CN101308089B - 乙炔气体的光学检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明乙炔气体的光学检测方法及装置；其方法包括信号发生装置产生线性扫描电流和正弦电流相叠加的信号，加入可调激光装置的直流驱动电流中；可调激光装置的输出光的频率在作线性扫描的同时，还受到正弦电流调制；当激光束通过气体吸收池时，随着光波频扫吸收谱线，其吸收强度也受到正弦电流信号调制；经过气体吸收池的信号经光电检测装置检测后经放大适配装置处理后被计算机采集，并经计算机处理后输出浓度信息。其装置包括信号发生装置连接有能受信号发生装置调制的可调激光装置；可调激光装置产生的光通过气体吸收池传送到光电检测装置；光电检测装置连接有放大适配装置；本发明具有适用范围广、测量准确、结构新颖、能实现实时动态监测。

Description

乙炔气体的光学检测装置

技术领域

本发明涉及一种利用光谱学的方法动态实时检测乙炔气体的方法及装置，尤其涉及乙炔气体的光学检测装置。

背景技术

乙炔气体在许多工业生产中都有应用，它是一种化学性质非常活泼的气体，极易燃烧、分解和爆炸，乙炔在空气中的爆炸范围为2.5％～80％，与其它易燃易爆气体相比，乙炔的爆炸范围大、爆炸下限低。因而，对乙炔气体进行实时监测具有十分重要的意义。另外，电力传输中的大型输电设备——油浸式变压器发生故障前，会挥发出包括乙炔在内的几种故障气体，因此实时检测乙炔这种典型故障气体的浓度，可以达到监测变压器工作状态，提早发现变压器潜伏故障，从而防止大型变压器的烧毁及其引起的停电事故造成的巨大损失。对大型传输变压器油中的乙炔气体进行实时监测显得尤为重要。

目前乙炔气体浓度检测方法，常用的有半导体式传感器检测法，催化燃烧式传感器检测法，它们普遍存在精度不高，对气体种类的分辨率低，有使用寿命限制，容易毒化失效等缺点。而目前油浸式变压器故障气体常用的检测方法是物理分离技术中的气相色谱法，将变压器中的油进行油气分离后进行色谱分析，给出乙炔浓度数据。它精度很高，但缺点是分析周期长，至少几分钟才能给出一个数据，无法实现实时动态监测。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供一种适用范围广、测量准确、能实现实时动态监测的乙炔气体的光学检测装置。

根据量子力学，乙炔气体在1525nm处由简正振动V₁和V₃形成振动泛频吸收(V₁+V₃)，根据转动量子的正负得到左右两个吸收峰谱分别被称为R支和P支。测量时选取其中吸收系数最大的一个单吸收峰。波长调制吸收光谱技术(WMS，WavelengthModulation Spectroscopy)原理，由函数发生产生的数十Hz的线性扫描电流与数十kHz频率v_m的高频正弦电流相叠加的信号，加入二极管激光器的直流驱动电流中。由于DFB激光器输出的是单模激光，线宽为1MHz，乙炔的单个吸收峰的半宽有900MHz，于是激光器的输出光的频率在作线性扫描的同时，还受到高频正弦调制。当激光束通过气体吸收池时，随着光波频率扫过吸收谱线，其吸收强度也受到高频调制。然后，受调制吸收光信号经光电检测器检测后送入锁相放大器检测出乙炔气体的吸收光谱，并经计算机处理后输出浓度信息。

本发明解决现有技术问题所采用的技术方案为：乙炔气体的光学检测方法，其中：信号发生装置产生线性扫描电流和正弦电流相叠加的信号，加入可调激光装置的直流驱动电流中；

信号发生装置产生的正弦电流信号，输入放大适配装置；

可调激光装置的输出光的频率在作线性扫描的同时，还受到正弦电流调制；

当激光束通过气体吸收池时，随着光波频扫吸收谱线，其吸收强度也受到正弦电流信号调制；

经过气体吸收池的信号经光电检测装置检测后经放大适配装置处理后被计算机采集，并经计算机处理后输出浓度信息。

乙炔气体的光学检测装置，包括信号发生装置和气体吸收池，其中：信号发生装置连接有能受信号发生装置调制的可调激光装置；

可调激光装置产生的光通过气体吸收池传送到光电检测装置；光电检测装置连接有 放大适配装置；

放大适配装置连接有能进行模数转换和数据采集的数据采集卡装置；

数据采集卡装置输出采样信号到处理数据和输出检测结果的计算机。

为优化上述技术方案，采取的技术措施还包括：信号发生装置包括正弦波调制信号发生器和三角波调制信号发生器。

放大适配装置包括至少一个锁相放大器，并且放大适配装置还包含数据采集卡装置；数据采集卡装置能对锁相放大器和计算机之间进行适配。

可调激光装置包括激光器温度电流控制器和激光器；激光器温度电流控制器能在信号发生装置的调制下控制激光器的电流或温度。

可调激光装置的工作温度为30℃至35℃；可调激光装置的输出波长为1529nm至1531nm。

激光器为分布反馈式半导体激光二极管激光器。

气体吸收池能容纳待测气体；代测气体包括乙炔。

光电检测装置包括PIN探测器。

计算机能读取放大适配装置的发出的信号，并且对所采集信号进行处理，输出检测结果。

传统的化学和物理检测技术是一种静态检测技术。利用可调谐激光吸收光谱技术能实时反映现场气体状况，且检测下限低。随着半导体科技的迅速发展，半导体激光器体积小且价格便宜，利用此技术进行乙炔气体浓度监测方法的产品开发更具市场竞争力，可广泛应用于所有需要进行动态实时监测乙炔气体浓度的领域。

与现有技术相比，本发明采用了信号发生装置产生线性扫描电流和正弦电流相叠加的信号，加入可调激光装置的直流驱动电流中；信号发生装置产生的正弦电流信号，输入放大适配装置；可调激光装置的输出光的频率在作线性扫描的同时，还受到正弦电流调制；当激光束通过气体吸收池时，随着光波频扫吸收谱线，其吸收强度也受到正弦电流信号调制；经过气体吸收池的信号经光电检测装置检测后经放大适配装置处理后被计算机采集，并经计算机处理后输出浓度信息。其产生的有益效果是，可以安装在任何有乙炔气体泄露可能的生产生活场所，进行乙炔浓度动态实时监控；或大型电力传输油浸变压器的油气分离后，对变压器的乙炔故障气体浓度，进行动态实时检测，起到防患于未然的作用，降低大型变压器的烧毁率，以及由大型变压器烧毁引起的停电事故及其造成的巨大损失。所以本发明具有适用范围广、测量准确、结构新颖、能实现实时动态监测的优点。

附图说明

图1是本发明实施例示意图；

图2是波长调制吸收光谱技术的原理框图；

图3是DFB LD调制信号发生电路图；

图4PIN光电探测及前置放大电路图；

图5电源电路图；

图6乙炔在1525nm处的吸收谱。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

图标号说明：信号发生装置1、可调激光装置2、气体吸收池3、光电检测装置4、放大适配装置5、计算机6、正弦波调制信号发生器11、三角波调制信号发生器12、激光器温度电流控制器21、激光器22、锁相放大器51、数据采集卡装置52。

选择乙炔在特定波长处的红外吸收峰，此工作波段水分和其他气体几乎没有吸收， 使系统具有良好的选择性，不受其他成分的干扰。然后采用线宽很窄的半导体激光器发射中心波长为此特定波长的激光作为入射光。同时应用半导体激光器输出波长在一定范围内可调谐的优点，通过调制改变输出激光的波长，使其可以扫描乙炔此中心波长的整个吸收谱，提高测量精度和对激光器波长漂移的抗干扰能力。通过电流调制，激光器输出调制光射入与乙炔发生现场相连通的采样封闭气室的一端，经过该气室的光程后，在气室另一端出射的光信号含有气体浓度信息，经聚焦透镜聚焦到探测器上，再经光电转换，前置放大和数据采集后传输给计算机进行信号处理，从而实现封闭气室内乙炔浓度的检测。

图1所示是本发明实施例示意图。

乙炔气体的光学检测方法及装置，包括信号发生装置1和气体吸收池3，其中：信号发生装置1连接有能受信号发生装置1调制的可调激光装置2；

可调激光装置2产生的光通过气体吸收池3传送到光电检测装置4；光电检测装置4连接有放大适配装置5；

放大适配装置5连接有能处理并输出检测结果的计算机6。

放大适配装置5连接有能进行模数转换和数据采集的数据采集卡装置52；

数据采集卡装置52输出采样信号到处理数据和输出检测结果的计算机6。

信号发生装置1包括正弦波调制信号发生器11和三角波调制信号发生器12，其主要产生波长调制所需要的三角波和正弦波。

放大适配装置5包括至少一个锁相放大器51，并且放大适配装置5还包含数据采集卡装置52；数据采集卡装置52能对锁相放大器51和计算机6之间进行适配。具有前置放大电路的锁相放大器51将电流信号转变成电压信号并进行放大，然后检测出二次谐波信号，送入数据采集卡装置52采集多路数据，并为计算机6的后处理做数据准备。

可调激光装置2包括激光器温度电流控制器21和激光器22，优选DBF激光器；激光器温度电流控制器21能在信号发生装置1的调制下控制激光器22中安装的分布反馈式半导体激光二极管的电流或温度。

可调激光装置2的工作温度为30℃至35℃；可调激光装置2的输出波长为1529nm至1531nm。

气体吸收池3能容纳待测气体；代测气体包括乙炔。

光电检测装置4包括PIN探测器，用于将光信号转换成电信号。

计算机6能读取放大适配装置5的发出的信号，并且对所采集信号进行处理，输出检测结果。

图2是波长调制吸收光谱技术的原理框图，可调激光装置2经过恒温处理后，经信号发生装置1的函数发生器包括正弦波调制信号发生器11和三角波调制信号发生器12进行电流调制。调制激光经过气体吸收池后，成为携带有气体浓度信息的光信号通过光电检测装置4，即PIN探测器，转换成为电信号，并将该电信号经过前置放大电路实现I/V转换和电压放大，随后通过锁相放大器51的谐波检测检测出与气体浓度成正比例关系的二次谐波信号，最后对A/D转化后的二次谐波信号进行采集、存储与数据处理，得到气体浓度信息。

图3是DFB LD调制信号发生电路图。

图4PIN光电探测及前置放大电路图。

图5电源电路图。

图6乙炔在1525nm处的吸收谱，乙炔在1525nm处的吸收谱如图1所示，其中左侧为R支，右侧为P支。

工作过程：

在哈佛大学HITRAN数据库中选取了乙炔气体的近红外波段的1530.371nm，波数为6534.3636cm^-1吸收谱线，作为可调激光装置2的输出中心波长。因为在近红外波段，附近波长范围内没有其它气体的干扰。先将可调激光装置2温度设定在32℃，电流调整使可调激光装置2输出为1530.371nm波长，带宽为1MHz。然后电流调制端的信号发生装置1加入10Hz三角波和10KHz正弦波的叠加信号送入可调激光装置2，使得DFB分布反馈式半导体激光二极管输出调制光，经过500mm长气体吸收池3后携带有乙炔气体浓度信息的光信号通过光电检测装置4转换成为电信号，优选InGaAs光电探测器，并将该电信号经过前置放大电路实现I/V转换和电压放大送数据采集卡装置52采集，同时通过锁相放大器51检测出与乙炔气体浓度成正比例关系的二次谐波信号，数据采集卡装置52采集A/D转化后的PIN放大信号及锁相输出的二次谐波信号，最后，计算机6对所采集信号进行处理，优选数据采集卡AD7200h，得到气体浓度信息。

本发明的最佳实施例已被阐明，由本领域普通技术人员做出的各种变化或改型都不会脱离本发明的范围。

Claims (4)

1.乙炔气体的光学检测装置，包括信号发生装置(1)和气体吸收池(3)，其特征是：所述的信号发生装置(1)连接有能受所述的信号发生装置(1)调制的可调激光装置(2)；

所述的可调激光装置(2)产生的光通过所述的气体吸收池(3)传送到光电检测装置(4)；所述的光电检测装置(4)连接有放大适配装置(5)；

所述的信号发生装置(1)还连接所述的放大适配装置(5)，所述的放大适配装置(5)连接有能处理数据并输出检测结果的计算机(6)；

所述的信号发生装置(1)包括正弦波调制信号发生器(11)和三角波调制信号发生器(12)；所述的放大适配装置(5)包括至少一个锁相放大器(51)，并且所述的放大适配装置(5)还包含数据采集卡装置(52)；所述的数据采集卡装置(52)能对所述的锁相放大器(51)和所述的计算机(6)之间进行适配；所述的可调激光装置(2)包括激光器温度电流控制器(21)和激光器(22)；所述的激光器温度电流控制器(21)能在所述的信号发生装置(1)的调制下控制所述的激光器(22)的电流或温度；所述的可调激光装置(2)的工作温度为30℃至35℃；所述的可调激光装置(2)的输出波长为1529nm至1531nm；所述的激光器(22)安装有分布反馈式半导体激光二极管。

2.根据权利要求1所述的乙炔气体的光学检测装置，其特征是：所述的气体吸收池(3)能容纳待测气体；所述的待测气体包括乙炔。

3.根据权利要求1所述的乙炔气体的光学检测装置，其特征是：所述的光电检测装置(4)包括PIN探测器。

4.根据权利要求1至3任一权利要求所述的乙炔气体的光学检测装置，其特征是：所述的计算机(6)能读取所述的放大适配装置(5)的发出的信号，并且对所采集信号进行处理，输出检测结果。

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