CN109406438A - 光源封装体和用于检测气体的浓度的系统 - Google Patents

光源封装体和用于检测气体的浓度的系统 Download PDF

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Abstract

本公开涉及光源封装体和用于检测气体的浓度的系统。其中一实施例公开了一种用于检测气体的浓度的系统，包括：光源封装体，其包括：发射中红外波段激光的激光器；控制激光器温度的温度控制电路；以及对整个光源封装体进行气密性封装的外壳，在外壳包围的空间中填充有已知浓度的参考气体。该系统还包括：耦接到激光器的驱动电路，被配置为向激光器提供电流驱动信号，以控制发射激光的波长；容纳待检测气体的单光程吸收池，激光能透射通过该单光程吸收池；探测器，接收透射通过单光程吸收池的激光并且把激光的强度转换为电信号；和信号处理电路，接收探测器输出的电信号，并且利用该电信号计算得到待检测气体的浓度。

Description

光源封装体和用于检测气体的浓度的系统
技术领域
本公开涉及气体浓度检测，具体来说，涉及利用中红外激光测量痕量气体浓度。
背景技术
为了降低烟气排放中的氮氧化物(NOX)，燃煤电厂普遍采用选择性催化还原技术(SCR)或选择性非催化还原技术(SNCR)对排放的烟气进行脱硝处理。脱硝处理时，通常在烟气中注入氨水或尿素，使得主要成分氨气与氮氧化物发生化学反应，生成对环境无害的氮气和水汽。合理的控制氨注入量对于烟气脱硝处理至关重要，氨注入过少会导致氮氧化物转化效率过低，氨注入过量会导致过量氨气的产生，过量的氨气会逃出脱硝反应区，与工艺流程中产生的硫酸盐发生反应生成硫酸铵盐，铵盐会严重腐蚀下游烟气管道及其他设备，导致昂贵的维护费用。因此为了使烟气脱硝效率达到最优，同时降低氨气排放及消耗，必须对脱硝处理后烟气中残余的氮氧化物和逃逸的氨气浓度进行实时监控。
目前的氨逃逸在线测量采用化学法和近红外可调谐二极管激光吸收光谱技术(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，简称为TDLAS)。化学法需要手工操作，而且采样样品只能在实验室条件下进行分析，因此无法满足火电厂快速测量氨逃逸的需求。
基于TDLAS的氨逃逸仪表从结构来讲主要分为两类，原位安装式和高温伴热抽取式。不论是原位对穿安装还是原位单侧安装，都无法在测量现场完成标气标定，需要将仪表拆卸，标定过程复杂。采用高温伴热抽取式，有效地避免了原位测量中出现的各种问题，但是由于近红外波段氨气的吸收谱线较弱，利用直接吸收方法有效光程短，测量灵敏度不高。利用高温伴热抽取式采样结合长光程吸收池技术，将有效光程提高到30米，很好地弥补了氨分子近红外谱线吸收较弱的缺点，从而极大地提高了测量精度和检测下限，但是长光程吸收池这种精密光学元件并不适合应用到高温、高粉尘、高铵盐的工况环境。运行一段时间后，需要对长光程池进行清洗和重新对光，增加了维护难度和成本。
从测量原理来讲，基于TDLAS的仪表均使用了近红外激光器，选取了氨分子在近红外波段的吸收谱线。而在近红外波段氨分子吸收谱线受到水分子吸收谱线的严重干扰，考虑到烟道中水汽浓度的剧烈变化，上述产品几乎无法避免水汽干扰带来的影响，这不仅会导致氨气测量精度的降低，而且使得氨气浓度测量值出现偏差。
另外，还存在着对残余的氮氧化物和逃逸的氨气浓度同时进行在线测量的需求。
在高温条件下，氮氧化物(NOX)的主要成分是一氧化氮(NO)。当前，测量NO的主要方法包括化学发光法、非分散红外法、紫外吸收法等，而如上所述氨逃逸在线测量主要采用近红外可调谐二极管激光吸收光谱技术。因此，目前为了同时测量NO和NH3通常需要结合不同的测量技术。然而，使用不同的技术同时测量NO和NH3增加了测量的难度以及装置的复杂性。而且NO的上述各种测量方法也存在着各种各样的问题。
另外，在例如环保领域，还存在着对其他各种痕量气体浓度进行精确测量的需求。
针对上述的现有技术中的问题，存在对于新的技术的需求。
发明内容
本公开的目的之一是提供一种新型的痕量气体检测系统以及其中使用的新型光源封装体。
根据本公开的一个方面，提供了一种用于检测气体的浓度的系统，其包括：光源封装体，其包括：激光器，被配置为发射中红外波段的激光；温度控制电路，被配置为控制激光器的温度；以及外壳，被配置为对整个光源封装体进行气密性封装，并且在外壳包围的空间中填充有已知浓度的参考气体。该系统还包括：驱动电路，耦接到激光器，并且被配置为向激光器提供电流驱动信号，以便控制激光器发射的激光的波长；单光程吸收池，被配置为容纳待检测的气体，并且使激光器发射的激光能透射通过该单光程吸收池；探测器，被配置为接收透射通过单光程吸收池的激光并且把激光的强度转换为电信号；以及信号处理电路，被配置为接收探测器输出的电信号，并且利用该电信号计算得到待检测的气体的浓度。
根据本公开的另一个方面，提供了一种在检测气体浓度中使用的光源封装体，其包括：激光器，被配置为发射中红外波段的激光；温度控制电路，被配置为控制激光器的温度；以及外壳，被配置为对整个光源封装体进行气密性封装，并且在外壳包围的空间中填充有已知浓度的参考气体。
通过以下参照附图对本公开的示例性实施例的详细描述，本公开的其它特征及其优点将会变得更为清楚。
附图说明
构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。
参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：
图1示出了根据本公开一些示例性实施例的用于检测气体浓度的系统的示意性框图。
图2示出了根据本公开一些示例性实施例的光源封装体的示意性简化结构图。
图3示出了根据本公开另一些示例性实施例的用于检测气体浓度的系统的示意性框图。
图4示出了根据本公开又一些示例性实施例的用于检测气体浓度的系统的示意性框图。
图5示出了根据本公开又一些示例性实施例的现场检测烟气中的氨浓度的仪器的示意图。
注意，在以下说明的实施方式中，有时在不同的附图之间共同使用同一附图标记来表示相同部分或具有相同功能的部分，而省略其重复说明。在一些情况中，使用相似的标号和字母表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
为了便于理解，在附图等中所示的各结构的位置、尺寸及范围等有时不表示实际的位置、尺寸及范围等。因此，本公开并不限于附图等所公开的位置、尺寸及范围等。而且，附图不必按比例绘制，一些特征可能被放大以示出具体组件的细节。
具体实施方式
下面将参照附图来详细描述本公开的各个示例性实施例。应注意到：以下对各个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，绝不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。也就是说，本文中的结构及方法是以示例性的方式示出，来说明本公开中的结构和方法的不同实施例。然而，本领域技术人员将会理解，它们仅仅说明可以用来实施的本公开的示例性方式，而不是穷尽的方式。此外，除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
针对上述背景技术中讨论的问题，本申请的发明人提出了一种新型的解决方案来精确检测痕量气体的浓度，其采用中红外波段的激光来进行测量，从而与近红外光相比，可以选择气体分子在中红外波段的高强度吸收谱线，因此大大减少水汽或其他分子等吸收的干扰。另外，本发明的方案采用集成了温度控制电路和参考气体池的光源，其可以精确地控制激光器芯片的温度从而控制输出波长，而且可以根据参考气体池的测量结果实时校准激光器的输出波长，从而精确控制检测时的激光波长，因此可以在进一步提高测量准确性的同时简化整个系统结构，缩小系统的体积。另外，本发明的检测系统还使用单光程吸收池，相比于现有技术的多通池(长光程吸收池)，单光程吸收池不需要用于多次反射的精密光学元件以及对其的经常性清洗和重新对光，因此使用单光程吸收池降低了成本和维护难度。
为了更全面、清楚地理解本发明，下面将结合附图来详细描述根据本发明的气体浓度检测系统及其使用的光源封装体的结构及其工作原理。本领域技术人员均能理解，本发明并不限于图中所示结构，而是能够根据其工作原理改编适用于其它系统和光源。例如，图中示出的系统以及光源的构造、安装和相对位置的布置都只是示例性的而非限制性的，本发明可以适用于或者经过简单修改而适用于任何适当的检测系统和光源的构造、安装和布置。虽然下文中会主要以氨逃逸检测为例来讨论本发明的系统，但是本领域技术人员均理解，本发明并不限于此，而是可以根据其工作原理适用于任何有相同需求的其它检测系统。
图1示出了根据本公开一些示例性实施例的用于检测气体浓度的系统的示意性框图。应注意，实际的系统可能还存在其它部件，而为了避免模糊本发明的要点，附图没有示出且本文也不去讨论其它部件。
如图1所示，该气体浓度检测系统包括光源封装体110、驱动电路103、单光程吸收池105、探测器106和信号处理电路107。请注意，图中实线箭头表示光线的路径，而虚线箭头表示模块之间电气或机械地耦接。
光源封装体110主要用于提供精确控制的中红外激光以便后续检测，其可以包括发射中红外波段的激光的激光器101、控制激光器温度的温度控制电路102、以及用于对整个光源封装体进行气密性封装的外壳(见后面的图2所示)，并且在外壳包围的空间中填充有已知浓度的参考气体(见后面的图2所示)以充当参考气体池。
在一些实施方式中，光源封装体110出光的窗口处还可以安装准直透镜104，用于将激光器101发射的激光聚焦到探测器106，如图1所示。如此可以将准直透镜也集成到光源封装体中，从而减少系统的总体积，简化系统的安装和布置。在一些实施方式中，准直透镜104可以为非球面透镜，例如镀增透膜的非球面透镜。
关于光源封装体110的一些具体示例的结构细节将在后续结合图2来描述。
图1中的驱动电路103电气耦接到激光器101，并且被配置为向激光器101提供电流驱动信号，以便控制激光器101发射的激光的波长。虽然图1中示出驱动电路103位于光源封装体110外部，但是本领域技术人员均能理解，本发明并不仅限于此，而是可以根据实际情况将驱动电路103的一部分或全部移到光源封装体110内，这种情况也包含在本申请所附权利要求覆盖的范围内。
驱动电路103和温度控制电路102控制激光器101发出期望的激光，然后从激光器101发出的激光经过准直后到达单光程吸收池105，其中单光程吸收池105用于容纳待检测的气体，并且使该激光能透射通过该单光程吸收池105。
在一些实施方式中，单光程吸收池105可以为内表面镀特氟龙(Teflon，一种聚四氟乙烯材料)涂层的不锈钢吸收池。单光程吸收池105的温度可以在大约室温到300℃的范围内。例如，可以通过在单光程吸收池105的外表面使用加热片进行加热来控制温度。这对于火电厂氨逃逸在线测量的应用场景下特别有利，因为可以降低氨气吸附。
在一些实施方式中，单光程吸收池105的长度可以在20cm到40cm的范围内。选择以上长度在检测NH3和NO的情况下是特别有利的，其既能够满足测量NH3和NO的精度，也能实现测量仪器小型化的需求。
在一些实施方式中，单光程吸收池105的两端可以由楔形镀增透膜的氟化钙窗片和/或楔形镀增透膜的硒化锌窗片密封。窗片的材料和镀膜不限于此，而是可以根据待检测气体的成分来选择。
回到图1，激光透射通过单光程吸收池105后到达探测器106。该探测器106被配置为接收该激光并且把激光的强度转换为电信号，例如电压信号。然后信号处理电路107接收探测器106输出的电信号，并且利用该电信号计算得到待检测的气体的浓度。在一些实施方式中，该中红外探测器106可以为光电二极管。
在一些实施方式中，可以采用连续波中红外量子级联激光器结合波长调制光谱技术来检测气体浓度，这能提高气体浓度测量的灵敏度和精度。这种气体浓度检测的基本原理简单描述如下：
根据Lambert-Beer定律，频率为ν的激光穿过待检测的吸收气体后，透射光强为
It(ν)＝I0(ν)exp(-SφνNL)＝I0(ν)exp(-α(ν))
上式中I0为入射光强，S为吸收谱线跃迁强度，φν为吸收谱线线形函数，N为气体分子数密度，L为吸收光程，α＝SφνNL为吸收度。为了调谐激光波长以覆盖待测气体吸收谱线，根据本发明一些实施例的检测系统采用了低频扫描信号叠加高频调制信号(调制频率为f)的方式调谐激光器电流。受高频调制的激光经过气体吸收池后进入探测器，探测器信号被锁相放大器解调后可以获得二次谐波信号(2f)。2f信号与气体的吸收相关，利用已知浓度气体的2f信号作为标准曲线，基于最小二乘法拟合待测气体的2f信号，即可高精度的反演出气体浓度。
一个具体示例可以结合图1如下描述。
图1中的激光器101通常可以为量子级联激光器(Quantum Cascade Laser，可简写为QCL)，例如可以为发射中红外激光的连续波量子级联激光器(Continuous Wave QuantumCascade Laser，可简写为CW-QCL)。在一些实施方式中，该连续波中红外量子级联激光器可以为分布反馈式连续波量子级联激光器(Distributed Feedback Continuous WaveQuantum Cascade Laser，可简写为DFB-CW QCL)，其通常可以输出较窄的光谱。而在另一些实施方式中，该连续波中红外量子级联激光器可以为外腔式连续波量子级联激光器(External Cavity Continuous Wave Quantum Cascade Laser，可简写为EC-CW QCL)，其通常是宽谱可调谐的，可以在较宽的频率范围内快速改变波长。
驱动电路103向激光器101提供的电流驱动信号可以为锯齿信号叠加高频正弦信号调制，锯齿信号用于改变量子级联激光器的输出波长，从而扫描得到待检测气体的吸收谱线，高频正弦信号用于实现锁相放大电路的谐波测量。在实际测量中，在一些情况下，为了获得待检测气体的吸收光谱，可以设置激光器的工作温度使得激光器输出的中心波长位于气体吸收谱线中心附近，然后通过调谐激光器驱动电流扫描来获得目标吸收谱线。因此，尽管图1中未示出，但是可以根据实际需要将温度控制电路102电连接到外部电路，例如信号处理电路107或其他控制电路，从而实现激光器工作温度的实时调整。
中红外探测器106将接收到的光信号转化为电压信号，并输出到信号处理电路107。信号处理电路107对所接收的电信号进行解调并提取出二次谐波信号，对该二次谐波信号进行滤波，并且根据已知标准浓度的二次谐波信号与所获得的二次谐波信号的线性关系，利用最小二乘法拟合得到线性相关系数，然后计算得到待检测的气体的浓度。信号处理电路107可以包括锁相放大器、数据采集处理电路和滤波器等来实现上述功能。尽管图中未示出，但是本发明的系统还可以包括显示电路，用来显示计算得到的气体浓度。可以采用本领域已知的或未来开发的各种处理方式来计算得到待检测气体的浓度，在此不再详细讨论。本发明采用波长调制技术，经过滤波处理后拟合光谱，提高了气体浓度测量的灵敏度和精度。
另外，根据本发明的检测系统还可以根据对光源封装体110中的已知浓度的参考气体的测量结果，来实时校准激光器101的输出波长，从而精确控制检测时的激光波长。例如，在一些实施方式中，参考气体可以在前述的电流驱动信号扫描的范围内具有特征吸收峰，并且如上所述地利用探测器106和信号处理电路107得到该特征吸收峰的中心对应的波长，而且定时或不定时地检查该中心波长是否漂移。在漂移的情况下，信号处理电路可以根据漂移量来将校准信号反馈到驱动电路103和/或温度控制电路102，从而利用驱动电流和/或工作温度的调整来校准激光器波长。因此，参考气体可以被用来锁定激光器发射的激光的波长。在一些实施方式中，该参考气体可以为乙炔或者氨气。在另一些实施方式中，该参考气体可以为与待检测气体相同的气体。
此外，以待检测气体为氨气为例来更详细说明参考气体与待检测气体的关系。在参考气体与待检测气体不同，例如为乙炔的情况下，由于乙炔和氨气的吸收峰接近但不重叠，因此两者的光谱可以区分开，参考气体的存在并不会影响待检测气体浓度的测量，得到待检测气体浓度的过程与上述的过程相同。如果参考气体与待检测气体相同，即同为氨气，则在一些实施方式中可以考虑使用后续结合图2描述的外壳206上的进出气口，定时或不定时地充入/抽出参考气体，从而分开执行上述的待检测气体浓度检测和波长校准这两个过程。例如，可以在执行待检测气体浓度检测时把参考气体全部抽出，以避免参考气体的影响；然后，根据需要或者定时地充入已知浓度的参考气体来执行波长校准过程。
下面结合图2来详细描述本公开的光源封装体的一些具体示例。图2示出了根据本公开一些示例性实施例的光源封装体210的示意性简化结构图。当然，本领域技术人员均能理解，图2仅仅是示例性的，而并不意图限制本发明。
如图2所示，光源封装体210采用两级控温结构，即图1中提到的温度控制电路102被分成了两个部分，一级温度控制电路203和二级温度控制电路207。
一级温度控制电路203与其上安装有激光器芯片201的底座202接触，并且被配置为设定激光器201的温度。在一些情况下，一级温度控制电路203还可以确保激光器201工作在安全的工作温度范围。在一些实施方式中，一级温度控制电路203的控温精度在0.01摄氏度左右。图2中仅用一个方框指代了一级温度控制电路203，但是在一些情况下，一级温度控制电路203可以包括热敏电阻和热电制冷器(ThermoElectric Cooler，可简写为TEC，通常指利用半导体的热-电效应控温的器件)，TEC可以如图2那样附在底座202下方，而热敏电阻可以根据情况布置在底座上方/下方或激光器201附近，用来准确测量激光器201的温度。本领域技术人员均能理解，本发明不限于此，而是可以采用本领域已知或未来开发的任何技术来控制激光器芯片的温度。在图2中，为了进一步加强控温效果，在一级温度控制电路203下方还可以布置热沉204。
可以将激光器201、底座202、一级温度控制电路203以及热沉204封装在壳体209内，然后将整个壳体209密封在光源封装体210的外壳206内。
二级温度控制电路207被放置在外壳206的内壁上，用来设定外壳206包围的空间的温度，以便降低激光器201的周围环境温度变化对激光器201的温度带来的影响，从而进一步稳定激光器芯片温度。如图2所示，二级温度控制电路207可以包括热敏电阻和TEC，在外壳206的三个内壁上可以分别附着一个TEC，对外壳206进行控温，以将外壳206的温度稳定在某一温度值。
如上所述，二级温度控制电路207被配置为设定外壳206包围的空间的温度，从而进一步稳定了激光器的波长。在一些实施方式中，二级温度控制电路207的控温精度可以在0.1摄氏度左右。本领域技术人员均能理解，TEC的个数和附着位置并不限于图2中所示出的例子，而是可以根据实际应用进行相应地调整。
另外，已知浓度的参考气体208填充在壳体209与外壳206之间的空间中。如前所述，可以利用该参考气体来锁定激光器波长。
因此，外壳206要将整个光源封装体210进行气密性封装。另外，如图2所示，可以把外壳处的出光窗片替换成准直透镜205，并且利用准直透镜205密封外壳206。在一些实施方式中，可以在外壳206与准直透镜205之间加弹性垫圈/垫片，然后用螺钉等将准直透镜205压紧在外壳206上。
另外，尽管图中未示出，本领域技术人员均明白，光源封装体210还至少包括从激光器201穿过壳体209与外壳206而引到外部的管脚，用于将激光器201与外部电路等进行电连接。
另外，在一些实施方式中，尽管图中未示出，但光源封装体210还可以在外壳206处包括进气/出气口，用来充入/抽出已知浓度的参考气体208。虽然在参考气体208流通时外壳206不算密封，但是在充入参考气体208完成后，外壳206可以保持密封，因此这种情况也包含在本公开所附相应权利要求的范围内。
图3示出了根据本公开另一些示例性实施例的用于检测气体浓度的系统的示意性框图。图3与图1的区别在于，图3的系统在单光程吸收池105与探测器106之间添加了离轴抛物面镜309，这可以实现更好的聚焦效果。图3的其余部件都与图1相同，在此不再赘述。
图4示出了根据本公开又一些示例性实施例的用于检测气体浓度的系统的示意性框图。图4与图1的区别主要在于，采用两个激光器同时发出不同波长的两路激光，来对吸收池中的两种气体的浓度进行同时在线测量。
如图4所示，该气体浓度检测系统包括光源封装体410、驱动电路403和404、单光程吸收池408、探测器409、信号处理电路411和显示电路412。请注意，图中实线箭头表示光线的路径，而虚线箭头表示模块之间电气或机械地耦接。
光源封装体410包封了激光器401和402，以便发射波长不同的第一激光和第二激光。与图1和图2类似，光源封装体410还包括：控制激光器温度的温度控制电路405、以及用于对整个光源封装体进行气密性封装的外壳(例如图2所示)，并且在外壳包围的空间中填充有已知浓度的参考气体(例如图2所示)以充当参考气体池。
在一些实施方式中，光源封装体410出光的窗口处还可以安装准直透镜406和407，用于分别将激光器401和402发射的激光聚焦到探测器409，如图4所示。在一些实施方式中，准直透镜407可以是镀3-5μm波段增透膜的非球面透镜，准直透镜406可以是镀8-12μm波段增透膜的非球面透镜。
图4中的驱动电路403和404分别电气耦接到激光器401和402，并且被配置为分别向激光器401和402提供电流驱动信号，以便控制其发射的激光的波长。虽然图4中示出驱动电路403和404位于光源封装体410外部，但是本领域技术人员均能理解，本发明并不仅限于此，而是可以根据实际情况将驱动电路403和404的一部分或全部移到光源封装体410内，这种情况也包含在本申请所附权利要求覆盖的范围内。
驱动电路403和404以及温度控制电路405控制激光器401和402分别发出期望的第一激光和第二激光，然后从激光器401和402发出的第一激光和第二激光经过准直后到达单光程吸收池408，其中单光程吸收池408用于容纳待检测的第一气体和第二气体，并且使该第一激光和第二激光能透射通过该单光程吸收池408。单光程吸收池408的构造可以与图1中的单光程吸收池105相同或类似，在此不再赘述。在一些实施方式中，特别是在同时测量一氧化氮和氨气的情况下，单光程吸收池408的两端413和414可以分别由楔形镀增透膜的氟化钙窗片和楔形镀增透膜的硒化锌窗片来密封。
第一激光和第二激光透射通过单光程吸收池408后到达探测器409。该探测器409被配置为同时接收第一激光和第二激光并且把光强转换为一个电信号，例如电压信号。然后信号处理电路411接收探测器409输出的电信号，并且利用该电信号分别计算得到待检测的第一气体和第二气体的浓度。
在一些实施方式中，与前面结合图1所述类似的，可以采用连续波中红外量子级联激光器结合波长调制光谱技术来检测第一和第二气体的浓度，这能提高气体浓度测量的灵敏度和精度。
例如，驱动电路403和404可以分别生成调制频率f1和f2的调制信号，分别用于调制激光器401和402的波长，其中f1和f2互为质数。受到调制的第一和第二激光经过准直透镜和单光程吸收池后进入同一个探测器409，以生成一个电压信号并输出到信号处理电路411。然后信号处理电路411解调两路信号，分别得到第一和第二激光的二次谐波信号。这些二次谐波信号经过滤波处理后由基于最小二乘法的拟合算法进行浓度反演。浓度反演时，通过建立已知标准浓度的二次谐波信号和待检测浓度的二次谐波信号之间的线性相关性获得浓度值。
具体而言，驱动电路403向激光器401提供的电流驱动信号可以为锯齿波叠加第一频率的正弦波调制的信号，以便对激光器401发射的第一激光的波长进行扫描和调制，驱动电路404向激光器402提供的电流驱动信号为锯齿波叠加第二频率的正弦波调制的信号，以便对激光器402发射的第二激光的波长进行扫描和调制，其中第一频率和第二频率互为质数。
中红外探测器409将接收到的第一和第二激光都转化为电压信号，并输出到信号处理电路411。信号处理电路411对所接收的电信号进行解调并提取出分别对应于第一和第二激光的第一和第二二次谐波信号，对第一和第二二次谐波信号进行滤波，并且根据已知标准浓度的二次谐波信号与所获得的第一和第二二次谐波信号的线性关系，利用最小二乘法拟合得到线性相关系数，然后分别计算得到待检测的第一和第二气体的浓度。另外，如图4所示，该检测系统还可以包括显示电路412，用来显示计算得到的气体浓度。可以采用本领域已知的或未来开发的各种处理方式来计算得到待检测气体的浓度，在此不再详细讨论。本发明采用波长调制技术，经过滤波处理后拟合光谱，提高了气体浓度测量的灵敏度和精度。而且图4的系统可以同时检测两种气体的浓度，且结构简单，而且提高了检测系统的均一性。当然，本领域技术人员均能明白，本发明不限于仅同时检测两种气体的浓度，而是可以对图4的系统进行简单修改即能同时检测两种以上的气体浓度。
图4的检测系统对于前述的同时测量烟气中的NO和NH3的应用尤其有利。在同时测量NO和NH3时，第一激光的波长可以在9.04μm到9.09μm或8.889μm到8.936μm的范围内，第二激光的波长可以在5.14μm到5.19μm的范围内。选择5μm左右波段孤立的NO分子吸收谱线，有效地避免了其他方法中水分子及二氧化硫(SO2)分子吸收的影响，而选择9μm左右波段孤立的NH3分子吸收谱线，有效地避免了水分子及其他气体分子吸收的影响。此外，选择以上波段的激光还可以使用成熟的商用光学元器件来实现测量。
与前述现有技术相比，利用图4的检测系统，能够采用同一种技术方案实现对NO和NH3气体浓度的同时测量，从而提高了检测效率以及检测系统的均一性。而且，图4的检测系统仅使用一个单光程吸收池和单个中红外探测器，这可以简化光路设计，使用更少的元件，使得系统结构更稳定，尺寸更小。
当然，本领域技术人员均能理解，根据本发明的同时测量两种气体浓度的方案并不仅限于图4所示的那样。例如，可以使用一个宽谱可调谐的外腔式量子级联激光器(EC-QCL)来代替两个连续波中红外量子级联激光器401和402做为光源。另外，也可以使用两个单光程吸收池、两个中红外探测器、两个信号处理电路来分开检测两个气体的浓度。
前面结合图1到图4描述的本发明的技术尤其适用于工业现场氮氧化物和氨逃逸在线测量，但是，本领域技术人员均能理解，本发明的应用不限于此，而是可以适用于或简单修改后适用于各种气体浓度的测量。为了更清楚详细地阐述本发明的应用，下文将结合图5描述将例如图1的检测系统应用于氨逃逸现场测量的一个例子，但应明白本发明不限于这些细节。
图5示出了根据本公开又一些示例性实施例的现场检测烟气中的氨浓度的仪器的示意图。图5的仪器包括三个部分：前级预处理部分、分析仪部分和后级处理部分，其中分析仪部分中的气体浓度检测系统可以采用如前所述的图1到图4所示的气体浓度检测系统，并且利用如前所述的中红外量子级联激光器结合波长调制光谱技术。
在对脱硝处理后的烟气中的氨逃逸测量中，待检测气体为氨气，可以选择大约9μm波段孤立的氨分子吸收谱线来进行测量，从而有效地避免水分子及其他气体分子吸收谱线的影响，提高了氨气浓度测量的准确度。例如，图1的激光器101输出的激光的波长可以设在9.04μm到9.09μm或8.889μm到8.936μm的范围内。选择以上波段的激光可以较好地避免其他气体分子的干扰，而且还可以使用成熟的商用光学元器件来实现测量。例如，激光器101在室温下工作时典型的输出功率为100毫瓦(mW)，通过改变输入电流和工作温度，可以实现1cm-1到2cm-1的出光波长调谐。
由于在中红外波段氨分子谱线强度比近红外波段高出2到3个数量级，因此只需要使用单光程吸收池即可实现高精度的氨气浓度测量。单光程吸收池的使用极大的简化了光路结构，可应用于苛刻的工况环境，降低维护难度和成本。考虑到测量氨逃逸的工况环境，单光程吸收池尤其具有优势。
在现场测量时需要进行前级预处理来将烟气采样到单光程吸收池105中进行测量。如图5所示，该前级预处理部分可以包括前置过滤器、加热采样探杆和伴热管线，采用过滤的方式对烟道里抽取的烟气进行过滤处理，同时全程高温伴热，防止氨的吸附和硫酸氢铵(NH4HSO4)的结晶，保证取样的真实性。
然后，在分析仪部分，通过例如图1所示的气体浓度检测系统对预处理后的烟气进行氨浓度的测量。分析仪部分还可以包括控制单元和显示单元，以便对气体浓度检测系统进行控制和对其检测结果进行显示。
在检测系统之后，后级处理部分可以包括流量计、调节阀和取样泵，取样泵主要作为样气取样的动力源，保证气路的正向流通。
图5所示的整个仪器结构具有以下优点：
1)对烟气进行过滤处理，消除粉尘对光学元件和测量的影响；
2)全程高温伴热，保证样气在取样过程中以及气体浓度检测系统中始终保持在180℃以上，有效防止氨的吸附和硫酸氢铵的结晶，以保证取样的真实性；
3)采用中红外光谱技术，对氨具有非常高的目标选择性和抗干扰性；
4)分析仪便于携带，操作简单，可安装在烟道任意位置，便于更换地点；
5)测量快速、准确。
综上，可以实现对氨气高选择、高灵敏度和高精度的实时在线测量。
在说明书及权利要求中的词语“前”、“后”、“顶”、“底”、“之上”、“之下”等只是用于描述性的目的而并不一定用于描述不变的相对位置。应当理解，这样使用的词语在适当的情况下是可互换的，使得在此所描述的本公开的实施例，例如，能够在与在此所示出的或另外描述的那些取向不同的其它取向上操作。
在此所使用的词语“示例性的”意指“用作示例、实例或说明”，而不是作为将被精确复制的“模型”。在此示例性描述的任意实现方式并不一定要被解释为比其它实现方式优选的或有利的。而且，本公开不受在上述技术领域、背景技术、发明内容或具体实施方式中所给出的任何所表述的或所暗示的理论所限定。
在此所使用的词语“基本上”意指包含由设计或制造的缺陷、器件或元件的容差、环境影响和/或其它因素所致的任意微小的变化。词语“基本上”还允许由寄生效应、噪声以及可能存在于实际的实现方式中的其它实际考虑因素所致的与完美的或理想的情形之间的差异。
另外，前面的描述可能提及了被“连接”或“耦接”在一起的元件或节点或特征。如在此所使用的，除非另外明确说明，“连接”意指一个元件/节点/特征与另一种元件/节点/特征在电学上、机械上、逻辑上或以其它方式直接地连接(或者直接通信)。类似地，除非另外明确说明，“耦接”意指一个元件/节点/特征可以与另一元件/节点/特征以直接的或间接的方式在机械上、电学上、逻辑上或以其它方式连结以允许相互作用，即使这两个特征可能并没有直接连接也是如此。也就是说，“耦接”意图包含元件或其它特征的直接连结和间接连结，包括利用一个或多个中间元件的连接。
另外，仅仅为了参考的目的，还可以在本文中使用“第一”、“第二”等类似术语，并且因而并非意图限定。例如，除非上下文明确指出，否则涉及结构或元件的词语“第一”、“第二”和其它此类数字词语并没有暗示顺序或次序。
在本公开中，术语“提供”从广义上用于涵盖获得对象的所有方式，因此“提供某对象”包括但不限于“购买”、“制备/制造”、“布置/设置”、“安装/装配”、和/或“订购”对象等。
本领域技术人员应当意识到，在上述操作之间的边界仅仅是说明性的。例如，多个操作可以结合成单个操作，而单个操作可以分布于多个操作中，并且各操作可以在时间上至少部分重叠地执行。而且，其它实施例可以包括特定操作的多个实例，并且在其它各种实施例中可以改变操作顺序。而且，其它的修改、变化和替换同样是可能的。另外，上面描述的各个实施例和示例可以根据需要任意地组合，例如，某个实施例中描述的特定操作或细节也可以应用于其它实施例或示例。
另外，本公开的实施方式还可以包括以下示例：
1、一种用于检测气体的浓度的系统，其特征在于，包括：
光源封装体，包括：
激光器，被配置为发射中红外波段的激光；
温度控制电路，被配置为控制激光器的温度；以及
外壳，被配置为对整个光源封装体进行气密性封装，并且在外
壳包围的空间中填充有已知浓度的参考气体；
驱动电路，耦接到激光器，并且被配置为向激光器提供电流驱动信号，以便控制激光器发射的激光的波长；
单光程吸收池，被配置为容纳待检测的气体，并且使激光器发射的激光能透射通过该单光程吸收池；
探测器，被配置为接收透射通过单光程吸收池的激光并且把激光的强度转换为电信号；以及
信号处理电路，被配置为接收探测器输出的电信号，并且利用该电信号计算得到待检测的气体的浓度。
2、根据1所述的系统，其中所述温度控制电路包括：
一级温度控制电路，与其上安装有所述激光器的底座接触，并且被配置为设定激光器的温度；以及
二级温度控制电路，被配置为设定外壳包围的空间的温度，以便降低激光器的周围环境温度变化对激光器的温度带来的影响。
3、根据2所述的系统，其中，所述激光器、所述底座、所述一级温度控制电路被封装和密封在一壳体内，所述壳体被密封在所述外壳内，所述二级温度控制电路被放置在所述外壳的内壁上，所述参考气体填充在所述壳体与所述外壳之间的空间中。
4、根据1所述的系统，其中，所述光源封装体还包括准直透镜，所述准直透镜被配置为将激光器发射的激光聚焦到探测器。
5、根据4所述的系统，其中，所述准直透镜为非球面透镜。
6、根据1所述的系统，还包括：
离轴抛物面镜，被配置为将透射通过单光程吸收池的激光反射到探测器。
7、根据1所述的系统，其中，所述单光程吸收池包括楔形镀增透膜的氟化钙窗片和/或楔形镀增透膜的硒化锌窗片。
8、根据1所述的系统，其中，所述待检测的气体包括氨气，所述激光的波长在9.04μm到9.09μm或8.889μm到8.936μm的范围内；或者
所述待检测的气体包括一氧化氮，所述激光的波长在5.14μm到5.19μm的范围内。
9、根据1所述的系统，其中，所述激光器为连续波中红外量子级联激光器。
10、根据9所述的系统，其中，所述连续波中红外量子级联激光器包括分布反馈式连续波量子级联激光器或外腔式连续波量子级联激光器。
11、根据1所述的系统，其中，所述单光程吸收池的温度在室温到300℃的范围内。
12、根据1所述的系统，其中，所述单光程吸收池的长度在20cm到40cm的范围内。
13、根据1所述的系统，其中，所述驱动电路提供的电流驱动信号为锯齿波叠加正弦波调制的信号，以便对激光器发射的激光的波长进行扫描和调制。
14、根据13所述的系统，其中，所述信号处理电路对所接收的电信号进行解调并提取出二次谐波信号，对所述二次谐波信号进行滤波，并且根据已知标准浓度的二次谐波信号与所获得的二次谐波信号的线性关系，利用最小二乘法拟合得到线性相关系数，然后计算得到待检测的气体的浓度。
15、根据13所述的系统，其中，所述参考气体在电流驱动信号扫描的范围内具有特征吸收峰，并且所述参考气体被用来锁定激光器发射的激光的波长。
16、根据15所述的系统，其中，所述参考气体为乙炔或者氨气。
17、根据1所述的系统，其中，所述激光器包括第一激光器和第二激光器，第一激光器和第二激光器被配置为发射波长不同的第一激光和第二激光；
所述温度控制电路被配置为控制第一激光器和第二激光器二者的温度；
所述驱动电路包括第一驱动电路和第二驱动电路，第一驱动电路和第二驱动电路分别耦接到第一激光器和第二激光器，并且被配置为分别向第一激光器和第二激光器提供电流驱动信号；
所述单光程吸收池被配置为同时容纳待检测的第一气体和第二气体；
所述探测器被配置为接收透射通过单光程吸收池的第一激光和第二激光并且把第一激光和第二激光的强度转换为一个电信号；以及
信号处理电路，被配置为接收探测器输出的电信号，并且利用该电信号分别计算得到待检测的第一气体和第二气体的浓度。
18、根据17所述的系统，其中，第一气体为氨气，第二气体为一氧化氮，第一激光的波长在9.04μm到9.09μm或8.889μm到8.936μm的范围内，第二激光的波长在5.14μm到5.19μm的范围内。
19、根据17所述的系统，其中，所述第一驱动电路提供的电流驱动信号为锯齿波叠加第一频率的正弦波调制的信号，以便对第一激光器发射的第一激光的波长进行扫描和调制，
所述第二驱动电路提供的电流驱动信号为锯齿波叠加第二频率的正弦波调制的信号，以便对第二激光器发射的第二激光的波长进行扫描和调制，其中第一频率和第二频率互为质数，
所述信号处理电路对所接收的电信号进行解调并提取出分别对应于第一和第二激光的第一和第二二次谐波信号，对第一和第二二次谐波信号进行滤波，并且根据已知标准浓度的二次谐波信号与所获得的第一和第二二次谐波信号的线性关系，利用最小二乘法拟合得到线性相关系数，然后分别计算得到待检测的第一和第二气体的浓度。
20、一种在检测气体浓度中使用的光源封装体，其特征在于，包括：
激光器，被配置为发射中红外波段的激光；
温度控制电路，被配置为控制激光器的温度；以及
外壳，被配置为对整个光源封装体进行气密性封装，并且在外壳包围的空间中填充有已知浓度的参考气体。
21、根据20所述的光源封装体，其中所述温度控制电路包括：
一级温度控制电路，与其上安装有所述激光器的底座接触，并且被配置为设定激光器的温度；以及
二级温度控制电路，被配置为设定外壳包围的空间的温度，以便降低激光器的周围环境温度变化对激光器的温度带来的影响。
22、根据21所述的光源封装体，其中，所述激光器、所述底座、所述一级温度控制电路被封装和密封在一壳体内，所述壳体被密封在所述外壳内，所述二级温度控制电路被放置在所述外壳的内壁上，所述参考气体填充在所述壳体与所述外壳之间的空间中。
23、根据20所述的光源封装体，还包括准直透镜，所述准直透镜被配置为将激光器发射的激光聚焦到外部的探测器。
24、根据23所述的光源封装体，其中，所述准直透镜为非球面透镜。
25、根据20所述的光源封装体，其中，所述激光器为连续波中红外量子级联激光器。
26、根据25所述的光源封装体，其中，所述连续波中红外量子级联激光器包括分布反馈式连续波量子级联激光器或外腔式连续波量子级联激光器。
27、根据20所述的光源封装体，其中，所述参考气体被用来锁定激光器发射的激光的波长。
28、根据27所述的光源封装体，其中，所述参考气体为乙炔或者氨气。
29、根据20所述的光源封装体，其中，所述光源封装体被用来同时检测第一气体和第二气体的浓度，
所述激光器包括第一激光器和第二激光器，第一激光器和第二激光器被配置为发射波长不同的第一激光和第二激光；
所述温度控制电路被配置为控制第一激光器和第二激光器二者的温度。
30、根据29所述的光源封装体，其中，第一气体为氨气，第二气体为一氧化氮，第一激光的波长在9.04μm到9.09μm或8.889μm到8.936μm的范围内，第二激光的波长在5.14μm到5.19μm的范围内。
虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。在此公开的各实施例可以任意组合，而不脱离本公开的精神和范围。本领域的技术人员还应理解，可以对实施例进行多种修改而不脱离本公开的范围和精神。本公开的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种用于检测气体的浓度的系统，其特征在于，包括：
光源封装体，包括：
激光器，被配置为发射中红外波段的激光；
温度控制电路，被配置为控制激光器的温度；以及
外壳，被配置为对整个光源封装体进行气密性封装，并且在外壳包围的空间中填充有已知浓度的参考气体；
驱动电路，耦接到激光器，并且被配置为向激光器提供电流驱动信号，以便控制激光器发射的激光的波长；
单光程吸收池，被配置为容纳待检测的气体，并且使激光器发射的激光能透射通过该单光程吸收池；
探测器，被配置为接收透射通过单光程吸收池的激光并且把激光的强度转换为电信号；以及
信号处理电路，被配置为接收探测器输出的电信号，并且利用该电信号计算得到待检测的气体的浓度。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述温度控制电路包括：
一级温度控制电路，与其上安装有所述激光器的底座接触，并且被配置为设定激光器的温度；以及
二级温度控制电路，被配置为设定外壳包围的空间的温度，以便降低激光器的周围环境温度变化对激光器的温度带来的影响。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述激光器、所述底座、所述一级温度控制电路被封装和密封在一壳体内，所述壳体被密封在所述外壳内，所述二级温度控制电路被放置在所述外壳的内壁上，所述参考气体填充在所述壳体与所述外壳之间的空间中。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光源封装体还包括准直透镜，所述准直透镜被配置为将激光器发射的激光聚焦到探测器。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述准直透镜为非球面透镜。
6.根据权利要求1所述的系统，还包括：
离轴抛物面镜，被配置为将透射通过单光程吸收池的激光反射到探测器。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述单光程吸收池包括楔形镀增透膜的氟化钙窗片和/或楔形镀增透膜的硒化锌窗片。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述待检测的气体包括氨气，所述激光的波长在9.04μm到9.09μm或8.889μm到8.936μm的范围内；或者所述待检测的气体包括一氧化氮，所述激光的波长在5.14μm到5.19μm的范围内。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述激光器为连续波中红外量子级联激光器。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述连续波中红外量子级联激光器包括分布反馈式连续波量子级联激光器或外腔式连续波量子级联激光器。
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