CN115684081B - 激光气体分析系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种激光气体分析系统，用于对测量管道中的待测气体进行检测，包括：激光发射单元；激光分光单元，将激光分为参比光和测量光；标定气室，存储标准气体；标定信号探测单元，用于探测参比谐波信号；测量信号探测单元，用于探测测量谐波信号；激光气体分析系统还包括：信号处理单元，存储有谐波信号预设中心点所在谱线，信号处理单元将参比谐波信号中心点所在谱线与谐波信号预设中心点所在谱线比较，根据比较结果调节激光发射单元的所发射激光的波长，以使参比谐波信号中心点所在谱线与谐波信号预设中心点所在谱线之间的偏移量小于预设阈值。利用本申请提供的激光气体分析系统，可以实现对激光气体分析系统的在线纠偏和在线校准。

Description

激光气体分析系统

技术领域

本发明涉及气体检测领域，尤其涉及一种激光气体分析系统。

背景技术

基于可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术的激光气体分析仪，采用垂直腔面发射激光器（VCSEL）或分布式反馈激光器（DFB）作为可调谐激光光源，通过三角波或锯齿波扫描被测气体吸收谱线。通过获取待测气体特征吸收的光谱谱线信息，从而进行的定量分析。

激光气体分析仪可以采用无须采样预处理的原位测量方式，对样气组分中被测气体含量进行快速、准确和可靠的测量。通过激光器工作温度的控制和工作电流的改变可以调谐激光器输出波长，但是由于环境温度的变化或电子器件长期老化等因素引起激光器温控、电路板芯片漂移等会造成谐波信号漂移，当谐波信号漂移出一定范围时，测量会出现异常。为了更好的保证仪器测量稳定性和准确性，需要对仪器谐波信号实时纠偏。

发明内容

本申请的目的在于提供一种技术方案，解决相关技术中存在的基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的激光气体分析系统谐波信号易产生漂移，导致测量出现误差的情况。

基于上述目的，本申请提供一种激光气体分析系统，用于对测量管道中的待测气体进行检测，包括：

激光发射单元，用于发射可调谐的激光；

激光分光单元，用于将激光发射单元发射的激光分光为两路，其中一路光作为参比光，另一路光作为测量光；

标定气室，存储标准气体；

标定信号探测单元，用于探测参比光穿过标准气体后的参比谐波信号；

测量信号探测单元，用于探测测量过穿过待测气体后的测量谐波信号；

激光气体分析系统还包括：

信号处理单元，接收参比谐波信号和测量谐波信号，信号处理单元解析测量谐波信号，以获得待测气体浓度，并且，信号处理单元存储有谐波信号预设中心点所在谱线，信号处理单元还用于解析参比谐波信号，并将参比谐波信号中心点所在谱线与谐波信号预设中心点所在谱线比较，根据比较结果调节激光发射单元所发射激光的波长，以使参比谐波信号中心点所在谱线与谐波信号预设中心点所在谱线之间的偏移量小于预设阈值。

进一步的，谐波信号预设中心点所在谱线表示为 v ₁，对应的激光发射单元的温控电压表示为 u ₁；

参比谐波信号中心点所在谱线表示为 v ₂，对应的激光发射单元的温控电压表示为 u ₂；

当||＞ʋ_th时，调节激光发射单元的温控电压调节激光发射单元的所发射激光的波长，以使参比谐波信号中心点所在谱线与谐波信号预设中心点所在谱线之间的偏移量小于预设阈值，其中，ʋ_th表示寻峰范围阈值。

进一步的，激光发射单元的温控电压的调节量系数表示为：

；

式中， Δu表示温控电压的调节量系数， v ₁表示谐波信号预设中心点所在谱线， u ₁表示谐波信号预设中心点所在谱线为 v ₁时对应的激光发射单元的温控电压， v ₂表示参比谐波信号中心点所在谱线， u ₂表示参比谐波信号中心点所在谱线为 v ₂时对应的激光发射单元的温控电压。

进一步的，当参比谐波信号中心点所在谱线向右漂移时，激光发射单元调节后的温控电压表示为：

；

当参比谐波信号中心点所在谱线向左漂移时，激光发射单元调节后的温控电压表示为：

；

式中，表示调节后的温控电压，表示当前温控电压， Δu表示温控电压的调节量系数， Δv表示参比谐波信号中心点相对谐波信号目标中心点的漂移量。

进一步的，激光气体分析系统还包括存储单元，存储单元存储有离线校准时获得的谐波信号幅值，对应的离线校准浓度，对应的离线校准光程。

进一步的，信号处理单元还用于将在线校准系数K₂代入浓度计算公式，计算实时浓度含量C，其中，浓度计算公式表示如下：

式中，V_pp3为测量谐波信号的谐波信号幅值，P₃为测量管道中的气体压力，L₃为测量光穿过测量管道的光程。

进一步的，信号处理单元还用于根据比尔-郎伯定律实现等效校准，由参比量程校准系数K₁，求取在线校准系数K₂，在线校准系数K₂表示如下：

式中，V_pp2为离线校准时获取的谐波信号幅值，C₂为对应的离线校准浓度，L₂为对应的离线校准光程。

进一步的，信号处理单元还用于解析参比谐波信号，获得参比谐波信号幅值V_pp1，并且，信号处理单元还根据参比谐波信号幅值V_pp1，参比光通过标定气室的光程L₁以及标定气室中标准气体的浓度C₁，计算参比量程校准系数K₁，参比量程校准系数K₁表示为：

式中，V_pp1为参比谐波信号幅值，b₀为零点系数，C₁为标定气室中标准气体的浓度，P₁为标准气体气压，L₁为参比光通过标定气室的光程，S(T)为吸收线强，g(T,P,C)为线型补偿参数。

进一步的，标定气室采用气体密封罐，气体密封管由光学窗片制成，利用光学窗片围合成一密闭容纳腔，在气体密封罐的侧壁设置有一灌封孔，标准气体由灌封孔注入气体密封罐，并采用胶水覆盖或熔融焊接方式将灌封孔密封。

进一步的，激光分光单元按照8：2的比例进行分光。

综上，本申请提供一种激光气体分析系统，该激光气体分析系统将激光根据需求进行分光，其中一路光作为测量光，用于对待测气体进行检测，另一路作为参比光，利用参比光对标准气体进行检测，并将参比光的检测结果进行数据处理，调节激光的温控电压，可以实现对激光气体分析系统的在线纠偏，使得纠偏工作更为便捷，确保检测结果的准确性。

附图说明

图1为本申请实施例提供的激光气体分析系统示意图；

图2为本申请实施例提供的激光气体分析系统的光路部分的示意图；

图3为本申请实施例提供的气体密封罐示意图；

图4为本申请实施例提供的激光气体分析系统进行在线纠偏流程图；

图5为本申请实施例提供的激光气体分析系统进行在线校准流程图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述，但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

如图1所示，本申请实施例提供一种激光气体分析系统100，用于对测量管道15中的待测气体进行检测。激光气体分析系统100包括光路部分和数据处理部分。光路部分包括：激光发射单元11、激光分光单元12、标定气室13、标定信号探测单元14以及测量信号探测单元16。

其中，激光发射单元11用于发射可调谐的激光；激光分光单元12用于将激光发射单元11发射的激光分光为两路，其中一路光作为参比光，另一路光作为测量光；标定气室13用于存储标准气体；标定信号探测单元14用于探测参比光穿过标准气体后的参比谐波信号；测量管道15用于通入待测气体；测量信号探测单元16，用于探测测量过穿过待测气体后的测量谐波信号。使用时，将激光发射单元11和测量信号探测单元16分别设置在测量管道15的两侧，使得由激光分光单元12分出的测量光可以穿过测量管道15后被测量信号探测单元16接收。

作为一种可选的实现方式，数据处理部分包括信号处理单元17。信号处理单元17可以接收参比谐波信号和测量谐波信号，信号处理单元17解析测量谐波信号，以获得待测气体浓度，并且，信号处理单元17存储有谐波信号预设中心点所在谱线，信号处理单元17还用于解析参比谐波信号，并将参比谐波信号中心点所在谱线与谐波信号预设中心点所在谱线比较，根据比较结果调节激光发射单元11所发射激光的波长，以使参比谐波信号中心点所在谱线与谐波信号预设中心点所在谱线之间的偏移量小于预设阈值。信号处理单元17中存储的谐波信号预设中心点所在谱线可以按照实际需求进行设置，例如，可以根据环境温度进行设置。可以通过调节激光发射单元的温控电压以调节激光发射单元所发射激光的波长。

根据以上说明，本申请实施例提供的激光气体分析系统100可以将激光发射单元11所发射的激光分为两路，其中一路用于对待测气体进行检测，另一路作为参比，用于分析谐波信号的漂移量，并根据谐波信号的漂移量调节激光发射单元11的温控电压，以实现对激光气体分析系统100进行在线纠偏，保障激光气体分析系统100检测的准确性。

如图2所示，其示出了本申请实施例提供的激光气体分析系统100的光路部分的示意图。作为一种可选的实现方式，本申请实施例提供的激光气体分析系统100中，还包括准直透镜101，激光发射单元11所发射的激光经过准直透镜101准直后照射在激光分光单元12上，由激光分光单元12对激光进行分光。

作为一种可选的实现方式，激光分光单元12可以按照实际需求，根据一定比例对激光进行分光。例如，在本申请实施例中，激光分光单元12采用8：2的比例进行分光，其中，占比较少的部分作为参比光，占比较多的部分作为测量光。

作为一种可选的实现方式，在本申请实施例中，测量光穿过标定气室13后由标定信号探测单元14接收，标定信号探测单元14可以检测参比光穿过标准气体后的参比谐波信号。

作为一种可选的实现方式，在标定气室13与标定信号探测单元14之间设置有第一会聚透镜102，参比光穿过标定气室13后由第一会聚透镜102将光束会聚在标定信号探测单元14上。

作为一种可选的实现方式，标定信号探测单元14可以对参比谐波信号实现放大、锁相、解调等信号处理工作，提高参比谐波信号检测的准确性。

如图3所示，作为一种可选的实现方式，标定气室13采用气体密封罐131，气体密封管由光学窗片104制成，材质为石英、氟化钙或其他可以透射激光的光学玻璃。利用光学窗片104围合成一密闭容纳腔，在气体密封罐131的侧壁设置有一灌封孔105，标准气体由灌封孔105注入气体密封罐131，并采用胶水覆盖或熔融焊接方式将灌封孔105密封。

利用气体密封罐131，当参比光从气体密封罐131的第一侧的光学窗片104射入，并在气体密封罐131的第二侧的光学窗片104射出时，标定信号探测单元14接收并探测参比谐波信号。对参比谐波信号进行解析即可实现激光气体分析系统100的在线纠偏。作为一种可选的实现方式，气体密封罐131的第一侧光学窗片104与第二侧光学窗片104之间可以倾斜一定角度，并保证光学窗片104的光洁度，从而可以避免参比光经过气体密封罐131时产生光学干涉噪声。

利用本申请实施例提供的激光气体分析系统100，通过气体密封罐131即可实现在线纠偏，无需人工在线通入标准气体，使得纠偏工作更为便捷，更加安全。

作为一种可选的实现方式，在测量光穿过测量管道15的方向上，在测量管道15的两端分别设置有一光学窗片104，以便于测量光穿过测量管道15。两光学窗片104之间可以倾斜一定角度，并保证光学窗片104的光洁度，从而可以避免参比光经过气体密封罐131时产生光学干涉噪声。

作为一种可选的实现方式，在测量管道15的测量光出射侧设置有测量信号探测单元16。测量信号探测单元16用于探测测量过穿过待测气体后的测量谐波信号。基于比尔-郎伯定律，根据测量谐波信号，可以计算得待测气体的浓度。

作为一种可选的实现方式，可以在测量管道15与测量信号探测单元16之间设置第二会聚透镜103，测量光穿过测量管道15后由第二会聚透镜103将光束会聚在测量信号探测单元16上。

作为一种可选的实现方式，测量信号探测单元16可以对测量谐波信号实现放大、锁相、解调等信号处理工作，提高测量谐波信号检测的准确性。

以上为本申请实施例提供的激光气体分析系统100的光路部分的说明，本申请实施例提供的激光气体分析系统100中，利用激光分光单元12将激光分为两路，其中一路用于测量待测气体浓度，另一路可以用于实现在线纠偏，保障激光气体分析系统100的检测精度。

如图4所示，作为一种可选的实现方式，可以设置谐波信号目标中心点，将参比谐波信号中心点与谐波信号目标中心点比较，判断是否需要对激光气体分析系统100进行纠偏，以及决定如何进行纠偏。

具体的，利用参比光对激光气体分析系统100进行在线纠偏，可以有如下步骤：

S101、标定信号探测单元14以一定采样频率对参比光进行检测，获取参比谐波信号中心点。

S102、判断参比谐波信号中心点的漂移量是否大于预设寻峰范围阈值，若是则进入步骤S103，否则进入步骤S105。

例如，当||＞ʋ_th时，判断参比谐波信号中心点的漂移量是否大于预设寻峰范围阈值，其中，ʋ_th表示寻峰范围阈值， v ₁表示谐波信号预设中心点所在谱线， v ₂表示参比谐波信号中心点所在谱线。

S103、根据参比谐波信号中心点的漂移量计算激光发射单元11的温控电压的调节量系数。

进一步的，激光发射单元11的温控电压的调节量系数表示为：

；

式中， Δu表示温控电压的调节量系数， v ₁表示谐波信号预设中心点所在谱线， u ₁表示谐波信号预设中心点所在谱线为 v ₁时对应的激光发射单元11的温控电压， v ₂表示参比谐波信号中心点所在谱线， u ₂表示参比谐波信号中心点所在谱线为 v ₂时对应的激光发射单元11的温控电压。

S104、判断参比谐波信号中心点向右漂移还是向左漂移，并根据激光发射单元11的温控电压的调节量系数，调节激光发射单元11的温控电压。

进一步的，当参比谐波信号中心点所在谱线向右漂移时，激光发射单元11调节后的温控电压表示为：

；

当参比谐波信号中心点所在谱线向左漂移时，激光发射单元11调节后的温控电压表示为：

；

式中，表示调节后的温控电压，表示当前温控电压， Δu表示温控电压的调节量系数， Δv表示参比谐波信号中心点相对谐波信号目标中心点的漂移量。

根据以上说明，本申请实施例提供的激光气体分析系统100可以根据激光分光单元12所分出的参比光进行在线纠偏，无需在线通入标气，使得纠偏操作更为便捷。并且，按照一定的频率检测参比谐波信号中心点的漂移，可以更加及时得对激光气体分析系统100进行纠偏，确保检测的准确性。

进一步的，利用本申请实施例提供的激光气体分析系统100，除可以实现在线纠偏外，还可以实现在线校准。

作为一种可选的实现方式，本申请实施例提供的激光气体分析系统100还包括存储单元，存储单元存储有离线校准时获得的谐波信号幅值，对应的离线校准浓度，对应的离线校准光程。

例如，进行离线校准时，对浓度记为C₂的标准气体进行检测，检测时激光穿过标准气体的光程记为离线校准光程L₂，从而可以获得相应的谐波信号幅值，为了便于说明，可以将离线校准时获得的谐波信号记为K₂。

本申请实施例提供的激光气体分析系统100可以根据参比光的检测结果，并结合事先存储的离线校准时获得的各项参数来实现在线校准。

如图5所示，具体的，根据本申请实施例提供的激光气体分析系统100，对其进行在线校准需要进行以下步骤：

S201、信号处理单元17解析参比谐波信号，获得参比谐波信号幅值V_pp1，并且，信号处理单元17还根据参比谐波信号幅值V_pp1，参比光通过标定气室13的光程L₁以及标定气室13中标准气体的浓度C₁，计算参比量程校准系数K₁。

其中，参比量程校准系数K₁表示为：

式中，V_pp1为参比谐波信号幅值，b₀为零点系数，C₁为标定气室13中标准气体的浓度，P₁为标准气体气压，L₁为参比光通过标定气室13的光程，S(T)为吸收线强，g(T,P,C)为线型补偿参数。

S202、信号处理单元17根据比尔-郎伯定律实现等效校准，由参比量程校准系数K₁，并结合离线校准时获得的谐波信号幅值V_pp2，对应的离线校准浓度C₂，对应的离线校准光程L₂，求取在线校准系数K₂。

在线校准系数K₂表示如下：

式中，V_pp2为离线校准时获取的谐波信号幅值，C₂为对应的离线校准浓度，L₂为对应的离线校准光程。

S203、信号处理单元17将在线校准系数K₂代入浓度计算公式，计算待测气体浓度含量C。

其中，浓度计算公式表示如下：

式中，V_pp3为测量谐波信号的谐波信号幅值，P₃为测量管道15中的气体压力，L₃为测量光穿过测量管道15的光程。

根据以上说明，本申请实施例提供的激光气体分析系统100可以利用参比光的参比谐波信号实现量程在线校准。从而可以确保测量结果的准确性。

综上，本申请实施例提供一种激光气体分析系统100，该激光气体分析系统100包括光路部分和数据处理部分。在本申请实施例中，光路部分设计有激光分光单元12，以将激光根据需求进行分光，其中一路光作为测量光，用于对待测气体进行检测，另一路作为参比光，利用参比光对标准气体进行检测，并将参比光的检测结果经过数据处理部分进行处理，可以实现对激光气体分析系统100的在线纠偏和在线校准，使得纠偏和校准工作更为便捷，并可以对激光气体分析系统100及时进行修正，确保检测结果的准确性。

以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，然其并非用以限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种激光气体分析系统，用于对测量管道中的待测气体进行检测，包括：

激光发射单元，用于发射可调谐的激光；

激光分光单元，用于将所述激光发射单元发射的激光分光为两路，其中一路光作为参比光，另一路光作为测量光；

标定气室，存储标准气体；

标定信号探测单元，用于探测所述参比光穿过所述标准气体后的参比谐波信号；

测量信号探测单元，用于探测所述测量过穿过所述待测气体后的测量谐波信号；

其特征在于，所述激光气体分析系统还包括：

存储单元，所述存储单元存储有离线校准时获得的谐波信号幅值，对应的离线校准浓度，对应的离线校准光程；

信号处理单元，接收所述参比谐波信号和所述测量谐波信号，所述信号处理单元解析所述测量谐波信号，以获得所述待测气体浓度；

并且，所述信号处理单元存储有谐波信号预设中心点所在谱线，所述信号处理单元还用于解析所述参比谐波信号，并将参比谐波信号中心点所在谱线与谐波信号预设中心点所在谱线比较，根据比较结果调节所述激光发射单元的所发射激光的波长，以使参比谐波信号中心点所在谱线与谐波信号预设中心点所在谱线之间的偏移量小于预设阈值；

所述信号处理单元还用于对所述激光气体分析系统进行在线校准，所述在线校准需要进行以下步骤：

信号处理单元解析所述参比谐波信号，获得参比谐波信号幅值V_pp1，并且，所述信号处理单元还根据所述参比谐波信号幅值V_pp1，参比光通过所述标定气室的光程L₁以及标定气室中标准气体的浓度C₁，计算参比量程校准系数K₁，参比量程校准系数K₁表示为：

式中，V_pp1为参比谐波信号幅值，b₀为零点系数，C₁为标定气室中标准气体的浓度，P₁为标准气体气压，L₁为参比光通过所述标定气室的光程，S(T)为吸收线强，g(T,P,C)为线型补偿参数；

所述信号处理单元还用于根据比尔-郎伯定律实现等效校准，由参比量程校准系数K₁，求取在线校准系数K₂，在线校准系数K₂表示如下：

式中，V_pp2为离线校准时获取的谐波信号幅值，C₂为对应的离线校准浓度，L₂为对应的离线校准光程，K₁表示参比量程校准系数，C₁为标定气室中标准气体的浓度，L₁为参比光通过所述标定气室的光程，V_pp1为参比谐波信号幅值，b₀为零点系数。

2.根据权利要求1所述的激光气体分析系统，其特征在于，

谐波信号预设中心点所在谱线表示为v ₁，对应的所述激光发射单元的温控电压表示为u ₁；

所述参比谐波信号中心点所在谱线表示为v ₂，对应的所述激光发射单元的温控电压表示为u ₂；

当||＞ʋ_th时，调节所述激光发射单元的温控电压以调节所述激光发射单元的所发射激光的波长，以使参比谐波信号中心点所在谱线与谐波信号预设中心点所在谱线之间的偏移量小于预设阈值，其中，ʋ_th表示寻峰范围阈值。

3.根据权利要求2所述的激光气体分析系统，其特征在于，

所述激光发射单元的温控电压的调节量系数表示为：

；

式中，Δu表示温控电压的调节量系数，v ₁表示所述谐波信号预设中心点所在谱线，u ₁表示谐波信号预设中心点所在谱线为v ₁时对应的所述激光发射单元的温控电压，v ₂表示所述参比谐波信号中心点所在谱线，u ₂表示参比谐波信号中心点所在谱线为v ₂时对应的所述激光发射单元的温控电压。

4.根据权利要求3所述的激光气体分析系统，其特征在于，

当所述参比谐波信号中心点所在谱线向右漂移时，所述激光发射单元调节后的温控电压表示为：

；

当所述参比谐波信号中心点所在谱线向左漂移时，所述激光发射单元调节后的温控电压表示为：

；

式中，表示调节后的温控电压，表示当前温控电压，Δu表示温控电压的调节量系数，Δv表示参比谐波信号中心点相对谐波信号目标中心点的漂移量。

5.根据权利要求1所述的激光气体分析系统，其特征在于，

所述信号处理单元还用于将在线校准系数代入浓度计算公式，计算实时浓度含量C，其中，浓度计算公式表示如下：

式中，V_pp3为所述测量谐波信号的谐波信号幅值，P₃为所述测量管道中的气体压力，L₃为测量光穿过测量管道的光程，b₀为零点系数，K₂表示在线校准系数，S(T)为吸收线强，g(T,P,C)为线型补偿参数。

6.根据权利要求1所述的激光气体分析系统，其特征在于，

所述标定气室采用气体密封罐，所述气体密封罐由光学窗片制成，利用所述光学窗片围合成一密闭容纳腔，在所述气体密封罐的侧壁设置有一灌封孔，所述标准气体由所述灌封孔注入所述气体密封罐，并采用胶水覆盖或熔融焊接方式将所述灌封孔密封。

7.根据权利要求1所述的激光气体分析系统，其特征在于，

所述激光分光单元按照8：2的比例进行分光。

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