一种多激光器同时在线测量多组分气体含量的方法与流程

本发明涉及石化、天然气技术领域，具体为基于可调式半导体激光器吸收光谱技术的一种单气室多激光器同时测量天然气中多组分气体的结构方法。

背景技术：

气相色谱法是利用试样中各组份在气相和固定液体相间的分配系数不同，当汽化后的试样被载气带入色谱柱中运行时，组份就在其中的两相间进行反复多次分配，由于固定相对各组份的吸附或溶解能力不同，因此各组份在色谱柱中的运行速度就不同，经过一定的柱长后，便彼此分离，按顺序离开色谱柱进入检测器，产生的离子流讯号经放大后，在记录器上描绘出各组份的色谱峰，气相色谱法需要载气，有无法实现实时在线测量，相应时间慢等缺陷。

tdlas可调式半导体激光器吸收光谱技术，通过电流和温度调谐半导体激光器的输出波长，扫描被测物质的某一条吸收谱线，通过检测吸收光谱的吸收强度获得被测物质的浓度，tdlas检测的是激光穿过被测气体通道上的分子数，获得的气体浓度是整个通道的平均浓度。但是一般情况下一个特定波长的激光器只能测量一种气体组分，所以在测量两种或者两种以上气体组分时需要多个测量气室组成串联或者并联结构，间接的增加了制造成本和测量响应时间。

技术实现要素：

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种多激光器同时在线测量多组分气体含量的方法，解决了现有在测量两种或者两种以上气体组分时需要多个测量气室组成串联或者并联结构，间接的增加了制造成本和测量响应时间的问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种多激光器同时在线测量多组分气体含量的方法，其测量结构包括气体a激光器准直透镜、气体a半导体激光器、气体a激光探测器、气体b激光器准直透镜、气体b半导体激光器、气体b激光探测器、气室上端凹面反射镜、气室底部凹面反射镜、气室、气室出气口、气室进气接口和窗口，所述气室上端凹面反射镜固定安装于气室内壁的顶部，且气室底部凹面反射镜固定安装于气室内壁的底部，所述气室出气口和气室进气接口均安装于气室的一侧。

所述测量方法具体包括以下步骤：

s1、首先将待测天然气从激光从气室进气接口进入，再从气室出气口流出将气室中充满待测气体；

s2、然后气体a半导体激光器发出光速a后，经过气体a激光器准直透镜准直，然后透过窗口进入气室；

s3、激光在气室上端凹面反射镜和气室底部凹面反射镜之间来回反射若干次后从窗口出来打到气体a激光探测器上，激光信号经过处理电路处理后计算待测气体中气体a的含量；

s4、气体b半导体激光器发出光速b后，经过气体b激光器准直透镜准直，透过窗口进入气室；

s5、激光在气室上端凹面反射镜和气室底部凹面反射镜之间来回反射若干次后从窗口出来打到气体a激光探测器上，激光信号经过处理电路处理后计算待测气体中气体a的含量。

优选的，所述气体a激光器准直透镜用于将激光器发射出来具有大发散角的激光进行准直，且气体b激光器准直透镜用于将激光器发射出来具有大发散角的激光进行准直。

优选的，所述气体a半导体激光器和气体b半导体激光器均是用于提供半导体激光信号。

优选的，所述气体a激光探测器和气体b激光探测器均是用于接收半导体激光信号。

优选的，所述气室上端凹面反射镜用于光束a进入气室腔体及光束反射，且气室底部凹面反射镜用于光束b进入气室腔体及光束反射。

优选的，所述气室用于存储流动的待测气体，且气室为herroitt长光程气室。

优选的，所述气室出气口用于待测气体流出气室，且气室进气接口用于待测气体流入气室。

优选的，所述窗口数量为两个，且两个窗口分别位于气室的顶部和底部，所述窗口用于密封气室及光路进入气室。

(三)有益效果

本发明提供了一种多激光器同时在线测量多组分气体含量的方法。与现有技术相比具备以下有益效果：该多激光器同时在线测量多组分气体含量的方法，其测量结构包括气体a激光器准直透镜、气体a半导体激光器、气体a激光探测器、气体b激光器准直透镜、气体b半导体激光器、气体b激光探测器、气室上端凹面反射镜、气室底部凹面反射镜、气室、气室出气口、气室进气接口和窗口，气室上端凹面反射镜固定安装于气室内壁的顶部，且气室底部凹面反射镜固定安装于气室内壁的底部，气室出气口和气室进气接口均安装于气室的一侧，可实现通过采用多个激光器搭配一个气室的结构方法，改进了传统的一个气室搭配一个激光器的结构，可在一个腔体内形成多组独立光束，实现多组成气体在线同时测量，相比于传统的多个气室串并联结构极大的节约了制造成本，且在测量气体流速一定的情况下，相比多个气室串并联结构的响应时间更短。

附图说明

图1为本发明测量结构的示意图；

图2为本发明结构方案仿真图；

图3为本发明下凹面镜上光斑图。

图中，1气体a激光器准直透镜、2气体a半导体激光器、3气体a激光探测器、4气体b激光器准直透镜、5气体b半导体激光器、6气体b激光探测器、7气室上端凹面反射镜、8气室底部凹面反射镜、9气室、10气室出气口、11气室进气接口、12窗口。

具体实施方式

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做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。

请参阅图1-3，本发明实施例提供一种技术方案：一种多激光器同时在线测量多组分气体含量的方法，其测量结构包括气体a激光器准直透镜1、气体a半导体激光器2、气体a激光探测器3、气体b激光器准直透镜4、气体b半导体激光器5、气体b激光探测器6、气室上端凹面反射镜7、气室底部凹面反射镜8、气室9、气室出气口10、气室进气接口11和窗口12，气室上端凹面反射镜7固定安装于气室9内壁的顶部，且气室底部凹面反射镜8固定安装于气室9内壁的底部，气室出气口10和气室进气接口11均安装于气室9的一侧，气体a激光器准直透镜1用于将激光器发射出来具有大发散角的激光进行准直，且气体b激光器准直透镜4用于将激光器发射出来具有大发散角的激光进行准直，气体a半导体激光器2和气体b半导体激光器5均是用于提供半导体激光信号，气体a激光探测器3和气体b激光探测器6均是用于接收半导体激光信号，气室上端凹面反射镜7用于光束a进入气室9腔体及光束反射，且气室底部凹面反射镜8用于光束b进入气室9腔体及光束反射，气室9用于存储流动的待测气体，且气室9为herroitt长光程气室，气室出气口10用于待测气体流出气室9，且气室进气接口11用于待测气体流入气室9，窗口12数量为两个，且两个窗口12分别位于气室9的顶部和底部，窗口12用于密封气室9及光路进入气室9。

测量方法具体包括以下步骤：

s1、首先将待测天然气从激光从气室进气接口11进入，再从气室出气口10流出将气室9中充满待测气体；

s2、然后气体a半导体激光器2发出光速a后，经过气体a激光器准直透镜1准直，然后透过窗口12进入气室9；

s3、激光在气室上端凹面反射镜7和气室底部凹面反射镜8之间来回反射若干次后从窗口12出来打到气体a激光探测器3上，激光信号经过处理电路处理后计算待测气体中气体a的含量；

s4、气体b半导体激光器5发出光速b后，经过气体b激光器准直透镜4准直，透过窗口12进入气室9；

s5、激光在气室上端凹面反射镜7和气室底部凹面反射镜8之间来回反射若干次后从窗口12出来打到气体a激光探测器3上，激光信号经过处理电路处理后计算待测气体中气体a的含量。

本发明是基于herriott型多光程池，其核心部分是herriott型便携式多光程池，herriott型便携式多光程池的结构，其中气室上端凹面反射镜7与气室底部凹面反射镜8的光轴相互重合并且其焦点在一条直线上，两镜焦距都均为f，镜间距均为d，入射光束a从气室上端凹面反射镜7的小圆孔入射，经过多次循环反射最终又从该圆孔出射，形成一个循环反射的稳定腔，入射光束b从气室底部凹面反射镜8的小圆孔入射，经过多次循环反射最终又从该圆孔出射，形成另一个循环反射的稳定腔。

激光稳定腔条件为：cosθ＝1-d/2f

θ：是两次连续反射之间的角度；

d：两个凹面镜之间的距离；

f：凹面镜焦距。

激光能从入射孔射出的条件为：nθ＝2mπ

n：是光束在该池内进行的总穿行次数，为偶数；

m：整数。

两束光路不发生干涉的条件：

气室9上端凹面反射镜7光路入射孔到镜面圆形的距离l1，气室底部凹面反射镜8光路入射孔到镜面圆形的距离l2，l1≠l2。

对于固定焦距的凹面反射镜，通过计算调整两个反射镜之间的距离d，可以实现内外层长光程气室9结构，仿真结构如图2所示。

气室底部凹面反射镜8上光斑如图3所示：光束a反射66次，光程20.6m光束b反射66次，光程20.1m。

注意事项：

1、气室9两端的激光器可根据不同测量气体进行改变；

2、气室上端凹面反射镜7光路入射孔到镜面圆形的距离l1和气室底部凹面反射镜8光路入射孔到镜面圆形的距离l2可进行改变；

3、可使用不同焦距的凹面镜；

4、可以实现不同的反射次数及不同的光程；

5、在安装空间允许的情况下可以实现三个激光器同时测量甚至更多。

综上所述

本发明可实现通过采用多个激光器搭配一个气室9的结构方法，改进了传统的一个气室9搭配一个激光器的结构，可在一个腔体内形成多组独立光束，实现多组成气体在线同时测量，相比于传统的多个气室9串并联结构极大的节约了制造成本，且在测量气体流速一定的情况下，相比多个气室9串并联结构的响应时间更短。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。