CN201917519U - 一种在位式吸收光谱气体分析系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种在位式吸收光谱气体分析系统，包括光发射单元、光接收单元和信号分析单元；所述光发射单元包括光源、会聚透镜；特点是：所述会聚透镜背对光源的一端为弧面；在会聚透镜的弧面端设置一端开口、一端封闭的标定腔室，开口端与会聚透镜密封连接；所述会聚透镜的中间部分的A-A截面为任意几何形状；所述光源发出的光通过所述会聚透镜、标定腔室后进入被测介质。本实用新型具有能实时在线标定、测量精度和测量灵敏度较高、结构简单可靠、易于实现隔爆功能、无需吹扫、密封要求低以及制造方便等优点。

Description

一种在位式吸收光谱气体分析系统

技术领域

本实用新型涉及光谱分析，特别涉及一种在位式吸收光谱气体分析系统。

背景技术

在位式气体分析系统与传统采样方式气体分析系统不同，它不需要采样和预处理过程，克服了传统采样方式气体分析系统的很多缺陷，具有系统简单，可靠性高，测量响应速度快，分析精度高，可以测量气体的浓度和速度等优点，在现代工业，科研，环保等领域获得了越来越广泛的应用。在位式气体分析系统可以采用多种吸收光谱技术来实现，如非分光红外光谱(NDIR)技术，差分光学吸收光谱(DOAS)技术，可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术。

如图1所示，一种半导体激光吸收光谱气体分析系统，包括光发射单元1、光接收单元2和信号分析单元3，所述光发射单元1和光接收单元2安装在被测气体4的两侧。所述光发射单元包括半导体激光器11、会聚透镜12和玻璃窗片13；所述光接收单元2包括会聚透镜20、光接收器件21和玻璃窗片22。当所述分析系统需要防爆时，所述玻璃窗片13、22使用钢化玻璃，而且为了满足隔爆面大小的需要，钢化玻璃13、22的直径较大；同时很多在位测量应用也需要大孔径的光束来降低被测气体中颗粒物散射对测量光产生的不均匀衰减，所以会聚透镜12和会聚透镜20的直径较大。

所述分析系统的工作过程如下：所述半导体激光器11发光，经过光发射单元1中的会聚透镜12会聚成平行光，之后经过玻璃窗片13穿过被测气体4，穿过被测气体4的光在穿过光接收单元2中的玻璃窗片22后再经过会聚透镜20会聚，之后被所述光接收器件21接收，而接收信号送信号分析单元3分析，从而得到被测气体4的浓度等。

在很多应用场合，分析系统需要安装在易燃易爆环境中，如含有一氧化碳或氢气等危险气体的工作区内。在这些场合就需要对分析系统做好防爆设计，并取得防爆认证。防爆设计有多种方式，如正压防爆、隔爆、本安防爆等。由于隔爆具有可靠性高、应用方便等优越性，获得非常广泛的应用。

激光由半导体激光器11发射出后，在经过会聚透镜12、玻璃窗片13、玻璃窗片22、会聚透镜20等各个光学元器件的表面时，尽管绝大多数激光能量折射通过光学器件，但是一小部分激光能量会被上述光学器件的表面往复反射或散射后再被光接收器件接收，因此，到达光接收器件的各次反射、散射激光束之间会存在相位差，产生多光束干涉(etalon)现象。这种多光束干涉现象会对测量光束的透过率产生影响，从而改变光接收器件接收到的光信号。由于吸收光谱分析技术是通过分析光接收器件接收到的光信号来分析气体浓度，上述多光束干涉现象会对气体浓度分析产生干扰，这种干扰通常被称为etalon噪音。在激光波长扫描过吸收谱线的过程中，多光束之间相位差随激光波长不断变化；也就是说，在激光波长扫描过吸收谱线的过程中光束的透过率是变化的，因此，etalon噪音随光频率的变化而变化，图2给出了一种etalon噪音与光频率的关系。另外，受各种环境因素(温度变化、机械振动等)的影响，各光学元器件表面之间的距离经常发生微小的变化；由于激光波长较短，微小的变化就会引起多光束之间相位差的明显改变，从而显著改变上述多光束干涉产生的透过率变化，也就是说etalon噪音随光频率的分布会受各种环境因素的影响而发生变化，进而给准确气体参数分析带来困难。图3给出了在没有etalon噪音情况下分析系统测得的气体单线吸收光谱，在有etalon噪音情况下测得的气体单线吸收光谱的信噪比会显著下降，如图4所示。对于固定波长测量方法，波长的微小漂移或环境因素的变化也均会导致光学系统表观透过率的变化，从而影响测量精度。

上述分析系统存在一些不足：1)结构相对复杂，采用会聚透镜来会聚发散光，而同时还需要钢化玻璃来实现隔爆；由于采用多个光学元器件，增加了反射表面数目，增大了etalon光学噪音，降低了测量精度和测量灵敏度；2)在测量一些介质浓度时，如测量微量水份和氧气的浓度时，由于半导体激光器、会聚透镜、隔爆玻片之间，光接收器件，会聚透镜和隔爆玻片之间都存在不少空间，如果这些空间中气体存在被测气体组分，就会对测量产生影响，当前的方法是或者采用氮气吹扫，或者采用氮气灌封的方法来避免这些空间中存在这些被测气体；但吹扫增加了系统的复杂度，另外灌封方法在发生泄漏时会产生较大的测量不准确性，尤其当被测介质浓度较低时，例如ppm量级，因此，光发射单元1、光接收单元2均需要严格密封，防泄漏要求高，这进一步增加了系统设计和制造的复杂性。

在上述分析系统的使用过程中，光源和电子元器件等的老化会导致分析系统参数的缓慢漂移，影响测量的准确性，因此需要对在位式气体分析系统进行周期性的标定。

如图5所示，美国专利US5517314公开了一种在位气体分析系统，该系统具有在位标定功能，具体包括光发射装置，标定和测量管道，光接收装置，分析装置；工作原理如下：光源发出的光经过两个凹面镜反射成两束平行光，分别经过封闭管道和测量管道，进入到光接收装置，经过两个凹面镜反射进光接收器，之后通过光纤送分析装置分析。在标定光路上被测气体管道外有标定气体腔室，腔室也可放置在被测过程气体管道内并让标定光束通过，零气或已知浓度的被测气体通过阀门控制充入腔室，吹扫气体通过通气接头通入测量管道；当需要标定时，计算机控制马达将挡体置放在测量光路上，打开阀门，在腔室充入零气或已知浓度的被测气体，标定光路的光通过接收器送入分析装置。测量时，计算机控制马达将挡体置放在标定光路上，测量光束通过接收器送入分析装置。

该系统能够实现在位标定，但结构复杂，比如：在光发射单元里面，一个光源发出的光经过凹面镜后反射成两束平行光，在光接收单元这两束平行光又通过凹面镜反射进一个接收器，这要求很高的机械加工和装配精度；再有，标定和测量需要在两根管道内独立进行，不能有效地利用测量管道进行标定，造成在安装和调试时增加难度；还有，在标定时，要挡体很好的阻断测量光束，否则会有测量光束进入光接收器，降低标定精度。

实用新型内容

为了解决现有技术中存在的上述不足，本实用新型提供了一种能实时在线标定、测量精度和测量灵敏度较高、结构简单可靠、易于实现隔爆功能、无需吹扫、密封要求低以及制造方便的在位式吸收光谱气体分析系统。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种在位式吸收光谱气体分析系统，包括光发射单元、光接收单元和信号分析单元；所述光发射单元包括光源、会聚透镜；特点是：

所述会聚透镜背对光源的一端为弧面；在会聚透镜的弧面端设置一端开口、一端封闭的标定腔室，开口端与会聚透镜密封连接；所述会聚透镜的中间部分的A-A截面为任意几何形状；所述光源发出的光通过所述会聚透镜、标定腔室后进入被测介质。

作为优选，所述光源与所述会聚透镜之间光束主光线光程小于或等于7mm。

作为优选，所述会聚透镜相对光源的一端为斜面。

本实用新型还提出了另外一种在位式吸收光谱气体分析系统，包括光发射单元、光接收单元和信号分析单元，所述光接收单元包括光接收器件、会聚透镜；特点是：

所述会聚透镜背对光接收器件的一端为弧面；在会聚透镜的弧面端设置一端开口、一端封闭的标定腔室，开口端与会聚透镜的弧面端密封连接；所述会聚透镜的中间部分的A-A截面为任意几何形状；从被测介质中穿过的光通过所述标定腔室、会聚透镜后被光接收器件接收。

作为优选，所述光接收器件与所述会聚透镜之间光束主光线光程小于或等于7mm。

作为优选，所述会聚透镜相对光接收器件的一端为斜面。

作为优选，上述会聚透镜的厚度大于或等于20mm。

作为优选，上述A-A截面的最小覆盖圆的直径大于或等于25mm。

作为优选，上述会聚透镜的中间部分的A-A截面为圆形、矩形、正多边形、不规则形状中的任意一种。

进一步，上述会聚透镜的前端安装紧固件。

作为优选，所述标定腔室的封闭端为斜面。

作为优选，所述标定腔室包括筒状部件、窗口片。

作为优选，所述窗口片具有楔角。

上述的截面的最小覆盖圆的定义为：能够包围该截面的直径最小的圆。

与现有技术相比，本实用新型具有的有益效果为：

1、在会聚透镜的一端固定安装了标定腔室，在腔室内充有替代标定用的标气，从而实现了分析系统的实时、在线标定。

2、提高了测量精度。

a、标定腔室一端封闭、一端开口，且开口端与会聚透镜密封连接，减少了光学反射面数量，减低了分析系统的光学etalon噪音。

b、透镜不仅具有会聚准直发射光束的作用，还可以实现系统隔爆的作用，减少了系统光学元器件的数目，减少了光学反射面数量，进而降低了分析系统的光学etalon噪音。

c、由于减小了光源(如激光器)与会聚透镜14以及传感器与会聚透镜23之间距离(在系统中上述光学元件面之间产生的etalon噪音最明显)，etalon噪音的FSR(自由光谱范围)明显增加，也就是etalon噪音随光频率的变化较缓慢；因较易采用背景拟合等背景纠正算法来去除缓慢变化的etalon噪音背景的影响，可以较好地提高测量精度。

d、会聚透镜靠近光源(如激光器)或者传感器的一端、标定腔室的一端都为斜面，避免了与光源(如激光器)以及传感器中半导体晶片表面相互平行，也有效地降低了系统的光学etalon噪音。

3、无需吹扫以及密封要求低。介质吸收跟光在介质中的光程成正比，由于减少了光学部件，同时各部件间的距离都较近，部件间空气对于测量结果的影响显著减少，可无需吹扫或密封。

4、结构简单，可靠性较好。使用的厚会聚透镜不仅实现会聚作用，还可以同时实现隔爆的功能，减少了光学部件，结构简单。

5、大通光孔径可以较容易地实现隔爆和提高原位测量的性能。

6、隔温效果较好，由于使用了较厚的会聚透镜，外界的热量不易传递到光发射单元内的光源(如激光器)，从而使分析系统能在被测气体温度较高场合下正常工作。

附图说明

图1是现有技术中半导体激光吸收光谱气体分析系统的结构示意图；

图2是一种etalon噪音与光频率的关系示意图；

图3是在没有etalon噪音情况下测得的一条气体吸收谱线的单线吸收光谱示意图；

图4是在有etalon噪音情况下测得的一条气体吸收谱线的单线吸收光谱示意图；

图5是现有技术中具有在位标定功能的气体分析系统的结构示意图；

图6是实施例1中半导体激光吸收光谱微量水分析系统结构示意图；

图7是实施例2中半导体激光吸收光谱微量硫化氢分析系统结构示意图；

图8是实施例中会聚透镜、标定腔室的结构示意图；

图9是实施例2中会聚透镜的中间部分的A-A截面图；

图10是实施例3中半导体激光吸收光谱微量水分析系统结构示意图；

图11是实施例3中会聚透镜的中间部分的A-A截面图；

图12是实施例4中会聚透镜的中间部分的A-A截面图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型作进一步详尽描述。

实施例1：

如图6所示，一种半导体激光吸收光谱微量水分析系统，用于检测被测气体4中微量水的浓度，同时还满足隔爆要求。所述分析系统包括光发射单元1、光接收单元2和信号分析单元3，所述光发射单元1和光接收单元2安装在被测气体4的两侧。

所述光发射单元1包括壳体、半导体激光器11及其驱动电路10、第一会聚透镜14及套筒5，所述半导体激光器11和第一会聚透镜14安装在所述套筒5内，其中半导体激光器11安装在激光器座15上。所述半导体激光器11驱动电路10安装在所述壳体内。所述套筒与所述第一会聚透镜14间通过密封件如O形圈16密封，同时第一会聚透镜14的前端还安装透镜紧固件17。

如图8所示，所述第一会聚透镜14是厚的斜-凸透镜，一端是斜面，另一端是球面，其球面的曲率半径为13.66mm。在会聚透镜的球面端连接有标定腔室7，该标定腔室7一端封闭，为斜面，另一端开口，并与会聚透镜的球面端密封连接。所述标定腔室7由筒状部件71以及带楔角的窗口片72组成。标定腔室7内封闭有已知浓度的二氧化碳气体。

所述第一会聚透镜14的中间部分的A-A截面是圆形，直径为35mm，第一会聚透镜厚度(激光束在第一会聚透镜中的主光线光程，即斜面中心与球面中心的间距)为31mm，斜面与圆柱面最长母线的夹角为76°，可以使半导体激光器11发射的激光经斜面反射后不进入激光器11内，降低系统的光学噪声。所述斜面的意义为：既可以是倾斜的平面，也可以是倾斜的弧面。所述半导体激光器11的发光点与斜面中心间距为5.6mm。激光束主光线与圆柱面中心轴线夹角为7.49°，保证激光束主光线从球面中心出射。第一会聚透镜14与套筒5共同实现隔爆功能，两者之间的隔爆接合面为透镜14的斜面与套筒5的斜面接合面。根据国标GB3836.2-2000，在光发射单元1的体积条件下平面接合面的宽度要求在9.5mm～15.8mm范围内，取平面接合面为10mm；如果要求第一会聚透镜14的有效通光孔径大于13mm，则所述第一会聚透镜14的圆柱面直径为2倍平面接合面宽度加通光孔径为33mm，本实施例取35mm。

所述光接收单元2包括第二会聚透镜23、光电传感器21。所述第二会聚透镜23的尺寸同第一会聚透镜14。所述光接收单元2上的透镜座与所述第二会聚透镜23间通过密封件如O形圈24密封，同时第二会聚透镜23的前端还安装透镜紧固件25。

上述分析系统的工作过程为：

半导体激光器11发光，将发光波长调谐到水蒸气的特征吸收光谱谱线v＝6963.17cm^-1：

激光穿过会聚透镜后进入被测气体中，被水蒸气吸收后的激光穿过标定腔室、第二会聚透镜(标定腔内的二氧化碳不吸收v＝6963.17cm^-1的激光)，最后被探测器接收并转换为电信号；

分析单元利用比尔-朗伯定律处理处理上述电信号，从而得出水蒸气的浓度，计算公式如下：

$C=\frac{V-b_0}{K\·\mathrm{PLS}\left(T\right)B(P,T)}$

其中，C是浓度值，V是峰峰值，b₀为零点系数，K为标定系数，P为压力，L为光程，S(T)为线强，B(P，T)为温压补偿矩阵。

当所述分析系统需要标定时，将半导体激光器的发光波长调谐到二氧化碳的特征吸收光谱谱线v＝6963.94cm^-1；

激光穿过会聚透镜后进入被测气体中，被测气体不吸收频率为v＝6963.94cm^-1的光，之后激光穿过标定腔室、第二会聚透镜(标定腔内的二氧化碳吸收v＝6963.94cm^-1的激光)，最后被探测器接收并转换为电信号；

分析单元利用比尔-朗伯定律处理处理上述电信号，从而得出二氧化碳的标定系数K_i，计算公式如下：

$K_i=\frac{V_i}{C_i\·L_i{S}_i\left(T\right)}$

其中，C_i是二氧化碳的浓度值，V_i是二氧化碳吸收的峰峰值，L_i为光程，S_i(T)为线强。

利用上述二氧化碳的标定系数K_i得出水蒸气的标定系数K：

K＝m·K_i

m为转换系数。

实施例2：

如图7所示，一种半导体激光吸收光谱微量硫化氢分析系统，用于检测微量硫化氢的浓度，同时还满足隔爆要求。与实施例1不同的是：

1、如图8所示，在第二会聚透镜的球面端设置标定腔室6，该标定腔室6一端封闭，为斜面，另一端开口，并与第二会聚透镜的球面端密封连接。标定腔室6内封闭有已知浓度的一氧化碳气体。

2、所述第一和第二会聚透镜的中间部分的A-A截面是正方形，如图9所示，所述正方形最小覆盖圆的直径为40mm。

3、标定腔内充有已知浓度的一氧化碳气体。

4、使用中心波数为6290.25cm^-1的硫化氢的特征吸收光谱谱线31来测量硫化氢，选定一氧化碳的中心波数为6292.32cm^-1的特征吸收光谱谱线，上述光谱谱线处于半导体激光器的波长调谐范围内。

实施例3：

一种半导体激光吸收光谱微量水分析系统，用于检测微量气态水的浓度，同时还满足隔爆要求。与实施例1不同的是：

1、如图10所示，光发射单元1和光接收单元处于被测气体4的同一侧，光发射单元1发出的光穿过会聚透镜14、标定腔室7、被测气体4之后被反射镜30、31反射，之后再穿过被测气体4、会聚透镜23，最后被光电传感器21接收。

2、所述第一和第二会聚透镜的中间部分的A-A截面是椭圆形，如图11所示，所述椭圆形的最小覆盖圆的直径为45mm，第一、第二会聚透镜厚度(激光束在第一、第二会聚透镜中的主光线光程，即斜面中心与球面中心的间距)为20mm。

实施例4：

一种半导体激光吸收光谱微量水分析系统，用于检测微量气态水的浓度，同时还满足隔爆要求。与实施例1不同的是：

所述第一和第二会聚透镜的中间部分的A-A截面是不规则图形，如图12所示，所述不规则图形的最小覆盖圆的直径为25mm，第一、第二会聚透镜厚度(激光束在第一、第二会聚透镜中的主光线光程，即斜面中心与球面中心的间距)为31mm。

需要指出的是，上述实施方式不应理解为对本实用新型保护范围的限制。实施例中采用半导体激光器，当然还可以是其它光源，如LED、紫外光源等，这种根据实际需要而更换不同光源是本领域的现有技术。本实用新型的关键是，在会聚透镜的弧面端设置一端开口、一端封闭的标定腔室，开口端与会聚透镜密封连接。在不脱离本实用新型精神的情况下，对本实用新型作出的任何形式的改变均应落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种在位式吸收光谱气体分析系统，包括光发射单元、光接收单元和信号分析单元；所述光发射单元包括光源、会聚透镜；其特征在于：

所述会聚透镜背对光源的一端为弧面；在会聚透镜的弧面端设置一端开口、一端封闭的标定腔室，开口端与会聚透镜密封连接；所述会聚透镜的中间部分的A-A截面为任意几何形状；所述光源发出的光通过所述会聚透镜、标定腔室后进入被测介质。

2.一种在位式吸收光谱气体分析系统，包括光发射单元、光接收单元和信号分析单元，所述光接收单元包括光接收器件、会聚透镜；其特征在于：

所述会聚透镜背对光接收器件的一端为弧面；在会聚透镜的弧面端设置一端开口、一端封闭的标定腔室，开口端与会聚透镜密封连接；所述会聚透镜的中间部分的A-A截面为任意几何形状；从被测介质中穿过的光通过所述标定腔室、会聚透镜后被光接收器件接收。

3.根据权利要求1所述的分析系统，其特征在于：所述光源与所述会聚透镜之间光束主光线光程小于或等于7mm。

4.根据权利要求1所述的分析系统，其特征在于：所述会聚透镜相对光源的一端为斜面。

5.根据权利要求2所述的分析系统，其特征在于：所述光接收器件与所述会聚透镜之间光束主光线光程小于或等于7mm。

6.根据权利要求2所述的分析系统，其特征在于：所述会聚透镜相对光接收器件的一端为斜面。

7.根据权利要求1或2所述的分析系统，其特征在于：所述会聚透镜的厚度大于或等于20mm。

8.根据权利要求1或2所述的分析系统，其特征在于：所述A-A截面的最小覆盖圆的直径大于或等于25mm。

9.根据权利要求1或2所述的分析系统，其特征在于：所述会聚透镜的中间部分的A-A截面为圆形、矩形、正多边形、不规则形状中的任意一种。

10.根据权利要求1或2所述的分析系统，其特征在于：所述标定腔室的开口端与会聚透镜的弧面端密封连接。

11.根据权利要求1或2所述的分析系统，其特征在于：所述标定腔室的封闭端为斜面。

12.根据权利要求1或2所述的分析系统，其特征在于：所述标定腔室包括筒状部件、窗口片。

13.根据权利要求12所述的分析系统，其特征在于：所述窗口片具有楔角。

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