CN113959965A - 一种激光在线检测水露点的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水露点检测技术领域，尤其涉及一种激光在线检测水露点的方法及装置，采用激光发射装置，将波长范围为1360‑1380nm范围波段的激光发射到检测气室中；通过红外探测器检测发射激光被气体吸收后的能量，气体组分：包括且不限于甲烷背景的含水气体，根据比尔朗伯(Beer‑Lambert)定律，待测气体组分的浓度正比于入射光强I和透射光强I0的比值；通过检测气室中的气体压力，并根据浓度和压力计算出水露点温度。本发明通过激光检测水露点装置，实现对水露点的精准测量，检测过程对气源无污染可重复利用、设备无耗材、易操作、成本低；通过设有激光检测系统能对水露点进行实时在线的光速测量，保证测量的高精度和快速响应(响应速率<1s)。
Description
技术领域
本发明涉及水露点检测技术领域，尤其涉及一种激光在线检测水露点的方法及装置。
背景技术
露点是指空气中的水蒸气在某一特定温度及相对湿度条件下析出水蒸气并凝结成水珠的温度。GB 17820—2012《天然气》规定，“在交接点压力下，水露点应比输送条件下最低环境温度低5℃”。当温度降低或压力增加时，管道中天然气可析出液相的凝析水，进而造成管道中出现积液问题，降低了管道的输送能力，严重者可能形成段塞流，且液态水也会加速天然气中酸性组分对管道和设备的腐蚀，天然气中液态水也可在合适的压力和温度条件下形成天然气水合物，造成井筒、管道和设备的堵塞，影响天然气的生产和输送以及生产装置的正常运行。因此，准确测定天然气的水露点是保证管输和向用户提供合格商品天然气的重要前提。
当前水露点分析仪种类繁多，从测量原理上看有冷镜法、金属氧化物电容法、高分子聚合物电容法、石英晶体法等；各种测试方法各有优缺点，如冷镜分析仪分辨率高，绝对误差小，但价格昂贵，反应速度非常慢，适用的行业较少；陶瓷电容原理分析仪，耐压好，但反应速度慢、精度差、线性差，价格较贵。为此，我们提出一种激光在线检测水露点的方法及装置。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种激光在线检测水露点的方法及装置，利用激光在维持高精度测量的同时又能够实时在线检测水露点的方法，操作便捷、灵活，自动化、智能化程度高，运用方便，适用范围领域广，应用价值高，成本低，易于普及推广的方法和程序及设备，解决了现有水露点分析仪使用中存在的精度低，响应慢的问题。
本发明提供如下技术方案：一种激光在线检测水露点的方法，包括如下步骤：
S1、采用激光发射装置，将特定波长带有一定频率的调制信号的激光发射到检测气室中，激光波长范围：1360-1380nm范围波段；
S2、通过气体吸收光谱理论，特定波长的激光被特定的气体吸收后，气体分子吸收光能实现能级跃迁导致光强衰减，气体组分：包括且不限于甲烷背景的含水气体；
S3、通过红外探测器检测发射激光被气体吸收后的能量，根据比尔朗伯(Beer-Lambert)定律，待测气体组分的浓度正比于入射光强I和透射光强I0的比值；
S4、检测气室中的气体压力，并根据浓度和压力计算出水露点温度。
优选的，所述步骤S3的计算公式为：
上式中I表示透射光强，即光通过气体后的强度；
I0表示入射光强，即光发射时的初始强度；
α(v)表示气体吸收系数；
P表示气体压强，单位为atm；
X表示气体浓度值，单位为mol·cm-3·atm-1；
L表示光程，即光通过气体经过的垂直长度。
一种激光在线检测水露点的装置，包括激光发射装置、检测气室、红外探测器、信号处理及分析电路；
所述激光发射装置用于向检测气室中发射激光，所述红外探测器用于检测发射激光被气体吸收后的能量，所述信号处理及分析电路用于将红外探测器检测的光强衰减与待测气体的压力和温度进行处理分析计算出水露点温度。
优选的，所述激光发射装置包括半导体激光器和激光驱动电路构成，用于产生带调制的稳定的激光发射信号，并通过光学窗口照射至气室内。
优选的，所述半导体激光器的激光出射端与红外探测器的激光接收端均设置有透镜。
优选的，所述半导体激光器上还设置有热电制冷片，所述热电制冷片用于控制半导体激光器的温度。
优选的，所述检测气室包括气室和设置在气室内部用于反射激光的反射镜和检测气体温度的温度传感器，所述气室还设有样气入口和样气出口，且在样气入口设置有检测压力的压力传感器。
优选的，所述信号处理及分析电路包括微处理器、激光控制器和数据处理系统，所述微处理器与激光控制器、数据处理系统、压力传感器和温度传感器电连接，所述激光控制器与半导体激光器电连接，所述数据处理系统与红外探测器电连接。
本发明提供了一种激光在线检测水露点的方法及装置，通过激光检测水露点装置，实现对水露点的精准测量，检测过程对气源无污染可重复利用、设备无耗材、易操作、成本低；通过设有激光检测系统能对水露点进行实时在线的光速测量，保证测量的高精度和快速响应(响应速率<1s)，真正满足实时在线分析的需求。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图中：1、微处理器；2、激光控制器；3、数据处理系统；4、热电制冷片；5、半导体激光器；6、红外探测器；7、透镜；8、压力传感器；9、样气入口；10、温度传感器；11、光学窗口；12、气室；13、反射镜；14、样气出口。
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。
本发明提供一种技术方案：一种激光在线检测水露点的方法，包括如下步骤：
S1、采用激光发射装置，将特定波长带有一定频率的调制信号的激光发射到检测气室中，激光波长范围：1360-1380nm范围波段；
S2、通过气体吸收光谱理论，特定波长的激光被特定的气体吸收后，气体分子吸收光能实现能级跃迁导致光强衰减，气体组分：包括且不限于甲烷背景的含水气体；
S3、通过红外探测器检测发射激光被气体吸收后的能量，根据比尔朗伯(Beer-Lambert)定律，待测气体组分的浓度正比于入射光强I和透射光强I0的比值；即对于特定气体其吸收系数一定，压强P和光程L都可检测确认，只需确定入射光强I和透射光强I0的比值，就能计算出待测气体浓度的大小。计算公式为：
上式中I表示透射光强，即光通过气体后的强度；
I0表示入射光强，即光发射时的初始强度；
α(v)表示气体吸收系数；
P表示气体压强，单位为atm；
X表示气体浓度值，单位为mol·cm-3·atm-1；
L表示光程，即光通过气体经过的垂直长度。
S4、检测气室中的气体压力，并根据浓度和压力计算出水露点温度。天然气水露点温度指天然气在水汽含量和气压都不改变的条件下，冷却到饱和时的温度。是用来测湿度的参数。露点温度越低，天然气的干燥程度越高。
如图1所示，一种激光在线检测水露点的装置，包括激光发射装置、检测气室12、红外探测器6、信号处理及分析电路；
激光发射装置用于向检测气室12中发射激光，检测气室12包括气室12和设置在气室12内部用于反射激光的反射镜13和检测气体温度的温度传感器10，激光发射装置在气室12端面一侧，对应另一侧为一块反射镜13，用于反射激光，增加激光在气室12内与待测气体相互作用的距离，进而让更多气体分子能够吸收到激光，增加气体分子受激后的振动信号便于信号采集。气室12还设有样气入口9和样气出口14，且在样气入口9设置有检测压力的压力传感器8。
红外探测器6用于检测发射激光被气体吸收后的能量；由于气体分子具有独特结构和运动规律，从而通过红外探测器6检测气体分子吸收光能实现能级跃迁导致的光强衰减。
信号处理及分析电路用于将红外探测器6检测的光强衰减与待测气体的压力和温度进行处理分析计算出水露点温度。信号处理及分析电路包括微处理器1、激光控制器2和数据处理系统3，微处理器1与激光控制器2、数据处理系统3、压力传感器8和温度传感器10电连接，激光控制器2与半导体激光器5电连接，数据处理系统3与红外探测器6电连接。
激光发射装置包括半导体激光器5和激光驱动电路构成，用于产生带调制的稳定的激光发射信号，并通过光学窗口11照射至气室12内。半导体激光器5的激光出射端与红外探测器6的激光接收端均设置有透镜7。半导体激光器5上还设置有热电制冷片4，热电制冷片4用于控制半导体激光器5的温度。
本发明中，基于气体分子的吸收光谱理论，气体分子的内在结构决定了其特有的自然振动频率。当特定波长的激光作用于气体时，由于每种气体分子具有独特结构和运动规律，气体分子会吸收光能实现能级跃迁导致光强衰减，再根据比尔-兰贝特定律得到被测气体的浓度，最后由浓度和压力计算出水露点温度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种激光在线检测水露点的方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、采用激光发射装置，将特定波长带有一定频率的调制信号的激光发射到检测气室中，激光波长范围：1360-1380nm范围波段；
S2、通过气体吸收光谱理论，特定波长的激光被特定的气体吸收后，气体分子吸收光能实现能级跃迁导致光强衰减，气体组分：包括且不限于甲烷背景的含水气体；
S3、通过红外探测器检测发射激光被气体吸收后的能量，根据比尔朗伯(Beer-Lambert)定律，待测气体组分的浓度正比于入射光强I和透射光强I0的比值；
S4、检测气室中的气体压力，并根据浓度和压力计算出水露点温度。
2.根据权利要求1所述的一种激光在线检测水露点的方法，其特征在于：所述步骤S3的计算公式为：
上式中I表示透射光强，即光通过气体后的强度；
I0表示入射光强，即光发射时的初始强度；
α(v)表示气体吸收系数；
P表示气体压强，单位为atm；
X表示气体浓度值，单位为mol·cm-3·atm-1；
L表示光程，即光通过气体经过的垂直长度。
3.一种激光在线检测水露点的装置，其特征在于：包括激光发射装置、检测气室、红外探测器(6)、信号处理及分析电路；
所述激光发射装置用于向检测气室中发射激光，所述红外探测器(6)用于检测发射激光被气体吸收后的能量，所述信号处理及分析电路用于将红外探测器(6)检测的光强衰减与待测气体的压力和温度进行处理分析计算出水露点温度。
4.根据权利要求3所述的一种激光在线检测天然气相对密度的装置，其特征在于：所述激光发射装置包括半导体激光器(5)和激光驱动电路构成，用于产生带调制的稳定的激光发射信号，并通过光学窗口(11)照射至气室(12)内。
5.根据权利要求3所述的一种激光在线检测天然气相对密度的装置，其特征在于：所述半导体激光器(5)的激光出射端与红外探测器(6)的激光接收端均设置有透镜(7)。
6.根据权利要求3所述的一种激光在线检测天然气相对密度的装置，其特征在于：所述半导体激光器(5)上还设置有热电制冷片(4)，所述热电制冷片(4)用于控制半导体激光器(5)的温度。
7.根据权利要求3所述的一种激光在线检测天然气相对密度的装置，其特征在于：所述检测气室包括气室(12)和设置在气室(12)内部用于反射激光的反射镜(13)和检测气体温度的温度传感器(10)，所述气室(12)还设有样气入口(9)和样气出口(14)，且在样气入口(9)设置有检测压力的压力传感器(8)。
8.根据权利要求3所述的一种激光在线检测天然气相对密度的装置，其特征在于：所述信号处理及分析电路包括微处理器(1)、激光控制器(2)和数据处理系统(3)，所述微处理器(1)与激光控制器(2)、数据处理系统(3)、压力传感器(8)和温度传感器(10)电连接，所述激光控制器(2)与半导体激光器(5)电连接，所述数据处理系统(3)与红外探测器(6)电连接。
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