一种多组分激光在线气体分析仪制造技术

本实用新型专利技术涉及的一种应用于烟道气、管道气以及工业过程气等气体的实时多组分激光在线气体分析仪，包括光发射单元，光接收单元，光发射单元和光接收单元位于被测气体两侧。光发射单元内包括两个半导体激光器和一个至少有两个光学表面的光学元件；光接收单元内包括１个或２个光电传感器。发射单元包括箱体，箱体内安装有第一半导体激光器及其电子温度控制器、第二半导体激光器及其电子温度控制器、电路系统，及由有两个光学表面的光学玻片构成的光学元件，第一半导体激光器发射出的激光束依次透过光学玻片的两个光学表面，然后射出光发射单元，进入并穿过被测气体；第二半导体激光器发射出的激光束，经光学元件的一个光学表面反射后，然后发射出光发射单元进入并穿过被测气体。本实用新型专利技术可实现在线测量多种气体组分，无需采样预处理系统，测量精度高，稳定性好，维护周期长，安装方便；系统集成度高，元器件数量少，降低了整体成本，结构简单，可靠性高。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及的是一种应用于烟道气、管道气以及工业过程气等气体的实时在线测量 多组分气体中的多种气体组分的激光气体分析仪。在该装置中采用了半导体激光吸收光语技 术(diode laser absorption spectroscopy, 缩写DLAS )，孩支弱信号检测4支术，数字信号 处理技术等高科技技术。该装置可以广泛应用于钢铁、冶金、石油、化工、环保、电力、建 材等工业领域。
技术介绍
目前工业应用的气体分析仪主要是基于电化学、气相色谱和光学三种分析技术。电化学 的分析仪测量精度低，稳定性差，漂移大，使用过程中经常需要标定。同时，电化学的分析 仪的工作寿命短，无法长期使用，不仅维护工作量大，而且经常需要更换，使用成本比较高。 与d目比，气相色谱的气体分析仪测量精度较高，但是响应速度较慢，而且使用中色语柱需 要定期更换，使用成本仍然较高，更不利的是，气相色谱的气体分析仪需要采样预处理装置， 首先用采样探头对过程气体采样，样气经过预处理装置除尘除水，然后送入气体分析仪器进 行分析。在生产实践中发现，这类采样方式的气体分析系统存在诸多不足(l)采样和预处 理装置容易堵塞和损坏，维护和检修周期短，维护工作量大；(2)采样和预处理的过程中易 发生气体吸附和泄漏，造成测量结果不准确；(3)采样和预处理过程导致分析系统响应时间 迟滞，无法满足很多工业过程实时控制的要求；(4)采样和预处理装置使用较多运动部件， 可靠性较差，寿命较短。半导体激光吸收光谱分析技术(DLAS)是一种高灵敏度气体光学分析技术，可以用于分 析气体、液体中化学组分含量，无需采样预处理装置，可以在线测量，应用越来越广泛。特 定频率的半导体激光束穿过被测气体时，被测气体的吸收谱线对光束能量的吸收导致光强度 衰减，可用Beer - Umbert关系准确表述/(v) = /。(v)exp[-S(r)O(v)尸圳其中/。W和/6^分别表示频率为r的激光入射时和经过压力户、浓度J和光程Z的气体后 的光强。线强s(r)是温度7的函数，线形函数o("表征吸收谱线的形状，与气体的种类、压 力、温度等有关。由Beer-Lambert关系可知，光强度的衰减与被测气体含量成正比，因此，该技术通过测量光强度衰减信息，从而可获得被测气体的浓度。半导体激光的光频率具有可调谐性， 一是通过改变半导体激光器的工作温度，另一种是 通过改变激光器的工作电流。第二种方法可获得较快的频率调谐速度，因此DLAS技术普遍 采用给半导体激光器注入一定频率的锯齿波电流使激光频率扫描过整条吸收谱线来获得完 整的高分辨率"单线吸收光语"数据。基于DLAS技术的激光在线气体分析仪一般由光发射单元、光接收单元组成，光发射单 元和接收单元安装在被测气体管道的两侧。半导体激光的光语宽度极窄，远远小于气体吸收 谱线的宽度，因此能够获得高分辨率"单线吸收光谱"数据，所以采用半导体激光器作为光 源的激光在线气体分析仪具有测量精度高、响应速度快、不受背景气体交叉干扰等优点。为了实现多种气体组分的同时测量，有一种现有技术是采用增加半导体激光器驱动电流 的扫描范围，使输出激光的光频率扫描经过多种气体的吸收谙线。但是，由于半导体激光 的光频率调节范围十分有限， 一般不超过二十几纳米，因此，只有少数吸收谱线在一定频率 范围内距离很近并且光谱强度相当的气体组合，例如C0和C02，才便于同时测量，更多重要 的气体组分却无法同时测量。例如在许多防爆安全监测中需要同时测量氧气和一氧化碳的含 量，但是它们的近红外吸收谱线之间光频率距离超过700多纳米，按上述技术方案无法实现 同时测量。在工业现场应用中，光发射单元和接收单元安装在被测气体管道的两侧，气体管道直径 根据现场情况从30到1500厘米之间，存在较大的变化。如果每台激光气体分析仪的机械结 构都需要根据现场管道直径进行调整和定制化设计生产，那么标准化程度低，难以降低制造 成本。同时，如果设计可以调节两束激光之间的夹角的机械固定机构，那么将增加机械结构 的复杂度，降低系统的可靠性。
技术实现思路
本技术的目的是针对上述不足之处提供一种结构设计合理，部件少，加工装配简单， 安装和调试方便的多组分激光在线气体分析仪，可以在线实时测量钢铁、冶金、石油、化工、 环保、电力、建材等工业领域中烟道气、管道气以及工业过程气体中多种組分浓度。本技术装置采用半导体激光吸收光语分析技术，气体对激光强度的吸收遵循Beer -Lambert关系，通过测量激光光强度衰减信息，从而获得被测气体的浓度。本技术装置通过电子温度控制器(TEC)分别控制两个激光器的温度，使激光输出 光频率在被测气体吸收谦线附近，然后通过激光器电流源，提供给半导体激光器较低频率的 锯齿波电流，使激光频率扫描经过气体吸收谱线。同时，在较低频率的锯齿波电流之上叠加一较高频率正弦调制电流来高频调制激光频 率。激光通过被测气体，经过气体吸收衰减后，由光电传感器接收，转变为电信号，然后采 用相敏检测器提取放大信号中的二次谐波分量，该谐波分量和气体浓度成正比例关系。采用 上述相敏检测技术，通过高频调制来显著降低激光器噪音对测量的影响，同时有效压缩噪音 带宽。因此，可以获得相当好的检测灵敏度。本技术装置包括光发射单元，光接收单元，光发射单元和光接收单元位于被测气体 两侧。光发射单元内包括两个半导体激光器和至少有两个光学表面的光学元件；激光器电流源 输出激光器驱动电流，分别控制每一个半导体激光器输出光波长扫描经过一种被测气体的吸 收光镨线；其中第一半导体激光器发射出的激光束依次透过光学元件的两个光学表面，然后 射出光发射单元，进入并穿过被测气体；其中第二半导体激光器发射出的激光束，经光学元 件的一个光学表面反射后，然后发射出光发射单元，进入并穿过被测气体。这样，上述两束 激光在发射出光发射单元后，穿过被测气体的时候，光路可以完全重合。根据光电传感器的光谱响应范围以及第一半导体激光器和第二半导体激光器发射的激光 的频率，光接收单元内可以包括一个或者两个光电传感器。通常光电传感器的光镨响应有一个较宽的范围，例如，Si材料的PIN型光电二极管一般 光谱范围从200 — 1100 nm， InGaAs材料的PIN型光电二极管的光谱范围从1100 _ 1900 nm。 如果一种光电传感器光谱响应范围可以覆盖第一半导体激光器和第一半导体激光器发射出 的激光波长，那么光接收单元可以采用下述方案光接收单元内包括一个光电传感器，并且 两个半导体激光器交替发射出激光，在同 一个时间内只有其中一束激光由光接收单元内的光 电传感器接收，并转化为电信号，这样可以避免两束激光信号之间的干扰。如果一种光电传感器光谱响应范围不能够覆盖第 一半导体激光器和第 一半导体激光器发 射出的激光波长，那么光接收单元可以采用下述方案光接收单元内包括两个光电传感器和 至少存在两个光学表面的光学元件。两个半导体激光器发射出的激光束进入光接收单元，激 光束一部份依次透过光学元件的两个光学表面，然后由一个光电传感器接收，并转化为电信 号；激光束另一部份由光学元件的一个光学表面反射后，由一个光电传感器接收，并转化为 电信号。 所述光接收单元内光学元件的光学表面可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多组分激光在线气体分析仪，包括光发射单元，光接收单元，光发射单元和光接收单元位于被测气体两侧，其特征在于：光发射单元内包括两个半导体激光器和至少有两个光学表面的光学元件；光接收单元内包括１个或２个光电传感器。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：潘连富，
申请(专利权)人：潘连富，
类型：实用新型
国别省市：33[中国|浙江]