一種基于f?p光學(xué)信號增強的石化載氫管道氣體含量在線測量的傳感裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種用于石化載氫管道氣體含量在線測量的光學(xué)增強腔及傳感裝置，包括樣品池，樣品池上設(shè)有進(jìn)氣口和出氣口；樣品池的左右兩端分別設(shè)有第一反射鏡和第二反射鏡；其中第一反射鏡和第二反射鏡均包括球面，球面的中部為圓平面；第一反射鏡上設(shè)有用于入射激光的激光入口；樣品池的側(cè)向設(shè)有與拉曼信號收集單元連接透光的窗口玻片。光學(xué)增強腔采用特制的反射鏡組成，構(gòu)成了球面和圓平面的雙F?P腔結(jié)構(gòu)，大大增強了激發(fā)光功率，這是其他裝置所達(dá)不到的，實現(xiàn)了拉曼信號光幾個數(shù)量級的增強，從而具有很高的靈敏度和精確度，同時在石化管道上實現(xiàn)了全光型測量作業(yè)，本質(zhì)安全，并且可以實現(xiàn)在線實時測量。
【專利說明】
一種基于F-P光學(xué)信號増強的石化載氫管道氣體含量在線測量的傳感裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及石化氣體含量測量領(lǐng)域，具體涉及一種基于F-P光學(xué)信號增強的石化載氫管道氣體含量在線測量的傳感裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]載氫工藝在石化行業(yè)應(yīng)用廣泛，在適當(dāng)?shù)臏囟?、氫氣濃度與氣壓等條件下，生成一定分子量的烴類或者醇類等化工產(chǎn)品。乙烯氫氣被用于加氫裂化裝置和蠟油加氫等裝置中，如果乙烯氫氣純度降低，將降低上述加氫裝置的系統(tǒng)氫氣分壓，不利于加氫反應(yīng)，會影響產(chǎn)品質(zhì)量。為了保持足夠的氫氣分壓，加氫裝置還需要排放低氫氣濃度的氣體，增加了氫氣的消耗。許多企業(yè)所使用的乙烯氫氣為外購，含有雜質(zhì)成分的乙烯氫氣會增加原料成本。如果乙烯氫氣純度降低(甲烷、C0、C02雜質(zhì)含量上升)，將造成以下不利:
[0003](I)雜質(zhì)含量上升，則氫氣含量相對下降，會造成氣體成本增加。
[0004](2)乙烯氫氣和煉廠制氫裝置生產(chǎn)的氫大部分用于加氫裂化裝置和蠟油加氫裝置，剩余的氫氣供煉廠老加氫裝置使用。如果乙烯氫氣純度降低，將降低上述加氫裝置的系統(tǒng)氫氣分壓，對加氫反應(yīng)不利，影響產(chǎn)品質(zhì)量。
[0005](3)C0和CO2在氫氣條件下，會發(fā)生甲烷化反應(yīng)，在催化劑床層放出大量熱，導(dǎo)致床層超溫，影響產(chǎn)品質(zhì)量。
[0006]因此，石化工業(yè)迫切需要一個安全的乙烯氫氣純度監(jiān)測技術(shù)。
[0007]目前，測量氣體純度的方法主要有三種:電化學(xué)型、電學(xué)型和光學(xué)型；但由于氫氣等屬于易燃易爆氣體，使用電類傳感器危險很大，因此現(xiàn)用于石化工業(yè)的傳感器主要是光學(xué)傳感器。氣相色譜分析是一種分離測定多組分混合物的氣體光學(xué)檢測方法，基于不同物質(zhì)在相對運動的兩相中具有不同的分配系數(shù)，當(dāng)這些物質(zhì)隨流動相移動時，就在兩相之間進(jìn)行反復(fù)多次分配，使原來分配系數(shù)只有微小差異的各組分分離，依次送入檢測器測定，進(jìn)而達(dá)到分離分析各氣體組分的目的。分離后的各種氣體再分別隨著載氣再先后流入不同特征的氣體探測器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和綜合分析。該方法需要特定的氣體或液體作為流動載體，攜帶樣品進(jìn)入色譜柱進(jìn)行分析，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高了運行成本，只能采用間斷分析方式。
[0008]紅外探測技術(shù)是應(yīng)用較廣泛的另外一種氣體監(jiān)測手段，紅外吸收光譜是利用物質(zhì)對某一波長的吸收強度，來反應(yīng)出物質(zhì)的濃度，基于紅外吸收光譜方法的甲烷氣體檢測技術(shù)發(fā)展成熟，但該技術(shù)對混合氣體的檢測存在較大困難。
[0009]與上述光學(xué)探測技術(shù)相比，拉曼光譜技術(shù)可以實現(xiàn)實時、準(zhǔn)確地對物質(zhì)成分進(jìn)行探測。拉曼散射光譜系統(tǒng)裝置簡單，對樣品不要求預(yù)處理，且無損、分析速度快，可以滿足現(xiàn)場實時實地的探測。氣體探測分析中，利用拉曼光譜技術(shù)可以使用單一頻率的激光同時激發(fā)出多種氣體成分的拉曼散射光譜，在氣體的拉曼探測系統(tǒng)中，由于氣體分子對激發(fā)光的波長沒有選擇性，拉曼光譜技術(shù)可應(yīng)用在多氣體組分探測，而紅外光譜在這一點上就無法實現(xiàn)。它能夠同時分析8種組分，比如常見H2、CO、CO2、O2、N2、CH4、CxHy、H20。檢測量程從十幾個PPM到100%，響應(yīng)時間極短。因此，拉曼光譜是一種乙烯氫氣的純度及雜質(zhì)含量的在線監(jiān)測有力手段。
[0010]拉曼技術(shù)檢測的原理是利用某一頻率的激光照射到物體表面會使氣體分子發(fā)生拉曼散射，每種氣體分子會產(chǎn)生特定的拉曼位移。這樣，當(dāng)某一頻率激光照射到混合氣體上時，每種氣體分子就會產(chǎn)生特定的拉曼位移譜線，我們對拉曼光譜譜線進(jìn)行分析就可以知道混合氣體的成分，同時，由于光譜譜線強度和氣體濃度成正比，因此只需要分析所要檢測的氣體分子對應(yīng)的譜線，就能得到待測氣體的濃度含量。而目前用拉曼技術(shù)測氣體含量的主要問題是氣體分子的拉曼散射截面積要比它的吸收截面少幾個數(shù)量級，相對而言，氣體分子的吸收光譜更容易獲得，而拉曼光譜的檢測要困難得多?？紤]到拉曼光強是和激發(fā)的激光功率成正比的，因此提高激發(fā)的激光功率是解決這一問題的有效手段，對于氣體來說，表面增強和共振增強的方法都不適用，目前國內(nèi)外一般都采用腔增強的方法。
[0011]CN1584555A公開了一種基于低分辨率拉曼光譜的石油產(chǎn)品質(zhì)量快速測定儀，該裝置主要用于檢測石油油品質(zhì)量，其特點在于成本低，體積小，便于攜帶，但其分辨率不高，沒有設(shè)計拉曼散射增強系統(tǒng)，不適用于石化行業(yè)氣體檢測。
[0012]CN1645106A公開了一種基于拉曼技術(shù)的電力變壓器油中溶解氣體分析裝置，該裝置采用近共心腔光學(xué)系統(tǒng)作為拉曼散射增強裝置，相對于其他裝置提高了靈敏度，但是該裝置將激光器、樣品池和光學(xué)系統(tǒng)固定在一個安裝板上，不可避免地會用到電源，不利于安裝在石化工業(yè)乙烯氫氣等易燃易爆的氣體管道現(xiàn)場，且這種光學(xué)系統(tǒng)的增強作用有限。
[0013]目前，應(yīng)用于石化行業(yè)乙烯氫氣等易燃易爆氣體的拉曼在線監(jiān)測的測量系統(tǒng)在國內(nèi)還比較少見，不僅要克服氣體分子拉曼光譜檢測困難的問題，還要保證安裝在現(xiàn)場的系統(tǒng)裝置不用到電等可能導(dǎo)致安全隱患的設(shè)備，同時還要考慮樣品池的密封性問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:提供一種基于F-P光學(xué)信號增強的石化載氫管道氣體含量在線測量的傳感裝置，實現(xiàn)了拉曼信號光幾個數(shù)量級的增強，從而具有很高的靈敏度和精確度，同時在石化管道上實現(xiàn)了全光型測量作業(yè)，本質(zhì)安全，并且可以實現(xiàn)在線實時測量。
[0015]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案為:一種用于石化載氫管道氣體含量在線測量的光學(xué)增強腔，其特征在于:它包括樣品池，樣品池上設(shè)有用于與通有待測氣體的工業(yè)管道連接的進(jìn)氣口和出氣口；
[0016]樣品池的左右兩端分別設(shè)有第一反射鏡和第二反射鏡;其中第一反射鏡和第二反射鏡均包括焦距為f的球面，球面的中部為直徑為I的圓平面，使得兩個球面構(gòu)成第一 F-P振蕩腔，兩個圓平面構(gòu)成第二 F-P振蕩腔;第一反射鏡上設(shè)有用于入射激光的激光入口；
[0017]樣品池的側(cè)向設(shè)有與拉曼信號收集單元連接透光的窗口玻片。
[0018]按上述方案，所述的第一反射鏡和第二反射鏡之間的間距d= 4f_ Ad，Ad的范圍為0.2mm-0.4mm0
[0019 ] 按上述方案，所述的圓平面的直徑I的范圍為。
[0020]按上述方案，所述的第一反射鏡和第二反射鏡鍍有反射率在99.5%以上的高反介質(zhì)膜。
[0021 ] 按上述方案，所述的進(jìn)氣口和出氣口與工業(yè)管道之間設(shè)有法蘭盤和密封圈。
[0022]—種基于F-P光學(xué)信號增強的石化載氫管道氣體含量在線測量的傳感裝置，其特征在于:它包括光學(xué)增強腔，還包括激光器、激光入射單元、拉曼信號收集單元、信號解調(diào)單元和信號處理單元;其中，
[0023]所述的激光器發(fā)出的激光經(jīng)激光入射單元從第一反射鏡上的激光入口進(jìn)入樣品池；
[0024]所述的拉曼信號收集單元包括設(shè)置在樣品池一側(cè)的寬帶反射鏡，和設(shè)置在樣品池另一側(cè)的拉曼探頭;拉曼光透過窗口玻片由拉曼探頭接收，傳輸至信號解調(diào)單元解調(diào)為電信號，再傳輸給信號處理單元。
[0025]按上述裝置，所述的激光入射單元包括沿激光傳播方向依次設(shè)置的光隔離器、準(zhǔn)直透鏡組和反射率在99.5%以上平面高反鏡，還包括用于調(diào)整平面高反鏡角度的角度調(diào)整架。
[0026]按上述裝置，所述的拉曼探頭包括沿拉曼光的傳播方向依次設(shè)置的第一聚焦透鏡、濾光片、陷波濾光片和第二聚焦透鏡。
[0027]按上述裝置，所述的寬帶反射鏡鍍有反射率為95%以上的高反射率寬帶介質(zhì)膜。
[0028]本發(fā)明的有益效果為:
[0029]1、光學(xué)增強腔采用特制的反射鏡組成，構(gòu)成了球面和圓平面的雙F-P腔結(jié)構(gòu)，大大增強了激發(fā)光功率，這是其他裝置所達(dá)不到的，實現(xiàn)了拉曼信號光幾個數(shù)量級的增強，從而具有很高的靈敏度和精確度，同時在石化管道上實現(xiàn)了全光型測量作業(yè)，本質(zhì)安全，并且可以實現(xiàn)在線實時測量。
[0030]2、激光入射單元可實現(xiàn)對激光入射角度及光束質(zhì)量的調(diào)整。
[0031]3、拉曼收集單元采用大口徑的球面反射鏡，鍍高反介質(zhì)膜，保證了拉曼信號光的大范圍收集，同時采用近心設(shè)計，提高了收集角度，實現(xiàn)了拉曼信號光最大限度地收集。
[0032]4、進(jìn)氣口和出氣口采用法蘭和密封墊圈與工業(yè)管道進(jìn)行連接，保證了測量氣體與工業(yè)氣體的真正一致性，實現(xiàn)了真正意義上的在線監(jiān)測。整個裝置采用激光遠(yuǎn)程輸入和拉曼信號遠(yuǎn)程輸出方式可以避免電器件靠近易燃易爆等氣體管道，檢測安全可靠，可用于易燃易爆等氣體的在線監(jiān)測。
【附圖說明】
[0033]圖1為本發(fā)明一實施例的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0034]圖2為激光入射單元結(jié)構(gòu)示意圖。
[0035]圖3為本發(fā)明一實施例的局部結(jié)構(gòu)不意圖。
[0036]圖中:1、激光入射單元，2、樣品池，2-1、進(jìn)氣口，2-2、出氣口，3、拉曼信號收集單元，4、激光器，5、信號解調(diào)模塊，6、信號處理單元，7、光隔離器，8、準(zhǔn)直透鏡組，9、平面高反鏡，10、角度調(diào)整架，11、第一反射鏡，11-1、激光入口，12、第二反射鏡，13、寬帶反射鏡，14、第一聚焦透鏡，15、濾光片，16、陷波濾光片，17、第二聚焦透鏡。
【具體實施方式】
[0037]下面結(jié)合具體實例和附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0038]本發(fā)明提供一種用于石化載氫管道氫氣和雜質(zhì)含量在線測量的光學(xué)增強腔，如圖1和圖3所示，它包括樣品池2，樣品池2上設(shè)有用于與通有待測氣體的工業(yè)管道連接的進(jìn)氣口 2-1和出氣口 2-2;樣品池2的左右兩端分別設(shè)有第一反射鏡11和第二反射鏡12;其中第一反射鏡11和第二反射鏡12均包括焦距為f的球面，球面的中部為長度為I的圓平面，使得兩個球面構(gòu)成第一 F-P振蕩腔，兩個圓平面構(gòu)成第二 F-P振蕩腔;第一反射鏡上設(shè)有用于入射激光的激光入口 11-1;樣品池2的側(cè)向設(shè)有與拉曼信號收集單元3連接透光的窗口玻片。
[0039]本實施例中，所述的第一反射鏡11和第二反射鏡12之間的間距d= 4f_ Δ d，Δ d的范圍為0.25mm。所述的圓平面的直徑I的范圍為3.5mm左右。第一反射鏡11和第二反射鏡12鍍有反射率99.5%以上的高反介質(zhì)膜。
[0040]優(yōu)選的，所述的進(jìn)氣口 2-1和出氣口 2-2與工業(yè)管道之間設(shè)有法蘭盤和密封圈。本實施例中，進(jìn)氣口 2-1通過法蘭、密封墊片與測量旁管相連，出氣口 2-2通過法蘭、密封墊片與放空旁管相連，保證測量氣體與石化管道氣體的一致性及裝置的密封性。
[0041]一種用于石化載氫管道氫氣和雜質(zhì)含量在線測量的傳感裝置，如圖1和圖3所示，它包括光學(xué)增強腔，還包括激光器4、激光入射單元1、拉曼信號收集單元3、信號解調(diào)單元5和信號處理單元6;其中，所述的激光器4發(fā)出的激光經(jīng)激光入射單元I從第一反射鏡11上的激光入口 11-1進(jìn)入樣品池2;所述的拉曼信號收集單元3包括設(shè)置在樣品池2—側(cè)的寬帶反射鏡13，和設(shè)置在樣品池2另一側(cè)的拉曼探頭;拉曼光透過窗口玻片由拉曼探頭接收，傳輸至信號解調(diào)單元5解調(diào)為電信號，再傳輸給信號處理單元6。
[0042]如圖2所示，所述的激光入射單元I包括沿激光傳播方向依次設(shè)置的光隔離器7、準(zhǔn)直透鏡組8和反射率99.5%以上平面高反鏡9，還包括用于調(diào)整平面高反鏡9角度的角度調(diào)整架10。其安裝方式如下:光隔離器7和準(zhǔn)直透鏡組8合成探頭，與平面高反鏡9 一起安裝在角度調(diào)整架10上，角度調(diào)整架10可以繞固定點旋轉(zhuǎn)調(diào)整平面高反鏡9的角度，激光經(jīng)過光隔離器7和準(zhǔn)直透鏡組8后入射到平面高反鏡9的固定點上，通過旋轉(zhuǎn)平面高反鏡9可以調(diào)節(jié)反射激光的出射角度來實現(xiàn)光入射角調(diào)節(jié)。
[0043]優(yōu)選的，所述的拉曼探頭包括沿拉曼光的傳播方向依次設(shè)置的第一聚焦透鏡14、濾光片15、陷波濾光片16和第二聚焦透鏡17。
[0044]本實施例中，寬帶反射鏡13為直徑達(dá)70mm大口徑球面鏡，鏡面鍍高反射率寬帶介質(zhì)膜，對激光的拉曼光反射率達(dá)到95%以上，同時拉曼探頭采用近心設(shè)計，即第一聚焦透鏡14的焦距采用小焦距約為7.5mm，保證收集透鏡足夠大的收集角，這樣可以保證最大限度地收集到激發(fā)出的拉曼信號光;濾光片15和陷波濾光片16用于濾除激光和瑞利散射光等背景光，保證接受信號的信噪比。
[0045]本實施例中，激光入射單元I和光學(xué)增強腔及拉曼信號收集單元3安裝在一個水平支架上，激光器出射的激光通過光纜傳輸?shù)郊す馊肷鋯卧狪，經(jīng)過光束處理后射入光學(xué)增強腔激發(fā)拉曼光，拉曼光由拉曼信號收集單元3收集后進(jìn)入光纜傳輸?shù)叫盘柦庹{(diào)模塊5，信號解調(diào)模塊通過通信線連接信號處理單元6進(jìn)行信號處理。進(jìn)氣口2-1和出氣口 2-2通過法蘭和密封墊與工業(yè)管道相連。
[0046]本實施例采用長距離光纜進(jìn)行激光和拉曼信號光的傳輸，實現(xiàn)探測部件的全光結(jié)構(gòu)，本質(zhì)安全可靠。
[0047]以上實施例僅用于說明本發(fā)明的設(shè)計思想和特點，其目的在于使本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施，本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于上述實施例。所以，凡依據(jù)本發(fā)明所揭示的原理、設(shè)計思路所作的等同變化或修飾，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種用于石化載氫管道氣體含量在線測量的光學(xué)增強腔，其特征在于:它包括樣品池，樣品池上設(shè)有用于與通有待測氣體的工業(yè)管道連接的進(jìn)氣口和出氣口； 樣品池的左右兩端分別設(shè)有第一反射鏡和第二反射鏡;其中第一反射鏡和第二反射鏡均包括焦距為/的球面，球面的中部為直徑為2的圓平面，使得兩個球面構(gòu)成第一F-P振蕩腔，兩個圓平面構(gòu)成第二 F-P振蕩腔;第一反射鏡上設(shè)有用于入射激光的激光入口； 樣品池的側(cè)向設(shè)有與拉曼信號收集單元連接透光的窗口玻片。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于石化載氫管道氣體含量在線測量的光學(xué)增強腔，其特征在于:所述的第一反射鏡和第二反射鏡之間的間距c/ =4/ -Ac/ ,Ad的范圍為0.2mm-0.4mmo3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于石化載氫管道氣體含量在線測量的光學(xué)增強腔，其特征在于:所述的圓平面的直徑2的范圍為3mm-4mm。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于石化載氫管道氣體含量在線測量的光學(xué)增強腔，其特征在于:所述的第一反射鏡和第二反射鏡鍍有反射率在99.5%以上的高反介質(zhì)膜。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于石化載氫管道氣體含量在線測量的光學(xué)增強腔，其特征在于:所述的進(jìn)氣口和出氣口與工業(yè)管道之間設(shè)有法蘭盤和密封圈。6.—種基于F-P光學(xué)信號增強的石化載氫管道氣體含量在線測量的傳感裝置，其特征在于:它包括權(quán)利要求1至5中任意一項所述的光學(xué)增強腔，還包括激光器、激光入射單元、拉曼信號收集單元、信號解調(diào)單元和信號處理單元;其中， 所述的激光器發(fā)出的激光經(jīng)激光入射單元從第一反射鏡上的激光入口進(jìn)入樣品池； 所述的拉曼信號收集單元包括設(shè)置在樣品池一側(cè)的寬帶反射鏡，和設(shè)置在樣品池另一側(cè)的拉曼探頭;拉曼光透過窗口玻片由拉曼探頭接收，傳輸至信號解調(diào)單元解調(diào)為電信號，再傳輸給信號處理單元。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于F-P光學(xué)信號增強的石化載氫管道氣體含量在線測量的傳感裝置，其特征在于:所述的激光入射單元包括沿激光傳播方向依次設(shè)置的光隔離器、準(zhǔn)直透鏡組和反射率在99.5%以上的平面高反鏡，還包括用于調(diào)整平面高反鏡角度的角度調(diào)整架。8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于F-P光學(xué)信號增強的石化載氫管道氣體含量在線測量的傳感裝置，其特征在于:所述的拉曼探頭包括沿拉曼光的傳播方向依次設(shè)置的第一聚焦透鏡、濾光片、陷波濾波片和第二聚焦透鏡。9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于F-P光學(xué)信號增強的石化載氫管道氣體含量在線測量的傳感裝置，其特征在于:所述的寬帶反射鏡鍍有反射率在95%以上的高反射率寬帶介質(zhì)膜。
【文檔編號】G01N21/65GK106053428SQ201610353564
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月25日
【發(fā)明人】童杏林, 楊華東, 母坤, 鄧承偉, 張寶林, 胡畔, 陳亮, 黃迪
【申請人】武漢理工大學(xué)