激光气体分析系统的标定方法技术方案

本发明专利技术公开了一种激光气体分析系统的标定方法，该方法采用调制吸收光谱技术，并包含下述步骤：ａ．在激光器的输出频率范围内选择替代气体的光谱谱线Ⅱ；ｂ．选定激光器在标定时的工作参数；ｃ．得到替代气体的单位浓度单位光程的输出信号强度与压力、温度、吸收谱线线形函数的函数关系ｆ↓［２］（Ｐ，Ｔ，φ）；ｄ．得到系统在谱线Ⅰ处的ｆ↓［１］（Ｐ，Ｔ，φ）和在谱线Ⅱ处的ｆ↓［２］（Ｐ，Ｔ，φ）的漂移量的比例；ｅ．用替代气体进行调试，得到系统在谱线Ⅰ处的标定系数Ｋ并存储到信号分析单元。本发明专利技术适用于有毒、或性能不稳定、或有吸附性的等气体的标定。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及气体分析系统的标定方法，特别涉及基于可调谐激光吸收光谱技术的气体分析系统的标定方法。
技术介绍
可调谐激光吸收光谱(TLAS)气体分析系统(下面简称激光气体分析系统)具有系统简单、可靠性高、测量响应速度快、分析精度高等优点，在现代工业、科研和环保等领域得到了越来越广泛的应用。激光气体分析系统测量的准确性是通过使用被测气体的标气(已知浓度的被测气体)对系统进行标定来实现的。光源和电子元器件等的老化会导致分析系统参数的缓慢漂移，降低测量的准确性，因此需定期使用被测气体的标气对分析系统进行标定来保证系统测量的准确性；当系统出现故障时，维修过程中及维修后都需要用被测气体的标气对系统进行标定以确保维修后的系统仍然能够准确测量。因此，标定是激光气体分析系统生产和应用过程中非常重要且必不可少的一个环节。现有的激光气体分析系统普遍使用被测气体的标气进行标定。如果被测气体是有毒的、或易凝结的、或性能不稳定的、或带吸附性的等气体，现有的标定方法主要存在以下不足(1)不安全有些被测气体是有毒的甚至是剧毒，如氟化氢和硫化氢都有剧毒，吸入少量就会致命。(2)代价高对有毒气体的调试必须配备完善的安全防护设施如通风柜、正压室、报警器，这些设施造价高，在标定现场也难以做到。(3)不方便即使有安全防护措施，操作人员也需要佩戴防毒面具等用具，操作很不方便。(4)样品处理困难如气体样品是有剧毒的或有污染的，使用后的样品还必须依照各项法律法规和行业标准的要求进行妥善处理。(5)标定结果不可靠直接用强吸附性的气体样品作标定时，标气本身会由于其吸附性而导致其浓度被改变，从而导致标定结果不可靠。(6)标气获得难有些气体如氟化氢和水蒸气的标气较难获得，或者没有生产厂家，或者运输较难，因此较难使用常规标定方式进行标定。
技术实现思路
为了克服激光气体分析系统在标定有毒、或易凝结、或性能不稳定、或强吸附性等气体时现有标定方法存在安全性差、操作不便、代价高、样品处理难、测试结果不可靠、标气获得难等不足；本专利技术提供了一种安全、经济、方便的。本专利技术采用的技术方案是一种，该分析系统包括激光器、光电传感器、信号分析单元，该方法采用调制吸收光谱技术，并包含下述步骤a、根据气体的吸收光谱资料，在测量用光谱谱线I两侧选择光谱谱线II，光谱谱线II是替代气体的光谱谱线，光谱谱线I和光谱谱线II在激光器的输出频率调谐范围内；b、根据所用激光器的工作特性确定标定情况下激光器的工作参数；c、在标定用激光器的工作参数下，得到替代气体在谱线II处的单位浓度单位光程的输出信号强度F与压力P、温度T、吸收谱线线形函数φ的函数关系f2(P，T，φ)，并存储到信号分析单元；d、确定在谱线I处被测气体浓度测量产生漂移K1和在谱线II处替代气体浓度测量产生漂移K2的因素Y1，Y2，...Yn，n为整数，然后确定漂移K1和漂移K2之间的函数关系K1＝f(K2，Y1，Y2，...Ym)，m为整数，其中m＜n；设计标定时测量Y1，Y2，...Ym的方法；e、把激光器的工作参数调节为标定用工作参数，用分析系统测量浓度为X的替代气体标气，利用替代气体的压力P、温度T、光程L、测得的信号强度F、以及获得的线形函数φ，通过关系式K2=FXLf2(P,T,φ)]]>得到K2；测量引起分析系统漂移的因素Y1，Y2，...Ym；然后利用函数关系K1＝f(K2，Y1，Y2，...Ym)获得在谱线I处被测气体浓度测量的漂移K1，并存储到信号分析单元。作为优选，所述步骤a中测量用光谱谱线I、替代气体及其光谱谱线II的选择准则为a、被测气体的吸收谱线I满足谱线强度达到分析系统应用需要的检测灵敏度、不受测量环境中背景气体吸收谱线的干扰；b、替代气体满足无毒或毒性比被测气体小、或无吸附性、或性能稳定；c、替代气体的吸收谱线II和被测气体的吸收谱线I都在激光器的输出频率调谐范围内。作为优选，所述步骤d中，分析系统在谱线I处被测气体浓度测量产生漂移K1和在谱线II处替代气体浓度测量产生漂移K2的因素包括激光器、激光器工作电流、光电传感器、信号处理电路。作为优选，在所述的步骤d中，当确定漂移K1和漂移K2之间的函数关系为K1＝K2时，所述步骤e为把激光器的工作参数调节为标定用工作参数，用分析系统测量浓度为X的替代气体标气，利用替代气体的压力P、温度T、光程L、测得的信号强度F、以及通过测量或计算获得的线形函数φ，通过关系式K1=FXLf2(P,T,φ)]]>得到K1，并存储到信号分析单元。作为优选，所述的步骤c中把激光器的工作参数调整到标定用工作参数，用浓度为X的替代气体进行调试，测得不同压力P、不同温度T下的信号强度F，并利用光程L通过关系式f(P,T,φ)=FXL]]>得到f2(P，T，φ)。作为优选，所述的激光器是半导体激光器。在标定过程中，需要调谐激光器使输出光频率扫描过光谱谱线I或II，优选以下几种方案(1)当光谱谱线I和II距离较近，保持激光器的工作温度不变，通过调节输入到激光器扫描工作电流(如三角波电流)的偏置电流使激光器的输出频率分别扫描过光谱谱线I或II。(2)当光谱谱线I和II距离相对较远，无法只通过调节工作电流来扫描过光谱谱线I和II，可通过调节激光器的工作温度使激光器的输出频率分别扫描过光谱谱线I或II。(3)同时调节激光器的温度和输入到激光器的偏置电流使激光器的输出频率扫描过光谱谱线I或II。与现有的标定方法相比，由于使用了无毒或毒性比被测气体小的，性能稳定的，无吸附性的，易获得标气的等使用特性的替代气体，因此本专利技术的有益效果主要表现在(1)操作者不必接触毒性大的气体样品，安全有保障。(2)节约成本，操作现场不必配备造价高的安全防护设施和样品处理设施，降低了成本。(3)操作方便，操作人员不必佩戴笨重的安全防护用具，工作效率高。(4)气体样品的排放和处理简单，不必增加专门设施，对环境无污染或污染很小。(5)替代气体性能稳定，标定结果可靠性高，样品容器及配件材料普通、成本低。(6)易于获得标定用气体。附图说明图1是一种激光气体分析系统的标定装置结构示意图；图2是一种激光气体分析系统的原理图；图3是半导体激光器的输入电流的波形图；图4是光谱谱线对应的二次谐波信号；图5是是硫化氢和一氧化碳的吸收光谱谱线示意图；图6是测量硫化氢的半导体激光器输出激光波长随温度、电流变化曲线；图7是水蒸气和二氧化碳的吸收光谱谱线示意8是测量水蒸气的半导体激光器输出激光波长随温度、电流变化曲线。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术作进一步详尽的描述。实施例1图1是一种激光气体分析系统的标定装置结构示意图。光发射单元8发出的激光穿过标定气室5中的气体样品后被光接收单元3接收，接收信号通过电缆2在光发射单元8处转接，后通过电缆9送到信号分析单元1。气源7通过阀门10与标定气室5的进气口6连接，气体样品由排气口4排出。图2是一种激光气体分析系统的原理图。半导体致冷器(TEC)21、热敏电阻22和驱动电路23组成的比例—积分—微分(PID)温度控制系统，精确地控制半导体激光器24的温度为设定值。电流源25输出电流(由低频三角波电流和高频正弦波电流组本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光气体分析系统的标定方法，该分析系统采用激光吸收光谱技术，包括激光器、光电传感器、信号分析单元，其特征在于：所述方法包含下述步骤：ａ、根据气体的吸收光谱资料，在测量用光谱谱线Ⅰ两侧选择光谱谱线Ⅱ，光谱谱线Ⅱ是替代气体的光谱谱线 ，光谱谱线Ⅰ和光谱谱线Ⅱ在激光器的输出频率调谐范围内；ｂ、根据所用激光器的工作特性确定标定情况下激光器的工作参数；ｃ、在标定用激光器的工作参数下，得到替代气体在谱线Ⅱ处的单位浓度单位光程的输出信号强度Ｆ与压力Ｐ、温度Ｔ、吸收 谱线线形函数φ的函数关系ｆ↓［２］（Ｐ，Ｔ，φ），并存储到信号分析单元；ｄ、确定在谱线Ⅰ处被测气体浓度测量产生漂移Ｋ↓［１］和在谱线Ⅱ处替代气体浓度测量产生漂移Ｋ↓［２］的因素Ｙ↓［１］，Ｙ↓［２］，…Ｙ↓［ｎ］，ｎ为自然数，然后确 定漂移Ｋ↓［１］和漂移Ｋ↓［２］之间的函数关系Ｋ↓［１］＝ｆ（Ｋ↓［２］，Ｙ↓［１］，Ｙ↓［２］，…Ｙ↓［ｍ］），ｍ为自然数，其中ｍ＜ｎ；设计标定时测量Ｙ↓［１］，Ｙ↓［２］，…Ｙ↓［ｍ］的方法；ｅ、把激光器的工作参数调节为标定用工 作参数，用分析系统测量浓度为Ｘ的替代气体标气，利用替代气体的压力Ｐ、温度Ｔ、光程Ｌ、测得的信号强度Ｆ、以及获得的线形函数φ，通过关系式Ｋ↓［２］＝Ｆ／ＸＬｆ↓［２］（Ｐ，Ｔ，φ）得到Ｋ↓［２］；测量引起分析系统漂移的因素Ｙ↓［１］，Ｙ↓［２］，…Ｙ↓［ｍ］；然后利用函数关系Ｋ↓［１］＝ｆ（Ｋ↓［２］，Ｙ↓［１］，Ｙ↓［２］，…Ｙ↓［ｍ］）获得在谱线Ⅰ处被测气体浓度测量的漂移Ｋ↓［１］，并存储到信号分析单元。...

【技术特征摘要】
1.一种激光气体分析系统的标定方法，该分析系统采用激光吸收光谱技术，包括激光器、光电传感器、信号分析单元，其特征在于所述方法包含下述步骤a、根据气体的吸收光谱资料，在测量用光谱谱线I两侧选择光谱谱线II，光谱谱线II是替代气体的光谱谱线，光谱谱线I和光谱谱线II在激光器的输出频率调谐范围内；b、根据所用激光器的工作特性确定标定情况下激光器的工作参数；c、在标定用激光器的工作参数下，得到替代气体在谱线II处的单位浓度单位光程的输出信号强度F与压力P、温度T、吸收谱线线形函数φ的函数关系第f2(P，T，φ)，并存储到信号分析单元；d、确定在谱线I处被测气体浓度测量产生漂移K1和在谱线II处替代气体浓度测量产生漂移K2的因素Y1，Y2，…Yn，n为自然数，然后确定漂移K1和漂移K2之间的函数关系K1＝f(K2，Y1，Y2，…Ym)，m为自然数，其中m＜n；设计标定时测量Y1，Y2，…Ym的方法；e、把激光器的工作参数调节为标定用工作参数，用分析系统测量浓度为X的替代气体标气，利用替代气体的压力P、温度T、光程L、测得的信号强度F、以及获得的线形函数φ，通过关系式K2=FXLf2(P,T,φ)]]>得到K2；测量引起分析系统漂移的因素Y1，Y2，…Ym；然后利用函数关系K1＝f(K2，Y1，Y2，…Ym)获得在谱线I处被测气体浓度测量的漂移K1，并存储到信号分析单元。2.根据权利要求1所述的激光气体分析系统的标定方法，其特征在于所述步骤a中测量用光谱谱线I、替代气体及其光谱谱线II的选择准则为a、被测气体的吸收谱线I满足谱线强度达到分析系统应用需要的检测灵敏度、不受测量环境中背景气体吸收谱线的干扰；b、替代气体满足无毒或毒性比被测气体小、或无吸附性、或性能稳定；c、替代气体的吸收谱线II和被测气体的吸收谱线I都在激光器的输出频率调谐范围内。3.根据权利要求1所述的激光气体分析系统的标定方法，其特征在于在所述的步骤d中，当确定漂移K1和漂移K2之间的函数关系为K1＝K2时，所述步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾海涛，王健，李鹰，
申请(专利权)人：聚光科技杭州有限公司，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]