[发明专利]针对工业气体多组分分析的拉曼光谱系统

说明书

所属技术领域

本发明涉及气体光谱分析仪器领域，特别涉及一种针对工业气体多组分分析的拉曼光谱系统。

背景技术

随着中国经济的快速发展，工业气体作为国民经济基础工业要素之一，在国民经济中的重要地位和作用日益凸显。在本发明中，工业气体主要包括除惰性气体外的全部有机及无机气体，涉及石油化工、油气勘探、气体能源、钢铁、水泥、食品、造纸、环境监测、节能减排等领域的过程气体产物或最终气体产物，其精确快速检测将直接决定着相关行业的运行效率及经济效益，并为后期的优化控制提供依据。然而，由于多组分气体分析的复杂性，其检测技术多年来停滞不前，特别是集中体现在油气勘探、气体能源等领域，涉及有机和无机气体的同时检测，难以采用同一种技术对其进行时空统一的检测，往往需要采用组合式的气体检测技术，致使相关产业的分析效率低下，并严重影响了相关产业的进一步发展。

传统的多组分气体分析方法有：气相色谱法、红外光谱分析法、紫外差分光度法、热导分析法以及以各种电化学式气体传感器为代表的电化学分析法，这些方法大都难以同时实现对有机及无机气体的同时检测。其中气相色谱法需要利用色谱柱对气体进行分离富集，费时、费力、费用高，且仪器所需耗材众多、维护复杂，导致其检测效率偏差，难以满足工业气体实时检测的需求。红外光谱分析法和紫外差分光度法无法检测非极性气体成分，而热导分析法为非特异性物理检测技术，其传感器应用范围较窄，使用时限制因素较多，无法满足工业气体特别是复杂气体的多组分同时检测。电化学式气体传感器虽然体积小、价格低，但其对气体的识别度不高，使用中经常受到环境气体干扰而出现误报、漏报的情况，且传感器易中毒、使用寿命低，因此无法满足工业气体检测的精度要求。而本发明中所使用的拉曼光谱检测技术，则有效解决了上述方法所存在的问题。

早期的拉曼光谱检测仪器采用的是滤光片结构，该结构获得的光谱信息仅是拉曼光谱图中的某些孤立的光谱片段，如公开号为CN104198461A的专利中提出的检测方法，该方法仅能同时分析4-16种固定气体成分，在工业应用中有一定的局限性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种可以对多组分工业气体进行全光谱分析的光谱分析系统。本发明通过使用气体拉曼光谱检测技术，实现工业气体的高通量多组分同时检测；通过对气体池进行增压以提高分子密度，通过减小激光光束直径以增大景深，从而用简单的方式实现较高的检测灵敏度；同时，为了提高系统的稳定性，系统内部设有完整的温度、压力控制系统，使其性能满足各领域中工业气体检测的实际需求。本发明的技术方案如下：

一种针对工业气体多组分分析的拉曼光谱系统，包括：气体腔(9)和光路部分，在气体腔(9)的一侧开设有窗片(10)；所述的光路部分包括依次排布在同一个光路上的透镜(3)、二向色镜(2)、滤光器(4)、会聚透镜(5)和光谱仪(6)，所述的透镜(3)正对窗片(10)，其中，

激光器(1)，用于产生激发光束；

二向色镜(2)，用于反射激光发束，允许拉曼散射光束通过；

透镜(3)，用于对激发光束进行聚焦，其焦点位于气体腔(9)内，透镜(3)的孔径角范围在30°-80°；激发光束直径激发光束直径在0.5mm-5mm，小于透镜(3)的直径，焦点前后景深范围内的拉曼散射光能耦合进透镜(3)；

滤光器(4)，用于滤除激发光束；

会聚透镜(5)，用于将拉曼散射光会聚到光谱仪(6)；

光谱仪(6)，用于分析经过会聚之后的拉曼散射光；

气体腔(9)内部长度不短于4cm；

在气体腔(9)的进气管道(14)和出气管道(15)上分别设置有控制压力的装置，用于对气体腔(9)进行恒压控制，使得腔内压力稳定增压在一定压力下，所述的一定压力的取值范围在大于1个大气压并小于100个大气压之间。

作为优选实施方式，所述的控制压力的装置为减压阀(12，13)。腔内压力稳定在10个大气压的压力。激发光束直径为1mm，透镜(3)的孔径角范围在50°。所述的系统还包括恒温控制装置(8)，用于保持光路部分的温度稳定，以保证光学部件的稳定工作。所述的系统还包括气路加温装置(16)，用于对气体管路加温，以使待测工业气体的全部组分均处于气体状态下。气体腔进气孔(11)与窗片(10)有一定角度，以20度到70度为宜，以保证待测气体流入气体腔(9)时能够吹扫窗片(10)，同时有效减小气体腔(9)中的死体积。