CN2833577Y - 激光吸收光谱大气甲烷浓度在线监测仪的光学结构 - Google Patents

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刘建国
涂兴华
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陈东
高山虎
王晓梅
董凤忠
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Abstract

本实用新型公开了激光吸收光谱大气甲烷浓度在线监测仪的光学结构，包括探测器、参考样品池、凸透镜、多次反射样品池、激光器、多次反射样品池上安装有进气阀门和大气采样泵，激光器放置在多次反射样品池的入射光路上，探测器放置在多次反射样品池的出射光路上，探测器的探测头、参考样品池的入射窗片及出射窗片、多次反射样品池的出射窗片在同一光路上。利用二极管激光器波长扫描特性，多次反射池延长光程，以及谐波检测方法极大地提高检测灵敏度。这种方法具有高灵敏度、高选择性及快速测量等特点。能够快速准确反应出空气中甲烷含量的变化，完全能够满足对环境空气中甲烷含量进行长时间连续实时监测的需要。

Description

激光吸收光谱大气甲烷浓度在线监测仪的光学结构
技术领域
本实用新型涉及环境检测与分析技术领域，具体的说是一种激光吸收光谱大气甲烷浓度在线监测仪的光学结构。
技术背景
甲烷虽然在空气中的含量远远低于二氧化碳，大约1.6ppm，但是温室效应有26％是由于甲烷引起的，CH4对温室效应的作用是CO2的22倍。大气中甲烷的含量对于辐射过程和气候发展趋势的研究是特别重要，监测地面环境空气中甲烷的含量有助于分析大气中甲烷的来源，能够为大气化学的研究提供重要的依据。
现有的大气中CH4含量的检测是采用气相色谱法，利用试样中各组份在气相和固定相间的分配系数不同，当汽化后的试样被载气带入色谱柱中运行时，组份就在其中的两相间进行反复多次分配，由于固定相对各组份的吸附或溶解能力不同，因此各组份在色谱柱中的运行速度就不同，经过一定的柱长后，便彼此分离，按顺序离开色谱柱进入检测器，产生的离子流信号经放大后，在记录器上描绘出各组份的色谱峰，从而实现对物质的分析检验。这种方法的缺点是测量时间长，不能实时在线检测。
实用新型内容
本实用新型是利用可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术与长光程吸收池技术相结合构成大气中CH4含量的实时在线测量装置。基于可调谐二极管激光吸收光谱学(TDLAS)构成的系统具有高灵敏、快速、操作简单，不需要对样品进行任何的预处理的特点，因此被广泛应用于大气痕量气体的监测中。由于二极管激光器的高单色性，因此可以利用气体分子的一条孤立的吸收谱线对气体的吸收光谱进行测量，从而方便地从混合污染成分中鉴别出不同的分子，避免了光谱干扰。
技术方案
激光吸收光谱大气甲烷浓度在线监测仪的光学结构，包括探测器、参考样品池、凸透镜、多次反射样品池、激光器、多次反射样品池上安装有进气阀门和大气采样泵，其特征在于：激光器放置在多次反射样品池的入射光路上，激光器的激光头对准多次反射样品池的入射窗片，凸透镜放置在激光器与反射样品池入射窗片之间的光路上，探测器放置在多次反射样品池的出射光路上，探测器与多次反射样品池的出射窗片之间的出射光路上依次放置有参考样品池和凸透镜，探测器的探测头、参考样品池的入射窗片及出射窗片、多次反射样品池的出射窗片在同一光路上。
所述的激光吸收光谱大气甲烷浓度在线监测仪的光学结构，其特征在于：所述的激光器是1.65μm可调谐二极管激光器。
所述的激光吸收光谱大气甲烷浓度在线监测仪的光学结构，其特征在于：所述的出射光路中凸透镜和探测器的探测头之间的距离等于凸透镜的焦距。
本实用新型的原理
激光器温度控制电路将二极管激光器的中心波长调至甲烷吸收较强的1.65um附近，调制电路产生的锯齿扫描电流控制二极管激光器波长扫描，激光器输出的激光波长随锯齿波改变，使得激光波长扫描通过CH4在1.65μm附近的一个吸收峰。为了提高系统的灵敏度，采用二次谐波检测方法降低1/f噪声，电流调制电路输出的正弦信号加到激光器上，使得激光器输出的信号受到正弦调制。激光通过多次反射池多次反射和参考样品池后由一个焦距为8cm的凸透镜聚焦到探测器上，应用锁相放大器检测出吸收后的调制信号的二次谐波(2f)，送入A/D转换成数字信号，在计算机中应用浓度反演方法计算得到痕量气体的浓度。
本实用新型的效果
可调谐二极管激光器光谱学(TDLAS)技术和多次反射池结合构成的大气Ch4实时在线监测仪，利用二极管激光器波长扫描特性，多次反射池延长光程，以及谐波检测方法极大地提高检测灵敏度，检测限达到102ppb，先进的光路设计与定标方法保证了测量的精度。这种方法具有高灵敏度、高选择性及快速测量等特点。能够快速准确反应出空气中甲烷含量的变化，完全能够满足对环境空气中甲烷含量进行长时间连续实时监测的需要。
附图说明
图1本实用新型的结构示意图。
具体实施方式
参见图1，激光吸收光谱大气甲烷浓度在线监测仪的光学结构，包括探测器1、参考样品池2、凸透镜8、凸透镜10、多次反射样品池6、大气采样泵7、1.65μm可调谐二极管激光器9、激光器温度控制和电流调制电路11、锁相放大器12、计算机13，连接有激光器温度控制和电流调制电路11的1.65μm可调谐二极管激光器9放置在多次反射样品池6的入射光路上，多次反射样品池6上安装有进气阀门5和大气采样泵7，1.65μm可调谐二极管激光器9的激光头对准多次反射样品池6的入射窗片，凸透镜8放置在1.65μm可调谐二极管激光器9与反射样品池6入射窗片之间的光路上，与锁相放大器12相连接的探测器1放置在多次反射样品池6的出射光路上，探测器1与多次反射样品池6的出射窗片之间的出射光路上依次放置有参考样品池2和凸透镜3，探测器1的探测头、参考样品池2的入射窗片及出射窗片、多次反射样品池6的出射窗片在同一光路上大气采样泵7与多次反射样品池6相连接，锁相放大器12通过A/D转换电路14与计算机13相连接。出射光路中凸透镜3和探测器1的探测头之间的距离等于凸透镜3的焦距。

Claims (3)

1、激光吸收光谱大气甲烷浓度在线监测仪的光学结构，包括探测器、参考样品池、凸透镜、多次反射样品池、激光器、多次反射样品池上安装有进气阀门和大气采样泵，其特征在于：激光器放置在多次反射样品池的入射光路上，激光器的激光头对准多次反射样品池的入射窗片，凸透镜放置在激光器与反射样品池入射窗片之间的光路上，探测器放置在多次反射样品池的出射光路上，探测器与多次反射样品池的出射窗片之间的出射光路上依次放置有参考样品池和凸透镜，探测器的探测头、参考样品池的入射窗片及出射窗片、多次反射样品池的出射窗片在同一光路上。
2、根据权利要求1所述的激光吸收光谱大气甲烷浓度在线监测仪的光学结构，其特征在于：所述的激光器是1.65μm可调谐二极管激光器。
3、根据权利要求1所述的激光吸收光谱大气甲烷浓度在线监测仪的光学结构，其特征在于：所述的出射光路中凸透镜和探测器的探测头之间的距离等于凸透镜的焦距。
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