CN109765181B - 一种提高气体光声光谱检测稳定性的差分式共振光声池 - Google Patents
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Abstract
一种用于气体光声光谱法检测的差分式共振光声池，装置包括待测气室，用于通入所需检测的待测气体；该差分式共振光声池包括：进气口，出气口，待测气室，参比气室，共振光声池，进光窗口，隔离窗口，出光窗口，声电转换模块，前置放大电路及滤波电路。本发明通过差分与共振结构相结合，实现待测气体与声电转换器的有效隔离，提高了设备长期稳定性与抗干扰性，并可实现痕量气体至100％浓度气体的测量，一阶纵向共振结构实现光声信号驻波协同放大，提高气体的检测灵敏度，适合用于电力、核能设备长期在线监测、石油化工原料生产流程监控等应用场合。
Description
技术领域
本发明属于电力设备中特征气体检测技术领域，特别是涉及一种用光声光谱法检测特征气体的差分式共振光声池。
背景技术
用于电力、核能的电力变压器、GIS等设备内部会分解产生各种能够反应设备故障性质和绝缘老化性能的气体；准确检测故障与老化特征气体，是实现重要变电设备运行状态诊断的关键；乙醇等基础化工料和精细化工产品的原料主要是天然气，准确实时监测原料及生产过程中气体组分和含量，是保证上述化工产品质量的核心。实时准确检测CO、CO2、CH4(甲烷)、C2H4(乙烯)、C2H6(乙烷)、C2H2(乙炔)、H2、SO2F2(二氟化硫酰)、CF4(四氟化碳)、SO2、H2S和COS(羟基硫)等气体对确保电力、核能、石油化工等行业设备运行安全或产品质量具有重要意义。传统的检测方法如色谱法需定时更换色谱柱，增加了检测成本和人力损耗，无法实现设备的长期在线监测。
光谱法检测气体是近年来热门的新型检测方法，但其中如傅里叶红外光谱法结构复杂，定量分析准确度有待提高；吸收光谱法易受光散射、折射的影响；拉曼光谱法检测灵敏度较低，无法检测痕量气体。光声光谱检测是一种无背景测量方法，不受光散射的影响，在气体检测领域具有广阔的应用市场。其核心部件主要由光源、光声转换池、声电转换器、背景噪声扣除等模块构成。但传统的光声光谱法易受周围环境震动、噪声、温度变化干扰，且共振光声池的共振频率会因光声池内部气体组份的变化产生漂移。长期测量时，待测气体中的杂质和腐蚀性气体会污染腐蚀微音器，影响其声学特性。
差分型光声池可以有效减弱周围环境震动、噪声、温度变化带来的干扰，且待测气体不与声电转换器接触，可以有效避免对声电转换器的腐蚀，但现有的差分型光声池均为采用宽带光源的非共振结构，对光声信号的放大能力不足，且通常只能检测单种气体。共振光声池可在光声池中形成对光声信号的驻波放大，进一步提高系统的检测灵敏度，圆柱形共振光声池按驻波分布方式的不同可以分为纵向、角向、径向三种共振模式，其中工作在纵向共振模式的共振光声池池常数最高，对光声信号的驻波放大效应最明显，但现有的共振型光声池无法将声电转换器与待测气体隔离开来，长期工作后待测气体中的杂质和腐蚀性气体易污染声电转换器，导致检测结果出现漂移甚至无法工作。
发明内容
本发明的目的是要解决现有技术中的共振式光声池存在长期工作稳定性差，抗干扰能力差以及无法测量高浓度待测气体的技术问题。
本发明提供了一种用于气体光声光谱法检测的差分式共振光声池，装置包括待测气室，用于通入所需检测的待测气体；该差分式共振光声池包括：进气口，出气口，待测气室，参比气室，共振光声池，进光窗口，隔离窗口，出光窗口，声电转换模块，前置放大电路及滤波电路。两束相同功率的激发光源分别通过待测气室与参比气室，通过待测气室中的光源因待测气体吸收了部分能量后与通过参比气室的光源产生了功率差，进入光声池后产生的光声信号要弱于通过参比气室的光源产生的光声信号，由此产生了差分的光声信号，并由声电转换模块采集。产生的差分的光声信号的大小与待测气体吸收的激发光能量成正比。
本发明的一种用于气体光声光谱检测的差分式共振光声池，包括：
待测气室(1)，用于通入所需检测的待测气体,所述待测气室(1)包括：
进气口(11)，将待测气体通入待测气室(1)的入口，
出气口(12)，将待测气体排出待测气室(1)的出口；
参比气室(2)，其与所述待测气室(1)沿所述差分式共振光声池中心轴线对称，参比气室(2)中预充参比气体，所述参比气室(2)包括充气嘴(21)，用于将参比气室(2)抽真空以及对参比气室(2)预充特定种类参比气体时的气路通道；
共振光声池(3)，包括沿所述差分式共振光声池中心轴线对称的两组光声池，所述光声池内预充与待测气体同种类的标准气体，在所述光声池中心处设有开口，分别将两组光声池中产生的光声信号差分送入声电转换器模块(7)中，且两组光声池由毛细管(31)相连通；所述共振光声池(3)包括充气嘴(32)，用于将共振光声池(3)抽真空以及对共振光声池(3)预充特定浓度标准气体时的气路通道，由出厂前进行充气，充气完成后封死，出厂后无需再次充气；
进光窗口(4,4′)，设置在所述待测气室(1)与所述参比气室(2)进光侧，以使激发光从所述进光窗口射入所述待测气室(1)与所述参比气室(2)中；
隔离窗口(5,5′)，设置在所述待测气室(1)及所述参比气室(2)与所述共振光声池(3)中间，用于隔离所述待测气室(1)、参比气室(2)与共振光声池(3)，射入所述待测气室(1)中的光源由特征气体吸收一部分激发光光能后由所述隔离窗口(5)射入所述共振光声池(3)，射入所述参比气室(2)中的光源不吸收激发光光能由所述隔离窗口(5′)射入所述共振光声池(3)；
出光窗口(6,6′)，设置在所述共振光声池(3)出光侧，以使激发光从所述出光窗口(6,6′)射出所述共振光声池(3)；
声电转换模块(7)，用于检测所述待测气体在所述两组光声池中产生的差分光声信号，以获得与待测气体浓度成线性比例的声信号；
前置放大电路及滤波电路(8)，用于放大声电转换模块(7)产生的差分光声信号，并初步滤除与光声信号不同频率的干扰信号。
本发明进一步的优选方案是：
所述待测气室(1)的形状为圆柱形或方形。所述待测气室(1)的长度在0.1mm-200mm。所述待测气室(1)应用于痕量气体测量场景中时，采用多次反射结构增加其光程长度。所述待测气室(1)内表面镀有金。所述参比气室(2)应用于无背景气体干扰的测量场景中时，所充参比气体为N2、He、Ar或空气，应用于有背景气体干扰的测量场景中时，所充参比气体为背景气体。所述两组光声池由两根金属管制成，所述金属管的直径在5mm-10mm，长度在50mm-200mm，长径比大于或等于12:1。所述共振光声池(3)与声电转换模块(7)的连接处位于所述共振光声池(3)的中间处，即光声信号驻波的波峰处；连接处为喇叭口形状，与所述共振光声池(3)相连部分直径为1mm-2mm，与声电转换器模块(7)相连部分直径为5mm-10mm。与所述两组光声池连接的毛细管(31)位于所述共振光声池(3)的1/4位置处，即光声信号驻波的波谷处，毛细管直径为0.1mm。声电转换模块(7)为采用石墨烯覆膜的电容式传声器。
附图说明
下文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。
图1是根据本发明一个实施例的用于气体光声光谱检测的差分型共振光声池的示意性结构图。
附图标号：
1-待测气室，11-进气口，12-出气口，2-参比气室，21-充气嘴，3-共振光声池，31-毛细管，32-充气嘴，4,4′-进光窗口，5,5′-隔离窗口，6,6′-出光窗口，7-声电转换模块，71-石墨烯覆膜，8-前置放大电路及滤波电路。
具体实施方式
通过下面实施例，对本次发明技术方案进一步的说明。
图1示出了根据本发明一个实施例的用于气体光声光谱检测的差分式共振光声池的示意性结构图。如图1所示，该差分式共振光声池包括待测气室1、参比气室2、共振光声池3、进光窗口4和4′、隔离窗口5和5′、出光窗口6和6′，声电转换模块7、前置放大电路及滤波电路8。
在一个实施例中，该差分式共振光声池的截面形状为“二”字形。待测气室1和参比气室2对称地设置在所述差分式共振光声池的中心轴线两侧，并分别与共振光声池3的两端对齐。待测气室1包括进气口11和出气口12，进气口11设置在待测气室1远离光声池3的位置，出气口12设置在待测气室1靠近光声池3的位置。参比气室2包括充气嘴21，其设置在参比气室2远离光声池3的位置。本发明所采用的进气口，出气口，是具有螺纹与密封圈结构的气嘴，外径5mm-8mm，内径4mm-7mm，长度3-7mm。
所述的待测气室1是采用黄铜或不锈钢材料制成的管状或方形气室结构，气室长度由所需检测场景中待测气体的浓度范围决定，气室越长检测灵敏度越高，长度可以在0.1mm-200mm，直径在5mm-60mm，其内表面镀有金。当待测气室1应用于痕量气体测量场景中时，可采用多次反射结构增加其光程长度。本实施例长度为100mm，直径为10mm，其内表面镀有金，进气口11位于待测气室1左端10mm处，外径7mm，内径4mm，长4mm，具有螺纹状结构，出气口12位于待测气室右端10mm处，外径7mm，内径4mm，长4mm，具有螺纹状结构。
本发明所采用的参比气室采用与待测气室相同结构和材料，其上配有一个充气嘴，用于设备出厂时充入参比气体，充入参比气体后将充气嘴封死，无需再次充气。所述的参比气室2由黄铜制成，本实施例长度为100mm，直径为10mm，其内表面镀有金，充气嘴21位于参比气室2左端10mm处，直径1mm，长4mm，具有螺纹状结构。所述参比气室2应用于无背景气体干扰的测量场景中时，所充参比气体为N2、He、Ar或空气；应用于有背景气体干扰的测量场景中时，所充参比气体为背景气体，如应用于SF6分解气体检测时，所充背景气体应为SF6，应用于天然气生产流程监测以及天然气品质检测时，所充背景气体应为标准天然气，应用于乙醇生产流程监控时，所充气体应为乙醇蒸汽。
本发明所用的共振光声池是采用黄铜或不锈钢材料制成的管状气室，单根共振光声池的直径在5mm-10mm，长度在50mm-200mm，长径比大于或等于12:1，其上配有一个充气嘴，用于设备出厂时充入标准气体，充入标准气体后将充气嘴封死。标准气体指的是浓度均匀、有良好稳定性、测量值准确的气体，具体定义如下：标准气体为气体工业名词。标准物质是浓度均匀的，良好稳定和量值准确的测定标准，它们具有复现，保存和传递量值的基本作用，在物理，化学，生物与工程测量领域中用于校准测量仪器和测量过程，评价测量方法的准确度和检测实验室的检测能力，确定材料或产品的特性量值，进行量值仲裁等。所充标准气体的比例依据不同气体所选吸收峰吸收强度的不同来配比，以保证不同气体产生的光声信号强度均位于声电转换模块平坦的响应曲线中，获得宽的检测动态范围。系统产生的光声光谱信号可表示为：
其中S是产生的光声光谱信号强度，P为激发光光功率，M为声电转换模块的灵敏度，Ccell为光声池池常数，ηi为吸收光能转化为热能的效率，αi为吸收组分在激励光波长下的摩尔光吸收系数，ci为吸收组份的浓度，Ab为背景信号的产生效率。当调制频率低于10kHz时，ηi可近似为常数1。在一个确定的系统中：激发光光功率P、声电转换模块的灵敏度M、光声池池常数Ccell均为定值，故为满足光声池内各气体产生的光声信号强度均处于声电转换模块平坦的响应曲线中，ci与αi的乘积应为定值。
本实施例所述的共振光声池3由两根黄铜制成的金属管制成，其内壁镀有金，两根金属管对称地设置在所述差分式共振光声池的中心轴线两侧，共振光声池3包括毛细管31，充气嘴32。单根金属管直径在5mm-10mm，长度在50mm-200mm，长径比大于或等于12:1；本实施例长度为120mm，直径为10mm。
其中毛细管31设置在光声池3声驻波的波节处，例如可以设置在所述金属管长度的四分之一处，在这个位置处声场最弱，可以避免毛细管31对光声信号造成的损失。充气嘴32位于共振光声池3其中一根金属管右端10mm处，直径1mm，长4mm，具有螺纹状结构。
本发明所采用的进光窗口，隔离窗口，出光窗口为透光率≥90％的硒化锌或石英材料制成，其尺寸与窗口大小匹配，采用抗腐蚀密封胶粘贴于窗口上。本实施例所述进光窗口4和4′设置在待测气室1和参比气室2端部的外侧，直径10mm，厚度2mm，材料为石英，用于使激发光射入待测气室1与参比气室2中。所述隔离窗口5和5′分别设置在待测气室1、参比气室2与共振光声池3的连接处，直径10mm，厚度2mm，材料为石英，用于使激发光射出待测气室1与参比气室2，并同时射入共振光声池3中。所述出光窗口6和6′设置在共振光声池3端部，直径10mm，厚度2mm，材料为石英，用于使激发光射出共振光声池3。
本发明所采用的声电转换模块是采用石墨烯振膜的电容型声电转换器，振膜直径为10mm-20mm，厚度为3μm-8μm。本实施例所述的声电转换模块7设置在共振光声池3中心轴线处，连接共振光声池3的两根金属管长度方向上的中间开口，连接处为喇叭口形状，宽口处直径7mm，窄口处直径2mm。声电转换模块7直径14mm，声电转换模块覆膜采用石墨烯覆膜71，直径12mm，厚度5μm。声电转换模块7用于检测待测气体在两组金属管中产生的差分光声信号，以获得与待测气体浓度成线性比例的声信号。
所述的前置放大电路及滤波电路8用于放大声电转换模块7产生的差分光声信号，并初步滤除与光声信号不同频率的干扰信号。可过滤掉1kHz-2kHz以外的噪声信号，折算到输入端的噪音为50nV，温度漂移≤10ppm/℃，放大器的放大倍数可调范围不低于104。
本发明通过差分与共振结构相结合，实现待测气体与声电转换器的有效隔离，提高了设备长期稳定性与抗干扰性，并可实现痕量气体至100％浓度气体的测量，一阶纵向共振结构实现光声信号驻波协同放大，提高气体的检测灵敏度，适合用于电力、核能设备长期在线监测、石油化工原料生产流程监控等应用场合。
以上所述仅为本发明的具体实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于气体光声光谱检测的差分式共振光声池，其特征在于，包括：
待测气室(1)，用于通入所需检测的待测气体,所述待测气室(1)包括：
进气口(11)，将待测气体通入待测气室(1)的入口，
出气口(12)，将待测气体排出待测气室(1)的出口；
参比气室(2)，其与所述待测气室(1)沿所述差分式共振光声池中心轴线对称，参比气室(2)中预充参比气体，所述参比气室(2)包括充气嘴(21)，用于将参比气室(2)抽真空以及对参比气室(2)预充特定种类参比气体时的气路通道；
共振光声池(3)，包括沿所述差分式共振光声池中心轴线对称的两组光声池，所述光声池内预充与待测气体同种类的标准气体，在所述光声池中心处设有开口，分别将两组光声池中产生的光声信号差分送入声电转换模块(7)中，且两组光声池由毛细管(31)相连通；所述共振光声池(3)包括充气嘴(32)，用于将共振光声池(3)抽真空以及对共振光声池(3)预充特定浓度标准气体时的气路通道，由出厂前进行充气，充气完成后封死，出厂后无需再次充气；
第一进光窗口(4)和第二进光窗口(4′)，设置在所述待测气室(1)与所述参比气室(2)进光侧，以使激发光从所述第一进光窗口和第二进光窗口射入所述待测气室(1)与所述参比气室(2)中；
第一隔离窗口(5)和第二隔离窗口(5′)，设置在所述待测气室(1)及所述参比气室(2)与所述共振光声池(3)中间，用于隔离所述待测气室(1)、参比气室(2)与共振光声池(3)，射入所述待测气室(1)中的光源由特征气体吸收一部分激发光光能后由所述第一隔离窗口(5)射入所述共振光声池(3)，射入所述参比气室(2)中的光源不吸收激发光光能由所述第二隔离窗口(5′)射入所述共振光声池(3)；
第一出光窗口(6)和第二出光窗口(6′)，设置在所述共振光声池(3)出光侧，以使激发光从所述第一出光窗口(6)和第二出光窗口(6′)射出所述共振光声池(3)；
声电转换模块(7)，用于检测所述待测气体在所述两组光声池中产生的差分光声信号，以获得与待测气体浓度成线性比例的声信号；
前置放大电路及滤波电路(8)，用于放大声电转换模块(7)产生的差分光声信号，并初步滤除与光声信号不同频率的干扰信号。
2.根据权利要求1所述的差分式共振光声池，其特征在于，所述待测气室(1)的形状为圆柱形或方形。
3.根据权利要求1所述的差分式共振光声池，其特征在于，所述待测气室(1)的长度在0.1mm-200mm。
4.根据权利要求1所述的差分式共振光声池，其特征在于，所述待测气室(1)应用于痕量气体测量场景中时，采用多次反射结构增加其光程长度。
5.根据权利要求1所述的差分式共振光声池，其特征在于，所述待测气室(1)内表面镀有金。
6.根据权利要求1所述的差分式共振光声池，其特征在于，所述参比气室(2)应用于无背景气体干扰的测量场景中时，所充参比气体为N2、He、Ar或空气；应用于有背景气体干扰的测量场景中时，所充参比气体为背景气体。
7.根据权利要求1所述的差分式共振光声池，其特征在于，所述两组光声池由两根金属管制成，所述金属管的直径在5mm-10mm，长度在50mm-200mm，长径比大于或等于12:1。
8.根据权利要求1所述的差分式共振光声池，其特征在于，所述共振光声池(3)与声电转换模块(7)的连接处位于所述共振光声池(3)的中间处，即光声信号驻波的波峰处；连接处为喇叭口形状，与所述共振光声池(3)相连部分直径为1mm-2mm，与声电转换模块(7)相连部分直径为5mm-10mm。
9.根据权利要求1所述的差分式共振光声池，其特征在于，与所述两组光声池连接的毛细管(31)位于所述共振光声池(3)的1/4位置处，即光声信号驻波的波谷处，毛细管直径为0.1mm。
10.根据权利要求1所述的差分式共振光声池，其特征在于，声电转换模块(7)为采用石墨烯覆膜的电容式传声器。
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