专利名称：一种在线激光气体分析系统的标定装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种在线激光气体分析系统的标定装置及方法，特别涉 及一种激光器发出的光经过光纤耦合出来的激光气体分析系统的标定 装置及标定方法。
技术背景在线式气体分析系统相比传统采样方式气体分析系统的优点，在于 它不需要采样和预处理过程，克服了传统采样方式气体分析系统的很多 缺陷，具有可靠性高，测量响应速度快，分析精度高，在工业过程控制， 安全等领域获得了越来越广泛的应用。一般在线式光学气体分析系统包括几个基本部分光发射装置、光 接收装置，信号分析装置，驱动控制装置。 一般是在被测气体管道上开 两个孔，使光经过待测的管道。因为现场环境恶劣， 一般还要加吹扫系 统保证光窗的清洁。由于可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)方法具有不受其它气体干 扰、精度高等优点，在很多领域，特别是冶金行业有这广泛的应用。但 由于这些行业的现场应用环境非常恶劣，如温度高、粉尘多等，使得系 统的维护特别是标定相对比较困难。光源和电子元器件等的老化会导致 分析系统参数的缓慢漂移，影响测量的准确性，因此需要对在线式气体 分析系统进行周期性的标定。专利号为5517314的美国专利说明书公开了一种具有在线标定功 能的在线气体分析系统，包括光发射装置，标定和测量管道，光接收装 置，分析装置；工作原理如下光源发出的光经过两个凹面镜反射成两 束平行光，分别经过封闭管道和测量管道，进入到光接收装置，经过两4个凹面镜反射进光接收器，之后通过光纤送到分析装置分析。在标定光 路上被测气体管道外有标定气体腔室，腔室也可放置在被测过程气体管 道内并让标定光束通过，零气或已知浓度的被测气体通过阀门控制充入 腔室，吹扫气体通过通气接头通入测量管道；当需要标定时，计算机控 制马达将挡体置放在测量光路上，打开阀门，在腔室充入零气或已知浓 度的被测气体，标定光路的光通过接收器送入分析装置。测量时，计算 机控制马达将挡体置放在标定光路上，测量光束通过接收器送入分析装 置。该项专利技术能够实现在线标定，但该技术的装置复杂，比如在 光发射单元里面， 一个光源发出的光经过凹面镜后反射成两束平行光， 在光接收单元这两束平行光又通过凹面镜反射进一个接收器，这要求很 高的机械加工和装配精度；再有，标定和测量需要在两根管道内独立进 行，不能有效地利用测量管道进行标定，造成在安装和调试时增加难度。专利号200510060779.7的中国专利也介绍了一种具有在线标定功 能的在线式气体分析系统。系统包括光发射装置、光接收装置、信号分 析装置、机械连接结构和测量管，光发射装置和光接收装置通过机械连 接结构配接在被测气体管道上。该系统的设计思想是在现场管道内沿着 光路安装一个可以伸縮的测量管，在需要标定的时候伸出该测量管形成 一个与被测气体隔绝的管路，通过向内充入零气或标气进行标定。该系 统可以在线进行标定，但需要在测量现场的管道内形成一个与气流垂直 的测量管道，而且要安装一个控制测量管伸縮的机构，鉴于现场环境条 件过于恶劣，该方案的实用性并不太强。另外一种具有在线标定功能的在线气体分析系统，它是在靠近光发 射装置或光接收装置处预先设立一个封闭腔室。当遇到检修等情况被测 过程气体管道需要停气时，在腔室内分别充入零气和已知浓度的被测气体进行置零和标定。但该项技术的缺点是不能随时应用，因为该标定过 程比较耗时，而且要到管道现场进行。在正常工艺过程当中，是禾法进行标定的，标定工作只有在管道检修等条件下进行。说明书附1为现有典型的激光气体分析系统框图。主要由主机单元l、发射单元2、接收单元5、机械固定装置3、吹扫装置6等部分 构成，也有采用将主机部分1并入到发射单元2，以縮减整体结构，机 械固定装置固定气体管道4，气体管道4内为被测气体7。大部分需要 检测的气体都在光纤通信波段内有吸收峰，所以很多激光气体分析系统 主机单元里激光器发出的光都通过光纤耦合出来。随着光纤技术的发 展，用于红外波长的光纤也得到了应用。 发明内容本发明的目的是以简单实用的方式提供一种适用于激光器发出的 光经过光纤耦合出来的在线激光气体分析系统的标定装置及标定方法。本发明的技术解决方案是 一种在线激光气体分析系统的标定装 置，由激光器、光开关、标准气室和发射接口组成，光开关设置在在线 激光气体分析系统的主机单元内，并与主机单元内的激光器连接，光开 关还连接标准气室和发射接口，标准气室内密封标准被测气体，标准气 室设置在主机单元内或设置在主机单元外，发射接口与在线激光气体分 析系统的发射单元连接。本技术方案将标定装置集成到在线激光气体分 析系统的主机单元里面。按此技术方案，对在线激光气体分析系统的标 定步骤如下① 激光器发出的光经过光纤耦合出来后，由光开关控制通过气体管 道，接收单元接收的信号为背景信号；② 激光器发出的光经过光纤耦合出来后，由光开关控制进入标准气 室后通过气体管道，接收单元接收的信号为背景信号和标准气信号的叠 加；③ 将步骤①采集的信号从步骤②采集的信号中去除，得到标准气吸 收产生的信号，利用标准气产生的信号对在线激光气体分析系统进行标 定。6在进行正常的管道气体浓度检测时，光开关控制光路不通过标准气 室，此时分析系统工作状态和一般系统工作状态一样。当需要进行标定时， 一般管道都基本处于停止工作状态，比如管道检修期间，或者在工艺过程的间隙。比如炼钢过程一般以40分钟左右 为一个工艺周期，其中会有十多分钟停止通气，管道内气体相对静止。 因为我们的标定方法不需要在现场进行抽气和充气过程，而且整个过程 全部可以通过编程由系统控制自动操作，进行标定所需时间很短，所以 完全可以利用每个工艺周期的间隙时间进行系统标定。标定时，首先控制光开关不进入标准气室直接通过气体管道，此时 接收单元采集的信号看作背景信号；然后控制光开关让光先经过标准气 室后才通过气体管道，此时接收单元采集的信号是背景信号和标准气信 号的叠加。因为此时管道内气体流动很小，光开关速度在毫秒级，.而系 统进行一次信号检测所需的时间小于一秒，即使进行数据处理，总共所 需时间也仅仅在秒的量级，可以认为管道内气体基本静止。所以可以认 为第一次采集的背景信号和第二次测量时的背景信号相同。标定程序将 第一次采集的信号从第二次采集的信号中去除后即得到标准气吸收产 生的信号，利用这个标准气吸收产生的信号就可以对系统进行标定。本发明的有益效果是1、 标定时间短，可以在1分钟内多次重复标定。每天每个小时都 可以进行，不必要等到管道检修期间进行标定。 一般管道检修的周期很 长，至少几个月。2、 标定结构简单。主要对光路进行了改进，不需要改变现场安装 的结构，容易对现有的系统进行升级。3、 标定程序化，不需人为干预。除了实现标定功能外，还可以随 时监控系统状态。
图1现有典型的在线激光气体分析系统结构框图。图2本发明标定装置结构原理图
图3本发明带稳频功能的标定装置结构原理图
图4本发明另外一种标定装置结构原理图
图中1.主机单元，2.发射单元，3.机械固定装置，4.气体管道，5.接收单元，6.吹扫气体接口， 7.被测气体，8.激光器，9.光开关，10.标准气室，11.发射接口， 12. 1X2耦合器，13.光探测器，14.控制电路板，15.光纤法兰盘。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明-
图1为现有典型的在线激光气体分析系统结构框图，由主机单元1、发射单元2、接收单元5、机械固定装置3、吹扫装置6等部分构成，机械固定装置3固定气体管道4，气体管道4内为被测气体7。
本发明的标定装置将标定结构集成到主机单元里面，由激光器8、光开关9、标准气室10和发射接口 11组成，光开关9设置在在线激光气体分析系统的主机单元1内，并与主机单元1内的激光器8连接，光开关9还连接标准气室IO和发射接口 11。标准气室IO设置在主机单元1内或设置在主机单元1夕卜，标准气室10里密封了一定压力的已知浓度的标准被测气体，气室的吸收长度也已知。标准气室10两端是用光学窗口密封，而且两端用光纤准直器进行了耦合，使得光从一端进去，经过气室后从另外一个准直器耦合输出。发射接口 11与在线激光气体分析系统的发射单元2连接。 .
采用本发明的标定装置对在线激光气体分析系统进行标定的方法
如下-
① 激光器8发出的光经过光纤耦合出来后，由光开关9控制通过气体管道4，接收单元5接收的信号为背景信号；
② 激光器8发出的光经过光纤耦合出来后，由光开关9控制进入标准气室10后通过气体管道4，接收单元5接收的信号为背景信号和标准气信号的叠加；
③将步骤①采集的信号从步骤②采集的信号中去除，得到标准气吸收产生的信号，利用标准气产生的信号对在线激光气体分析系统进行标定。
图2是本发明的一种标定装置结构原理图。光幵关9为两个1X2光开关9，连接在标准气室10的两端，激光器8发出的光经过光纤耦合出来后，由两个1X2光开关9同时控制是否经过标准气室10。标定时，首先控制1X2光开关9使光从图2中虚线所示光路通过，即不通过标准气室10直接进入气体管道4，此时接收单元5采集的信号看作背景信号；然后控制1X2光开关9使光从图2中点划线所示光路通过，即光先经过标准气室10后才通过气体管道4，此时接收单元5采集的信号是背景信号和标准气信号的叠加。标定程序将第一次采集的信号从第二次采集的信号中去除后即得到标准气吸收产生的信号，利用这个标准气吸收产生的信号就可以对系统进行标定。
图3是本发明带稳频功能的标定装置结构原理图，可以同时实现激光器稳频和自标定功能。由于随着时间的推移，激光器8会慢慢老化，其工作波长有可能偏移气体吸收峰。但可以利用气体吸收峰对半导体激光器进行稳频，通过电流和温度的调节将其波长调回到气体吸收峰。
图3的实施例采用了一个1X2耦合器12、 一个2X2光开关9和一个光探测器13，在2X2光开关9与激光器8间设置1X2耦合器12，2X2光开关9的四个接口分别连接1X2耦合器12、标准气室10、发射接口 11和光探测器13，光探测器13连接控制电路板14,控制电路板14与激光器8连接。其工作过程如下
稳频工作状态控制光开关9在图3点划线光路状态。控制电路板14通过控制激光器8的温度和电流，使其输出频率在被测气体的吸收峰上。激光器8输出的光经过1X2耦合器12后， 一路光进入标准气室10，光开关9控制从标准气室10出来的光进入光探测器13，探测器13检测的信号被反馈到控制电路板14，控制电路板14利用该信号反馈控制激光器8的频率，使其总是稳定在气体吸收峰上。同时1X2耦合器12另外一路光由光开关9控制进入发射接口 11，实现对待测气体的分析检测功能。
标定工作状态需要标定的时候，首先控制光开关9在图3点划线光路状态，即不通过标准气室10直接进入气体管道4，此时由接收单元5采集的结果被看作是背景信号。然后光开关9的光路被控制到图3的虚线状态，即光先经过标准气室10后才通过气体管道4，此时从标准气室10出来的光被光开关9接到发射接口 11，此时由接收单元5采集的信号是背景信号和标准气室信号的叠加，从中消掉前面采集的背景信号后即为与标准气吸收对应的信号，从而利用它可以实现系统的标定。
这样，本实施例在正常气体分析时，可以保证激光器工作频率稳定在气体吸收峰上；在进行标定时，可以实现系统的自标定。这两个状态的切换全部由程序控制，可以随时进行。 '
图4为本发明另外一种标定装置结构原理图。对于有些吸收比较弱的气体，为了达到精度要求，标准气室10的体积可能比较大，标准气室10设置在主机单元1外比较合适，本实施例在图2基础上进行了改进。如图4所示，依然在激光器8后面加上两个1X2光开关9，但在两个光开关9之间没有直接连接标准气室10，而是与机壳上的光纤法兰盘15相连，光纤法兰盘15上有一对法兰盘，可以与外面的光纤接头连接。
如果标准气室10太大放在主机单元1内不合适，可以将标准气室10放在外面。对于需要对系统进行实时稳频的系统，可以将标准气室IO长期外挂着。对于不需要实时稳频的系统，可以仅仅只在需要标定的那段时间内将标准气室连接上去，然后进行标定。这样同样不需要复杂的安装，不需要等到管道检修，依然可以随时进行标定。
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权利要求
1、一种在线激光气体分析系统的标定装置，由激光器(8)、光开关(9)、标准气室(10)和发射接口(11)组成，其特征是光开关(9)设置在在线激光气体分析系统的主机单元(1)内，并与主机单元(1)内的激光器(8)连接，光开关(9)还连接标准气室(10)和发射接口(11)，标准气室(10)内密封标准被测气体，标准气室(10)设置在主机单元(1)内或设置在主机单元(1)外，发射接口(11)与在线激光气体分析系统的发射单元(2)连接。
2、 一种在线激光气体分析系统的标定方法，其特征步骤如下-① 激光器(8)发出的光经过光纤耦合出来后，由光开关(9)控制通过 气体管道(4)，接收单元(5)接收的信号为背景信号；② 激光器(8)发出的光经过光纤耦合出来后，由光开关(9)控制进入 标准气室(10)后通过气体管道(4)，接收单元(5)接收的信号为背景信号 和标准气信号的叠加；③ 将步骤①采集的信号从步骤②采集的信号中去除，得到标准气吸收产 生的信号，利用标准气产生的信号对在线激光气体分析系统进行标定。
3、 如权利要求1所述的一种在线激光气体分析系统的标定装置，其特征 是标准气室(10)两端设置光纤准直器。
4、 如权利要求l所述的一种在线激光气体分析系统的标定装置，其特征 是标准气室(10)两端用光学窗口密封。
5、 如权利要求1所述的一种在线激光气体分析系统的标定装置，其特征 是光开关(9)由两个1X2光开光(9)组成，连接在标准气室(10)的两端。
6、 如权利要求1所述的一种在线激光气体分析系统的标定装置，其特征 是光开关(9)由一个2X2光开关(9)组成，在2X2光开关(9)与激光器(8)间设置1X2耦合器(12)， 2X2光开关(9)的四个接口分别连接1X2耦合器(12)、标准气室(10)、发射接口 (11)和光探测器(13)，光探测器 (13)连接控制电路板(14)，控制电路板(14)与激光器(8)连接。
7、如权利要求5所述的一种在线激光气体分析系统的标定装置，其特征 是在两个1X2光开光(9)与标准气室(10)间连接光纤法兰盘(15)。
全文摘要
本发明涉及一种激光器发出的光经过光纤耦合出来的激光气体分析系统的标定装置及标定方法。标定装置由激光器(8)、光开关(9)、标准气室(10)和发射接口(11)组成，光开关(9)设置在在线激光气体分析系统的主机单元(1)内，并与主机单元(1)内的激光器(8)连接，光开关(9)还连接标准气室(10)和发射接口(11)，标准气室(10)内密封标准被测气体，发射接口(11)与在线激光气体分析系统的发射单元(2)连接。采用本装置的标定方法标定时间短，可以在1分钟内多次重复标定，标定程序化，不需人为干预，还可以随时监控系统状态。标定装置结构简单，主要对光路进行了改进，不需要改变现场安装的结构，容易对现有的系统进行升级。
文档编号G01N21/01GK101629900SQ200910063270
公开日2010年1月20日 申请日期2009年7月21日 优先权日2009年7月21日
发明者刘晓波, 辉 原, 张哲民, 汪冰冰 申请人:武汉循环经济研究院;中钢集团武汉安全环保研究院有限公司