CN109813663B - 一种流体激光光谱分析装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种流体激光光谱分析装置及方法。本发明激光平行光束发生器发生的平行激光延此缝射入流体方形管路中，垂直于流体方向穿过流体，激光接收器接收发射的穿过流体的激光，光谱分析仪对接收的激光进行合束成一束激光，再由光谱分析仪进行定性和定量的分析，再由变量累积分析仪对定量分析的结果进行累积计算生成随时间变化的累积量，最后通过显示器将累计结果进行显示，同时发送给数据存储器对累计结果进行存储，实现对液体的在线品质进行判断，使得液态化工产品的计量在数量和质量上的控制能力得到大幅度提升。

Description

一种流体激光光谱分析装置及方法

技术领域

本发明涉及一种流体激光光谱分析装置及方法，主要用于液体在线品质的检测。

背景技术

随着工业化程度以及人民生活水平的提高，对液体成品油或液态化工原料的需求日益增多。为了对成品油或液态化工原料进行存储，在以沿江、沿海为主的港口的地方修建了各种存储罐。在成品油贸易过程中，需要将船舶运输的成品油利用管道卸载到存储罐中，而且在卸载的同时利用安装在管道上的质量流量计完成对成品油的计量。由于船舶装载的成品油中不可避免地掺杂了气体，导致从船舶卸载的成品油的总数量与存储罐实际接收的成品油的总数量不一致，由此在成品油接收方与船舶发货方之间产生了交接纠纷。一般地，国际上默认可接受的计量误差低于0.3％，然而实际上，计量误差超过0.3％的批次就占总交易批次的20％-30％。

目前用于成品油计量的质量流量计的计量精度可达0.5‰，但在气液两相条件下计量精度大幅度降低。目前正在寻求运用消气设备先除去液体中的气体，再经过高精度的质量流量计来计量的可能性，但已研发的消气设备不能够完全消除液体中所含的气体，尤其在气体含量逐渐增大，甚至达100％时，消气效果明显降低。

授权公告号为：CN106289428B的专利，消气装置和计量系统，攻克了高端流量计产品数十年来面临的气液两相国际难题，从而使得艾默生、霍尼韦尔、ABB、E+H、横河等知名企业生产的高端流量计能够用于精确计量，所发明的计量系统设计精度达到了千分之一标准；进一步的，如果能够实现液体的在线品质检测，将使液态化工产品的计量在数量和质量上的控制能力得到大幅度提升。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种流体激光光谱分析装置及方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种流体激光光谱分析装置，包括激光平行光束发生器、激光接收器、光谱分析仪、变量累积分析仪以及数据存储器，所述光平行光束发生器安装在承载待检测液体的流体方形管路的一侧端，所述光平行光束发生器内设置有凹面镜，所述激光接收器安装在所述流体方形管路的另一侧端，所述光谱分析仪、变量累积分析仪依次安装在所述激光接收器远离所述流体方形管路的一侧，所述变量累积分析仪与所述数据存储器连接，所述流体方形管路上与所述激光平行光束发生器、激光接收器的相接面均设置有垂直于流体流向的透明视窗。

进一步地，所述变量累积分析仪由调制解调器、PLC控制器和显示器组成，所述调制解调器、PLC控制器和显示器依次电连接，所述PLC控制器还电连接所述数据存储器。

进一步地，所述激光平行光束发生器的发射功率根据流体方形管路中流体的透明度进行手动连续调节，调节的范围为0-80W。

进一步地，所述凹面镜的直径大于所述流体方形管路垂直于流体流向的截面的内径。

进一步地，所述透明视窗的高度H小于所述流体方形管路的内径高度，所述透明视窗的宽度W＝K·NV/FS，其中K为修正系数，N为流体方形管路中流体对所述透明视窗的折射率，V为流体的体积流量，F为所述光谱分析仪的分析频率，S为流体方形管路垂直于流体流向的截面积。

进一步地，所述修正系数的取值范围为0.8-1.2。

进一步地，所述修正系数的取值范围为1.0。

还公开了一种流体激光光谱分析方法，具体包括以下步骤：

S1、所述激光平行光束发生器从凹面镜的焦点处向凹面镜发出激光光源，经凹面镜反射成平行的激光束；

S2、所述激光平行光束发生器产生的平行激光束穿过流体方形管路侧面的垂直于流体流向的透明视窗形成光柱，光柱穿过所述流体方形管路中的液体，再穿过所述流体方形管路另一侧面相同位置相同大小的透明视窗；

S3、所述激光接收器接收另一侧面透明视窗射出的平行激光束，并聚焦成一束激光；

S4、所述光谱分析仪接收聚焦过的激光束，并对其进行定性和定量分析，然后生成光电信号；

S5、所述变量累积分析仪接收所述光电信号，传入所述调制解调器进行解调，再通过所述PLC控制器进行处理，最后发送给所述显示器将所需变量的累计结果进行显示，同时发送给数据存储器进行自动存储。

本发明的有益效果是：本发明激光平行光束发生器发生的平行激光延此缝射入流体方形管路中，垂直于流体方向穿过流体，激光接收器接收发射的穿过流体的激光，光谱分析仪对接收的激光进行合束成一束激光，再由光谱分析仪进行定性和定量的分析，再由变量累积分析仪对定量分析的结果进行累积计算生成随时间变化的累积量，最后通过显示器将累计结果进行显示，同时发送给数据存储器对累计结果进行存储，实现对液体的在线品质进行判断，使得液态化工产品的计量在数量和质量上的控制能力得到大幅度提升。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明具体实施例1所述的一种流体激光光谱分析装置及方法的结构示意图；

图2为图1中激光平行光束发生器的光源反射图；

图3为图1中透明视窗的结构示意图；

图4为图1中变量累积分析仪的电路连接示意图；

图5为本发明具体实施例2所述的一种流体激光光谱分析装置及方法的结构示意图；

图6为本发明具体实施例3所述的一种流体激光光谱分析装置及方法的结构示意图；

附图标记：

1-激光平行光束发生器；11-凹面镜；111-焦点处；2-流体方形管路；3-激光接收器；4-光谱分析仪；5-变量累积分析仪；51-调制解调器；52-PLC控制器；53-显示器；6-数据存储器；7、8-透明视窗。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

如图1-4所示，本发明所提供的一种流体激光光谱分析装置，包括激光平行光束发生器1、激光接收器3、光谱分析仪4、变量累积分析仪5以及数据存储器6，所述光平行光束发生器1安装在承载待检测液体的流体方形管路2的一侧端，所述光平行光束发生器1内设置有凹面镜11，所述激光接收器3安装在所述流体方形管路2的另一侧端，所述光谱分析仪4、变量累积分析仪5依次安装在所述激光接收器3远离所述流体方形管路2的一侧，所述变量累积分析仪5与所述数据存储器6连接，所述流体方形管路2上与所述激光平行光束发生器1、激光接收器3的相接面均设置有垂直于流体流向的透明视窗7、8。

进一步地，所述变量累积分析仪5由调制解调器51、PLC控制器52和显示器53组成，所述调制解调器51、PLC控制器52和显示器53依次电连接，所述PLC控制器52还电连接所述数据存储器6。

进一步地，所述激光平行光束发生器1的发射功率根据流体方形管路中流体的透明度进行手动连续调节，调节的范围为0-80W。

进一步地，所述凹面镜11的直径大于所述流体方形管路2垂直于流体流向的截面的内径。

进一步地，所述透明视窗7、8的高度H小于所述流体方形管路的内径高度，所述透明视窗7、8的宽度W＝K·NV/FS，其中K为修正系数，N为流体方形管路中流体对所述透明视窗的折射率，V为流体的体积流量，F为所述光谱分析仪的分析频率，S为流体方形管路2垂直于流体流向的截面积。

进一步地，所述修正系数的取值范围为0.8-1.2。

进一步地，所述修正系数的取值范围为1.0。

还公开了一种流体激光光谱分析方法，具体包括以下步骤：

S1、所述激光平行光束发生器1从凹面镜11的焦点处111向凹面镜11发出激光光源，经凹面镜11反射成平行的激光束；

S2、所述激光平行光束发生器1产生的平行激光束穿过流体方形管路2侧面的垂直于流体流向的透明视窗7形成光柱，光柱穿过所述流体方形管路2中的液体，再穿过所述流体方形管路2另一侧面相同位置相同大小的透明视窗8；

S3、所述激光接收器3接收另一侧面透明视窗8射出的平行激光束，并聚焦成一束激光；

S4、所述光谱分析仪4接收聚焦过的激光束，并对其进行定性和定量分析，然后生成光电信号；

S5、所述变量累积分析仪5接收所述光电信号，传入所述调制解调器51进行解调，再通过所述PLC控制器52进行处理，最后发送给所述显示器53将所需变量的累计结果进行显示，同时发送给所述数据存储器6进行自动存储。

如图5所示，测试时还可以将激光平行光束发生器1设置在流体方形管路2的上方，激光接收器3、光谱分析仪4、变量累积分析仪5顺次安装在流体方形管路2的下方，具体分析过程同上。

如图6所示，为验证光谱分析仪4和变量累积分析仪5的测量分析结果，在流体方形管路2的上下面上同时布置了同样的流体激光光谱分析装置，其中：把同样的激光平行光束发生器1、激光接受器3、光谱分析仪4和变量累积分析仪5按以上方法安装在流体方形管路2的上下面上，并使得侧面和上下面发生的激光束都在同一个截面上。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种流体激光光谱分析装置，其特征在于：包括激光平行光束发生器、激光接收器、光谱分析仪、变量累积分析仪以及数据存储器，所述光平行光束发生器安装在承载待检测液体的流体方形管路的一侧端，所述光平行光束发生器内设置有凹面镜，所述激光接收器安装在所述流体方形管路的另一侧端，所述光谱分析仪、变量累积分析仪依次安装在所述激光接收器远离所述流体方形管路的一侧，所述变量累积分析仪与所述数据存储器连接，所述流体方形管路上与所述激光平行光束发生器、激光接收器的相接面均设置有垂直于流体流向的透明视窗，所述透明视窗的高度H小于所述流体方形管路的内径高度，所述透明视窗的宽度W＝K·NV/FS，其中K为修正系数，N为流体方形管路中流体对所述透明视窗的折射率，V为流体的体积流量，F为所述光谱分析仪的分析频率，S为流体方形管路垂直于流体流向的截面积，所述凹面镜的直径大于所述流体方形管路垂直于流体流向的截面的内径，所述修正系数的取值范围为0.8-1.2。

2.根据权利要求1所述的一种流体激光光谱分析装置，其特征在于：所述变量累积分析仪由调制解调器、PLC控制器和显示器组成，所述调制解调器、PLC控制器和显示器依次电连接，所述PLC控制器还电连接所述数据存储器。

3.根据权利要求2所述的一种流体激光光谱分析装置，其特征在于：所述激光平行光束发生器的发射功率根据流体方形管路中流体的透明度进行手动连续调节，调节的范围为0-80W。

4.根据权利要求1所述的一种流体激光光谱分析装置，其特征在于：所述修正系数的取值范围为1.0。

5.根据权利要求2-3任一项所述的一种流体激光光谱分析装置的流体激光光谱分析方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

S1、所述激光平行光束发生器从凹面镜的焦点处向凹面镜发出激光光源，经凹面镜反射成平行的激光束；

S2、所述激光平行光束发生器产生的平行激光束穿过流体方形管路侧面的垂直于流体流向的透明视窗形成光柱，光柱穿过所述流体方形管路中的液体，再穿过所述流体方形管路另一侧面相同位置相同大小的透明视窗；

S3、所述激光接收器接收另一侧面透明视窗射出的平行激光束，并聚焦成一束激光；

S4、所述光谱分析仪接收聚焦过的激光束，并对其进行定性和定量分析，然后生成光电信号；

S5、所述变量累积分析仪接收所述光电信号，传入所述调制解调器进行解调，再通过所述PLC控制器进行处理，最后发送给所述显示器将所需变量的累计结果进行显示，同时发送给数据存储器进行自动存储。

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