CN109073548A - 用于验证tdlas系统操作的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于验证TDLAS系统操作的方法和设备。处理室内的气体种类特征的感测包括将第一选定激射频率的光束选择性地投射穿过其中。所述光束光学耦合到检测器，以检测具有气体种类特征所引起的选定激射频率下的吸收凹陷的处理透射光谱。所述光束选择性地投射穿过形成于光纤纤芯中的光纤布拉格光栅，以部分地反射所述第一选定激射频率的所述光束的至少一部分，同时透过所述光束的其余部分。所述光束的所述其余部分具有FBG透射光谱，其模拟关注的气体种类特征所引起的所述选定激射频率下或附近的所述吸收凹陷。所述光束的所述其余部分光学耦合到所述检测器。监测所述检测器的输出以将所述FBG透射光谱与所述处理室中产生的任何处理透射光谱进行比较。

Description

用于验证TDLAS系统操作的方法和设备

版权声明

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技术领域

本公开涉及可调谐二极管激光光谱(TDLAS)系统，并且更具体地涉及用于验证TDLAS系统操作的设备和方法。

背景技术

可调谐二极管激光光谱(TDLAS)广泛用于必须测量气体种类特征(诸如温度或浓度)的实验室和工业应用中。TDLAS系统由一个或多个二极管激光器组成，每个二极管激光器产生仔细控制的波长下的光，这些波长投射到处理室中以测量特定气相分子。每个激光器的波长通常在包括整个高斯光谱包络的窄波长间隔内调谐，该包络具有选定波长下的波峰(本文统称为“选定波长”)，并且测量整个选定波长中的透射光的量。在扫描波长时吸收一些光的气相种类会引起透射光的量下降(“吸收凹陷”)，并且吸收凹陷的定量允许在了解光程长以及描述在选定波长和温度下吸收的光量的系数的情况下计算这些种类的浓度。某分子的吸收凹陷光谱或图案可被视为指纹。吸收率相对波长的图案是每个分子的特有特征，因此TDLAS可颇具选择性-在充斥其他分子的环境中检出关注的种类。

TDLAS系统的一个重要应用是燃烧监测和诊断。燃烧用于驱动从发电到钢和玻璃生产的许多工业过程。精炼厂和石油化工厂使用燃烧驱使反应完成。TDLAS系统在一些情况下已变得十分复杂，并且它们被装配用于过程效率、可靠性和安全性最为重要的工业应用。关注的燃烧种类包括O₂、CO、CO₂和H₂O，所有这些燃烧种类均可使用TDLAS测量。另外，可使用本领域已知的谱线比技术测量温度。可在控制回路中使用TDLAS数据来改变燃料/空气混合比率以优化燃烧过程效率，与此同时确保保持安全操作条件。TDLAS系统在用于燃烧优化时发生故障或得出错误结果可造成灾难性后果。在某种程度上，可通过智能过程控制设计来减轻该问题；但是仍存在风险。因此，需要系统校准和系统操作验证的方法以确保TDLAS系统正常运行并且所生成的数据准确且可靠。

一种已知的TDLAS系统验证方式是为该系统提供气相样品以便在环境中测量，该环境模拟在其中进行测量的环境。在最简单的情况下，可使用小型密封光谱池来验证系统是否正常测量，该小型密封光谱池具有供激光束穿过的窗口以及池中处于所需温度、压力和浓度下的选定气体种类。然而，对于升高的燃烧温度，密封光谱池不能有效工作，因为压力将随温度升高而升高并且吸收光谱的细节对压力敏感。作为密封池的替代，流通池可用作校准和验证标准。可将流通池加热到燃烧温度附近，并且可引入接近燃烧环境的气体混合物。在实践中，这种类型的系统在实验室测试环境中能有效工作并且可用于系统验证。然而，这种系统代表着很大的投资，至少需要数万美元。此外，其不是便携式的，特别是不具有用户友好性。最重要地，修改这种系统以便在受控实验室环境以外使用将是极其昂贵的。

需要便宜、耐用且可现场部署的方式来验证TDLAS系统正常工作并产生可靠结果。必要的TDLAS系统和方法必须产生模拟关注的气体种类的选定激射频率下或附近的吸收凹陷的参考吸收图案或光谱。参考透射光谱与目标种类所产生的光谱的频繁比较允许发现任何变化。只要参考吸收光谱不随时间或任何其他参数而变化，该比较就允许用户确定系统的健康状况。应通过呈小而轻的固相且不随时间变化的封装产生参考吸收光谱。从理论上讲，提供这种参考吸收图案的一种方式是薄膜滤波器，该薄膜滤波器使用不同折射率和厚度的许多层之间的干涉来对给定带宽中的光进行滤波。虽然理论上可实现，但将需要艰难而昂贵的研究和开发，才能使薄膜滤波器概念变为现实。

本发明涉及克服上文所讨论的一个或多个问题。

发明内容

公开了包括至少一个二极管激光器的感测设备，所述至少一个二极管激光器产生第一选定激射频率的输出光束，所述至少一个二极管激光器耦合到光纤输入。包括分束器或光开关中的至少一者的投射侧光束控制器具有光学耦合到光纤输出的至少一个输入以及至少两个输出。所述至少两个输出中的至少一者光学耦合到投射光学件，该投射光学件与处理室操作地相关联并且被取向成将所述至少一个二极管激光器的输出光束投射穿过处理室。捕集件是与处理室操作地相关联的光学件，其与投射光学件进行光学通信以接收投射穿过处理室的所述至少一个二极管激光器的输出光束。提供了捕集侧光纤，该捕集侧光纤具有光学耦合到每个捕集光学件的输入侧以及输出侧。包括光开关的捕集侧光束控制器具有至少两个输入和一个输出。捕集侧光纤的输出侧光学耦合到输入之一。检测器光学耦合到光束控制器输出，该检测器对选定激射频率敏感。具有输入和输出的FBG光纤包括形成于FBG光纤的纤芯中的至少一个光纤布拉格光栅。所述至少一个光纤布拉格光栅被构造为部分地反射第一选定激射频率的激光束，同时透过激光束的至少一部分。激光束的其余部分具有FBG透射图案，其模拟关注的气体种类特征所引起的选定激射频率下或附近的吸收凹陷。FBG光纤输入光学耦合到投射侧光束控制器的所述至少两个输出中的另一者，并且FBG光纤输出光学耦合到捕集侧光束控制器的输入。

本发明的另一个方面是感测处理室内的气体种类特征的方法。该方法包括提供处理室并且将第一选定激射频率的光束选择性地投射穿过处理室的步骤。投射穿过处理室的光束光学耦合到对选定激射频率敏感的检测器，以检测具有关注的气体种类特征所引起的选定激射频率下的吸收凹陷的处理透射光谱。光束还选择性地投射穿过形成于光纤的纤芯中的光纤布拉格光栅，该光纤布拉格光栅被构造为部分地反射第一选定激射频率的激光束的至少一部分，同时透过激光束的其余部分。激光束的其余部分具有FBG透射光谱，其模拟关注的气体种类特征所引起的选定激射频率下或附近的吸收凹陷。激光束的其余部分光学耦合到检测器。监测检测器的输出以将FBG透射光谱与处理室中产生的任何处理透射光谱进行比较。

光纤布拉格光栅提供了在极其简单的轻质封装中以可控光谱宽度产生指定波长下指定幅度的吸收凹陷的能力。通常通过暴露在使用准分子激光器的光刻工艺中形成的掩模，而将光栅写入到单模光纤的纤芯中。对纤芯造成的周期性损坏产生周期性折射率变化，从而充当光栅来反射一些波长并透射其他波长，具体取决于光栅周期、折射率变化尺度以及光栅中的啁啾量(跨光栅的周期变化)。光纤布拉格光栅用于多种目的，包括：电信系统中的色散补偿、电信中的波长滤波(插分滤波器)以及光纤激光器的波长选择及其他用途。与大多数波长选择/滤波应用不同，本公开使用并非100％有效的光纤布拉格光栅。光纤布拉格光栅透射关注的分子的相关带宽之外的100％光。然而，在相关带宽内，FBG光栅反射入射光的一部分，从而形成关注的气体种类特征所引起的选定激射频率下或附近的吸收凹陷的摹本。

附图说明

参照本说明书的其余部分和附图，可实现对特定实施方案的本质和优点的进一步理解，在附图中，相同的附图标记用来指类似的部件。在一些情况下，子标记与附图标记相关联以表示多个类似部件之一。当提到某个附图标记但没有特别写明已有的子标记时，则旨在表示所有这些多个类似组件。

图1是光纤中被调谐到选定频率的光纤布拉格光栅对透射穿过光纤的选定频率下的激光光束的影响的示意图；

图2是透射率相对波长的概念图，示出了如图1所描绘的光纤布拉格光栅形成透射光谱，该透射光谱模拟选定激射频率范围处或附近的目标分子的吸收凹陷；

图3示出了光纤布拉格光栅的透射图案的可重复性，该透射图案模拟关注的气体种类特征所引起的选定激射频率下的吸收凹陷；并且

图4是TDLAS系统的实施方案的示意图，包括如本文所公开的用于验证正常操作的方法和设备。

具体实施方式

在下面的描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节以便提供对所述实施方案的透彻理解。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，本发明的其他实施方案可以在没有这些具体细节中的一些具体细节的情况下实施。本文描述并要求保护若干实施方案，并且虽然各种特征归属于不同实施方案，但应当理解，针对一个实施方案描述的特征也可与其他实施方案相结合。然而，出于同样原因，任何所描述或要求保护的实施方案的单个特征或多个特征不应被视为对本发明的每一个实施方案都是必需的，因为本发明的其他实施方案可省略此类特征。

除非另外指明，否则本文用来表示数量、尺寸等的所有数字应理解为在所有情况下均被术语“约”修饰。在本申请中，除非另外明确规定，否则单数的使用包括复数，并且除非另外指明，否则术语“和”和“或”的使用意指“和/或”。此外，术语“包括”以及诸如“包含”和“含有”等其他形式的使用应被视为非排他性的。另外，除非另外明确规定，否则诸如“元件”或“部件”等术语不仅涵盖包括一个单元的元件和部件，而且还涵盖包括不止一个单元的元件和部件。

图1是光纤布拉格光栅的示意图，并且图2是透射率相对波长的概念图，示出了模拟关注的气体种类所引起的选定激射频率下或附近的吸收凹陷的光纤布拉格光栅透射图案。

图3示出了光纤布拉格光栅所产生的模拟吸收凹陷的透射图案是可重复的。左右两边的扫描是通过以下方式获得的彼此的镜像：首先朝向产生所指示的透射图案的更长波长增加激光波长，然后从更长波长到更短波长逆转该曲线图。该光谱在上下扫描上是相同的，并且在完全相同的波长处出现波峰。这种光栅可用作系统验证标准，因为波峰的波长、幅度和宽度不随时间变化。除了用于系统验证之外，光纤布拉格光栅还可用于校准TDLAS系统。

图4是TDLAS系统的一个实施方案的示意图，包括用于验证正常操作的方法和设备。所示的TDLAS系统包括三个二极管激光器12A、12B和12C，每个二极管激光器产生独特选定激射频率的输出光束。如本文所用，“选定激射频率”意指具有窄高斯光谱宽度且具有特定激射频率下的波峰的光束输出，如本领域所理解的。二极管激光器12A、12B和12C各自光学耦合到波长复用器14，该波长复用器将光束组合为单个复用的输出光束16。复用的输出光束16光学耦合到投射侧光束控制器18，该投射侧光束控制器被构造为将复用光的光束导向到多个投射头部20A-D。在一个实施方案中，投射侧光束控制器是至少具有与投射头部20A-D每一者相对应的输出的光开关，并且复用光束16被选择性地导向到投射头部20A-D每一者。在另一个实施方案中，投射侧光束控制器可为分束器，其将光束的一部分导向到每个输出以便与投射头部20A-D耦合。投射头部20A-D被构造为将二极管激光器12A-C的输出光束的至少一部分穿过处理室22投射到对应捕集头部24A-D。捕集头部24A-D每一者继而与光开关形式的捕集侧光束控制器26的输入进行光学通信以便使各种捕集头部24A-D与光束控制器的输出选择性地通信。光束控制器26继而耦合到解复用器28，该解复用器根据波长来解复用光束并且透射各种选定激射频率的部分，继而将该部分光学耦合到对应检测器30A-C。每个检测器30A-C耦合到处理器32。通常将来自每个检测器30A-C的电信号在处理器32中数字化并进行分析。可使用经数字化和分析的数据来感测处理室内的物理参数，包括但不限于处理室内的各种气体种类的浓度和燃烧温度。实施方案可包括处理器32，该处理器用于将信号通过反馈回路35发送到与处理室操作地相关联的燃烧控制器36，从而主动地控制处理室22内的选定处理参数。

感测设备10还设置有包括光纤布拉格光栅的FBG光纤34，该光纤布拉格光栅被构造为部分地反射二极管激光器12A-C之一所产生的选定激射频率的激光束。激光束的其余部分具有FBG透射图案，其模拟处理室22内检测到的关注的气体种类特征所引起的选定激射频率下或附近的吸收凹陷。FBG光纤的实施方案可包括串联的多个光纤布拉格光栅，其中每个光纤布拉格光栅被构造为部分地反射二极管激光器12A-C中的两者或更多者所产生的离散选定激射频率的激光束。激光束的其余部分具有FBG透射图案，其模拟处理室22内检测到的关注的气体种类特征所引起的选定激射频率下或附近的吸收凹陷。在所有实施方案中，FBG光纤输入光学耦合到投射侧光束控制器18的输出，并且FBG光纤的输出耦合到捕集侧光束控制器26的输入。这样，复用光束16穿过FBG光纤，与此同时，复用光束16穿过投射头部20A-D、处理室22和捕集头部24A-D。

图4所示的感测设备10的示例可具有更多或更少二极管激光器和对应检测器，并且还可具有更多或更少投射头部与捕集头部对，因此感测设备10可针对各种应用进行扩展。在绝对最小值下，提供了单个二极管激光器，这将消除对波长复用器14和解复用器28的需要，并且在这种实施方案中，FBG光纤34将仅需要与单个二极管激光器的选定激射频率一起操作的单个光纤布拉格光栅。

实施方案还可包括温度控制单元38以便将FBG光纤34或其中的光纤布拉格光栅保持在选定温度范围内，从而防止FBG光纤中的每个光纤布拉格光栅的光学特性的实质变化。例如，温度控制单元可将光纤布拉格光栅的温度保持在加或减0.5华氏度以内。

实施方案可包括处理器32，该处理器与燃烧控制器36进行通信，以便在处理器32检测到燃烧特性(诸如所监测的气相种类的浓度或温度)偏离必要规范时控制燃烧输入(诸如燃料和空气)。此类实施方案还可包括处理器，该处理器将所检测到的来自处理室的激光束的透射图案与光纤布拉格光栅的FBG吸收凹陷的透射图案进行比较，其中在其间存在不可接受的偏差的情况下，该处理器产生警告信号或甚至关闭燃烧过程。

在不脱离本发明的范围的情况下，可对所讨论的实施方案作出各种修改和添加。例如，虽然上述实施方案提到特定特征，但是本发明的范围还包括具有这些特征的不同组合的实施方案以及不包括所有上述特征的实施方案。

虽然上文已总结了某些实施方案的各个方面和特征，但下文的详细描述更详细地示出了一些实施方案以使本领域技术人员能够实施此类实施方案。所述示例出于举例说明的目的提供，并非旨在限制本发明的范围。

Claims (13)

1.一种感测设备，包括：

至少一个二极管激光器，所述至少一个二极管激光器产生第一选定激射频率的输出光束，所述至少一个二极管激光器光学耦合到光纤的输入；

投射侧光束控制器，所述投射侧光束控制器包括分束器或光开关中的至少一者，所述光束控制器具有光学耦合到所述光纤的输出的至少一个输入以及至少两个输出；

所述至少两个输出中的至少一者光学耦合到投射光学件，所述投射光学件与处理室操作地相关联并且被取向成将所述至少一个二极管激光器的所述输出光束投射穿过所述处理室；

捕集光学件，所述捕集光学件与所述处理室操作地相关联并与所述投射光学件进行光学通信以接收投射穿过所述处理室的所述至少一个二极管激光器的所述输出光束；

捕集侧光纤，所述捕集侧光纤具有输入侧和输出侧，所述输入侧光学耦合到所述捕集光学件；

捕集侧光束控制器，所述捕集侧光束控制器包括光开关，所述捕集侧光束控制器具有至少两个输入和一个输出；

检测器，所述检测器光学耦合到所述光束控制器输出，所述检测器对所述选定激射频率敏感；

FBG光纤，所述FBG光纤具有输入和输出，所述FBG光纤包括形成于所述FBG光纤的纤芯中的至少一个光纤布拉格光栅，所述至少一个光纤布拉格光栅被构造为部分地反射所述第一选定激射频率的激光束，同时透过所述激光束的至少一部分到所述FBG光纤输出，所述FBG光纤输入光学耦合到所述投射侧光束控制器的所述至少两个输出中的另一者，并且所述FBG光纤输出光学耦合到所述捕集侧光束控制器的输入。

2.根据权利要求1所述的感测设备，还包括：

温度控制单元，所述温度控制单元与所述FBG光纤的每个光纤布拉格光栅操作地相关联以将每个光纤布拉格光栅保持在选定温度范围，所述选定温度范围防止每个光纤布拉格光栅的光学特性的实质变化。

3.根据权利要求2所述的感测设备，其中所述选定温度范围为加或减0.5华氏度。

4.根据权利要求1所述的感测设备，还包括：

多个二极管激光器，每个二极管激光器产生独特选定激射频率的输出光束，所述多个二极管激光器各自耦合到独特光纤的输入；

复用器，所述复用器光学耦合到每个独特光纤输出并且被构造为将所述多个二极管激光器每一者的所述输出光束组合为复用光束；

解复用器，所述解复用器光学耦合到所述捕集侧光束控制器的所述输出并且被构造为按其独特激射频率分开每个输出光束；和

多个检测器，所述多个检测器与所述多个二极管激光器相对应，每个检测器对对应二极管激光器的所述选定激射频率敏感。

5.根据权利要求1所述的感测设备，包括多个投射光学件和对应的多个捕集光学件，每个投射光学件与所述投射侧光束控制器的独特输出操作地相关联，并且每个捕集光学件光学耦合到所述捕集侧光束控制器的独特输入。

6.根据权利要求4所述的感测设备，其中所述FBG光纤包括串联的多个光纤布拉格光栅，每个光纤布拉格光栅被构造为部分地反射独特选定激射频率的激光束的一部分，同时透过所述激光束的至少一部分到所述FBG光纤输出。

7.一种感测处理室内的气体种类特征的方法，所述方法包括：

提供处理室；

将第一选定激射频率的光束选择性地投射穿过所述处理室；

将投射穿过所述处理室的所述光束光学耦合到对所述选定激射频率敏感的检测器以检测关注的气体种类特征所引起的所述选定激射频率下或附近的吸收凹陷；

将所述第一选定激射频率的所述光束选择性地投射穿过形成于光纤的纤芯中的光纤布拉格光栅，所述光纤布拉格光栅被构造为部分地反射所述第一选定激射频率的光束，同时透过所述光束的其余部分，所述光束的所述其余部分模拟关注的气体种类特征所引起的所述选定激射频率下的所述吸收凹陷；

将所述光束的所述至少一部分光学耦合到所述检测器；以及

监测所述检测器的输出以将所述FBG吸收凹陷的透射图案与在所述处理室中产生的透射图案进行比较。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括：

将每个光纤布拉格光栅保持在选定温度范围，所述选定温度范围防止每个光纤布拉格光栅的光学特性的实质变化。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述选定温度范围为加或减0.5华氏度。

10.根据权利要求4所述的方法，还包括：

将复用的各自具有选定激射频率的多个光束选择性地投射穿过所述处理室；

将复用光束中的所述光束选择性地投射穿过形成于光纤的纤芯中的光纤布拉格光栅，所述光纤布拉格光栅被构造为部分地反射至少第一选定激射频率的光束，同时透过所述光束的其余部分，所述光束的其余部分模拟关注的气体种类特征所引起的所述选定激射频率下的所述吸收凹陷；

解复用所述复用光束以按其独特激射频率分开每个输出光束；

将每个解复用的光束光学耦合到对对应解复用的输出光束的所述选定激射频率敏感的检测器；以及

监测所述检测器的输出以将所述FBG吸收凹陷的透射图案与在相同选定激射频率下在所述处理室中产生的透射图案进行比较。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括提供串联的多个光纤布拉格光栅，每个光纤布拉格光栅被构造为部分地反射独特选定激射频率的激光束的一部分，同时透过所述激光束的至少一部分到所述FBG光纤输出；以及

监测所述检测器的输出以将每个所述FBG吸收凹陷的所述透射图案与在所述相同独特激射频率下在所述处理室中产生的透射图案进行比较。

12.根据权利要求7所述的方法，还包括：

处理所述检测器的所述输出以感测所述处理室内的物理参数。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括：

将信号通过反馈回路发送到燃烧控制器，以基于所述检测器的经处理的输出来控制所述处理室内的选定物理参数。