[发明专利]燃气流量和甲烷含量激光测量仪及测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及气体激光测量仪，尤其涉及一种燃气流量和甲烷含量激光测量仪及测量方法。

背景技术

天然气是一种清洁的燃料和优质的化工原料，也是我国的主要能源之一。天然气的主要成分是甲烷，甲烷的含量决定了天然气的气质，检测管道天然气含量是非常有必要的。目前常用的甲烷检测方法主要有化学法、气相色谱法和光谱吸收法。化学法结构简单、反应快，但是对气体选择性差和稳定性都很差；气相色谱法应用范围广、灵敏度高，但是反应速度慢、实时性差；光谱吸收法稳定、精度高响应快。

我国天然气贸易计量是在法定要求的质量指标下以体积或能量的方法进行交接计量，目前基本上以体积计量为主。随着天然气工业的快速发展，其工作压力不断提高，流量范围也逐渐增大，对流量计量仪表的要求也越来越高。传统的天然气流量计有孔板流量计、涡街流量计、超声波流量计等。孔板流量计虽然已经得到国际标准组织的认可，但是其测量范围窄、压力损失大且对直管段长度有要求，由于众多因素的影响错综复杂，精确度难以提高。涡街流量计测量范围宽、压力损失小、准确度高，但是抗振及耐温性能差、对测量脏污介质的适应性能差且对直管道要求高。超声波流量计是一种非接触式激光测量仪，它不会改变流体的流动状态、无压力损失、便于安装，但是抗干扰能力差、可靠性及精度等级低、使用寿命短等。传统测量方法已经很难满足现代工业天然气管道测量发展的需求。

目前，能同时实现燃气浓度和速度测量的仪表几乎没有。随着光学集成系统和信号处理系统的发展，激光多普勒测速技术得到了快速发展，展现出明显优于传统方法的优势。利用可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)进行流速测量是其中的典型代表，将TDLAS技术和多普勒频移相结合可以在测量燃气含量的同时实现对气体流速的测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于可调谐半导体激光吸收光谱技术和多普勒频移原理的天然气气体流速和甲烷含量激光测量仪。

本发明所采用的技术方案是：

提供一种燃气流量和甲烷含量激光测量仪，包括激光器、半透半反射透镜、全反射镜、第一光电探测器和第二光电探测器，激光器和两个光电探测器之间的区域为待测气流，激光器发出的光经半透半反射透镜后被分成两束，其中一束光与待测气流方向垂直，另一束光与待测气流方向成某一夹角；

该激光测量仪还包括采样电路和数据处理系统，采样电路与两个光电探测器连接，两个光电探测器接收经过待测气流区域的两束光，并将接收到的光信号转换成电信号，再输入采样电路，采样后的数据经数据处理系统处理并计算出燃气流量和甲烷含量。

接上述技术方案，该激光测量仪还包括均与激光器连接的调制信号发生器、温控模块和电流控制模块，调制信号发生器产生特定的调制信号对激光器进行波长调制，温控模块和电流控制模块对激光器的发射波长进行控制。

接上述技术方案，所述激光器为超窄线宽半导体激光器。

接上述技术方案，所述夹角为30-60°。

本发明还提供一种同时测量燃气流量和甲烷含量的测量方法，包括以下步骤：

激光器发出的光经半透半反射透镜后被分成两束，其中一束光与待测气流方向垂直的光既作为标定频移的参考信号又作为标定气体浓度的标准信号，另一束光与待测气流方向成某一夹角的光作为多普勒测流速的信号光；

两束光经过待测气流区域后分别被两个光电探测器接收，两个光电探测器将接收到的光信号转换成电信号后，输入采样电路，再经数据处理系统处理；

数据处理系统计算两路信号之间的频率偏移来反演气体流速，并利用不同浓度气体的吸收强度不同反演实际气体的含量。

接上述技术方案，通过调制信号发生器产生特定的调制信号对激光器进行波长调制，温控模块和电流控制模块对激光器的发射波长进行控制。

接上述技术方案，调制信号发生器产生高频调制信号和低频锯齿信号，低频锯齿信号对激光发射波长进行调谐，以固定频率扫描气体分子的单根吸收谱线从而获得气体吸收谱线；高频正弦信号作为载波对低频锯齿波电流进行调制，采用波长调制技术，产生的激光信号经过气体介质吸收后，利用锁相放大器解调制，得到其二次谐波信号。

本发明产生的有益效果是：本发明利用激光多普勒效应结合可调谐半导体激光吸收光谱技术，以待测气体吸收光谱为基础，同时实现了燃气气体流速和甲烷浓度的测量。相比于全光纤结构测量系统，自由空间光系统成本低、结构更加简单、引入的光器件更少，只需两个透镜便能实现分光效果。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：