CN211318185U - 一种基于tdlas技术的气体检测装置及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于TDLAS技术的气体检测装置，其特征在于，包括入射装置、准直装置、连接装置、接收装置、电源模块及运算模块。本实用新型还提供了一种基于TDLAS技术的气体检测系统。本实用新型涉及的一种基于TDLAS技术的卫生型气体检测方法及检测系统，对检测装置进行模块化封装，实现入射装置及接收装置的密闭性，有效排除环境因素对检测结果的影响。

Description

一种基于TDLAS技术的气体检测装置及系统

技术领域

本实用新型涉及一种气体检测装置及系统，尤其涉及一种基于TDLAS技术的气体检测装置及气体检测系统，本实用新型除满足常规条件、化工条件检测环境外，还满足卫生级要求，可适用于高精密产品生产及食品、药品、化妆品等有卫生洁净等级要求的场合。

背景技术

TDLAS技术即可调谐半导体二极管激光吸收光谱技术，就是利用激光器的窄线宽(一般小于20MHz，远小于分子的吸收线宽)和波长可调谐(允许激光器的波长扫描经过气体分子的一条吸收线)特性，通过高频扫描气体分子的吸收谱线，来获得气体的吸收光谱信号。

依据比尔朗伯定律，发射一束光，通过含一定量目标气体的气体混合物样品，将光束的波长调至目标气体的吸收波长，并准确测量该光束的吸收情况，可推导出光束通道长度内目标气体分子的浓度；再根据吸收光谱的多普勒频移现象，推导出光束通道长度内目标气体分子的流速；最后根据特定气体所得的测试浓度及测试流速，结合检测通道的截面积，可以得到实时的特定气体的质量流量并可累计所得通过该截面的特定气体的总质量。

TDLAS技术目前在一些化工气体检测场合及高危的气体检测场合，已经得到了一定程度的应用，也初步体现了其优异的性能。不过，检测方法一般是直接套用比尔朗伯定律和多普勒频移定律，来测量特定气体的浓度和流速，缺乏对检测数据的前期分析处理工作，得出的检测结果存在较大的波动性，还会存在检测遗漏现象，致使检测结果不具有连贯性，提供的分析价值不大。目前的检测装置，由于设计制作比较粗糙，不能有效规避环境因素的影响，致使检测结果与实际结果之间存在较大的误差，而且缺乏关于特定气体质量的检测方法及系统。

目前在市面上被广泛使用的气体检测手段是接触式测量，接触式的探针存在与被检测对象发生物理干扰的现象，如接触式探针自身体积对被检测对象压力的影响、接触式探针对被检测对象流体性能的影响、接触式探针与被测对象发生化学反应的影响、接触式探针给被测对象带来的污染等问题，对于高精密产品生产及食品、药品、化妆品等有卫生洁净等级要求的场合，已逐步面临更大的风险，急需一种新型的检测系统。

以制药领域为例，国内外制药法规在洁净卫生等级方面的要求在逐年加强，并逐步要求数据实时采集，推行PAT过程分析技术、强调QbD质量源于设计技术，这在过程检测领域起到了极大的促进作用。

目前TDLAS检测装置的使用尚未得到普及，在制的检测装置，尚需要经过严格的验证手段，验证其可靠性，方可在市面上进行推广使用。

实用新型内容

本实用新型的目的是：基于TDLAS技术对检测对象进行实时检测，有助于对化工等行业进行气体检测，有效规避风险；还可应用于高精密产品生产及食品、药品、化妆品等有卫生洁净等级要求的场合。

为了达到上述目的，本实用新型的技术方案是提供了一种基于TDLAS技术的气体检测装置，其特征在于，包括具有波长可调谐功能的入射装置、准直装置、接收装置、电源模块及运算模块，其中，

电源模块为入射装置、准直装置、连接装置、接收装置及运算模块提供工作电压；

入射装置用于发出特定波长的激光，根据待检测气体的不同设置特定的激光波长，使发出的激光的波长处在待检测气体最佳吸收波长附近；

准直装置用于将入射装置发出的激光分成两束一致的入射激光；

接收装置用于接收经过待检测气体的入射激光，利用TDLAS技术及气体分子可吸收特定波长的激光的特性，利用激光器的窄线宽和波长可调谐特性扫描气体分子的吸收谱线，进而得到两组吸收光谱信号；

运算模块用于对接收装置输出的数据进行运算处理，得到待检测气体的感兴趣信息。

优选地，两束所述入射激光呈垂直交叉状态；有两套所述接收装置，两套所述接收装置相互垂直。

优选地，所述入射装置的入射装置控制电路板安装在所述入射装置内部，或者安装在特定的控制盒内。

优选地，所述接收装置的接收装置控制电路板安装在所述接收装置内部，或者安装在特定的控制盒内。

优选地，所述入射装置及所述接收装置设计成密闭形式；在运行时，所述入射装置及所述接收装置内部冲入特定的气体，保持微正压状态，或者在运行时，所述入射装置及所述接收装置内部抽真空处理，保持负压状态。

本实用新型的另一个技术方案是提供了一种基于TDLAS技术的气体检测系统，其特征在于，将权利要求1所述的气体检测装置与被测装置相连，由所述权利要求1所述的气体检测装置对被测装置内的待检测气体进行检测，通过连接件实现所述入射装置、被测装置及所述接收装置之间的密闭连接，以规避环境因素对权利要求1所述的气体检测装置造成的影响。

优选地，所述入射装置及所述接收装置在检测过程中被隔离在所述待检测气体以外，不与所述待检测气体发生直接接触，满足更高卫生级要求。

优选地，所述运算模块根据所述入射装置的数据及所述接收装置的数据，进行数据处理，并将数据上传至上位机，通过上位机内的定制程序，实现被测装置内特定气体流速或特定气体浓度所对应的被测装置自身实时的其他相关数据和状态的检测。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

1.本实用新型涉及的一种基于TDLAS技术的卫生型气体检测系统，对检测装置进行模块化封装，实现入射装置及接收装置的密闭性，有效排除环境因素对检测结果的影响。

2.本实用新型涉及的一种基于TDLAS技术的卫生型气体检测系统，具有双光束准直系统，即将入射装置发出的特定波长的激光经过分光器分光，成为两束一致的入射激光，入射端两束激光呈垂直交叉状态，接收端也设置两套相互垂直的接收装置；根据垂直的入射角度，相互抵消激光器自身误差及环境影响，可大大提高了特定气体流速的检测精度。

3.本实用新型涉及的一种基于TDLAS技术的卫生型气体检测系统，在检测过程中，入射装置及接收装置被隔离在被检测对象以外，不发生直接接触，可满足更高卫生级要求，具有更广泛的应用场景。

4.本实用新型涉及的一种基于TDLAS技术的卫生型气体检测系统，可对检测对象进行实时检测，起到过程分析的效果，相比目前常规的检测技术而言，可以进行替代升级，在安全检测领域，可以有效提高安全性；在过程监控领域，可以及时测试、判断，有效提升效率。

5.本实用新型涉及的一种基于TDLAS技术的卫生型气体检测系统，其运算模块可根据发射模块的数据及接收模块的数据，进行数据处理，并将数据上传至上位机，通过上位机内的定制程序，实现检测对象内特定气体流速所对应的检测对象自身实时的其他相关数据和状态。

6.本实用新型涉及的一种基于TDLAS技术的卫生型气体检测方法及检测系统，可根据被检测对象对应的吸收光谱，可通过调整入射装置的激光频率或更换个别部件实现入射不同波长的激光，通过此方法可对本实用新型进行技术上的应用拓展，大大拓展其应用场合。

7.本实用新型涉及的一种基于TDLAS技术的气体检测装置的验证系统，通过标准气对检测结果进行验证，具有权威性和可靠性。

8.本实用新型涉及的一种基于TDLAS技术的气体检测装置的验证系统，除了对检测所得的特定气体浓度进行验证外，还可以对检测所得的特定气体的流速及质量进行验证，适用范围广，可满足现有TDLAS气体检测装置的验证需求。

附图说明

图1为本实用新型提供的一种基于TDLAS技术的气体检测装置的示意图；

图2为本实用新型提供的一种基于TDLAS技术的气体检测装置的系统组成；

图3为本实用新型提供的本实用新型提供的一种基于TDLAS技术的气体检测装置在真空冷冻干燥设备上的应用示意。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图1所示，本实用新型提供的一种基于TDLAS技术的气体检测装置包括入射装置4、准直装置11、连接装置5、接收装置8、电源模块、运算模块等。

连接装置5用于将入射装置4与通入待测气体的通道6及接收装置8相连。

入射装置4用于产生特定波长的激光，包括入射装置控制电路板4、入射透镜2及入射窗镜1。入射装置控制电路板4具有波长可调谐功能，根据待检测气体的不同，设置特定的激光波长，使入射装置4产生的激光的波长处在待检测气体最佳吸收波长附近，可以得到良好的吸收效果，以便可以检测出微量的特定气体。

入射装置控制电路板4可以安装在入射装置内部也可以安装在特定的控制盒内，以减小入射装置的安装体积。

准直装置11将入射装置4通过入射透镜2及入射窗镜1发出的特定波长的激光经过分光器分成两束一致的入射激光。两束入射激光呈垂直交叉状态。

本实用新型提供的气体检测装置有两套相互垂直的接收装置8。两束一致的入射激光在通道6内经过待检测气体后由接收装置8接收。接收装置8包括接收窗镜7、接收透镜10及接收装置控制电路板9。接收装置控制电路板9利用TDLAS技术及气体分子可吸收特定波长的激光的特性，利用激光器的窄线宽和波长可调谐特性扫描气体分子的吸收谱线，进而得到待检测气体的两组吸收光谱信号。根据垂直的入射角度，相互抵消激光器自身误差及环境影响，可大大提高了特定气体流速的检测精度。

接收装置控制电路板9对采集到的信号进行累加平均，并经过数据处理手段，使得用于运算模块运算的数据相对比较平稳，具有优良的稳定性和可靠性，避免波动太大、测量遗漏等单波测量的风险。接收装置控制电路板9可以安装在接收装置内部也可以安装在特定的控制盒内，以减小接收装置的安装体积。

为了避免环境干扰，入射装置4及接收装置8设计成密闭形式。在系统运行时，内部冲入特定的气体，保持微正压状态，或内部抽真空处理，保持负压状态。

在实际运算时，运算模块自动计算并清除环境因素对检测装置造成的影响。根据被检测对象对应的吸收光谱，本实用新型可通过调谐入射装置4的激光频率或更换个别部件实现入射不同波长的激光，通过此方法可对本实用新型进行技术上的应用拓展，大大拓展其应用场合。

本实用新型还提供了一种基于TDLAS技术的气体检测系统，将图1所示的气体检测装置与被测装置相连，由气体检测装置对被测装置内的待检测气体进行检测，通过连接件实现入射装置4、被测装置及接收装置8之间的密闭连接，以规避环境因素对气体检测装置造成的影响。

本实用新型提供的一种基于TDLAS技术的气体检测系统是一个实时在线的检测系统，可以对被测对象进行不间断的检测。在检测过程中，入射装置4及接收装置8被隔离在被检测对象以外，不发生直接接触，可满足更高卫生级要求。

结合图2，本实用新型运算模块可根据发射模块的数据及接收模块的数据，进行数据处理，并将数据上传至上位机，通过上位机内的定制程序，实现检测对象内特定气体流速或浓度所对应的检测对象自身实时的其他相关数据和状态。

本实用新型还提供了一种基于TDLAS技术的气体流速检测方法，采用上述的气体检测系统，包括以下步骤：

步骤1、由入射装置4发出特定波长的激光，激光的波长处在待检测气体最佳吸收波长附近；

步骤2、准直装置11将入射装置4发出的激光分成两束一致的入射激光；

步骤3、入射激光经过待检测气体后被接收装置8接收，接收装置8向运算模块输出两组吸收光谱信号；

步骤4、运算模块依据多普勒频移定律，对吸收光谱信号进行反向推算，测算得到待检测气体的流速。

本实用新型还提供了一种基于TDLAS技术的气体浓度检测方法，采用上述的气体检测系统，包括以下步骤：

步骤1、由入射装置4发出特定波长的激光，激光的波长处在待检测气体最佳吸收波长附近；

步骤2、准直装置11将入射装置4发出的激光分成两束一致的入射激光；

步骤3、入射激光经过待检测气体后被接收装置8接收，接收装置8向运算模块输出两组吸收光谱信号；

步骤4、运算模块依据比尔朗伯定律，对吸收光谱信号进行反向推算，测算得到待检测气体的浓度。

本实用新型还提供了一种基于TDLAS技术的气体质量检测方法，采用上述的气体检测系统，包括以下步骤：

步骤1、采用上述的气体流速检测方法获得待检测气体的流速；采用上述的气体浓度检测方法获得待检测气体的浓度；

步骤2、运算模块将待检测气体的流速、待检测气体的浓度及所述被测装置流过待检测气体的截面积进行乘积，得到实时的待检测气体的质量流量；

步骤3、运算模块对实时的待检测气体的质量流量依据时间进行累计运算，得到待检测气体在一定时间段内的质量。

本实用新型还提供了一种基于TDLAS技术的气体流速验证方法，包括以下步骤：

步骤1、将上述的气体检测装置与被测装置密闭安装连接，通过机械强制手段，使得被测装置内部的待检测气体达到国家二级或二级以上标准气或真空状态；

步骤2、采用上述的气体流速检测方法获得待检测气体的流速；

步骤3、对上述的气体检测装置进行CFD风洞模拟，获取风洞模拟数值，即在被测装置内安装接触式流速检测装置，让标准气体或特定气体流经气体检测装置；

步骤4、将步骤2获得的待检测气体的流速与步骤3获得的风洞模拟数值进行比较，以此来实现对气体检测装置的特定气体流速检测结果的验证。

本实用新型还提供了一种基于TDLAS技术的气体浓度验证方法，包括以下步骤：

步骤1、将上述的气体检测装置与被测装置密闭安装连接，通过机械强制手段，使得被测装置内部的待检测气体达到国家二级或二级以上标准气或真空状态；

步骤2、采用上述的气体浓度检测方法获得待检测气体的浓度；

步骤3、将待检测气体的浓度与标准气数值进行比较，以此来实现对气体检测装置特定气体浓度检测结果的验证。

本实用新型还提供了一种基于TDLAS技术的气体质量验证方法，包括以下步骤：

步骤1、将上述的气体检测装置与被测装置密闭安装连接，通过机械强制手段，使得被测装置内部的待检测气体达到国家二级或二级以上标准气或真空状态；

步骤2、采用上述的气体质量检测方法获得待检测气体在一定时间段内的质量；

步骤3、对比步骤2中所述时间段前后该待检测气体的质量之差，得待检测气体在步骤2所述时间段内实际流经气体检测装置的实际质量；

步骤4、将步骤2获得的质量与步骤3获得的实际质量进行比较，以此来实现对气体检测装置特定气体质量检测结果的验证。

真空冷冻干燥设备是将物料直接冻结，然后在真空环境下，让物料中的水分直接由固态升华为气态排除，进而实现干燥的目的，其中冷凝器起到捕捉冻干箱内物料升华水汽的作用，气流从冻干箱流向冷凝器。

图3中示出了本实用新型检测系统在真空冷冻干燥设备上的应用示意，该检测装置用来检测冻干箱13与冷凝器12之间特定气体的浓度、流速与质量，其中连接件5将本实用新型提供的气体检测装置与冻干箱13、冷凝器12进行密闭连接，入射装置4与接收装置8密闭安装在检测装置上。

入射装置4发出的特定波长的激光经过分光器分光，成为两束一致的入射激光，入射端两束激光呈垂直交叉状态，接收端也设置两套相互垂直的接收装置8，采用双光束准直法，对接收端收集的信号进行处理，可相互抵消激光器自身误差及环境影响，可大大提高了特定气体流速的检测精度。

本实用新型检测系统通过设置入射谐波的波长，如1392nm的波长，对应水蒸气的吸收光谱，此时本装置可有效实时检测冻干箱与冷凝器之间的水蒸气的浓度、流速、实时质量及累计质量。

真空冷冻干燥过程中，系统内的水蒸气的浓度、流速、质量，体现了物品冷冻干燥的速度及程度。由于本检测系统采用的TDLAS技术具有高灵敏性，可以有效提升检测的精准度，为冷冻干燥的状态作出切合实际的判断。

本实用新型检测系统可将采集的信号进行数据处理并上传至上位机，处理成可视化、直观的数据曲线或其他表达方式。在上位机内，结合真空冷冻干燥设备的特性，将处理所得数据转化为其他可用的状态信息，如直接将水蒸气实时质量及累计质量换算成冷冻干燥的结果判断等。

本实用新型检测系统，可通过调整入射装置的激光频率或更换个别部件实现入射不同波长的激光，通过此方法可实现对真空冷冻干燥设备其余特定气体的检测，如检测真空冷冻干燥设备的泄漏问题。

本实用新型检测系统，入射装置与接收装置均被隔离在真空冷冻干燥设备以外，对设备不产生额外的污染，满足制药法规等对洁净卫生等级的需求。

本实用新型验证系统中涉及的水汽浓度及流速在此不做展开，依据上文即可实现，在此针对水汽的质量验证做进一步说明。

通过设置入射谐波的波长，如1392nm的波长，对应水蒸气的吸收光谱，此时检测装置可对冻干箱与冷凝器之间的气体进行浓度、流速的检测，结合被测对象处规则的截面形状，可得检测的实时质量，通过对一定时间(以10分钟为例)进行累计运算，可得特定气体在10分钟内流经检测装置的质量。

本实用新型的验证系统，事先对尚未冷冻干燥处理的盘装水分质量进行称重计量，每隔10分钟重新称重计量一次；如此反复，直至整个冷冻干燥过程全部结束；将若干组称重计量数值与测试计算所得的数值进行比较，以此来验证该检测装置在质量方面的检测精度和可靠性。

Claims (8)

1.一种基于TDLAS技术的气体检测装置，其特征在于，包括具有波长可调谐功能的入射装置、准直装置、接收装置、电源模块及运算模块，其中，

电源模块为入射装置、准直装置、连接装置、接收装置及运算模块提供工作电压；

入射装置用于发出特定波长的激光，根据待检测气体的不同设置特定的激光波长，使发出的激光的波长处在待检测气体最佳吸收波长附近；

准直装置用于将入射装置发出的激光分成两束一致的入射激光；

接收装置用于接收经过待检测气体的入射激光，利用TDLAS技术及气体分子可吸收特定波长的激光的特性，利用激光器的窄线宽和波长可调谐特性扫描气体分子的吸收谱线，进而得到两组吸收光谱信号；

运算模块用于对接收装置输出的数据进行运算处理，得到待检测气体的感兴趣信息。

2.如权利要求1所述的一种基于TDLAS技术的气体检测装置，其特征在于，两束所述入射激光呈垂直交叉状态；有两套所述接收装置，两套所述接收装置相互垂直。

3.如权利要求1所述的一种基于TDLAS技术的气体检测装置，其特征在于，所述入射装置的入射装置控制电路板安装在所述入射装置内部，或者安装在特定的控制盒内。

4.如权利要求1所述的一种基于TDLAS技术的气体检测装置，其特征在于，所述接收装置的接收装置控制电路板安装在所述接收装置内部，或者安装在特定的控制盒内。

5.如权利要求1所述的一种基于TDLAS技术的气体检测装置，其特征在于，所述入射装置及所述接收装置设计成密闭形式；在运行时，所述入射装置及所述接收装置内部冲入特定的气体，保持微正压状态，或者在运行时，所述入射装置及所述接收装置内部抽真空处理，保持负压状态。

6.一种基于TDLAS技术的气体检测系统，其特征在于，将权利要求1所述的气体检测装置与被测装置相连，由所述权利要求1所述的气体检测装置对被测装置内的待检测气体进行检测，通过连接件实现所述入射装置、被测装置及所述接收装置之间的密闭连接，以规避环境因素对权利要求1所述的气体检测装置造成的影响。

7.如权利要求6所述的一种基于TDLAS技术的气体检测系统，其特征在于，所述入射装置及所述接收装置在检测过程中被隔离在所述待检测气体以外，不与所述待检测气体发生直接接触，满足更高卫生级要求。

8.如权利要求6所述的一种基于TDLAS技术的气体检测系统，其特征在于，所述运算模块根据所述入射装置的数据及所述接收装置的数据，进行数据处理，并将数据上传至上位机，通过上位机内的定制程序，实现被测装置内特定气体流速或特定气体浓度所对应的被测装置自身实时的其他相关数据和状态的检测。

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