CN102483377A - 光学气体测量的测量方法和测量装置 - Google Patents

光学气体测量的测量方法和测量装置 Download PDF

Info

Publication number
CN102483377A
CN102483377A CN2010800393640A CN201080039364A CN102483377A CN 102483377 A CN102483377 A CN 102483377A CN 2010800393640 A CN2010800393640 A CN 2010800393640A CN 201080039364 A CN201080039364 A CN 201080039364A CN 102483377 A CN102483377 A CN 102483377A
Authority
CN
China
Prior art keywords
optical fiber
light
hollow
hollow optical
gas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN2010800393640A
Other languages
English (en)
Inventor
陈嘉
安德烈亚斯·汉高尔
赖纳·斯特佐达
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of CN102483377A publication Critical patent/CN102483377A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N21/03—Cuvette constructions
    • G01N2021/0346—Capillary cells; Microcells
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/032—Optical fibres with cladding with or without a coating with non solid core or cladding

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明提供一种用一VCSEL(12)和一与之连接的中空波导(11)进行光学气体测量的方法。所述中空波导包含待测气体，由所述中空波导导引光。在此过程中使所述中空波导(11)发生振动。在一时间段内进行所述气体测量并对所获得的测量值进行积分。这样能明显减轻干涉对测量所造成的干扰性影响。

Description

光学气体测量的测量方法和测量装置
技术领域
本发明涉及一种光学气体传感器及其操作方法，其中，一光源所发射的光由一中空光波导导引。
背景技术
这类光学气体传感器典型地例如用激光二极管将光射入待测体积。在传感器采用上述设计方案的情况下，这个待测体积可以实施为中空光波导。该中空光波导沿其延伸度(视情况也可以有所弯曲)导引光并在其末端将光释放或反射到检测器上。
光学气体传感器的缺点是，测量低气体浓度时总是会出现由气体的吸收行为而引起的绝对信号电平较低的情况。此外，分析信号时必须将准确的波长位置和其他参数考虑在内也具有难度，因此限制了测量的精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种能明显提高光学测量分辨率(即测量精度)的方案。
本发明的上述目的通过一种具有权利要求1所述特征的气体测量装置而得以实现。本发明的上述目的还通过一种具有权利要求3所述特征的测量方法而得以实现。
本发明提供一种光学气体传感器。所述气体传感器具有一光源，例如一VCSEL(垂直腔面发射激光器)或一激光二极管。所述光源所发射的光由一中空光波导(即中空光纤)导引。换言之，布置所述光波导以接收所述光源所发射的光。所述中空光纤可直接与所述光源相接，也可以与之间隔一定距离。所述光优选是红外线，其波长例如介于2μm与10μm之间，或者是可见光。采用宽带光源时，所述光可以具有较大的代表性波长范围。
所述中空光纤优选为多模光纤。所述中空光纤的直径例如可为0.5mm。其比体积例如可为1.8ml/m。所述中空光纤例如可由一外护套层和一内反射层构成，该外护套层由SiO2构成，该内反射层由银或碘化银构成。所述中空光纤例如在2μm至3μm波长范围内的衰减系数可以为1.5dB/m至4dB/m，其中，这个值与该光纤的曲率相关。
所述光纤允许待测气体进入其中空内腔。例如可以经光纤末端进入。也可以经光纤护套进入。为此，所述光纤护套可以采用透气设计。光纤护套也可以具有孔洞、缝隙或类似开口。
至少在光穿过中空光纤期间，一部分光会被该光纤中的气体吸收。光穿过中空光纤后，由一检测器对这一吸收情况进行检测和分析。
根据本发明，至少在测量过程中使所述中空光纤发生振动。例如，固定的几何结构中的反射会引发干涉现象，上述措施有利于减轻干涉现象所带来的影响。具体而言，可以将信噪比改善10倍或更多。可以采用例如200Hz的振动频率。振动振幅优选为数百μm。
实施振动的作用是，将例如因反射而产生且具有较大振幅和频率范围的较大伪影转换成较小频率范围的噪声。相对于之前的伪影而言，这个新产生的噪声能更容易地通过测量结果的一曲线拟合而被显著消除。
所述中空光纤优选直接与所述光源连接。亦即，发射光在进入所述中空光纤之前无需或仅需穿过尽可能小的外露空间。理想情况下，所述中空光纤直接与所述光源相接。这在采用VCSEL的情况下特别有利，因为VCSEL的辐射发散度较小。
附图说明
图1为中空光纤的结构图；
图2为分别在中空光纤振动和不振动时进行测量所得结果的对比图；以及
图3为一测量设备。
具体实施方式
下面借助附图对本发明的实施例进行说明。
图1为中空光纤11的结构示意图，测量时所使用的光可由该中空光纤传输。中空光纤11具有由二氧化硅构成的护套1。护套1内设有由Ag和/或AgI构成的层2。内腔3是中空的且充有空气或其他气体。由于光主要在中空光纤11的内腔3中运动，因此测量对象就是存在于该内腔中的气体。
图2为中空光纤11不振动时所进行的第一测量4与中空光纤11振动时所进行的第二测量5的结果对比图。从中可以明显看出，进行中空光纤11不振动的第一测量4时，部分地由于干涉而剧烈波动的背景可能对分析造成明显干扰。而在进行中空光纤11振动的第二测量5时，除了因水造成的吸收谱线(二阶导数)外，仅在6mA至6.5mA的激光电流下存在轻微干扰。
中空光纤11振动的优点是能减轻干涉所造成的干扰性影响。其中，优选在至少长于中空光纤振动周期(理想情况下长得多)的时间段内进行测量。例如可以200Hz的频率进行振动，而以10Hz的频率产生测量值。通过对一段时间内所获得的测量值进行积分、求平均值或可比求和，使得干扰振幅相对于信号振幅有明显下降。在图2所示的示例中，下降幅度为10倍。
可以沿中空光纤11的纵向或横向于该纵向进行振动。中空光纤11也可能有所弯曲甚至卷起，因此，该振动也可以在中空光纤11的不同区域相应于中空光纤11的位置具有不同方向。
图3为一示范性测量设备10。分析控制装置14对形式为以2.3μm波长进行发射的垂直腔面发射激光器(VCSEL)12的光源进行控制。VCSEL 12的光射入中空光纤11。这部分光沿中空光纤11的延伸度传导至形式为InGaAs光电二极管13的检测器。光电二极管13安装在壳体15中。壳体15中充有一气体混合物，该气体混合物中含有10％体积比的用作参照气体的甲烷(CH4)。分析控制装置14接收并分析光电二极管13的信号。中空光纤11在图3中绕了一圈。中空光纤11在VCSEL 13的光的入射区域发生振动。

Claims (5)

1.一种用于气体检测的装置，具有：
一特定而言在红外线或可见光波长范围内发射光的光源，
一用于导引所述光且实施为中空光纤的光波导，其中，所述中空光纤设计为允许气体进入空腔，
一检测器，用于接收已穿过所述中空光纤的光以及根据所述光被部分地吸收的情况进行气体检测，
一用于使所述中空光纤发生振动的装置。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述中空光纤与所述光源以所述光源所发射的光直接进入所述中空光纤的方式相连接。
3.一种气体检测方法，其中，
使光，特别是红外线或可见光波长范围内的光穿过一中空波导，
其中，使用一允许气体进入其空腔的中空波导，
根据所述光穿过所述中空波导时被部分地吸收的情况检测所存在的气体，
在所述光穿过所述中空波导期间使所述中空波导发生振动。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，为了进行所述气体检测，在一时间段内进行一测量，所述时间段的长度至少为所述中空光纤的振动周期的两倍。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，对在所述时间段内所获得的测量值进行积分。
CN2010800393640A 2009-09-04 2010-09-03 光学气体测量的测量方法和测量装置 Pending CN102483377A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102009040122 2009-09-04
DE102009040122.9 2009-09-04
PCT/EP2010/062919 WO2011026924A1 (de) 2009-09-04 2010-09-03 Messverfahren und messvorrichtung zur optischen gasmessung

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN102483377A true CN102483377A (zh) 2012-05-30

Family

ID=43066760

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2010800393640A Pending CN102483377A (zh) 2009-09-04 2010-09-03 光学气体测量的测量方法和测量装置

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20130162979A1 (zh)
EP (1) EP2473836A1 (zh)
CN (1) CN102483377A (zh)
WO (1) WO2011026924A1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111290074A (zh) * 2020-02-21 2020-06-16 东北大学 一种中红外布拉格光纤及其气体定性定量检测装置

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011078156A1 (de) 2011-06-28 2013-01-03 Siemens Aktiengesellschaft Gaschromatograph und Verfahren zur gaschromatographischen Analyse eines Gasgemischs
FR2981158A1 (fr) * 2011-10-06 2013-04-12 Air Liquide Medical Systems Module d'analyse de gaz pour appareil de ventilation de patient
US9823184B1 (en) * 2016-05-13 2017-11-21 General Electric Company Distributed gas detection system and method
US10161859B2 (en) 2016-10-27 2018-12-25 Honeywell International Inc. Planar reflective ring

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3921534A1 (de) * 1989-06-30 1991-04-04 Gyulai Maria D Anordnung zum nachweis von gasen durch optische methoden
US5790724A (en) * 1995-05-05 1998-08-04 Ceramoptec Industries Inc. 16 μm infrared region by destruction of speckle patterns
CN101055243A (zh) * 2007-04-04 2007-10-17 南京旭飞光电有限公司 光纤气体传感的方法和传感器
WO2008061949A1 (de) * 2006-11-22 2008-05-29 Siemens Aktiengesellschaft Optische messzelle und gasmonitor
CN101319989A (zh) * 2007-06-08 2008-12-10 派克森公司 气体浓度检测方法及其装置

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4011403A (en) * 1976-03-30 1977-03-08 Northwestern University Fiber optic laser illuminators
US6603556B2 (en) * 2000-10-12 2003-08-05 World Precision Instruments, Inc. Photometric detection system having multiple path length flow cell
US7046362B2 (en) * 2001-12-12 2006-05-16 Trustees Of Princeton University Fiber-optic based cavity ring-down spectroscopy apparatus
US7110109B2 (en) * 2003-04-18 2006-09-19 Ahura Corporation Raman spectroscopy system and method and specimen holder therefor
DE102009008624B4 (de) * 2009-02-12 2012-01-19 Siemens Aktiengesellschaft Anordnung zur Durchführung spektroskopischer Verfahren sowie Verwendung bei spektroskopischen Verfahren

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3921534A1 (de) * 1989-06-30 1991-04-04 Gyulai Maria D Anordnung zum nachweis von gasen durch optische methoden
US5790724A (en) * 1995-05-05 1998-08-04 Ceramoptec Industries Inc. 16 μm infrared region by destruction of speckle patterns
WO2008061949A1 (de) * 2006-11-22 2008-05-29 Siemens Aktiengesellschaft Optische messzelle und gasmonitor
CN101055243A (zh) * 2007-04-04 2007-10-17 南京旭飞光电有限公司 光纤气体传感的方法和传感器
CN101319989A (zh) * 2007-06-08 2008-12-10 派克森公司 气体浓度检测方法及其装置

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
周琰等: "分布式光纤管道泄漏检测及预警技术灵敏度分析", 《纳米技术与精密工程》, vol. 6, no. 5, 30 September 2008 (2008-09-30), pages 372 - 375 *
王书涛等: "一种基于谐波检测技术的光纤甲烷气体传感器", 《应用光学》, vol. 25, no. 2, 31 March 2004 (2004-03-31), pages 44 - 47 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111290074A (zh) * 2020-02-21 2020-06-16 东北大学 一种中红外布拉格光纤及其气体定性定量检测装置

Also Published As

Publication number Publication date
US20130162979A1 (en) 2013-06-27
EP2473836A1 (de) 2012-07-11
WO2011026924A1 (de) 2011-03-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102483377A (zh) 光学气体测量的测量方法和测量装置
US7585107B2 (en) Corrected DTS measurements based on Raman-Stokes signals
CA2509129C (en) Efficient distributed sensor fiber
US10330525B2 (en) Optical fiber vibration measurement system in multiphase flows with related method to monitor multiphase flows
US6853798B1 (en) Downhole geothermal well sensors comprising a hydrogen-resistant optical fiber
US8418529B2 (en) Device for conveying a substance provided with an optical leak detector
EP3237874B1 (en) Reflectometric vibration measurement system and relative method for monitoring multiphase flows
US20160047976A1 (en) Fibre-Optic Sensor and Use Thereof
US20110170116A1 (en) Efpi sensor
WO2014101754A1 (zh) 多芯光纤、采用该多芯光纤的传感装置及其运行方法
KR101516919B1 (ko) 광섬유 가속도계
CN108955655B (zh) 用于确定位置和/或取向的光接收器、方法和存储介质
CN102138067A (zh) 适于对小浓度气体进行光谱分析的设备
CN102262241A (zh) 光纤地震检波器
Handerek et al. Improved optical power budget in distributed acoustic sensing using enhanced scattering optical fibre
CN101794506B (zh) 用于分布式光纤温度传感系统中数据校准的方法及装置
Yang et al. An optical fiber methane gas sensing film sensor based on core diameter mismatch
KR20130019889A (ko) 할로우 코어를 갖는 광섬유를 이용한 반사형 프로브 타입의 기체 검출 장치 및 기체 검출 방법
CN112067114A (zh) 一种基于双包层光纤的振动测量装置
CN202092950U (zh) 光谱测量中的定标气体样品池装置
US20180267077A1 (en) Fiber-Optic Accelerometer
US11092438B2 (en) Light receiver for position referencing
RU2697033C1 (ru) Взрывобезопасный волоконно-оптический уровнемер
CN106483074A (zh) 一种微纳光纤光声检测装置及其检测方法
JP2004198376A (ja) 液面検知装置

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20120530