針對工業(yè)氣體多組分分析的拉曼光譜系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】
所屬技術領域
[0001]本發(fā)明涉及氣體光譜分析儀器領域，特別涉及一種針對工業(yè)氣體多組分分析的拉曼光譜系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]隨著中國經濟的快速發(fā)展，工業(yè)氣體作為國民經濟基礎工業(yè)要素之一，在國民經濟中的重要地位和作用日益凸顯。在本發(fā)明中，工業(yè)氣體主要包括除惰性氣體外的全部有機及無機氣體，涉及石油化工、油氣勘探、氣體能源、鋼鐵、水泥、食品、造紙、環(huán)境監(jiān)測、節(jié)能減排等領域的過程氣體產物或最終氣體產物，其精確快速檢測將直接決定著相關行業(yè)的運行效率及經濟效益，并為后期的優(yōu)化控制提供依據。然而，由于多組分氣體分析的復雜性，其檢測技術多年來停滯不前，特別是集中體現在油氣勘探、氣體能源等領域，涉及有機和無機氣體的同時檢測，難以采用同一種技術對其進行時空統(tǒng)一的檢測，往往需要采用組合式的氣體檢測技術，致使相關產業(yè)的分析效率低下，并嚴重影響了相關產業(yè)的進一步發(fā)展。
[0003]傳統(tǒng)的多組分氣體分析方法有:氣相色譜法、紅外光譜分析法、紫外差分光度法、熱導分析法以及以各種電化學式氣體傳感器為代表的電化學分析法，這些方法大都難以同時實現對有機及無機氣體的同時檢測。其中氣相色譜法需要利用色譜柱對氣體進行分離富集，費時、費力、費用高，且儀器所需耗材眾多、維護復雜，導致其檢測效率偏差，難以滿足工業(yè)氣體實時檢測的需求。紅外光譜分析法和紫外差分光度法無法檢測非極性氣體成分，而熱導分析法為非特異性物理檢測技術，其傳感器應用范圍較窄，使用時限制因素較多，無法滿足工業(yè)氣體特別是復雜氣體的多組分同時檢測。電化學式氣體傳感器雖然體積小、價格低，但其對氣體的識別度不高，使用中經常受到環(huán)境氣體干擾而出現誤報、漏報的情況，且傳感器易中毒、使用壽命低，因此無法滿足工業(yè)氣體檢測的精度要求。而本發(fā)明中所使用的拉曼光譜檢測技術，則有效解決了上述方法所存在的問題。
[0004]早期的拉曼光譜檢測儀器采用的是濾光片結構，該結構獲得的光譜信息僅是拉曼光譜圖中的某些孤立的光譜片段，如公開號為CN104198461A的專利中提出的檢測方法，該方法僅能同時分析4-16種固定氣體成分，在工業(yè)應用中有一定的局限性。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服現有技術的上述不足，提供一種可以對多組分工業(yè)氣體進行全光譜分析的光譜分析系統(tǒng)。本發(fā)明通過使用氣體拉曼光譜檢測技術，實現工業(yè)氣體的高通量多組分同時檢測；通過對氣體池進行增壓以提高分子密度，通過減小激光光束直徑以增大景深，從而用簡單的方式實現較高的檢測靈敏度；同時，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)內部設有完整的溫度、壓力控制系統(tǒng)，使其性能滿足各領域中工業(yè)氣體檢測的實際需求。本發(fā)明的技術方案如下:
[0006]一種針對工業(yè)氣體多組分分析的拉曼光譜系統(tǒng)，包括:氣體腔(9)和光路部分，在氣體腔(9)的一側開設有窗片(10);所述的光路部分包括依次排布在同一個光路上的透鏡(3)、二向色鏡(2)、濾光器⑷、會聚透鏡(5)和光譜儀(6)，所述的透鏡(3)正對窗片(10)，其中，
[0007]激光器(I)，用于產生激發(fā)光束；
[0008]二向色鏡(2)，用于反射激光發(fā)束，允許拉曼散射光束通過；
[0009]透鏡(3)，用于對激發(fā)光束進行聚焦，其焦點位于氣體腔(9)內，透鏡(3)的孔徑角范圍在30° -80° ;激發(fā)光束直徑激發(fā)光束直徑在0.5mm-5mm，小于透鏡(3)的直徑，焦點前后景深范圍內的拉曼散射光能耦合進透鏡(3);
[0010]濾光器(4)，用于濾除激發(fā)光束；
[0011]會聚透鏡(5)，用于將拉曼散射光會聚到光譜儀(6);
[0012]光譜儀￠)，用于分析經過會聚之后的拉曼散射光；
[0013]氣體腔(9)內部長度不短于4cm;
[0014]在氣體腔(9)的進氣管道(14)和出氣管道(15)上分別設置有控制壓力的裝置，用于對氣體腔(9)進行恒壓控制，使得腔內壓力穩(wěn)定增壓在一定壓力下，所述的一定壓力的取值范圍在大于I個大氣壓并小于100個大氣壓之間。
[0015]作為優(yōu)選實施方式，所述的控制壓力的裝置為減壓閥(12，13)。腔內壓力穩(wěn)定在10個大氣壓的壓力。激發(fā)光束直徑為1mm，透鏡(3)的孔徑角范圍在50°。所述的系統(tǒng)還包括恒溫控制裝置(8)，用于保持光路部分的溫度穩(wěn)定，以保證光學部件的穩(wěn)定工作。所述的系統(tǒng)還包括氣路加溫裝置(16)，用于對氣體管路加溫，以使待測工業(yè)氣體的全部組分均處于氣體狀態(tài)下。氣體腔進氣孔(11)與窗片(10)有一定角度，以20度到70度為宜，以保證待測氣體流入氣體腔(9)時能夠吹掃窗片(10)，同時有效減小氣體腔(9)中的死體積。
[0016]本發(fā)明提出的針對工業(yè)氣體多組分分析的拉曼光譜系統(tǒng)是在早期拉曼光譜檢測技術的基礎上，引入了拉曼全光譜檢測技術，該技術能夠對拉曼光譜圖進行整體分析，得到更為全面的光譜信息，解決了早期拉曼光譜檢測儀器無法同時檢測所有感興趣的有機及無機氣體的問題。同時，本發(fā)明在拉曼光譜檢測領域提出了景深控制的概念，采用了在氣路吹掃、氣體增壓、系統(tǒng)恒溫等關鍵技術，通過景深控制，有效提升拉曼光譜信號采集效率；采用傾斜吹掃技術，在保持窗片清潔的同時也降低了氣體死體積；采用氣路增壓的方法，有效提高了系統(tǒng)的檢測靈敏度；使用系統(tǒng)恒溫、氣路加溫的預處理方式，提高了拉曼光譜系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明提供的針對工業(yè)氣體多組分分析的拉曼光譜系統(tǒng)。
[0018]圖中，I為激光器，2為二向色鏡，3為透鏡，4為濾光片，5為會聚透鏡，6為光譜儀，7為(XD，8為恒溫控制裝置，9為氣體腔，10為窗片，11為氣體腔進氣孔，1213為減壓閥，14為進氣管道，15為出氣管道，16為氣路加溫裝置。
[0019]圖2是氧氣、氮氣、甲烷的拉曼光譜。
[0020]圖3是可以用本發(fā)明的拉曼光譜系統(tǒng)分析檢測的工業(yè)氣體的目錄。
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖，詳細說明如下。此處所描述的主要是針對工業(yè)氣體多組分分析的拉曼光譜系統(tǒng)的實現方法。
[0022]圖1示出了本發(fā)明提供的針對工業(yè)氣體多組分分析的拉曼光譜系統(tǒng)的結構示意圖，詳述如下。
[0023]激光器I產生波長范圍為400nm-1550nm，功率范圍為50mW_2W，線寬范圍為0.0lnm-0.6nm的激發(fā)光束。
[0024]本實施例采用的激光器中心波長為450nm、