CN101726337A - 一种碘流量测量装置及其应用 - Google Patents

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Abstract

一种碘流量测量装置，在所需测定碘流量的测试吸收池的一侧设置有光源，在光源的发射光路上、于测试吸收池左右两侧分别设置有对称的石英玻璃测试窗口，在测试窗口和光源之间设置有聚焦透镜，在测试吸收池的另一侧测试窗口外侧设置有分束片；光源的发射光经过测试吸收池后被分束片分成两部分光，透过分束片即为测试光，反射的即参考光；在分束片外侧的测试光路和参考光路上分别依次设置有聚焦透镜和带通干涉滤光片及硅探头；硅探头通过导线与计算机上的数据采集板连接，由计算机进行数据采集和处理。实验结果表明，本发明可以有效解决测试窗口污染导致测量不准确，甚至无法进行的问题，而且结构小巧，具有普遍的适用性。

Description

一种碘流量测量装置及其应用
技术领域
本发明涉及一种基于吸收光谱法测量碘流量的技术。通过这种测量方法，使窗口污染导致测量不准确甚至无法进行的问题得以解决。普遍采用的单波长吸收光谱很难将碘流量测量准确，因为碘蒸汽会凝结在测试窗口上，同时碘在容器和管道中形成的一些杂质也会污染窗口，这部分污染是无法用加热的方法去除掉的。该碘流量测量技术抗窗口污染能力强，工程可靠性好，为氧碘化学激光器关键参数测量提供了可靠的保障，从而可以推动高能氧碘化学激光器的发展。
背景技术
超音速氧碘化学激光器主要是由单重态氧发生器，分离器和除水冷阱，碘发生器，超音速混合喷管，光腔及真空系统等几部分组成。基本原理——亚稳态粒子O2(1Δ)与碘原子近共振传能：
Figure G2008102282295D0000011
激射出光：I(2P1/2)+hv→I(2P3/2)+2hv  (λ＝1.315μm)
其中O2(1Δ)是在单重态氧发生器中反应产生的，即：
Cl2+2KOH+H2O2→2KCl+2H2O+O2(1Δ)
但作为激射介质碘原子是如何来的呢？它是由碘分子发生器蒸发出的I2与O2(1Δ)碰撞解离而产生的。总的来讲：
O2(1∑)+I2(X)→2I(2P3/2)+O2(3∑)
O2(1Δ)+I2(X)→I2 *(X)+O2(3∑)
O2(1Δ)+I2 *(X)→2I(2P3/2)+O2(3∑)
I(2P1/2)+I2(X)→I(2P3/2)+I2 *(X)
I(2P1/2)+I2 *(X)→3I(2P3/2)
氧碘化学激光器中各种原料之间的配比比例是非常关键的，比例不合适会导致激光输出功率下降甚至不出光。碘蒸汽作为激光器的重要原料，准确计量并实时监测它的流量是尤为重要的。目前采用的是文氏管计量，测量的准确度依赖于喷管的加工精度，而且在流速条件没有满足的条件下是无法得到有效数据的。单一波长的吸收光谱法由于受到测试窗口污染的限制而无法进行。基于上述的问题，本发明提出采用双波长吸收光谱法对碘流量进行实时监控和测量。
发明内容
本发明的目的是提供一种实时在线的碘流量测量技术，即一种碘流量测量装置及其应用，通过本发明可实现对氧碘化学激光器的重要参数碘流量进行在线测量，从而达到优化激光器性能的目的。
为实现本发明的目的，具体的技术方案是：
一种碘流量测量装置，在所需测定碘流量的测试吸收池的一侧设置有光源，在光源的发射光路上、于测试吸收池左右两侧分别设置有对称的石英玻璃测试窗口，在测试窗口和光源之间设置有聚焦透镜，在测试吸收池的另一侧测试窗口外侧设置有分束片；
光源的发射光经过测试吸收池后被分束片分成两部分光，透过分束片即为测试光，反射的即参考光；在分束片外侧的测试光路和参考光路上分别依次设置有聚焦透镜和带通干涉滤光片及硅探头；硅探头通过导线与计算机上的数据采集板连接，由计算机进行数据采集和处理。
在测试吸收池的外侧壁面上包裹有加热元件；在测试吸收池的外壁上设置有压力传感器和温度传感器；所述光源的光谱发射范围为300-700纳米。
上述碘流量测量装置可用于氧碘化学激光器中进行碘流量的测量和关键实验参数的日常诊断上。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过采用双波长吸收光谱法实现了对碘流量的实时监控和测量。
2、本发明解决了窗口污染导致碘流量测量不准确甚至无法测量的问题。
3、本发明可以用于其他因窗口污染导致无法采用吸收光谱法测量物种浓度的测量中。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明实施的工艺流程图。
具体实施方式
实施例1
本发明是基于光谱吸收法的创新应用，根据比尔吸收定律，一束光经过气体后会被吸收，透射光强和初始光强存在如下的关系：
I＝I0exp(-σnL)
I0为初始光强，I为透射光强，σ为吸收截面(cm2)，n为气体浓度(个分子/cm3)，L为吸收长度(cm)。由于窗口会被气流携带的灰尘污染，所以透射光强和初始光强的关系应改为：
I＝I0(1-α1)*exp(-σnL)(1-α2)
α1和α2分别为光入射窗口和出射窗口的污染吸收系数。如果采用单波长的光谱吸收法，测量的气体浓度要比实际值偏大。为了解决这个问题，我们采用双波长光谱吸收进行测量，其中碘蒸汽不吸收的波长用来监测除了碘蒸汽吸收之外的其他光损失，而其中碘蒸汽吸收的波长测到的光损失不仅包括碘蒸汽吸收还包含以上的成分。下面以470nm和365nm为例。碘蒸汽在470nm是有吸收的，而在365nm没有吸收，则对应这两个波长的透射光强和初始光强的关系分别如下：
I470＝I0 470(1-α1 470)exp(-σnL)(1-α2 470)
I365＝I0 365(1-α1 365)(1-α2 365)
由于窗口污染导致的光损失比例对于470nm和365nm而言是相同的，所以气体的浓度就可以由下式给出：
n＝(ln(I365/I0 365)-ln(I470/I0 470))/σL
根据理想气体的状态方程，可以计算得到碘蒸汽的气体压力，另根据测量得到的气体总压和载气的流量和Dalton定律就可以得到流动体系中碘蒸汽的准确流量
MI2＝PI2Mc/(Ptot-PI2)
MI2为碘蒸汽的摩尔流量，PI2碘蒸汽的气体分压，Ptot为气体总压，Mc为载气的摩尔流量。
针对上述碘流量测量技术，本发明进行了系统的结构概念设计，如图1所示。该系统可以满足氧碘化学激光器对碘流量实时在线测量的要求。
一种碘流量测量装置，在所需测定碘流量的不锈钢测试吸收池11的一侧设置有光源6，在光源6的发射光路上、于测试吸收池11左右两侧分别设置有对称的石英玻璃测试窗口5，在测试窗口5和光源6之间设置有聚焦透镜2，在测试吸收池11的另一侧测试窗口5外侧设置有分束片3；
光源6的发射光经过测试吸收池后被分束片3分成两部分光，透过分束片3的光即为测试光，反射的光即为参考光；
在分束片3外侧的测试光路上依次设置有聚焦透镜2和带通干涉滤光片1及硅探头7；
在分束片3一侧的参考光路上依次设置有聚焦透镜2和带通干涉滤光片1及硅探头7；
硅探头7通过导线与计算机8上的数据采集板连接，由计算机8进行数据采集和处理。
在测试吸收池11的外侧壁面上包裹有加热元件4，所述加热元件4可为加热器套管，在测试吸收池11的外壁上设置有压力传感器9和温度传感器10。
所述光源6为具有较宽谱带，至少应含有300～700nm的光；
用不锈钢制成碘蒸汽测试吸收池，将石英窗口镜片密封在两端作为探测光的进口和出口。应用前准备：将测试吸收池连接在碘蒸汽的管路上，探测光经准直透镜后在两个石英窗口的中心通过。从窗口透过的光经45度分束片后分成不同光谱成分的光(即于测试吸收池透射光出口处设置有光分束片，将光按照光谱成分分成两部分。这两个不同光谱成分的光用光电探头探测)，含有365nm的光经干涉滤光片后由硅探头进行探测，含有470nm的光同样经过中心波长为470nm的干涉滤光片后由硅探头进行探测。光学探测光路调整好后，用计算机采集两种不同波长的初始透射光强并保存到文件中。实验时，由计算机远程控制两种波长透射光强的采集时间和采样速率。测试池气体压力和温度以及载气流量同样输入到计算机记录和监测。最终经过数据处理计算得到随时间变化的碘流量。
具体操作步骤如下：
实验前准备：
第一步给加热元件通电，加热到设定温度并稳定20分钟。
第二步调整光路。使经过准直的探测光经过测试池后照射到硅探头光敏面上，调整硅探头的位置使得其输出的电信号达到最大值。
实验过程：
第三步由计算机测控系统设定采集时间和采样频率，将测量得到的数据存入计算机。
第四步结束实验。对计算机采集得到的硅探头信号、载气流量信号、测试池的气体总压和温度进行综合分析处理，得到碘流量。
具体实施流程图参见图2。
该发明具体应用到氧碘化学激光器上，可根据具体碘蒸汽分压的不同值要求，选用不同的干涉滤光片，以获得较高的测量灵敏度。
本发明通过双波长光谱吸收法测量流动系统中碘蒸汽的流量。碘蒸汽对光谱范围为300～700nm之间的光有不同程度的吸收，利用碘蒸汽的这一性质，根据比尔定律，可以测量并计算得到碘蒸汽的分压。在此流动体系中，碘蒸汽是依靠载气(He或者N2)来携带的，根据已知的载气流量和测量得到的气体温度、总压和碘蒸汽的分压，就可以计算出碘流量。实验结果表明，本发明可以有效解决测试窗口污染导致测量不准确，甚至无法进行的问题，而且结构小巧，具有普遍的适用性。

Claims (5)

1.一种碘流量测量装置，其特征在于：在所需测定碘流量的测试吸收池(11)的一侧设置有光源(6)，在光源(6)的发射光路上、于测试吸收池(11)左右两侧分别设置有对称的石英玻璃测试窗口(5)，在测试窗口(5)和光源(6)之间设置有聚焦透镜(2)，在测试吸收池(11)的另一侧测试窗口(5)外侧设置有分束片(3)；
光源(6)的发射光经过测试吸收池后被分束片(3)分成两部分光，透过分束片(3)即为测试光，反射的即参考光；在分束片(3)外侧的测试光路和参考光路上分别依次设置有聚焦透镜(2)和带通干涉滤光片(1)及硅探头(7)；硅探头(7)通过导线与计算机(8)上的数据采集板连接，由计算机(8)进行数据采集和处理。
2.按照权利要求1所述碘流量测量装置，其特征在于：在测试吸收池(11)的外侧壁面上包裹有加热元件(4)。
3.按照权利要求1所述碘流量测量装置，其特征在于：在测试吸收池(11)的外壁上设置有压力传感器(9)和温度传感器(10)。
4.按照权利要求1所述碘流量测量装置，其特征在于：所述光源(6)的光谱发射范围为300-700纳米。
5.一种权利要求1所述碘流量测量装置可用于氧碘化学激光器中进行碘流量的测量和关键实验参数的日常诊断上。
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