CN102621063B - 基于多孔材料气体池的小型氧气测量装置 - Google Patents
基于多孔材料气体池的小型氧气测量装置 Download PDFInfo
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Abstract
基于多孔材料气体池的小型氧气测量装置，属于氧气测量领域，本发明为解决现有的基于可调谐二极管激光吸收光谱技术的氧气测量仪由于采用大体积气体池而难以进行单一装置小型化和多组分、多点测量系统集成化的问题。本发明装置：信号采集控制器的输出端与二极管激光器的输入端相连，二极管激光器的输出光通过光纤耦合器进入光纤，光纤输出的光经光束准直器输出，入射至多孔材料气体池，透过多孔材料气体池的激光光束入射至探测器，探测器的电信号输出端与放大器的输入端相连，放大器的输出端与功分器的输入端相连，功分器的两个输出端分别通过一个锁相器与信号采集控制器的输入端相连。本发明用于氧气浓度的测量。
Description
技术领域
本发明涉及基于多孔材料气体池的小型氧气测量装置，属于氧气测量领域。
背景技术
目前在氧气测量领域被广泛使用的仪器是基于化学原理的氧化锆测氧仪。然而种技术属于接触式测量，探测装置容易出现饱和中毒等现象，影响测量结果的准确性，并且传感探头易受腐蚀，使得仪器的有效使用寿命一般不超过两年。相比之下，基于激光光谱技术的氧气测量仪具有非接触和使用寿命长的优势。尤其是基于可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)的氧气测量系统更是具有高灵敏、低能耗的优点。尽管TDLAS由于采用了体积小的二极管激光光源，缩小了光源系统的体积，但是用于装载样品气体的气体池长度一般都比较大，才能保证足够的吸收光程来实现准确、定量测量。气体池的体积成为了目前基于TDLAS技术的氧气测量装置小型化一个主要瓶颈之一，同时气体池的体积大也不利于在多组分气体检测系统中或者多点氧气测量系统中实施氧气测量装置的集成化。
发明内容
本发明目的是为了解决现有的基于可调谐二极管激光吸收光谱技术的氧气测量仪由于采用大体积气体池而难以进行单一装置小型化和多组分、多点测量系统集成化的问题，提供了一种基于多孔材料气体池的小型氧气测量装置。
本发明所述基于多孔材料气体池的小型氧气测量装置，它包括信号采集控制器、二极管激光器、光纤耦合器、光纤、光束准直器、多孔材料气体池、探测器、放大器、功分器、第一锁相器和第二锁相器，
信号采集控制器的输出端与二极管激光器的输入端相连，二极管激光器的光输出端与光纤耦合器的输入端相连，光纤耦合器的输出端与光纤的输入端相连，光纤的输出端与光束准直器的输入端相连，光束准直器的输出端发射出平行的激光光束入射至多孔材料气体池，透过多孔材料气体池的激光光束入射至探测器，探测器的电信号输出端与放大器的输入端相连，放大器的输出端与功分器的输入端相连，功分器的第一输出端与第一锁相器的输入端相连，功分器的第二输出端与第二锁相器的输入端相连，第一锁相器的输出端与信号采集控制器的第一信号输入端相连，第二锁相器的输出端与信号采集控制器的第二信号输入端相连。
本发明的优点：
1.采用具有强散射性的多孔材料作为承载被测气体的气体池，激光在散射介质内的微结构中不断被散射，大大提高了与被测气体产生共振吸收的几率，可以在厘米尺度量级的气体池中获得米量级的有效吸收光程，与传统的基于激光吸收光谱技术的氧气测量仪器相比，在同等测量精度的水平下，气体承载部分的体积可以减小两个数量级，使整个氧气测量系统更加小型化。
2.小体积气体池改善了待测样品气体的更换速度，从传统的几十秒量级降至到秒量级，显著提高了整体系统的测量响应时间。
3.在进行多点氧气测量系统的构造中，由中央信号控制处理系统对各个测量点的数据做统一规范的控制和处理，采用本发明的装置只需根据测量点的多少相应增加气体池的个数，但对系统整体的体积增加很小，可以大大提高整个系统的集成化程度。
附图说明
图1为基于多孔材料气体池的小型氧气测量装置示意图；
图2为多孔材料气体池的结构示意图；
图3是图2的侧视图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述基于多孔材料气体池的小型氧气测量装置，它包括信号采集控制器1、二极管激光器2、光纤耦合器3、光纤4、光束准直器5、多孔材料气体池6、探测器7、放大器8、功分器9、第一锁相器10和第二锁相器11，
信号采集控制器1的输出端与二极管激光器2的输入端相连，二极管激光器2的光输出端与光纤耦合器3的输入端相连，光纤耦合器3的输出端与光纤4的输入端相连，光纤4的输出端与光束准直器5的输入端相连，光束准直器5的输出端发射出平行的激光光束入射至多孔材料气体池6，透过多孔材料气体池6的激光光束入射至探测器7，探测器7的电信号输出端与放大器8的输入端相连，放大器8的输出端与功分器9的输入端相连，功分器9的第一输出端与第一锁相器10的输入端相连，功分器9的第二输出端与第二锁相器11的输入端相连，第一锁相器10的输出端与信号采集控制器1的第一信号输入端相连，第二锁相器11的输出端与信号采集控制器1的第二信号输入端相连。
工作原理：信号采集控制器1生成一个由频率为f1的锯齿波和频率为f2的正弦波合成的信号输入到二极管激光器2，锯齿波的作用是通过改变激光二极管2的正向导通电流来实施波长的调谐，而正弦波的频率f2是锯齿波频率f1的1000倍，正弦波所起到的作用是通过对原始信号进行高频调制来抑制低频噪声，提高测量的信噪比。二极管激光器2输出带有波长调制的、中心波长为759至767nm的激光，通过光纤耦合器3耦合进光纤4，激光在光纤4输出端出射后经由光束准直器5准直，准直后的平行激光光束入射至充有待测氧气的多孔材料气体池6。激光在多孔材料的内部多孔结构中不断散射，与孔内充有的待测样品气体中的氧气在特定波长处发生共振吸收，携带吸收信息的部分光子在多孔材料气体池6的出射面射出，并由探测器7接收，探测器7将光信号转化成电信号后输入至放大器8放大，然后由功分器9平均分成等同的两路信号，一路接第一锁相器10的输入端并在f2频率处解调出吸收信号的一次谐波，另一路接第二锁相器11的输入端并在2f2频率处解调出吸收信号的二次谐波，解调出的一次谐波和二次谐波分别接信号采集控制器1的两个输入端，信号采集控制器1按照浓度计算式Cs＝CrA2sA1r/A2rA1s得到待测氧气的浓度值。式中Cr为用于系统标定的标准气体中氧气的浓度，A2s为待测样品气体的二次谐波信号，A1s为待测样品气体的一次谐波信号，A2r为标准气体的二次谐波信号，A1r为标准气体的一次谐波信号。
具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，二极管激光器2发射的光波的中心波长处于759至767nm的范围内。
具体实施方式三：下面结合图2的图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，多孔材料气体池6具有两个端面窗口6-3，所述两个端面窗口6-3互相平行，且与光束准直器5的输出端发射出激光光束垂直；
多孔材料气体池6的上、下端分别设置有进气口6-1和出气口6-2；
多孔材料气体池6的内部设置有填充物。
具体实施方式四：本实施方式对实施方式三作进一步说明，多孔材料气体池6内部的填充物为氧化铝多孔材料。
具体实施方式五：本实施方式对实施方式四作进一步说明，多孔材料气体池6内填充的氧化铝多孔材料的孔隙率大于30％，平均孔径小于5μm，光子传输平均自由程小于20μm，透光率大于0.01％。
具体实施方式六：本实施方式对实施方式三作进一步说明，多孔材料气体池6的两个端面窗口6-3的制作材料为K9玻璃，在波长760nm处的透光率大于90％。
具体实施方式七：本实施方式对实施方式三作进一步说明，多孔材料气体池6的端面窗口6-3为长方形玻璃，所述长方形玻璃的厚度为2～5mm，多孔材料气体池6的的两个端面窗口6-3之间的距离为b，且满足关系式e≥c＞3b，其中，e为长方形玻璃的长边长度，c为长方形玻璃的宽边的长度，所述宽边与多孔材料气体池6的进气方向平行。
具体实施方式八：本实施方式对实施方式三作进一步说明，多孔材料气体池6的进气口6-1与出气口6-2的尺寸相同，在与端面窗口6-3所在平面垂直方向的长度为a，在与端面窗口6-3所在平面平行方向的尺寸为d，且满足关系式a＞b/2和关系式d＞e/2。
Claims (7)
1.基于多孔材料气体池的小型氧气测量装置，其特征在于，它包括信号采集控制器（1）、二极管激光器（2）、光纤耦合器（3）、光纤（4）、光束准直器（5）、多孔材料气体池（6）、探测器（7）、放大器（8）、功分器（9）、第一锁相器（10）和第二锁相器（11），
信号采集控制器（1）的输出端与二极管激光器（2）的输入端相连，二极管激光器（2）的光输出端与光纤耦合器（3）的输入端相连，光纤耦合器（3）的输出端与光纤（4）的输入端相连，光纤（4）的输出端与光束准直器（5）的输入端相连，光束准直器（5）的输出端发射出平行的激光光束入射至多孔材料气体池（6），透过多孔材料气体池（6）的激光光束入射至探测器（7），探测器（7）的电信号输出端与放大器（8）的输入端相连，放大器（8）的输出端与功分器（9）的输入端相连，功分器（9）的第一输出端与第一锁相器（10）的输入端相连，功分器（9）的第二输出端与第二锁相器（11）的输入端相连，第一锁相器（10）的输出端与信号采集控制器（1）的第一信号输入端相连，第二锁相器（11）的输出端与信号采集控制器（1）的第二信号输入端相连；
多孔材料气体池（6）具有两个端面窗口（6-3），所述两个端面窗口（6-3）互相平行，且与光束准直器（5）的输出端发射出激光光束垂直；
多孔材料气体池（6）的上、下端分别设置有进气口（6-1）和出气口（6-2）；
多孔材料气体池（6）的内部设置有填充物。
2.根据权利要求1所述基于多孔材料气体池的小型氧气测量装置，其特征在于，二极管激光器（2）发射的光波的中心波长处于759至767nm的范围内。
3.根据权利要求1所述基于多孔材料气体池的小型氧气测量装置，其特征在于，多孔材料气体池（6）内部的填充物为氧化铝多孔材料。
4.根据权利要求3所述基于多孔材料气体池的小型氧气测量装置，其特征在于，多孔材料气体池（6）内填充的氧化铝多孔材料的孔隙率大于30%，平均孔径小于5μm，光子传输平均自由程小于20μm，透光率大于0.01%。
5.根据权利要求1所述基于多孔材料气体池的小型氧气测量装置，其特征在于，多孔材料气体池（6）的两个端面窗口（6-3）的制作材料为K9玻璃，在波长760nm处的透光率大于90%。
6.根据权利要求1所述基于多孔材料气体池的小型氧气测量装置，其特征在于，多孔材料气体池（6）的端面窗口（6-3）为长方形玻璃，所述长方形玻璃的厚度为2～5mm，多孔材料气体池（6）的两个端面窗口（6-3）之间的距离为b，且满足关系式e≥c>3b，其中，e为长方形玻璃的长边长度，c为长方形玻璃的宽边的长度，所述宽边与多孔材料气体池（6）的进气方向平行。
7.根据权利要求6所述基于多孔材料气体池的小型氧气测量装置，其特征在于，多孔材料气体池（6）的进气口（6-1）与出气口（6-2）的尺寸相同，在与端面窗口（6-3）所在平面垂直方向的长度为a，在与端面窗口（6-3）所在平面平行方向的尺寸为d，且满足关系式a>b/2和关系式d>e/2。
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