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，包括激光发射单元、信号探测单元、激光器控制模块、信号处理模块、数据分析模块、测量管道和在线标定气室；所述激光器控制模块连接到所述激光发射单元，用于驱动所述激光发射单元向所述测量管道中的待测气体发射特定波长的激光；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模块；所述信号处理模块，用于将所述透射信号转换为待测气体吸收光谱；所述数据分析模块，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，用于流过待测气体。所述在线标定气室，用于通入特定浓度的标准气体。
优选的，所述信号处理模块包括信号放大单元，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。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；所述数据分析模块通过分析所述倍频信号的峰值得到待测气体的信息。优选的，所述装置还包括 显示模块，连接到所述数据分析模块，用于显示监测到的待测气体的信息。优选的，所述激光器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。优选的，所述激光控制模块包括温度控制单元，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；电流控制单元，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。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，包括正常测量时，所述在线标定气室中通入氮气，不影响正常测量；优选的，选择测量管道中气体浓度稳定时进行在线标定；首先在所述在线标定气室中通入氮气，所述信号处理模块记录该时刻由所述信号探测单元及所述信号处理模块得到的气体吸收光谱；然后在所述在线标定气室中通入特定浓度的标准气体，所述信号处理模块记录通入标准气体时刻由所述信号探测单元及所述信号处理模块得到的气体吸收光谱；所述信号处理模块将通入标准气体时刻的气体吸收光谱减去通入氮气时刻的气体吸收光谱，就得到标准气体的吸收光谱，分析所述标准气体吸收光谱得到标准气体的浓度，对分析仪进行相应修正，从而实现原位式激光气体分析仪的在线标定；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；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，采用在线标定气室，可以通过依次通入氮气及标准气体的方式对原位式激光气体分析仪进行校准和标定。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图；图2为本发明实施例中提供的标定方法采用波长调制光谱技术示意图3为本发明实施例中提供的标定方法采用直接吸收光谱技术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、信号探测单元、激光器控制模块、信号处理模块、数据分析模块、测量管道和在线标定气室；所述激光器控制模块连接到所述激光发射单元，用于驱动所述激光发射单元发射特定波长的激光；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模块；所述信号处理模块，用于将所述透射信号转换为待测气体吸收光谱；所述数据分析模块，用于分析所述待测气体吸收光谱，得到待测气体的信息。所述测量管道为待测气体流经的管路。所述在线标定气 室安装在所述激光发射单元及所述信号探测单元之间的光路中，用于所述原位式激光气体分析仪的在线标定。基于上述原位式激光气体分析仪的在线标定装置，本发明实施例还提供了一种原位式激光气体分析仪的在线标定方法，包括正常测量时，所述在线标定气室中通入氮气，不影响正常测量。选择测量管道中气体浓度稳定时进行在线标定，首先在所述在线标定气室中通入氮气，所述信号处理模块记录该时刻由所述信号探测单元及所述信号处理模块得到的气体吸收光谱。然后在所述在线标定气室中通入特定浓度的标准气体，所述信号处理模块记录通入标准气体时刻由所述信号探测单元及所述信号处理模块得到的气体吸收光谱。所述信号处理模块将通入标准气体时刻的气体吸收光谱减去通入氮气时刻的气体吸收光谱，就得到标准气体的吸收光谱，从而实现原位式激光气体分析仪的在线标定。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、信号探测单元102、激光器控制模块103、信号处理模块104、数据分析模块105，测量管道106，在线标定气室107和显示单元108。所述激光器控制模块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向所述测量管道106中的待测气体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。
所述激光器控制模块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。所述激光器控制模块具体可以包括温度控制单元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。通过激光器控制模块103控制激光发射单元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102，用于获取通过所述测量管道106待测气体的透射信号， 并将所述透射信号发送到所述信号处理模块104。所述信号探测单元102可以将所述透射信号由光信号转换为电信号。所述信号处理模块104，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，所述信号处理模块具体可以包括信号放大单元104a，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104b，用于解调放大后的透射信号，得到待测气体吸收光谱。所述数据分析模块105，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106中通入待测气体。所述在线标定气室107，安装在激光器与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107既可以安装在激光发射单元一侧也可以安装在信号探测单元一侧。所述在线标定气室107包括但不局限于特定独立的气室，也包括激光器与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在线标定气室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模块108，连接到所述数据分析模块105，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，所述在线标定气室107连续通入氮气，由于氮气对红外波长没有吸收谱线，因此不会影响原位式激光气体分析仪的正常工作与测量。对原位式激光气体分析仪进行标定时，按照如下步骤进行选择所述测量管道106管道中的气体处于稳定的时刻，即在一段时间内，所述测量管道106中的待测气体浓度基本保持不变，压力和温度保持基本稳定。所述在线标定气室107中连续通入氮气，所述信号处理模块104记录该时刻的气体吸收光谱，当采用波长调制光谱技术时，该气体吸收谱线如图2中上图所示；当采用直接吸收光谱技术时，该气体吸收谱线如图3中上图所示。此时记录的气体吸收谱线为所述测量管道106中待测气体或背景气体中的吸收谱线。然后在所述在线标定气室107中连续通入特定浓度的标准气体，所述信号处理模块104记录这一时刻的气体吸收光谱，当采用波长调制光谱技术时，该气体吸收谱线如图2中图所示；当采用直接吸收光谱技术时，该气体吸收谱线如图3中图所示。此时记录的气体吸收谱线为所述测量管道106中待测气体或背景气体和所述在线标定气室107中标准气体的吸收谱线之和。由于标定时所述测量管道106中的气体处于稳定状态，当采用波长调制光谱技术时，将图2中图的气体吸收谱线减去图2上图的气体吸收谱线，就得到所述在线标定气室107中的标准气体吸收谱线，如图2下图所示；当采用直接吸收光谱技术时，将图3中图的气体吸收谱线减去图3上图的气体吸收谱线，就得到所述在线标定气室107中的标准气体吸收谱线，如图3下图所示。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，所述数据分析模块可基于如下方式对原位式激光气体分析仪进行修正基于朗伯-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、信号探测单元、激光器控制模块、信号处理模块、数据分析模块、测量管道和在线标定气室； 所述激光器控制模块连接到所述激光发射单元，用于驱动所述激光发射单元向所述测量管道中的待测气体发射特定波长的激光； 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模块； 所述信号处理模块，用于将所述透射信号转换为待测气体吸收光谱； 所述数据分析模块，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，用于流过待测气体； 所述在线标定气室，用于通入特定浓度的标准气体； 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，所述信号处理模块包括 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 所述数据分析模块通过分析所述待测气体吸收光谱得到待测气体的信息。
4.根据权利要求I所述的装置，其特征在于，所述激光控制模块包括 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； 电流控制单元，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 所述在线标定气室安装在所述激光发射单元及所述信号探测单元之间的光路中； 所述在线标定气室可以安装在所述测量管道的任意一侧。.
6.根据权利要求I所述的装置，其特征在于 所述在线标定气室包括但不局限于特定独立的气室，也包括激光器与探测器之间任意特定长度的空间。
7.根据权利要求I所述的标定方法，其特征在于，包括 正常测量时，所述在线标定气室中通入氮气，不影响正常测量； 选择测量管道中气体浓度稳定时进行在线标定； 首先在所述在线标定气室中通入氮气，所述信号处理模块记录该时刻由所述信号探测单元及所述信号处理模块得到的气体吸收光谱； 然后在所述在线标定气室中通入特定浓度的标准气体，所述信号处理模块记录通入标准气体时刻由所述信号探测单元及所述信号处理模块得到的气体吸收光谱； 所述信号处理模块将通入标准气体时刻的气体吸收光谱减去通入氮气时刻的气体吸收光谱，就得到标准气体的吸收光谱，分析所述标准气体吸收光谱得到标准气体的浓度，对分析仪进行相应修正，从而实现原位式激光气体分析仪的在线标定。
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、信号探测单元、激光器控制模块、信号处理模块、数据分析模块、测量管道和在线标定气室；所述标定方法如下选择测量管道中气体浓度稳定时进行在线标定，首先在所述在线标定气室中通入氮气，所述信号处理模块记录该时刻由所述信号探测单元得到的气体吸收光谱。然后在所述在线标定气室中通入特定浓度的标准气体，所述信号处理模块记录通入标准气体时刻由所述信号探测单元得到的气体吸收光谱。所述信号处理模块将通入标准气体时刻的气体吸收光谱减去通入氮气时刻的气体吸收光谱，就得到标准气体的吸收光谱，从而实现原位式激光气体分析仪的在线标定。
文档编号G01N21/39GK102735645SQ201210234218
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, 张斌 申请人:北京大方科技有限责任公司