一种多组分高稳定小型开路温室气体分析仪的制作方法

1.本发明涉及环境监测技术领域，尤其涉及一种多组分高稳定小型开路温室气体分析仪。


背景技术：

2.对于温室气体的通量监测，通常采用涡度相关法，即将小型开路式温室气体分析仪和三位风速仪相结合实现相关性计算，小型开路式温室气体分析仪是非常关键的一环，需保证准确实时有效的获得开放区域内待测气体的浓度变化情况。
3.然而现有小型开路式温室气体分析仪大多采用ndir技术，该方法采用宽带光源，易受灰尘及其他气体的干扰，且基于灵敏度和小型化的考虑，更多的是利用ndir进行co2和h2o的探测，再或着利用tdlas结合近红外激光器和多次反射吸收池实现ch4的探测，测量组分较为单一。
4.该类分析仪还需在户外长期运行，实际应用中为了更好的测量涡度信息，分析仪应尽可能减少空间遮挡，分析仪几乎完全暴露于大气环境中，现有技术中尤其结合多次反射吸收池的方式很难长期适应于户外应用，极易因环境因素的影响导致光路形变，增加维护难度和成本。非多次反射吸收池的测量方式，分析仪的稳定性同样的易受环境因素（灰尘、雨水等）及系统漂移（包括因温度及电路噪声带来的波长漂移）的影响。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了解决现有技术中存在小型开路式温室气体分析仪稳定性差的缺点，而提出的一种多组分高稳定小型开路温室气体分析仪。
6.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：本发明提供了一种多组分高稳定小型开路温室气体分析仪，包括主端、副端和从端，主端和副端之间由若干空心杆连接，从端固定在主端上，其中：主端包括：驱动控制及探测处理电路、中红外探测器、锁定气池、多个中红外dfb激光器和多个光学镜片，其中：驱动控制及探测处理电路用于控制中红外dfb激光器的温度和电流；多个光学镜片包括：第一分束镜、第二分束镜、中心带孔的反射镜、带通滤光片和加热膜，分别用于激光光束的合束与反射、光学噪声过滤及滤光片的加热处理。
7.副端包括：第一反射镜、第二反射镜及副端探测器，副端探测器固定在副端中部，第一反射镜及第二反射镜固定在副端内部两侧；第一激光器经过第一分束镜进行分束，其中反射部分用于开放测量，穿过带通滤光片后，经第一反射镜、第二反射镜反射后由中红外探测器进行探测接收，透射部分经中心带孔的反射镜和第二分束镜反射后穿过锁定气池，锁定气池内部封有一定浓度的混合气体，最终到达探测器；第三激光器经过第二分束镜分为两束，反射光束用于开放探测，透射光穿过锁定
气池后到达探测器；第二激光器穿过中心带孔的反射镜的中心小孔之后利用第二分束镜实现和第三激光器的光束耦合，之后耦合光束穿过带通滤光片之后到达副端探测器进行信号探测，将光信号转换为电信号，信号线穿过空心杆之后到达驱动控制及探测处理电路进行处理。
8.优选的，中红外dfb激光器具体为3个，分别是：波长3.27um的第一激光器、波长4.26um的第二激光器及波长1.39um的第三激光器，分别用于ch4、co2和h2o的测量。
9.优选的，从端内设有空气压缩机及电机，空气压缩机输入端设有过自动过滤膜旋转盘，电机输出端与伸缩杆的输入端连接，伸缩杆输出端上固定有喷气嘴，多路气管一端连接在喷气嘴输入端上，另一端连接空气压缩机输出端上。
10.优选的，自动过滤膜旋转盘上开设有多个孔位，孔位内安装有过滤膜。
11.本发明提出的一种多组分高稳定小型开路温室气体分析仪，有益效果在于：1、通过主端和从端的光路设计和电路结合实现了ch4、co2和h2o小型化同步分频探测和同步波长校准；2、大幅度提高系统稳定性：主端滤光片上增加加热贴，可以较好避免冷凝水的出现，提高稳定性；三路同步锁定，实现波长实时精准锁定，提高稳定性；增加从端实现主副端的镜片自动吹扫清洁，提高稳定性；电路增加光强自适应调整功能，改善因外界环境带来的信号较弱影响探测的问题。
附图说明
12.图1为本发明提出的一种多组分高稳定小型开路温室气体分析仪的结构示意图。
13.图2为本发明提出的一种多组分高稳定小型开路温室气体分析仪的光路图。
14.图3为本发明提出的一种多组分高稳定小型开路温室气体分析仪的从端的结构示意图。
15.图4为本发明提出的一种多组分高稳定小型开路温室气体分析仪的激光器的分频调制的正弦信号图。
16.图中：主端1：第一激光器101、第一分束镜102、中心带孔的反射镜103、第二激光器104、第二分束镜105、锁定气池106、探测器107、第三激光器108、中红外探测器109、加热膜110、带通滤光片111、驱动控制及探测处理电路112；副端2：第一反射镜201、第二反射镜202及副端探测器203；从端3：过滤膜301、自动过滤膜旋转盘302、空气压缩机303、多路气管304、伸缩杆305、电机306。
具体实施方式
17.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
18.参照图1-2，本发明提供了一种用于多组分测量的小型化开路式温室气体分析仪，分析仪由主端1、副端2和从端3三部分组成，主端1和副端2之间由若干空心杆4连接，从端3固定在主端1上。
19.主端包含3个中红外dfb激光器、驱动控制及探测处理电路112、若干光学镜片、锁定气池106及中红外探测器109，其中：3个中红外dfb激光器分别是：波长3.27um的第一激光器101、波长4.26um的第二激光器104及波长1.39um的第三激光器108，分别用于ch4、co2和h2o的同步高灵敏测量；驱动控制及探测处理电路112主要用于第一激光器101、第二激光器104和第三激光器108三者的温度和电流的精准控制，为了保证ch4、co2和h2o的严格同步测量，通过驱动控制及探测处理电路112产生3个不同频率的正弦波令3个中红外dfb激光器实现分频调制，再对探测信号进行分频解调处理，这样既可以保证同步的时效性也降低了各通道之间的信号及噪声干扰，分频调制的正弦信号如图4所示,频率和幅值均可设置。
20.此外该驱动控制及探测处理电路112具有信号的自适应调整和从端的控制功能，具体流程为：驱动控制及探测处理电路112信号可以根据各路的光强信号进行判断，当低于一定光强阈值时，自适应切换电路运放的增益档位，可在一定程度上抑制噪声的放大的同时增大有用信号的强度，保证测量，提高环境适应性；多个光学镜片包括：第一分束镜102、第二分束镜105、中心带孔的反射镜103、带通滤光片111和加热膜110，分别用于激光光束的合束与反射、光学噪声过滤及滤光片的加热处理等。
21.如图2所示，具体工作流程为：第一激光器101经过第一分束镜102进行分束，其中反射部分用于开放测量，穿过带通滤光片111后，经第一反射镜201、第二反射镜202反射后由中红外探测器109进行探测接收，透射部分经中心带孔的反射镜103和第二分束镜105反射后穿过锁定气池106，锁定气池106内部封有一定浓度的混合气体，最终到达探测器107；第三激光器108经过第二分束镜105分为两束，反射光束用于开放探测，透射光穿过锁定气池106后到达探测器107；第二激光器104穿过中心带孔的反射镜103的中心小孔之后利用第二分束镜105实现和第三激光器108的光束耦合，之后耦合光束穿过带通滤光片111之后到达副端探测器203进行信号探测，将光信号转换为电信号，信号线穿过空心杆4之后到达驱动控制及探测处理电路112进行处理。
22.滤光片111上增加加热贴110，可以较好避免冷凝水的出现，提高稳定性。
23.锁定池106和中红外探测器109主要用于三个激光器的波长实时校准，降低系统漂移，提高稳定性；具体的实时检测ch4/co2/h2o吸收峰位置，与目标位置进行比较，按照一定的步进值修改电流值，实现精准的波长校准。
24.如图3所示，从端3主要包括空气压缩机303、过滤膜301、自动过滤膜旋转盘302、电机306、伸缩杆305和多路气管304，与驱动控制及探测处理电路112组合实现信号的自适应调整和镜片自动吹扫。
25.具体工作流程为：可通过定时处理的方式实现镜片的自动吹扫清洁，即在一天当中的固定时间段控制启动空气压缩机303，空气压缩机303入口连接自动过滤膜旋转盘302，自动过滤膜旋转盘302上装有过滤膜，可过滤灰尘和h2o，保证压缩机出口为洁净空气，自动过滤膜旋转盘302包含有多个孔位，均安装过滤膜301，设置固定时间间隔1-2个月自动旋转，更换为新的过滤膜301，无需频繁维护。
26.空气压缩机303启动后控制电机306驱动伸缩杆305，伸缩杆305上带有多个不同方
向的喷气嘴，多路气管304一端与空气压缩机303输出端连接，另一端与喷气嘴输入端连接，将压缩空气通过喷气嘴对主端1和副端2镜片进行自动吹扫清洁，提高系统的稳定性和环境适应性。
27.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种多组分高稳定小型开路温室气体分析仪，包括主端（1）、副端（2）和从端（3），主端（1）和副端（2）之间由若干空心杆（4）连接，从端（3）固定在主端（1）上，其特征在于：主端（1）包括：驱动控制及探测处理电路（112）、中红外探测器（109）、锁定气池（106）、多个中红外dfb激光器和多个光学镜片，其中：驱动控制及探测处理电路（112）用于控制中红外dfb激光器的温度和电流；多个光学镜片包括：第一分束镜（102）、第二分束镜（105）、中心带孔的反射镜（103）、带通滤光片（111）和加热膜（110），分别用于激光光束的合束与反射、光学噪声过滤及滤光片的加热处理；副端（2）包括：第一反射镜（201）、第二反射镜（202）及副端探测器（203），副端探测器（203）固定在副端（2）中部，第一反射镜（201）及第二反射镜（202）固定在副端（2）内部两侧；第一激光器（101）经过第一分束镜（102）进行分束，其中反射部分用于开放测量，穿过带通滤光片（111）后，经第一反射镜（201）、第二反射镜（202）反射后由中红外探测器（109）进行探测接收，透射部分经中心带孔的反射镜（103）和第二分束镜（105）反射后穿过锁定气池（106），锁定气池（106）内部封有一定浓度的混合气体，最终到达探测器（107）；第三激光器（108）经过第二分束镜（105）分为两束，反射光束用于开放探测，透射光穿过锁定气池（106）后到达探测器（107）；第二激光器（104）穿过中心带孔的反射镜（103）的中心小孔之后利用第二分束镜（105）实现和第三激光器（108）的光束耦合，之后耦合光束穿过带通滤光片（111）之后到达副端探测器（203）进行信号探测，将光信号转换为电信号，信号线穿过空心杆（4）之后到达驱动控制及探测处理电路（112）进行处理。2.根据权利要求1所述的多组分高稳定小型开路温室气体分析仪，其特征在于，中红外dfb激光器具体为3个，分别是：波长3.27um的第一激光器（101）、波长4.26um的第二激光器（104）及波长1.39um的第三激光器（108），分别用于ch4、co2和h2o的测量。3.根据权利要求1所述的多组分高稳定小型开路温室气体分析仪，其特征在于，从端（3）内设有空气压缩机（303）及电机（306），空气压缩机（303）输入端设有过自动过滤膜旋转盘（302），电机（306）输出端与伸缩杆（305）的输入端连接，伸缩杆（305）输出端上固定有喷气嘴，多路气管（304）一端连接在喷气嘴输入端上，另一端连接空气压缩机（303）输出端上。4.根据权利要求3所述的多组分高稳定小型开路温室气体分析仪，其特征在于，自动过滤膜旋转盘（302）上开设有多个孔位，孔位内安装有过滤膜（301）。

技术总结
本发明涉及环境监测技术领域，尤其是一种多组分高稳定小型开路温室气体分析仪，包括主端、副端和从端，主端和副端之间由若干空心杆连接，从端固定在主端上，本发明通过主端和从端的光路设计和电路结合实现了CH4、CO2和H2O小型化同步分频探测和同步波长校准；本发明大幅度提高系统稳定性：主端滤光片上增加加热贴，可以较好避免冷凝水的出现，提高稳定性；三路同步锁定，实现波长实时精准锁定，提高稳定性；增加从端实现主副端的镜片自动吹扫清洁，提高稳定性；电路增加光强自适应调整功能，改善因外界环境带来的信号较弱影响探测的问题。外界环境带来的信号较弱影响探测的问题。外界环境带来的信号较弱影响探测的问题。


技术研发人员：何俊峰 刘津 王灿
受保护的技术使用者：安徽岑锋科技有限公司
技术研发日：2023.07.07
技术公布日：2023/8/13