CN110907394A - 一种伴热抽取式tdlas气体分析系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种伴热抽取式TDLAS气体分析系统，包含：高温气体采样器，实现抽取式气体取样；现场端一体化保温箱，包含高温检测池、反射镜、探测器与电路板；采集的气体被送入到高温检测池，激光器发出的激光经过高温检测池后被气体吸收，经过气体吸收后的激光通过反射镜反射到探测器上，通过探测器上的光电转换电路得到二次谐波信号，第一电路板上的第一信号采集电路采集所述二次谐波信号，并由第一电路板上的信号输出电路输出；客户端分析机接收信号输出电路的输出的二次谐波信号，并进行浓度反演计算，得到气体浓度计算结果。本发明可避免温度对气体吸收线强的影响，提高系统的灵敏度和精度。
Description
技术领域
本发明涉及气体监测设备，特别涉及一种伴热抽取式TDLAS(Tunable DiodeLaser Absorption Spectroscopy，可调谐半导体激光吸收光谱)气体分析系统及方法。
背景技术
目前，对痕量气体浓度的分析技术是多种多样的，但是为了满足对大气中的痕量气体进行监测，必须满足两个重要的要求：一是作为一种可用的监测技术，必须具有足够高的灵敏度以便能够检测到野外条件下的痕量气体浓度。这个条件是非常苛刻的，但是必须满足，因为对于某些痕量气体，其在大气中的浓度可能低到0.1ppt到几个ppb，但是对大气的化学过程却有着重要的影响。因此，根据具体的应用，检测限要求在0.1ppt到几个ppb的范围。二是，作为一种监测技术，它必须是精确的。这意味着用这种技术反演得到的测量的痕量气体的浓度，不会受到同时存在的其它痕量气体的影响。
对监测技术更深一层的要求可能包括：基于这种技术的仪器设计和应用尽可能的简单，与传统的先采样后分析相比，能够实现实时测量，能够实现无人值守等。同时要考虑的是仪器的重量、灵活性，以及野外操作条件等等。
TDLAS技术中用到了调制光谱技术，它有两个方面的优点，首先它产生一个与痕量气体浓度直接成比例的谐波信号，而不是象传统吸收测量方法那样，在大的信号上测量小的变化，这样减少了不稳定性。另外，这种技术还可以实现在激光噪声被大大缩减的频率上检测信号。
目前在TDLAS系统中有两种类型的调制技术：波长调制光谱(WMS)和频率调制光谱(FMS)。这两个概念容易引起误解，因为这两种方法实际上都是对激光器的波长(光学频率)进行调制。重要的不同是：FMS的调制频率等于或者大于吸收线宽，而WMS的调制频率是远远小于线宽的。因此，FMS用的调制频率一般在500MHz左右，而WMS的调制频率在50KHz左右。近来发现，因为WMS和FMS之间没有本质的区别，所以使其工作在1到50MHZ的频率下，能够得到FMS的工作优点，而花费不高。
其中，波长调制光谱(WMS)的基本试验装置如图1所示，探测器用来接收激光吸收信号，锁相放大器用来检测二次谐波信号。如图2所示，通过调制模块产生调制波，改变激光器驱动电流，激光器的频率被调制，当光通过样品池的时候，在有吸收线的频率上，激光器的频率调制将产生辐射强度的调制，如图3所示，然后信号被锁相放大器(对于WMS)或者混频器(对于FMS)检测。调制波形由一个低频的基波(图2左段)加上高频的正弦波(图2右段)组成。基波一般为锯齿波，它的扫描实现了激光的波长改变，正弦波是为了谐波检测和抑制噪声。在几个常用的调制波形中，第一种(图2上)为最基本的一种形式，理论上就是要这样的一种调制波形就够了，第二种(图2中)是一种改进形式，它的目的是使激光器的波长调谐到最大后，缓慢的恢复到初始位置，避免了波长的跳变在探测到的信号起始点和终止点出现异常数据。第三种(图2下)形式，是为了调谐更长的波长范围，这种方式下，可以实现多组分的痕量气体同时监测。
基于上述，研发一种伴热抽取式TDLAS气体分析系统及方法实为必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种伴热抽取式TDLAS气体分析系统及方法，避免温度对气体吸收线强的影响，提高系统的灵敏度和精度。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种伴热抽取式TDLAS气体分析系统，包含：
高温气体采样器，实现抽取式气体取样；
现场端一体化保温箱，与所述高温气体采样器连接，用于接收所述高温气体采样器输送的气体；现场端一体化保温箱包含高温检测池、反射镜、探测器与电路板；所述气体被送入到所述高温检测池，激光器发出的激光经过所述高温检测池后被所述气体吸收，经过气体吸收后的激光通过所述反射镜反射到探测器上，通过所述探测器上的光电转换电路得到二次谐波信号，所述电路板上的第一信号采集电路采集所述二次谐波信号，并由电路板上的信号输出电路输出；
与所述现场端一体化保温箱通信连接的客户端分析机，接收所述信号输出电路的输出的二次谐波信号，并进行浓度反演计算，得到气体浓度计算结果。
优选地，所述高温气体采样器固定在烟道壁上，所述高温气体采样器的取样口通过手工测孔设置在烟道内部，以实现抽取式取样；
所述高温气体采样器的输出端通过连接管与所述现场端一体化保温箱连接，用于将气体输送至所述现场端一体化保温箱内的所述高温检测池。
优选地，所述高温气体采样器还与一反向吹灰气路的出气端连接，且所述反向吹灰气路的进气端设置压缩气源接头，所述压缩气源接头用于连接压缩气源，所述反向吹灰气路将所述压缩气源所提供的压缩气体输出至所述高温气体采样器内部，对所述高温气体采样器内部进行反吹，清除高温气体采样器内部粉尘颗粒。
优选地，所述高温气体采样器设置过滤器。
优选地，所述连接管为高温伴热管。
优选地，所述现场端一体化保温箱包含高温区、中温度和低温区；所述温检测池位于所述高温区，所述反射镜位于所述中温区，所述探测器和所述电路板位于所述低温区。
优选地，所述低温区还包含电气控制装置，所述电气控制装置包含PLC控制模块、电磁阀、温度控制模块，所述PLC控制模块通过输出控制信号来控制所述电磁阀的开闭，以控制所述气动阀的关闭或开启，实现气体分析过程持续进行。
优选地，所述客户端分析机设置第二信号采集电路和通信模块，所述客户端分析机通过所述通信模块与所述现场端一体化保温箱的所述信号输出电路通信连接，使得所述第一信号采集电路接收所述信号输出电路输出的信号。
优选地，所述客户端分析机设置人机界面模块，用于显示出计算结果。
本发明一种基于如上文所述的伴热抽取式TDLAS气体分析系统的气体分析方法，该方法包含以下过程：
高温气体采样器实现抽取式气体取样，采样后的气体被送入到高温检测池；激光器发出的激光经过所述高温检测池后被气体吸收，经过气体吸收后的激光通过反射镜反射到探测器上；
通过所述探测器上的光电转换电路得到二次谐波信号，电路板上的第一信号采集电路采集所述二次谐波信号，并由电路板上的信号输出电路输出；
客户端分析机接收所述信号输出电路的输出的二次谐波信号，并进行浓度反演计算，得到气体浓度计算结果。
与现有技术相比，本发明有益效果为：本发明的伴热抽取式TDLAS气体分析系统可以避免温度对气体吸收线强的影响，提高系统的灵敏度和精度。
附图说明
图1为现有技术中波长调制光谱的基本试验构成图；
图2为现有技术中常用的基本调制波形；
图3为现有技术中调制频率通过吸收线示意图；
图4-图5为本发明的抽取式TDLAS系统结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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4-图5结合所示，本发明提供了一种伴热抽取式TDLAS气体分析系统，包含高温气体采样器51、现场端一体化保温箱100和客户端分析机200，现场端一体化保温箱100与客户端分析机200进行通信连接。
高温气体采样器51固定在烟道壁55上，高温气体采样器51的取样口通过手工测孔设置在烟道内部，以实现抽取式取样，使得取样更具代表性。高温气体采样器51的输出端通过连接管52与现场端一体化保温箱100连接，用于将气体输送至现场端一体化保温箱100内。另外，本发明的高温气体采样器51还可与一反向吹灰气路的出气端连接，且反向吹灰气路的进气端设置有压缩气源接头。压缩气源接头用于连接压缩气源，反向吹灰气路能够将压缩气源所提供的压缩气体输出至高温气体采样器51内部，对高温气体采样器内部进行反吹，清除高温气体采样器内部粉尘颗粒，保证取样结果的准确稳定以提高检测结果精准。
示例地，高温气体采样器还可设置过滤器，用于对气体进行过滤。
优选地，所述连接管为高温伴热管。
所述现场端一体化保温箱100包含高温区、中温区和低温区，其中，由于气体吸收光谱特征和温度有关，因此需要高温伴热；低温区是电子电路部分；中温是过渡区域；示例地，高温区的温度范围为100℃以上，中温区的温度范围为40-100℃，低温区的温度范围为-40℃～40℃。
所述高温区包含高温检测池1；所述中温区包含反射镜4；所述低温区包含电气控制装置5、探测器6和电路板7。本实施例中，通过高温气体采样器抽取现场气体，并将其送入高温区的高温检测池1。
所述电气控制装置5具体包含PLC控制模块、电磁阀、温度控制模块。所述PLC控制模块通过输出控制信号来控制电磁阀的开闭，从而控制气动阀的关闭或开启，控制气体分析过程持续进行。
所述探测器6上设置光电转换电路，用于将光信号转换成电信号，可得到二次谐波信号。其中，电路板7上包含信号采集电路与信号输出电路分别用于进行二次谐波信号(2F信号)的提取与二次谐波信号的输出，所述电路板7还设置控制参数的电路。电路板7还可进行温度信号、压力信号等的采集。
本实施例中，当激光器发出的一束激光经过高温检测池1后会被气体吸收，经过气体吸收后的激光通过反射镜4反射到探测器6上，并经过探测器6上的光电转换电路将光信号转换成电信号，得到二次谐波信号，所述信号采集电路采集该二次谐波信号，并由信号输出电路输出。
如图4所示，客户端分析机设置电路板8，所述电路板8上包含信号采集电路和通信模块，客户端分析机通过通信模块与所述现场端一体化保温箱内的信号输出电路通信连接，使得信号采集电路接收到所述信号输出电路输出的信号，从而得到直接吸收信号。
所述客户端分析机包含软件模块，在客户端分析机接收直接吸收信号对应的电信号后，利用机器学习方法进行浓度反演计算，得到氨逃逸浓度计算结果，并通过浓度输出模块以4-20mA模拟量的方式输出气体浓度。本发明通过客户端分析机设置的人机界面，显示出计算结果。其中，本发明的机器学习方法进行浓度反演计算为现有技术，即可调用深度学习算法中的相关的库函数实现，本发明在此不做赘述
本发明的伴热抽取式TDLAS气体分析系统可以避免温度对气体吸收线强的影响，提高系统的灵敏度和精度。
综上所述，本发明的伴热抽取式TDLAS气体分析系统可以避免温度对气体吸收线强的影响，提高系统的灵敏度和精度。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种伴热抽取式TDLAS气体分析系统，其特征在于，包含：
高温气体采样器，实现抽取式气体取样；
现场端一体化保温箱，与所述高温气体采样器连接，用于接收所述高温气体采样器输送的气体；现场端一体化保温箱包含高温检测池、反射镜、探测器与电路板；所述气体被送入到所述高温检测池，激光器发出的激光经过所述高温检测池后被所述气体吸收，经过气体吸收后的激光通过所述反射镜反射到探测器上，通过所述探测器上的光电转换电路得到二次谐波信号，所述电路板上的第一信号采集电路采集所述二次谐波信号，并由电路板上的信号输出电路输出；
与所述现场端一体化保温箱通信连接的客户端分析机，接收所述信号输出电路的输出的二次谐波信号，并进行浓度反演计算，得到气体浓度计算结果。
2.如权利要求1所述的伴热抽取式TDLAS气体分析系统，其特征在于，所述高温气体采样器固定在烟道壁上，所述高温气体采样器的取样口通过手工测孔设置在烟道内部，以实现抽取式取样；
所述高温气体采样器的输出端通过连接管与所述现场端一体化保温箱连接，用于将气体输送至所述现场端一体化保温箱内的所述高温检测池。
3.如权利要求2所述的伴热抽取式TDLAS气体分析系统，其特征在于，所述高温气体采样器还与一反向吹灰气路的出气端连接，且所述反向吹灰气路的进气端设置压缩气源接头，所述压缩气源接头用于连接压缩气源，所述反向吹灰气路将所述压缩气源所提供的压缩气体输出至所述高温气体采样器内部，对所述高温气体采样器内部进行反吹，清除高温气体采样器内部粉尘颗粒。
4.如权利要求1所述的伴热抽取式TDLAS气体分析系统，其特征在于，所述高温气体采样器设置过滤器。
5.如权利要求2所述的伴热抽取式TDLAS气体分析系统，其特征在于，所述连接管为高温伴热管。
6.如权利要求1所述的伴热抽取式TDLAS气体分析系统，其特征在于，所述现场端一体化保温箱包含高温区、中温度和低温区；
所述温检测池位于所述高温区，所述反射镜位于所述中温区，
所述探测器和所述电路板位于所述低温区。
7.如权利要求6所述的伴热抽取式TDLAS气体分析系统，其特征在于，所述低温区还包含电气控制装置，所述电气控制装置包含PLC控制模块、电磁阀、温度控制模块，所述PLC控制模块通过输出控制信号来控制所述电磁阀的开闭，以控制所述气动阀的关闭或开启，实现气体分析过程持续进行。
8.如权利要求1所述的伴热抽取式TDLAS气体分析系统，其特征在于，所述客户端分析机设置第二信号采集电路和通信模块，所述客户端分析机通过所述通信模块与所述现场端一体化保温箱的所述信号输出电路通信连接，使得所述第一信号采集电路接收所述信号输出电路输出的信号。
9.如权利要求1所述的伴热抽取式TDLAS气体分析系统，其特征在于，所述客户端分析机设置人机界面模块，用于显示出计算结果。
10.一种基于如权利要求1-9任意一项所述的伴热抽取式TDLAS气体分析系统的气体分析方法，其特征在于，该方法包含以下过程：
高温气体采样器，实现抽取式气体取样，采样后的气体被送入到高温检测池；
激光器发出的激光经过所述高温检测池后被气体吸收，经过气体吸收后的激光通过反射镜反射到探测器上；
通过所述探测器上的光电转换电路得到二次谐波信号，电路板上的第一信号采集电路采集所述二次谐波信号，并由电路板上的信号输出电路输出；
客户端分析机接收所述信号输出电路的输出的二次谐波信号，并进行浓度反演计算，得到气体浓度计算结果。
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