CN102564969A - 气体的光电测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了气体的光电测量方法，包括以下步骤：(A1)光源发出的测量光进入谐振腔内，在第一高反镜和第二高反镜间来回反射，测量光被被测气体吸收而衰减；(A2)探测模块将接收到的从谐振腔出射的光强转换为第一电信号，并传送到分析单元；(A3)快速关断进入谐振腔的测量光，探测模块将接收到的从谐振腔出射的光强转换为第二电信号，并传送到补偿模块；(A4)补偿模块根据接收到的第二电信号得出衰荡时间τ，从而补偿测量光在谐振腔内的光程，进而将补偿后的光程Leff传送到分析单元；(A5)分析单元利用光谱技术分析接收到的第一电信号以及光程Leff，从而获知被测气体的含量。本发明具有测量精度高、可用于复杂背景下微量气体的测量等优点。
Description
技术领域
本发明涉及气体的光电测量，特别涉及复杂背景下微量气体测量的光电测量装置及方法。
背景技术
在流程工业领域，普遍存在微量气体浓度的测量需要，比如天然气中测量微量的H2S气体，由于其浓度小，传统红外分析仪表、普通单光程激光气体分析仪表等都无法达到测量精度并实现在线连续测量。基于高精细度腔的激光气体分析技术可以达到测量说要求的探测下限，但是受限于以下因素，导致该技术很难在类似环境中得到应用：
1.在复杂的过程气体中，高浓度的背景气体在被测气体吸收波段存在很强的广谱光谱吸收，而且相比之下微量被测气体的特征吸收强度非常微弱。将叠加在强背景吸收信号上的微弱被测吸收信号分离并放大分析，测量精度很差。高浓度背景气体气体浓度的细微变化就会影响被测气体的测量准确性。比如使用基于高精细腔技术的腔衰荡光谱技术(CRDs)由于背景气体的光谱吸收较强，衰荡时间短，测量精度降低，无法从中分离出微量被测气体的衰荡时间。
2.对基于高精细度腔的积分腔光谱技术(ICOS)，通过调制吸收技术可以得到背景吸收中的微弱气体吸收，但是如果高浓度背景气体的吸收大，导致激光束在腔内的损耗增大，显著地减少来回反射的次数，从而影响被测气体吸收的有效光程。在实际测量过程中，背景气体组分在不停地变化，被测气体吸收的信号也会随之发生变化，引起显著地测量误差。
发明内容
为了解决上述现有技术方案中的不足，本发明提供一种测量精度高、能测量复杂背景下的微量气体的光电测量装置，还提供了一种测量精度高、能测量复杂背景气体含量变化下的微量气体的光电测量方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
气体的光电测量装置，所述测量装置包括：
光源，所述光源用于发出测量光，所述测量光包含对应于被测气体吸收谱线的光；
开关模块，所述开关模块用于控制是否有测量光进入谐振腔；
谐振腔，所述谐振腔包括第一高反射率腔镜和第二高反射率腔镜，所述谐振腔用于容纳待测气体且使所述测量光进入并在所述第一高反镜和第二高反镜之间来回反射；当光在谐振器内反射过程中，会从腔镜透射出微弱的光束；
探测模块，所述探测模块用于在所述开关模块为开状态时将接收到的从所述谐振腔出射的光强转换为第一电信号，并传送到分析单元，以及在所述开关模块为关状态时将接收到的从所述谐振腔透射出射的光强转换为第二电信号，并传送到补偿模块；
补偿模块，所述补偿模块用于根据接收到的所述第二电信号得出衰荡时间τ，从而补偿所述测量光在所述谐振腔内的光程，进而将补偿后的有效光程Leff传送到分析单元；
分析单元，所述分析单元用于利用光谱技术分析接收到的所述第一电信号以及有效光程Leff，从而获知所述谐振腔内被测气体的含量。
根据上述的测量装置，可选地，所述开关模块控制所述光源是否发出测量光，或设置在所述测量光的光路上。
根据上述的测量装置，优选地，根据所述测量装置的可接受范围而设置所述阈值。
根据上述的测量装置，可选地，利用所述衰荡时间τ补偿所述光程L的方式为
c是光速，L为所述谐振腔的腔长，R为反射率，N为待测气体的浓度，σ(v)为待测气体的单位吸收。
根据上述的测量装置，优选地，所述光源是激光器。
根据上述的测量装置，可选地，所述探测模块包括第一探测模块和第二探测模块，分别用于输出所述第一电信号和第二电信号。
根据上述的测量装置，优选地，所述第一电信号是调制吸收信号。
本发明的目的还通过以下技术方案得以实现：
气体的光电测量方法，所述测量方法包括以下步骤：
(A1)光源发出的测量光进入谐振腔内，所述谐振腔由第一高反射率腔镜、第二高反射率腔镜组成，所述测量光在所述第一高反射率腔镜和第二高反射率腔镜间来回反射，所述测量光中对应于被测气体的特征吸收谱线的光由于被被测气体吸收而衰减；
(A2)探测模块将接收到的从所述谐振腔出射的光强转换为第一电信号，并传送到分析单元；
(A3)不再有测量光进入所述谐振腔，所述探测模块将接收到的从所述谐振腔出射的光强转换为第二电信号，并传送到补偿模块；
(A4)补偿模块根据接收到的所述第二电信号得出衰荡时间τ，从而补偿所述测量光在所述谐振腔内的光程，进而将补偿后的有效光程Leff传送到分析单元；
(A5)分析单元利用光谱技术分析接收到的所述第一电信号以及有效光程Leff，从而获知所述谐振腔内被测气体的含量。
根据上述的测量方法，可选地，在所述步骤(A3)中，通过以下方式使不再有测量光进入所述谐振腔：
关闭所述光源或在所述测量光的光路上设置阻挡物。
根据上述的测量方法，可选地，在所述步骤(A4)中，利用所述衰荡时间τ补偿所述光程的方式为
c是光速，L为所述谐振腔的腔长，R为反射率，N为待测气体的浓度，σ(v)为待测气体的单位吸收。
根据上述的测量方法，可选地，所述探测模块包括第一探测模块和第二探测模块，分别用于输出所述第一电信号和第二电信号。
根据上述的测量方法，优选地，所述第一电信号是调制吸收信号。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
1、通过调制吸收信号(即第一电信号)，可以从强背景吸收信号中提取出被测气体的特征吸收信号，并且不影响测量精度。
2、通过衰荡时间信号(即第二电信号)，可以实时地测量光束在高精细腔内的有效光程，使得到的被测气体浓度很准确，并不受背景气体强吸收的影响。
附图说明
参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：
图1是根据本发明实施例1的测量装置的基本结构图；
图2是根据本发明实施例1的测量方法的流程图；
图3是根据本发明实施例2的测量方法中选用的吸收谱线示意图；
图4是根据本发明实施例2的测量方法中驱动信号的示意图；
图5是根据本发明实施例3的测量方法中驱动信号的示意图；
图6是根据本发明实施例4的测量装置的基本结构图。
具体实施方式
图1-6和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将在本发明的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。
实施例1：
图1示意性地给出了本发明实施例的气体的光电测量装置的基本结构图。如图1所示，所述测量装置包括：
光源，所述光源用于发出测量光，所述测量光包含对应于被测气体吸收谱线的光；
可选地，所述光源可以是单色性极好的激光器，如半导体激光器，此时还需设置温度控制模块以及电流输入模块。
开关模块(未示出)，所述开关模块用于控制是否有测量光进入谐振腔；所述开关模块至少有两种工作方式，如：所述开关模块控制所述光源的驱动模块，从而控制所述光源是否发出测量光；还可以是在光源发出的测量光的光路上设置遮挡物，如遮挡片、声光晶体等，从而控制测量光通过与否。
谐振腔，所述谐振腔包括第一高反镜和第二高反镜，所述谐振腔用于容纳被测气体且便于所述测量光进入并在所述第一高反镜和第二高反镜之间来回多次反射；所述谐振腔对于本领域的技术人员是容易理解的基本常识。
探测模块，所述探测模块用于在所述开关模块为开状态时将接收到的从所述谐振腔出射的光强转换为第一电信号，并传送到分析单元，以及在所述开关模块为关状态时将接收到的从所述谐振腔出射的光强转换为第二电信号，并传送到补偿模块；
由于上述第一电信号和第二电信号的带宽不同，通常情况下设置第一探测模块(如光电探测器和锁相放大电路)和第二探测模块(如光电探测器和放大电路)，用于分别输出所述第一电信号和第二电信号。
补偿模块，所述补偿模块用于根据腔衰荡技术处理接收到的所述第二电信号(代表的是光强随时间的变化关系)，从而得出衰荡时间τ，从而补偿所述测量光在所述谐振腔内的光程，进而将补偿后的有效光程Leff传送到分析单元；
所述补偿模块采用电路实现，或者采用软件来实现，具体实现方式对于本领域的技术人员是容易理解的。
优选地，利用所述衰荡时间τ补偿所述光程的方式为：
c是光速，L为所述谐振腔的腔长，R为反射率，N为待测气体的浓度，σ(v)为待测气体的单位吸收。
分析单元，所述分析单元用于利用光谱技术分析接收到的所述第一电信号以及有效光程Leff，从而获知所述谐振腔内被测气体的含量。
如图1所示，信号控制和处理电路实现了所述补偿模块和分析单元的全部功能，而且还控制了激光器的电流输入(如三角波加正弦波的调制)和温度控制。
图3示意性地给出了本发明实施例的气体的光电测量方法的流程图。如图3所示，所述测量方法包括以下步骤：
(A1)光源发出的测量光进入谐振腔内，所述谐振腔由第一高反镜、第二高反镜组成；在所述第一高反镜和第二高反镜来回反射，所述测量光中对应于被测气体的吸收谱线的光被被测气体吸收而衰减；
(A2)探测模块将接收到的从所述谐振腔出射的光强转换为第一电信号，并传送到分析单元；
(A3)不再有测量光进入所述谐振腔，所述探测模块将接收到的从所述谐振腔出射的光强转换为第二电信号，并传送到补偿模块；
开关模块用于控制是否有测量光进入所述谐振腔，至少有两种工作方式，如：所述开关模块控制所述光源的驱动模块，从而控制所述光源是否发出测量光；还可以是在光源发出的测量光的光路上设置遮挡物，从而控制测量光通过与否。
由于上述第一电信号和第二电信号的带宽不同，通常情况下设置第一探测模块(如光电探测器和锁相放大电路)和第二探测模块(如光电探测器和放大电路)，用于分别输出所述第一电信号和第二电信号。
(A4)补偿模块根据接收到的所述第二电信号得出衰荡时间τ，并补偿所述测量光在所述谐振腔内的光程，并将补偿后的有效光程Leff传送到分析单元；
优选地，利用所述衰荡时间τ补偿所述光程的方式为：
(A5)分析单元利用光谱技术分析接收到的所述第一电信号以及光程，从而获知所述谐振腔内被测气体的含量，具体计算方法是本领域的现有技术，在此不再赘述。
根据本发明实施例达到的益处在于：可用于测量复杂背景下(如背景气体吸收比较大)的微量气体，且测量精度高。
实施例2：
根据本发明实施例1的测量装置和方法在天然气中微量硫化氢检测的应用例。
在该应用例中，光源采用VCSEL激光器，发射的波长中含有对应于硫化氢的吸收光谱谱线1588nm，如图3所示。第一检测模块采用相敏检测技术测量被测硫化氢气体吸收的二次谐波信号。开关模块采用电路，用于控制激光器的驱动，驱动方式如图4，如图4所示，当激光器驱动电流为三角波叠加正弦波形式时，第一检测模块开始采集数据，当为直流电流驱动时，开关模块周期性的关断激光器驱动电流，第二检测模块将测得的第二电信号传送到补偿模块。激光器电流呈方波形式，开关模块关断的时间点可以根据实际的需要进行调整，此例中方波的强度H等于三角波的幅度。
实施例3：
根据本发明实施例1的测量装置和方法在天然气中微量硫化氢检测的应用例。
在该应用例中，光源采用VCSEL激光器，发射的波长中含有对应于硫化氢的吸收光谱谱线1588nm，如图3所示。第一检测模块采用相敏检测技术测量被测硫化氢气体吸收的二次谐波信号。开关模块采用电路，用于控制激光器的驱动，驱动方式如图5，如图5所示，当激光器驱动电流为三角波叠加正弦波形式时，第一检测模块开始采集数据，当为直流电流驱动时，开关模块周期性的关断激光器驱动电流，第二检测模块将测得的第二电信号传送到补偿模块。激光器电流呈方波形式，开关模块关断的时间点可以根据实际的需要进行调整，此例中方波的强度H小于三角波的幅度。
实施例4：
根据本发明实施例1的测量装置和方法在天然气中水蒸气检测的应用例。光源采用VCSEL激光器，发射的波长中含有对应于水蒸气的吸收光谱1877.1nm，甲烷的吸收光谱谱线1876.8nm，第一检测模块采用相敏检测技术测量被测水蒸气吸收的二次谐波信号。开关模块采用遮挡物，当需要时置放在测量光的光路上。
图6示意性地给出了测量装置的部分的基本结构图，如图6所示，所述测量装置包括光源及驱动单元101、谐振腔102、第一探测模块103及分析单元104，还包括脱水装置106、温度和压力平衡装置108、阀门105、107。
上述测量装置的工作过程(对应于测量方法)为：
通过阀门105、107的切换，天然气通过脱水器106、压力和温度平衡装置108，进入所述谐振腔102内，作为参比环境。与被测环境相比较，参比环境内不含水蒸气。
测量光在谐振腔102内的第一高反镜和第二高反镜之间来回反射，被天然气中的甲烷吸收，后被第一探测模块103接收，转换为调制吸收信号A，如二次谐波信号，并送分析单元104，该信号对应着甲烷的吸收。
通过阀门105、107的切换，天然气不通过脱水器106，直接通过压力和温度平衡装置108进入谐振腔102内。
激光器发出的测量光穿过谐振腔102内的甲烷、水蒸气，后被第一探测模块103接收，转换为调制吸收信号A’，如二次谐波信号，并送分析单元104，该信号对应着甲烷、水蒸气的吸收。
在分析单元104内，所述信号A’减去信号A，从而得出对应着水蒸气吸收的信号；
分析单元104利用吸收光谱分析技术处理补偿模块传送来的补偿后光程、对应着水蒸气吸收的信号，从而获知天然气中的微量水蒸气浓度。
Claims (10)
1.气体的光电测量装置，其特征在于：所述测量装置包括：
光源，所述光源用于发出测量光，所述测量光包含对应于被测气体吸收谱线的波长；
开关模块，所述开关模块用于控制是否有测量光进入谐振腔；
谐振腔，所述谐振腔包括第一高反镜和第二高反镜，所述谐振腔用于容纳被测气体且使所述测量光进入并在所述第一高反镜和第二高反镜之间来回反射；
探测模块，所述探测模块用于在所述开关模块为开状态时将接收到的从所述谐振腔出射的光强转换为第一电信号，并传送到分析单元，以及在所述开关模块为关状态时将接收到的从所述谐振腔出射的光强转换为第二电信号，并传送到补偿模块；
补偿模块，所述补偿模块用于根据接收到的所述第二电信号得出衰荡时间τ，从而补偿所述测量光在所述谐振腔内的光程，进而将补偿后的有效光程Leff传送到分析单元；
分析单元，所述分析单元用于利用光谱技术分析接收到的所述第一电信号以及有效光程Leff，从而获知所述谐振腔内被测气体的含量。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述开关模块控制所述光源是否发出测量光，或设置在所述测量光的光路上。
3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述光源是激光器。
4.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述探测模块包括第一探测模块和第二探测模块，分别用于输出所述第一电信号和第二电信号。
5.根据权利要求4所述的测量装置，其特征在于：所述第一电信号是调制吸收信号。
6.气体的光电测量方法，所述测量方法包括以下步骤：
(A1)光源发出的测量光进入谐振腔内，所述谐振腔由第一高反镜、第二高反镜组成，所述测量光在所述第一高反镜和第二高反镜间来回反射，所述测量光中对应于被测气体的吸收谱线的光由于被被测气体吸收而衰减；
(A2)探测模块将接收到的从所述谐振腔出射的光强转换为第一电信号，并传送到分析单元；
(A3)不再有测量光进入所述谐振腔，所述探测模块将接收到的从所述谐振腔出射的光强转换为第二电信号，并传送到补偿模块；
(A4)补偿模块根据接收到的所述第二电信号得出衰荡时间τ，从而补偿所述测量光在所述谐振腔内的光程，进而将补偿后的有效光程Leff传送到分析单元；
(A5)分析单元利用光谱技术分析接收到的所述第一电信号以及有效光程Leff，从而获知所述谐振腔内被测气体的含量。
7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于：在所述步骤(A4)中，通过以下方式使不再有测量光进入所述谐振腔：
关闭所述光源或在所述测量光的光路上设置阻挡物。
8.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于：在所述步骤(A5)中，利用所述衰荡时间τ补偿所述光程的方式为
c是光速，L为所述谐振腔的腔长，R为反射率，N为待测气体的浓度，σ(v)为待测气体的单位吸收。
9.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于：所述探测模块包括第一探测模块和第二探测模块，分别用于输出所述第一电信号和第二电信号。
10.根据权利要求9所述的测量方法，其特征在于：所述第一电信号是调制吸收信号。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20120711 |