[发明专利]激光气体分析仪

说明书

技术领域

本公开涉及能够有效测量混合有多种碳氢化合物组分的碳氢化合物多组分混合气体的激光气体分析仪。

背景技术

使用可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）法的激光气体分析仪具有如下优点：其能够简单地通过将光从波长可变的半导体激光器照射到测量对象上，在不受其它组分干扰的情况下，以高组分选择性、非接触和基于实时的快速方式，来测量诸如高温或腐蚀性气体之类的测量对象组分的浓度。

图19是示出了使用TDLAS法的相关技术的激光气体分析仪的示例的框图，并且该激光气体分析仪包括：光源单元，其包括向测量气体气氛发射测量激光的半导体激光器；光接收元件，其检测已经穿过测量气体气氛的测量空间的测量激光；以及检测单元，其包括对光接收元件的输出信号进行处理的计算处理模块。

图19所示的激光气体分析仪使用具有极窄的振动波长谱线宽度的半导体激光器，来测量由从红外线到近红外线范围内存在的测量对象组分分子的振动和转动能量转换引起的内在分子光学吸收光谱。诸如O₂、NH₃、H₂O、CO和CO₂之类的多数分子的分子吸收光谱存在于从红外线到近红外线的范围内，并且通过测量在具体波长处的光学吸收量（吸光度）能够计算对象组分的浓度。

在图19中，设置在光源单元10中的半导体激光器11发射测量激光到测量气体20的气氛。因为半导体激光器11输出的激光具有极窄的振荡波长谱线宽度，并且通过改变的温度或驱动电流能够改变振荡波长，所以仅可以测量吸收光谱的各个吸收峰值中的一个。

因此，可以选择不受干扰气体影响的吸收峰值，波长的选择性很高，并且没有其它干扰组分的影响，因此，可以在测量前的步骤中不去除干扰气体的情况下直接测量工艺气体。

可以通过在测量组分的一条吸收线附近扫描半导体激光器11的振荡波长来测量没有与干扰组分重叠的精确光谱，但是光谱形状会由于测量气体温度、测量气体压力、共存气体组分等引起的光谱展宽现象而改变。因此，在伴随着环境改变的实际工艺测量中，需要对改变进行校正。

因此，图19的设备使用了光谱面积法，在此方法中，通过扫描半导体激光器11的振荡波长以及测量吸收光谱来获得光谱面积，并且将光谱面积转换为组分浓度。

其它激光气体分析仪使用峰高法，在此方法中，从吸收光谱的峰值高度来获得测量组分；或者使用2f法，在此方法中，对波长扫描信号进行调制，并且从频率的二倍频率调制波形的峰峰（P-P）值获得测量组分的浓度。然而，这些方法容易受到温度、压力、共存气体组分等的变化的显著影响。

相反，原则上，光谱面积不受由共存气体组分的不同引起的变化的影响（不管共存气体组分如何光谱面积几乎是常数），并且光谱面积原则上还随着压力改变而线性变化。

在峰高法或2f法中，引起变化的上述三个因素（温度、压力和共存气体组分）都具有非线性影响，并且在引起变化的各个因素共存的情况下，难以进行校正。然而，根据光谱面积法，针对气体压力变化的线性校正以及针对气体温度变化的非线性校正是可能的，从而可以实现精确校正。

已经穿过测量气体20的气氛的测量激光被设置在检测单元30中的光接收元件31接收，并且被转换为电信号。

光接收元件31的输出信号被通过可变增益放大器32调节到合适的幅度水平，被输入到A/D转换器33，并且被转换为数字信号。

A/D转换器33的输出数据在积分器34和存储器35之间经过预定次数（例如，几百到几千次）的积分重复以及与半导体激光器11的波长的扫描同步地存储在存储器35中，以便去除测量信号中包括的噪声，并且使数据平坦，然后输入至CPU36。

CPU36基于已去除噪声的测量信号来执行诸如测量气体的浓度分析之类的计算处理，并且在光接收元件31的输出信号的幅度水平不适合于作为A/D转换器33的输入电平的情况下执行放大器32的增益调节。

非专利文献1描述了采用波长可变的半导体激光光谱学的激光气体分析的测量原理、特征和具体测量示例。

[相关技术文献]

[非专利文献]