CN113203698A - 一种测量n种气体浓度的激光气体分析仪及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量n种气体浓度的激光气体分析仪，包括发射壳体、接收壳体，以及安装在发射壳体和接收壳体之间的样品测量室，所述发射壳体内部远离样品测量室的一侧设置有光源安装板，且光源安装板的两端均固定安装有连接杆，所述连接杆远离光源安装板的一端与发射壳体的内壁连接，所述光源安装板靠近样品测量室的一侧固定安装有若干环形阵列分布的激光束，且若干激光束为n种不同波长的激光光源。本发明在兼顾DLAS技术的半导体激光的光谱宽度极窄，能够获得高分辨率″单线吸收光谱″数据，测量精度高、响应速度快、不受背景气体交叉干扰等优点的同时，可以实现同时测量n种气体浓度的效果。

Description

一种测量n种气体浓度的激光气体分析仪及其操作方法

技术领域

本发明涉及气体浓度检测领域，具体来说，涉及一种测量n种气体浓度的激光气体分析仪及其操作方法。

背景技术

随着我国环境保护(垃圾焚烧)、钢铁冶金、石油化工、生化制药，航空航天领域的快速发展，需要进一步加强对这些领域的生产过程的控制。这就对生产过程的分析能力提出更高的要求，过程分析仪的检测精度、响应时间、系统稳定性等指标必须有进一步的提高。过程气体浓度的在线分析是生产过程分析的重要方面，已经被广泛地应用于生产工艺优化、降污分析、能源气回收控制、环保监测等方面，是提高对生产过程的分析能力的重要方面。但是，目前在线气体分析系统普遍采用传统的不分光红外光谱气体分析仪，这种仪器很难高精度的定性定量校正背景气体交叉干扰以及粉尘、视窗污染所带来的数据误差。

TDLAS(Tunable Diode Laser AbsorptionSpec-troscopy)是可调谐二极管激光吸收光谱技术的简称，由于该激光二极管采用半导体材料制成，通常又称为可调谐半导体激光吸收光谱技术。

半导体激光吸收光谱技术在20世纪70年代时使用中远红外波长的铅盐半导体激光器，这类激光器以及相应的中远红外光电传感器在当时只能工作于非常低的液氮甚至液氦温度，从而限制该技术在工业过程气体分析领域的应用。

在过去10～15年中，随着通讯工业的巨大进步，近红外可调谐激光二极管也获得巨大的发展，常温工作、价格低廉、单模特性的近红外可调谐激光二极管在20世纪90年代获得大规模商业化，光纤和探测器的技术也获得巨大的发展，扫清TDLAS技术应用于工业过程气体在线分析领域的器件障碍。因此，基于TDLAS技术的在线气体浓度分析仪在取代传统不分光红外光谐气体分析仪方面具有巨大的潜力。与传统的不分光红外技术光谱技术相比，TDLAS技术具有很多显著优点：

(1)利用半导体激光良好的单色性，采用″单线光谱″技术避免背景气体吸收的干扰；(2)利用半导体激光波长的可调谐性解决粉尘、视窗污染对测量的影响。

然而激光气体分析仪由于采用″原位″式或″抽取″式测量，能够检测一条光路上的待测气体浓度，光源和光电传感器是一对一的，因此普通的激光气体分析仪每台仪器只能测量单一种特征气体的浓度，但在工业生产和环境监测领域，需要同时监测n种组分气体浓度。例如在垃圾焚烧废气排放需要同时监测CO、HCl、NH3等气体浓度，传统方法是每测量一组分就需要一台分析仪，所以要安装多台激光气体分析仪，占用平台空间大、烟道(烟囱)开孔多、设备成本高，维护量大等缺点。

发明内容

针对相关技术中的问题，本发明提出一种测量n种气体浓度的激光气体分析仪及其操作方法，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种测量n种气体浓度的激光气体分析仪，包括发射壳体、接收壳体，以及安装在发射壳体和接收壳体之间的样品测量室，所述发射壳体内部远离样品测量室的一侧设置有光源安装板，且光源安装板的两端均固定安装有连接杆，所述连接杆远离光源安装板的一端与发射壳体的内壁连接，所述光源安装板靠近样品测量室的一侧固定安装有若干环形阵列分布的激光束，且若干激光束为n种不同波长的激光光源，所述发射壳体内部靠近样品测量室的一侧设置有光源合束装置，且光源合束装置的两端固定安装于发射壳体两端的内壁上，所述接收壳体底部的中央位置固定安装有光电传感器。

进一步地，所述样品测量室两端的内壁的内壁上均固定安装有密封镜片。

进一步地，所述样品测量室的两侧分别开设有进气口和出气口，所述进气口外套接有进气管，所述出气口外套接有出气管，所述进气管与所述出气管的圆周顶部外壁均通过螺纹连接有密封盖。

进一步地，所述发射壳体的顶部中央位置开设有第一安装开口，且第一安装开口的内壁通过螺栓连接有第一密封盖，所述发射壳体两端内壁的中部位置均固定安装有竖直设置的第一槽板，且第一槽板位于第一安装开口的正下方，两个所述第一槽板之间插接有旋转切光机构。

进一步地，所述旋转切光机构包括第一安装槽板、转动电机和切光装置，所述第一安装槽板插接于两个第一槽板之间，所述切光装置位于第一安装槽板的槽口内，所述第一安装槽板远离槽口的一侧中部位置固定安装有第一转动电机，且第一转动电机的输出轴端与切光装置一侧的中部位置固定连接，所述第一安装槽板的一侧开设有与激光束一一对应的透光孔。

进一步地，所述接收壳体顶部靠近样品测量室的一侧开设有第二安装开口，且第二安装开口的内壁通过螺栓连接有第二密封盖，所述接收壳体一端的内壁固定安装有竖直设置的第二槽板，且第二槽板位于第二安装开口的正下方，所述第二槽板内插接有旋转滤光机构。

进一步地，所述旋转滤光机构包括滤光装置、第二安装槽板和第二转动电机，所述第二安装槽板插接于第二槽板内，所述滤光装置位于第二安装槽板的槽口内，所述第二安装槽板远离槽口一侧的中部位置固定安装有第二转动电机，且第二转动电机的输出轴端与滤光装置一侧的中部位置固定连接，所述滤光装置一侧的圆周位置开设有环形阵列分布的固定孔，且固定孔内固定安装有滤光片，所述第二安装槽板的一侧开设有与样品测量室端口处对应设置的透光口。

进一步地，所述发射壳体远离样品测量室的一侧开设有检修口，且检修口的内壁通过螺栓连接有安装盖。

进一步地，所述发射壳体的顶部一侧外壁固定安装有发射单元控制器，所述接收壳体顶部远离样品测量室一侧的外壁固定安装有接收单元控制器。

一种测量n种气体浓度的激光气体分析仪的操作方法，包括以下步骤：

S1：首先通过进气管向样品测量室内注入待测量气体，然后取下旋转切光机构和旋转滤光机构，n种不同波长的激光光源的激光束依次得电点亮，某一瞬时，其中一只点亮的光源通过光源合束装置后，光源汇聚到中心一束光后继续向外发射，穿过靠近发射壳体一侧的密封镜片后到达样品测量室内被样品气吸收，剩余的光强继续通过靠近接收壳体一侧的密封镜片后到达光电传感器，依次循环点亮激光光源，实现同时监测n种浓度的气体；

S2：接着插入旋转切光机构，n种不同波长的激光光源的激光束同时连续得电点亮，某一瞬时，其中一只的光源通过连续旋转的旋转切光机构到达光源合束装置后，光源汇聚到中心一束光后继续向外发射，穿过靠近发射壳体一侧的密封镜片后到达样品测量室内被样品气吸收，剩余的光强继续通过靠近接收壳体一侧的密封镜片后到达光电传感器，旋转切光机构会依次循环通过光源，实现同时监测n种浓度的气体；

S3：接着取下旋转切光机构，插入旋转滤光机构，n种不同波长的激光光源的激光束同时连续得电点亮，所有光源同时通过光源合束装置后，光源汇聚到中心一束光后继续向外发射，穿过靠近发射壳体一侧的密封镜片后到达样品测量室内被样品气吸收，剩余的光强继续通过靠近接收壳体一侧的密封镜片后到达旋转滤光机构，会依次通过的某一种光源，到达光电传感器，连续选装的旋转滤光机构会依次循环滤波，某一瞬时只有一种光源通过，实现同时监测n种浓度的气体。

本发明的有益效果：

本发明提供的一种测量n种气体浓度的激光气体分析仪及其操作方法，在兼顾DLAS技术的半导体激光的光谱宽度极窄，能够获得高分辨率″单线吸收光谱″数据，测量精度高、响应速度快、不受背景气体交叉干扰等优点的同时，设置了光源合束装置，其由多种镜片等组合后，将不同光束汇聚成一束同向光源，反射到样品气体内，最终由光电传感器接收，可以实现同时测量n种气体浓度的效果。

本发明提供的一种测量n种气体浓度的激光气体分析仪及其操作方法，通过采用脉冲循检式对多中气体浓度进行在线监测，数据能够及时反映在发射单元控制器和接收单元控制器上。

本发明提供的一种测量n种气体浓度的激光气体分析仪及其操作方法，其光路部分采用光学镜片等结构，有效避免了因光纤而引入的光学噪声，提高了装置使用的准确和除杂效果。

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，下面将对实施例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他的附图。

图1为本发明的立体结构示意图。

图2为本发明的俯视剖面结构示意图。

图3为本发明的俯视立体剖面结构示意图。

图4为本发明实现S1步骤的俯视剖面结构示意图。

图5为本发明实现S1步骤的俯视立体剖面结构示意图。

图6为本发明实现S2步骤的俯视剖面结构示意图。

图7为本发明实现S2步骤的立体俯视剖面结构示意图。

图8为本发明实现S3步骤的俯视剖面结构示意图。

图9为本发明实现S3步骤的立体俯视剖面结构示意图。

图10为本发明光源安装板的结构示意图。

图11为本发明切光装置的结构示意图。

图12为本发明滤光装置的结构示意图。

图13为本发明进气流路的结构示意图。

图中：

1、发射壳体；2、安装盖；3、发射单元控制器；4、第一密封盖；5、进气管；6、第二密封盖；7、接收单元控制器；8、接收壳体；9、出气管；10、样品测量室；11、切光装置；12、连接杆；13、密封镜片；14、光源安装板；15、激光束；16、第一槽板；17、第一安装槽板；18、第一转动电机；19、光源合束装置；20、滤光装置；21、第二槽板；22、第二安装槽板；23、第二转动电机；24、光电传感器。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

根据本发明的实施例，

请参阅图1-13所示，一种测量n种气体浓度的激光气体分析仪，包括发射壳体1、接收壳体8，以及安装在发射壳体1和接收壳体8之间的样品测量室10，其特征在于，发射壳体1内部远离样品测量室10的一侧设置有光源安装板14，且光源安装板14的两端均固定安装有连接杆12，连接杆12远离光源安装板14的一端与发射壳体1的内壁连接，光源安装板14靠近样品测量室10的一侧固定安装有若干环形阵列分布的激光束15，且若干激光束15为n种不同波长的激光光源，发射壳体1内部靠近样品测量室10的一侧设置有光源合束装置19，且光源合束装置19的两端固定安装于发射壳体1两端的内壁上，光源合束装置19是通过多种镜片等组合后，将不同光束汇聚成一束同向光源的装置，接收壳体8底部的中央位置固定安装有光电传感器24，通过进气管5向样品测量室10内注入待测量气体，然后取下旋转切光机构和旋转滤光机构，n种不同波长的激光光源的激光束15依次得电点亮，某一瞬时，其中一只点亮的光源通过光源合束装置19后，光源汇聚到中心一束光后继续向外发射，穿过靠近发射壳体1一侧的密封镜片13后到达样品测量室10内被样品气吸收，剩余的光强继续通过靠近接收壳体8一侧的密封镜片13后到达光电传感器24，因为依次循环点亮激光光源，进而可以实现同时监测n种浓度的气体。

样品测量室10两端的内壁的内壁上均固定安装有密封镜片13，密封镜片13用于隔离样品气体，保证样品气体在样品测量室10流动，不与元器件直接接触，提高测量的准确性。

样品测量室10的两侧分别开设有进气口和出气口，所述进气口外套接有进气管5，所述出气口外套接有出气管9，所述进气管5与所述出气管9的圆周顶部外壁均通过螺纹连接有密封盖，样品测量室10内得样品气体是连续流动的，从靠近发射壳体1一侧的密封镜片13的进气管5进入，经样品测量室10全长度，然后从靠近接收壳体8一侧的密封镜片13的出气管9流出。

发射壳体1的顶部中央位置开设有第一安装开口，且第一安装开口的内壁通过螺栓连接有第一密封盖4，发射壳体1两端内壁的中部位置均固定安装有竖直设置的第一槽板16，且第一槽板16位于第一安装开口的正下方，两个第一槽板16之间插接有旋转切光机构。

旋转切光机构包括第一安装槽板17、转动电机18和切光装置11，第一安装槽板17插接于两个第一槽板16之间，切光装置11位于第一安装槽板17的槽口内，第一安装槽板17远离槽口的一侧中部位置固定安装有第一转动电机18，且第一转动电机18的输出轴端与切光装置11一侧的中部位置固定连接，第一安装槽板17的一侧开设有与激光束15一一对应的透光孔，带有偏心孔的切光装置11，并且通过发射单元控制器3元器件及电路，能精确控制转速，保证了测量的准确性。

接收壳体8顶部靠近样品测量室10的一侧开设有第二安装开口，且第二安装开口的内壁通过螺栓连接有第二密封盖6，接收壳体8一端的内壁固定安装有竖直设置的第二槽板21，且第二槽板21位于第二安装开口的正下方，第二槽板21内插接有旋转滤光机构。

旋转滤光机构包括滤光装置20、第二安装槽板22和第二转动电机23，第二安装槽板22插接于第二槽板21内，滤光装置20位于第二安装槽板22的槽口内，第二安装槽板22远离槽口一侧的中部位置固定安装有第二转动电机23，且第二转动电机23的输出轴端与滤光装置20一侧的中部位置固定连接，滤光装置20一侧的圆周位置开设有环形阵列分布的固定孔，且固定孔内固定安装有滤光片，第二安装槽板22的一侧开设有与样品测量室10端口处对应设置的透光口，安装有n种不同波长滤光片的滤光装置20，并且通过接收单元控制器7元器件及电路，能精确控制转速的装置。

发射壳体1远离样品测量室10的一侧开设有检修口，且检修口的内壁通过螺栓连接有安装盖2，方便对发射壳体1内部的元器件进行检修。

发射壳体1的顶部一侧外壁固定安装有发射单元控制器3接收壳体8顶部远离样品测量室10一侧的外壁固定安装有接收单元控制器7。

请参阅图3所示，一种测量n种气体浓度的激光气体分析仪的操作方法，包括以下步骤：

首先通过进气管5向样品测量室10内注入待测量气体，然后取下旋转切光机构和旋转滤光机构，n种不同波长的激光光源的激光束15依次得电点亮，某一瞬时，其中一只点亮的光源通过光源合束装置19后，光源汇聚到中心一束光后继续向外发射，穿过靠近发射壳体1一侧的密封镜片13后到达样品测量室10内被样品气吸收，剩余的光强继续通过靠近接收壳体8一侧的密封镜片13后到达光电传感器24，依次循环点亮激光光源，实现同时监测n种浓度的气体。

实施例二：

请参阅图6-7所示，插入旋转切光机构，n种不同波长的激光光源的激光束15同时连续得电点亮，某一瞬时，其中一只的光源通过连续旋转的旋转切光机构到达光源合束装置19后，光源汇聚到中心一束光后继续向外发射，穿过靠近发射壳体1一侧的密封镜片13后到达样品测量室10内被样品气吸收，剩余的光强继续通过靠近接收壳体8一侧的密封镜片13后到达光电传感器24，旋转切光机构会依次循环通过光源，实现同时监测n种浓度的气体。

实施例三：

请参阅图8*9所示，取下旋转切光机构，插入旋转滤光机构，n种不同波长的激光光源的激光束15同时连续得电点亮，所有光源同时通过光源合束装置19后，光源汇聚到中心一束光后继续向外发射，穿过靠近发射壳体1一侧的密封镜片13后到达样品测量室10内被样品气吸收，剩余的光强继续通过靠近接收壳体8一侧的密封镜片13后到达旋转滤光机构，会依次通过的某一种光源，到达光电传感器24，连续选装的旋转滤光机构会依次循环滤波，某一瞬时只有一种光源通过，实现同时监测n种浓度的气体。

综上，借助于本发明的上述技术方案，当使用者需要对样品气体浓度进行检测时，只需将样品气体通过进气管5注入样品测量室10内，然后采用上述任一个实施例均可完成同时监测n种浓度的气体的效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种测量n种气体浓度的激光气体分析仪，包括发射壳体(1)、接收壳体(8)，以及安装在发射壳体(1)和接收壳体(8)之间的样品测量室(10)，其特征在于，所述发射壳体(1)内部远离样品测量室(10)的一侧设置有光源安装板(14)，且光源安装板(14)的两端均固定安装有连接杆(12)，所述连接杆(12)远离光源安装板(14)的一端与发射壳体(1)的内壁连接，所述光源安装板(14)靠近样品测量室(10)的一侧固定安装有若干环形阵列分布的激光束(15)，且若干激光束(15)为n种不同波长的激光光源，所述发射壳体(1)内部靠近样品测量室(10)的一侧设置有光源合束装置(19)，且光源合束装置(19)的两端固定安装于发射壳体(1)两端的内壁上，所述接收壳体(8)底部的中央位置固定安装有光电传感器(24)。

2.根据权利要求1所述的一种测量n种气体浓度的激光气体分析仪，其特征在于，所述样品测量室(10)两端的内壁的内壁上均固定安装有密封镜片(13)。

3.根据权利要求2所述的一种测量n种气体浓度的激光气体分析仪，其特征在于，所述样品测量室(10)的两侧分别开设有进气口和出气口，所述进气口外套接有进气管(5)，所述出气口外套接有出气管(9)，所述进气管(5)与所述出气管(9)的圆周顶部外壁均通过螺纹连接有密封盖。

4.根据权利要求1所述的一种测量n种气体浓度的激光气体分析仪，其特征在于，所述发射壳体(1)的顶部中央位置开设有第一安装开口，且第一安装开口的内壁通过螺栓连接有第一密封盖(4)，所述发射壳体(1)两端内壁的中部位置均固定安装有竖直设置的第一槽板(16)，且第一槽板(16)位于第一安装开口的正下方，两个所述第一槽板(16)之间插接有旋转切光机构。

5.根据权利要求4所述的一种测量n种气体浓度的激光气体分析仪，其特征在于，所述旋转切光机构包括第一安装槽板(17)、转动电机(18)和切光装置(11)，所述第一安装槽板(17)插接于两个第一槽板(16)之间，所述切光装置(11)位于第一安装槽板(17)的槽口内，所述第一安装槽板(17)远离槽口的一侧中部位置固定安装有第一转动电机(18)，且第一转动电机(18)的输出轴端与切光装置(11)一侧的中部位置固定连接，所述第一安装槽板(17)的一侧开设有与激光束(15)一一对应的透光孔。

6.根据权利要求1所述的一种测量n种气体浓度的激光气体分析仪，其特征在于，所述接收壳体(8)顶部靠近样品测量室(10)的一侧开设有第二安装开口，且第二安装开口的内壁通过螺栓连接有第二密封盖(6)，所述接收壳体(8)一端的内壁固定安装有竖直设置的第二槽板(21)，且第二槽板(21)位于第二安装开口的正下方，所述第二槽板(21)内插接有旋转滤光机构。

7.根据权利要求6所述的一种测量n种气体浓度的激光气体分析仪，其特征在于，所述旋转滤光机构包括滤光装置(20)、第二安装槽板(22)和第二转动电机(23)，所述第二安装槽板(22)插接于第二槽板(21)内，所述滤光装置(20)位于第二安装槽板(22)的槽口内，所述第二安装槽板(22)远离槽口一侧的中部位置固定安装有第二转动电机(23)，且第二转动电机(23)的输出轴端与滤光装置(20)一侧的中部位置固定连接，所述滤光装置(20)一侧的圆周位置开设有环形阵列分布的固定孔，且固定孔内固定安装有滤光片，所述第二安装槽板(22)的一侧开设有与样品测量室(10)端口处对应设置的透光口。

8.根据权利要求1所述的一种测量n种气体浓度的激光气体分析仪，其特征在于，所述发射壳体(1)远离样品测量室(10)的一侧开设有检修口，且检修口的内壁通过螺栓连接有安装盖(2)。

9.根据权利要求1所述的一种测量n种气体浓度的激光气体分析仪，其特征在于所述发射壳体(1)的顶部一侧外壁固定安装有发射单元控制器(3)，所述接收壳体(8)顶部远离样品测量室(10)一侧的外壁固定安装有接收单元控制器(7)。

10.一种测量n种气体浓度的激光气体分析仪的操作方法，其采用权利要求9所述的一种测量n种气体浓度的激光气体分析仪，其特征在于，包括以下步骤：

S1.首先通过进气管(5)向样品测量室(10)内注入待测量气体，然后取下旋转切光机构和旋转滤光机构，n种不同波长的激光光源的激光束(15)依次得电点亮，某一瞬时，其中一只点亮的光源通过光源合束装置(19)后，光源汇聚到中心一束光后继续向外发射，穿过靠近发射壳体(1)一侧的密封镜片(13)后到达样品测量室(10)内被样品气吸收，剩余的光强继续通过靠近接收壳体(8)一侧的密封镜片(13)后到达光电传感器(24)，依次循环点亮激光光源，实现同时监测n种浓度的气体；

S2.接着插入旋转切光机构，n种不同波长的激光光源的激光束(15)同时连续得电点亮，某一瞬时，其中一只的光源通过连续旋转的旋转切光机构到达光源合束装置(19)后，光源汇聚到中心一束光后继续向外发射，穿过靠近发射壳体(1)一侧的密封镜片(13)后到达样品测量室(10)内被样品气吸收，剩余的光强继续通过靠近接收壳体(8)一侧的密封镜片(13)后到达光电传感器(24)，旋转切光机构会依次循环通过光源，实现同时监测n种浓度的气体；

S3.接着取下旋转切光机构，插入旋转滤光机构，n种不同波长的激光光源的激光束(15)同时连续得电点亮，所有光源同时通过光源合束装置(19)后，光源汇聚到中心一束光后继续向外发射，穿过靠近发射壳体(1)一侧的密封镜片(13)后到达样品测量室(10)内被样品气吸收，剩余的光强继续通过靠近接收壳体(8)一侧的密封镜片(13)后到达旋转滤光机构，会依次通过的某一种光源，到达光电传感器(24)，连续选装的旋转滤光机构会依次循环滤波，某一瞬时只有一种光源通过，实现同时监测n种浓度的气体。

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