[发明专利]一种分布式红外激光多参数气体在线检测系统

说明书

技术领域

本发明涉及红外激光光谱技术领域，特别是一种分布式红外激光多参数气体在线检测系统。

背景技术

金属冶炼实质上是原材料、燃料和成品的流转过程，在流转中伴随着大量气体产生，而在线检测分析这些过程气体，乃是冶金工业生产工艺优化控制、安全和环保监控必不可少的关键技术之一，这对降低能源消耗、保证生产安全等起着十分重要的作用。

在传统的气体浓度测量方法中，直接吸收测量技术的原理是通过被测气体对激光器发出的固定波长激光束的吸收度或者是用于表征气体对激光吸收强弱的光谱吸收率信号，反演气体的浓度等未知信息。该方法具有易于判断谱线间干扰以及各种外界噪声干扰，可以形象、直观得到浓度信号结果。然而，气相色谱法虽然具有高灵敏度与可靠性，但在取样过程中可能引入误差，从而影响测量精度。若要使测量效果达到最佳状态，需进行多次实验，求取平均值，后续处理工作量大，分析时间较长，难于实现在线实时检测。

基于气体分子对特定波长光的吸收作用，且吸收光强与气体浓度成正比关系，分布式红外气体激光在线检测技术是目前国内外较为先进的气体检测方法。它具有检测灵敏度高、响应速度快、选择性好、检测范围大、稳定性好等优点，适用于工业控制领域。但常用的单气体测量设备只能检测单一气体，多参数气体在线测量则是发展趋势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分布式红外激光多参数气体在线检测系统，其能够解决单一参数测量中检测周期长、效率低下的问题。

本发明的技术方案如下：

一种分布式红外激光多参数气体在线检测系统，其包括光源驱动模块、接收光纤、吸收气室、发送光纤、光电转换及信号处理模块；其还包括多个激光光源和一光源转换模块，这些激光光源之间具有不同的中心波长，所述光源转换模块实现不同激光光源间的切换使得同一时刻只有一个激光光源发出的光波经一组耦合透镜准直后聚焦到所述接收光纤内；接收光纤与所述吸收气室的一端连接，吸收气室的另一端与所述发送光纤连接，发送光纤传输出的光波经又一组耦合透镜准直后输出到所述光电转换及信号处理模块，从而检测出被测气体的二次谐波分量，计算出被测气体的浓度。

本发明采用不同中心波长的多个光源实现对多种气体浓度的在线检测，由于源转换模块的切换选择作用，本发明对外围的耦合透镜和光纤只需要一组，对外围的吸收气室和光电转换及信号处理模块只需要一个即可，分时复用，既实现了多参数的在线检测，也简化了系统结构、降低了系统成本。

进一步的，所述光源转换模块采用法兰盘固定所述多个激光光源，所述法兰盘在电机驱动下通过转动相应角度实现不同激光光源间的切换，所述吸收气室固定于被测现场。

多个激光光源采用这种安装方式，使用方便，且能够承受较大的压力，通过光纤把吸收气室的两端与光源输出端和信号采集端相连接，通过法兰盘的转换完成对不同光源的切换，从而实现多参数气体在线检测。

进一步的，所述激光光源采用可调谐二极管激光器，所述光源驱动模块包括信号发生电路、调制电路和温控电路，所述信号发生电路产生驱动激光光源发光的三角波电流，所述调制电路通过调制该三角波电流的直流分量使得激光光源发出的光波的中心波长正好对准被测气体的吸收峰，调制电路通过调制该三角波电流的交流分量使得激光光源发出的光的频率扫描的范围正好覆盖被测气体的某一个吸收峰；所述温控电路对激光光源进行恒温控制。

根据被测气体的吸收峰对应的波长，选择分布反馈式半导体激光器作为光源，其具有良好的线性可调谐关系，激光谱线线宽远小于吸收线宽，能够有效避免干扰造成的影响。调制电路对三角波电流的幅值和直流分量精确调制，使被测气体测量谱线处有较强的吸收峰，被测气体的吸收谱线强度比其他气体更为突出，与其他气体强度可明显区分，且其他气体产生的交叉干扰达到很小甚至没有，从而提高测量精度。

进一步的，所述激光光源包括发出中心波长为1567nm、1601nm和1665nm的三个可调谐二极管激光器。

本系统使用三种不同中心波长的半导体激光器作为光源，分别是用来检测冶金工业中产生一氧化碳、二氧化碳和甲烷气体。

进一步的，所述光电转换及信号处理模块包括光电探测器、前置放大电路、谐波检测电路和数据采集电路以及DSP处理器。

利用光电效应原理将输入的光信号转变为输出的电信号，从吸收气室出来的光包含了气体信息，经过光电探测器转换成电信号，再经过前置放大等处理，然后通过DSP数据处理，检测出二次谐波分量，进行运算或处理，完成信号分析与显示。