CN110940632A - 一种基于tdlas的甲烷气体浓度的检测装置及检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及稻田甲烷气体浓度检测技术领域，具体涉及一种基于TDLAS的甲烷气体浓度的检测装置及检测方法，该装置包括无盖壳体，在无盖壳体中由下而上依次设置的包括电源、数据采集模块、驱动电路和检波电路的电路控制室、包括激光器和光电探测器的激光收发室和半开放式的多孔陶瓷气室，数据采集模块通过驱动电路控制激光器产生被调制的第一激光信号，第一激光信号经多孔陶瓷气室得到携带有气体特征吸收光谱的第二激光信号，光电探测器将第二激光信号转换为电信号并经检波电路后发送给数据采集模块，数据采集模块的输出端与外部的计算机相连。本发明不仅体积小，方便携带，而且由于其气室为开放式的气室，因此可以直接进行现场在线检测。

Description

一种基于TDLAS的甲烷气体浓度的检测装置及检测方法
技术领域
本发明涉及稻田甲烷气体浓度检测技术领域，具体涉及一种基于TDLAS的甲烷气体浓度的检测装置及检测方法。
背景技术
可调谐二极管激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)技术是上世纪80年代由美国科学家提出的，该技术是一种高灵敏、高分辨、快速、长时间动态在线监测的气体检测方法。通过采用窄带宽和波长可调的激光实现对气体分子的选择性吸收进行测量，精准地获取被测气体的浓度、温度和压力等参数。经过几十年的研究发展，TDLAS技术已经在环境大气及工业过程领域表现出了广泛的应用前景，实现了对CO2，CH4，CO等几十种常见气体浓度的高灵敏检测。在TDLAS系统中，尤其对于微量气体的弱吸收进行检测时，需要长光程气体吸收室来增强光程，提高探测最低检测限。目前常用的气室为赫里奥特吸收池，但是该吸收池价格较贵，而且体积较大，限制了TDLAS系统的小型化应用。另一方面，采用赫里奥特吸收池，在气体实际检测中，需要将待测气体抽样到吸收池中，无法满足在线检测的需求。因此，针对环境气体的高灵敏在线检测需求，TDLAS技术与开放式长光程技术结合发展出一种开放光程TDLAS方法。
发明人在实践中，发现上述现有技术存在以下缺陷：
上述基于TDLAS技术的开放式光程气体浓度检测装置受外界环境因素的影响较大，如大气颗粒物等，而且在应用于稻田甲烷气体检测时，该测量设备体积较大，不方便携带。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种基于TDLAS的甲烷气体浓度的检测装置及检测方法，所采用的技术方案具体如下：
第一方面，本发明实施例提供了一种基于TDLAS的甲烷气体浓度的检测装置，该检测装置包括无盖壳体，该检测装置还包括在所述无盖壳体中由下而上依次设置的包括电源、数据采集模块、驱动电路和检波电路的电路控制室、包括激光器和光电探测器的激光收发室和半开放式的多孔陶瓷气室，所述数据采集模块通过所述驱动电路控制所述激光器产生被调制的第一激光信号，所述第一激光信号经过所述多孔陶瓷气室后得到携带有气体特征吸收光谱的第二激光信号，所述光电探测器将所接收的所述第二激光信号转换为电信号并经所述检波电路检波后发送给所述数据采集模块，所述数据采集模块的输出端与外部的计算机相连。
第二方面，本发明实施例提供了一种基于TDLAS的甲烷气体浓度的检测方法，其特征在于，该检测方法包括以下步骤：
根据待测气体确定被调制的第一激光信号，将所述第一激光信号入射到多孔陶瓷气室，所述多孔陶瓷气室为半开放式气室；
所述第一激光信号在所述多孔陶瓷气室中经过所述待测气体吸收后得到携带有气体特征吸收光谱的第二激光信号；
将所述第二激光信号转换为电信号后进行检波，得到二次谐波信号；
对所述二次谐波信号进行处理后得到待测气体的浓度。
本发明具有如下有益效果：
由于本发明实施例的气室采用半开放式的多孔陶瓷气室，并且将激光器和光电探测器同侧设置，采用后向散射式的方式对激光进行收集，不仅能够增强光程而且能够提高陶瓷气室的利用率。本发明实施例所提供的检测装置不仅体积小，方便携带，而且由于其气室为开放式的气室，因此可以直接进行现场在线检测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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它附图。
图1为本发明一个实施例所提供的一种基于TDLAS的甲烷气体浓度的检测装置的框图；
图2为本发明另一个实施例所提供的关于壳体的结构示意图；
图3为关于厚度和孔隙率与等效平均光程的关系图；
图4为关于激光器和探测器的相对位置与等效光程的关系图；
图5为本发明另一个实施例所提供的待测气体检测过程框图；
图6为本发明另一个实施例所提供的关于陶瓷气室的结构示意图。
具体实施方式
为了更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种基于TDLAS的甲烷气体浓度的检测装置及检测方法，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。在下述说明中，不同的“一个实施例”或“另一个实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
需要说明的是，当元件被称为“设置”或者“连接”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的属于只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
下面结合附图具体的说明本发明所提供的一种基于TDLAS的甲烷气体浓度的检测方法及检测系统的具体方案。
请参阅图1和图2，其中，图1示出了本发明一个实施例提供的一种基于TDLAS的甲烷气体浓度的检测装置的框图，图2示出了关于壳体的结构示意图，目前测量稻田中甲烷气体含量的气体检测装置的体积较大，不方便携带。为了解决该问题，本发明实施例所提供的一种基于TDLAS的甲烷气体浓度的检测装置包括无盖壳体10，在该无盖壳体10中由下而上依次设置有电路控制室300、激光收发室200和多孔陶瓷气室100。
具体的，无盖壳体10是指在该壳体的上端是开放的，不封闭的。
在电路控制室300中安装有电源30、数据采集模块31、驱动电路32和检波电路33。电源30为各个模块进行供电，保证电路的正常运行。数据采集模块31用于控制驱动电路32的输出，同时采集数据。驱动电路32用于输出加载有所述调制信号的高频调制信号，并控制激光器21输出被调制的第一激光信号。检波电路33用于对光电探测器22所发送的电信号进行检波，获得二次谐波。该数据采集模块31的输出端与外部的计算机40相连，通过外部的计算机40的计算获得甲烷气体的浓度。
在激光收发室200中安装有激光器21和光电探测器22，激光器21用于向多孔陶瓷气室100中入射携带有调制信号的第一激光信号；光电探测器22用于接收从多孔陶瓷气室100中散射出的第二激光信号，并将该第二激光信号转换为电信号。
多孔陶瓷气室100为半开放式的气室，由于其为多孔散射介质，该多孔散射介质具有较强的光散射性，使得其具有明显的光程增强特性。在第一激光信号经过该多孔陶瓷气室100后得到携带有气体特征吸收光谱的第二激光信号。请参阅图5，具体到本实施例中，在进行探测时采用后向式探测，后向式探测相较于直接透射式探测，光走的路程更长，可以提高陶瓷的光程增强效果；并且相较于直接透射式探测，陶瓷气室的利用率更高，可以更快的储存待测气体。
综上所述，本发明实施例公开了一种基于TDLAS的甲烷气体浓度的检测装置，该检测装置包括无盖壳体、在所述无盖壳体中由下而上依次设置的包括电源、数据采集模块、驱动电路和检波电路的电路控制室、包括激光器和光电探测器的激光收发室和半开放式的多孔陶瓷气室。其中，数据采集模块通过驱动电路控制激光器产生被调制的第一激光信号，第一激光信号经过多孔陶瓷气室后得到携带有气体特征吸收光谱的第二激光信号，光电探测器将所接收的第二激光信号转换为电信号并经检波电路检波后发送给数据采集模块，数据采集模块的输出端与外部计算机相连，外部计算机通过内部计算得到甲烷气体的浓度。由于本发明实施例的气室采用半开放式的多空陶瓷气室，并且将激光器和光电探测器同侧设置，采用后向散射式的方式对激光进行收集，不仅能够增强光程而且能够提高陶瓷气室的利用率。本发明实施例所提供的检测装置不仅体积小，方便携带，而且由于其气室为开放式的气室，因此可以直接进行现场在线检测。
可以理解，优选的，请参阅图2，在无盖壳体10贴合多孔陶瓷气室100的周面上设有多个透气孔101，该透气孔101的设置便于收集待测气体，由于该无盖壳体10的上端为开放式的，不封闭的状态，且在该无盖壳体10的上端设置多孔陶瓷气室，因此，该多孔陶瓷气室100的上端面为开放式的，便于吸收气体。具体到本实施例中，该无盖壳体采用圆柱形壳体。
优选的，驱动电路32包括信号调制电路321和电流温度控制电路322。信号调制电路321与数据采集模块31相连，电流温度控制电路322跨接于信号调制电路321和激光器2之间。该信号调制电路321用于输出由叠加的高频正弦波信号和低频锯齿波信号组成的高频调制信号。电流温度控制电路322还包括电流控制电路和温度控制电路。电流控制电路和温度控制电路分别用于控制激光器的温度和电流来确保其输出功率和波长，使激光器更加稳定。其中，电流控制电路用于通过高频波长调制的方法控制激光器发射激光的波长，进而实现待测气体的高灵敏度检测。
优选的，检波电路33包括电流放大电路331和相位检波电路332。该电流放大电路331与光电探测器22相连，相位检波电路332跨接于电流放大电路331和数据采集模块31之间。电流放大电路331用于实现弱信号的预放大。相位检波电路332用于从检测信号的所有谐波信号中提取出二次谐波信号。
优选的，多孔陶瓷气室100采用多孔陶瓷材料制成,该多孔陶瓷材料的孔隙率为45％-70％、15-25mm厚度、直径为50-80mm的陶瓷片。具体到本实施例中，该多孔陶瓷材料采用纳米氧化铝陶瓷材料。
为了更好的说明本发明实施例中多孔陶瓷气室所采用的多孔陶瓷，下面以不同参数的多孔陶瓷对等效光程的影响为例，来说明参数对该多孔陶瓷气室的影响。
请参阅图3，其示出了以不同厚度和不同孔隙率的纳米氧化铝陶瓷为例，厚度分别为5mm、10mm、15mm、20mm、25mm，孔隙率分别为45％和70％，经TDLAS系统测量得到光在陶瓷中通过的等效平均光程Leq。从图3中可以看出，在相同孔隙率下，等效光程随着厚度的增加而增加；在相同的厚度下，孔隙率越大，其等效光程越长。
请参阅图4，其示出了激光器和探测器相对位置对光程增强效果的影响，由图5可以看出随着相对位置的增加光程增强效果先提高，随后下降。
请参阅图5，基于与上述装置实施例中的装置同样的发明构思，本发明实施例还提供了一种基于TDLAS的甲烷气体浓度的检测方法，本发明实施例以陶瓷气室由直径60mm、厚度20mm、孔隙率为70％的氧化铝陶瓷构成，以及激光器和探测器的相对位置为40mm为例。
该检测方法包括以下步骤：
步骤S001，根据待测气体确定被调制的第一激光信号，将该第一激光信号入射到多孔陶瓷气室，该多孔陶瓷气室为半开放式气室。
获取第一激光信号的方法包括：根据待测气体确定调制信号，并获得加载有该调制信号的高频调制信号；根据该高频调制信号，通过高频波长调制的方法控制激光器输出被调制的第一激光信号。
步骤S002，第一激光信号在多孔陶瓷气室中经过待测气体吸收后得到携带有气体特征吸收光谱的第二激光信号。
该多孔陶瓷气室为半开放式的气室，具有较强的光散射性，使得其具有明显的光程增强特性。
步骤S003，将步骤S002中获得的第二激光信号转换为电信号后进行检波，得到二次谐波信号。
通过光电探测器将光信号转换为电信号，并将转换后的电信号通过检波电路进行检波，例如采用模拟锁相放大技术提取出二次谐波。
优选的，该检波包括对所述电信号依次进行电流放大和相位检波。
步骤S004，对所述二次谐波信号进行处理后得到待测气体的浓度。
测量原理为：由于正弦波对激光的高频调制，样品信号不仅包括调制频率的基频信号，还包括调制频率的谐波信号。通过采用模拟锁相放大技术提取出二次谐波(secondharmonic,2f)信号，并将采集得到的2f信号除以直接测量信号(即没有气体吸收的信号)对2f信号进行归一化处理。经过归一化的2f信号与探测器所接收到的光子数无关，只取决于气体本身的吸收特性。
根据TDLAS的测量原理，若所测量气体的光程是已知的，气体的浓度可以直接由比尔朗伯吸收定律求得。但是当样品为多孔散射介质时，例如纳米孔陶瓷，由于介质的强散射效应使得光通过介质的光程是不确定的，此时不能直接使用比尔朗伯定律来计算气体的浓度。为了实现气体浓度的量化，一个等效平均光程(equivalent mean opticalpathlength,Leq)的概念被提出用于气体平均吸收光程的估计。Leq的定义可以表述为：当光通过样品得到的吸收信号与光通过一定距离的空气所得到的吸收信号相同时，把光在空气中的距离称为等效平均光程。根据定义，利用Levenberg–Marquardt(莱文贝格-马夸特方法)非线性拟合方法将光通过样品得到的吸收信号与光通过一定距离的空气得到的吸收信号进行拟合，可以得到拟合方程为:
Ssample(t)＝p0+p1×t+p2×t2+α×Sair(t-t0) (1)
此时等效平均光程可以表示为：
Leq＝a×Lair (2)
其中ssample和sair分别为光通过样品和空气时测量所得氧气的归一化2f信号(即样品信号和参考信号)，a为拟合系数，二次多项式p0+p1×t+p2×t2用来补偿样品信号和参考信号之间的基线差异，t0用来补偿样品信号和参考信号之间由于温度和电流变化而引起的漂移，Lair为光在空气中通过的路程(用作参考或者校准)。
最后应说明的是：以上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精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于TDLAS的甲烷气体浓度的检测装置，该检测装置包括无盖壳体，其特征在于，该检测装置还包括在所述无盖壳体中由下而上依次设置的包括电源、数据采集模块、驱动电路和检波电路的电路控制室、包括激光器和光电探测器的激光收发室和半开放式的多孔陶瓷气室，所述数据采集模块通过所述驱动电路控制所述激光器产生被调制的第一激光信号，所述第一激光信号经过所述多孔陶瓷气室后得到携带有气体特征吸收光谱的第二激光信号，所述光电探测器将所接收的所述第二激光信号转换为电信号并经所述检波电路检波后发送给所述数据采集模块，所述数据采集模块的输出端与外部的计算机相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于TDLAS的甲烷气体浓度的检测装置，其特征在于，所述无盖壳体贴合所述多孔陶瓷气室的周面上设有多个透气孔。
3.根据权利要求1或者2所述的一种基于TDLAS的甲烷气体浓度的检测装置，其特征在于，所述驱动电路包括与所述数据采集模块相连的信号调制电路和跨接于所述信号调制电路和所述激光器之间的电流温度控制电路。
4.根据权利要求3所述的一种基于TDLAS的甲烷气体浓度的检测装置，其特征在于，所述检波电路包括与所述光电探测器相连的电流放大电路和跨接于所述电流放大电路和所述数据采集模块之间的相位检波电路。
5.根据权利要求3所述的一种基于TDLAS的甲烷气体浓度的检测装置，其特征在于，所述多孔陶瓷气室采用多孔陶瓷材料制成。
6.根据权利要求5所述的一种基于TDLAS的甲烷气体浓度的检测装置，其特征在于，所述多孔陶瓷材料的孔隙率为45%-70%。
7.根据权利要求5或者6所述的一种基于TDLAS的甲烷气体浓度的检测装置，其特征在于，所述多孔陶瓷材料为纳米氧化铝陶瓷材料。
8.一种基于TDLAS的甲烷气体浓度的检测方法，其特征在于，该检测方法包括以下步骤：
根据待测气体确定被调制的第一激光信号，将所述第一激光信号入射到多孔陶瓷气室，所述多孔陶瓷气室为半开放式气室；
所述第一激光信号在所述多孔陶瓷气室中经过所述待测气体吸收后得到携带有气体特征吸收光谱的第二激光信号；
将所述第二激光信号转换为电信号后进行检波，得到二次谐波信号；
对所述二次谐波信号进行处理后得到待测气体的浓度。
9.根据权利要求1所述的一种基于TDLAS的甲烷气体浓度的检测方法，其特征在于，所述根据待测气体确定被调制的第一激光信号，包括以下步骤：
根据待测气体确定调制信号，并获得加载有所述调制信号的高频调制信号；
根据所述高频调制信号，通过高频波长调制的方法控制激光器输出被调制的所述第一激光信号。
10.根据权利要求1所述的一种基于TDLAS的甲烷气体浓度的检测方法，其特征在于，所述检波包括对所述电信号依次进行电流放大和相位检波。
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