一种TDLAS气体浓度检测系统的制作方法

本实用新型属于气体浓度检测设备技术领域，尤其是一种TDLAS(可调谐二极管激光吸收光谱)气体浓度检测系统。

背景技术：

目前，随着个人平均收入水平的提高以及汽车价格的低廉化，汽车的保有量持续、快速地增长，其中柴油机动力车以其油耗低等的优点被广泛使用。但柴油机排放尾气中主要含有的颗粒物(PM)和氮氧化物(NOx)等成份会对环境造成严重破坏，为降低氮氧化物(NOx)这种对环境危害较大的污染物排除，一般采取脱硝方法减小氮氧化物。普遍采用尿素溶液作为还原剂的SCR技术。该方法是利用尿素溶液被热解成氨气，排气中NOx与氨气在催化剂的作用下生成氮气和水。在实际的过程中一般会喷洒过量的尿素溶液确保尾气中的NOx完全还原，但由此会使得尾气中带有NH₃，排放的NH₃又造成了新的环境污染，如若不喷洒过量的尿素溶液，又会使没有完全还原的氮氧化物得不到有效去除，故需要对柴油机尾气脱硝SCR还原中NH₃的浓度进行高精度实时检测。

另外，氨气是一种无色且带有刺激性气味的有毒气体，会对人、动物、植物造成严重的危害。当处在高浓度环境下可引起反射性呼吸停止或心脏停搏。接触浓度为553mg/m^3可引发强烈的刺激症状，可耐受时长为1.25分钟，在3500～7000mg/m^3浓度环境下可导致立即死亡。体外的氨气由于其吸附特性常吸附在皮肤表面和眼结膜，吸收组织中的水分，引起组织蛋白变性、组织脂肪皂化，破坏细胞膜结构，引起炎症和相应的皮肤疾病。少量的吸入氨气会刺激甚至腐蚀人体气管粘膜组织，引起人体呼吸感染，麻痹呼吸道纤毛并损害粘膜上皮组织，减弱人体的抗病能力。若氨气吸入体内并通过肺泡进入血液，会与血红蛋白结合，破坏血液的运氧功能。大量的吸入氨气会引起咳嗽、头晕、头痛、呕吐、乏力等，并引起呼吸窘迫综合症，同时引发肺水肿。若吸入过量的氨气，会导致三叉神经末梢的反射作用伤害人体的免疫系统、神经、心血管以及内脏，严重的会导致死亡。长期在含有氨气环境下，会使得人体皮肤出现色素沉积或手指溃疡等症状。

此外，氨气会对环境造成严重污染。氨气与大气中的酸性气体中和反应生成的铵盐，是大气中颗粒物(PM2.5)形成的原因之一，并会引发光化学烟雾、酸雨等现象产生。氨气形成的颗粒吸入人体在肺部累积会对人体健康构成威胁；在大气中由于其消光性会降低能见度； 沉降到地面会使森林退化、水域富营养化和土壤酸化。因此，对柴油机进行脱硝SCR技术过程中逃逸氨气的高准确性、高精度检测显得尤为重要。

因此，亟需一种新的气体浓度采集仪器。

通过检索，尚未发现与本专利申请相关的专利公开文献。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种TDLAS气体浓度检测系统，该系统能够对柴油机进行脱硝SCR技术过程中逃逸氨气进行高准确性、高精度地检测。

本实用新型实现发明目的所采用的技术方案为：

一种TDLAS气体浓度检测系统，所述仪器包括发射单元，传输单元、接收单元和中央处理单元；

所述发射单元包括信号发生器、激光驱动板和激光器，所述信号发生器的输出端与激光驱动板的输入端相连接设置，该激光驱动板的输出端与激光器的输入端相连接设置；

所述传输单元包括激光准直器、气体吸收池和气路系统，所述激光准直器的输入端与激光器的输出端相连接设置，该激光准直器的输出端与气体吸收池的输入端相连接设置，该气体吸收池与气路系统相连接设置；

所述接收单元包括光电探测器、前置放大器和锁相放大器，所述光电探测器的输入端也与气体吸收池的输出端相连接设置，该光电探测器的输出端与前置放大器的输入端相连接设置，该前置放大器的输出端与锁相放大器的输入端相连接设置；

所述中央处理单元包括数据采集卡和上位机，所述数据采集卡的输入端与锁相放大器的输出端相连接设置，该数据采集卡的输出端与上位机的输入端相连接设置；

所述信号发生器的输出端也与锁相放大器的输入端相连接设置，信号发生器输出正弦波为锁相放大器提供参考信号；

所述信号发生器向激光驱动板输出信号，该激光驱动板接收信号并驱动激光器输出激光，激光器出射激光通过激光准直器对气体吸收池中的气体进行监测，监测后的激光由光电探测器接收并转化为电信号，携带有气体吸收信息的电信号经前置放大器放大后由锁相放大器解调出二次谐波信号，利用数据采集卡得到数字信号，利用上位机进行后续的分析处理反演出被测气体浓度值。

而且，所述信号发生器采用的型号为TFG6930A，为独立双通道数字信号发生器，两路输出信号的频率、幅度和偏移可以联动，输出可以叠加；TFG6930A内置5种标准波形和50种任意波形，10Vp-p的幅值特性以及最高30MHz的频率输出，还具有0.2mV的幅度分辨率 及1uHz的频率分辨率；

所述信号发生器输出扫描信号幅度为200mV，频率为5Hz，调制信号幅度为600mV，频率为30kHz；

所述激光驱动板包括激光电流驱动板和激光温度驱动板，驱动电流为50mA，温度为29℃，其中，激光电流驱动板型号为LDX-3100，是一款专门为可调谐半导体激光器提供驱动电流的电路板卡，分恒流和恒能两种模式，为二极管提供范围0～250mA的驱动电流；激光温度驱动板型号为LDT-5100；

所述激光器采用的是武汉欧迪公司蝶形封装的分布反馈式半导体激光器，波长为1512nm，光强为4.97dB，峰宽小于0.2nm。

而且，所述气体吸收池材料采用蒙乃尔合金制成，吸收池长度为0.5m，折返后光程长度为1m，两端采用CaF₂材料光学窗，适合红外光透过，且采用10°倾角的空间结构；

所述气体吸收池采用直角棱镜结构作为反射元件。

而且，所述光电探测器为武汉欧迪公司的PD500铟镓砷光电二极管；

所述前置放大器选择的是FEMTO公司生产的DLPCA-200型号的前置放大器；

所述锁相放大器选择的FEMTO公司生产单LIA-MVD-200-H。

而且，所述数据采集卡采用的是美国NI公司生产的NI 9222数据采集卡；所述上位机利用LabVIEW2012软件对两路波形进行采集，利用Matlab程序对数据进行后续处理。

而且，所述传输单元还包括样气过滤设备和尾气处理设备，所述气路系统与样气过滤设备的输出端相连接设置，该气路系统的输出端与尾气处理设备的输入端相连接设置，所述样气过滤设备能够滤除掉样气中的颗粒物及油污，过滤后的被测气体进入气路系统中，尾气排入尾气处理设备，经尾气处理设备处理后排出。

而且，所述气体吸收池的进气端通过球阀、减压阀与气路系统相连接设置，该气体吸收池的进气端还通过球阀、减压阀与零气相连接设置，气体吸收池的进气端与球阀之间设置带负压的压力表，该气体吸收池的出气端通过球阀与气泵相连接设置，该气泵可将气体吸收池内的气体抽出。

本实用新型取得的优点和积极效果是：

1、本系统以TDLAS技术为理论基础，结合反射池及谐波检测技术，实现了氨气的实时浓度监测、浓度数据存储显示等功能；该系统操作简单，为柴油机氨污染检测应用领域提供了坚实的技术基础，实现柴油机氨排放中检测评价体系，大幅提高系统检测精度与响应速度，为柴油机减排研究和环境监测提供新手段。

2、本系统的气体吸收池采用了近年新兴的直角棱镜结构作为反射元件，该元件无需精密调节，在较大空间移动的情况下都不会影响系统的光学反射，操作方便且抗震性非常好。实验证明，本气体吸收池只需对探测器一端进行调节，操作简便，结合离轴抛物镜的使用将光束汇聚到垂直方向进行探测，有效的减少了光强损失。如图2所示，图2为本系统光路的示意图，激光经过准直器聚焦后，将激光射入充有被测气体吸收池，光经过角立方的平行反射作用再次通过吸收池后由离轴抛物镜聚焦接收。携带有气体吸收信息的光信号由探测器转换为电信号后输出。

附图说明

图1为本系统的结构连接示意图；

图2为本系统的光路的示意图；

图3为本系统的气体吸收池与气路系统的结构连接示意图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本实用新型进一步说明；下述实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本实用新型的保护范围。

一种TDLAS气体浓度检测系统，如图1所示，所述仪器包括发射单元，传输单元、接收单元和中央处理单元；

所述发射单元包括信号发生器、激光驱动板和激光器，所述信号发生器的输出端与激光驱动板的输入端相连接设置，该激光驱动板的输出端与激光器的输入端相连接设置；

所述传输单元包括激光准直器、气体吸收池和气路系统，所述激光准直器的输入端与激光器的输出端相连接设置，该激光准直器的输出端与气体吸收池的输入端相连接设置，该气体吸收池与气路系统相连接设置；

所述接收单元包括光电探测器、前置放大器和锁相放大器，所述光电探测器的输入端也与气体吸收池的输出端相连接设置，该光电探测器的输出端与前置放大器的输入端相连接设置，该前置放大器的输出端与锁相放大器的输入端相连接设置；

所述中央处理单元包括数据采集卡和上位机，所述数据采集卡的输入端与锁相放大器的输出端相连接设置，该数据采集卡的输出端与上位机的输入端相连接设置；

所述信号发生器的输出端也与锁相放大器的输入端相连接设置，信号发生器输出正弦波为锁相放大器提供参考信号；

所述信号发生器向激光驱动板输出信号，该激光驱动板接收信号并驱动激光器输出激光， 激光器出射激光通过激光准直器对气体吸收池中的气体进行监测，监测后的激光由光电探测器接收并转化为电信号，携带有气体吸收信息的电信号经前置放大器放大后由锁相放大器解调出二次谐波信号，利用数据采集卡得到数字信号，利用上位机进行后续的分析处理反演出被测气体浓度值。

本系统以TDLAS技术为理论基础，结合反射池及谐波检测技术，实现了氨气的实时浓度监测、浓度数据存储显示等功能；该系统操作简单，为柴油机氨污染检测应用领域提供了坚实的技术基础，实现柴油机氨排放中检测评价体系，大幅提高系统检测精度与响应速度，为柴油机减排研究和环境监测提供新手段。

在本实施例中，所述信号发生器采用的型号为TFG6930A，是一款独立双通道数字信号发生器，两路输出信号的频率、幅度和偏移可以联动，输出可以叠加。本系统中信号发生器输出扫描信号幅度为200mV，频率为5Hz，调制信号幅度为600mV，频率为30kHz。TFG6930A内置5种标准波形和50种任意波形，10Vp-p的幅值特性以及最高30MHz的频率输出，除此以外还具有0.2mV的幅度分辨率及1uHz的频率分辨率。

所述激光驱动板包括激光电流驱动板和激光温度驱动板，驱动电流为50mA，温度为29℃，其中，激光电流驱动板型号为LDX-3100，是一款专门为可调谐半导体激光器提供驱动电流的电路板卡，分恒流和恒能两种模式为二极管提供范围0～250mA的高稳定、低噪音的驱动电流；激光温度驱动板型号为LDT-5100，为一款根据帕尔贴效应，以热敏电阻作为反馈回路，利用热点模块为可调谐半导体激光器提供精确的低噪音、高稳定性的温度控制板卡。热电模块输出的双极性电流可以同时满足激光器加热及制冷的需要，同时利用控制回路能够对温度进行快速校正，保证输出温度的稳定可靠，通过旋转板卡上的电位器或者外接参考电阻可以方便的设定所需温度。

DFB激光器有蝶形封装和TO封装两种形式，本系统激光器采用的是武汉欧迪公司蝶形封装的分布反馈式(DFB)半导体激光器，波长为1512nm，光强为4.97dB，峰宽小于0.2nm。激光器输出的激光先经过激光准直器进行聚焦准直，进光部分通过五维调节架进行精确调节，使得激光经过一定空间距离传播的光斑能够由光电探测器精准探测。

在本实施例中，所述气体吸收池材料采用蒙乃尔合金制成，是一种以金属镍为基体添加铜、铁、锰等其它元素而成的高强度的单相固溶体合金。该材料在氢氟酸、氟气介质以及碱 性基质下都具有优异的耐蚀性且具有不产生应力腐蚀裂纹，切削性能良好等优点，非常适合通用气体池材料。吸收池长度为0.5m，折返后光程长度为1m，两端采用CaF₂材料光学窗，适合红外光透过，且采用10°倾角的空间结构，有效的避免反射光干涉造成的标准具干扰。

本系统的气体吸收池采用了近年新兴的直角棱镜结构作为反射元件，该元件无需精密调节，在较大空间移动的情况下都不会影响系统的光学反射，操作方便且抗震性非常好。实验证明，本气体吸收池只需对探测器一端进行调节，操作简便，结合离轴抛物镜的使用将光束汇聚到垂直方向进行探测，有效的减少了光强损失。如图2所示，图2为本系统光路的示意图，激光经过准直器聚焦后，将激光射入充有被测气体吸收池，光经过角立方的平行反射作用再次通过吸收池后由离轴抛物镜聚焦接收。携带有气体吸收信息的光信号由探测器转换为电信号后输出。

在本实施例中，所述光电探测器是实验系统中的信号探测部件，可将经过气体吸收池的光信号转换为电流信号。本系统选用武汉欧迪公司的PD500铟镓砷光电二极管，光敏感应面直径为0.3mm，响应度在0.9左右。具有光谱响应度曲线范围宽(覆盖900至1600nm)、暗电流低、可靠性较高等特点。

前置放大器选择的是FEMTO公司生产的DLPCA-200型号的前置放大器，其电流转换系数从1×10³～1×10¹¹V/A，精度为1％，适用于从直流到500kHz的频率带宽，低噪声及可调偏压，±3kV瞬态保护等使该放大器更加适应谐波检测系统中微弱电流信号到电压信号的放大转化要求。

锁相放大器选择的FEMTO公司生产单LIA-MVD-200-H，体积小、重量轻，便于集成；标准的BNC接口及旋钮式开关和选择键，操作简单；X、Y、R的多信号输出丰富了用户的选择；还具有频率范围宽(50Hz～120kHz)，输入电流范围(30p～10μA)及电压范围(3μV～1V)宽；灵敏度、动态余量、相位调整精度、探测精度、响应时间等系数均为较高水平的优点。

在本实施例中，所述数据采集卡采用的是美国NI公司生产的NI 9222数据采集卡。它是16位的高速同步模拟采集卡，其最高采样率是500kSa/S，模拟输入通道是4路，分辨率是16位，它的输入电压是±10V。系统中采用两通道，采样率3kSa/S；上位机中利用LabVIEW2012软件对两路波形进行采集，利用Matlab程序对数据进行后续处理。

在本实施例中，所述传输单元还包括样气过滤设备和尾气处理设备，所述气路系统与样 气过滤设备的输出端相连接设置，该气路系统的输出端与尾气处理设备的输入端相连接设置，所述样气过滤设备可以滤除掉样气中的颗粒物及油污，过滤后的被测气体进入气路系统中，尾气排入尾气处理设备，经尾气处理设备处理后排出。

样气过滤装置关键部件中过滤芯材质采用三氧化二铝与二氧化硅为主要基质的烧结材料，对NH₃气体预处理过滤中损耗较低，并可大幅度降燃烧低颗粒物及油污干扰。

如图3所示，所述气体吸收池的进气端通过球阀、减压阀与气路系统相连接设置，该气体吸收池的进气端还通过球阀、减压阀与零气相连接设置，气体吸收池的进气端与球阀之间设置带负压的压力表，该气体吸收池的出气端通过球阀与气泵相连接设置，该气泵可将气体吸收池内的气体抽出，结合压力表观察池内负压，帮助将池内无用气体更有效的排出。

本系统的工作流程大致为：驱动板卡驱动激光器输出激光，对气体吸收池中的气体进行监测，上位机进行整体系统监控。该系统进行气体浓度检测的过程为：①激光器输出波长范围根据被测气体的需要结合生产厂家的制作工艺进行选择，再利用可调谐激光器的温度粗调功能将二极管出射激光的中心波长定位在被测气体吸收峰1512nm附近处。②为激光器提供一个锯齿波低频调制信号，调制激光波长慢慢扫描过气体的吸收峰；另外叠加一个正弦波高频调制信号用来产生谐波调制信号。③激光器发出的激光入射到通有被测气体的气体吸收池，激光经角立方结构平行反射后由光电探测器接收并转化为电信号。④携带有气体吸收信息的电信号经前置放大器放大后由锁相放大器解调出二次谐波信号，利用数据采集卡得到数字信号，利用上位机进行后续的分析处理反演出被测气体浓度值。