CN209327212U - 一种冷泉气体成分与浓度检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于光学气体检测技术领域，具体涉及一种冷泉气体成分与浓度检测装置。所述装置包括信号发生器、气体成分分析模块、气体浓度检测模块和控制器；信号发生器用于产生激光器驱动信号、线性调频调制信号、定频调制信号和本地参考信号；气体成分分析模块，通过气体吸收峰的提取和比对进行被测气体中气体成分的分析；气体浓度检测模块，用于对被测气体中各气体成分浓度进行测量。本实用新型所述装置能够实现冷泉气体中多种气体成分的识别以及各气体成分浓度的测量。

Description

一种冷泉气体成分与浓度检测装置

技术领域

本实用新型属于光学气体检测技术领域，具体涉及一种冷泉气体成分与浓度检测装置。

背景技术

冷泉气体是指以气泡或溶解气体的形式随沉积物孔隙水排入海洋中的混合气体，以甲烷、乙烷等烃类气体和硫化氢、二氧化碳、氢气等为主要成分。

海水中冷泉气体的浓度异常既是圈划天然气水合物发育区的直观、有效手段，同时也是分析水合物成因类型、确定水合物成矿气源的有效途径。这是因为当冷泉气体中含有重烃气体成分时，就意味着区域深层沉积中可能存在常规油气资源。因此，对海水中冷泉气体成分和浓度的准确探测具有重要的资源开发价值。

可调谐二极管激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)技术是一种将激光技术应用于吸收光谱测量的气体检测方法。由于其在分辨率、灵敏度和选择性等方面的优势，目前已成为痕量气体快速、在线分析的有效方法之一。

在TDLAS技术的实际应用中，为了提高气体检测的精度和灵敏度，通常会在光源处采用高频正弦波调制技术、在信号接收处采用锁相放大和谐波提取技术。这是因为在气体检测，特别是对痕量气体进行检测时，探测器接收到的光强信号相比于大的背景信号来说是很小的，不利于直接测量浓度，而上述技术的引入能够有效地滤除噪声及背景信号干扰，从而分离出有用信号，最终提高信噪比和探测灵敏度。

现有技术中，TDLAS技术多用于单一气体成分的浓度测量，当被测气体中含有多种气体成分时，通常需要预知所含气体的种类，并据此配置多套激光器及其气体检测通道，系统构成复杂，通用性较差。此外，对于气体检测器的输出信号，通常采用锁相环进行锁相放大，但是锁相环的反馈控制在痕量气体的弱信号检测方面存在不足，并且相位收敛速度较慢。

实用新型内容

针对上述技术问题，本实用新型提供一种冷泉气体成分与浓度检测装置，能够实现冷泉气体中多种气体成分的识别以及各气体成分浓度的快速、精确测量。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种冷泉气体成分与浓度检测装置，包括：

信号发生器，用于产生激光器驱动信号S1、线性调频调制信号S2、定频调制信号S3和本地参考信号S4；

激光器，和所述信号发生器连接，接收所述激光器驱动信号S1、线性调频调制信号S2和定频调制信号S3；

气体吸收室，和所述激光器连接；

用于对被测气体中气体成分进行分析的气体成分分析模块，包括和所述气体吸收室依次连接的气体吸收峰提取器和典型吸收峰样本库；所述气体吸收峰提取器用于待测气体吸收峰提取，所述典型吸收峰样本库包括各种典型气体成分吸收峰；

用于对被测气体中各气体成分浓度进行测量的气体浓度检测模块，包括气体衰减室、两个光电探测器；所述气体衰减室和所述激光器连接，所述两个光电探测器分别和所述气体吸收室、所述气体衰减室连接；

移相器I，和所述信号发生器连接，用于接收所述本地参考信号S4；

乘法器，和所述光电探测器以及所述移相器I的输出端连接；

控制器，和所述气体吸收峰提取器以及所述信号发生器连接；并通过低通滤波器和所述乘法器连接。

进一步地，所述控制器用于将所述气体吸收峰提取器提取的待测气体吸收峰和所述典型吸收峰样本库中的各种典型气体成分吸收峰进行比对获得被测气体中的各种气体成分。

进一步地，所述控制器根据被测气体中的各种气体成分，控制所述信号发生器依次生成以被测气体吸收峰所处频段为基频的定频调制信号S3，以及产生本地参考信号S4，所述定频调制信号S3和所述本地参考信号S4同频。

进一步地，光电探测器的输出端包括光电探测器第一输出端和光电探测器第二输出端；所述移相器I的输出端包括移相器I第一输出端和移相器I第二输出端；

所述乘法器包括端口1、端口2、端口3和端口4；所述光电探测器第一输出端和所述乘法器的端口1连接，所述光电探测器第二输出端经过带通滤波器和所述乘法器的端口2连接；所述移相器I第一输出端依次经过倍频器、移相器II和所述乘法器的端口3连接；所述移相器I第二输出端和乘法器的端口4连接；

所述乘法器输和低通滤波器连接，所述低通滤波器输出待测气体中各气体成分的浓度信息。

进一步地，所述激光器驱动信号S1为锯齿波，频率为f_d；所述线性调频调制信号S2的频率范围为f_LFM∈(f_L,f_H)，为正弦波；并且f_L>>f_d，f_d的频率取值范围为20～50Hz，f_L的频率取值范围为20～50kHz。

进一步地，所述移相器I的相位调节范围为0～π，移相器II的相位调节为π/2。

本实用新型的有益技术效果：

本实用新型所述装置通过可调谐激光器的波长调制，根据不同频段的典型吸收峰获得气体成分信息，并能够提高气体浓度的检测精度和效率。

附图说明

图1是本实用新型实施例1中气体成分及浓度快速检测装置的组成示意图；

图2是本实用新型实施例2中气体成分及浓度快速检测装置的本地参考信号生成示意图；

图3是本实用新型实施例1中气体成分及浓度快速检测装置的运行过程流程图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

相反，本实用新型涵盖任何由权利要求定义的在本实用新型的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本实用新型有更好的了解，在下文对本实用新型的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本实用新型。

针对现有技术中，TDLAS技术多用于单一气体成分的浓度测量，当被测气体中含有多种气体成分时，通常需要预知所含气体的种类，并据此配置多套激光器及其气体检测通道，系统构成复杂，通用性较差的技术问题；此外，针对现有技术中气体检测器的输出信号通常采用锁相环进行锁相放大，但是锁相环的反馈控制在痕量气体的弱信号检测方面存在不足，并且相位收敛速度较慢的技术问题。本实用新型提供以下实施例：

实施例1

一种冷泉气体成分与浓度检测装置，用于实现冷泉气体中多种气体成分的识别以及各气体成分浓度的测量；如图1所示，

一种冷泉气体成分与浓度检测装置，其特征在于，包括：

信号发生器101，用于产生激光器驱动信号S1、线性调频调制信号S2、定频调制信号S3和本地参考信号S4；

激光器102，和所述信号发生器101连接，接收所述激光器驱动信号S1、线性调频调制信号S2和定频调制信号S3；

气体吸收室103，和所述激光器102连接；

用于对被测气体中气体成分进行分析的气体成分分析模块，包括和所述气体吸收室103依次连接的气体吸收峰提取器104和典型吸收峰样本库105；所述气体吸收峰提取器用于待测气体吸收峰提取，所述典型吸收峰样本库包括各种典型气体成分吸收峰；

用于对被测气体中各气体成分浓度进行测量的气体浓度检测模块，包括气体衰减室107、两个光电探测器(光电探测器Ⅰ108和光电探测器Ⅱ109))；所述气体衰减室107和所述激光器102连接，所述两个光电探测器分别和所述气体吸收室103、所述气体衰减室107连接；

移相器I111，和所述信号发生器101连接，用于接收所述本地参考信号S4；

乘法器114，和所述光电探测器以及所述移相器I111的输出端连接；

控制器103，和所述气体吸收峰提取器104以及所述信号发生器连接101；并通过低通滤波器115和所述乘法器114连接。

在本实施例中，光电探测器的输出端包括光电探测器第一输出端和光电探测器第二输出端；所述移相器I的输出端包括移相器I第一输出端和移相器I第二输出端；

所述乘法器包括端口1、端口2、端口3和端口4；所述光电探测器第一输出端和所述乘法器的端口1连接，所述光电探测器第二输出端经过带通滤波器和所述乘法器的端口2连接；所述移相器I第一输出端依次经过倍频器、移相器II和所述乘法器的端口3连接；所述移相器I第二输出端和乘法器的端口4连接；所述乘法器输和低通滤波器连接。

所述控制器101将所述气体吸收峰提取器提取的待测气体吸收峰和所述典型吸收峰样本库中的各种典型气体成分吸收峰进行比对获得被测气体中的各种气体成分。

在本实施例中，控制器106根据被测气体各种气体成分吸收峰所处频段，控制信号发生器101依次生成以被测气体吸收峰所处频段为基频的定频调制信号S3以及用于锁相放大的频率为f_r的本地参考信号S4；所述定频调制信号S3频率为f_m，f_r＝f_m；

所述定频调制信号S3和所述本地参考信号S4用于被测气体中各气体成分的浓度检测；所述定频调制信号S3和所述本地参考信号S4采用同一基准时钟；所述定频调制信号S3为正弦波，所述本地参考信号S4为正弦波或方波，且所述定频调制信号和所述本地参考信号同频。

为了提高锁相放大的相位同步效率，采用一次谐波进行相位匹配，并以此为基础进行二次谐波检测。具体为：

所述光电探测器输出的信号包括两路：第一路输出信号det1直接输出至乘法器，第二输出信号det2经带通滤波后输出至乘法器；

所述本地参考信号包括两路：第一路本地参考信号ref1经移相器I输出至乘法器，第二路本地参考信号ref2依次经移相器I、倍频器和移相器II输出至乘法器；

将所述第一路输出信号det1经乘法器端口1，将所述第一路本地参考信号ref1通过移相器I111(调相范围0～π)经乘法器端口4分别送入乘法器114，乘法器114输出后经低通滤波115得到直流分量，控制器106通过调节移相器I的相位值获得最优直流输出，并记录此时的相位值φ作为移相器I的调节相位(即所述移相器I的最终相位值φ)；然后将所述第二输出信号det2经带通滤波110(2f_m)提取二次谐波并由乘法器端口2送入乘法器，将所述第二路本地参考信号ref2经移相器I加入相位φ后经倍频器(双倍频)112和移相器II113(移相π/2)后由乘法器端口3送入乘法器，此时乘法器输出经低通滤波即可得到气体浓度信息。在本实施例中，所述光电探测器输出信号det1和det2以及两路本地参考信号ref1和ref2的选择由所述控制模块进行。在本实施例中，所述移相器I最终相位值φ的获取和记录由所述控制模块进行。

如图3所示，本实用新型实施例所提供的一种冷泉气体成分与浓度检测装置的具体运行流程，包括气体成分检测步骤以及气体浓度检测步骤。

所述气体成分检测步骤，包括：

信号发生器101产生驱动信号S1和线性调频调制信号S2用于驱动和调节激光器102，其中驱动信号S1为锯齿波信号，频率为f_d，线性调频调制信号S2为正弦信号，频率范围为f_LFM∈(f_L,f_H)，并且f_L远高于f_d。在本实施例中，f_d的频率取值范围为20～50Hz，f_L的频率取值范围为20～50kHz。经调制后激光器产生的探测光进入气体吸收室103，由于不同成分的气体在不同的频段具有光学吸收特性，因此通过吸收峰提取器104并与吸收峰样本库105中的典型气体吸收进行比对即可得到被测气体中的气体成分。同时，控制器106将对被测气体中的吸收峰信息进行记录。

所述气体浓度检测步骤，包括：

根据调频光束得到的气体成分以及吸收峰所处频段，控制器106对信号发生器101进行控制，依次生成以吸收峰所处频段为基频的定频调制信号S3，定频调制信号S3频率为f_m，被测气体中第i中气体成分对应的定频调制信号S3对应的频率为fm＝f_ai，i为被测气体中气体成分序列数，0≤i≤N，N为被测气体中气体的种类总数；

对于被测气体中每种气体成分均进行如下浓度检测：

将第i种气体成分对应的定频调制信号S3i连同驱动信号S1对激光器102进行调制，开始依次进行各气体成分的浓度检测。激光器形成的探测光束分两路分别进入气体吸收室103和气体衰减室107，经充分吸收后由光电探测器(108和109)进行信号接收。在此分两路进行差分探测的目的是为了提高气体浓度检测的精度。光电探测器的输出信号的二次谐波携带气体浓度信息，对此将采用锁相放大的方式，通过对输出信号进行谐波检测来反演气体浓度。

锁相放大的被测信号为光电探测器的输出信号，将第i种气体成分对应的本地参考信号S4i由信号发生器101生成，频率与定频调制信号S3相同，即f_r＝f_m，波形为正弦波。在此，为了提高锁相放大的相位同步效率，采用一次谐波进行相位匹配，并以此为基础进行二次谐波检测。具体如下：首先，将光电探测器输出信号经乘法器端口1，本地参考信号通过移相器I111(调相范围0～π)经乘法器端口4分别送入乘法器114，乘法器输出后经低通滤波115得到直流分量，控制器106通过调节移相器I的相位值获得最优直流输出，并记录此时的相位值φ作为移相器I的调节相位；其次，将光电探测器的输出信号经带通滤波110(2f_m)提取二次谐波，并由乘法器端口2送入乘法器，本地参考信号经移相器I加入相位φ后经倍频器(双倍频)112和移相器II113(移相π/2)后由乘法器端口3送入乘法器，此时乘法器输出经低通滤波即可得到第i种气体成分对应的气体浓度ci。

不断重复上述步骤，直到被测气体中每种气体成分的浓度被测出。

传统锁相放大技术通常直接对探测信号的二次谐波进行相位同步，但在实际应用中，由于二次谐波的振幅正比于气体浓度，因此对于低浓度气体，一方面，较低的气体光学吸收度会导致二次谐波的振幅趋近于零，进而导致锁相环无有效输入，造成锁相环失效；另一方面，本地参考信号的抖动会在相位同步过程中引入误差。本实用新型所述装置在锁相放大处理过程中，先通过一次谐波进行相位同步，之后根据获得的同步相位进行二次谐波检测，这种“相位同步+气体检测”的分步处理方式一方面利用较强的一次谐波能够提高同步相位获取的准确性和可靠性，另一方面能够缩短二次谐波的检测时间，降低参考信号抖动引入的检测误差。因此通过本实用新型能够更加准确可靠的获得锁相相位，并降低参考信号误差对气体检测的影响，进而提高气体检测的灵敏度和精度。

实施例2

实施例2与实施例1基本相同，唯不同之处在于，如图2所示，本实施例所述一种冷泉气体成分与浓度检测装置，提供另一种本地参考信号S4的生成和传输方式。为便于对探测信号的二次谐波进行检测，信号发生器101生成频率为定频调制信号S3频率2倍的本地参考信号S4，即f_r＝2f_m。本地参考信号分为两路，一路经移相器I(0～π)和移相器II(π/2)送入乘法器端口3用于二次谐波检测，另一路经分频器116送入乘法器端口4用于获得最优直流输出时对应的移相器I的相位值。

上述实施例的气体成分及浓度快速检测装置，能够通过相对简便的系统构成实现多种气体成分的检测功能，实用性强；并且，通过改进的锁相放大和谐波检测技术，能够快速、准确的获得各种气体的浓度值，适用于混合气体的快速精确分析检测。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种冷泉气体成分与浓度检测装置，其特征在于，包括：

信号发生器，用于产生激光器驱动信号S1、线性调频调制信号S2、定频调制信号S3和本地参考信号S4；

激光器，和所述信号发生器连接，接收所述激光器驱动信号S1、线性调频调制信号S2和定频调制信号S3；

气体吸收室，和所述激光器连接；

用于对被测气体中气体成分进行分析的气体成分分析模块，包括和所述气体吸收室依次连接的气体吸收峰提取器和典型吸收峰样本库；所述气体吸收峰提取器用于待测气体吸收峰提取，所述典型吸收峰样本库包括各种典型气体成分吸收峰；

用于对被测气体中各气体成分浓度进行测量的气体浓度检测模块，包括气体衰减室、两个光电探测器；所述气体衰减室和所述激光器连接，所述两个光电探测器分别和所述气体吸收室、所述气体衰减室连接；

移相器I，和所述信号发生器连接，用于接收所述本地参考信号S4；

乘法器，和所述光电探测器以及所述移相器I的输出端连接；

控制器，和所述气体吸收峰提取器以及所述信号发生器连接；并通过低通滤波器和所述乘法器连接。

2.根据权利要求1所述一种冷泉气体成分与浓度检测装置，其特征在于，所述控制器用于将所述气体吸收峰提取器提取的待测气体吸收峰和所述典型吸收峰样本库中的各种典型气体成分吸收峰进行比对获得被测气体中的各种气体成分。

3.根据权利要求2所述一种冷泉气体成分与浓度检测装置，其特征在于，所述控制器根据被测气体中的各种气体成分，控制所述信号发生器依次生成以被测气体吸收峰所处频段为基频的定频调制信号S3，以及产生本地参考信号S4，所述定频调制信号S3和所述本地参考信号S4同频。

4.根据权利要求1所述一种冷泉气体成分与浓度检测装置，其特征在于，光电探测器的输出端包括光电探测器第一输出端和光电探测器第二输出端；所述移相器I的输出端包括移相器I第一输出端和移相器I第二输出端；

所述乘法器包括端口1、端口2、端口3和端口4；所述光电探测器第一输出端和所述乘法器的端口1连接，所述光电探测器第二输出端经过带通滤波器和所述乘法器的端口2连接；所述移相器I第一输出端依次经过倍频器、移相器II和所述乘法器的端口3连接；所述移相器I第二输出端和乘法器的端口4连接；

所述乘法器输和低通滤波器连接，所述低通滤波器输出待测气体中各气体成分的浓度信息。

5.根据权利要求1所述一种冷泉气体成分与浓度检测装置，其特征在于，所述激光器驱动信号S1为锯齿波，频率为f_d；所述线性调频调制信号S2的频率范围为f_LFM∈(f_L,f_H)，为正弦波；并且f_L>>f_d，f_d的频率取值范围为20～50Hz，f_L的频率取值范围为20～50kHz。

6.根据权利要求1所述一种冷泉气体成分与浓度检测装置，其特征在于，所述移相器I的相位调节范围为0～π，移相器II的相位调节为π/2。