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申请/专利权人：武汉米字能源科技有限公司

摘要：本发明公开了一种燃气流量和甲烷含量激光测量仪及测量方法，其中激光测量仪包括激光器、半透半反射透镜、全反射镜、第一光电探测器和第二光电探测器，激光器和两个光电探测器之间的区域为待测气流，激光器发出的光经半透半反射透镜后被分成两束，其中一束光与待测气流方向垂直，另一束光与待测气流方向成某一夹角；采样电路与两个光电探测器连接，两个光电探测器接收经过待测气流区域的两束光，并将接收到的光信号转换成电信号，再输入采样电路，采样后的数据经数据处理系统处理并计算出燃气流量和甲烷含量。本发明通过激光多普勒效应结合可调谐半导体激光吸收光谱技术，以待测气体吸收光谱为基础，同时实现了燃气气体流速和甲烷浓度的测量。

主权项：1.一种燃气流量和甲烷含量激光测量仪，其特征在于，包括激光器、半透半反射透镜、全反射镜、第一光电探测器和第二光电探测器，激光器和两个光电探测器之间的区域为待测气流，激光器发出的光经半透半反射透镜后被分成两束，其中一束光与待测气流方向垂直，另一束光与待测气流方向成某一夹角；该激光测量仪还包括采样电路和数据处理系统，采样电路与两个光电探测器连接，两个光电探测器接收经过待测气流区域的两束光，并将接收到的光信号转换成电信号，再输入采样电路，采样后的数据经数据处理系统处理并计算出燃气流量和甲烷含量；该激光测量仪还包括均与激光器连接的调制信号发生器、温控模块和电流控制模块，调制信号发生器产生特定的调制信号对激光器进行波长调制，温控模块和电流控制模块对激光器的发射波长进行控制。

全文数据：燃气流量和甲烷含量激光测量仪及测量方法技术领域[0001]本发明涉及气体激光测量仪，尤其涉及一种燃气流量和甲烷含量激光测量仪及测量方法。背景技术[0002]天然气是一种清洁的燃料和优质的化工原料，也是我国的主要能源之一。天然气的主要成分是甲烷，甲烷的含量决定了天然气的气质，检测管道天然气含量是非常有必要的。目前常用的甲烷检测方法主要有化学法、气相色谱法和光谱吸收法。化学法结构简单、反应快，但是对气体选择性差和稳定性都很差;气相色谱法应用范围广、灵敏度高，但是反应速度慢、实时性差;光谱吸收法稳定、精度高响应快。[0003]我国天然气贸易计量是在法定要求的质量指标下以体积或能量的方法进行交接计量，目前基本上以体积计量为主。随着天然气工业的快速发展，其工作压力不断提高，流量范围也逐渐增大，对流量计量仪表的要求也越来越高。传统的天然气流量计有孔板流量计、涡街流量计、超声波流量计等。孔板流量计虽然已经得到国际标准组织的认可，但是其测量范围窄、压力损失大且对直管段长度有要求，由于众多因素的影响错综复杂，精确度难以提高。涡街流量计测量范围宽、压力损失小、准确度高，但是抗振及耐温性能差、对测量脏污介质的适应性能差且对直管道要求高。超声波流量计是一种非接触式激光测量仪，它不会改变流体的流动状态、无压力损失、便于安装，但是抗干扰能力差、可靠性及精度等级低、使用寿命短等。传统测量方法已经很难满足现代工业天然气管道测量发展的需求。[0004]目前，能同时实现燃气浓度和速度测量的仪表几乎没有。随着光学集成系统和信号处理系统的发展，激光多普勒测速技术得到了快速发展，展现出明显优于传统方法的优势。利用可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS进行流速测量是其中的典型代表，将TDLAS技术和多普勒频移相结合可以在测量燃气含量的同时实现对气体流速的测量。发明内容[0005]本发明的目的是提供一种基于可调谐半导体激光吸收光谱技术和多普勒频移原理的天然气气体流速和甲烷含量激光测量仪。[0006]本发明所采用的技术方案是：[0007]提供一种燃气流量和甲烷含量激光测量仪，包括激光器、半透半反射透镜、全反射镜、第一光电探测器和第二光电探测器，激光器和两个光电探测器之间的区域为待测气流，激光器发出的光经半透半反射透镜后被分成两束，其中一束光与待测气流方向垂直，另一束光与待测气流方向成某一夹角；[0008]该激光测量仪还包括采样电路和数据处理系统，采样电路与两个光电探测器连接，两个光电探测器接收经过待测气流区域的两束光，并将接收到的光信号转换成电信号，再输入采样电路，采样后的数据经数据处理系统处理并计算出燃气流量和甲烷含量。[0009]接上述技术方案，该激光测量仪还包括均与激光器连接的调制信号发生器、温控模块和电流控制模块，调制信号发生器产生特定的调制信号对激光器进行波长调制，温控模块和电流控制模块对激光器的发射波长进行控制。[0010]接上述技术方案，所述激光器为超窄线宽半导体激光器。[0011]接上述技术方案，所述夹角为30-60°。[0012]本发明还提供一种同时测量燃气流量和甲烷含量的测量方法，包括以下步骤：[0013]激光器发出的光经半透半反射透镜后被分成两束，其中一束光与待测气流方向垂直的光既作为标定频移的参考信号又作为标定气体浓度的标准信号，另一束光与待测气流方向成某一夹角的光作为多普勒测流速的信号光；[0014]两束光经过待测气流区域后分别被两个光电探测器接收，两个光电探测器将接收到的光信号转换成电信号后，输入采样电路，再经数据处理系统处理；[0015]数据处理系统计算两路信号之间的频率偏移来反演气体流速，并利用不同浓度气体的吸收强度不同反演实际气体的含量。[0016]接上述技术方案，通过调制信号发生器产生特定的调制信号对激光器进行波长调制，温控模块和电流控制模块对激光器的发射波长进行控制。[0017]接上述技术方案，调制信号发生器产生高频调制信号和低频锯齿信号，低频锯齿信号对激光发射波长进行调谐，以固定频率扫描气体分子的单根吸收谱线从而获得气体吸收谱线;高频正弦信号作为载波对低频锯齿波电流进行调制，采用波长调制技术，产生的激光信号经过气体介质吸收后，利用锁相放大器解调制，得到其二次谐波信号。[0018]本发明产生的有益效果是:本发明利用激光多普勒效应结合可调谐半导体激光吸收光谱技术，以待测气体吸收光谱为基础，同时实现了燃气气体流速和甲烷浓度的测量。相比于全光纤结构测量系统，自由空间光系统成本低、结构更加简单、引入的光器件更少，只需两个透镜便能实现分光效果。附图说明[0019]下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：[0020]图1为本发明的整体机构图；[0021]图2为典型的天然气吸收谱线；[0022]图3为典型的二次谐波信号频移图。具体实施方式[0023]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。[0024]本发明利用可调谐半导体激光吸收光谱技术TDLAS进行流速测量，并将TDLAS技术和多普勒频移相结合在测量燃气含量的同时实现对气体流速的测量。[0025]本发明的燃气流速和甲烷含量激光测量仪，如图1所示，包括激光器7、半透半反射透镜8、全反射镜9、光电探测器10和光电探测器11。光电探测器10可固定在与激光器出射光垂直方向的管道上，光电探测器11的位置与管径D和两个透镜之间的距离L有关，具体SL±Dtan0，0为经过透镜9的反射光与气流方向的夹角，激光器7和光电探测器10、11分别置于待测气流区域两侧，即激光器7和两个光电探测器之间的区域为待测气流，激光器7发出的光经半透半反射透镜8后被分成两束，其中通过45°半透半反射透镜8透射的一束光与待测气流方向垂直，反射光与待测气流平行并经全反射镜9反射后与气流方向呈一角度如30〜60°射入待测气流。[0026]与待测气流方向垂直的一束光既作为标定频移的参考信号又作为标定气体浓度的标准信号，另一束与待测气流方向成某一夹角的光作为多普勒测流速的信号光。[0027]该激光测量仪还包括采样电路1和数据处理系统2。两束光经过待测气流区域后分别被光电探测器1〇、11接收，两个光电探测器将接收到的光信号转换成电信号后，输入采样电路1再经数据处理系统2处理，最终测得的数据输入中控室3。[0028]数据处理系统2计算两路信号之间的频率偏移来反演气体流速，利用不同浓度气体的吸收强度不同反演实际气体的含量，反演出的结果可以在显示界面显示。[0029]该激光测量仪还包括调制信号发生器4、温控模块5和电流控制模块6。调制信号发生器4产生特定的调制信号对激光器进行波长调制，温控模块5和电流控制模块6分别利用温度和电流精确控制激光器发射中心波长的频率。具体的，利用温控模块6在一定温度范围扫描，确定最佳吸收峰后锁定激光器温度;再利用电流控制模块6自动精确控制出射激光中心频率。[0030]调制信号发生器产生高频调制信号和低频锯齿信号。低频锯齿信号对激光发射波长进行调谐，以固定频率扫描气体分子的单根吸收谱线从而获得气体吸收谱线；高频正弦信号作为载波对低频锯齿波电流进行调制。采用波长调制技术，产生的激光信号经过气体介质吸收后，利用锁相放大器解调制，得到其二次谐波信号，如图2所示，为甲烷气体典型的二次谐波信号，与传统直接吸收法相比，既消除其他气体的干扰也能极大提高系统测量精度和量程。[0031]发射激光经透镜分束后，先后穿过待测气体区域被探测器接收。与气流垂直的一束光既作为标定频移的参考信号又作为标定气体浓度的标准信号，以该光束的中心频率作为该系统多普勒频移的参考信号，同时以其二次谐波信号强度作为气体浓度测量的标准信号，利用气体浓度与二次谐波信号强度成正比来计算待测气体的实际浓度，如图2所示为甲烷气体的二次谐波信号，当甲烷含量越高时，该信号的幅值越大，甲烷含量越低，信号的幅值越小；另一束与气流成一定角度的光作为多普勒测流速的信号光，如图3所示，两路信号波形相同幅值相同，仅最高峰对应的中心频率位置不同，气体流速越大，该中心频率位置变化越大，反之越小，通过计算两路信号之间的频率变化来计算气体流速。[0032]探测器将光信号转换为电信号输入采样电路，利用高速高精度AD转换器极大提高系统分辨率，可辨识〇.01Cnf1频移，最低可测量0.0lms流速，通过数据处理系统可得到实时气体流速。[0033]利用甲烷气体的二次谐波信号强度与气体浓度成正比，反演气体的实际浓度，可以通过标定方法实现任意范围甲烷含量的测量，在提高测量精度的同时也有效扩大测量浓度范围。[0034]本发明利用可调谐半导体激光吸收光谱技术和多普勒频移原理进行燃气流量和甲烷含量测量。可使用超窄线宽半导体激光器为光源，其频率调制扫描范围仅包含被测气体单根吸收谱线，且分辨率极高。天然气的主要成分是甲烷，通过扫描1650nm附近甲烷分子的单根吸收谱线可实现待测区域天然气含量的检测。当声音，光和无线电波等振动源与观测者以相对速度V相对运动时，观测者所收到的振动频率与振动源所发出的频率有所不同，该现象为多普勒效应，多普勒效应造成的发射和接收的频率之差称为多普勒频移。本发明根据待测气体吸收信号之间的频移大小进行气体流速反演，当气体流速越大频移越大，测量越准确;气体流速越小频移越小，需要高分辨率系统确保测量的准确度，该系统既能用于天然气浓度的测量，也可测量很宽范围的天然气流速。[0035]根据朗伯比尔Lambert-Beer吸收定律，强度为1〇、频率为V的单色光通过长度为L的吸收介质后，在接收端测得的强度为：[0036][0037]αV是频率V处介质的吸收截面，C为被测气体的浓度。[0038]直接吸收法易受背景干扰，很难检测微小的吸收变化。采用谐波探测技术对激光器进行调制，利用锁相放大器解调制得到检测线的二次谐波信号，可有效去除噪声和拟合基线对测量结果的干扰，实现较高的灵敏度。波长调制技术用高频正弦波为载波，对低频锯齿波信号进行电流调制，得到激光器的发射频率为：[0039][0040]Vo和δν分别是激光器发射中心频率和频率调制幅度，ω为调制频率。光通过待测气流区域后，强度会发生变化，可进行傅立叶展开得到各次谐波信号。检测信号的各次谐波与气体浓度呈较好的线性关系，综合考虑系统抗干扰能力、幅值大小、峰值定位等因素，通常选择二次谐波信号对检测信号进行处理和运算。二次谐波分量的表达式如下：[0041][0042]根据二次谐波信号和直流信号强度可以计算获得待测气体的浓度：[0043][0044]待测气体浓度与二次谐波信号幅值成正比，K值可通过标定得到，从而计算得到实际气体的浓度值。[0045]由多普勒频移原理可知待测气体流速与频移的关系为：[0046][0047]V，为探测器接收到的激光频率，C为光速，V为气流在光传输方向的速度，对该式进行处理可得：[0048][0049]Vgas为待测气体流速，Θ为气流与光传输方向的锐角夹角，如附图1所示，ΔV为两个探测器接收到的信号频率之差即频移。[0050]气体流速与频移成正比，频移越大可测的气体流速越大。根据待测气体吸收信号之间的频移大小进行气体流速反演，可精确计算出气体流速，且不受管道压力、流体状态等因素干扰。[0051]综上，本发明利用光学方法结合多普勒频移进行流速测量并同时对浓度进行测量，与传统方法相比：[0052]1本发明具有非接触测量、测量精度高、实时快速响应、测量量程广、抗干扰性强等优点，激光多普勒流速测量原理决定了气体待测速度仅与激光中心频率、光速、待测气体吸收谱线频移以及气体传输方向与激光发射方向的夹角有关，与气体压力、温度、气质等无关；[0053]2本发明采用空间光结构，利用透镜将发射激光分为两束，通过信号处理能够极大的提高信噪比和测量精度，且光学系统结构简单、紧凑，有效减小系统振动对光路的影响；[0054]3本发明以待测气体吸收光谱为基础，利用待测气体的吸收强度进行浓度测量，根据气体吸收谱线的频率反演气体流速大小，并一机多用，实现了燃气流速和甲烷浓度的测量；[0055]4本发明可实时在线测量，扫描间隔小于0.3秒、延时短，物联网远程通讯便于信号远距离传输；[0056]5本发明无易损器件、免维护、自动化程度高、物联网远程通讯无需现场人员值守。[0057]应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

权利要求：1.一种燃气流量和甲烷含量激光测量仪，其特征在于，包括激光器、半透半反射透镜、全反射镜、第一光电探测器和第二光电探测器，激光器和两个光电探测器之间的区域为待测气流，激光器发出的光经半透半反射透镜后被分成两束，其中一束光与待测气流方向垂直，另一束光与待测气流方向成某一夹角；该激光测量仪还包括采样电路和数据处理系统，采样电路与两个光电探测器连接，两个光电探测器接收经过待测气流区域的两束光，并将接收到的光信号转换成电信号，再输入采样电路，采样后的数据经数据处理系统处理并计算出燃气流量和甲烷含量。2.根据权利要求1所述的燃气流量和甲烷含量激光测量仪，其特征在于，该激光测量仪还包括均与激光器连接的调制信号发生器、温控模块和电流控制模块，调制信号发生器产生特定的调制信号对激光器进行波长调制，温控模块和电流控制模块对激光器的发射波长进行控制。3.根据权利要求1所述的燃气流量和甲烷含量激光测量仪，其特征在于，所述激光器为超窄线宽半导体激光器。4.根据权利要求1所述的燃气流量和甲烷含量激光测量仪，其特征在于，所述夹角为30-60°。5.—种基于权利要求1的同时测量燃气流量和甲烷含量的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：激光器发出的光经半透半反射透镜后被分成两束，其中一束光与待测气流方向垂直的光既作为标定频移的参考信号又作为标定气体浓度的标准信号，另一束光与待测气流方向成某一夹角的光作为多普勒测流速的信号光；两束光经过待测气流区域后分别被两个光电探测器接收，两个光电探测器将接收到的光信号转换成电信号后，输入采样电路，再经数据处理系统处理；数据处理系统计算两路信号之间的频率偏移来反演气体流速，并利用不同浓度气体的吸收强度不同反演实际气体的含量。6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，通过调制信号发生器产生特定的调制信号对激光器进行波长调制，温控模块和电流控制模块对激光器的发射波长进行控制。7.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，调制信号发生器产生高频调制信号和低频锯齿信号，低频锯齿信号对激光发射波长进行调谐，以固定频率扫描气体分子的单根吸收谱线从而获得气体吸收谱线；高频正弦信号作为载波对低频锯齿波电流进行调制，采用波长调制技术，产生的激光信号经过气体介质吸收后，利用锁相放大器解调制，得到其二次谐波信号。

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