CN110411971B - 一种甲烷和非甲烷总烃含量的在线监测装置 - Google Patents
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Abstract
一种甲烷和非甲烷总烃的在线监测装置，涉及工业控制技术领域，解决现有检测装置存在检测速度慢且检测装置复杂等问题，包括中红外LED、近红外激光器、电光调制器、滤光片、气体吸收池、分光棱镜、热释电中红外探测器、近红外光电二极管、全波整流桥、模数转换器和抽样装置。本发明采用中红LED光源和近红外半导体激光器，使用同一个光学气体吸收池同时测量总烃和甲烷的浓度。使用外调制技术对中红外光源和近红外光源进行同步同频率调制，通过反射镜片组实现多次反射增加通光路径以提高气体检测的灵敏度，使用不同波段的光电探测器可以避免不同被测量组分之间的相互干扰。
Description
技术领域
本发明涉及工业控制技术领域，具体涉及一种甲烷和非甲烷总烃含量的在线监测装置。
背景技术
随着经济的发展和社会的进步，诸多工业产业在生产过程中产生了大量的VOCs(可挥发性有机物)，环境空气中既然普遍存在各类VOCs，各类VOCs又具有对大气环境和人体健康的双重危害，我国相关的空气质量标准和排放标准包含各类VOCs，国内外环境空气VOCs的标准分析方法的目标物也有各类VOCs，
目前，对大气中各类VOCs进行监测的方法很多：PID传感器和热导检测器对所有VOCs都有响应，但敏捷度和精度相对较低，且无法区分不同成分的含量比例。气相色谱法：检测精度高且能区分大多数VOCS的类型，但检测速度慢，检测过程需要使用耗材。尚缺少一种可以连续长时间快速在线监测的方法。
发明内容
本发明为解决现有检测装置存在检测速度慢且检测装置复杂等问题，提供了一种甲烷和非甲烷总烃含量的在线监测装置。
一种甲烷和非甲烷总烃含量的在线监测装置，包括主控制器、中红外LED、近红外激光器、电光调制器、滤光片、气体吸收池、分光棱镜、中红外热释电探测器、近红外光电二极管、全波整流桥、模数转换器和抽样装置；所述中红外LED和所述近红外激光器同时与所述电光调制器连接，所述电光调制器和所述滤光片连接，所述滤光片和所述气体吸收池连接，所述气体吸收池同时与所述分光棱镜和抽样装置连接；
所述分光棱镜同时与所述中红外热释电探测器以及所述近红外光电二极管连接；所述全波整流桥同时与所述中红外热释电探测器以及所述近红外光电二极管连接，所述全波整流桥与所述模数转换器连接，所述主控制器与光电调制器连接；
被测气体经过所述抽样装置充满所述气体吸收池内；所述主控制器控制电光调制器分别对近红外激光器以及中红外LED的工作电流进行调制；使所述近红外激光器发射出波长为1.65um的明暗交替变化的激光，该波长对应甲烷在近红外波段的强吸收光谱区；使所述中红外LED发射出波长为3.3um-3.4um的明暗交替变化的光；
经所述电光调制器出射的光信号经滤光片进入气体吸收池，从气体吸收池输出的光信号经过分光棱镜分光后，中红外波段的光信号输入到中红外热释电探测器，近红外波段的光信号输入到近红外光电二极管中；
从所述中红外热释电探测器和近红外光电二极管中输出的与光信号线性相关的电压信号经过全波整流桥转化为直流电压信号，通过模数转换器对所述电压信号进行采集，采用主控制器计算所述近红外波段和中红外波段气体的浓度测量数据，所述近红外波段的浓度测量数据对应被测气体中甲烷含量，中红外波段的浓度测量数据对应被测气体中总烃含量，所述总烃含量与甲烷含量的差值即为对应非甲烷总烃的含量。
本发明的有益效果：本发明所述的检测装置实现VOCS中甲烷和非甲烷总烃含量的实时准确的在线监测，本发明使用不同波段的光学的检测手段进行多组分气体含量分析，避免了传统基于理化原理的测量方法中耗材的使用，实现真正的无损检测。测量速度快，可在线连续长时间检测。使用同一个光学气体吸收池同时测量总烃和甲烷的浓度，节省成本。使用不同波段的光信号来检测不同气体组分的含量可以避免不同被测量组分之间的相互干扰。
附图说明
图1为本发明所述的一种甲烷和非甲烷总烃含量的在线监测装置的结构框图。
图2为具体实施方式二所述的一种甲烷和非甲烷总烃含量的在线监测装置的结构框图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，一种甲烷和非甲烷总烃含量的在线监测装置，结合图1，所述监测装置包括主控制器1、中红外LED3、近红外激光器2、电光调制器4、滤光片5、气体吸收池6、分光棱镜7、中红外热释电探测器8、近红外光电二极管9、全波整流桥10、模数转换器11和抽样装置12；
所述中红外LED3和所述近红外激光器2同时和所述电光调制器4连接，所述电光调制器4和所述滤光片5连接，所述滤光片5和所述气体吸收池6连接，所述气体吸收池6和所述分光棱镜7连接，所述分光棱镜7和所述中红外热释电探测器8以及所述近红外光电二极管9同时连接。所述全波整流桥10与和所述中红外热释电探测器8以及所述近红外光电二极管9同时连接，所述模数转换器11和所述全波整流桥连接10。所述抽样装置12和所述气体吸收池6连接。
被测气体经过所述抽样12装置充满所述气体吸收池6内；所述主控制器1控制电光调制器分别对近红外激光器2以及中红外LED 3的工作电流均以5Hz的频率进行调制；使所述近红外激光器2发射出波长为1.65um的明暗交替变化的激光，该波长对应甲烷在近红外波段的强吸收光谱区；使所述中红外LED 3发射出波长为3.3um-3.4um的明暗交替变化的光；
经所述电光调制器4出射两个不同波长的光信号经滤光片5进入气体吸收池6，并且在气体吸收池7内部的反射镜片组之间来回反射增加光线在被检测气体的空间内通过的路径长度(其中，反射镜片组置于被测挥发气体环境中)，提高了被测挥发气体检测的灵敏性。从气体吸收池6输出的光信号经过分光棱镜7分光后，中红外波段的光信号输入到中红外热释电探测器8，近红外波段的光信号输入到近红外光电二极管9中；
从所述中红外热释电探测器8和近红外光电二极管9中输出的与光信号线性相关的电压信号经过全波整流桥10转化为直流电压信号，通过模数转换器11对所述电压信号进行采集，采用主控制器1计算所述近红外波段和中红外波段气体的浓度测量数据，所述近红外波段的浓度测量数据对应被测气体中甲烷含量n1，中红外波段的浓度测量数据对应被测气体中总烃含量n0，所述总烃含量n0与甲烷含量n1的差值n0-n1即对应非甲烷总烃的含量n2。
本实施方式中，所述气体吸收池6内部包括三个球面反射镜，包括两个半径相同的第一镜片12和一个半径为第一镜片半径两倍的第二镜片13，两个第一镜片12放置于同一平面上，第二镜片13与两个第一镜片12互为对面放置。两个相同的小半径球面镜圆心位于大半径球面镜焦点1/2的处。入射到第一镜片的光纤会在3个球面反射镜片之间进行多次反射，反射次数可达40次，可极大增加光纤穿过气体吸收池内经过的路程。
本实施方式中，所述滤光片5为透光波段为1.6um-1.7um以及3.3um-3.4um两个波段的光学窗片，其余波段的光不可通过。所述分光棱镜7为将近红外和中红外波段的光纤分开成为两束不同光线的光学棱镜。
本实施方式中，所述中红外LED3为发射波长为3.3um-3.4um的发光二极管，发射功率大于等于1瓦的半导体发光元件。所述近红外激光器2为工作波长为1.65um的半导体激光器，工作波长对应甲烷在近红外波段的强吸收光谱区。
具体实施方式二、结合图2说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述的一种甲烷和非甲烷总烃含量的在线监测装置的另一种结构，其中，采用镍铬合金光源16替换中红外LED3，采用步进电机14和固定于所述步进电机14转轴上的外调制挡光片15替换电光调制器4；去掉分光棱镜7，采用双波长红外光电探测器17替换所述中红外热释电探测器8和近红外光电二极管9；
所述外调制挡光片15随着步进电机14的转动，对镍铬合金光源16发射的波长为2～5um，中红外光信号进行周期性的阻挡，产生明暗调制，通过主控制器1控制步进电机14的转速实现对中红外光源明暗调制频率的控制。其调制频率与对近红外激光器2的工作电流调制频率频率完全相同。所述近红外激光器2为工作波长为1.65um的半导体激光器，工作波长对应甲烷在近红外波段的强吸收光谱区。
两种不同波长的光信号经过同一个滤光片进入气体吸收池7，并且在气体吸收池7内部的反射镜片组之间来回反射增加光线在被检测气体的空间内通过的路径长度(其中，反射镜片组置于被测挥发气体环境中)，提高了被测挥发气体检测的灵敏性。从气体吸收池6内部输出的两种不同波长的光信号经过双波长热释电红外探测器后转换成两路频率和电光调制器4的调制频率相同的交流电压信号，两路交流电压信号的幅度的变化率分别对应近红外和中红外波段光信号由于气体吸收波导致的衰减量；
所述两路交流电压信号经过全波整流桥10转化为直流电压信号，通过模数转换器11对所述电压信号进行采集，通过主控制器1计算所述近红外波段和中红外波段气体的浓度测量数据，所述近红外波段的浓度测量数据对应被测气体中甲烷含量n1，中红外波段的浓度测量数据对应被测气体中总烃含量n0，所述总烃含量n0与甲烷含量n1的差值n0-n1即对应非甲烷总烃的含量n2。
本实施方式中，所述镍铬合金光源16为通过镍铬合金丝加热到1100℃时，发射出波长为2～5um，功率大于等于10瓦的中红外发光元件。所述镍铬合金丝比LED更加廉价且有更大的输出功率，可以省去电光调制器，具有更低的成本。
本实施方式中，去掉所述分光棱镜7，并且将所述中红外热释电探测器8和近红外光电二极管9可更换为双波长红外光电探测器17，这是一种在同一个器件上集成有两种不同感光材料(近红外感光材料常用的是铟镓砷磷和中红外感光材料常用的是钽酸锂)以及两组对应输出信号的红外光探测器。
本实施方式中，所述双波长热释电红外探测器17为具有两种不同光敏材料，分别响应近红外和中红外波段的双感光面的光电探测器。
本实施方式所述的监测装置可以将接收光汇聚到同一点上，因此不同波长的信号会有完全一致的通光路径，减少了不同被测气体种类的含量因通光路径的差异造成的测量误差。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述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：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，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 (8)
1.一种甲烷和非甲烷总烃的在线监测装置，包括主控制器(1)、中红外LED(3)、近红外激光器(2)、电光调制器(4)、滤光片(5)、气体吸收池(6)、分光棱镜(7)、中红外热释电探测器(8)、近红外光电二极管(9)、全波整流桥(10)、模数转换器(11)和抽样装置；其特征是：
所述中红外LED(3)和所述近红外激光器(2)同时与所述电光调制器(4)连接，所述电光调制器(4)和所述滤光片(5)连接，所述滤光片(5)和所述气体吸收池(6)连接，所述气体吸收池(6)同时与所述分光棱镜(7)和抽样装置连接；
所述分光棱镜(7)同时与所述中红外热释电探测器(8)以及所述近红外光电二极管(9)连接；所述全波整流桥(10)同时与所述中红外热释电探测器(8)以及所述近红外光电二极管(9)连接，所述全波整流桥(10)与所述模数转换器(11)连接，所述主控制器(1)与电光调制器(4)连接；
被测气体经过所述抽样装置充满所述气体吸收池(6)内；所述主控制器(1)控制电光调制器分别对近红外激光器(2)以及中红外LED(3)的工作电流进行调制；使所述近红外激光器(2)发射出波长为1.65um的明暗交替变化的激光，该波长对应甲烷在近红外波段的强吸收光谱区；使所述中红外LED(3)发射出波长为3.3um-3.4um的明暗交替变化的光；
经所述电光调制器(4)出射的光信号经滤光片(5)进入气体吸收池(6)，从气体吸收池(6)输出的光信号经过分光棱镜(7)分光后，中红外波段的光信号输入到中红外热释电探测器(8)，近红外波段的光信号输入到近红外光电二极管(9)中；
从所述中红外热释电探测器(8)和近红外光电二极管(9)中输出的与光信号线性相关的电压信号经过全波整流桥(10)转化为直流电压信号，通过模数转换器(11)对所述电压信号进行采集，采用主控制器(1)计算所述近红外波段和中红外波段气体的浓度测量数据，所述近红外波段的浓度测量数据对应被测气体中甲烷含量，中红外波段的浓度测量数据对应被测气体中总烃含量，所述总烃含量与甲烷含量的差值即为对应非甲烷总烃的含量。
2.根据权利要求1所述的一种甲烷和非甲烷总烃的在线监测装置，其特征在于：所述气体吸收池(6)内部包括三个球面反射镜，分别为两个半径相同的第一镜片(12)和一个半径为第一镜片半径两倍的第二镜片(13)，两个第一镜片(12)放置于同一平面上，第二镜片(13)与两个第一镜片(12)相对放置；两个相同半径第一镜片的圆心位于第二镜片焦点的1/2处。
3.根据权利要求1所述的一种甲烷和非甲烷总烃的在线监测装置，其特征在于：所述滤光片(5)为透光波段为1.6um-1.7um以及3.3um-3.4um两个波段的光学窗片。
4.根据权利要求1所述的一种甲烷和非甲烷总烃的在线监测装置，其特征在于：所述主控制器(1)控制电光调制器(4)同时对近红外激光器(2)和中红外LED(3)的工作电流进行调制，且调制频率频率相同。
5.根据权利要求1所述的一种甲烷和非甲烷总烃的在线监测装置，其特征在于：采用镍铬合金光源(16)替换中红外LED(3)，采用步进电机(14)和固定于所述步进电机(14)转轴上的外调制挡光片(15)替换电光调制器(4)；去掉分光棱镜(7)，采用双波长热释电红外探测器(17)替换所述中红外热释电探测器(8)和近红外光电二极管(9)；
所述主控制器(1)控制步进电机带动外调制挡光片转动，所述外调制挡光片同时对镍铬合金光源发射的中红外光源和近红外激光器发射的近红外光源进行周期性的阻挡，产生明暗调制，通过主控制器控制步进电机的转速实现对中红外光源和近红外光源的调制频率的控制；
经外调制挡光片出射的光源经滤光片(5)进入气体吸收池(6)，从气体吸收池(6)内部输出的光信号经过双波长热释电红外探测器(17)后转换成两路频率和固定于所述步进电机转轴上的外调制挡光片(15)的调制频率相同的电压信号，两路交流电压信号的幅度的变化率分别对应近红外和中红外波段光信号由于气体吸收波导致的衰减量；
所述两路交流电压信号经过全波整流桥(10)转化为直流电压信号，通过模数转换器(11)对所述电压信号进行采集，通过主控制器(1)计算所述近红外波段和中红外波段气体的浓度测量数据，所述近红外波段的浓度测量数据对应被测气体中甲烷含量，中红外波段的浓度测量数据对应被测气体中总烃含量，所述总烃含量与甲烷含量的差值即对应非甲烷总烃的含量。
6.根据权利要求5所述的一种甲烷和非甲烷总烃的在线监测装置，其特征在于：所述双波长热释电红外探测器(17)为具有两种不同光敏材料，分别响应近红外和中红外波段的双感光面的光电探测器。
7.根据权利要求5所述的一种甲烷和非甲烷总烃的在线监测装置，其特征在于：所述气体吸收池(6)内部包括三个球面反射镜，分别为两个半径相同的第一镜片(12)和一个半径为第一镜片半径两倍的第二镜片(13)，两个第一镜片(12)放置于同一平面上，第二镜片(13)与两个第一镜片(12)相对放置；两个相同半径第一镜片的圆心位于第二镜片焦点的1/2处。
8.根据权利要求5所述的一种甲烷和非甲烷总烃的在线监测装置，其特征在于：所述主控制器(1)控制步进电机的转速实现对中红外光源和近红外光源的调制频率的控制；其调制频率与电光调制器对近红外激光器(2)和中红外LED的工作电流调制频率频率相同。
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- 2019-08-08 CN CN201910728579.6A patent/CN110411971B/zh active Active
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