在支路Ⅰ上。
优选地，所述排空管用于排气，安装在支路Ⅱ上。
优选地，所述激光光源的输出光波长为532nm，功率输出稳定在0-500mW。
优选地，所述拉曼光谱分析仪为色散型拉曼光谱仪。
优选地，所述激发光纤和收集光纤用于连接分别位于室内和室外的光路和气路，其长度均为50m。
本发明还提供一种用于拉曼散射光纤传感的气体浓度在线测量方法，使用上述用于拉曼散射光纤传感的气体浓度在线测量系统，该方法包括以下步骤：
Step1，配置多组由多种不同浓度气体组成的标准气体，并采用待测气体钢瓶进行封装；
Step2，检查光路和气路的气密性，打开第一截止阀，真空泵抽出装置气路内的空气，待测气体钢瓶接入气路，将待测气体钢瓶内的待测气体充入气体样品池，气体样品池的气压保持在1.1MPa；
Step3，启动光路，获取待测气体的拉曼光谱图；
Step4，关闭第一截止阀，打开第二截止阀，切换氮气钢瓶接入气路，利用氮气吹扫整个装置，将残留在气路内部的待测气体排出气路外部；
Step5，重复Step1至Step4，区别在于Step1中将未知气体采用待测气体钢瓶进行封装；
Step6，计算不同标准气体对应的拉曼散射峰面积并进行曲线拟合，得到标定方程；结合标定方程和未知气体的拉曼散射峰面积，获得未知气体中各成分的浓度。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明实现对气体浓度监测的自动控制，提高气体浓度测量时的自动化程度，消除人工采样时的安全隐患，提高测量工作效率，减少工人的劳动强度。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明的结构示意图；
图2为甲烷浓度(横轴)与拉曼峰强度(纵轴)的标定拟合曲线。
图3为氢气浓度(横轴)与拉曼峰强度(纵轴)的标定拟合曲线。
图中，1-电源、2-激光光源、3-气体样品池、4-拉曼光谱分析仪、5-计算机、6-激光光纤、7-探测光纤、8-待测气体钢瓶、9-氮气钢瓶、10-真空泵、11-第一三通阀、12-第二三通阀、13-第三三通阀、14-导气管、15-第一截止阀、16-第二截止阀、17-进气管、18-排气管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
如图1所示，本发明提供一种用于拉曼散射光纤传感的气体浓度在线测量系统，用于监测混合气体中各部分的浓度，包括光路Ⅰ和气路Ⅱ，光路Ⅰ位于室内，气路Ⅱ位于室外，以保证实验的安全性。
光路Ⅰ包括电源1、激光光源2、气体样品池3、拉曼光谱分析仪4、计算机5，电源1与激光光源2电连接，激光光源2通过激光光纤6与气体样品池3连接，气体样品池3通过探测光纤7与拉曼光谱分析仪4连接，拉曼光谱分析仪4与计算机5连接。激光光源2发出的单色光经过激发光纤6照射到气体样品池3中的待测气体样品上产生拉曼散射，散射信号经过探测光纤7的探头收集后传输到拉曼光谱分析仪4，拉曼光谱分析仪4中的检测器将光信号转换为电信号后通过USB数据线送入计算机并显示光谱图。优选地，激光光源的输出光波长为532nm，功率输出稳定在0-500mW。优选地，拉曼光谱分析仪为色散型拉曼光谱仪。优选地，激发光纤和收集光纤的长度均为50m。
气路Ⅱ可以实现对整个系统的充气、保压、冲洗、抽真空及排气功能。气路Ⅱ包括待测气体钢瓶8、氮气钢瓶9、真空泵10、三个三通阀以及两个截止阀，第一三通阀11、第二三通阀12、第三三通阀13依次通过导气管14串联。待测气体钢瓶8、氮气钢瓶9的输出端分别通过进气管17与第一三通阀11连通，因此，气路Ⅱ同时接入上述两路钢瓶气体，其中，一路为待测气体，用于拉曼光谱的测量，另一路为高纯氮气，用于对整个气路Ⅱ进行清洗；优选地，每路气体分别连接一个减压器，用于控制向气体样品池3内充入气体的压力。真空泵10经第一截止阀15与第二三通阀12连通，构成支路Ⅰ，支路Ⅰ用于对整个系统抽真空，支路Ⅰ装有真空表用于监控整个系统的真空度。优选地，真空泵为旋片式真空泵，其抽气速率为4L/s，极限真空为0.06Pa。排气管18经第二截止阀16与第三三通阀13连通，构成支路Ⅱ，支路Ⅱ用于排气。第三三通阀13通过导气管与气体样品池3连通。
本发明还提供一种用于拉曼散射光纤传感的气体浓度在线测量方法，使用上述用于拉曼散射光纤传感的气体浓度在线测量系统，该方法包括以下步骤：
Step1，配置多组由两种不同浓度气体组成的标准气体(参见表1)，并采用待测气体钢瓶8进行封装；
表1不同浓度气体的混合比例
Step2，检查光路和气路的气密性，打开第一截止阀15，真空泵10抽出装置气路内的空气，待测气体钢瓶8接入气路，将待测气体钢瓶8内的待测气体充入气体样品池3，气体样品池3的气压保持在1.1MPa；
Step3，启动光路，将激光光源的功率调至500mW，综合考虑拉曼光谱分析仪4的灵敏度以及甲烷和氢气分子拉曼信号的强弱，将拉曼光谱分析仪4的积分时间设置为30s，获取待测气体的拉曼光谱图，表1中每组气体样品采集3次，以其平均值作为最终的光谱图；
Step4，关闭第一截止阀，打开第二截止阀，切换氮气钢瓶接入气路，利用氮气吹扫整个装置，将残留在气路内部的待测气体排出气路外部。
Step5，计算不同标准气体对应的拉曼散射峰面积，分别对甲烷和氢气的实际测量值进行曲线拟合，如图2-3所示，得到标定方程。
Step6，重复Step1至Step4，区别在于Step1中将未知气体采用待测气体钢瓶进行封装；结合标定方程和未知气体的拉曼散射峰面积，获得未知气体中各成分的浓度。
附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (7)
1.一种用于拉曼散射光纤传感的气体浓度在线测量系统，其特征在于，包括光路和气路；所述光路包括电源、激光光源、气体样品池、拉曼光谱分析仪、计算机，所述电源与激光光源电连接，所述激光光源通过激光光纤与气体样品池连接，所述气体样品池通过探测光纤与拉曼光谱分析仪连接，所述拉曼光谱分析仪与计算机连接；所述气路包括待测气体钢瓶、氮气钢瓶、真空泵、三个三通阀以及两个截止阀，所述第一三通阀、第二三通阀、第三三通阀依次通过导气管串联，所述待测气体钢瓶、氮气钢瓶的输出端分别通过进气管与第一三通阀连通；所述真空泵经第一截止阀与第二三通阀连通，构成支路Ⅰ；所述排气管经第二截止阀与第三三通阀连通，构成支路Ⅱ；所述第三三通阀通过导气管与气体样品池连通。
2.根据权利要求1所述的一种用于拉曼散射光纤传感的气体浓度在线测量系统，其特征在于，所述真空泵为旋片式真空泵，其抽气速率为4L/s，极限真空为0.06Pa，安装在支路Ⅰ上。
3.根据权利要求1所述的一种用于拉曼散射光纤传感的气体浓度在线测量系统，其特征在于，所述排空管用于排气，安装在支路Ⅱ上。
4.根据权利要求1所述的一种用于拉曼散射光纤传感的气体浓度在线测量系统，其特征在于，所述激光光源的输出光波长为532nm，功率输出稳定在0-500mW。
5.根据权利要求1所述的一种用于拉曼散射光纤传感的气体浓度在线测量系统，其特征在于，所述拉曼光谱分析仪为色散型拉曼光谱仪。
6.根据权利要求1所述的一种用于拉曼散射光纤传感的气体浓度在线测量系统，其特征在于，所述激发光纤和收集光纤用于连接分别位于室内和室外的光路和气路，其长度均为50m。
7.一种用于拉曼散射光纤传感的气体浓度在线测量方法，其特征在于，使用权利要求1-6中任一项所述用于拉曼散射光纤传感的气体浓度在线测量系统，该方法包括以下步骤：
Step1，配置多组由多种不同浓度气体组成的标准气体，并采用待测气体钢瓶进行封装；
Step2，检查光路和气路的气密性，打开第一截止阀，真空泵抽出装置气路内的空气，待测气体钢瓶接入气路，将待测气体钢瓶内的待测气体充入气体样品池，气体样品池的气压保持在1.1MPa；
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| 任锐: "基于激光自发振动拉曼散射的气体浓度测量方法研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》 * |
| 程鹏: "基于激光拉曼散射线成像测量发动机缸内摩尔分数和温度", 《博士论文全文数据库 信息科技辑》 * |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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