[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

摘要

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。

主权项

1.一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(1)、光学模块(2)和气路模块(3)，所述电路模块(1)分为控制电路(1.1)、信号处理电路(1.2)和数据处理单元(1.3)，所述控制电路(1.1)包括调制波形发生器(1.1.1)、激光驱动电路(1.1.2)和数字温控模块(1.1.3)，所述调制波形发生器(1.1.1)与激光驱动电路(1.1.2)相连；所述信号处理电路(1.2)包括第一处理电路(1.2.1)和第二处理电路(1.2.2)，所述第一处理电路(1.2.1)包括依次连接的第一前置放大电路(1.2.1.1)、第一滤波电路(1.2.1.2)、第一锁相放大器(1.2.1.3)；所述第二处理电路(1.2.2)分别包括依次连接的第二前置放大电路(1.2.2.1)、第二滤波电路(1.2.2.2)、第二锁相放大器(1.2.2.3)；所述第一滤波电路(1.2.1.2)、第一锁相放大器(1.2.1.3)、第二滤波电路(1.2.2.2)、第二锁相放大器(1.2.2.3)都连接至数据处理单元(1.3)；所述调制波形发生器(1.1.1)分别连接至第一锁相放大器(1.2.1.3)、第二锁相放大器(1.2.2.3)；所述光学模块(2)包括激光器(2.1)、第一准直汇聚透镜(2.2)、分束器(2.3)、第一光电二极管探测器(2.5)、第二光电二极管探测器(2.6)、第二准直汇聚透镜(2.7)和第三准直汇聚透镜(2.8)，所述激光器(2.1)、第一准直汇聚透镜(2.2)、分束器(2.3)依次配合安装；所述第一光电二极管探测器(2.5)和第二准直汇聚透镜(2.7)配合安装；所述第二光电二极管探测器(2.6)和第三准直汇聚透镜(2.8)配合安装；所述气路模块(3)包括并列设置的标准气室(3.1)和样气气室(3.2)，所述标准气室(3.1)和样气气室(3.2)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(3.3)，激光入射接口接入的激光经过反射镜(3.3)后从激光出射接口射出；所述激光驱动电路(1.1.2)和数字温控模块(1.1.3)都连接至激光器(2.1)；所述分束器(2.3)将激光分成两束分别通过光纤连接至标准气室(3.1)和样气气室(3.2)的激光入射接口；所述光纤连接至标准气室(3.1)和样气气室(3.2)的激光出射接口通过光纤分别连接至第二准直汇聚透镜(2.7)和第三准直汇聚透镜(2.8)；所述第一光电二极管探测器(2.5)连接至第一前置放大电路(1.2.1.1)，所述第二光电二极管探测器(2.6)连接至第二前置放大电路(1.2.2.1)。气体浓度计算方法，包括以下步骤：S1：标准气室(3.1)封装已知浓度的标准气体，样气气室(3.2)通入待测气体；S2：调节调制波形发生器(1.1.1)，被调谐后的激光器(2.1)发射的激光光强为I₀(v)，被第一准直汇聚透镜(2.2)准直汇聚后经过分束器(2.3)分为激光光强为I₁(v)和I₂(v)两路，其中激光光强为I₁(v)的激光通过标准气室(3.1)的激光入射接口进入光程为L₁的标准气室(3.1)，与气室中封装的浓度为C₁的标准气体作用并被反射镜反射，从标准气室(3.1)的激光出射接口射出，形成的光谱信号被光纤和第二准直汇聚透镜(2.7)引入第一光电二极管探测器(2.5)接收；激光光强为I₂(v)的激光通过样气气室(3.2)的激光入射接口进入光程为L₂的样气气室(3.2)，与气室中浓度为C₂的待测气体作用并被反射镜反射，从样气气室(3.2)的激光出射接口射出，形成的光谱信号被光纤和第三准直汇聚透镜(2.8)引入第二光电二极管探测器(2.6)接收；S3：上述第一光电二极管探测器(2.5)的光信号分别经过第一前置放大电路(1.2.1.1)、第一滤波电路(1.2.1.2)、第一锁相放大器(1.2.1.3)得到二次谐波，作为参考信号；上述第二光电二极管探测器(2.6)的光信号分别经过第二前置放大电路(1.2.2.1)、第二滤波电路(1.2.2.2)、第二锁相放大器(1.2.2.3)得到二次谐波，作为待测信号；S4：通过数据处理单元(1.3)比较得到的二次谐波的参考信号和待测信号，计算得出待测气体的浓度；上述步骤S4中的计算方法为：S4.1：计算激光驱动电路(1.1.2)为激光器(2.1)提供的实际电流i(t)：i(t)＝i_c+i_m cosωt           (I)公式(I)中，i_c表示激光驱动电路的中心电流，i_m表示调制波形发生器的电流调制幅值，ω表示调制频率，t表示时间；计算激光器(2.1)发出激光的实际频率v(t)：v(t)＝v_c+v_m cosωt             (m)公式(II)中，v_c表示激光器出射光中心频率，v_m表示频率调制幅值；S4.2：建立无量纲化的二次谐波波形，数学计算可以得到：提取到的二次谐波的波形A₀(v)可以写为：其中，I₀(v)表示频率为v的入射光强；C表示被测组分的浓度，L表示光束在气体内走过的光程，α(v)表示频率v处气体的吸收截面，与温度T和压力P有关，无量纲化后的二次谐波幅值，即峰高与待测组分浓度成正比；S4.3：根据公式(III)可得参考信号的二次谐波波形为：待测信号的二次谐波波形为：结合公式(IV)和(V)可以得到：S4.4：实际应用中只需要提取二次谐波的幅值A和探测器探测到的中心光强I，即为：其中I₁为进入到标准气室的激光强度，I₂为进入到样气气室的激光强度，A₁为得到的二次谐波的参考信号值，A₂为得到的二次谐波的待测信号值，上述公式(VII)即待测气体的浓度计算公式。