CN104034675B - 一种用于物质浓度测量的标定系统及物质浓度的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于物质浓度测量的标定系统及物质浓度的测量方法，包括供气系统、雾化系统、混合系统和光学测试系统，各个系统顺次连通。该标定系统中，被测物在进入光学测试系统前加热、供气系统提供高温高压惰性气体作为被测物的保护气、雾化系统使被测物产生闪急沸腾喷雾及多孔介质板对被测物整流等技术确保光学测试系统中测试区域的温度、压力、物质浓度保持动态平衡、分布均匀且单独可控，进而确保测量结果的准确性；同一测试容器可提供三种长度的测试光路，也可更换测试容器来大幅度改变光路长度；该标定系统可以采用多种光学测试技术对物质浓度进行测量，获得不同环境温度及压力下物质的浓度与光学信号强度的关系，具有普适性。

Description

一种用于物质浓度测量的标定系统及物质浓度的测量方法

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，具体涉及一种用于物质浓度测量的标定系统及物质浓度的测量方法。

背景技术

近年来，光学测量技术以其无接触、瞬态测量等优点在各个领域中迅速发展。在光学测试中，物质的浓度测量技术需求最为普遍并受到广泛关注。在基于光学测试技术测量物质浓度的技术中，激光诱导荧光技术及两波长吸收与散射技术应用最为广泛。激光诱导荧光技术是采用检测激光照射被测物后产生荧光，在一定条件下，荧光强度和物质浓度基本成正比关系，由此通过检测荧光信号强度获得物质的浓度信息。基于两波长激光吸收与散射技术是激光发出两个特定波长照射被测物后，根据检测物质对不同波长的吸光度和因颗粒散射而消光的程度获得物质浓度的方法。虽然两种测量方法可以直接定性地获得被测物浓度，但想获得定量的结果则必须通过标定才能实现。由于光学测试的精密性要求，为了确保标定的可靠性，就需要精准地获得不同测试条件下已知浓度的均匀浓度分布，所以标定环节往往是浓度测量过程中最为复杂且精度要求最高的环节。通常，对物质浓度的标定过程是通过将微量被测物质注入透明容器，通过加热使其蒸发，然后利用激光诱导荧光技术或者两波长的吸收与散射技术检测不同环境温度或者压力下物质浓度与检测信号的关系，从而获得物质定量的浓度结果。然而，上述的标定过程存在许多难点：1)所需的被测物浓度往往是微量的，在常规容器中很难准确地加入微量的被测物并准确控制测试容器内被测物的浓度；2)被测物在常温常压下通常是液态，而在测量时一般是高温高压下，很难保证被测物在测试区域内充分蒸发且浓度分布均匀；3)加热时可能会导致局部温度过高或过低，温度过高会导致被测物高温分解，而局部低温会使被测物在壁面上凝结，从而导致测量浓度不准确；4)由于激光诱导荧光技术及两波长吸收与散射技术中，被测物检测信号强度与测试区域的温度、压力、浓度等相关，常规测试系统很难实现温度、压力、浓度等物理量的独立变化；5)在测试容器中往往存在氧气，这会导致激光诱导荧光测试信号的淬灭，同时在高温高压情况下，如果容器中含有铬、铁等成分往往会导致被测物的催化氧化，影响测量结果；6)当被测物浓度较高时，常规测试容器的光路长度很难自由调节，过长的光路长度会使被测物对激光的吸收达到饱和状态从而导致透射激光强度过弱，结果使信号强度与浓度的线性关系发生严重偏离，大大降低测量的准确性。

专利号为201210579167.9的中国专利公开了一种平面激光诱导荧光混药浓度场在线测量方法，它利用激光诱导荧光技术解决了混药浓度场的在线实时测量且涉及到测量的标定过程，但该专利未考虑以下几点内容：1.药物混合过程过于简单，无法保证测试区域浓度均匀，更无法实现可靠地标定过程；2.荧光在有氧情况下会产生荧光测试信号的淬灭，不利于定量测量；3.如果药物浓度较高，由于光路长度无法改变，会导致被测物对光的吸收达到过饱和状态，影响测试结果，同时该方法只限于常温常压下的特定的光学测试技术使用，不具有普适性。国外相关测量绝大多数同样只限于激光诱导荧光技术，而不适合两波长吸收与散射技术。另外，公开号为6603555的美国专利公开了Gasdetectingapparatususinglaserabsorptionspectroscopy，它可以测量气体的吸光度，但其只能在常温常压的环境内测量，且无法实现准确的标定过程。为此，我们针对在高温高压条件下采用多种光学测试手段对物质浓度测试及标定所面临的问题发明了该专利。

发明内容

本发明所要解决的问题是提供一种用于物质浓度测量的标定系统，是一种可按测试要求在设定的温度和压力环境下产生、保持一定的物质浓度并保证均匀性的系统，以便于用激光诱导荧光法、激光吸收与散射法等多种光学测试方法对其实现定量测量，获得不同环境温度及压力下物质的浓度与光学信号强度的关系，还提供了一种物质浓度的测量方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种用于物质浓度测量的标定系统，包括用于提供高温高压惰性气体的供气系统、用于使被测物雾化并使雾化的被测物与惰性气体混合成混合气的雾化系统、用于对混合气进行整流的混合系统以及用于测试混合气中雾化的被测物浓度分布的光学测试系统，所述供气系统的出气端和雾化系统的进气端连通，所述雾化系统的出气端和混合系统的进气端连通，所述混合系统的出气端和光学测试系统的进气端连通。供气系统提供高温高压惰性气体作为被测物的保护气，避免被测物发生催化氧化反应影响测量结果的准确性，雾化系统使被测物充分雾化、随惰性气体进入混合系统中，混合系统对雾化的被测物与惰性气体的混合气进行整流使雾化的被测物气相浓度分布均匀，光学测试系统可采用多种光学测试技术对气相浓度分布均匀的雾化的被测物进行测量，测量结果准确。

改进的，所述供气系统包括惰性气体源、气体流量表和气体加热室，所述气体加热室内置有加热器，所述惰性气体源的出气端和气体流量表的进气端通过导气管连通，所述气体流量表的出气端和气体加热室的进气端通过导气管连通，所述气体加热室的出气端和雾化系统的进气端连通。供应惰性气体并对惰性气体高温高压处理，使惰性气体进入光学测试系统前充分加热，相比于现有技术中被测物注入测试容器后加热，避免了加热时局部温度过高或过低导致的高温分解或低温附壁现象，同时确保系统内温度及压力的可调性，实现可连续测量。

改进的，所述雾化系统包括雾化室、喷嘴和水循环加热装置，所述水循环加热装置包括热水源和加热部，所述热水源的出水端和加热部的进水端连通，所述加热部的出水端和热水源的进水端连通，所述加热部固定在雾化室上，所述喷嘴穿装在加热部中且喷嘴的喷口伸入雾化室内，所述供气系统的出气端和雾化室的进气端连通，所述雾化室的出气端和混合系统的进气端连通。在高温高压的雾化室中采用喷嘴单位时间内多次少量的喷射策略结合气体流量表精确计算控制光学测试系统中雾化的被测物的浓度，实现浓度大范围的改变，同时利用水循环加热装置对喷嘴内的被测物进行加热以控制被测物的温度，使被测物喷射至雾化室后立即进入过热状态，发生闪急沸腾，由此大大提高雾化效果和蒸发速率，使雾化的被测物迅速与高温高压惰性气体混合且混合得较为均匀。

改进的，所述混合系统包括混合室和若干多孔介质板，所述多孔介质板包括板体和设在板体上的多个通孔，所述板体固定在混合室中且垂直于气体的流通方向设置，若干多孔介质板沿着气体的流通方向分布，所述雾化系统的出气端和混合室的进气端连通，所述混合室的出气端和光学测试系统的进气端连通。通过多孔介质板对混合气进行整流，确保雾化的被测物气相浓度分布均匀。

改进的，所述光学测试系统包括光学测试容器、温度传感器和压力传感器，所述光学测试容器呈长方体状且光学测试容器的各个壁面上均设有光学窗口，所述温度传感器和光学测试容器连接，所述压力传感器和光学测试容器连接，所述混合系统的出气端和光学测试容器的进气端连通，所述光学测试容器的出气端设有压力控制阀。两个相互垂直的光学窗口可以用于激光诱导荧光浓度测试，两个平行相对的光学窗口可以用于基于两波长的吸收与散射技术中吸光度的测试，可采用多种光学测试技术测量物质的浓度分布，系统具有普适性，通过温度传感器和压力传感器实时检测光学测试系统的温度与压力并结合压力控制阀对光学测试容器内压力的调节，确保实验条件的准确性。

改进的，所述光学测试容器为长度、宽度和高度各不相等的长方体状光学测试容器。光学测试容器长、宽、高各不相等,对于同一光学测试容器就可提供三种长度的测试光路。

改进的，所述光学测试容器和混合系统可拆卸更换连接。如果一个光学测试容器的测试光路长度不够满足需求，可以通过更换光学测试容器来大幅度改变测试光路的长度。

一种物质浓度的测量方法，在一种用于物质浓度测量的标定系统上进行测量，所述标定系统包括惰性气体源、气体流量表、气体加热室、加热器、雾化室、喷嘴、水循环加热装置、混合室、多孔介质板、光学测试容器、温度传感器、压力传感器、光学窗口和压力控制阀，测量方法包括以下步骤：

1)加热起始时，高压惰性气体从惰性气体源流出，先后流经气体流量表、气体加热室、雾化室、混合室、光学测试容器和压力控制阀，最后从压力控制阀处流出，对标定系统进行冲洗，流经气体加热室时加热器对从惰性气体源中流出的高压惰性气体进行加热使其成为高温高压惰性气体；

2)再使用达到或超过预设值的高温高压惰性气体对标定系统进行预热，当温度传感器的温度提高至接近测试条件后，调节压力控制阀使光学测试容器先到达指定压力，随后调节加热器的功率，改变高温高压惰性气体的温度，最终确保光学测试容器中的温度传感器和压力传感器达到目标值并读取气体流量表的数值；

3)喷嘴采用单位时间内多次少量的喷射策略，喷射量根据气体流量表的读数在高温高压环境下换算的数值和系统的实验容积进行计算，根据计算结果调节喷嘴的喷射量；

4)利用水循环加热装置对喷嘴进行加热使被测物喷射至雾化室后产生闪急沸腾喷雾，迅速与高温高压惰性气体混合并随高温高压惰性气体进入混合室，经若干多孔介质板整流后进入光学测试容器；

5)在相互垂直的两光学窗口处分别布置脉冲激光器和激光诱导荧光信号采集相机，进行激光诱导荧光浓度测试；或者，在相互平行相对的两光学窗口处分别布置脉冲激光器和两波长吸收与散射信号采集相机，进行基于两波长的吸收与散射技术中吸光度的测试。

改进的，测量过程中，通过惰性气体源的出气量或加热器功率调节测试温度并通过温度传感器检测温度，通过压力控制阀调节测试压力并通过压力传感器检测压力，通过喷嘴喷射量或喷射频率调节被测物浓度并通过喷嘴喷射量和气体流量表的读数换算成被测物浓度。

有益效果：

采用上述技术方案后，该发明一种用于物质浓度测量的标定系统及物质浓度的测量方法：

1)采用高温高压惰性气体作为保护气，避免被测物发生催化氧化反应影响测量结果，提高测量结果的准确性；

2)被测物和惰性气体均在光学测试容器外加热，替代光学测试容器内加热，避免了局部温度过高或过低导致的高温分解或低温附壁现象，同时确保系统内温度及压力的可调性，实现可连续测量；

3)采用喷嘴单位时间内多次少量的喷射策略结合气体流量表精确计算控制光学测试容器中被测物浓度，实现浓度大范围的改变；

4)喷嘴利用水循环加热装置实现闪急沸腾喷雾，由此提高喷雾雾化特性和蒸发速率，使被测物在雾化室内能快速雾化，同时避免在较大供给量下燃油碰壁现象的发生；

5)采用若干多孔介质板对混合气进行整流，保证进入光学测试容器的混合气浓度均匀；

6)气体加热室、喷嘴、水循环加热装置、温度传感器、减压阀、压力控制阀、压力传感器的独立设置及相互配合使混合气保持动态平衡，确保光学测试容器内温度压力稳定及被测物浓度的恒定，并做到温度、压力和物质浓度参数的独立变化；

7)光学测试容器长、宽、高各不相等,对于同一光学测试容器就可提供三种长度的测试光路，如果还不能够满足需求，可以通过更换光学测试容器来大幅度改变测试光路的长度。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

图1为实施例一的结构示意图；

图2为实施例一中混合系统的结构示意图；

图3为实施例一中光学测试系统的结构示意图。

具体实施方式

实施例一：

如图1所示，一种用于物质浓度测量的标定系统，包括用于提供高压惰性气体的供气系统、用于使被测物雾化并使雾化的被测物与惰性气体混合成混合气的雾化系统、用于对混合气进行整流的混合系统以及用于测试混合气中雾化的被测物浓度分布的光学测试系统，所述供气系统的出气端和雾化系统的进气端连通，所述雾化系统的出气端和混合系统的进气端连通，所述混合系统的出气端和光学测试系统的进气端连通。

所述供气系统包括惰性气体源11、气体流量表12和气体加热室13，所述气体加热室内置有加热器，所述惰性气体源的出气端和气体流量表的进气端通过导气管连通，所述气体流量表的出气端和气体加热室的进气端通过导气管连通，所述气体加热室的出气端和雾化系统的进气端连通，为了便于光学测试系统中测试压力的调节，可在导气管上设置减压阀15，也就是惰性气体源的出气端和减压阀的进气端通过导气管连通，所述减压阀的出气端和气体流量表的进气端通过导气管连通。

所述雾化系统包括雾化室21、喷嘴22和水循环加热装置，所述水循环加热装置包括热水源23和加热部24，所述热水源的出水端和加热部的进水端连通，所述加热部的出水端和热水源的进水端连通，所述加热部固定在雾化室上，所述喷嘴穿装在加热部中且喷嘴的喷口伸入雾化室内，所述供气系统的出气端和雾化室的进气端连通，也就是气体加热室的出气端和雾化室的进气端连通，所述雾化室的出气端和混合系统的进气端连通。

如图2所示，所述混合系统包括混合室31和若干多孔介质板，所述多孔介质板包括板体32和设在板体上的多个通孔33，所述板体固定在混合室中且垂直于气体的流通方向设置，若干多孔介质板沿着气体的流通方向分布，所述雾化系统的出气端和混合室的进气端连通，也就是雾化室的出气端和混合室的进气端连通，且雾化室的出气端和混合室的进气端通过O型圈和绝热材料密封并通过螺栓紧固连接，所述混合室的出气端和光学测试系统的进气端连通。

如图3所示，所述光学测试系统包括光学测试容器41、温度传感器42和压力传感器43，所述光学测试容器呈长方体状且光学测试容器的各个壁面上设有光学窗口44，本实施例中，所述光学测试容器为长度、宽度和高度不等的长方体状光学测试容器，所述温度传感器和光学测试容器连接，所述压力传感器和光学测试容器连接，所述混合系统的出气端和光学测试容器的进气端连通，也就是混合室的出气端和光学测试容器的进气端连通，所述光学测试容器的出气端设有压力控制阀45，为了大幅度改变测试光路的长度，可将光学测试容器和混合系统可拆卸更换连接，也就是光学测试容器和混合室可拆卸更换连接，当一个光学测试容器的测试光路长度不够满足需求时，可以通过不同光学测试容器的更换来大幅度改变测试光路的长度。

该标定系统的内部操作环境为高温高压环境，上述各个部件之间的连接处均进行密封绝热处理。

喷嘴22中的被测物经水循环加热装置加热后喷至雾化室21中发生闪急沸腾，迅速与高温高压惰性气体混合并随着高温高压惰性气体流入混合室31，经若干多孔介质板整流后流入光学测试容器41中，采用激光诱导荧光技术或两波长吸收与散射技术等多种光学测试技术进行浓度测量。

实施例二：

一种物质浓度的测量方法，在一种用于物质浓度测量的标定系统上进行测量，所述标定系统包括惰性气体源11、减压阀15、气体流量表12、气体加热室13、加热器、雾化室21、喷嘴22、水循环加热装置、混合室31、多孔介质板、光学测试容器41、温度传感器42、压力传感器43、光学窗口44和压力控制阀45，测量方法包括以下步骤：

1)加热起始时，高压惰性气体从惰性气体源11流出，先后流经减压阀15、气体流量表12、气体加热室13、雾化室21、混合室31、光学测试容器41和压力控制阀45，最后从压力控制阀处流出，对标定系统进行冲洗，尽可能将标定系统中的空气排出，避免被测物收到空气的影响，流经气体加热室时加热器对从惰性气体源中流出的高压惰性气体进行加热使其成为高温高压惰性气体；

2)再使用达到或超过预设值的高温高压惰性气体对标定系统进行预热，当温度传感器42的温度提高至接近测试条件后调节减压阀和压力控制阀，使光学测试容器先到达指定压力，随后调节加热器功率，改变高温高压惰性气体的温度，最终确保光学测试容器中的温度传感器和压力传感器45达到目标值并读取气体流量表的数值；

3)喷嘴22采用单位时间内多次少量的喷射策略，喷射量根据气体流量表的读数在高温高压环境下换算的数值和系统的实验容积进行计算，根据计算结果调节喷嘴的喷射量；

4)利用水循环加热装置对喷嘴进行加热使被测物喷射至雾化室后产生闪急沸腾喷雾，迅速与高温高压惰性气体混合并随高温高压惰性气体进入混合室，经若干多孔介质板整流后进入光学测试容器；

5)在相互垂直的两光学窗口44处分别布置脉冲激光器51和激光诱导荧光信号采集相机52，进行激光诱导荧光浓度测试；或者，在相互平行相对的两光学窗口处分别布置脉冲激光器和两波长吸收与散射信号采集相机53，进行基于两波长的吸收与散射技术中吸光度的测试。

上述测量过程中，通过惰性气体源的出气量或加热器功率调节测试温度并通过温度传感器检测温度，通过减压阀或压力控制阀调节测试压力并通过压力传感器检测压力，通过喷嘴喷射量或喷射频率调节被测物浓度并通过喷嘴喷射量和气体流量表的读数换算成被测物浓度。

除上述优选实施例外，本发明还有其他的实施方式，本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变和变形，只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明所附权利要求所定义的范围。

Claims (7)

1.一种用于物质浓度测量的标定系统，其特征在于：包括用于提供高温高压惰性气体的供气系统、用于使被测物雾化并使雾化的被测物与惰性气体混合成混合气的雾化系统、用于对混合气进行整流的混合系统以及用于测试混合气中雾化的被测物浓度分布的光学测试系统，所述供气系统和雾化系统连通，所述雾化系统和混合系统连通，所述混合系统和光学测试系统连通，所述供气系统包括惰性气体源(11)、气体流量表(12)和气体加热室(13)，所述气体加热室(13)内置有加热器，所述惰性气体源(11)的出气端和气体流量表(12)的进气端通过导气管(14)连通，所述气体流量表(12)的出气端和气体加热室(13)的进气端通过导气管连通，所述雾化系统包括雾化室(21)、喷嘴(22)和水循环加热装置，所述水循环加热装置包括热水源(23)和加热部(24)，所述热水源(23)的出水端和加热部(24)的进水端连通，所述加热部(24)的出水端和热水源(23)的进水端连通，所述加热部(24)固定在雾化室(21)上，所述喷嘴(22)穿装在加热部(24)中且喷嘴(22)的喷口伸入雾化室(21)内，所述气体加热室(13)的出气端和雾化室(21)的进气端连通，所述雾化室(21)的出气端和混合系统连通。

2.根据权利要求1所述的一种用于物质浓度测量的标定系统，其特征在于：所述混合系统包括混合室(31)和若干多孔介质板，所述多孔介质板包括板体(32)和设在板体上的多个通孔(33)，所述板体(32)固定在混合室(31)中且垂直于气体的流通方向设置，若干多孔介质板沿着气体的流通方向分布，所述雾化室(21)的出气端和混合室(31)的进气端连通，所述混合室(31)的出气端和光学测试系统连通。

3.根据权利要求1所述的一种用于物质浓度测量的标定系统，其特征在于：所述光学测试系统包括光学测试容器(41)、温度传感器(42)和压力传感器(43)，所述光学测试容器(41)呈长方体状且光学测试容器的各个壁面上均设有光学窗口(44)，所述温度传感器(42)和光学测试容器(41)连接，所述压力传感器(43)和光学测试容器(41)连接，所述混合室(31)的出气端和光学测试容器(41)的进气端连通，所述光学测试容器(41)的出气端设有压力控制阀(45)。

4.根据权利要求3所述的一种用于物质浓度测量的标定系统，其特征在于：所述光学测试容器(41)为长度、宽度和高度各不相等的长方体状光学测试容器。

5.根据权利要求3或4所述的一种用于物质浓度测量的标定系统，其特征在于：所述光学测试容器(41)和混合室(31)可拆卸更换连接。

6.一种物质浓度的测量方法，其特征在于：在一种用于物质浓度测量的标定系统上进行测量，所述标定系统包括惰性气体源(11)、气体流量表(12)、气体加热室(13)、加热器、雾化室(21)、喷嘴(22)、水循环加热装置、混合室(31)、多孔介质板、光学测试容器(41)、温度传感器(42)、压力传感器(43)、光学窗口(44)和压力控制阀(45)，测量方法包括以下步骤：

1)加热起始时，高压惰性气体从惰性气体源(11)流出，先后流经气体流量表(12)、气体加热室(13)、雾化室(21)、混合室(31)、光学测试容器(41)和压力控制阀(45)，最后从压力控制阀(45)处流出，对标定系统进行冲洗，流经气体加热室时加热器对从惰性气体源中流出的高压惰性气体进行加热使其成为高温高压惰性气体；

2)再使用达到或超过预设值的高温高压惰性气体对标定系统进行预热，当温度传感器(42)的温度提高至接近测试条件后，调节压力控制阀(45)使光学测试容器(41)先到达指定压力，随后调节加热器的功率，改变高温高压惰性气体的温度，最终确保光学测试容器中的温度传感器(42)和压力传感器(43)达到目标值并读取气体流量表的数值；

3)喷嘴(22)采用单位时间内多次少量的喷射策略，喷射量根据气体流量表的读数在高温高压环境下换算的数值和系统的实验容积进行计算，根据计算结果调节喷嘴的喷射量；

4)利用水循环加热装置对喷嘴(22)进行加热使被测物喷射至雾化室(21)后产生闪急沸腾喷雾，迅速与高温高压惰性气体混合并随高温高压惰性气体进入混合室(31)，经若干多孔介质板整流后进入光学测试容器(41)；

5)在相互垂直的两光学窗口(44)处分别布置脉冲激光器(51)和激光诱导荧光信号采集相机(52)，进行激光诱导荧光浓度测试；或者，在相互平行相对的两光学窗口处分别布置脉冲激光器和两波长吸收与散射信号采集相机(53)，进行基于两波长的吸收与散射技术中吸光度的测试。

7.根据权利要求6所述的一种物质浓度的测量方法，其特征在于：测量过程中，通过惰性气体源(11)的出气量或加热器功率调节测试温度并通过温度传感器(42)检测温度，通过压力控制阀(45)调节测试压力并通过压力传感器(43)检测压力，通过喷嘴(22)喷射量或喷射频率调节被测物浓度并通过喷嘴喷射量和气体流量表的读数换算成被测物浓度。