CN112304899A - 一种基于腔增强技术的气体在线检测装置 - Google Patents

一种基于腔增强技术的气体在线检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于腔增强技术的气体在线检测装置，包括可调谐半导体激光器、光学腔、光电探测器、数据采集及处理系统、气体压缩腔、压力传感器、TEC半导体制冷器、微处理器以及显示屏等，本发明能够通过被测气体的体积压缩来增大被测气体的浓度，从而通过增大被测气体浓度的方法来补偿减少的激光吸收光程，当测出被压缩体积后密度增大的被测气体浓度时，通过体积换算，再将该浓度转换为实际密度的被测气体浓度，本发明相对于现有技术腔增强型TDLAS气体浓度检测装置，其配合腔增强型光学腔的检测精准度更高，且作为测量气室的光学腔不需要为实现更长的吸收光程而制造的更加精密，能够显著的降低气体检测装置的成本。

Description

一种基于腔增强技术的气体在线检测装置
技术领域
本发明属于气体检测领域，具体涉及一种基于腔增强技术的气体在线检测装置。
背景技术
可调谐半导体激光吸收光谱技术(简称TDLAS技术)的原理是：物质对不同频率的电磁波有不同的吸收，因此可将吸收谱线作为识别不同气体分子的“指纹”，根据吸收谱线的位置及强度来确定分子的成分及浓度。TDLAS技术以可调谐半导体激光器作为激光光源，有着很高的光谱分辨率和可调谐性，利用这些特点对被测气体分子在该光谱范围内的一条振转线的光谱吸收进行测量，从而实现被测气体浓度的检测。作为测量气体浓度值的一种方法，TDLAS测量法是一种不与被测气体相接触的非接触式测量法。在采用TDLAS测量法测量被测气体的浓度时，将以电流按照一定频率f调制了波长的入射激光导入装有一种或多种待分析的目标气体的测量气室中，并利用气体传感测量装置的光电传感装置检测已通过待测气体并返回的透射激光的光功率。该待测气体的气体成分具有特定波长的吸收特性，因此，在将具有特定频率f的入射激光导入待测气体时，入射激光在该待测气体的目标气体成分的特定频率f附近被强烈吸收，获取入射激光被目标气体成分吸收的强度，并参照入射激光的强度，可以反演计算出待测气体中目标气体成分的浓度。
现有的腔增强型TDLAS气体检测装置在检测测量气室中的气体密度较低的目标气体浓度时，一般仅单纯的依靠增加激光吸收光程来提高检测精度，为了增加激光吸收光程往往使检测激光在测量气室(光学腔)中进行若干次反射，以尽可能增加气体吸收效果，然而由于气室中的气体密度较低，所测气体对激光的吸收具有较大的偶然性再加之激光的反复反射所造成的光能反射损失，则难以显著减小气体浓度测量的误差。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术中存在的问题，提供一种基于腔增强技术的气体在线检测装置，能够通过被测气体的体积压缩来增大被测气体的浓度，从而通过增大被测气体浓度的方法来补偿所减少的激光吸收光程，当测出被压缩体积后密度增大的被测气体浓度时，通过体积换算，再将该浓度转换为实际密度的被测气体浓度，本发明相对于现有技术腔增强型TDLAS气体浓度检测装置，其配合腔增强型光学腔的检测精准度更高，且作为测量气室的光学腔不需要为实现更长的吸收光程而制造的更加精密，能够显著的降低气体检测装置的成本。
本发明的技术方案是：一种基于腔增强技术的气体在线检测装置，包括：可调谐半导体激光器、光学腔、光电探测器以及数据采集及处理系统，其中，所述可调谐半导体激光器用于发出气体检测用激光；所述光学腔用于容纳被测气体并使可调谐半导体激光器所发出的激光在光学腔中经过若干次反射被被测气体吸收；所述光电探测器用于接收从光学腔出射的激光，并将光信号转换成电信号；所述数据采集及处理系统用于接收光电探测器所输出的电信号，并进行分析和计算，实时在线得到被测气体的浓度值；还包括：
气体压缩腔，与所述光学腔连接并与光学腔的内部空间相连通，所述气体压缩腔内部滑动密封连接有活塞，所述活塞与气缸连接，气缸固定于架体上，所述架体固定于气体压缩腔上，所述气缸推动所述活塞运动，从而使得填充于气体压缩腔和光学腔中的被测气体得到压缩；所述气体压缩腔的侧壁上设有第一气体接口，光学腔侧壁设有第二气体接口；
压力传感器，设于所述活塞的面向气体压缩腔内部一侧的面上，用于检测气体压缩腔内的被测气体的压力值；
TEC半导体制冷器，设于光学腔侧壁上，其冷端面向光学腔的内部，用于给光学腔中的被压缩的被测气体降温；
微处理器，用于控制所述气缸按照要求推伸量对所述活塞进行推进，从而使得气体压缩腔和光学腔中的被测气体体积达到设定的体积量V；同时用于接收压力传感器所检测到的被压缩的被测气体的压力值，当该压力值高于被测气体未被压缩时的压力值时，所述微处理器控制所述TEC半导体制冷器给光学腔中的被压缩的被测气体降温，直至气体压缩腔和光学腔中的被测气体体积达到设定的体积量V、且压力传感器检测到的被测气体的压力值等于被测气体未被压缩时的压力值时，所述微处理器控制所述TEC半导体制冷器停止给光学腔中的被压缩的被测气体降温；微处理器还用于接收所述数据采集及处理系统所得到的对应于所述设定的体积量、压强值与被压缩前的压强值相等时的被测气体的浓度值n，并根据公式n0＝(n*V)/V0，得到被测气体的实际浓度n0，其中V0为气体压缩腔和光学腔的容积之和；
显示屏，用于接收并显示所述微处理器所获得的被测气体的实际浓度n0；
无线通信模块，用于无线接收所述微处理器所获得的被测气体的实际浓度n0，并将所述实际浓度n0无线发送给监控主机。
上述可调谐半导体激光器所发出的激光在光学腔中经过若干次反射所达到的光程不低于1km。
上述可调谐半导体激光器的激光输出端与光纤连接，并通过第一准直透镜将激光输入所述光学腔，所述光电探测器的光输入端与光纤连接，并通过第二准直透镜将从光学腔输出的激光通过光纤输送至所述光电探测器。
上述第二气体接口用于在检测被测气体前输入被测气体并通过所述第一气体接口输出被测气体从而使得被测气体在检测前充满整个光学腔和气体压缩腔所形成的空间，所述第一气体接口和第二气体接口上均设有用于封闭对应气体接口的电磁阀，各电磁阀均与所述微处理器信号连接，通过所述微处理器控制所述电磁阀的启闭。
上述第二气体接口连接有用于将被测气体输送进第二气体接口的输气泵，所述输气泵与微处理器信号连接；所述微处理器通过气缸控制器与气缸信号连接。
上述设定的体积量V是将活塞向下推进到第一活塞位置所形成的气体压缩腔和光学腔中的总的被测气体体积的第一体积量V1或将活塞继续向下推进到第二活塞位置所形成的气体压缩腔和光学腔中的总的被测气体体积的第二体积量V2或将活塞继续向下推进到第三活塞位置所形成的气体压缩腔和光学腔中的总的被测气体体积的第三体积量V3，依次类推，将活塞继续向下推进到第i活塞位置所形成的第i体积量Vi，直至将活塞继续向下推进到第10活塞位置所形成的第10体积量V10，其中1≤i≤10；以各活塞位置所对应的体积量Vi作为自变量并以各体积量Vi对应的实际浓度n0作为因变量，通过最小二乘法得到Vi和n0之间的函数关系，并通过该函数关系得到气体未被压缩时，即气体压缩腔和光学腔的容积V0内充分充满被测气体时的更为准确实际浓度值n0’。
本发明的有益效果：本发明提供了一种基于腔增强技术的气体在线检测装置，能够通过被测气体的体积压缩来增大被测气体的浓度，从而能够在较少的激光反复反射吸收光程下，通过增大被测气体浓度的方法来补偿所减少的激光吸收光程，当测出被压缩体积后密度增大的被测气体浓度时，通过体积换算，再将该浓度转换为实际密度的被测气体浓度，进一步地，本发明通过气缸的伸缩能够高效、快速的实现活塞的移动，从而快速的实现被测气体气体体积的压缩，而本发明测量方法中将多次不同的被压缩的被测气体体积所得出的实际的被测气体浓度通过最小二乘法拟合得到被压缩的被测气体体积和被测气体浓度之间的函数关系，通过该函数关系能够得出更为精确的未被压缩时的被测气体浓度，非常适合测量精度要求很高的应用场合，本发明相对于现有技术腔增强型TDLAS气体浓度检测装置，其配合腔增强型光学腔的检测精准度更高，且作为测量气室的光学腔则不需要为实现更长的吸收光程而制造的更加精密，能够显著的降低气体检测装置的成本并提高测量精度。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的电系统连接框图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
参见图1-图2，本实施例提供了一种基于腔增强技术的气体在线检测装置，包括：可调谐半导体激光器1、光学腔2、光电探测器3以及数据采集及处理系统4，其中可调谐半导体激光器1用于发出气体检测用激光；所述光学腔2用于容纳被测气体并使可调谐半导体激光器1所发出的激光在光学腔2中经过若干次反射被被测气体吸收；所述光电探测器3用于接收从光学腔2出射的激光，并将光信号转换成电信号；所述数据采集及处理系统4用于接收光电探测器3所输出的电信号，并进行分析和计算，实时在线得到被测气体的浓度值；本发明装置还包括气体压缩腔5、压力传感器20、TEC半导体制冷器19、微处理器6、显示屏7以及无线通信模块17等，其中气体压缩腔5与所述光学腔2连接并与光学腔2的内部空间相连通，所述气体压缩腔5内部滑动密封连接有活塞10，所述活塞10与气缸8连接，气缸8固定于架体9上，所述架体9固定于气体压缩腔5上，所述气缸8推动所述活塞10运动，从而使得填充于气体压缩腔5和光学腔2中的被测气体得到压缩；所述气体压缩腔5的侧壁上设有第一气体接口11，光学腔2侧壁设有第二气体接口12；压力传感器20设于所述活塞10的面向气体压缩腔5内部一侧的面上，用于检测气体压缩腔5内的被测气体的压力值，在被测气体被压缩的过程中其检测到的气体压力值会上升；TEC半导体制冷器19设于光学腔2侧壁上，其冷端面向光学腔2的内部，用于给光学腔2中的被压缩的被测气体降温；微处理器6用于控制所述气缸8按照要求推伸量对所述活塞10进行推进，从而使得气体压缩腔5和光学腔2中的被测气体体积达到设定的体积量V；同时用于接收压力传感器20所检测到的被压缩的被测气体的压力值，当该压力值高于被测气体未被压缩时的压力值时，所述微处理器6控制所述TEC半导体制冷器19给光学腔2中的被压缩的被测气体降温，直至气体压缩腔5和光学腔2中的被测气体体积达到设定的体积量V、且压力传感器20检测到的被测气体的压力值等于被测气体未被压缩时的压力值时，所述微处理器6控制所述TEC半导体制冷器19停止给光学腔2中的被压缩的被测气体降温，本发明之所以要在压缩被测气体的过程中根据压力传感器所检测到的气体压力值来通过TEC半导体制冷器19对被测气体进行降温，从而使得被压缩的被测气体的压力值恢复至未压缩时的压力值，这是因为如果不对被压缩的气体进行降压，则会由于被测气体被压缩后使得被测气体密度升高，导致气体分子的自由程减小，气体分子之间的碰撞率增加，会对测量信号带来噪声，导致测量信号的信噪比降低，故在压缩被测气体的同时必须对被测气体降压使得气体分子之间的碰撞率降低，从而避免测量信号信噪比降低；本发明装置的微处理器还用于接收所述数据采集及处理系统4所得到的对应于所述设定的体积量、压强值与被压缩前的压强值相等时的被测气体的浓度值n，并根据公式n0＝(n*V)/V0，得到被测气体的实际浓度n0，其中V0为气体压缩腔5和光学腔2的容积之和；显示屏7用于接收并显示微处理器6所获得的被测气体的实际浓度n0；无线通信模块17用于无线接收所述微处理器6所获得的被测气体的实际浓度n0，并将所述实际浓度n0无线发送给监控主机18，使得远程端能够实时在线接收到被测气体的浓度值。
进一步地，本发明装置的可调谐半导体激光器1所发出的激光在光学腔2中经过若干次反射所达到的激光吸收光程不低于1km，以确保气体浓度检测中必要的激光吸收光程，本实施例通过必要长度的激光吸收光程配合被测气体压缩系统，能够极大的提高被测气体浓度的精准度，同时还兼顾了检测装置的制造成本。
进一步地，所述可调谐半导体激光器1的激光输出端与光纤13连接，并通过第一准直透镜14将激光输入所述光学腔2，所述光电探测器3的光输入端与光纤13连接，并通过第二准直透镜15将从光学腔2输出的激光通过光纤13输送至所述光电探测器3。
进一步地，所述第二气体接口12用于在检测被测气体前输入被测气体并通过所述第一气体接口11输出被测气体从而使得被测气体在检测前充满整个光学腔2和气体压缩腔5所形成的空间，所述第一气体接口11和第二气体接口12上均设有用于封闭对应气体接口的电磁阀，各电磁阀均与所述微处理器6信号连接，通过所述微处理器6控制所述电磁阀的启闭；所述第二气体接口12连接有用于将被测气体输送进第二气体接口12的输气泵，所述输气泵与微处理器6信号连接，通过微处理器控制输气泵进行输气使得被测气体泵入整个光学腔2和气体压缩腔5所形成的内部空间；所述微处理器6具体通过气缸控制器16与气缸8信号连接。
进一步地，所述设定的体积量V是将活塞10向下推进到第一活塞位置所形成的气体压缩腔5和光学腔2中的总的被测气体体积的第一体积量V1或将活塞10继续向下推进到第二活塞位置所形成的气体压缩腔5和光学腔2中的总的被测气体体积的第二体积量V2或将活塞10继续向下推进到第三活塞位置所形成的气体压缩腔5和光学腔2中的总的被测气体体积的第三体积量V3，依次类推，将活塞10继续向下推进到第i活塞位置所形成的第i体积量Vi，直至将活塞10继续向下推进到第10活塞位置所形成的第10体积量V10，其中1≤i≤10；以各活塞10位置所对应的体积量Vi作为自变量并以各体积量Vi对应的实际浓度n0作为因变量，通过最小二乘法得到Vi和n0之间的函数关系，并通过该函数关系得到气体未被压缩时(即气体压缩腔5和光学腔2的容积V0内充分充满被测气体时)的更为准确实际浓度值n0’。本实施例通过多次压缩被测气体并进行气体浓度检测得到相应的气体浓度n0，进而通过最小二乘法的方法能够得到更为精确的被测气体浓度n0’。
综上所述，本发明提供了一种基于腔增强技术的气体在线检测装置，能够通过被测气体的体积压缩来增大被测气体的浓度，从而能够在较少的激光反复反射吸收光程下，通过增大被测气体浓度的方法来补偿所减少的激光吸收光程，当测出被压缩体积后密度增大的被测气体浓度时，通过体积换算，再将该浓度转换为实际密度的被测气体浓度，进一步地，本发明通过气缸的伸缩能够高效、快速的实现活塞的移动，从而快速的实现被测气体气体体积的压缩，而本发明测量方法中将多次不同的被压缩的被测气体体积所得出的实际的被测气体浓度通过最小二乘法拟合得到被压缩的被测气体体积和被测气体浓度之间的函数关系，通过该函数关系能够得出更为精确的未被压缩时的被测气体浓度，非常适合测量精度要求很高的应用场合，本发明相对于现有技术腔增强型TDLAS气体浓度检测装置，其配合腔增强型光学腔的检测精准度更高，且作为测量气室的光学腔则不需要为实现更长的吸收光程而制造的更加精密，能够显著的降低气体检测装置的成本并提高测量精度，经实验检验，本发明在室温环境下、测量气室的光学腔激光吸收光程不变的前提下，通过增加被测气体压缩系统所检测的气体浓度值较未增加被测气体压缩系统时所检测的气体浓度值的精准度高出至少30％以上。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于腔增强技术的气体在线检测装置，包括：可调谐半导体激光器(1)、光学腔(2)、光电探测器(3)以及数据采集及处理系统(4)，其中，所述可调谐半导体激光器(1)用于发出气体检测用激光；所述光学腔(2)用于容纳被测气体并使可调谐半导体激光器(1)所发出的激光在光学腔(2)中经过若干次反射被被测气体吸收；所述光电探测器(3)用于接收从光学腔(2)出射的激光，并将光信号转换成电信号；所述数据采集及处理系统(4)用于接收光电探测器(3)所输出的电信号，并进行分析和计算，实时在线得到被测气体的浓度值；其特征在于，还包括：
气体压缩腔(5)，与所述光学腔(2)连接并与光学腔(2)的内部空间相连通，所述气体压缩腔(5)内部滑动密封连接有活塞(10)，所述活塞(10)与气缸(8)连接，气缸(8)固定于架体(9)上，所述架体(9)固定于气体压缩腔(5)上，所述气缸(8)推动所述活塞(10)运动，从而使得填充于气体压缩腔(5)和光学腔(2)中的被测气体得到压缩；所述气体压缩腔(5)的侧壁上设有第一气体接口(11)，光学腔(2)侧壁设有第二气体接口(12)；
压力传感器(20)，设于所述活塞(10)的面向气体压缩腔(5)内部一侧的面上，用于检测气体压缩腔(5)内的被测气体的压力值；
TEC半导体制冷器(19)，设于光学腔(2)侧壁上，其冷端面向光学腔(2)的内部，用于给光学腔(2)中的被压缩的被测气体降温；
微处理器(6)，用于控制所述气缸(8)按照要求推伸量对所述活塞(10)进行推进，从而使得气体压缩腔(5)和光学腔(2)中的被测气体体积达到设定的体积量V；同时用于接收压力传感器(20)所检测到的被压缩的被测气体的压力值，当该压力值高于被测气体未被压缩时的压力值时，所述微处理器(6)控制所述TEC半导体制冷器(19)给光学腔(2)中的被压缩的被测气体降温，直至气体压缩腔(5)和光学腔(2)中的被测气体体积达到设定的体积量V、且压力传感器(20)检测到的被测气体的压力值等于被测气体未被压缩时的压力值时，所述微处理器(6)控制所述TEC半导体制冷器(19)停止给光学腔(2)中的被压缩的被测气体降温；微处理器还用于接收所述数据采集及处理系统(4)所得到的对应于所述设定的体积量、压强值与被压缩前的压强值相等时的被测气体的浓度值n，并根据公式n0＝(n*V)/V0，得到被测气体的实际浓度n0，其中V0为气体压缩腔(5)和光学腔(2)的容积之和；
显示屏(7)，用于接收并显示所述微处理器(6)所获得的被测气体的实际浓度n0；
无线通信模块(17)，用于无线接收所述微处理器(6)所获得的被测气体的实际浓度n0，并将所述实际浓度n0无线发送给监控主机(18)。
2.如权利要求1所述的一种基于腔增强技术的气体在线检测装置，其特征在于，所述可调谐半导体激光器(1)所发出的激光在光学腔(2)中经过若干次反射所达到的光程不低于1km。
3.如权利要求1所述的一种基于腔增强技术的气体在线检测装置，其特征在于，所述可调谐半导体激光器(1)的激光输出端与光纤(13)连接，并通过第一准直透镜(14)将激光输入所述光学腔(2)，所述光电探测器(3)的光输入端与光纤(13)连接，并通过第二准直透镜(15)将从光学腔(2)输出的激光通过光纤(13)输送至所述光电探测器(3)。
4.如权利要求1所述的一种基于腔增强技术的气体在线检测装置，其特征在于，所述第二气体接口(12)用于在检测被测气体前输入被测气体并通过所述第一气体接口(11)输出被测气体从而使得被测气体在检测前充满整个光学腔(2)和气体压缩腔(5)所形成的空间，所述第一气体接口(11)和第二气体接口(12)上均设有用于封闭对应气体接口的电磁阀，各电磁阀均与所述微处理器(6)信号连接，通过所述微处理器(6)控制所述电磁阀的启闭。
5.如权利要求4所述的一种基于腔增强技术的气体在线检测装置，其特征在于，所述第二气体接口(12)连接有用于将被测气体输送进第二气体接口(12)的输气泵，所述输气泵与微处理器(6)信号连接；所述微处理器(6)通过气缸控制器(16)与气缸(8)信号连接。
6.如权利要求1所述的一种基于腔增强技术的气体在线检测装置，其特征在于，所述设定的体积量V是将活塞(10)向下推进到第一活塞位置所形成的气体压缩腔(5)和光学腔(2)中的总的被测气体体积的第一体积量V1或将活塞(10)继续向下推进到第二活塞位置所形成的气体压缩腔(5)和光学腔(2)中的总的被测气体体积的第二体积量V2或将活塞(10)继续向下推进到第三活塞位置所形成的气体压缩腔(5)和光学腔(2)中的总的被测气体体积的第三体积量V3，依次类推，将活塞(10)继续向下推进到第i活塞位置所形成的第i体积量Vi，直至将活塞(10)继续向下推进到第10活塞位置所形成的第10体积量V10，其中1≤i≤10；以各活塞(10)位置所对应的体积量Vi作为自变量并以各体积量Vi对应的实际浓度n0作为因变量，通过最小二乘法得到Vi和n0之间的函数关系，并通过该函数关系得到气体未被压缩时，即气体压缩腔(5)和光学腔(2)的容积V0内充分充满被测气体时的更为准确实际浓度值n0’。
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