CN113640248A - 一种气体多组分浓度在位监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种气体多组分浓度在位监测方法，包括以下步骤:S1：至少两路激光器通过不同的三角波电流信号调制，以使得每路激光器发射具有不同特点的激光；S2：对多路激光器发射的激光进行耦合，使多路激光穿过同一个气体检测室；S3：通过光电检测器接收穿过检测室的多路激光，并将获取的光强信号发送到锁向放大器进行调解，区分出每路激光的独立数据；S4：对每路激光的独立数据进行计算分析，获得检测室中多组分气体的浓度信息。本发明通过上述方法实现了通过一个光电检测器，一个气体检测室即可检测气体中的多组分成分浓度。
Description
技术领域
本发明涉及光学检测领域，尤其涉及一种气体多组分浓度在位监测方法。
背景技术
光学检测技术由于具有高灵敏度、低检测限、快响应性的特点，正成为痕量气体浓度检测的主流方法，被广泛应用到燃烧诊断、工业过程控制、大气痕量检测、医学研究等领域中。其中TDLAS是一种高分辨率的光学测量技术，通过利用激光器的窄线宽和波长调谐特性，对被测气体单一的特征吸收谱线进行扫描，获得目标气体的红外光谱特征信息，从而反演计算出气体的各种参数如浓度，温度等，实现对气体的定性和定量分析。对于各类气体的光谱分布可分为近红外光谱和中红外光谱，其中绝大多数物质在中红外光谱区域都有强的特征吸收谱线，相比于近红外波段要大几个量级，非常有利于光谱的测量，正成为科学研究和工业应用的热点方向。
目前，现有的一套中红外TDLAS系统组成包括：一个中红外激光器、反射镜、一个凹面镜、一个气体吸收池、一个光电探测器、一个锁相放大模块、一个采集与显示模块。现有的TDLAS系统在监测气体内的组分时，一种激光只能监测出一种组分的浓度，若要监测当地环境气体的多组分气体浓度，要么布设多套TDLAS监测系统，要么就对TDLAS的监测系统进行改造，现有的改造方式一般是设置多个激光器，并对应设置与激光器数量对应的多个光电探测器来分别接收各路激光，如此，整套系统的结构复杂，制造成本高，而且体积大。
发明内容
本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种可同时监测气体中多组分气体的监测方法。。
本发明至少通过如下技术方案之一实现：
一种气体多组分浓度在位监测方法，包括以下步骤:
S1：至少两路激光器通过不同的三角波电流信号调制，以使得每路激光器发射具有不同特点的激光；
S2：对多路激光器发射的激光进行耦合，使多路激光穿过同一个气体检测室；
S3：通过光电检测器接收穿过检测室的多路激光，并将获取的光强信号发送到锁向放大器进行调解，区分出每路激光的独立数据；
S4：对每路激光的独立数据进行计算分析，获得检测室中多组分气体的浓度信息。
作为优选，S1中调制激光器的三角波电路满足以下条件：
其中，I代表驱动电流，ω代表频率，ψ代表相位，a，b，c，d代表三角波调制系数，T代表三角波的周期；S3中，通过锁向放大器以不同的调制频率对穿过气体检测室光强信号进行调解，区分出各路激光的光强数据。
作为优选，多路激光器发出的激光通过抛物面反射镜耦合后平行进入到气体检测室。
作为优选，穿过气体检测室内的多组平行激光通过一个平凸透镜汇聚由一个光电检测器接收。
作为优选，多路激光器发出的激光通过平面反射镜反射后平行进入到气体检测室。
作为优选，所述平面反射镜满足如下约束条件：
其中，Z为表面轮廓的凹陷，Y为光轴径向距离，R为曲率半径，k为二次曲线常数，An为n阶非球面系数。
作为优选，S1中多路激光器通过分时三角波电流信号调制，各路三角波电流信号的频率相同且均不同步；S3中，通过分时扫描信号提取各路光强信号。
作为优选，每路激光器上还设置有温控电路，所述温控电路用于检测控制激光器的光机温度。
作为优选，在S1时，通过温控电路控制各路激光器的温度偏差在10度之内。
本发明采用上述技术方案，至少具备以下技术有点：本发明通过三角波电流信号对激光器进行调制，使得每个激光器发出的激光具有不同的特点特性，光电接收器接收到多路激光时，可通过分解分析各路激光的特性将各路激光的数据区分出来，从而通过一个光电检测器，一个气体检测室即可检测气体中的多组分成分浓度。
附图说明
图1是本发明实施例一中的步骤图。
图2是本发明实施例三中的步骤图。
图3是本发明实施例一中的TDLAS监测系统示意图；
图4是本发明实施例二中的TDLAS监测系统示意图；
图5是本发明实施例三中三角波信号触发采集信号时序图。
图中，10、第一激光器；11、第二激光器；20、抛物面反射镜；30、气体检测室；40、汇聚透镜；50、光电检测器。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
在工业生产中常使用TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，可调谐半导体激光吸收光谱)技术进行气体检测。半导体激光器发射出特定波长的激光束(仅能被被测气体吸收)，穿过被测气体时，激光强度的衰减与被测气体的浓度成一定的函数关系，从而进行的定量分析。目前常见的激光仪表存在以下不足：
由于激光单线吸收的特性，一般一台激光气体分析仪只能测一个组分，无法满足要求同时测多种气体的场合；
常规的多组分测量方案光源多采用带尾纤的激光器，并通过Y型光纤耦合，噪声较大且受限于光纤结构稳定性较差，同时可选择光源有限，无法覆盖常规气体的测量需求；多为抽取式结构，需要对样气预处理，无法在位测量，影响测量精度。
本发明提供了一种气体多组分浓度在位监测方法，包括以下步骤:
S1：至少两路激光器通过不同的三角波电流信号调制，以使得每路激光器发射具有不同特点的激光；
S2：对多路激光器发射的激光进行耦合，使多路激光穿过同一个气体检测室；
S3：通过光电检测器接收穿过检测室的多路激光，并将获取的光强信号发送到锁向放大器进行调解，区分出每路激光的独立数据；
S4：对每路激光的独立数据进行计算分析，获得检测室中多组分气体的浓度信息。
本发明通过三角波电流信号对激光器进行调制，使得每个激光器发出的激光具有不同的特点特性，光电接收器接收到多路激光时，可通过分解分析各路激光的特性将各路激光的数据区分出来，从而通过一个光电检测器，一个气体检测室即可检测气体中的多组分成分浓度。
下面通过实施例的方式对本发明的方案进行具体阐述。
实施例一
本实施例以一个TDLAS监测系统同时监测气体中两种组分的浓度为例。
在本实施例中，TDLAS监测系统包括两个激光器，一个抛物面反射镜20，一个气体检测室30，一个汇聚透镜40，一个光电检测器50，一个锁向放大器，一个数据处理模块。两个激光器发出的激光通过抛物面反射镜20反射形成两道平行的激光穿过气体检测室30，穿过气体检测室30的激光被光电检测器50接收，光电检测器50将光强信号转换为电信号，锁向放大器对光电检测器50的转化的电信号进行调解解析，从而对每路激光产生的电信号进行分离，分离后的电信号传递到数据处理模块，数据处理模块分别处理计算每路激光对应产生的电信号，并根据通过两路光强信号检测出来的数据获得气体中两种组分的浓度信息。
本实施例的监测方法主要包含以下步骤：
S1：两路激光器通过不同的三角波电流信号调制，以使得每路激光器发射具有不同特点的激光；
S2：对两路激光器发射的激光进行耦合，使两路激光穿过同一个气体检测室30；
S3：通过光电检测器50接收穿过检测室的多路激光，并将获取的光强信号发送到锁向放大器进行调解，区分出每路激光的独立数据；
S4：对每路激光的独立数据进行计算分析，获得检测室中两组分气体的浓度信息。
具体的，在本实施例中，用于调整激光器的三角波电流信号满足以下条件：
其中，I代表驱动电流，ω代表频率，ψ代表相位，a，b，c，d代表三角波调制系数，T代表三角波的周期。经过不同的三角波调制系数调制的激光，发出的两路激光的三角波电流信号是不同的。在步骤S3中，通过锁向放大器以与三角波调制系数对应的调制频率对穿过气体检测室30的光强信号进行调解，区分出两路激光的光强数据，从而将耦合在一起的两路激光的光强数据分别采集到。在S4中，对两路激光的光强数据进行计算分析，即可获得检测室中两种不同气体的浓度信息。
为了方便光强数据的计算分析，也提高光强数据结果的准确性，在对两路光强数据进行计算分析前，可以将两路光强数据进行放大处理。
具体的，参考图，一路激光器的出光方向与光电检测器50对齐，定义该激光器为第一激光器10，一路激光器的出光方向对准抛物面反射镜20，定义该激光器为第二激光器11，第二激光器11发出的激光通过抛物面反射镜20反射后与第一路激光器发出的激光耦合平行进入到气体检测室30内，穿过气体检测室30内的两组平行激光通过一个平凸透镜汇聚后，由一个光电检测器50接收。为了使得两路激光平行后光线更加靠拢集中，抛物面反射镜20的中间具有避开通道，方便第一激光器10的激光通过。抛物面反射镜20具有汇聚光线的作用，当激光器或者抛物面反射镜20小幅度抖动时，反射后的激光仍然能够保证方向不偏离，从而保证能够被光电检测器50所接收。
进一步的，在本实施例中，激光器的自身温度也会很大程度的影响检测结果，为了避免两路激光器之间的温差导致的检测误差，在两路激光器上都设置有温控电路，通过温控电路来控制激光器的光机温度，保证两路激光器的工作是的温差不超过10度。
实施例二
本实施例是实施例一基础上的一种改进，在本实施例中，第一激光器10的出光方向同样与光电检测器50相对应，第二激光器11通过平面反射镜21的反射后，反射光与第一激光器10发出的激光平行后被光电检测器50所接收，平面反射镜21的制造难度低，反射的角度便于计算，安装时第二激光器11与平面反射镜21的位置可以选择多个，更加便于制造和组装，有利于减小组装难度，降低组装产生的误差。
进一步的，在本实施例中，所述平面反射镜21满足如下约束条件：
其中，Z为表面轮廓的凹陷，Y为光轴径向距离，R为曲率半径，k为二次曲线常数，An为n阶非球面系数。
实施例三
本实施例是实施例一和实施例二中任一方案的进一步改进，本实施例的监测方法主要包含以下步骤：
S1：两路激光器通过分时三角波电流信号调制，各路三角波电流信号的频率相同且均不同步；
S2：对两路激光器发射的激光进行耦合，使两路激光穿过同一个气体检测室30；
S3：通过光电检测器50接收穿过检测室的两路激光，通过分时扫描信号对获得两路激光进行扫描，区分出每路激光的独立数据，分时扫描的区间与上述分时三角波电流信号相对应；
S4：对每路激光的独立数据进行计算分析，获得检测室中两组分气体的浓度信息。
具体的，在本实施例中，用于调整激光器的三角波电流信号满足以下条件：
其中，I代表驱动电流，ω代表频率，ψ代表相位，a，b，c，d代表三角波调制系数，T代表三角波的周期。从而实现两路激光的三角波信号分时调制。
文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (9)
1.一种气体多组分浓度在位监测方法，其特征在于，包括以下步骤:
S1：至少两路激光器通过不同的三角波电流信号调制，以使得每路激光器发射具有不同特点的激光；
S2：对多路激光器发射的激光进行耦合，使多路激光穿过同一个气体检测室；
S3：通过光电检测器接收穿过检测室的多路激光，并将获取的光强信号发送到锁向放大器进行调解，区分出每路激光的独立数据；
S4：对每路激光的独立数据进行计算分析，获得检测室中多组分气体的浓度信息。
2.根据权利要求1所述的气体多组分浓度在位监测方法，其特征在于，S1中调制激光器的三角波电路满足以下条件：
其中，I代表驱动电流，ω代表频率，ψ代表相位，a，b，c，d代表三角波调制系数，T代表三角波的周期；S3中，通过锁向放大器以不同的调制频率对穿过气体检测室光强信号进行调解，区分出各路激光的光强数据。
3.根据权利要求2所述的气体多组分浓度在位监测方法，其特征在于，多路激光器发出的激光通过抛物面反射镜耦合后平行进入到气体检测室。
4.根据权利要求3所述的气体多组分浓度在位监测方法，其特征在于，穿过气体检测室内的多组平行激光通过一个平凸透镜汇聚由一个光电检测器接收。
5.根据权利要求2所述的气体多组分浓度在位监测方法，其特征在于，多路激光器发出的激光通过平面反射镜反射后平行进入到气体检测室。
6.根据权利要求5所述的气体多组分浓度在位监测方法，其特征在于，所述平面反射镜满足如下约束条件：
其中，Z为表面轮廓的凹陷，Y为光轴径向距离，R为曲率半径，k为二次曲线常数，An为n阶非球面系数。
7.根据权利要求1所述的气体多组分浓度在位监测方法，其特征在于，S1中多路激光器通过分时三角波电流信号调制，各路三角波电流信号的频率相同且均不同步；S3中，通过分时扫描信号提取各路光强信号。
8.根据权利要求1所述的气体多组分浓度在位监测方法，其特征在于，每路激光器上还设置有温控电路，所述温控电路用于检测控制激光器的光机温度。
9.根据权利要求8所述的气体多组分浓度在位监测方法，其特征在于，在S1时，通过温控电路控制各路激光器的温度偏差在10度之内。
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20211112 |