[实用新型]一种在位式吸收光谱气体分析系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及光谱分析，特别涉及一种在位式吸收光谱气体分析系统。

背景技术

在位式气体分析系统与传统采样方式气体分析系统不同，它不需要采样和预处理过程，克服了传统采样方式气体分析系统的很多缺陷，具有系统简单，可靠性高，测量响应速度快，分析精度高，可以测量气体的浓度和速度等优点，在现代工业，科研，环保等领域获得了越来越广泛的应用。在位式气体分析系统可以采用多种吸收光谱技术来实现，如非分光红外光谱(NDIR)技术，差分光学吸收光谱(DOAS)技术，可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术。

如图1所示，一种半导体激光吸收光谱气体分析系统，包括光发射单元1、光接收单元2和信号分析单元3，所述光发射单元1和光接收单元2安装在被测气体4的两侧。所述光发射单元包括半导体激光器11、会聚透镜12和玻璃窗片13；所述光接收单元2包括会聚透镜20、光接收器件21和玻璃窗片22。当所述分析系统需要防爆时，所述玻璃窗片13、22使用钢化玻璃，而且为了满足隔爆面大小的需要，钢化玻璃13、22的直径较大；同时很多在位测量应用也需要大孔径的光束来降低被测气体中颗粒物散射对测量光产生的不均匀衰减，所以会聚透镜12和会聚透镜20的直径较大。

所述分析系统的工作过程如下：所述半导体激光器11发光，经过光发射单元1中的会聚透镜12会聚成平行光，之后经过玻璃窗片13穿过被测气体4，穿过被测气体4的光在穿过光接收单元2中的玻璃窗片22后再经过会聚透镜20会聚，之后被所述光接收器件21接收，而接收信号送信号分析单元3分析，从而得到被测气体4的浓度等。

在很多应用场合，分析系统需要安装在易燃易爆环境中，如含有一氧化碳或氢气等危险气体的工作区内。在这些场合就需要对分析系统做好防爆设计，并取得防爆认证。防爆设计有多种方式，如正压防爆、隔爆、本安防爆等。由于隔爆具有可靠性高、应用方便等优越性，获得非常广泛的应用。

激光由半导体激光器11发射出后，在经过会聚透镜12、玻璃窗片13、玻璃窗片22、会聚透镜20等各个光学元器件的表面时，尽管绝大多数激光能量折射通过光学器件，但是一小部分激光能量会被上述光学器件的表面往复反射或散射后再被光接收器件接收，因此，到达光接收器件的各次反射、散射激光束之间会存在相位差，产生多光束干涉(etalon)现象。这种多光束干涉现象会对测量光束的透过率产生影响，从而改变光接收器件接收到的光信号。由于吸收光谱分析技术是通过分析光接收器件接收到的光信号来分析气体浓度，上述多光束干涉现象会对气体浓度分析产生干扰，这种干扰通常被称为etalon噪音。在激光波长扫描过吸收谱线的过程中，多光束之间相位差随激光波长不断变化；也就是说，在激光波长扫描过吸收谱线的过程中光束的透过率是变化的，因此，etalon噪音随光频率的变化而变化，图2给出了一种etalon噪音与光频率的关系。另外，受各种环境因素(温度变化、机械振动等)的影响，各光学元器件表面之间的距离经常发生微小的变化；由于激光波长较短，微小的变化就会引起多光束之间相位差的明显改变，从而显著改变上述多光束干涉产生的透过率变化，也就是说etalon噪音随光频率的分布会受各种环境因素的影响而发生变化，进而给准确气体参数分析带来困难。图3给出了在没有etalon噪音情况下分析系统测得的气体单线吸收光谱，在有etalon噪音情况下测得的气体单线吸收光谱的信噪比会显著下降，如图4所示。对于固定波长测量方法，波长的微小漂移或环境因素的变化也均会导致光学系统表观透过率的变化，从而影响测量精度。

上述分析系统存在一些不足：1)结构相对复杂，采用会聚透镜来会聚发散光，而同时还需要钢化玻璃来实现隔爆；由于采用多个光学元器件，增加了反射表面数目，增大了etalon光学噪音，降低了测量精度和测量灵敏度；2)在测量一些介质浓度时，如测量微量水份和氧气的浓度时，由于半导体激光器、会聚透镜、隔爆玻片之间，光接收器件，会聚透镜和隔爆玻片之间都存在不少空间，如果这些空间中气体存在被测气体组分，就会对测量产生影响，当前的方法是或者采用氮气吹扫，或者采用氮气灌封的方法来避免这些空间中存在这些被测气体；但吹扫增加了系统的复杂度，另外灌封方法在发生泄漏时会产生较大的测量不准确性，尤其当被测介质浓度较低时，例如ppm量级，因此，光发射单元1、光接收单元2均需要严格密封，防泄漏要求高，这进一步增加了系统设计和制造的复杂性。

在上述分析系统的使用过程中，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，影响测量的准确性，因此需要对在位式气体分析系统进行周期性的标定。