CN104903704B - 进行水汽测定的可调谐二极管激光吸收光谱 - Google Patents

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Abstract

提供一种气体吸收光谱系统和方法。密封腔中设置有具有已知水分浓度的参考气体。照射光源(112)被设置在密封腔中并被构造成生成照射光束。测量室(104)联接到密封腔并被构造成暴露给气体样品(106)，使得穿过测量室(104)的照射光(118)穿过气体样品(106)。处理窗口(116)被设置在密封腔和测量室(104)之间。处理窗口(116)被构造成接收来自照射光源(112)的照射光束并反射照射光的第一部分(128)，同时允许照射光的第二部分(118)进入测量室(104)。参考探测器(110)被设置成接收照射光的第一部分(128)并提供参考探测器信号。测量探测器(108)被设置成在照射光的第二部分已传输通过测量室(104)后接收照射光的第二部分(124)并提供测量探测器信号。控制器(105)连接到参考探测器(110)和测量探测器(108)，并被配置成基于参考探测器信号和测量探测器信号提供经补偿的水分输出。

Description

进行水汽测定的可调谐二极管激光吸收光谱
背景技术
气体吸收光谱通常依靠将光束传输通过样品并且检测在感兴趣物种的特定光谱吸收特征的波长处的吸收，来测量气体样品中感兴趣物种的存在和/或浓度。通常地，该特征是吸收谱线，该吸收谱线表示光的对应于感兴趣气体的分子的振动跃迁、旋转跃迁或电子跃迁的频率。可调谐二极管激光器提供了用于这种气体吸收光谱测量的许多优点，该优点在于，激光器可以被调谐到光谱特征的中心，并且生成关于光谱特征的宽度的窄带信号。
因而，激光吸收光谱可以提供高速的和相对较高精度的能力，用于在对其它气体种类或成分具有相对较低的交叉灵敏度情况下，在大气压力下检测气体样品中的各种微量气体种类。可调谐二极管激光光谱仪特别适合于较高灵敏度的研究，部分地因为该可调谐二极管激光光谱仪可以被调制频率，以减少较低频率的激光噪声和电子噪声。总的来说，激光光谱仪将包括频率可调谐激光器，该频率可调谐激光器生成照射输出光束，该照射输出光束被引导通过包括气体样品的样品室。输出光束然后被引导到光学探测器，该光学探测器的信号被解调，以获得吸收感应信号。该吸收感应信号可以用于识别气体样品中的一个或多个感兴趣物种。
在一些应用中，重要的是，使用可调谐二极管激光吸收光谱仪，来检测诸如天然气之类的气体样品中的微量水分含量。在该情况下，由于大气水分，检测可能受到光谱干扰的限制。存在于光谱仪的光程中的、在样品室外侧的大气水分或任何残余水分可能导致测量误差。因为在气体样品中可能需要被检测的水分含量经常低于百万分之一，因此范围从百万分之7,000-30,000的大气水分含量可以生成极大的测量误差。在对气体样品中的微量水分含量的检测中另一重要的限制是，在激光束传输光学器件附近引起的激光噪声和光学噪声还可能限制光谱仪的敏感度和精确度。
提供了一种设备和方法，可以提供具有改进的精确度和灵敏度的可调谐二极管激光吸收光谱，该方法能够基于在激光束传输光学器件中引起的激光源噪声/光学噪声和/或大气水分，来调节或以其它方式补偿感兴趣气体样品的微量水分检测。
发明内容
提供了一种气体吸收光谱系统和方法。密封腔中设置有参考气体，该参考气体具有已知的水分浓度。照射光源被设置在密封腔中，并且被构造成用于生成照射光束。测量室联接到密封腔，并且被构造成用于暴露给气体样品，使得穿过测量室的照射光穿过气体样品。处理窗口被设置在密封腔和测量室之间。处理窗口被构造成用于接收来自照射光源的照射光束，并且反射照射光的第一部分，同时允许照射光的第二部分传输进入测量室中。参考探测器被设置成用于接收照射光的第一部分并且提供参考探测器信号。测量探测器被设置成用于在照射光的第二部分已经传输通过测量室之后接收照射光的第二部分，并且提供测量探测器信号。控制器连接到参考探测器和测量探测器，并且被配置成用于基于参考探测器信号和测量探测器信号来提供经补偿的水分输出。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的可调谐二极管激光吸收光谱系统的图解视图。
图2是光线跟踪示意图，图示了根据本发明的实施例的收发器单元和可调谐二极管激光吸收光谱系统的对应的探测器的光学布局。
图3是使用根据本发明的实施例的可调谐二极管激光吸收光谱系统来检测气体样品中的微量水分的方法的流程图。
具体实施方式
本发明的实施例总体上提供了一种系统和方法，该系统和方法消除了或以其它方式减少了存在于激光束传输体积中的残余水分以及其它误差源的影响，该误差源例如为在激光束传输光学器件中引起的激光源噪声和/或光学噪声。另外，在可调谐二极管激光吸收光谱系统的激光束传输空间中被捕获的残余水分可以用于系统的稳定化和自校准。
图1是根据本发明的实施例的可调谐二极管激光吸收光谱系统的图解视图。系统100包括联接到测量室104的激光头102，测量室104包含感兴趣过程气体样品106。在示出的示例中，感兴趣过程气体样品106是天然气。系统100使用一对探测器、测量探测器108和参考探测器110，以提供多个重要的优点。参考探测器110、测量探测器108、激光器112和控制器105被安装在密封的激光头102中。密封的激光头102中的腔114填充有气体，该气体具有已知的水分浓度(例如，残余水分)。由激光器112生成的激光束从激光器112行进到处理窗口116。一旦到达处理窗口116，激光束的一部分传输通过窗口116而进入测量室104中。激光束的传输通过窗口116的部分由附图标记118图解地图示。光束118传输通过测量室104的长度，并且然后在反射器120、122处被反射成返回光束124，该返回光束124传输到窗口部分126外而到达测量探测器108。然而，如图1所示，从激光器112传出的光束的一部分还在处理窗口116处被反射成光束128，光束128被参考探测器110检测到。因而，来自激光器112的光的一部分被反射离开处理窗口116，并且按照路径C到达参考探测器110。在一个实施例中，处理窗口126和测量探测器108之间的光程(路径A)被选择，以与处理窗口116和参考探测器110之间的光程(路径C)相同。
本文中描述的双探测器方案提供了多个优点。首先，对过程气体(在图示的实施例中为天然气)中的水汽的确定可以通过对测量探测器信号和参考探测器信号的处理而被获得。另外，系统的物理特性允许极大的计算简化。具体地，来自(连接到参考探测器110的)参考信道130的信号被控制器105接收，并且在完成进一步处理之前，被从接收自(耦接到测量探测器108的)测量信道132的信号中减去。该步骤允许控制器105在不依赖于任何过程条件的情况下，监控激光特性中的任何改变。进一步，可以同时地执行对从激光器引起的任何光学噪声(干扰模式)的校正和对路径B中的光学器件的校准。这在许多可调谐二极管激光吸收光谱系统中通常是性能限制因素。更进一步地，可以移除或以其它方式减少由参考气体(残余水分)的吸收对(在示出实施例中为天然气的)过程中水汽含量的确定的作用。该补偿通过图1示出的物理布置而便于进行，其中：路径A的长度等于路径C的长度。进一步，因为参考探测器信号包括来自已知参考气体的吸收信息，因此该参考探测器信号可以用于控制重要的激光参数(如激光频率)，以及用于对保持仪器的工厂校准而言重要的任何参数的修正。这样，在激光头102中被捕获的已知的残余水分浓度可以用于提供对仪器的寿命校准。
可调谐二极管激光器(TDL)112连接到激光器控制模块134，该激光器控制模块连接到控制器105，使得激光二极管的频率可被控制器105调谐。在一个实施例中，TDL112被安装在露出的T0-5头座(header)上。来自TDL112的光传输通过适当的光束成形孔，并且被非球面准直仪透镜稍微地聚焦。光束的较小部分被反射离开光楔处理窗口116到达参考探测器110。在传输通过测量室104之后，激光照射光被反射离开位于测量室104的端部中的凹透镜，经由窗口部分126返回到收发器单元。最后，返回的激光照射光落到测量探测器108上。激光器和准直仪透镜之间的距离被选择以在参考探测器和测量探测器上(108、110，分别地)产生光束焦点。该布置减小了系统中的光学构件的数量，这又减小了收发器单元内的光学干扰作用(通常地为在任何可调谐二极管激光器系统中的限制因素)。图1示出的布置的额外的优点是，收发器单元内的参考光程长度和测量光程长度是相等的。尽管本发明的实施例可以在参考光程长度和测量光程长度不相等的情况下被实践，但是所提供的相等的路径长度提供了简化的补偿。在图1示出的实施例中，激光头102被气密密封并且填充有参考气体(例如，包括少量水汽的氮气)。
来自参考探测器110的信号将包括关于以下各项的信息，即参考路径(图1中的路径C)中的光通量、参考气体吸收、激光频率调制和振幅调制特性以及由激光器组件和准直透镜引入的光学噪声。这些都是相对复杂的作用，该作用难以模拟并且实际上可以以更复杂的关系与彼此相互作用。然而，测量探测器信号又带有关于以下各项的信息，即测量路径(路径A)中的光通量、参考气体吸收、过程气体吸收、激光频率调制和振幅调制特性以及由激光器组件和准直透镜引入的光学噪声。因此，系统中的多个复杂的和难以模拟的作用可以通过使用来自参考信道130的信号而简单地被去除。根据下文，对测量室104内的气体浓度的计算基于参考探测器110和测量探测器108。首先，执行归一化方法，以对两个信道130、132之间的差值和光通量进行归一化。来自参考信道130的信号自身用来确定和控制重要的激光参数，如激光中心频率和频率调制特性。这些参数可以从参考气体吸收光谱中得出。归一化测量值和参考信号之间的差值然后用于得出测量室中的气体浓度。通过这样做，参考探测器信号和测量探测器信号中的共有组分即参考气体吸收、激光振幅调制特性以及在激光器组件和准直透镜中引起的″共模″光学噪声，被移除。激光器组件和准直透镜中引起的″共模″光学噪声的移除减少了对使用专用″低噪声″准直光学器件和激光器组件的要求，这在提供实用的系统方面是非常重要的因素。
图2是用于根据本发明的实施例的可调谐二极管激光器吸收光谱系统的光学布置的光线示意图。如图2所示，激光照射光由激光器112生成，然后，该激光照射光在到达处理光楔(wedge)115上的处理窗口116之前被准直仪136准直。如图2所示，处理窗口116的形状将反射光束128聚焦在参考探测器110上。另外，到达处理窗口116的准直照射光的一部分传输通过处理光楔115而进入过程气体106中。如上关于图1所述，该光束传输通过测量室的长度，并且被反射和返回通过处理窗口126，处理窗口126将返回的光束聚焦在测量探测器108上。
图3是使用根据本发明的实施例的可调谐二极管激光吸收光谱系统来检测气体样品中的微量水分的方法的流程图。方法150在方框152处开始，在方框152处照射光在密封外壳中生成，该密封外壳具有已知的水分成分。在一个实施例中，照射光是被诸如上述的TDl112之类的可调谐二极管激光器生成的激光照射光。在方框154处，在方框152处生成的照射光的一部分被处理窗口反射到参考探测器。被处理窗口反射的照射光未传输进入诸如测量室104之类的测量室中。替代地，被反射的照射光仅在具有已知水分成分的密封外壳中传输。因而，参考探测器的信号指示关于密封外壳、激光频率和振幅调制等的多个变量。该信号可以提供很多有用的信息，该信息可以用于控制或以其它方式设置系统的多个参数。例如，可以至少部分地基于参考探测器信号控制激光频率。另外地，或可替换地，可以基于参考探测器信号确定激光的调制频率。
在方框156处，在方框152处生成的照射光的一部分传输通过处理窗口而进入测量室中。根据已知的原理，照射光与测量室内侧的气体相互作用。当传输通过测量室的照射光到达其相应的探测器时，测量探测器产生吸收感应信号。然而，吸收感应信号还可以具有由光程中的残余水分、环境水分和共模光学噪声导致的多个不期望的作用。然而，所有的这些不期望的作用还存在于参考探测器信号中。在方框158处，从吸收感应信号中去除参考探测器信号，以提供经补偿的水分输出。
虽然已经参照优选的实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员将认识到可以在没有脱离本发明的精神和范围的情况下对形式和细节进行改变。尽管已经关于密封在用于寿命校准的激光头中的感兴趣气体(水汽)的受控制量来在总体上描述了本发明的实施例，但是只要这中参考气体的吸收光谱可以从彼此中消除，额外的或可选的感兴趣气体也可以被存储在激光头中。这样，测量头102可以具有用于多种不同的感兴趣气体的寿命校准。

Claims (21)

1.一种气体吸收光谱系统，其包括：
密封腔，所述密封腔中具有参考气体，所述参考气体具有已知的水分浓度；
照射光源，所述照射光源被设置在密封腔中，并且被构造成用于生成照射光束；
测量室，所述测量室联接到密封腔，并且被构造成暴露于气体样品，使得穿过测量室的照射光束穿过所述气体样品；
处理窗口，所述处理窗口被设置在密封腔和测量室之间，所述处理窗口被构造成用于接收来自照射光源的照射光束并且反射所述照射光束的第一部分，同时允许所述照射光束的第二部分进入测量室中；
参考探测器，所述参考探测器定位在所述密封腔内并被设置成用于接收所述照射光束的所述第一部分并且提供参考探测器信号；
测量探测器，所述测量探测器定位在所述密封腔内并被设置成用于在所述照射光束的所述第二部分已经穿过测量室之后接收所述照射光束的该第二部分，并且提供测量探测器信号；和
控制器，所述控制器连接到参考探测器和测量探测器，所述控制器被配置成用于基于参考探测器信号和测量探测器信号来提供经补偿的湿度输出。
2.根据权利要求1所述的气体吸收光谱系统，其中所述处理窗口被构造成用于将被反射的所述第一部分聚焦在参考探测器上。
3.根据权利要求1所述的气体吸收光谱系统，其中所述处理窗口被构造成用于将所述照射光束的所述第二部分聚焦在测量探测器上。
4.根据权利要求1所述的气体吸收光谱系统，其中所述控制器被配置成从测量探测器信号中减去参考探测器信号。
5.根据权利要求1所述的气体吸收光谱系统，其中所述照射光源是可调谐二极管激光器。
6.根据权利要求5所述的气体吸收光谱系统，进一步地包括激光器控制电路，所述激光器控制电路将可调谐二极管激光器连接到控制器。
7.根据权利要求6所述的气体吸收光谱系统，其中所述控制器被配置成用于基于参考探测器信号来选择可调谐二极管激光器的至少一个操作参数。
8.根据权利要求7所述的气体吸收光谱系统，其中所述至少一个操作参数是波长。
9.根据权利要求7所述的气体吸收光谱系统，其中所述至少一个操作参数是调制频率。
10.根据权利要求1所述的气体吸收光谱系统，其中所述气体吸收光谱系统提供用于水分检测的寿命校准。
11.根据权利要求10所述的气体吸收光谱系统，其中所述气体吸收光谱系统提供用于至少一个额外的感兴趣物种的寿命校准。
12.根据权利要求1所述的气体吸收光谱系统，其中从处理窗口到参考探测器的光程长度等于从处理窗口到测量探测器的光程长度。
13.一种使用可调谐激光吸收光谱来检测气体样品中的水分的方法，该方法包括下述步骤：
在密封腔中生成照射光，所述密封腔中具有参考气体，所述参考气体具有已知的水分浓度；
在处理窗口处反射所生成的照射光的第一部分，所述处理窗口将密封腔与测量室分离，其中照射光被反射的所述第一部分被传送到定位在所述密封腔内的参考探测器；
将所生成的照射光的第二部分传输进入测量室中，其中所述照射光的被传输进入测量室的所述第二部分与测量室中的气体样品相互作用；
利用定位在所述密封腔内的测量探测器来检测所生成的照射光的被传输的第二部分；以及
基于来自参考探测器和测量探测器的信号，来提供经补偿的样品水分含量值。
14.根据权利要求13所述的方法，其中提供经补偿的样品水分含量的步骤包括从来自于测量探测器的信号中减去来自于参考探测器的信号。
15.根据权利要求13所述的方法，其中反射所生成的照射光的所述第一部分的步骤包括将被反射的第一部分聚焦在参考探测器上。
16.根据权利要求13所述的方法，其中所生成的照射光的被传输的第二部分在测量室的端部处被反射回到处理窗口。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述处理窗口被构造成用于将照射光的被传输的第二部分聚焦在测量探测器上。
18.根据权利要求13所述的方法，其中所述照射光是激光照射光。
19.根据权利要求18所述的方法，其中基于参考探测器信号控制所述激光照射光的至少一个操作参数。
20.根据权利要求18所述的方法，其中所述操作参数是波长。
21.根据权利要求18所述的方法，其中所述操作参数是调制频率。
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