CN212159556U

CN212159556U - 一种啤酒精准发酵过程特征气体在线检测装置

Info

Publication number: CN212159556U
Application number: CN202020440585.XU
Authority: CN
Inventors: 喻鹏飞; 王晓杉; 于自强; 魏玉宾; 王兆伟
Original assignee: Laser Institute of Shandong Academy of Science
Current assignee: Laser Institute of Shandong Academy of Science
Priority date: 2020-03-31
Filing date: 2020-03-31
Publication date: 2020-12-15
Anticipated expiration: 2030-03-31

Abstract

本实用新型公开了一种啤酒精准发酵过程特征气体在线检测装置，包括激光气体分析仪，所述激光气体分析仪包括分别与控制单元电连接的光学单元和信号采集处理单元。本实用新型具有分辨率高、选择性强、响应时间短及寿命长等优点。

Description

一种啤酒精准发酵过程特征气体在线检测装置

技术领域

本实用新型涉及气体监测领域和气体预处理领域技术领域，特别涉及一种啤酒精准发酵过程特征气体在线检测装置。

背景技术

CO₂是啤酒的重要成分之一，它能有效提高啤酒呈味物质的效果，延长啤酒的保存期，饮用时给人以清爽、刺激的杀口感。因此，CO₂是啤酒的重要质量指标之一。不同类型的啤酒其CO₂浓度含量是不一样的，但同一批啤酒其含量应具有一致性，所以需在发酵过程中进行CO₂浓度进行过程在线监测分析和控制。CO₂浓度的控制应通过其对发酵的影响来确定。如果CO₂对产物合成具有抑制作用，需尝试降低其浓度；如果有促进作用，需增加其浓度。陈军其在《浅谈啤酒CO₂的控制》（广州食品工业科技, 1997, 13(4):34-35.）一文中指出，在发酵前O₂被视为酵母生长和繁殖时必不可少的营养物质，通氧情况如何，直接影响酵母的活性，也影响其代谢产物的组成分比例，最终影响啤酒的质量。在发酵后O₂是影响啤酒色泽、稳定性和诱发啤酒喷涌的不利因素，需尽可能的避免氧气进入发酵罐。张云瑞在《氧在啤酒发酵,滤酒,灌装期间的作用及防治措施》（酿酒科技, 1997(4):57-58.）中指出在发酵过程发酵罐中需要对二氧化碳浓度和氧气浓度进行实时监测。

当前，传统的发酵气体检测装置所采用的电子类气体传感器，大部分并不适合过程在线监测分析。其中，电化学式传感器寿命短、量程小、容易受到其他气体的交叉干扰；电极类传感器需要频繁的更换电极；色谱分析装置虽然具有较高的检测精度，但分析时间长、操作复杂，不适宜在线检测。光学传感器是目前最适合实现在线分析的一种技术，但是传统红外传感器由于受湿度、温度影响较大，同时存在交叉干扰问题。

发明内容

本实用新型为了弥补现有技术的不足，提供了一种啤酒精准发酵过程特征气体在线检测装置。

本实用新型是通过如下技术方案实现的：

一种啤酒精准发酵过程特征气体在线检测装置，包括激光气体分析仪，所述激光气体分析仪包括分别与控制单元电连接的光学单元和信号采集处理单元，所述光学单元包括可调谐半导体激光器，所述可调谐半导体激光器通过光纤与激光准直及耦合光纤模块连接，所述激光准直及耦合光纤模块与赫里奥特气室通过光纤连接；所述信号采集处理单元安装在所述赫里奥特气室的出射端。

所述信号采集处理单元包括光电探测器，所述光电探测器与A/D转换器、信号处理模块依次电连接；所述光电探测器安装在所述赫里奥特气室的出射端。

所述控制单元包括电流驱动器，所述电流驱动器与所述可调谐半导体激光器电连接。

所述可调谐半导体激光器上还安装有与所述电流驱动器电连接的温度控制器。

所述电流驱动器与所述信号处理模块电连接。

所述赫里奥特气室的进气口与气体预处理装置通过气通管道连接。

还包括流量计，所述流量计安装在所述赫里奥特气室与气体预处理装置之间的气通管道上。

本实用新型具有以下有益技术效果：

1.采用用的可调谐半导体激光吸收光谱技术（Tunable Diode Laser AbsorptionSpectroscopy,TDLAS）利用半导体激光器的窄线宽和波长随注入电流改变的特性，针对CO₂气体和O₂气体的“指纹光谱”进行扫描，实现CO₂气体和O₂气体的定量分析。

2.TDLAS技术使本实用新型具有分辨率高、选择性强、响应时间短及寿命长等优点，非常适合应用于发酵过程特征气体的在线检测分析，有效克服了现有传感器存在的问题。进而实现对啤酒发酵时间，和通气气体成分的有效控制，使同一批次啤酒发酵程度尽可能的具有一致性，使其口味风味没有区别。

3.可精确地控制激光器的温度与电流，从而使得激光波长得以周期性的扫描，覆盖待测气体的吸收峰。同时可以有效抑制波长漂移，使得装置测量精度高、稳定性好并且使用寿命长。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

附图1是本实用新型实际应用示意图。

附图2是本实用新型激光气体分析仪的结构示意图

图中，1-气通管道,2-气体预处理装置,3-激光气体分析仪,301-温度控制器，302-电流驱动器，303-电源模块，304-可调谐半导体激光器，305-激光准直及耦合光纤模块，306-参考气室，307-流量计，308-赫里奥特气室，309-光电探测器，310-A/D转换器，311-信号处理模块，4-工作站。

具体实施方式

以下仅为本实用新型的一种具体实施例，但是本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可以轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

本实施例中所述的固定连接或刚性连接方式包括但不限于螺接、焊接等现有技术中已知的连接方式；本实施例中所述的“左”、“右”、“内”、“外”等描述方位的词仅为描述方便，并不代表对实施例中各部件的限定；所述的“第一”、“第二”等仅为了区分，不表示各个部件的重要性或者安装顺序，也不表示部件间的区别。

附图1和附图2为本实用新型的一种具体实施例。该实施例提供了一种啤酒精准发酵过程特征气体在线检测装置，包括与发酵罐通过气通管道1依次连接的气体预处理装置2、激光气体分析仪3，以及与激光气体分析仪3电连接的工作站4。其中气体预处理装置2主要作用物质为变色硅胶和分子筛，经结构合理的机械封装可除去气体中会对激光器产生巨大影响的水汽，类似于气相色谱仪中的气体净化干燥管。

激光气体分析仪3主要由分别与控制单元电连接的光学单元、信号采集处理单元组成。其中光学单元包括可调谐半导体激光器304、光纤和赫里奥特气室308等，是激光气体分析仪3的核心部分。信号采集处理单元包括光电探测器309、A/D转换器310与信号处理模块311等，用于处理含有气体浓度信息的激光光谱信号进行采集、分析处理。控制单元包括电流驱动器302、温度控制器301，用控制光学模块的运行。

具体地，可调谐半导体激光器304的输入信号线与电流驱动器302连接，并通过光纤将激光传递至赫里奥特气室308；可调谐半导体激光器304上还安装有与电流驱动器302电连接的温度控制器301，精确控制作为光源的可调谐半导体激光器304的工作温度，可以有效抑制波长漂移，使得装置测量精度高、稳定性好并且使用寿命长。电流驱动器302与电源模块303电连接，实现对调谐半导体激光器304的电源输入。

可调谐半导体激光器304的输出端通关光纤与激光准直及耦合光纤模块305连接，激光准直及耦合光纤模块305将可调谐半导体激光器304发射的激光分为两束完全相同的光束，其中一束为检测光束，另一束为参比光束。检测光束通过光纤传递至赫里奥特气室308，参比光束经过光纤传递至参考气室306，即激光准直及耦合光纤模块305分别与参考气室306和赫里奥特气室308的入射端通过光纤连接。赫里奥特气室308的出射端口安装光电探测器309；光电探测器309信号输出端口与A/D转换器310电连接连接，A/D转换器的信号输出端口与信号处理模块311电连接。该信号处理模块311与工作站4、电流驱动器302电连接。

赫里奥特气室308的进气口通过流量计307与气体预处理装置2连接，即赫里奥特气室308的进气口通过气通管道1与流量计307的出气口连接，流量计307的进气口通过气通管道1与气体预处理装置2的出气口连接。

检测光束经赫里奥特气室308的多次折射后，从赫里奥特气室308的出射端口射出，并被光电探测器309接收，参比光束经参考气室306后也被光电探测器309接收；光电探测器309将接收光信号发送到A/D转换器310，由A/D转换器310发送至信号处理模块311，信号处理模块311将获得的光信号转换为电信号，经锁相放大器获得的谐波信号通过数据采集卡采集至工作站4进行数据处理和运算后，可通过反馈电路对电流驱动器302进行反馈，实现对可调谐半导体激光器304发射波长的调节功能。

本实施例中激光准直及耦合光纤模块305为激光准直器和光纤耦合器组成的模块，有准直激光和分束激光的功能。电源模块303是AC/DC类为各器件供电的功能；赫里奥特气室308气室为3m光程探测灵敏度可达ppm量级。本装置可对温度参数的影响进行修正，测量时间小于5s。

本实用新型基于TDLAS技术开发，其光学单元包括可调谐半导体激光器304、光纤和赫里奥特气室308等，用于激光信号的发射与传输，是本装置的核心硬件部分。通过对CO₂在近红外波段吸收谱线的分析，采用1609nm作为CO₂气体检测的吸收波长、790nm作为O₂气体检测的吸收波长。控制单元精确地控制激光器的温度与电流，从而使得激光波长得以周期性的扫描，覆盖待测气体的吸收峰。采用温度精确控制的半导体激光器作为光源，可以有效抑制波长漂移，使得装置测量精度高、稳定性好并且使用寿命长。

由于可调谐半导体激光器304与光电探测器309光谱分辨率高，可以精细分辨各气体的吸收特征峰，使得装置不受环境中其他气体的影响。而且，激光器可调谐频率较高，从控制光源激发到光电探测器响应并获取光谱所需时间很短，使得装置响应时间快。

鉴于发酵过程现场散热条件无法保证的事实，为了确保半导体激光器的频率稳定和气体特征吸收峰的快速提取，该装置引入了参考气体吸收池，对吸收峰的漂移进行实时校正，在一定程度上解决了传感器的漂移，有效提高了气体特征吸收峰识别的准确性并为气体浓度值的精确定量分析提供了基础。同时，根据发酵过程检测的特点，装置中还添加了基于硅胶和分子筛的气体预处理装置，可以有效去除水汽和发酵过程中产生的泡沫等，从而保护气体分析装置正常运行。

本实用新型进行气体测量时，气体先经气体预处理装置2再通过流量计307进入赫里奥特气室308，电流驱动器302产生信号使可调谐半导体激光器304产生指定波长的激光，激光通过激光准直及耦合光纤模块305分成两束分别进入赫里奥特气室308和参考气室306，激光经过赫里奥特气室308的多次折射后，由光电探测器309接收，激光经参考气室306由光电探测器309接收，信号经A/D转换器310和信号处理模块311处理后可对温度变化引起的测量误差反馈给电流驱动器302对可调谐半导体激光器304进行调节，再经赫里奥特气室308的激光经信号处理后会持续得到准确的气体浓度参数。

Claims

1.一种啤酒精准发酵过程特征气体在线检测装置，包括激光气体分析仪（3），其特征在于：所述激光气体分析仪（3）包括分别与控制单元电连接的光学单元和信号采集处理单元，所述光学单元包括可调谐半导体激光器（304）,所述可调谐半导体激光器（304）通过光纤与激光准直及耦合光纤模块（305）连接，所述激光准直及耦合光纤模块（305）与赫里奥特气室（308）通过光纤连接；所述信号采集处理单元安装在所述赫里奥特气室（308）的出射端。

2.根据权利要求1所述的啤酒精准发酵过程特征气体在线检测装置，其特征在于：所述信号采集处理单元包括光电探测器（309），所述光电探测器（309）与A/D转换器（310）、信号处理模块（311）依次电连接；所述光电探测器（309）安装在所述赫里奥特气室（308）的出射端。

3.根据权利要求2所述的啤酒精准发酵过程特征气体在线检测装置，其特征在于：所述控制单元包括电流驱动器（302），所述电流驱动器（302）与所述可调谐半导体激光器（304）电连接。

4.根据权利要求3所述的啤酒精准发酵过程特征气体在线检测装置，其特征在于：所述可调谐半导体激光器（304）上还安装有与所述电流驱动器（302）电连接的温度控制器（301）。

5.根据权利要求4所述的啤酒精准发酵过程特征气体在线检测装置，其特征在于：所述电流驱动器（302）与所述信号处理模块（311）电连接。

6.根据权利要求1至5任意一项权利要求所述的啤酒精准发酵过程特征气体在线检测装置，其特征在于：所述赫里奥特气室（308）的进气口与气体预处理装置（2）通过气通管道（1）连接。

7.根据权利要求6所述的啤酒精准发酵过程特征气体在线检测装置，其特征在于：还包括流量计（307），所述流量计（307）安装在所述赫里奥特气室（308）与气体预处理装置（2）之间的气通管道（1）上。