CN109444074B - 具有自校准功能的激光光谱吸收探头装置及其测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种具有自校准功能的激光光谱吸收探头装置，包括用于发射激光光束的激光器、沿激光光路依次连接的光纤准直器Ⅰ、自校准气室、光纤准直器Ⅱ和光电探测器；所述自校准气室包括呈圆柱状的壳体Ⅰ和用于容纳自校准气体的校准气体密封皿；所述壳体Ⅰ内部同轴设置有用于容纳测量气体的容纳腔，所述校准气体密封皿呈圆柱状且同轴内嵌设置于容纳腔内，且校准气体密封皿的径向尺寸大于容纳腔的径向尺寸；本发明将用于进行校准的校准气体密封皿直接内置于探头装置内部，简化探头装置的结构，便于制造加工，节约成本，且方便了工作人员在各种应用场景中对探头装置进行校准，可实现精确校准功能。

Description

具有自校准功能的激光光谱吸收探头装置及其测量方法
技术领域
本发明涉及甲烷监测技术领域，具体涉及一种具有自校准功能的激光光谱吸收探头装置及其测量方法。
背景技术
随着社会经济的不断提高，城镇燃气化速度急剧发展，地下燃气管道在密闭环境中进行运输，具有运输成本低、燃气耗损量小、地下管道用地面积小、环境保护度高等特点，是城市地下综合管廊的重点建设内容之一。燃气泄漏遇到明火后容易燃烧、以致爆炸，保证燃气管道在安全的条件下运行管理已成为城市地下综合管廊相关设计中关注的最重要内容之一。目前燃气舱可燃气体探测器普遍采用催化燃烧可燃气体报警器，催化燃烧可燃气体报警器存在受恶劣现场环境影响，调校周期短，元件寿命短等确定。因此在城市地下综合管廊天然气管道舱实际应用中无法达到监测报警需求和使用。
基于可调谐激光吸收光谱(TDLAS)技术和光分路技术的燃气管廊可燃气体泄露监测系统，能够实现现场非电、远程、长期在线和分布式气体浓度监测预警预报，具有技术先进性高和现场适应能力强的应用特点。自校准气室是燃气管廊可燃气体泄露监测系统的重要组成部分，配合相应的信号处理方法，可实现激光光源谱线与甲烷吸收谱线的匹配自校准功能，提高传感系统长期运行的稳定性。传统的自校准气室都是由无源光器件及配套机械结构组成，实现自己功能需配套系统其他功能部件参与，存在自校准功能匹配问题，在更换自校准气室时需再次标定调校，不适用于现场维修、更换。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种具有自校准功能的激光光谱吸收探头装置及其测量方法，结构简单、校准方便、方便携带。
本发明提供一种具有自校准功能的激光光谱吸收探头装置，包括用于发射激光光束的激光器、沿激光光路依次连接的光纤准直器Ⅰ、自校准气室、光纤准直器Ⅱ和光电探测器；
所述自校准气室包括呈圆柱状的壳体Ⅰ和用于容纳自校准气体的校准气体密封皿；所述壳体Ⅰ内部同轴设置有用于容纳测量气体的容纳腔，且壳体Ⅰ轴向方向两端对称设有用于固定光纤准直器Ⅰ的固定孔Ⅰ和用于固定光纤准直器Ⅱ的固定孔Ⅱ，固定在固定孔Ⅰ中的光纤准直器Ⅰ和固定在固定孔Ⅱ中的光纤准直器Ⅱ相互正对；所述固定孔Ⅰ和固定孔Ⅱ与容纳腔连通；所述校准气体密封皿呈圆柱状且同轴内嵌设置于容纳腔内，且校准气体密封皿的径向尺寸大于容纳腔的径向尺寸。
进一步，所述自校准气室一侧开设有用于供被测气体流入容纳腔的开口，所述开口的长度方向平行于自校准气室的轴向方向。
进一步，所述校准气体密封皿为透明玻璃气体密封皿；所述校准气体密封皿设置有用于注入自校准气体的注入管，所述注入管伸出容纳腔的开口，且注入管伸出容纳腔的开口一端设置有与注入管开口密封配合的顶盖。
进一步，所述容纳腔内壁下沉形成与校准气体密封皿外壁匹配的卡槽，所述校准气体密封皿卡接在卡槽内。
进一步，还包括控制模块；
所述控制模块与激光器连接，用于控制和调整激光器发射的波长；所述控制模块与光电探测器连接，用于接收和处理测量到的气体浓度信号；
所述激光器固定设置于控制模块上，所述激光器的尾纤通过连接法兰Ⅰ与自校准气室的光纤准直器Ⅰ的尾纤相连；
所述光电探测器固定设置于控制模块上，所述光电探测器的尾纤通过连接法兰Ⅱ与自校准气室的光纤准直器Ⅱ的尾纤相连。
进一步，所述自校准气室还包括用于将校准气体密封皿紧固在卡槽中的紧固件，
所述紧固件沿壳体Ⅰ的径向穿过壳体Ⅰ并抵靠在校准气体密封皿外壁上；所述紧固件的长度方向平行于容纳腔的开口宽度方向；所述紧固件与壳体Ⅰ螺纹配合连接。
进一步，所述自校准气体和被测气体均为甲烷气体。
相应地，本发明还提供一种一种具有自校准功能的激光光谱吸收探头装置的测量方法：包括步骤：
S1：取下顶盖，通过注入管向校准气体密封皿注入用于自校准的甲烷气体，将密封胶均匀涂在顶盖与注入管扣合一侧，盖上顶盖；
S2：利用气体浓度测定仪对校准气体密封皿重注入的甲烷气体浓度进行测定，得到用于自校准的甲烷气体浓度值为C1；
S3：对具有自校准功能的激光光谱吸收探头装置进行校准；
S4：将具有自校准功能的激光光谱吸收探头装置放置于被测甲烷气体环境中，控制模块控制激光器分别以第一波长模式参数值的设置和第二波长模式实时参数值的设置发射激光光束，光电探测器检测感应到激光光束，从而分别得到第一波长模式对应的甲烷气体浓度C4和第二波长模式对应的甲烷气体浓度C5；
S5：根据测量得到的C1、C4和C5，计算得到被测甲烷气体浓度C6。
进一步，所述步骤S3具体为：
S31：设定激光器的两种波长模式，即第一波长模式和第二波长模式，其中，在第一波长模式下甲烷气体不对激光光束产生吸收作用，在第二波长模式下甲烷气体对激光光束产生吸收作用；
将具有自校准功能的激光光谱吸收探头装置置于无被测气体的空气环境中，将激光器驱动电流设置为默认值，调整激光器温控电流至激光器出射光束波长对准甲烷吸收谱线中心，将当前激光器驱动电流和温控电流记为第二波长模式的初始参数值，并记录当前测量的甲烷气体浓度为C3；
调整激光器驱动电流至激光器出射光束波长偏离甲烷吸收谱线中心，将当前激光器驱动电流和温控电流记为第一波长模式的参数值，并记录当前测量的甲烷气体浓度为C2；
S32：将激光器参数设定为第二波长模式的初始参数值，通过激光器温控调节使C3＝C2+C1，将前激光器驱动电流和温控电流记为第二波长模式的实时参数值，完成对具有自校准功能的激光光谱吸收探头装置进行校准。
进一步，所述被测甲烷气体浓度C6的计算公式为：
C6＝C5-C4-C1 (1)
本发明的有益效果：本发明通过将用于进行校准的校准气体密封皿直接内置于探头装置内部，简化探头装置的结构，便于制造加工，节约成本，且方便了工作人员在各种应用场景中对探头装置进行校准，可实现精确校准功能。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的结构示意图；
图2为自校准气室的结构示意图；
图3为校准气体密封皿的结构示意图；
图4为自校准气室的剖视示意图；
图5为安装了校准气体密封皿的自校准气室的剖视示意图；
图6为安装了紧固件和校准气体密封皿的自校准气室的剖视示意图；
图7为本发明的方法流程图；
图8为对具有自校准功能的激光光谱吸收探头装置进行校准的方法流程图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供的一种具有自校准功能的激光光谱吸收探头装置，包括用于发射激光光束的激光器2、沿激光光路依次连接的光纤准直器Ⅰ6、自校准气室4、光纤准直器Ⅱ7和光电探测器5；
如图2所示，所述自校准气室4包括呈圆柱状的壳体Ⅰ41和用于容纳自校准气体的校准气体密封皿42；所述壳体Ⅰ41为不锈钢壳体，所述壳体Ⅰ41内部同轴设置有用于容纳测量气体的容纳腔43，且壳体Ⅰ41轴向方向两端对称设有用于固定光纤准直器Ⅰ6的固定孔Ⅰ和用于固定光纤准直器Ⅱ7的固定孔Ⅱ，固定在固定孔Ⅰ中的光纤准直器Ⅰ6和固定在固定孔Ⅱ中的光纤准直器Ⅱ7相互正对；所述固定孔Ⅰ和固定孔Ⅱ与容纳腔43连通；所述校准气体密封皿42呈圆柱状且同轴内嵌设置于容纳腔43内，且校准气体密封皿42的径向尺寸大于容纳腔43的径向尺寸。光纤准直器Ⅰ6和光纤准直器Ⅱ7的结构相同，只是在使用时，激光光束由一侧的光纤准直器Ⅰ6入射，由另一侧的光纤准直器Ⅱ7出射；固定孔Ⅰ和固定孔Ⅱ也具有相同结构，以对称方式设置壳体Ⅰ41轴向两侧，固定孔Ⅰ和固定孔Ⅱ的结构适于光纤准直器的安装固定，可通过直接将光纤准直器Ⅰ6和光纤准直器Ⅱ7分别插入固定孔Ⅰ和固定孔Ⅱ，并在光纤准直器Ⅰ6和固定孔Ⅰ以及光纤准直器Ⅱ7和固定孔Ⅱ喷涂环氧树脂将光纤准直器Ⅰ6和光纤准直器Ⅱ7分别固定在固定孔Ⅰ和固定孔Ⅱ中，这样操作简单，方便调整。在容纳腔43中设置用于容纳自校准气体的校准气体密封皿42，减小了另外增设自校准气室4用于对探头装置进行校准，简化探头装置的结构，便于制造加工，节约成本。校准气体密封皿42的径向尺寸大于容纳腔43的径向尺寸保证了入射到容纳腔43中的激光光束需穿过校准气体密封皿42才能出射，方便了对探头装置的校准。通过上述结构，将用于进行校准的校准气体密封皿直接内置于探头装置内部，简化探头装置的结构，便于制造加工，节约成本，且方便了工作人员在各种应用场景中对探头装置进行校准，可实现精确校准功能。
所述自校准气室4一侧开设有用于供被测气体流入容纳腔43的开口，所述开口的长度方向平行于自校准气室4的轴向方向，便于被测气体能够快速均匀的填充到容纳腔43中。
所述校准气体密封皿42为透明玻璃气体密封皿，保证了在校准气体密封皿42中激光光束只能被校准气体吸收或只受校准气体的影响；本实施例中，校准气体密封皿42可直接采用分光光度计用的圆形比色皿。
如图3至图5所示，所述校准气体密封皿42内部设置有用于容纳校准气体的内腔室423，所述校准气体密封皿42设置有用于注入自校准气体的注入管421，所述注入管伸出容纳腔43的开口，且注入管421伸出容纳腔43的开口一端设置有与注入管421开口密封配合的顶盖422，所述注入管421与校准气体密封皿42用于容纳自校准气体的内腔室连通。所述顶盖422顶部设置有可插入注入管的活塞体，所述活塞体形状与注入管内壁形状适形匹配。在实际操作过程中，通过注入管向校准气体密封皿42中注入校准气体后，还可在顶盖422与注入管421扣合一侧涂上密封胶，然后再将顶盖422与注入管421开口扣合，进一步保证校准气体密封皿42的密封性。
如图4和图5所示，所述容纳腔43内壁下沉形成与校准气体密封皿42外壁匹配的卡槽44，所述校准气体密封皿42卡接在卡槽44内。所述校准气体密封皿42的径向尺寸小于容纳腔43的开口宽度尺寸，校准气体密封皿42可通过容纳腔43的开口放进容纳腔43，卡接在卡槽44内，组装和拆卸简单，携带方便。本实施例中，所述容纳腔43的开口宽度方向垂直于容纳腔43的开口长度方向，所述容纳腔43的开口长度方向平行于自校准气室4轴向。
还包括控制模块3；所述控制模块3为电路主板，电路主板上包括了激光器2驱动电路和激光器2温控电路。
所述控制模块3与激光器2连接，用于控制和调整激光器2发射的波长，具体地，电路主板上电工作，激光器2驱动电路控制激光器2驱动电流调节激光器2输出光强，激光器2温控电路控制激光器2温控电流调节激光器2输出中心波长；所述控制模块3与光电探测器5连接，用于接收和处理测量到的气体浓度信号；
所述激光器2固定设置于控制模块3上，所述激光器2的尾纤通过连接法兰Ⅰ21与自校准气室4的光纤准直器Ⅰ6的尾纤61相连，且能使激光器2的尾纤与自校准气室4的光纤准直器Ⅰ6的尾纤61对齐；本实施例中，激光器2焊接在电路主板上。
所述光电探测器5固定设置于控制模块3上，所述光电探测器5的尾纤通过连接法兰Ⅱ22与自校准气室4的光纤准直器Ⅱ7的尾纤71相连，且能使光电探测器5的尾纤与自校准气室4的光纤准直器Ⅱ7的尾纤71对齐。
如图6所示，所述自校准气室还包括用于将校准气体密封皿42紧固在卡槽44中的紧固件45，
所述紧固件45沿壳体Ⅰ41的径向穿过壳体Ⅰ41并抵靠在校准气体密封皿42外壁上；所述紧固件45的长度方向平行于容纳腔43的开口宽度方向；所述紧固件45与壳体Ⅰ41螺纹配合连接。本实施例中，所述紧固件为锁紧螺钉，壳体Ⅰ41在卡槽44处设置有与锁紧螺钉螺纹配合的螺纹孔，所述锁紧螺钉自壳体Ⅰ41外侧壁沿壳体Ⅰ41径向方向插入螺纹孔并抵靠在校准气体密封皿42外壁，从而将校准气体密封皿42锁紧在卡槽44内，避免其晃动。
所述自校准气体和被测气体均为甲烷气体。
还包括壳体Ⅱ1，所述控制模块3、激光器2、光电探测器5、自校准气室4均设置于壳体Ⅱ1内部。所述壳体Ⅱ1采用铝材料制成，所述控制模块3通过连接柱固定在壳体Ⅱ1上。壳体Ⅱ1内部还固定设置有安装板，连接法兰Ⅰ和连接法兰Ⅱ固定在安装板上，光纤盘绕于壳体Ⅱ1内部。壳体Ⅱ1还设置有与自校准气室4容纳腔43的开口适形匹配的壳体开口，保证被测气体能依次穿过壳体开口、容纳腔43开口，进入容纳腔43。
相应地，如图7所示，本发明还提供的一种具有自校准功能的激光光谱吸收探头装置的测量方法，包括步骤：
S1：取下顶盖，通过注入管向校准气体密封皿注入用于自校准的甲烷气体，将密封胶均匀涂在顶盖与注入管扣合一侧，盖上顶盖并以一定角度旋转顶盖，优选旋转顶盖90°，使甲烷气体密封在校准气体密封皿中；本实施例中，利用针管先将用于自校准的气体吸收到针管内，然后通过针管向注入管注入用于自校准的甲烷气体，所述密封胶为环氧树脂。
S2：利用气体浓度测定仪对校准气体密封皿重注入的甲烷气体浓度进行测定，得到用于自校准的甲烷气体浓度值为C1；本实施例中，采用光谱测量原理的气体浓度测定仪，优选型号为岛津IR Tracer-100傅里叶变化红外光谱仪对校准气体密封皿重注入的甲烷气体浓度进行测定，此为现有技术，在此不赘述。本实施例中，自校准气室的组装方法如下：
将自校准气室的壳体Ⅰ，固定于光学平台上，将光纤准直器Ⅰ和光纤准直器Ⅱ分别放置于固定孔Ⅰ和固定孔Ⅱ内，光纤准直器Ⅰ和光纤准直器Ⅱ后端夹持在三维光学调整架上，使用酒精对校准气体密封皿光学表面进行清洁，将其放置于自校准气室容纳腔中的卡槽内，使用锁紧螺钉对其进行固定。使用红光激光器从光纤准直器Ⅰ入射激光光束，调整光纤准直器Ⅰ使激光光束从另一端光纤准直器Ⅱ出射，并采用相同方法调整光纤准直器Ⅱ，反复调直至出射激光能量达到检测要求，使用环氧树脂对两端光纤准直器进行固定。
S3：对具有自校准功能的激光光谱吸收探头装置进行校准；经过步骤S3的校准工作，即可正常进行甲烷浓度测量了。
S4：将具有自校准功能的激光光谱吸收探头装置放置于被测甲烷气体环境中，控制模块控制激光器分别以第一波长模式参数值的设置和第二波长模式实时参数值的设置发射激光光束，光电探测器检测感应到激光光束，从而分别得到第一波长模式对应的甲烷气体浓度C4和第二波长模式对应的甲烷气体浓度C5；
S5：根据测量得到的C1、C4和C5，计算得到被测甲烷气体浓度C6。通过上述方法，工作人员能够简单方便的对一定空间内的甲烷气体浓度进行测量，并且能够在测量地点变化后，方便地进行重新标定调校，适用于现场维修、更换探头装置的各零部件。
如图8所示，所述步骤S3具体为：
S31：设定激光器的两种波长模式，即第一波长模式和第二波长模式，其中，在第一波长模式下甲烷气体不对激光光束产生吸收作用，在第二波长模式下甲烷气体对激光光束产生吸收作用；
将具有自校准功能的激光光谱吸收探头装置置于无被测气体的空气环境中，即无甲烷气体的空气环境中，将激光器驱动电流设置为默认值，调整激光器温控电流至激光器出射光束波长对准甲烷吸收谱线中心，将当前激光器驱动电流和温控电流记为第二波长模式的初始参数值，并记录当前测量的甲烷气体浓度为C3；激光器驱动电流是通过控制模块进行调节，即通过电路主板上的激光器驱动电路进行调节；激光器温控电流是通过控制模块进行调节，即通过电路主板上的激光器温控电路进行调节。
调整激光器驱动电流至激光器出射光束波长偏离甲烷吸收谱线中心，将当前激光器驱动电流和温控电流记为第一波长模式的参数值，并记录当前测量的甲烷气体浓度为C2；
S32：将激光器参数设定为第二波长模式的初始参数值，通过激光器温控调节使C3＝C2+C1，将前激光器驱动电流和温控电流记为第二波长模式的实时参数值，完成对具有自校准功能的激光光谱吸收探头装置进行校准，并将第一波长模式的参数值和第二波长模式的实时参数值存储在电路主板的硬件程序中，方便后续测量被测甲烷气体浓度时对其的调用。若成立，则完成对具有自校准功能的激光光谱吸收探头装置进行校准。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种具有自校准功能的激光光谱吸收探头装置，其特征在于：包括用于发射激光光束的激光器、沿激光光路依次连接的光纤准直器Ⅰ、自校准气室、光纤准直器Ⅱ和光电探测器；
所述自校准气室包括呈圆柱状的壳体Ⅰ和用于容纳自校准气体的校准气体密封皿；所述壳体Ⅰ内部同轴设置有用于容纳测量气体的容纳腔，且壳体Ⅰ轴向方向两端对称设有用于固定光纤准直器Ⅰ的固定孔Ⅰ和用于固定光纤准直器Ⅱ的固定孔Ⅱ，固定在固定孔Ⅰ中的光纤准直器Ⅰ和固定在固定孔Ⅱ中的光纤准直器Ⅱ相互正对；所述固定孔Ⅰ和固定孔Ⅱ与容纳腔连通；所述校准气体密封皿呈圆柱状且同轴内嵌设置于容纳腔内，且校准气体密封皿的径向尺寸大于容纳腔的径向尺寸。
2.根据权利要求1所述的具有自校准功能的激光光谱吸收探头装置，其特征在于：所述自校准气室一侧开设有用于供被测气体流入容纳腔的开口，所述开口的长度方向平行于自校准气室的轴向方向。
3.根据权利要求2所述的具有自校准功能的激光光谱吸收探头装置，其特征在于：所述校准气体密封皿为透明玻璃气体密封皿；所述校准气体密封皿设置有用于注入自校准气体的注入管，所述注入管伸出容纳腔的开口，且注入管伸出容纳腔的开口一端设置有与注入管开口密封配合的顶盖。
4.根据权利要求1所述的具有自校准功能的激光光谱吸收探头装置，其特征在于：所述容纳腔内壁下沉形成与校准气体密封皿外壁匹配的卡槽，所述校准气体密封皿卡接在卡槽内。
5.根据权利要求1所述的具有自校准功能的激光光谱吸收探头装置，其特征在于：还包括控制模块；
所述控制模块与激光器连接，用于控制和调整激光器发射的波长；所述控制模块与光电探测器连接，用于接收和处理测量到的气体浓度信号；
所述激光器固定设置于控制模块上，所述激光器的尾纤通过连接法兰Ⅰ与自校准气室的光纤准直器Ⅰ的尾纤相连；
所述光电探测器固定设置于控制模块上，所述光电探测器的尾纤通过连接法兰Ⅱ与自校准气室的光纤准直器Ⅱ的尾纤相连。
6.根据权利要求4所述的具有自校准功能的激光光谱吸收探头装置，其特征在于：所述自校准气室还包括用于将校准气体密封皿紧固在卡槽中的紧固件，
所述紧固件沿壳体Ⅰ的径向穿过壳体Ⅰ并抵靠在校准气体密封皿外壁上；所述紧固件的长度方向平行于容纳腔的开口宽度方向；所述紧固件与壳体Ⅰ螺纹配合连接。
7.根据权利要求1所述的具有自校准功能的激光光谱吸收探头装置，其特征在于：所述自校准气体和被测气体均为甲烷气体。
8.一种具有自校准功能的激光光谱吸收探头装置的测量方法，其特征在于：包括步骤：
S1：取下顶盖，通过注入管向校准气体密封皿注入用于自校准的甲烷气体，将密封胶均匀涂在顶盖与注入管扣合一侧，盖上顶盖；
S2：利用气体浓度测定仪对校准气体密封皿重注入的甲烷气体浓度进行测定，得到用于自校准的甲烷气体浓度值为C1；
S3：对具有自校准功能的激光光谱吸收探头装置进行校准；
S4：将具有自校准功能的激光光谱吸收探头装置放置于被测甲烷气体环境中，控制模块控制激光器分别以第一波长模式参数值的设置和第二波长模式实时参数值的设置发射激光光束，光电探测器检测感应到激光光束，从而分别得到第一波长模式对应的甲烷气体浓度C4和第二波长模式对应的甲烷气体浓度C5；
S5：根据测量得到的C1、C4和C5，计算得到被测甲烷气体浓度C6；
所述步骤S3具体为：
S31：设定激光器的两种波长模式，即第一波长模式和第二波长模式，其中，在第一波长模式下甲烷气体不对激光光束产生吸收作用，在第二波长模式下甲烷气体对激光光束产生吸收作用；
将具有自校准功能的激光光谱吸收探头装置置于无被测气体的空气环境中，将激光器驱动电流设置为默认值，调整激光器温控电流至激光器出射光束波长对准甲烷吸收谱线中心，将当前激光器驱动电流和温控电流记为第二波长模式的初始参数值，并记录当前测量的甲烷气体浓度为C3；
调整激光器驱动电流至激光器出射光束波长偏离甲烷吸收谱线中心，将当前激光器驱动电流和温控电流记为第一波长模式的参数值，并记录当前测量的甲烷气体浓度为C2；
S32：将激光器参数设定为第二波长模式的初始参数值，通过激光器温控调节使C3＝C2+C1，将前激光器驱动电流和温控电流记为第二波长模式的实时参数值，完成对具有自校准功能的激光光谱吸收探头装置进行校准；
所述被测甲烷气体浓度C6的计算公式为：
C6＝C5-C4-C1 (1)。
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