一種氣體濃度測(cè)量裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及煙氣檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種氣體濃度測(cè)量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]工業(yè)中化石燃料燃燒過程伴隨著H2O和0)2的生成，當(dāng)氧氣含量不足時(shí)，就會(huì)有另一種產(chǎn)物CO產(chǎn)生。因此，CO濃度可以作為衡量燃燒效率的指標(biāo)之一，在燃燒過程中的高溫條件下對(duì)CO的監(jiān)測(cè)有助于提高燃燒效率，同時(shí)也能很大程度上減少CO向大氣中的排放。大氣中90%的CO會(huì)被OH自由基氧化成CO2，所消耗的OH占總量的70%。過多的CO將導(dǎo)致大氣中OH自由基含量的降低，從而影響對(duì)其他痕量污染氣體的氧化，減小了大氣的自凈化能力，因此需要監(jiān)測(cè)燃燒過程中的高溫條件下CO含量，防止CO的過多排放。
[0003]傳統(tǒng)的CO測(cè)量方法主要是電化學(xué)和氣相色譜技術(shù)，這些方法都局限于常溫條件下進(jìn)行，無法實(shí)時(shí)在線測(cè)量CO在高溫條件下的濃度，其檢測(cè)手段都是通過將CO轉(zhuǎn)化為其他物質(zhì)，通過對(duì)該物質(zhì)的測(cè)量反推算出CO濃度，不具備直接測(cè)量的優(yōu)勢(shì)。
[0004]可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜法(TDLAS)以其具有實(shí)時(shí)在線、原位、直接測(cè)量的優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于氣體分析領(lǐng)域。該方法基于朗伯比爾定律，可調(diào)諧半導(dǎo)體激光被氣體組分吸收后，由探測(cè)器得到的吸收峰與組分濃度和光程成正比，通過已知光程即可推算出氣體組分濃度。
[0005]雖然波長調(diào)制技術(shù)能夠有效抑制噪音提高信噪比，但是目前很多儀器對(duì)CO的檢測(cè)限依舊維持在幾十個(gè)ppm量級(jí)，且絕大多數(shù)的儀器僅限于常溫條件下。結(jié)合長光程技術(shù)可以有效降低氣體濃度的檢測(cè)限。目前的方法多是通過直角平面鏡反射，該方法激光出射口與直角平面鏡距離較遠(yuǎn)，僅有一次往返，光程內(nèi)的待測(cè)氣體組分波動(dòng)性大，完全不適用于高溫、體積小的檢測(cè)環(huán)境。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提出一種氣體濃度測(cè)量裝置，能夠?qū)怏w濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)，且使得激光束產(chǎn)生長光程，使得該裝置能夠檢測(cè)到較低濃度限值，并且使該裝置適用于高溫體積小的檢測(cè)環(huán)境。
[0007]為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0008]一種氣體濃度測(cè)量裝置，包括用于產(chǎn)生激光束的可調(diào)諧半導(dǎo)體激光調(diào)制系統(tǒng)、用于生成各種標(biāo)準(zhǔn)氣體的標(biāo)準(zhǔn)氣體配制系統(tǒng)、用于使所述激光束產(chǎn)生長光程的長光程光路系統(tǒng)和用于對(duì)所述標(biāo)準(zhǔn)氣體或待檢測(cè)氣體在所述長光程光路系統(tǒng)中產(chǎn)生的吸收信號(hào)進(jìn)行探測(cè)并處理的信號(hào)探測(cè)處理系統(tǒng)，所述信號(hào)探測(cè)處理系統(tǒng)能夠通過軟件分析獲得待檢測(cè)氣體的濃度值。
[0009]進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述長光程光路系統(tǒng)包括多反射系統(tǒng)，用于使得所述激光束產(chǎn)生長多次反射，獲得較長的光程。
[0010]進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述長光程光路系統(tǒng)還包括高溫系統(tǒng)，所述高溫系統(tǒng)包括輸入端連接所述標(biāo)準(zhǔn)氣體配制系統(tǒng)的石英管，所述石英管置于高溫爐內(nèi)或貫穿所述高溫爐，所述石英管的輸出端連接大氣。
[0011]進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述標(biāo)準(zhǔn)氣體配制系統(tǒng)包括某種氣體源系統(tǒng)，水汽源系統(tǒng)以及氮?dú)庠聪到y(tǒng)，所述某種氣體源系統(tǒng)和氮?dú)庠聪到y(tǒng)分別與三通閥的兩輸入端連接，所述三通閥的輸出端與三通燒瓶的一個(gè)輸入端連接，所述三通燒瓶設(shè)于所述水汽源系統(tǒng)內(nèi)，所述水汽源系統(tǒng)的輸出端與所述石英管輸入端連接。
[0012]進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述信號(hào)探測(cè)處理系統(tǒng)包括探測(cè)器、鎖相放大器、采集卡以及電腦，所述長光程光路系統(tǒng)射出的激光束由所述探測(cè)器接收，所述激光束經(jīng)過光電轉(zhuǎn)化后連接到所述鎖相放大器的輸入端，所述鎖相放大器的輸出端與所述采集卡相連接。
[0013]進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述可調(diào)諧半導(dǎo)體激光調(diào)制系統(tǒng)包括DFB半導(dǎo)體激光器及其溫度電流控制模塊，所述溫度電流控制模塊的輸出端與所述DFB半導(dǎo)體激光器的輸入端相連接；所述可調(diào)諧半導(dǎo)體激光調(diào)制系統(tǒng)還包括函數(shù)發(fā)生器和加法器，所述函數(shù)發(fā)生器的輸出端和所述鎖相放大器的輸出端均與所述加法器的輸入端連接，所述加法器的輸出端與所述溫度電流控制模塊的輸入端連接。
[0014]進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述某種氣體源系統(tǒng)包括充有某種氣體的第一氣瓶，還包括沿第一氣瓶至所述三通閥方向依次設(shè)置的用于控制氣體流速的第一氣體調(diào)節(jié)針閥和用于讀取氣體流速的第一質(zhì)量流量計(jì)。
[0015]進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述氮?dú)庠聪到y(tǒng)包括充有氮?dú)獾牡诙馄浚€包括沿第二氣瓶至所述三通閥方向依次設(shè)置的用于控制氮?dú)饬魉俚牡诙怏w調(diào)節(jié)針閥和用于讀取氮?dú)饬魉俚牡诙|(zhì)量流量計(jì)。
[0016]進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述水汽源系統(tǒng)包括裝有注射器的注射泵和三通燒瓶，所述注射器中含有去離子水，所述注射器的輸出端與所述三通燒瓶的其中一個(gè)輸入端連接，所述三通燒瓶的輸出端與所述石英管輸入端連接，所述三通燒瓶的下方設(shè)置加熱爐，所述三通燒瓶的外部包覆有保溫材料，所述三通燒瓶還連接有溫度計(jì)，用于顯示所述三通燒瓶內(nèi)溫度。
[0017]本發(fā)明的有益效果:
[0018]本發(fā)明的氣體濃度測(cè)量裝置，包括長光程光路系統(tǒng)，該系統(tǒng)種包括多反射系統(tǒng)，利用多反射系統(tǒng)，激光束能夠在待檢測(cè)氣體中實(shí)現(xiàn)多次反射，較現(xiàn)有直角平面鏡反射只能往返一次的方法效果更好，能夠檢測(cè)到的氣體濃度值更低，能夠?qū)⒍喾瓷湎到y(tǒng)應(yīng)用到較小體積的檢測(cè)環(huán)境中；在現(xiàn)有氣體濃度測(cè)量方法中只能在常溫下進(jìn)行，本發(fā)明的長光程光路系統(tǒng)中還包括高溫系統(tǒng)，通過高溫爐提供高溫環(huán)境，本發(fā)明還考慮到高溫下水汽對(duì)激光束的吸收明顯增強(qiáng)，會(huì)對(duì)待檢測(cè)氣體吸收激光束的信號(hào)產(chǎn)生干擾，需要消除水汽的干擾信號(hào)，因此本裝置還包括水汽源系統(tǒng)，通過與其他系統(tǒng)結(jié)合能夠建立高溫條件下水汽吸收峰的水汽背景庫。
【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1提供的氣體濃度測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)原理圖；
[0020]圖2是本發(fā)明實(shí)施例1提供的多反射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]其中，1、DFB半導(dǎo)體激光器；2、溫度電流控制模塊；3、函數(shù)發(fā)生器；4、加法器；5、鎖相放大器；6、第一平凹面鏡；7、第二平凹面鏡；8、第三平凹面鏡；9、第一棱鏡；10、第二棱鏡；11、第三棱鏡；12探測(cè)器；13、石英管；14、高溫爐；15、第一雙凸透鏡；16、第二雙凸透鏡；17、三通閥；18、第一氣瓶；19、第一氣體調(diào)節(jié)針閥；20、第一質(zhì)量流量計(jì)；21、第二氣瓶；22、第二氣體調(diào)節(jié)針閥；23、第二質(zhì)量流量計(jì)；24、注射器；25、注射泵；26、三通燒瓶；27、加熱爐；28、溫度計(jì)；29、保溫帶；30、采集卡；31、電腦。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖并通過【具體實(shí)施方式】來進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0023]本發(fā)明中提到的“某種氣體”指的是待檢測(cè)氣體的名稱，例如當(dāng)利用本發(fā)明的裝置檢測(cè)CO的濃度時(shí)，此處的“某種氣體”指的是CO，“某種氣體源系統(tǒng)”即可稱為“CO源系統(tǒng)”;本發(fā)明中提到的“長光程”指的是大于5m的光程；本發(fā)明中提到的“高溫”所指的范圍是 300-1000°C。
[0024]實(shí)施例1
[0025]本實(shí)施例中將待檢測(cè)氣體以CO為例。
[0026]一種氣體濃度測(cè)量裝置，包括用于產(chǎn)生激光束的可調(diào)諧半導(dǎo)體激光調(diào)制系統(tǒng)、用于生成各種標(biāo)準(zhǔn)氣體的標(biāo)準(zhǔn)氣體配制系統(tǒng)、用于使激光束產(chǎn)生長光程的長光程光路系統(tǒng)和用于對(duì)標(biāo)準(zhǔn)氣體或待檢測(cè)氣體在長光程光路系統(tǒng)中產(chǎn)生的吸收信號(hào)進(jìn)行探測(cè)并處理的信號(hào)探測(cè)處理系統(tǒng)，信號(hào)探測(cè)處理系統(tǒng)能夠通過軟件分析獲得待檢測(cè)氣體的濃度值。
[0027]可調(diào)諧半導(dǎo)體激光調(diào)制系統(tǒng)包括DFB半導(dǎo)體激光器I及其溫度電流控制模塊2，溫度電流控制模塊2的輸出端與DFB半導(dǎo)體激光器I的輸入端相連接；可調(diào)諧半導(dǎo)體激光調(diào)制系統(tǒng)還包括函數(shù)發(fā)生器3和加法器4，函數(shù)發(fā)生器3的輸出端和信號(hào)探測(cè)處理系統(tǒng)種的鎖相放大器5的輸出端均與加法器4的輸入端連接，加法器4的輸出端與溫度電流控制模塊2的輸入端連接，加法器4的輸出電壓對(duì)溫度電流控制模塊2進(jìn)行控制，進(jìn)而對(duì)DFB半導(dǎo)體激光器I的溫度和電流進(jìn)行調(diào)制。其中，函數(shù)發(fā)生器3輸出頻率為9.9Hz的鋸齒波，鎖相放大器5輸出頻率為22.375KHz的正弦波；DFB半導(dǎo)體激光器I為中心波長為1563nm的近紅外DFB半導(dǎo)體激光器，co能對(duì)該波長的激光吸收強(qiáng)度較大，其余氣體吸收激光的強(qiáng)度較小，當(dāng)檢測(cè)其他氣體的濃度時(shí)，可以根據(jù)氣體的變化更改上述的中心波長的大小。
[0028]長光程光路系統(tǒng)包括多反射系統(tǒng)，能使得激光束進(jìn)行多次反射，使激光束的光程增加；如圖2所示，該多反射系統(tǒng)包括三塊曲率半徑相同的平凹面鏡，分別為第一平凹面鏡
6、的第二平凹面鏡7和第三平凹面鏡8，三塊平面凹鏡上均包括平面、凹面和側(cè)邊緣，其中第一平凹面鏡6的平面直徑等于第二平凹面鏡7和第三平凹面鏡8的直徑之和，第二平凹面鏡7和第三平凹面鏡8的平面直徑相等，第二平凹面鏡7和第三平凹面鏡8側(cè)邊緣接觸排列并位于同一豎直面內(nèi)，且第二平凹面鏡7和第三平凹面鏡8的凹面均與所述第一平凹面鏡6的凹面相對(duì)，第二平凹面鏡7和第三平凹面鏡8曲率中心連線的中點(diǎn)與第一平凹面鏡6的曲率中心之間的連線垂直于三塊平凹面鏡上的平面，過第二平凹面鏡7或第三平凹面鏡8曲率中心且垂直于三塊平凹面鏡上的平面的直線與第一平凹面鏡6的凹面相交。
[0029]第一平凹面鏡6被切除一部分，該處邊緣形成的側(cè)平面與第一平凹面鏡6的平面垂直，靠近該邊緣平面設(shè)置有體積依次增大的三塊直角棱鏡，分別為第一棱鏡9、第二棱鏡10和第三棱鏡11，排列方式如圖2所示，直角棱鏡可以對(duì)激光束進(jìn)行全反射，以增加激光束在第一平凹面鏡6與第二平凹面鏡7、第三平凹面鏡8之間的反射次數(shù)。
[0030]激光束從第一棱鏡9和第一平凹面鏡6之間射入，經(jīng)過多次反射后從第一棱鏡9和第一平凹面鏡6之間處射出，并由信號(hào)探測(cè)處理系統(tǒng)的探測(cè)器12接收，在第一平凹面鏡6與第二平凹面鏡7、第三平凹面鏡8之間經(jīng)過了 56次反射，光程增加，可以降低氣體濃度的檢測(cè)限。
[0031]優(yōu)選地，第一平凹面鏡6、第二平凹面鏡7和第三平凹面鏡8上的凹面上鍍有反射率>99.9%的高反膜。
[0032]優(yōu)選地，第一平凹面鏡6、第二平凹面鏡7、第三平凹面鏡8和第一棱鏡9、第二棱鏡10、第三棱鏡11的材質(zhì)均為石英，石英能夠耐高溫，而且可以形