[发明专利]一种采用单光声池测量多组分气体的激光光声光谱检测装置

说明书

一种采用单光声池测量多组分气体的光声光谱检测装置，该装置包括截止阀(1)、颗粒物过滤装置(2)、气体干燥装置(3)、电磁开关阀一(4)、压力传感器(5)、电磁开关阀二(6)、音速喷嘴(7)、真空泵(8)、量子级联激光器阵列模块(9)、分光镜模块(10)、待测参比气室(11)、差分共振光声池(12)、声电转换模块(13)、恒温箱(14)、光功率检测器(15)、消光池(16)、锁相放大电路(17)和工控机(18)；所述量子级联激光器阵列模块(9)将多束激光耦合到一束光路中。该装置实现了单光声池同时测量多种故障气体组份。具有抗干扰能力强，设备长期稳定性好，精度高，后期免维护的优点，可实现测量痕量气体至100％浓度气体。

技术领域

本发明属于光声光谱气体检测技术领域，特别是涉及一种电力、核能、石油化工行业中特征气体组份的在线监测或离线检测装置。

背景技术

电力/核能行业中电力变压器、GIS等设备内部会分解产生各种能够反应故障性质和绝缘老化性能的气体；准确检测故障与老化特征气体，是实现重要变电设备运行状态诊断的关键；乙醇等基础化工料和精细化工产品的原料主要是天然气，准确实时监测原料及生产过程中气体组分和含量，是保证上述化工产品质量的核心。实时准确检测CO、CO₂、CH₄(甲烷)、C₂H₄(乙烯)、C₂H₆(乙烷)、C₂H₂(乙炔)、 H₂、SO₂F₂(二氟化硫酰)、CF₄(四氟化碳)、SO₂、H₂S和COS(羟基硫)等气体对确保电力、核能、石油化工等行业设备运行安全或产品质量具有重要意义。传统的检测方法有色谱法、电化学传感器法、纳米传感器法、吸收光谱法等。其中色谱法需定时更换色谱柱，增加了检测成本和人力损耗，无法实现设备的长期在线监测；电化学传感器法检测的气体种类和灵敏度都有限；纳米传感器法重复性差一直没有得到有效的解决。光谱法检测气体是近年来热门的新型检测方法，其中吸收光谱法易受光散射、折射的影响，需要长光程的吸收池，且成本较高；傅里叶红外光谱法结构复杂，定量分析准确度有待提高；拉曼光谱法检测灵敏度较低，无法检测痕量气体。光声光谱检测是一种无背景测量方法，不受光散射的影响，在气体检测领域具有广阔的应用市场。其核心部件主要由光源、光声转换池、声电转换器、背景噪声扣除等模块构成。但传统的光声光谱法易受周围环境震动、噪声、温度变化干扰，且共振光声池的共振频率会因光声池内部气体组份的变化产生漂移。长期测量时，待测气体中的杂质和腐蚀性气体会污染腐蚀微音器，影响其声学特性。

差分型光声池可以有效减弱周围环境震动、噪声、温度变化带来的干扰，且待测气体不与声电转换器接触，可以有效避免对声电转换器的腐蚀。共振光声池可在光声池中形成对光声信号的驻波放大，进一步提高系统的检测灵敏度，圆柱形共振光声池按驻波分布方式的不同可以分为纵向、角向、径向三种共振模式，其中工作在纵向共振模式的共振光声池池常数最高，对光声信号的驻波放大效应最明显。但传统的差分型光声池多是采用单光声池配合单激光器的模式，差分型光声池仅充入一种待检测组分的标准气体，仅能满足单一气体的检测，当检测气体种类较多的时候系统结构会变得非常复杂。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种在线监测或离线检测电力、核能、石油化工行业中特征气体组份的装置，可对电力、核能、石油化工行业特征气体组份含量进行实时在线监测或离线检测，具有同时监测多种组份、不消耗载气、无污染、抗干扰能力强、装置精简、检测灵敏度高、免维护等特点。本发明是采用量子级联激光器阵列的模式，将多束激光耦合到一束光路当中，并通过在光声池中按照气体吸收的比例预充特定浓度多组分气体的方式实现了单差分共振型光声池测量多组分气体的功能。