基于拉曼光谱检测的工业气体多组分分析光路系统[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号(10)申请公布号 CN 104777144 A (43)申请公布日(43)申请公布日 2015.07.15

(21)申请号 201510116542.X(22)申请日 2015.05.21

(71)申请人天津大学

地址300072 天津市南开区卫津路92号(72)发明人陈达 韩汐 李奇峰

(74)专利代理机构天津市北洋有限责任专利代

理事务所 12201

代理人程毓英(51)Int.Cl.

G01N 21/65(2006.01)G01N 21/01(2006.01)

权利要求书1页 说明书3页 附图2页

(54)发明名称

基于拉曼光谱检测的工业气体多组分分析光路系统(57)摘要

本发明涉及气体光谱分析仪器领域，涉及一种基于拉曼光谱检测的工业气体多组分分析光路系统，用于检测位于气体腔(9)内的工业气体，包括：包括依次排布在同一个光路上的透镜(3)、二向色镜(2)、滤光器(4)、会聚透镜(5)和光谱仪(6)。其中，激光器(1)，用于产生激发光束；透镜(3)，用于对激发光束进行聚焦，其焦点位于气体腔(9)内，透镜(3)的孔径角范围在30°-80°；激发光束直径激发光束直径在0.5mm-5mm，小于透镜(3)的直径，焦点前后景深范围内的拉曼散射光能耦合进透镜(3)。本发明可以增大了被激发气体的空间范围，提高对拉曼散射信号的收集效率，进而有效提高了系统的检测灵敏度。 C N 1 0 4 7 7 7 1 4 4 A CN 104777144 A

权 利 要 求 书

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1.一种基于拉曼光谱检测的工业气体多组分分析光路系统，用于检测位于气体腔(9)内的工业气体，包括：包括依次排布在同一个光路上的透镜(3)、二向色镜(2)、滤光器(4)、会聚透镜(5)和光谱仪(6)。其中，

激光器(1)，用于产生激发光束；二向色镜(2)，用于反射激光发束，允许拉曼散射光束通过；透镜(3)，用于对激发光束进行聚焦，其焦点位于气体腔(9)内，透镜(3)的孔径角范围在30°-80°；激发光束直径激发光束直径在0.5mm-5mm，小于透镜(3)的直径，焦点前后景深范围内的拉曼散射光能耦合进透镜(3)；

滤光器(4)，用于滤除激发光束；会聚透镜(5)，用于将拉曼散射光会聚到光谱仪(6)；光谱仪(6)，用于分析经过会聚之后的拉曼散射光。

2.根据权利要求1所述的基于拉曼光谱检测的工业气体多组分分析光路系统，其特征在于，激发光束直径为1mm，透镜(3)的孔径角范围在50°。

3.根据权利要求1所述的拉曼光谱系统，其特征在于，本系统还包括恒温控制装置(8)，用于保持光路部分的温度稳定，以保证光学部件的稳定工作。

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说 明 书

基于拉曼光谱检测的工业气体多组分分析光路系统

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所属技术领域

[0001] 本发明涉及气体光谱分析仪器领域，特别涉及一种工业气体多组分分析光路系统。背景技术

随着中国经济的快速发展，工业气体作为国民经济基础工业要素之一，在国民经

济中的重要地位和作用日益凸显。在本发明中，工业气体主要包括除惰性气体外的全部有机及无机气体，涉及石油化工、油气勘探、气体能源、钢铁、水泥、食品、造纸、环境监测、节能减排等领域的过程气体产物或最终气体产物，其精确快速检测将直接决定着相关行业的运行效率及经济效益，并为后期的优化控制提供依据。然而，由于多组分气体分析的复杂性，其检测技术多年来停滞不前，特别是集中体现在油气勘探、气体能源等领域，涉及有机和无机气体的同时检测，难以采用同一种技术对其进行时空统一的检测，往往需要采用组合式的气体检测技术，致使相关产业的分析效率低下，并严重影响了相关产业的进一步发展。[0003] 传统的多组分气体分析方法有：气相色谱法、红外光谱分析法、紫外差分光度法、热导分析法以及以各种电化学式气体传感器为代表的电化学分析法，这些方法大都难以同时实现对有机及无机气体的同时检测。其中气相色谱法需要利用色谱柱对气体进行分离富集，费时、费力、费用高，且仪器所需耗材众多、维护复杂，导致其检测效率偏差，难以满足工业气体实时检测的需求。红外光谱分析法和紫外差分光度法无法检测非极性气体成分，而热导分析法为非特异性物理检测技术，其传感器应用范围较窄，使用时限制因素较多，无法满足工业气体特别是复杂气体的多组分同时检测。电化学式气体传感器虽然体积小、价格低，但其对气体的识别度不高，使用中经常受到环境气体干扰而出现误报、漏报的情况，且传感器易中毒、使用寿命低，因此无法满足工业气体检测的精度要求。而本发明中所使用的拉曼光谱检测技术，则有效解决了上述方法所存在的问题。[0004] 早期的拉曼光谱检测仪器采用的是滤光片结构，该结构获得的光谱信息仅是拉曼光谱图中的某些孤立的光谱片段，如公开号为CN104198461A的专利中提出的检测方法，该方法仅能同时分析4-16种固定气体成分，在工业应用中有一定的局限性。

[0002]

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种适用于多组分工业气体全光谱分析的光路系统。采用本发明的光路系统实现的气体拉曼光谱检测系统，可以实现工业气体的高通量多组分同时检测；用简单的方式实现较高的检测灵敏度。本发明的技术方案如下：

[0006] 一种基于拉曼光谱检测的工业气体多组分分析光路系统，用于检测位于气体腔(9)内的工业气体，包括：包括依次排布在同一个光路上的透镜(3)、二向色镜(2)、滤光器(4)、会聚透镜(5)和光谱仪(6)。其中，

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激光器(1)，用于产生激发光束；

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说 明 书

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二向色镜(2)，用于反射激光发束，允许拉曼散射光束通过；[0009] 透镜(3)，用于对激发光束进行聚焦，其焦点位于气体腔(9)内，透镜(3)的孔径角范围在30°-80°；激发光束直径激发光束直径在0.5mm-5mm，小于透镜(3)的直径，焦点前后景深范围内的拉曼散射光能耦合进透镜(3)；[0010] 滤光器(4)，用于滤除激发光束；[0011] 会聚透镜(5)，用于将拉曼散射光会聚到光谱仪(6)；[0012] 光谱仪(6)，用于分析经过会聚之后的拉曼散射光。[0013] 作为优选实施方式，激发光束直径为1mm，透镜(3)的孔径角范围在50°。本发明还包括恒温控制装置(8)，用于保持光路部分的温度稳定，以保证光学部件的稳定工作。[0014] 本发明提出一种适用于工业气体多组分分析拉曼光谱检测的光路系统，通过对透镜和激发光束的参数设计或控制，使得位于气体腔内的透镜焦点焦点前后一定空间范围内激光强度都很高，从而增大了被激发气体的空间范围。而收集时，焦点前后景深范围内的拉曼散射光都能耦合进透镜3，因此提高了系统对拉曼散射信号的收集效率，进而有效提高了系统的检测灵敏度。附图说明

图1是采用本发明的光路系统实现的工业气体多组分分析拉曼光谱系统。

[0016] 图中，1为激光器，2为二向色镜，3为透镜，4为滤光片，5为会聚透镜，6为光谱仪，7为CCD，8为恒温控制装置，9为气体腔，10为窗片，11为气体腔进气孔，1213为减压阀，14为进气管道，15为出气管道，16为气路加温装置。[0017] 图2是氧气、氮气、甲烷的拉曼光谱。

[0018] 图3是用本发明的拉曼光谱系统分析检测的常见的工业气体的目录。

[0015]

具体实施方式

[0019] 下面结合附图和本发明的应用场景，对本发明进行详细说明。

[0020] 图1示出了采用本发明的光路系统实现的工业气体多组分分析拉曼光谱系统的结构示意图，详述如下。

[0021] 激光器1产生波长范围为400nm-1550nm，功率范围为50mW-2W，线宽范围为0.01nm-0.6nm的激发光束。

[0022] 本实施例采用的激光器中心波长为450nm、功率在100mW左右和线宽为0.1nm的激发光束。

[0023] 二向色镜2允许波长较长的拉曼散射光束通过，而反射波长较短的激发光束，但仅依靠二向色镜2无法完全去除激发光束，因此需要滤光片4进一步滤除激发光束。[0024] 透镜3对激发光束进行聚焦，其焦点位于气体腔9内，激发光束直径在0.5mm-5mm，小于透镜3的直径；透镜3的孔径角范围在30°-80°。本实施例采用直径为1mm的光束，透镜3的孔径角范围在50°。

本发明由于引入了景深控制，激发光束采用细光束入射，聚焦时光束的会聚角和

发散角都比较小，因此在焦点前后一定空间范围内激光强度都很高，从而增大了被激发气体的空间范围。而收集时，焦点前后景深范围内的拉曼散射光都能耦合进透镜3，因此极大

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的提高了系统对拉曼散射信号的收集效率，进而有效提高了系统的检测灵敏度。[0026] 其中，滤光片4滤除450nm的激发光束。

[0027] 会聚透镜5将拉曼散射光会聚到光谱仪6的狭缝处。

[0028] 光谱仪6与CCD7的分光范围应与激光器1的中心波长相对应，分辨率应小于10cm-1，其F值要与会聚透镜5相匹配，此处使用的光谱仪F值为2。

[0029] 恒温控制装置8将拉曼光谱系统的光路部分的温度稳定在15℃左右，以保证光学部件的稳定工作。

[0030] 气体腔9内部长度应当不低于4cm，本实施例的长度为5cm，以减小腔体后端杂散信号对气体拉曼散射信号的干扰。[0031] 窗片10为圆形石英窗片，厚度3mm，以保证气体腔在增压状态下不会破裂。[0032] 气体腔进气孔11应与窗片10有一定角度，以30°为宜，以保证待测气体流入气体腔9时能够吹扫窗片10，同时有效减小气体腔9中的死体积。[0033] 减压阀12，13用于对气体腔9进行恒压控制，以保证气路的稳定性，同时两个减压阀相配合，实现腔体增压，增压范围在1～100个大气压之间。通常可以控制在10个大气压左右。通过这种方式，能够有效增加腔体内气体分子数量，从而将拉曼散射信号强度提高1～2个数量级。

[0034] 工业气体通过进气管道14进入系统，分析后的气体通过出气管道15排出系统。[0035] 气路加温装置16将气体管路，包括气体腔9以及相应的进气管道14、出气管道15等部件的温度加温到50℃以上，以使待测工业气体的全部组分均处于气体状态下，从而保证了分析系统的准确性与稳定性。[0036] 图2示出系统测得氧气、氮气、甲烷的拉曼光谱。

[0037] 采用本发明的光路系统实现的工业气体多组分分析拉曼光谱系统，主要依据拉曼散射效应对气体分子能级变化的精确反映，因为气体分子能级的变化与气体分子结构的特征紧密联系且具备唯一性，所以拉曼光谱可以识别除惰性气体外的其它气体分子结构，准确区分每一种工业气体。同时，有机结合化学计量学方法，可以实现工业气体成分含量信息的准确测定。通过工业气体的直接测量，可以准确估计气体的利用价值或危害性，如燃烧值、温室效应、毒性等，是天然气工业、油气勘探、石油化工、钢铁、水泥、食品、造纸、环境监测、节能减排等行业在线分析的核心组成，也是相关工业实现最优化控制的关键。

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说 明 书 附 图

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图1

图2

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说 明 书 附 图

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图3

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