CN217561327U - 一种融合色谱柱的激光拉曼气体分析装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种融合色谱柱的激光拉曼气体分析装置，包括：激光器、光束耦合单元、气体样品室、光谱采集单元、色谱取样器、色谱柱和工控机；气体样品室、光谱采集单元和色谱取样器依次中心共线排列，且激光器发出的激光照射在光束耦合单元；所述色谱取样器的第一接口通过气管与气体样品室的出口连接，所述色谱取样器的第二接口通过气管与色谱柱的第一端口连接，所述色谱柱的第二端口通过气管与气体样品室的入口连接；所述工控机与光谱采集单元电性连接。本实用新型通过将色谱柱融合在激光拉曼装置中，克服采用单一激光拉曼技术在待测气测量中高碳烃类气体对低碳烃气体的干扰问题，实现对高碳烃类气体精确检测，提高气体检测速度。

Description

一种融合色谱柱的激光拉曼气体分析装置

技术领域

本实用新型属于气体分析技术领域，更具体地说，涉及一种融合色谱柱的激光拉曼气体分析装置。

背景技术

在石油化工、天然气、轮胎裂解气等工业现场，样气成分复杂，不仅包含有H₂、N₂、O₂、CO、CO₂、CH₄、C₂H₄、C₂H₆、C₃H₆、C₃H₈、C₄H₁₀等常规气体，还可能有C₅、C₆等高碳的烃类，对样气成分进行高效精确的在线监测，对于工业现场设备的正常运行和人员的安全至关重要。

激光拉曼光谱气体分析技术具有响应时间快、非接触式、多组分同时检测的优点，但是对于高碳的烃类物质，比如正戊烷C₅H₁₂、正己烷C₆H₁₄等，使用拉曼光谱，通常无法准确的测量气体浓度，主要在于高碳的烃类存在较多的拉曼特征峰，和低碳的烃类物质有严重的交叉干扰，从拉曼光谱上难以区分出来。

和拉曼光谱法相比，气相色谱法使用色谱柱对不同的物质上进行分离，具有测量气体种类多的优势，但是分析时间长，通常为十几分钟，不适合在线检测。

因此，急需研究一种测量组分全面、响应速度快、测量精度高的在线气体分析装置。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种融合色谱柱的激光拉曼气体分析装置，以解决采用单一激光拉曼技术在待测气测量中高碳烃类气体对低碳烃气体产生干扰的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型提供一种融合色谱柱的激光拉曼气体分析装置，包括：激光器、光束耦合单元、气体样品室、光谱采集单元、色谱取样器、色谱柱和工控机；

所述气体样品室、所述光谱采集单元和所述色谱取样器依次中心共线排列，且所述激光器发出的激光适于照射在所述光束耦合单元中；

所述色谱取样器的第一接口通过气管与所述气体样品室的出口连接，所述色谱取样器的第二接口通过气管与所述色谱柱的第一端口连接，所述色谱柱的第二端口通过气管与所述气体样品室的入口连接；

所述工控机与所述光谱采集单元电性连接，用于上传所述高碳烃类的每种拉曼光谱图，通过光谱解析算法计算出高碳烃类气体的浓度值。

进一步的，所述光束耦合单元包括双胶合透镜、二向色分光镜和长通滤光片，所述双胶合透镜设在所述气体样品室与所述二向色分光镜之间，所述长通滤光片设在所述二向色分光镜与所述光谱采集单元之间，所述二向色分光镜与所述激光器之间的夹角范围为45度。

进一步的，所述光谱采集单元包括中心共线依次设置的拉曼光收集镜头、光谱仪和光电探测器，所述拉曼光收集镜头位于靠近所述长通滤光片的一侧，且与所述长通滤光片中心共线。

进一步的，所述双胶合透镜为消色差双胶合透镜，直径为24-26mm，焦距为98-102mm。

进一步的，所述二向色分光镜的形状为长方体形，且所述二向色分光镜的长度尺寸为24-26mm，宽度为35-37mm，高度为1-1.2mm。

进一步的，所述二向色分光镜朝向所述激光器的一侧表面镀有分光膜，所述二向色分光镜朝向所述长通滤光片的一侧表面镀有增透膜。

进一步的，所述拉曼光收集镜头为标准成像镜头，入瞳直径为27.6-28mm，焦距为48-52mm，视场角为45-47度，调焦范围为0.45m至无穷远。

进一步的，所述光电探测器为面阵探测器。

进一步的，还包括载气电磁阀和样气电磁阀，所述载气电磁阀通过气管与所述色谱取样器连接，所述样气电磁阀通过气管与所述气体样品室的第二入口连接。

进一步的，所述色谱柱为毛细管柱或填充柱。

本实用新型相对于现有技术，具有如下的优点及效果：

1、本实用新型中的激光拉曼气体分析装置，通过将色谱柱融合在激光拉曼装置中，样气经过气体样品室后，再进入色谱取样器，被载气带入色谱柱，在色谱柱中高碳的烃类气体被分离出来，然后依次返回至气体样品室，获得干净烃类气体的拉曼谱图，避免烃类物质之间的交叉干扰，采集到的拉曼光谱上传给工控机，通过上位机软件的谱图解析算法，计算出各气体的实时浓度值。

2、该装置融合了色谱柱和拉曼光谱技术，设计了小体积的高温气体室，防止气体冷凝导致组分的丢失，具有测量组分全面、响应速度快、精度高等优势，能全面、实时测量样气中各气体组分浓度。

附图说明

图1为本实用新型实施例中融合色谱柱的激光拉曼气体分析装置的结构示意图。

附图标记说明：

1-激光器；2-光束耦合单元；21-双胶合透镜；22-二向色分光镜；23-长通滤光片；3-气体样品室；4-光谱采集单元；41-拉曼光收集镜头；42-光谱仪；43-光电探测器；5-色谱取样器；6-色谱柱；7-工控机；8-载气电磁阀；9-样气电磁阀。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

请参阅图1所示，本实用新型的其中一个实施例提供了一种融合色谱柱的激光拉曼气体分析装置，该激光拉曼气体分析装置包括激光器1、光束耦合单元2、气体样品室3、光谱采集单元4、色谱取样器5、色谱柱6和工控机7，其中：

气体样品室3、光束耦合单元2和光谱采集单元4依次中心共线排列，激光器1用于发射特定波长的光束，光束耦合单元2用于将激光光束聚焦到气体样品室3中，并对后向传播的拉曼散射光和激光进行准直，然后滤除瑞利散射光，将背景干净的拉曼光谱传递到光谱采集单元4中。

激光器1发出的激光适于照射在光束耦合单元2中，光谱采集单元4用于收集拉曼散射光信号，获得被测气体的拉曼光谱。

色谱取样器5用来抽取气体样品室3中的样气，色谱取样器5的第一接口通过气管与气体样品室3的出口连接，色谱取样器5的第二接口通过气管与色谱柱6的第一端口连接，色谱柱6的第二端口通过气管与气体样品室3的入口连接。

样气在气体样品室3中初步分析，检测出常规气体(不含C5，C6等高碳烃类)，然后色谱取样器5开始工作，抽取气体样品室3中的样气，在载气的带动下进入色谱柱6。

工控机7与光谱采集单元4电性连接，用于上传高碳烃类的每种拉曼光谱图，用于对采集的拉曼谱图进行分析，通过光谱解析算法，计算出样品气中高碳烃类各气体组成的浓度值。

需要进一步说明的是，在本申请的一个实施例中，考虑到设备的成本和体积，激光器1优选采用高稳定性的532nm固体激光器，光谱线宽小于0.2nm，光束质量因子M2＜1.2,电源模块采用OEM版本，体积小巧。

另外，激光器1的最大连续输出功率可达200mW，激光器1的功率和拉曼散射强度呈线性关系，输出功率越高，拉曼信号越大。

更进一步的说明，气体样品室3采用小体积结构设计，容积只有20mL，从而样气的分析时间很短，另外，在气体样品室3的底部安装有加热装置，使气体的温度保持在120°左右，防止气体冷凝引起的组分丢失，从而提高检测精度。

由此，样气首先进入气体样品室3(100-150℃)，激光器1发射的激光经过光束耦合单元2进入气体样品室3，激光在气体样品室3中聚焦，并在焦点位置和被测气体相互作用，产生拉曼散射光，后向传输的拉曼光经过光束耦合单元2准直为平行光束，并进入光谱采集单元4，得到常规气体的拉曼谱图。

样气经过气体样品室3后，再进入色谱取样器5，被载气带入色谱柱6，在色谱柱6中例如C5，C6等高碳的烃类气体被分离出来，然后依次返回至气体样品室3，获得干净的C5、C6等烃类气体的拉曼谱图，避免烃类物质之间的交叉干扰，采集到的拉曼光谱上传给工控机7，通过上位机软件的谱图解析算法，计算出各气体的实时浓度值。

该装置融合了色谱柱和拉曼光谱技术，设计了小体积的气体样品室3，防止气体冷凝导致组分的丢失，具有测量组分全面、响应速度快、精度高等优势。

具体地，请参阅图1所示，在本实用新型的实施例当中，光束耦合单元2包括双胶合透镜21、二向色分光镜22和长通滤光片23，双胶合透镜21设在气体样品室3与二向色分光镜22之间，长通滤光片23设在二向色分光镜22与光谱采集单元4之间，二向色分光镜22与激光器1之间的夹角为45度。

其中，长通滤光片23用来滤除532nm瑞利散射光，对于拉曼光为高透过性，从而获得背景干净的拉曼散射光谱，透过率T>93％@538.9-1200nm,截止波长430-532nm，截止深度OD>6。

由此，在本实施例当中，双胶合透镜21用来将激光在气体样品室3中进行聚焦，并且对后向散射的拉曼光进行准直。

具体地，请参阅图1所示，在本实用新型的实施例当中，光谱采集单元4包括中心共线依次设置的拉曼光收集镜头41、光谱仪42和光电探测器43，拉曼光收集镜头41位于靠近长通滤光片23的一侧，且与长通滤光片23中心共线。

由此，在本实施例当中，拉曼光收集镜头41用来将光束耦合单元2输出的拉曼光聚焦到光谱仪42上，光谱仪42用来将不同波长的拉曼光谱色散，不同波长的拉曼光成像在光电探测器43上，光电探测器43用来对拉曼光谱成像，输出不同气体的拉曼谱图。

具体地，在本实用新型的实施例当中，双胶合透镜21为消色差双胶合透镜，直径为24-26mm，焦距为98-102mm。作为本实施例的最佳优选方式，双胶合透镜21的之间直径选为25mm，焦距为100mm。

具体地，在本实用新型的实施例当中，二向色分光镜22的形状为长方体形，且二向色分光镜22的长度尺寸为24-26mm，宽度为35-37mm，高度为1-1.2mm。

由此，在本实用新型的实施例当中，二向色分光镜22用来高效率的反射激光，并且对拉曼散射光为高透。优选地，二向色分光镜22的尺寸为25mm*36mm*1.1mm。

具体地，在本实用新型的实施例当中，二向色分光镜22朝向激光器1的一侧表面镀有分光膜，分光膜的反射率>94％@532nm，透过率>93％@538.9-824.8nm，二向色分光镜22朝向长通滤光片23的一侧表面镀有增透膜，增透膜的透过率T>93％@538.9-824.8nm。

具体地，在本实用新型的实施例当中，拉曼光收集镜头41为标准成像镜头，入瞳直径为27.6-28mm，焦距为48-52mm，视场角为45-47度，调焦范围为0.45m至无穷远。

优选地，拉曼光收集镜头41的入瞳直径为27.8mm，焦距为50mm，视场角为46°，可根据需要前后调节，调焦范围从0.45m到无穷远，尽可能多的收集拉曼散射光。

具体地，在本实用新型的实施例当中，光电探测器43为面阵探测器。

由此，在本实施例当中，光电探测器43型号选为CMOS面阵探测器。需要说明的是，CMOS面阵探测器具有图像和光谱两种模式，在图像模式下，可通过调节拉曼光收集镜头41的前后距离，获得最亮的拉曼光斑；然后切换到光谱模式，根据拉曼信号的强弱，设置不同的积分时间和增益系数，输出高质量、高信噪比的气体拉曼光谱。

具体地，请参阅图1所示，在本实用新型的实施例当中，还包括载气电磁阀8和样气电磁阀9，载气电磁阀8通过气管与色谱取样器5连接，样气电磁阀9通过气管与气体样品室3的第二入口连接。

由此，在本实施例当中，样气电磁阀9用于控制样气的开启和关闭；载气电磁阀8用于控制载气的开启和关闭。

具体地，在本实用新型的实施例当中，色谱柱6为毛细管柱或填充柱。

由此，在本实施例当中，色谱柱6用来将样气中高碳烃类(C5，C6等)进行分离，然后依次返回到气体样品室3中，获得单独的C5，C6等高碳烃类的拉曼光谱。

优选地，色谱柱6采用毛细管柱，填充料为A1₂O₃，对于高碳烃类有良好的分离效果，通过控制温升程序，只分离高碳烃类，而不分离其他物质，缩短色谱柱6分离组分所需的时间。

本申请实施例提供的激光拉曼气体分析装置，其具体工作过程如下：

S1：打开样气电磁阀9，样气进入气体样品室3中；

S2：激光器1发射的激光通过光束耦合单元2在气体样品室3中聚焦，并在焦点位置和待测气体相互作用，产生拉曼散射光，拉曼光经过光束耦合单元2，然后被光谱采集单元4收集，常规气体的拉曼谱图上传到工控机7，通过光谱解析算法，计算出常规组分各气体浓度值；

S3：关闭样气电磁阀9，打开色谱取样器5，将气体样品室3中的样气吸入色谱取样器5，直到气体样品室3中所有气体都被吸走，拉曼上位机软件显示各组分浓度值为0；

S4：打开载气电磁阀8，通入载气，将色谱取样器5中的样气带入色谱柱6进行分离，分离出来的C5，C6等高碳烃类气体依次返回至气体样品室3，获得干净的C5、C6等烃类气体的拉曼谱图；

S5：C5、C6等烃类气体的拉曼谱图上传到工控机7，通过光谱解析算法，计算出高碳烃类气体浓度值，至此，样气中所有气体组分都被检测出来。

S6：打开排空电磁阀，通过载气将色谱柱6的样气排空，排空后自动关阀。

S7：第一次进样分析完毕，重复S1-S6，开始第二次进样分析。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种融合色谱柱的激光拉曼气体分析装置，其特征在于，包括：激光器(1)、光束耦合单元(2)、气体样品室(3)、光谱采集单元(4)、色谱取样器(5)、色谱柱(6)和工控机(7)；

所述气体样品室(3)、所述光谱采集单元(4)和所述色谱取样器(5)依次中心共线排列，且所述激光器(1)发出的激光适于照射在所述光束耦合单元(2)中；

所述色谱取样器(5)的第一接口通过气管与所述气体样品室(3)的出口连接，所述色谱取样器(5)的第二接口通过气管与所述色谱柱(6)的第一端口连接，所述色谱柱(6)的第二端口通过气管与所述气体样品室(3)的入口连接；

所述工控机(7)与所述光谱采集单元(4)电性连接，用于上传高碳烃类的每种拉曼光谱图，通过光谱解析算法，计算出高碳烃类气体的浓度值。

2.根据权利要求1所述的融合色谱柱的激光拉曼气体分析装置，其特征在于，所述光束耦合单元(2)包括双胶合透镜(21)、二向色分光镜(22)和长通滤光片(23)，所述双胶合透镜(21)设在所述气体样品室(3)与所述二向色分光镜(22)之间，所述长通滤光片(23)设在所述二向色分光镜(22)与所述光谱采集单元(4)之间，所述二向色分光镜(22)与所述激光器(1)之间的夹角为45度。

3.根据权利要求2所述的融合色谱柱的激光拉曼气体分析装置，其特征在于，所述光谱采集单元(4)包括中心共线依次设置的拉曼光收集镜头(41)、光谱仪(42)和光电探测器(43)，所述拉曼光收集镜头(41)位于靠近所述长通滤光片(23)的一侧，且与所述长通滤光片(23)中心共线。

4.根据权利要求2所述的融合色谱柱的激光拉曼气体分析装置，其特征在于，所述双胶合透镜(21)为消色差双胶合透镜，直径为24-26mm，焦距为98-102mm。

5.根据权利要求2所述的融合色谱柱的激光拉曼气体分析装置，其特征在于，所述二向色分光镜(22)的形状为长方体形，且所述二向色分光镜(22)的长度尺寸为24-26mm，宽度为35-37mm，高度为1-1.2mm。

6.根据权利要求2所述的融合色谱柱的激光拉曼气体分析装置，其特征在于，所述二向色分光镜(22)朝向所述激光器(1)的一侧表面镀有分光膜，所述二向色分光镜(22)朝向所述长通滤光片(23)的一侧表面镀有增透膜。

7.根据权利要求3所述的融合色谱柱的激光拉曼气体分析装置，其特征在于，所述拉曼光收集镜头(41)为标准成像镜头，入瞳直径为27.6-28mm，焦距为48-52mm，视场角为45-47度，调焦范围为0.45m至无穷远。

8.根据权利要求3所述的融合色谱柱的激光拉曼气体分析装置，其特征在于，所述光电探测器(43)为面阵探测器。

9.根据权利要求1所述的融合色谱柱的激光拉曼气体分析装置，其特征在于，还包括载气电磁阀(8)和样气电磁阀(9)，所述载气电磁阀(8)通过气管与所述色谱取样器(5)连接，所述样气电磁阀(9)通过气管与所述气体样品室(3)的第二入口连接。

10.根据权利要求1所述的融合色谱柱的激光拉曼气体分析装置，其特征在于，所述色谱柱(6)为毛细管柱或填充柱。

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