专利名称：一种原位式激光气体分析仪的在线标定方法
技术领域：
本发明涉及在线气体监测领域，尤其涉及一种原位式激光气体分析仪的在线标定装置和标定方法。
背景技术：
可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)是目前最先进的气体测量技术之一，近些年得到了迅猛的发展，已经开始应用在航空航天、石油、化工、天然气、冶金、环保等众多领域，被认为是具有革命性变革的全新测量方法。基于TDLAS技术的激光气体分析仪主要分为两类原位式激光气体分析仪和采样式激光气体分析仪。原位式激光气体分析仪直接安装在测量管道上，它的优点是测量响应时间短，不需要待测气体采样及预处理的时间，也不需要额外的预处理系统。采样式激光气 体分析仪是将测量管道中的待测气体引出经预处理后，通入激光气体分析仪，它的优点是可以根据测量需要增加光程从而提高测量精度，可以将待测气体中的粉尘等杂物通过预处理系统去除，从而降低其对测量精度的干扰，可以方便地通入标准气体对分析仪进行校准、标定及验证。通过对现有技术的研究，发明人发现，与采样式激光气体分析仪相比，原位式激光气体分析仪的校准、标定及验证方法比较复杂。现有技术无法实现原位式激光气体分析仪的在线标定，标定时需要将原位式激光气体分析仪从测量管道上拆下来，然后安装在特定的气室上进行标定，标定完成后，再将分析仪安装回管道上。这一过程太过繁琐，大大增加了原位式激光气体分析仪的运行及维护成本。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种原位式激光气体分析仪的在线标定装置和标定方法，以在标定原位式激光气体分析仪时，不需要将其从测量管道上拆下，可以实现在线标定，从而大大降低原位式激光气体分析仪的运行及维护成本。为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案—种原位式激光气体分析仪的在线标定装置，包括激光发射单兀、激光分光�？椤⑿藕盘讲獾ピ�、标定信号探测单元、信号切换�？�、激光器控制�？�、信号处理�？�、数据分析�？�、标定气室和测量管道；所述激光器控制模块连接到所述激光发射单元，用于驱动所述激光器发射特定波长的激光；所述激光分光模块用于将激光发射单元发射的激光分成两路，一路激光通过所述测量管道用于管道中待测气体的测量，另一路激光通过所述标定气室用于分析仪的在线标定;所述信号探测单元，用于获取激光通过所述测量管道中被测气体的透射信号，并将所述透射信号发送到所述信号处理�？椋�
所述信号处理�？椋糜诮鐾干湫藕抛晃馄逦展馄祝凰鍪莘治瞿？椋糜诜治鏊龃馄逦展馄祝玫酱馄宓男畔ⅰＫ霾饬抗艿溃糜诹鞴馄�。所述标定探测单元用于获取激光通过所述标定气室中标准气体的透射信号，并将所述透射信号发送给所述信号处理模块；所述信号切换�？橛糜谑迪炙鲂藕盘讲獾ピ胨霰甓ㄐ藕盘讲獾ピ杂谒鲂藕糯砟？榈姆质惫灿茫凰鲈谙弑甓ㄆ遥糜谕ㄈ胩囟ㄅǘ鹊谋曜计濉Ｓ叛〉模鲂藕糯砟？榘� 信号放大单元，用于放大所述信号探测单元及所述标定信号探测单元获取到的透射信号；信号解调单元，用于解调放大后的透射信号，得到待测气体吸收光谱。优选的，所述装置还包括锁相放大电路，用于从待测气体吸收光谱中获取倍频信号曲线；所述数据分析�？橥ü治鏊霰镀敌藕诺姆逯档玫酱馄宓男畔ⅰＳ叛〉模鲎爸没拱ㄏ允灸？椋拥剿鍪莘治瞿？椋糜谙允炯嗖獾降拇馄宓男畔ⅰＳ叛〉模黾す馄魑氲继宸植挤蠢∈郊す馄骰虬氲继宕怪鼻幻娣⑸浼す馄�。优选的，所述激光控制�？榘ㄎ露瓤刂频ピ拥剿黾す夥⑸涞ピ糜诳刂扑黾す馄鞯墓ぷ魑露龋坏缌骺刂频ピ拥剿黾す夥⑸涞ピ糜诘髦仆ü黾す馄鞯牡缌鳌Ｓ叛〉模鲂藕徘谢荒？槲テ刂频哪Ｄ饪鼗蚣痰缙鞯绕骷糜谒鲂藕盘讲獾ピ八霰甓ㄐ藕盘讲獾ピ涑鲂藕诺那谢�。相应于上述气体计量监测装置，本发明还提供了一种原位式激光气体分析仪的在 线标定方法，包括当所述原位式激光气体分析仪进行正常测量时，所述信号切换模块将所述信号探测单元的输出连接到所述信号处理�？椋兴霰徊夤艿乐械拇馄宀饬俊５彼鲈皇郊す馄宸治鲆墙性谙弑甓ㄊ保紫仍谒霰甓ㄆ抑型ㄈ胍阎ǘ鹊谋曜计澹鲂藕徘谢荒？榻霰甓ㄐ藕盘讲獾ピ氖涑隽拥剿鲂藕糯砟？椋运霰甓ㄆ抑械奶囟ㄅǘ鹊谋曜计褰蟹治黾安饬浚萁峁栽皇郊す馄宸治鲆堑亩潦行拚瓿稍皇郊す馄宸治鲆堑脑谙弑甓�。优选的，所述分析所述气体吸收光谱得到待测气体的信息之前，还包括实时获取样品室的压力和温度值；根据所获取到的压力和温度值修正所述气体吸收光谱；有益效果应用本发明实施例所提供的原位式激光气体分析仪的在线标定装置和标定方法中，采用激光器的分光及信号探测单元的切换，由于这一方式可以保证校准光路采用与测量光路中相同的激光器、相同的信号放大电路、相同的信号处理单元及相同的数据分析单元，因此可以准确地对原位式激光气体分析仪中的各种可能的漂移进行修正与校准，完成原位式激光气体分析仪的在线标定。因此本发明提供的原位式激光气体分析仪的在线标定装置和标定方法无需将原位式激光气体分析仪拆下进行标定，大大简化了原位式激光气体分析仪的标定流程，降低了原位式激光气体分析仪的运行及维护成本。
为了更清楚地说明 本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图I为本发明实施例中提供的标定装置的结构示意具体实施例方式现有技术中所通常采用的是将原位式激光气体分析仪从测量管道上拆下，然后连接标定气室进行离线标定的方法，待离线标定完成后，再将激光气体分析仪重新安装在测量管道上，从而造成原位式激光气体分析仪的标定过程繁琐，提高了运行及维护成本。为解决本发明实施例提供了原位式激光气体分析仪的在线标定装置，其特征在于，包括激光发射单元、激光分光�？�、信号探测单元、标定信号探测单元、信号切换模块、激光器控制模块、信号处理�？�、数据分析模块、标定气室和测量管道；所述激光器控制模块连接到所述激光发射单元，用于驱动所述激光器发射特定波长的激光；所述激光分光�？橛糜诮す夥⑸涞ピ⑸涞募す夥殖闪铰罚宦芳す馔ü霾饬抗艿烙糜谡２饬浚硪宦芳す馔ü霰甓ㄆ矣糜诜治鲆堑脑谙弑甓ǎ凰鲂藕盘讲獾ピ糜诨袢〖す馔ü霾饬抗艿乐斜徊馄宓耐干湫藕牛⒔鐾干湫藕欧⑺偷剿鲂藕糯砟？椋凰鲂藕糯砟？椋糜诮鐾干湫藕抛晃馄逦展馄祝凰鍪莘治瞿？椋糜诜治鏊龃馄逦展馄祝玫酱馄宓男畔�。所述测量管道为待测气体流经的管路。所述标定探测单元用于获取激光通过所述标定气室中标准气体的透射信号，并将所述透射信号发送给所述信号处理模块；所述信号切换�？橛糜谑迪炙鲂藕盘讲獾ピ胨霰甓ㄐ藕盘讲獾ピ杂谒鲂藕糯砟？榈姆质惫灿茫凰霰甓ㄆ矣糜谒鲈皇郊す馄宸治鲆堑脑谙弑甓ā；谏鲜鲈皇郊す馄宸治鲆堑脑谙弑甓ㄗ爸茫痉⒚魇凳├固峁┝艘恢衷皇郊す馄宸治鲆堑脑谙弑甓ǚ椒ǎㄕ２饬渴保鲂藕徘谢荒？榻鲂藕盘讲獾ピ胨鲂藕糯砟？榱樱性皇椒治鲆堑恼２饬�。当需要进行标定时，首先在所述标定气室中通入已知浓度的标准气体，所述信号切换�？榻霰甓ㄐ藕盘讲獾ピ胨鲂藕糯砟？榱樱鲂藕糯砟？榧锹纪ㄈ氡曜计迨笨逃伤鲂藕盘讲獾ピ八鲂藕糯砟？榈玫降钠逦展馄祝饬恐涤氡昶ǘ戎到卸员龋佣迪衷皇郊す馄宸治鲆堑脑谙弑甓�。本发明具体实施例提供的标定装置和方法可以实现原位式激光气体分析仪的在线标定，标定时不必对原位式激光气体分析仪进行拆卸，大大简化了原位式激光气体分析仪的标定流程。以上是本申请的核心思想，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例图I为本发明实施例提供的原位式激光气体分析仪在线标定装置的一种结构示意图，该装置包括
激光发射单元101、激光分光�？�102、激光器控制�？�103、信号处理探测单元104、标定气室105，标定信号探测单元106，信号切换�？�107，信号处理�？�108，数据分析�？�109，显示单元110和测量管道111。所述激光器控制�？�103连接到所述激光发射单元101，用于驱动所述激光发射单元101发射特定波长的激光。所述激光发射单元101可以为可调谐二极管激光器，具体的可以为半导体分布反馈式激光器或半导体垂直腔面发射激光器。所述激光分光�？�102将所述激光发射单兀101的发射光分为两束或多束,其中一路光穿过所述测量管道111对管道中的待测气体进行测量，另一路激光通过所述标定气室105进行分析仪的在线标定。所述激光器控制�？�103，可以通过改变激光器的操作温度和通过电流，来驱动激光器调制发射特定波长、频率和波形的激光，其中通常所采用的波形可以为锯齿波、三角波和正弦波。所述激光器控制�？榫咛蹇梢园ㄎ露瓤刂频ピ�103a，连接到所述激光发射单元，用于控制所述激光器的工作温度；电流控制单元103b，连接到所述激光发射单元，用于调制通过所述激光器的电流，激光器输入电流的调制，不仅可以改变激光器的输出功率，同时调制激光器的输出波长扫描待测气体的吸收光谱谱线。通过激光器控制�？�103控制激光器101在特定的波长范围内连续调谐，使待测气体在该特定波长范围内具有吸收谱线。所述信号探测单元104，用于获取通过所述测量管道111待测气体的透射信号，并将所述透射信号发送到所述信号切换�？�107。所述信号探测单元104可以将所述透射信号由光信号转换为电信号。所述标定信号探测单元106，用于获取通过所述标定气室105特定浓度标准气体的透射信号，并将所述透射信号发送到所述信号切换模块107。所述标定信号探测单元106可以将所述透射信号由光信号转换为电信号。所述信号切换�？�107用于所述信号探测单元104和所述标定信号探测单元106的信号切换，在正常测量时，所述信号切换�？�107将所述信号探测单元104的信号连接到所述信号处理�？�108 ;在进行在线标定时，所述信号切换�？�107将所述标定信号探测单元106的信号连接到所述信号处理�？�108。所述信号处理�？�108，用于将所述透射信号转换为待测气体吸收光谱。为了提高计量监测结果的精准度，在将透射信号转换为待测气体吸收光谱之前，还可以放大所述透射信号，因此，所述信号处理�？榫咛蹇梢园ㄐ藕欧糯蟮ピ�108a，用于放大所述信号探测器获取到的透射信号；信号解调单元108b，用于解调放大后的透射信号，得到待测气体吸收光谱。
所述数据分析�？�109，用于分析所述待测气体吸收光谱，得到待测气体的信息。所述测量管道111中通入待测气体。所述在线标定气室105，安装在激光器分光与标定信号探测器之间的光路中，用于通入氮气以及特定浓度的标准气体，用于原位式激光气体分析仪的在线标定。所述在线标定气室105包括但不局限于特定独立的气室,也包括激光器分光与标定信号探测器之间任意特定长度的空间。传统的原位式激光气体分析仪的结构与图I所示结构相似，但缺少本发明中实施例中所述激光分光�？�102、所述标定气室105、所述标定信号探测单元106及所述信号切换�？�107。传统的原位式激光气体分析仪在进行标定时，需要将分析仪的发射端及接收端从测量管道拆下来，然后连接标定气室进行相应的标定和校准。此外，如图I所示，本实施例提供的原位式激光气体分析仪在线标定装置还可以包括显示�？�110，连接到所述数据分析�？�109，用于显示监测到的待测气体的信息。本发明实施例提供的原位式激光气体分析仪在线标定方法如下当原位式激光气体分析仪进行正常测量时，所述信号切换模块107将所述信号探测单元104的信号连接到所述信号处理�？�108，随后进入所述数据分析�？�109对所述测量管道111中的待测气体进行测量。对原位式激光气体分析仪进行标定时，按照如下步骤进行所述标定气室105中连续通入特定浓度的标准气体，所述激光分光�？�102的一路激光穿越所述标定气室105，透射信号由所述标定信号探测单元106探测，所述信号切换�？�107将所述标定信号探测单元106的输出连接到所述信号处理�？�108，记录标定气室中标准气体吸收光谱，根据得到的标准气体吸收谱线，以及相应的压力和温度测量结果，原位式分析仪就可以进行相应的浓度校准。当采用直接吸收光谱技术和波长调制吸收光谱技术时，具体校准的理论公式如下当采用直接吸收光谱技术时，所述数据分析�？榭苫谌缦路绞蕉栽皇郊す馄宸治鲆墙行拚诶什�-比耳定律(Beer-Lambert’ s law)的原理，朗伯_比耳定律描述了当单色光穿过均匀气体介质时透射光强和入射光强的关系。朗伯-比耳定律参见公式I :
权利要求
1.一种原位式激光气体分析仪的在线标定装置和标定方法，其特征在于，包括激光发射单元、激光分光�？�、信号探测单元、标定信号探测单元、信号切换�？�、激光器控制�？�、信号处理�？�、数据分析模块、标定气室和測量管道； 所述激光器控制模块连接到所述激光发射单元，用于驱动所述激光器向所述测量管道中的待测气体发射特定波长的激光； 所述激光分光�？橛糜诮す夥⑸涞ピ⑸涞募す夥殖闪铰罚宦芳す馔ü鰷y量管道用于正常測量，另一路激光通过所述标定气室用于分析仪的在线标定； 所述信号探测单元，用于获取通过被测气体的透射信号，并将所述透射信号发送到所述信号处理�？椋� 所述信号处理�？椋糜诮鐾干湫藕抛晃馄逦展馄祝� 所述数据分析�？椋糜诜治鏊龃馄逦展馄祝玫酱馄宓男畔ⅲ� 所述测量管道，用于流过待测气体； 所述标定探测单元用于获取激光通过所述标定气室中标准气体的透射信号，并将所述透射信号发送给所述信号处理�？椋� 所述信号切换�？橛糜谑迪炙鲂藕盘讲獾ピ胨霰甓ㄐ藕盘綔y单元对于所述信号处理�？榈姆质惫灿茫� 所述标定气室用于所述原位式激光气体分析仪的在线标定； 所述标定方法，用于所述原位式激光气体分析仪的在线标定的信号计算及处理。
2.根据权利要求I所述的装置，其特征在于，所述信号处理�？榘� 信号放大单元，用于放大所述信号探测器获取到的透射信号； 信号解调单元，用于解调放大后的透射信号，得到待测气体吸收光谱。
3.根据权利要求I所述的装置，其特征在于，还包括 所述数据分析�？橥ü治鏊龃馄逦展馄椎玫酱馄宓男畔�。
4.根据权利要求I所述的装置，其特征在于，所述激光控制�？榘� 温度控制单元，连接到所述激光发射单元，用于控制所述激光器的工作温度； 电流控制単元，连接到所述激光发射单元，用于调制通过所述激光器的电流。
5.根据权利要求I所述的装置，其特征在于，还包括 所述激光分光模块将激光发射单兀的输出分成两路或多路； 所述激光分光�？榘ǖ痪窒抻诠庀朔止馄�、分光片等分光方式。
6.根据权利要求I所述的装置，其特征在于 所述信号切换�？榘ǖ痪窒抻谀Ｄ饪�、继电器等器件，可由单片机与程序控制。
7.根据权利要求I所述的标定方法，其特征在于，包括 正常測量吋，所述信号切换�？榻鲂藕盘讲獾ピ胨鲂藕糯砟？榱樱性皇椒治鲆堑恼y量； 当需要进行标定时，首先在所述标定气室中通入已知浓度的标准气体，所述信号切換�？榻霰甓ㄐ藕盘讲獾ピ胨鲂藕糯砟？榱樱鲂藕糯砟？榧锹纪ㄈ氡曜计迨笨逃伤鲂藕盘讲獾ピ八鲂藕糯砟？榈玫降钠逦展馄祝饬恐涤氡昶ǘ戎到卸员龋佣迪衷皇郊す馄宸治鲆堑脑谙弑甓�。
全文摘要
本发明公开了一种原位式激光气体分析仪的在线标定方法，装置包括激光发射单元、激光分光�？�、信号探测单元、标定信号探测单元、信号切换�？�、激光器控制�？�、信号处理�？�、数据分析�？�、标定气室和测量管道；所述标定方法如下正常测量时，所述信号切换�？榻鲂藕盘讲獾ピ胨鲂藕糯砟？榱樱性皇椒治鲆堑恼２饬�。当需要进行标定时，首先在所述标定气室中通入已知浓度的标准气体，所述信号切换�？榻霰甓ㄐ藕盘讲獾ピ胨鲂藕糯砟？榱樱鲂藕糯砟？榧锹加伤霰甓ㄐ藕盘讲獾ピ玫降钠逦展馄祝饬恐涤氡昶ǘ戎到卸员龋佣迪衷皇郊す馄宸治鲆堑脑谙弑甓�。
文档编号G01N21/39GK102735644SQ20121023326
公开日2012年10月17日 申请日期2012年7月6日 优先权日2012年7月6日
发明者周欣, 韩敏艳 申请人:北京大方科技有限责任公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
