[发明专利]一种用于拉曼散射光纤传感的气体浓度在线测量系统及其方法

说明书

本发明公开了一种用于拉曼散射光纤传感的气体浓度在线测量系统及其方法，用于监测混合气体中各部分的浓度，包括光路Ⅰ和气路Ⅱ，光路Ⅰ位于室内，气路Ⅱ位于室外，以保证实验的安全性；光路包括电源、激光光源、气体样品池、拉曼光谱分析仪、计算机；气路包括待测气体钢瓶、氮气钢瓶、真空泵；该方法采用上述测量系统测试多组由多种不同浓度气体组成的标准气体的拉曼光谱图，并通过曲线拟合获得标定方程，然后结合标定方程和未知气体的拉曼散射峰面积，获得未知气体中各成分的浓度。本发明提高了气体浓度测量的自动化程度，克服了传统安装在现场的监测系统装置容易导致安全隐患的问题。

技术领域

本发明涉及易燃易爆气体监测技术领域，更具体地说，涉及一种用于拉曼散射光纤传感的气体浓度在线测量系统及其方法。

背景技术

对未知气体浓度进行定量分析在石化等工业生产中具有至关重要的作用。目前，测量气体纯度的方法主要有三种：电化学型、电学型和光学型。但如果要监测像氢气这类易燃易爆气体，使用电类传感器危险很大，因此在工业生产中应用比较广泛主要是光学传感器。其中，气相色谱分析是一种分离测定多组分混合物的气体光学检测方法，该方法需要特定的气体或液体作为流动载体，携带样品进入色谱柱进行分析，增加了系统的复杂性，提高了运行成本，只能采用间断分析方式。而红外光谱技术检测灵敏度高，且不会污染和消耗样气，但对于每种气体都需要一个特定波长的激光来实现气体的有效监测，因此往往适用于单组分气体的分析，而对于混合气体的分析其系统构成非常复杂，也不适用于石化等工业现场多组分气体的分析。

目前，应用于石化等工业生产中，行业乙烯、氢气等易燃易爆气体的拉曼在线监测的测量系统在国内还比较少见，不仅要考虑测量精度和测量效率问题，同时还要克服安装在现场的系统装置容易导致安全隐患及样品池密封困难的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于拉曼散射光纤传感的气体浓度在线测量系统及其方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：设计一种用于拉曼散射光纤传感的气体浓度在线测量系统，包括光路和气路；所述光路包括电源、激光光源、气体样品池、拉曼光谱分析仪、计算机，所述电源与激光光源电连接，所述激光光源通过激光光纤与气体样品池连接，所述气体样品池通过探测光纤与拉曼光谱分析仪连接，所述拉曼光谱分析仪与计算机连接；所述气路包括待测气体钢瓶、氮气钢瓶、真空泵、三个三通阀以及两个截止阀，所述第一三通阀、第二三通阀、第三三通阀依次通过导气管串联，所述待测气体钢瓶、氮气钢瓶的输出端分别通过进气管与第一三通阀连通；所述真空泵经第一截止阀与第二三通阀连通，构成支路Ⅰ；所述排气管经第二截止阀与第三三通阀连通，构成支路Ⅱ；所述第三三通阀通过导气管与气体样品池连通。

优选地，所述真空泵为旋片式真空泵，其抽气速率为4L/s，极限真空为0.06Pa，安装在支路Ⅰ上。

优选地，所述排空管用于排气，安装在支路Ⅱ上。

优选地，所述激光光源的输出光波长为532nm，功率输出稳定在0-500mW。

优选地，所述拉曼光谱分析仪为色散型拉曼光谱仪。

优选地，所述激发光纤和收集光纤用于连接分别位于室内和室外的光路和气路，其长度均为50m。

本发明还提供一种用于拉曼散射光纤传感的气体浓度在线测量方法，使用上述用于拉曼散射光纤传感的气体浓度在线测量系统，该方法包括以下步骤：

Step1，配置多组由多种不同浓度气体组成的标准气体，并采用待测气体钢瓶进行封装；

Step2，检查光路和气路的气密性，打开第一截止阀，真空泵抽出装置气路内的空气，待测气体钢瓶接入气路，将待测气体钢瓶内的待测气体充入气体样品池，气体样品池的气压保持在1.1MPa；

Step3，启动光路，获取待测气体的拉曼光谱图；