一种基于F‑P光学信号增强的石化载氢管道气体含量在线测量的传感装置

摘要

本发明提供一种用于石化载氢管道气体含量在线测量的光学增强腔及传感装置，包括样品池，样品池上设有进气口和出气口；样品池的左右两端分别设有第一反射镜和第二反射镜；其中第一反射镜和第二反射镜均包括球面，球面的中部为圆平面；第一反射镜上设有用于入射激光的激光入口；样品池的侧向设有与拉曼信号收集单元连接透光的窗口玻片。光学增强腔采用特制的反射镜组成，构成了球面和圆平面的双F‑P腔结构，大大增强了激发光功率，这是其他装置所达不到的，实现了拉曼信号光几个数量级的增强，从而具有很高的灵敏度和精确度，同时在石化管道上实现了全光型测量作业，本质安全，并且可以实现在线实时测量。

说明书

技术领域

本发明涉及石化气体含量测量领域，具体涉及一种基于F-P光学信号增强的石化载氢管道气体含量在线测量的传感装置。

背景技术

载氢工艺在石化行业应用广泛，在适当的温度、氢气浓度与气压等条件下，生成一定分子量的烃类或者醇类等化工产品。乙烯氢气被用于加氢裂化装置和蜡油加氢等装置中，如果乙烯氢气纯度降低，将降低上述加氢装置的系统氢气分压，不利于加氢反应，会影响产品质量。为了保持足够的氢气分压，加氢装置还需要排放低氢气浓度的气体，增加了氢气的消耗。许多企业所使用的乙烯氢气为外购，含有杂质成分的乙烯氢气会增加原料成本。如果乙烯氢气纯度降低(甲烷、CO、CO₂杂质含量上升)，将造成以下不利：

(1)杂质含量上升，则氢气含量相对下降，会造成气体成本增加。

(2)乙烯氢气和炼厂制氢装置生产的氢大部分用于加氢裂化装置和蜡油加氢装置，剩余的氢气供炼厂老加氢装置使用。如果乙烯氢气纯度降低，将降低上述加氢装置的系统氢气分压，对加氢反应不利，影响产品质量。

(3)CO和CO₂在氢气条件下，会发生甲烷化反应，在催化剂床层放出大量热，导致床层超温，影响产品质量。

因此，石化工业迫切需要一个安全的乙烯氢气纯度监测技术。

目前，测量气体纯度的方法主要有三种：电化学型、电学型和光学型；但由于氢气等属于易燃易爆气体，使用电类传感器危险很大，因此现用于石化工业的传感器主要是光学传感器。气相色谱分析是一种分离测定多组分混合物的气体光学检测方法，基于不同物质在相对运动的两相中具有不同的分配系数，当这些物质随流动相移动时，就在两相之间进行反复多次分配，使原来分配系数只有微小差异的各组分分离，依次送入检测器测定，进而达到分离分析各气体组分的目的。分离后的各种气体再分别随着载气再先后流入不同特征的气体探测器进行数据采集和综合分析。该方法需要特定的气体或液体作为流动载体，携带样品进入色谱柱进行分析，增加了系统的复杂性，提高了运行成本，只能采用间断分析方式。

红外探测技术是应用较广泛的另外一种气体监测手段，红外吸收光谱是利用物质对某一波长的吸收强度，来反应出物质的浓度，基于红外吸收光谱方法的甲烷气体检测技术发展成熟，但该技术对混合气体的检测存在较大困难。

与上述光学探测技术相比，拉曼光谱技术可以实现实时、准确地对物质成分进行探测。拉曼散射光谱系统装置简单，对样品不要求预处理，且无损、分析速度快，可以满足现场实时实地的探测。气体探测分析中，利用拉曼光谱技术可以使用单一频率的激光同时激发出多种气体成分的拉曼散射光谱，在气体的拉曼探测系统中，由于气体分子对激发光的波长没有选择性，拉曼光谱技术可应用在多气体组分探测，而红外光谱在这一点上就无法实现。它能够同时分析8种组分，比如常见H₂、CO、CO₂、O₂、N₂、CH₄、C_xH_y、H₂O。检测量程从十几个PPM到100％，响应时间极短。因此，拉曼光谱是一种乙烯氢气的纯度及杂质含量的在线监测有力手段。

拉曼技术检测的原理是利用某一频率的激光照射到物体表面会使气体分子发生拉曼散射，每种气体分子会产生特定的拉曼位移。这样，当某一频率激光照射到混合气体上时，每种气体分子就会产生特定的拉曼位移谱线，我们对拉曼光谱谱线进行分析就可以知道混合气体的成分，同时，由于光谱谱线强度和气体浓度成正比，因此只需要分析所要检测的气体分子对应的谱线，就能得到待测气体的浓度含量。而目前用拉曼技术测气体含量的主要问题是气体分子的拉曼散射截面积要比它的吸收截面少几个数量级，相对而言，气体分子的吸收光谱更容易获得，而拉曼光谱的检测要困难得多。考虑到拉曼光强是和激发的激光功率成正比的，因此提高激发的激光功率是解决这一问题的有效手段，对于气体来说，表面增强和共振增强的方法都不适用，目前国内外一般都采用腔增强的方法。

CN1584555A公开了一种基于低分辨率拉曼光谱的石油产品质量快速测定仪，该装置主要用于检测石油油品质量，其特点在于成本低，体积小，便于携带，但其分辨率不高，没有设计拉曼散射增强系统，不适用于石化行业气体检测。

CN1645106A公开了一种基于拉曼技术的电力变压器油中溶解气体分析装置，该装置采用近共心腔光学系统作为拉曼散射增强装置，相对于其他装置提高了灵敏度，但是该装置将激光器、样品池和光学系统固定在一个安装板上，不可避免地会用到电源，不利于安装在石化工业乙烯氢气等易燃易爆的气体管道现场，且这种光学系统的增强作用有限。

目前，应用于石化行业乙烯氢气等易燃易爆气体的拉曼在线监测的测量系统在国内还比较少见，不仅要克服气体分子拉曼光谱检测困难的问题，还要保证安装在现场的系统装置不用到电等可能导致安全隐患的设备，同时还要考虑样品池的密封性问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于F-P光学信号增强的石化载氢管道气体含量在线测量的传感装置，实现了拉曼信号光几个数量级的增强，从而具有很高的灵敏度和精确度，同时在石化管道上实现了全光型测量作业，本质安全，并且可以实现在线实时测量。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种用于石化载氢管道气体含量在线测量的光学增强腔，其特征在于：它包括样品池，样品池上设有用于与通有待测气体的工业管道连接的进气口和出气口；

样品池的左右两端分别设有第一反射镜和第二反射镜；其中第一反射镜和第二反射镜均包括焦距为f的球面，球面的中部为直径为l的圆平面，使得两个球面构成第一F-P振荡腔，两个圆平面构成第二F-P振荡腔；第一反射镜上设有用于入射激光的激光入口；

样品池的侧向设有与拉曼信号收集单元连接透光的窗口玻片。

按上述方案，所述的第一反射镜和第二反射镜之间的间距d＝4f-Δd，Δd的范围为0.2mm-0.4mm。

按上述方案，所述的圆平面的直径l的范围为3mm-4mm。

按上述方案，所述的第一反射镜和第二反射镜镀有反射率在99.5％以上的高反介质膜。

按上述方案，所述的进气口和出气口与工业管道之间设有法兰盘和密封圈。

一种基于F-P光学信号增强的石化载氢管道气体含量在线测量的传感装置，其特征在于：它包括光学增强腔，还包括激光器、激光入射单元、拉曼信号收集单元、信号解调单元和信号处理单元；其中，

所述的激光器发出的激光经激光入射单元从第一反射镜上的激光入口进入样品池；

所述的拉曼信号收集单元包括设置在样品池一侧的宽带反射镜，和设置在样品池另一侧的拉曼探头；拉曼光透过窗口玻片由拉曼探头接收，传输至信号解调单元解调为电信号，再传输给信号处理单元。

按上述装置，所述的激光入射单元包括沿激光传播方向依次设置的光隔离器、准直透镜组和反射率在99.5％以上平面高反镜，还包括用于调整平面高反镜角度的角度调整架。

按上述装置，所述的拉曼探头包括沿拉曼光的传播方向依次设置的第一聚焦透镜、滤光片、陷波滤光片和第二聚焦透镜。

按上述装置，所述的宽带反射镜镀有反射率为95％以上的高反射率宽带介质膜。

本发明的有益效果为：

1、光学增强腔采用特制的反射镜组成，构成了球面和圆平面的双F-P腔结构，大大增强了激发光功率，这是其他装置所达不到的，实现了拉曼信号光几个数量级的增强，从而具有很高的灵敏度和精确度，同时在石化管道上实现了全光型测量作业，本质安全，并且可以实现在线实时测量。

2、激光入射单元可实现对激光入射角度及光束质量的调整。

3、拉曼收集单元采用大口径的球面反射镜，镀高反介质膜，保证了拉曼信号光的大范围收集，同时采用近心设计，提高了收集角度，实现了拉曼信号光最大限度地收集。

4、进气口和出气口采用法兰和密封垫圈与工业管道进行连接，保证了测量气体与工业气体的真正一致性，实现了真正意义上的在线监测。整个装置采用激光远程输入和拉曼信号远程输出方式可以避免电器件靠近易燃易爆等气体管道，检测安全可靠，可用于易燃易爆等气体的在线监测。

附图说明

图1为本发明一实施例的装置结构示意图。

图2为激光入射单元结构示意图。

图3为本发明一实施例的局部结构示意图。

图中：1、激光入射单元，2、样品池，2-1、进气口，2-2、出气口，3、拉曼信号收集单元，4、激光器，5、信号解调模块，6、信号处理单元，7、光隔离器，8、准直透镜组，9、平面高反镜，10、角度调整架，11、第一反射镜，11-1、激光入口，12、第二反射镜，13、宽带反射镜，14、第一聚焦透镜，15、滤光片，16、陷波滤光片，17、第二聚焦透镜。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

本发明提供一种用于石化载氢管道氢气和杂质含量在线测量的光学增强腔，如图1和图3所示，它包括样品池2，样品池2上设有用于与通有待测气体的工业管道连接的进气口2-1和出气口2-2；样品池2的左右两端分别设有第一反射镜11和第二反射镜12；其中第一反射镜11和第二反射镜12均包括焦距为f的球面，球面的中部为长度为l的圆平面，使得两个球面构成第一F-P振荡腔，两个圆平面构成第二F-P振荡腔；第一反射镜上设有用于入射激光的激光入口11-1；样品池2的侧向设有与拉曼信号收集单元3连接透光的窗口玻片。

本实施例中，所述的第一反射镜11和第二反射镜12之间的间距d＝4f-Δd，Δd的范围为0.25mm。所述的圆平面的直径l的范围为3.5mm左右。第一反射镜11和第二反射镜12镀有反射率99.5％以上的高反介质膜。

优选的，所述的进气口2-1和出气口2-2与工业管道之间设有法兰盘和密封圈。本实施例中，进气口2-1通过法兰、密封垫片与测量旁管相连，出气口2-2通过法兰、密封垫片与放空旁管相连，保证测量气体与石化管道气体的一致性及装置的密封性。

一种用于石化载氢管道氢气和杂质含量在线测量的传感装置，如图1和图3所示，它包括光学增强腔，还包括激光器4、激光入射单元1、拉曼信号收集单元3、信号解调单元5和信号处理单元6；其中，所述的激光器4发出的激光经激光入射单元1从第一反射镜11上的激光入口11-1进入样品池2；所述的拉曼信号收集单元3包括设置在样品池2一侧的宽带反射镜13，和设置在样品池2另一侧的拉曼探头；拉曼光透过窗口玻片由拉曼探头接收，传输至信号解调单元5解调为电信号，再传输给信号处理单元6。

如图2所示，所述的激光入射单元1包括沿激光传播方向依次设置的光隔离器7、准直透镜组8和反射率99.5％以上平面高反镜9，还包括用于调整平面高反镜9角度的角度调整架10。其安装方式如下：光隔离器7和准直透镜组8合成探头，与平面高反镜9一起安装在角度调整架10上，角度调整架10可以绕固定点旋转调整平面高反镜9的角度，激光经过光隔离器7和准直透镜组8后入射到平面高反镜9的固定点上，通过旋转平面高反镜9可以调节反射激光的出射角度来实现光入射角调节。

优选的，所述的拉曼探头包括沿拉曼光的传播方向依次设置的第一聚焦透镜14、滤光片15、陷波滤光片16和第二聚焦透镜17。

本实施例中，宽带反射镜13为直径达70mm大口径球面镜，镜面镀高反射率宽带介质膜，对激光的拉曼光反射率达到95％以上，同时拉曼探头采用近心设计，即第一聚焦透镜14的焦距采用小焦距约为7.5mm，保证收集透镜足够大的收集角，这样可以保证最大限度地收集到激发出的拉曼信号光；滤光片15和陷波滤光片16用于滤除激光和瑞利散射光等背景光，保证接受信号的信噪比。

本实施例中，激光入射单元1和光学增强腔及拉曼信号收集单元3安装在一个水平支架上，激光器出射的激光通过光缆传输到激光入射单元1，经过光束处理后射入光学增强腔激发拉曼光，拉曼光由拉曼信号收集单元3收集后进入光缆传输到信号解调模块5，信号解调模块通过通信线连接信号处理单元6进行信号处理。进气口2-1和出气口2-2通过法兰和密封垫与工业管道相连。

本实施例采用长距离光缆进行激光和拉曼信号光的传输，实现探测部件的全光结构，本质安全可靠。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。