基於TDLAS痕量CO氣體濃度的檢測裝置和方法與流程
2023-12-03 13:02:47 4
本發明涉及氣體濃度檢測領域，具體涉及一種基於tdlas痕量co氣體濃度檢測的裝置和方法。
背景技術：
co氣體是一種無色、無味的有毒氣體，痕量co是大氣中濃度低於10-6的氣體。co濃度的高低是化工、煤礦是否發生災害的重要標誌之一，也是導致人員中毒死亡的重要原因。因此對co濃度進行準確檢測十分重要。
檢測氣體的方法大致分為兩種。一種是傳統氣體檢測方法，另一種是光學檢測方法。傳統的氣體檢測方法包含化學分析法與色譜法，化學分析法只能在實驗室或進行現場初步定性定量的分析，分析人員的操作水平直接影響測量的精度，且只能逐個檢測單一成分，分析費時，不能對氣體實時在線檢測；色譜法與化學分析法相比，以其分析時間短、效率高、靈敏度高等優點受到廣泛應用，但是這種方法往往要檢測流動相，可操作性和穩定性受到影響，不利於實時分析氣體。隨著氣體在線監測技術需求的不斷增加，近年來湧現出來的光譜學檢測技術得到的迅速的發展，它具有快速、準確、非接觸式的檢測特性，其中可調諧半導體雷射吸收光譜技術(tdlas)具有非常好的適用性與通用性，且檢測速度快，靈敏度高，可實現氣體的高精度非接觸式實時監測。
tdlas是檢測氣體的一種光學測量方法。該技術可實現氣體的在線測量，不需要取樣和預處理，儀器可直接安裝在現場，且測量靈敏度高，響應速度快，如今該技術己在許多領域普遍應用，例如對石油、化工行業產生的有害氣體洩漏檢測，汽車排放的尾氣實時遙測以及對發動機燃燒效率的測量，冶金廠、電廠燃燒產生的氣體汙染物監測等。此外，由於可調諧半導體雷射吸收光譜技術的測量響應十分迅速，結合調製光譜技術和長光程技術，就可以測出低於10-6級別的氣體濃度，可滿足工業現場的在線氣體痕量監測要求，然而當測量現場中的溫度壓強環境因素不穩定時，氣體的譜線寬度與幅度都會發生改變，導致測得的氣體濃度值出現偏差，測量結果可靠性低。因此必須對氣體濃度進行溫度壓強的修正。
技術實現要素：
為解決現有技術測量co氣體濃度值出現偏差，測量結果可靠性低的問題，本發明提供了一種準確檢測濃度大小，提高檢測可靠性的基於tdlas痕量co氣體濃度的檢測裝置和方法。
為了實現上述目的，本發明採用下述技術方案：
一種基於tdlas痕量co氣體濃度的檢測裝置，包括函數信號發生器、雷射器、準直器、流量計、氣泵、herriott吸收池、溫度傳感器、壓力傳感器、聚焦透鏡、光電探測器、前置放大器、數字鎖相放大器、微處理器和計算機；函數信號發生器的輸出端分別與雷射器和數字鎖相放大器的輸入端連接；雷射器通過光纖與準直器連接；準直器設置在herriott吸收池的入射埠前的入射光路上；流量計與氣泵通過輸氣管依次連接在herriott吸收池進氣口處；溫度傳感器的探頭安裝在herriott吸收池內，溫度傳感器的輸出端與微處理器連接，壓力傳感器設置在herriott吸收池的氣體出口處，壓力傳感器輸出端與微處理器連接；聚焦透鏡設置在herriott吸收池出射埠的出射光路上；光電探測器設置在聚焦透鏡的焦點處，光電探測器的輸出端與前置放大器的輸入端連接；前置放大器的輸出端與數字鎖相放大器的輸入端連接；數字鎖相放大器的輸出端與微處理器連接；微處理器與計算機通信連接，微處理器內設有修正模塊，所述修正模塊用於對檢測到的氣體濃度值進行修正；雷射器的光出孔、準直器的光入孔和光出孔、herriott吸收池的光入孔和光出孔均設置在同一直線上。
進一步地，為提高檢測的準確性，雷射器為dfb雷射器，herriott吸收池為長光程吸收池。
進一步地，為提高檢測的準確性，光電探測器採用銦鎵砷傳感器。
進一步地，函數信號發生器型號為afg3052c。
進一步地，微處理器採用stm32單片機。
進一步地，溫度傳感器為wsb-5-h2，壓力傳感器為my-ybs-c。
一種基於tdlas痕量co氣體濃度的檢測方法，包括以下步驟：
1)將入射雷射調整為參考波長的入射雷射；
2)將調整後的入射雷射準直，準直後的入射雷射被herriott吸收池內的co吸收並轉化為出射雷射；測量吸收池內的壓強和溫度值；
3)將出射雷射轉化為電信號，並對電信號進行放大；
4)對放大後的電信號進行低通濾波，微弱電信號提取以及諧波檢測，完成二次諧波的採集與提取；
5)對二次諧波進行a/d轉換，對氣體濃度進行反演，得到修正前不同溫度壓力下的氣體濃度值c(xy)，對測量的溫度與壓強信號進行a/d轉換，得到溫度值y與壓強值x；
6)微處理器對氣體濃度值進行修正，微處理器內設有修正模塊，所述修正模塊包含修正公式：
c(0)＝c(xy)/(0.615-0.0015x+0.0175y-5.438×10-6x2-0.00011xy-0.000025y2-2.9255×10-7x2y+3.3185×10-6xy2-3.292×10-6y3)
其中：
x表示吸收池內壓強值(kpa)；
y表示吸收池內溫度值(℃)；
c(xy)表示修正前不同溫度壓力下的氣體濃度值(ppm)；
c(0)表示修正後常溫常壓下的氣體濃度值(ppm)；
7)顯示修正後的氣體濃度值。
本發明的有益效果是：
1.該檢測裝置和方法主要用於痕量co氣體的實時自動監測，可以有效避免由co氣體引起的人員中毒死亡事故的發生。本發明結構簡單，成本低，穩定性高，結合長光程技術以及波長調製技術，大大提高了系統的氣體檢測精度，應用tdlas技術對痕量氣體可實現高靈敏度，高精度檢測。
2.修正公式大大提高了co濃度檢測結果的準確性；溫度壓強修正公式可以有效降低環境因素對氣體檢測的影響，大大提高系統的測量精度。
3.精確、實時、一體化、在線、非接觸氣體檢測裝置。可調諧半導體雷射吸收光譜分析(tdlas)技術是實現高靈敏氣體痕量檢測的新型雷射光譜方法，由於分子光譜的「指紋」特徵，該方法不受其它氣體的幹擾，這一特性與其它方法相比有明顯的優勢，具有非接觸、快速、高效、高選擇性、高靈敏性及實時在線監測等優點。
4.可調諧半導體雷射吸收光譜技術(tdlas)能實現氣體的高靈敏度，高解析度的非接觸式檢測。但二次諧波信號會隨環境中溫度和壓強的變化發生改變，導致測量值出現較大誤差，本發明可以實現環境中溫度與壓強對濃度造成的影響進行實時修正，從而進一步提高氣體檢測的準確性。
附圖說明
圖1為本發明tdlas痕量co氣體濃度檢測系統的示意圖；
圖2為本發明tdlas痕量co氣體濃度檢測方法的流程圖。
附圖標記：1-函數信號發生器，2-dfb雷射器，3-光纖，4-準直器，5-流量計，6-氣泵，7-herriott吸收池，8-溫度傳感器，9-壓力傳感器，10-聚焦透鏡，11-光電探測器，12-前置放大器，13-數字鎖相放大器，14-微處理器，15-計算機，16-光學鏡片。
具體實施方式
本發明提供了一種基於tdlas痕量co濃度氣體的在線檢測裝置和檢測方法，對檢測出的氣體濃度進行實時的溫度壓強修正。首先使用波長調製技術，將雷射器發射出的波長鎖定在co吸收峰附近，最後計算機顯示出待測的co氣體濃度值，為了準確檢測濃度大小，本發明增加了系統修正功能。
如圖1所示的基於tdlas痕量co氣體濃度的檢測系統，包括函數信號發生器1、dfb雷射器2、準直器4、流量計5、氣泵6、herriott吸收池7、溫度傳感器8、壓力傳感器9、聚焦透鏡10、光電探測器11、前置放大器12、數字鎖相放大器13、微處理器14和計算機15；函數信號發生器1的輸出端分別與dfb雷射器2和數字鎖相放大器13輸入端連接；dfb雷射器2和準直器4通過光纖3連接；準直器4設置在herriott吸收池7的入射埠前的入射光路上；流量計5與氣泵6通過輸氣管依次連接在herriott吸收池7進氣口處；溫度傳感器8的探頭安裝在herriott吸收池7內，溫度傳感器8的輸出端與微處理器14連接，壓力傳感器9設置在herriott吸收池7氣體出口處，壓力傳感器9輸出端與微處理器14連接；herriott吸收池7內設有光學鏡片16，雷射經池內的光學鏡片多次折射後，從出射埠射出，聚焦透鏡10設置在herriott吸收池7出射埠的出射光路上；出射雷射通過聚焦透鏡10照射在光電探測器11上，光電探測器11的輸出端與前置放大器12的輸入端連接；前置放大器12的輸出端與數字鎖相放大器13的輸入端連接；數字鎖相放大器13的輸出端與微處理器14連接；微處理器14輸出端通過數據線與計算機15輸入端連接，微處理器14設有修正模塊，修正模塊用於對檢測到的氣體濃度值進行修正，修正模塊包含將不同的溫度與壓強，以及對應不同溫度與壓強下的co氣體濃度歸一值應用matlab多項式進行三維數據擬合後經數學變換得到修正公式
c(0)＝c(xy)/(0.615-0.0015x+0.0175y-5.438×10-6x2-0.00011xy-0.000025y2-2.9255×10-7x2y+3.3185×10-6xy2-3.292×10-6y3)的修正程序，
其中：
x表示吸收池內壓強值(kpa)；
y表示吸收池內溫度值(℃)；
c(xy)表示修正前不同溫度壓力下的氣體濃度值(ppm)；
c(0)表示修正後常溫常壓下的氣體濃度值(ppm)。
為了保證dfb雷射器2的出射雷射能夠被光電探測器11接收，dfb雷射器2的光出孔、準直器4的光入孔和光出孔、herriott吸收池7的光入孔和光出孔均設置在同一直線上。
dfb雷射器2可產生750nm—3000nm之間的任意波長的雷射，具有非常高的邊模抑制比和很好的單色性,特別適合用作氣體的光譜分析。函數信號發生器1採用型號為afg3052c的函數信號發生器。溫度傳感器8採用型號為wsb-5-h2的溫度傳感器，壓力傳感器9採用型號為my-ybs-c的壓力傳感器。數字鎖相放大器13採用sr850數字鎖相放大器。微處理器14採用stm32單片機。herriott吸收池7採用gw-1020d基本長光程氣體吸收池，gw-1020d基本長光程氣體吸收池進入其內氣體對在其內多次反射的雷射充分吸收，然後將有用光信號輸出。光電探測器11採用銦鎵砷傳感器，本發明中不限於銦鎵砷傳感器，還應該包含其他可將光信號轉換為電信號的光電探測器。本發明中的其他部件不限於上述具體的型號，也可採用具有相同功能的其他常規產品替代。
函數信號發生器1通過射頻連接線與dfb雷射器2和數字鎖相放大器13連接，函數信號發生器一路發出調製信號將入射雷射調整為參考波長(即co吸收峰附近的波長)的入射雷射，另一路將正弦信號送入數字鎖相放大器13作為調節參考信號；準直器4用於把光纖3傳出的發散光最大效率的耦合進入吸收池光入口處；流量計5控制herriott吸收池7內待測氣體進氣流量的大小，氣泵6將待測氣體充入吸收池；溫度傳感器8用於採集herriott吸收池內溫度，壓力傳感器9用於採集herriott吸收池內壓強，溫度傳感器8與壓力傳感器9將採集的數據反饋給微處理器14；入射雷射被herriott吸收池7內的co吸收並轉化為出射雷射；聚焦透鏡10用於把分散的出射雷射匯聚後射入光電探測器11；光電探測器11將herriott吸收池7射出的雷射並轉化為電信號；前置放大器12用於將光電探測器11輸出的電信號進行放大；數字鎖相放大器13用於低通濾波、微弱信號提取以及諧波檢測，用以完成二次諧波的採集與處理；微處理器14用於對鎖相放大器輸出的二次諧波信號進行a/d轉換、對氣體濃度進行反演，對溫度壓強信號進行a/d轉換；並對氣體濃度進行修正，然後修正後的濃度信號傳送給計算機15，計算機15顯示氣體濃度值。
如圖2所示，基於tdlas痕量co氣體濃度的檢測方法，包括以下步驟：
1)將入射雷射調整為參考波長(即co吸收峰附近的波長)的入射雷射：
微處理器14控制雷射的電流和溫度將dfb雷射器2產生的波長鎖定為入射雷射的參考波長，即dfb雷射器2中心頻率定位在氣體吸收峰附近；由於2332nm處的co譜線強度比1568nm處的高兩個數量級，所以將dfb雷射器2產生的中心波長定位在2332nm附近，並將2332nm定義為參考波長；
2)將調整後的入射雷射經過準直器4準直，將準直後的入射雷射射入herriott吸收池7，經過多次反射後，入射雷射被herriott吸收池7內的co吸收並轉化為出射雷射，通過聚焦透鏡10照射出；利用溫度傳感器8和壓力傳感器9測量吸收池內的壓強和溫度值；
3)將出射雷射轉化為電信號，並對電信號進行放大：
光電探測器11將採集到的herriott吸收池7射出的出射雷射轉化為電信號，然後將電信號發送給前置放大器12；由於電信號很微弱，前置放大器12首先對電信號進行放大，即將電信號的功率放大至數字鎖相放大器所能接受的輸入功率範圍內；
4)利用fpga實現數字鎖相放大器13功能，用以對輸入的電信號進行低通濾波、微弱電信號提取以及諧波檢測，用以完成二次諧波採集與提取；
5)14stm32型微處理器對二次諧波進行a/d轉換，對氣體濃度進行反演，得到修正前不同溫度壓力下的氣體濃度值c(xy)，對測量的溫度與壓強信號進行a/d轉換，得到溫度值y與壓強值x；
6)對氣體濃度修正；將修正模塊的修正程序寫入微處理器的stm32單片機內，根據步驟5)得到的氣體濃度值c(xy)、溫度值y與壓強值x，實時對溫度壓力變化而引起的氣體濃度偏差進行修正，進而提高對痕量co氣體檢測的準確度：
具體為：採集同一時刻下的溫度與壓強值，以及對應溫度與壓強下的co氣體濃度值；應用matlab多項式進行溫度、壓強、歸一化co濃度三維數據擬合；通過對比分析擬合出的多組關係式，得到一個co濃度與溫度壓力之間的綜合關係式；由於不同溫度壓強下的濃度都可轉化為常溫常壓下的濃度值，對擬合的多項式經數學變換得到修正公式，不同溫度壓強下的濃度值與常溫常壓下的濃度值轉化可以由下式實現:
c(0)＝c(xy)/(0.615-0.0015x+0.0175y-5.438×10-6x2-0.00011xy-0.000025y2-2.9255×10-7x2y+3.3185×10-6xy2-3.292×10-6y3)
其中：
x表示吸收池內壓強值(kpa)；
y表示吸收池內溫度值(℃)；
c(xy)表示修正前不同溫度壓力下的氣體濃度值(ppm)；
c(0)表示修正後常溫常壓下的氣體濃度值(ppm)；
把修正公式寫入程序中，分別輸入x、y、c(xy)即可得到修正後的氣體濃度值。
7)顯示修正後的氣體濃度值，最後把濃度信號發送給計算機15，通過labview8.6上位機顯示出co濃度值。
基於上述可調諧二極體雷射吸收光譜技術(tdlas)的檢測裝置能實現待測氣體的高靈敏度、高解析度的非接觸式檢測。但二次諧波信號會隨環境中溫度和壓強的變化發生改變，導致測量值出現較大誤差，本發明可以實現環境中溫度與壓強對濃度造成的影響進行實時修正，從而進一步提高氣體檢測的準確性。該監測系統和監測方法主要用於痕量co氣體的實時自動監測，可以有效避免由co氣體而引起的人員中毒死亡事故的發生，利用溫度壓強修正公式進行監測值修正可以有效降低環境因素對氣體檢測的影響，大大提高系統的測量精度。本發明結構簡單，成本低，穩定性高，結合長光程技術以及波長調製技術，大大提高了系統的氣體檢測精度。
本發明也可用於其他氣體濃度檢測。
本發明的保護範圍不限於本發明的具體實施方式，對於本技術領域的技術人員而言，在本發明的啟示下，能夠從本專利公開內容中直接導出聯想一些原理和結構相同的基本變形，或現有技術中常用公知技術的替代，以及特徵相同的相互不同組合、相同或相似技術效果的技術特徵簡單改換，尤其是在煤自燃的應用技術和產品，都屬於本發明技術的保護範圍。