[发明专利]一种并联双气室痕量气体分析系统及气体浓度计算方法

说明书

本发明提出了一种并联双气室痕量气体分析系统，其特征在于，包含电路模块、光学模块和气路模块，激光驱动电路和数字温控模块都连接至激光器；分束器将激光分成两束分别通过光纤连接至标准气室和样气气室的激光入射接口；光纤连接至标准气室和样气气室的激光出射接口通过光纤分别连接至第二准直汇聚透镜和第三准直汇聚透镜；第一光电二极管探测器连接至第一前置放大电路，第二光电二极管探测器连接至第二前置放大电路。本发明消除了TDLAS技术中激光器波长漂移和温度压力变化等不稳定因素对气体分析结果的影响，提高系统对激光器性能的容错率和对环境的适应力。

技术领域

本发明涉及一种并联双气室痕量气体分析系统及气体浓度计算方法。

背景技术

可调谐半导体激光吸收光谱法(TDLAS，Tunable Diode Laser AbsorptionSpectroscopy)是一种广泛应用于痕量气体浓度检测的技术，被广泛应用于石油化工、环境检测、生物医药、航空航天等领域，具有选择性好、精度高、实时非接触等优点。TDLAS技术基于分子吸收光谱原理，由于不同气体分子的振动形式导致分子会吸收特定波长的激光，比尔朗博(Beer-Lambert)定律，即当一束特定波长的激光经过一定长度含有目标气体的吸收池后，其出射光强的衰减强度与气体的浓度成比例关系。在实际应用中，激光器的驱动电流增加高频正弦调制电流以减小低频噪声的干扰、提高测量精度，通过数学计算可以证明，在一定环境条件下，光谱信号的二次谐波信号的信号高度与待测气体的浓度和吸收池光程成正比。

现有的TDLAS系统往往只有一个分析气室，待测气体在该气室中受到激光照射形成对应的光谱信号，但由于气体本身的性质受到温度和压力的影响，相同浓度的气体在不同温度下的吸收光谱展宽和高度都不同，因此普遍需要对气室进行恒温伴热处理，加上吸收谱线定位和温度修正等算法减少不稳定因素的影响，而且系统使用的可调谐半导体(DFB)激光器，对激光器谱线宽度、边模抑制比和稳定性都有较高要求，这种激光器价格较为昂贵。综上，恒温系统、精密元器件和修正算法的应用会大大提高设备的成本、增加设备体积，更重要的是各种修正参数的确定需要大量标定数据积累，从长期来看不能完全保证测量浓度的准确性。

发明内容

本发明提出一种并联双气室痕量气体分析系统及计算方法方法，消除了TDLAS技术中激光器波长漂移和温度压力变化等不稳定因素对气体分析结果的影响，提高系统对激光器性能的容错率和对环境的适应力。

本发明具体是通过以下技术方案来实现的：

一种并联双气室痕量气体分析系统，包含电路模块、光学模块和气路模块，

所述电路模块分为控制电路、信号处理电路和数据处理单元，所述控制电路包括调制波形发生器、激光驱动电路和数字温控模块，所述调制波形发生器与激光驱动电路相连；所述信号处理电路包括第一处理电路和第二处理电路，所述第一处理电路包括依次连接的第一前置放大电路、第一滤波电路、第一锁相放大器；所述第二处理电路分别包括依次连接的第二前置放大电路、第二滤波电路、第二锁相放大器；所述第一滤波电路、第一锁相放大器、第二滤波电路、第二锁相放大器都连接至数据处理单元；所述调制波形发生器分别连接至第一锁相放大器、第二锁相放大器；

所述光学模块包括激光器、第一准直汇聚透镜、分束器、第一光电二极管探测器、第二光电二极管探测器、第二准直汇聚透镜和第三准直汇聚透镜，所述激光器、第一准直汇聚透镜、分束器依次配合安装；所述第一光电二极管探测器和第二准直汇聚透镜配合安装；所述第二光电二极管探测器和第三准直汇聚透镜配合安装；

所述气路模块包括并列设置的标准气室和样气气室，所述标准气室和样气气室的一端分别设有激光入射接口和激光出射接口，另一端设有反射镜，激光入射接口接入的激光经过反射镜后从激光出射接口射出；