CN110186852A - 一种双池串联光声光谱气体检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双池串联光声光谱气体检测装置，样品光声池包括样品进气口、样品出气口、样品入射窗、样品出射窗和样品检测装置；参考光声池包括参考进气口、参考出气口、参考入射窗、参考出射窗和参考检测装置；样品出射窗与参考入射窗之间通过高红外透过率的窗片密封连接；样品检测装置包括第一声音传感器、第一前置放大器、第一锁相放大器、采集单元；参考检测装置包括第二声音传感器、第二前置放大器、第二锁相放大器、测控单元；激光器包括激光发生头、激光器主体、温控单元和频率调制单元，参考池封装高浓度待测气体以帮助自动锁定激光波长和调制频率，从而使得测得的气体含量值是可信、准确的，整个光声系统始终工作在最佳状态。

Description

一种双池串联光声光谱气体检测装置及方法

技术领域

本发明属于气体检测技术领域，具体涉及一种双池串联光声光谱气体检测装置及方法。

背景技术

变压器油中痕量气体是在变压器长时间运行过程产生的，它们体现了变压器的部分运行状态，通过对变压器油中痕量气体的监测可以预示变压器可能存在的运行风险，近年来光声光谱检测技术逐步应用到变压器油痕量气体检测中，尤其是一些含量很低的气体如C2H2等。光声光谱技术是基于气体的光声效应，待测样品气体分子可以吸收特定波长的激光光子能量，发生能级跃迁，高能激发态是一种不稳定态，大量气体分子在回到基态的过程中，释放出热能，使得气体受热膨胀，激光源在外部信号调制下，光声池内的气体也会发生同步的膨胀和收缩，如果气体的膨胀和收缩的频率与光声池的特征频率一致的话，就会发生共振，光声池上装有麦克风传感器，可以检测出共振信号，共振信号的强度与待测气体含量正相关。

基于光声光谱技术变压器油中痕量气体检测一般常用可调谐半导体激光二极管，其输出波长单一，但缺点是输出波长易于发生漂移。由于待测样品气体分子只可以吸收特定波长的光子，一旦激光输出波长偏移，待测样品气体分子对此波长一般不具有吸收特性，无法产生光声效应，也就检测不到麦克风信号。为了解决这个问题，有专利将激光输出波长在一段范围内来回扫描变化，确保经过需要的特征吸收波长。这样做的缺点是待测气体有效吸收时间很短，在光声检测中麦克风的有效信号比较小，检测灵敏度降低。除了激光波长扫描的方法外还可以增加一个红外光谱仪对激光波长进行监测，这个方法是有效可控的，缺点是成本会增加很多，检测器的体积也会增大。因此如何及时发现激光器输出波长发生了偏移并及时纠偏是影响检测结果的重要问题。

前面提到光声光谱检测中只有待测气体的膨胀和收缩的频率与光声池的特征频率一致，才能发生共振，麦克风传感器才能输出较强的信号，否则麦克风传感器信号会很弱，难以检测。然而在实际的检测中温度、压力、湿度等条件的变化都可能造成特征共振频点漂移，一旦发生漂移，光声共振效果就会发生显著减弱，麦克风传感器输出信号降低，如果以此时的麦克风传感器输出信号作为检测信号的话，检测值就会偏低，误差很大。所以如何及时发现光声池的特征频率点的漂移并及时调整激光外部调制频率，提高检测值的可信度和准确度也是一个重要的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种双池串联光声光谱气体检测装置及方法，以提高现有的光声光谱检测中，测量值的可信度和准确度。

本发明提供了如下的技术方案：

一种双池串联光声光谱气体检测装置，包括串联设置且结构相同的样品光声池、参考光声池和激光器，所述样品光声池包括样品进气口、样品出气口、样品入射窗、样品出射窗和样品检测装置，所述样品进气口设有第一阀门、所述样品进气口设有第二阀门；所述参考光声池包括参考进气口、参考出气口、参考入射窗、参考出射窗和参考检测装置，所述参考进气口设有第三阀门、所述参考出气口设有第四阀门；所述样品出射窗与所述参考入射窗之间通过玻璃密封连接，所述参考出射窗处设有光陷阱；所述样品检测装置包括依次电性连接的第一声音传感器、第一前置放大器、第一锁相放大器、采集单元；所述参考检测装置包括依次电性连接的第二声音传感器、第二前置放大器、第二锁相放大器、测控单元；所述激光器包括激光发生头、激光器主体、温控单元和频率调制单元，所述激光发生头通过光纤连接所述样品入射窗，所述温控单元设于所述激光器主体外侧，所述频率调制单元与所述激光器主体电性连接。

进一步的，所述样品光声池与所述参考光声池为尺寸、材料、工艺、共振频点参数均一致的纵向共振光声池。

进一步的，所述温控单元包括温控芯片、输出电压Vset和电流恒流源It，所述温控芯片型号为WTC3243，所述温控芯片上连接有热敏电阻Rt和半导体制冷片，且Vset＝Rt*It。

进一步的，所述测控单元包括报警装置，所述报警装置为声光报警器。

进一步的，所述测控单元包括存储装置。

进一步的，所述第一声音传感器和所述第二声音传感器均为微音器、压电陶瓷传声器或光纤声传感器。

进一步的，所述玻璃为红外透过率的窗片。

一种双池串联光声光谱气体检测方法，包括以下步骤：

S1、气体通入：通过样品进气口、样品出气口和参考进气口、参考出气口分别向样品光声池和参考光声池内通入待测样品气体和参考标准气体，并依次关闭第二阀门、第四阀门、第一阀门和第三阀门；S2、激光入射：打开激光器，激光器发出激光，激光通过光纤从样品入射窗射入，激光依次穿过待测样品气体、样品出射窗、玻璃、参考入射窗、参考标准气体、参考出射窗，最后进入光陷阱；S3、获取待测样品气体浓度：激光进入待测样品气体后，释放出热量使待测样品气体受热膨胀产生振动，通过第一声音传感器检测到样品光声池内声音信号，声音信号通过第一前置放大器和第一锁相放大器进行放大处理，并通过采集单元获取待测样品气体的浓度VX；S4、获取参考标准气体浓度：激光进入参考标准气体后，释放出热量使参考标准气体受热膨胀产生振动，通过第二声音传感器检测到参考光声池内声音信号，声音信号通过第二前置放大器和第二锁相放大器进行放大处理，并通过测控单元获取参考标准气体的浓度V0；S5、初步判断：设定参考标准气体的浓度预存标值为V1，参考标准气体的误差值为V2,通过测控单元判断|V0-V1|是否大于V2，若是，则进入S6；若否，则结束并返回S3中，将采集单元获取待测样品气体的浓度VX作为准确值输出；S6、温度调节判断：通过温控芯片均匀提高激光器主体的工作温度，同时通过测控单元实时获取参考标准气体的浓度V0′，通过测控单元判断|V0′-V1|是否大于V2，若是，则进入S7；若否，则将此时温控芯片调制的工作温度储存至存储装置，且结束并返回S3中，将采集单元获取待测样品气体的浓度VX作为准确值输出；S7、频率调节判断：通过频率调制单元均匀提高激光发生头发生的激光频率，同时通过测控单元实时获取参考标准气体的浓度V0″，通过测控单元判断|V0″-V1|是否大于V2，若是，则判定激光器故障，并通过报警装置报警并停止检测；若否，则将此时频率调制单元调制的激光频率储存至存储装置，且结束并返回S3中，将采集单元获取待测样品气体的浓度VX作为准确值输出。

本发明的有益效果是：

本发明一种双池串联光声光谱气体检测装置，将两个尺寸、材料、工艺等参数完全一致的光声池先后串行连接在一起，样本检测光声池在前、参考光声池在后，两个光声池之间用对特定波长激光具有高透过率的窗口材料实现气路隔离，参考池内封入较高浓度的待测气体；参考光声池的输出信号给测控单元，获得参考标准气体的浓度值，根据结果调节激光器的工作温度，改变激光器的工作温度就可以改变激光器输出波长，使得激光器的输出波长与样品气的吸收峰波长一致。激光器波长调节完成后，监测控制单元进一步对锁相放大器输出信号进行计算，在一定的范围内对激光器外部正弦波调制频率进行扫描，实时采集锁相放大器输出信号，寻找出最佳外部调制频率。为了保证检测值的可靠性与准确性，根据第二个光声池浓度值输出，实时调整激光二极管的输出波长和调制频率。

首先由于可调谐激光受工作温度、工作电流的影响，其输出波长容易发生漂移，一旦激光输出波长发生偏移后极有可能无法有效产生光声效应，如果不能及时发现并调整激光输出波长就会导致样品光声池内气体浓度检测不准确；因此首先要根据参考光声池麦克风的锁相信号调整好激光器输出波长。其次由于受外部环境的影响，参考光声池的共振频率也会发生偏移，如果不及时调整预定的激光调制频率，将会导致光声池内气体共振效应显著减弱，因此根据参考光声池光声信号可以实时调节激光器调制频率，获得最佳共振频率点。

综上，本发明的目的是对光声光谱检测器中的激光器波长和调制频率进行监测与调控，从而提高变压器油中痕量气体检测值的可信度和准确度。确保在整个检测过程中光声光谱相关的检测参数(激光发射波长、调制频率)处在有效、合理的状态，从而使得测得的气体含量值是可信、准确的，整个光声系统始终工作在最佳状态。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明方法流程示意图。

图中标记为：1.样品光声池，101.样品进气口，102.样品出气口，103.第一阀门，104.第二阀门，105.第一声音传感器，106.样品入射窗，107.样品出射窗，108.玻璃，2.参考光声池，201.参考进气口，202.参考出气口，203.第三阀门，204.第四阀门，205.第二声音传感器，206.参考入射窗，207.参考出射窗，208.光陷阱，3.第一前置放大器，4.第一锁相放大器，5.采集单元，6.第二前置放大器，7.第二锁相放大器，8.测控单元，801.存储装置，9.温控单元，10.频率调制单元，11.激光器主体，12.温控芯片，13.激光发生头，14.光纤。

具体实施方式

如图1所示，一种双池串联光声光谱气体检测装置，包括串联设置且结构相同的样品光声池1、参考光声池2和激光器，样品光声池1与参考光声池2为尺寸、材料、工艺、共振频点参数均一致的纵向共振光声池；

样品光声池1包括样品进气口101、样品出气口102、样品入射窗106、样品出射窗107和样品检测装置，样品进气口101设有第一阀门103、样品进气口101设有第二阀门104；参考光声池2包括参考进气口201、参考出气口202、参考入射窗206、参考出射窗207和参考检测装置，参考进气口201设有第三阀门203、参考出气口202设有第四阀门204；样品出射窗107与参考入射窗206之间通过玻璃108密封连接，玻璃108选用高红外透过率的窗片，参考出射窗207处设有光陷阱208；样品检测装置包括依次电性连接的第一声音传感器105、第一前置放大器3、第一锁相放大器4、采集单元5；参考检测装置2包括依次电性连接的第二声音传感器205、第二前置放大器6、第二锁相放大器7、测控单元8，测控单元8包括报警装置，报警装置为声光报警器，测控单元8包括存储装置801，第一声音传感器105和第二声音传感器205均为微音器、压电陶瓷传声器或光纤声传感器。

激光器包括激光发生头13、激光器主体、温控单元9和频率调制单元10，激光发生头13通过光纤14连接样品入射窗106，温控单元9设于激光器主体11外侧，频率调制单元10与激光器主体11电性连接；温控单元9包括温控芯片、输出电压Vset和电流恒流源It，温控芯片型号为WTC3243，温控芯片上连接有热敏电阻Rt和半导体制冷片，且Vset＝Rt*It。

如图2所示，一种双池串联光声光谱气体检测方法，包括以下步骤：

S1、气体通入：通过样品进气口101、样品出气口102和参考进气口201、参考出气口202分别向样品光声池1和参考光声池2内通入待测样品气体和参考标准气体，并依次关闭第二阀门104、第四阀门204、第一阀门103和第三阀门203；

S2、激光入射：打开激光器，激光器发出激光，激光通过光纤14从样品入射窗射106入，激光依次穿过待测样品气体、样品出射窗107、玻璃108、参考入射窗206、参考标准气体、参考出射窗207，最后进入光陷阱208；

S3、获取待测样品气体浓度：激光进入待测样品气体后，释放出热量使待测样品气体受热膨胀产生振动，通过第一声音传感器105检测到样品光声池1内声音信号，声音信号通过第一前置放大器3和第一锁相放大器4进行放大处理，并通过采集单元5获取待测样品气体的浓度VX；

S4、获取参考标准气体浓度：激光进入参考标准气体后，释放出热量使参考标准气体受热膨胀产生振动，通过第二声音传感器205检测到参考光声池2内声音信号，声音信号通过第二前置放大器6和第二锁相放大器7进行放大处理，并通过测控单元8获取参考标准气体的浓度V0；

S5、初步判断：设定参考标准气体的浓度预存标值为V1，参考标准气体的误差值为V2,通过测控单元8判断|V0-V1|是否大于V2，

若是，则进入S6；

若否，则结束并返回S3中，将采集单元5获取待测样品气体的浓度VX作为准确值输出；

S6、温度调节判断：通过温控芯片均匀提高激光器主体的工作温度，同时通过测控单元8实时获取参考标准气体的浓度V0′，通过测控单元8判断|V0′-V1|是否大于V2，

若是，则进入S7；

若否，则将此时温控芯片调制的工作温度储存至存储装置801，且结束并返回S3中，将采集单元5获取待测样品气体的浓度VX作为准确值输出；

S7、频率调节判断：通过频率调制单元10均匀提高激光发生头13发生的激光频率，同时通过测控单元8实时获取参考标准气体的浓度V0″，通过测控单元8判断|V0″-V1|是否大于V2，

若是，则判定激光器故障，并通过报警装置报警并停止检测；

若否，则将此时频率调制单元10调制的激光频率储存至存储装置801，且结束并返回S3中，将采集单元5获取待测样品气体的浓度VX作为准确值输出。

本具体实施方式的工作方式：

样品光声池1为纵向共振光声池，包括样品进气口101、样品出气口102、第一阀门103，第二阀门104、样品入射窗106、样品出射窗107、第一声音传感器105，第一声音传感器105信号经过第一前置放大器3后进入第一锁相放大器4，第一锁相放大器4信号进入采集单元5，样品气浓度VX；

参考光声池2与样品光声池1的尺寸、材料、工艺、共振频点等参数一致，参考光声池2的参考入射窗206串行连接在样品光声池1的样品出射窗107后端，两个光声池之间采用玻璃108密封连接，激光从样品光声池1的样品入射窗106进入，穿过样品光声池1，从样品出射窗107通过玻璃108进入参考光声池2的参考入射窗206，穿过参考光声池2从参考出射窗207进入光陷阱208；

参考光声池2的第二声音传感器205的信号的进入到第二前置放大器6，放大后进入第二锁相放大器7，第二锁相放大器7的输出信号进入到测控单元8，测控单元8采集第二锁相放大器7的信号，得到参考标准气体的浓度V0,与参考标准气体的浓度预存标值V1进行比较，

如果|V0-V1|小于设定值V2，则激光输出波长无需调整；如果|V0-V1|大于设定值V2，则激光发生头13输出波长需要调整。激光器输出波长可以通过调整激光器工作电流和工作温度来实现，本实施例中，测控单元8通过控制温控单元9来调整激光器的工作温度实现激光器输出波长的调整。

激光器的工作温度设定有多种方式，本实施例中温控单元9内置16位精度D/A输出电路，测控单元8通过数字接口调整D/A输出电路的输出电压值Vset，Vset连接到温控芯片(WT3243)，由于Vset＝Rt*It，Rt为热敏电阻的阻值，It是给热敏电阻工作的恒流源，因此每一个Vset都对应了激光器唯一的工作温度T。温控芯片连接到半导体制冷芯片，温控芯片连接到热敏电阻；

温度-波长调整方法如下，测控单元8将会在低温值TL和高温值TH之间以固定步长进行扫描，首先激光器工作温度T将激光器工作温度T设定在低值TL,温度平衡后，第二锁相放大器7的输出值V0′，与预存标值V1进行比较，然后再以固定的步长升高激光器工作温度T，循环监测V0′值，直到|V0′-V1|小于设定值V2，记录下Vset(i),i＝1,2，3.....，i代表是用于对符合|V0′-V1|小于设定值V2的温度设定值Vset进行排序，直至TH，对符合条件的Vset(i)按照|V0′-V1|大小进行排序，将|V0′-V1|最小值对应的Vset(i)选出，保存此温度设定值至参数存储装置801，供检测时调用。

如果在TL至TH温度范围内，温度扫描监测时没有出现|V0-V1|小于设定值V2的情况，则可以通过频率调节单元调节激光的频率；

当激光器输出波长调整完成后，再对激光器外部正弦波调制频率进行调整。由于光声检测池的共振频率受外部条件影响，会发生偏移，共振频率偏移后如果不及时调整，会造成光声效应降低，检测值降低，检测结果的可信度和准确度降低。因此，通过对参考光声池2的第二声音传感器205的信号进行检测，可以及时发现光声检测池的共振频率是否发生偏移，如果发生偏移则需要进行调制频率的扫描与调整。测控单元8通过外部频率调制单元10实现频率调整。

具体实施如下，测控单元8采集第二锁相放大器7的信号，得到V0″,与预存标值V1进行比较，如果|V0″-V1|小于设定值V2，则激光器外部调制频率无需调整；如果|V0″-V1|大于设定值V2，则激光器外部调制频率需要调整。调制频率调整方法如下，测控单元8将会在低频值FL和高频值FH之间以固定步长进行扫描，首先将外部频率调制单元10的输出频率F设定在低值FL,平衡后，第二锁相放大器7的输出值V0″，与预存标值V1进行比较，然后再以固定的步长增加外部频率调制单元10的输出频率，循环第二锁相放大器7的输出值V0″，直到|V0″-V1|小于设定值V2，记录下F(i),i＝1,2，3.....，i代表是用于对符合|V0″-V1|小于设定值V2的频率值F进行排序，直至FH，对符合条件的F(i)按照|V0″-V1|大小进行排序，将|V0″-V1|最小值对应的F(i)选出，保存此调制频率值至参数存储单元801，供检测时调用。

至此，激光器的工作波长与吸收波长一致，激光器外部调制频率与光声池调制频率一致，满足检测条件。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种双池串联光声光谱气体检测装置，其特征在于，包括串联设置且结构相同的样品光声池、参考光声池和激光器，

所述样品光声池包括样品进气口、样品出气口、样品入射窗、样品出射窗和样品检测装置，所述样品进气口设有第一阀门、所述样品进气口设有第二阀门；所述参考光声池包括参考进气口、参考出气口、参考入射窗、参考出射窗和参考检测装置，所述参考进气口设有第三阀门、所述参考出气口设有第四阀门；所述样品出射窗与所述参考入射窗之间通过玻璃密封连接，所述参考出射窗处设有光陷阱；所述样品检测装置包括依次电性连接的第一声音传感器、第一前置放大器、第一锁相放大器、采集单元；所述参考检测装置包括依次电性连接的第二声音传感器、第二前置放大器、第二锁相放大器、测控单元；

所述激光器包括激光发生头、激光器主体、温控单元和频率调制单元，所述激光发生头通过光纤连接所述样品入射窗，所述温控单元设于所述激光器主体外侧，所述频率调制单元与所述激光器主体电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种双池串联光声光谱气体检测装置，其特征在于，所述样品光声池与所述参考光声池为尺寸、材料、工艺、共振频点参数均一致的纵向共振光声池。

3.根据权利要求1所述的一种双池串联光声光谱气体检测装置，其特征在于，所述温控单元包括温控芯片、输出电压Vset和电流恒流源It，所述温控芯片型号为WTC3243，所述温控芯片上连接有热敏电阻Rt和半导体制冷片，且Vset＝Rt*It。

4.根据权利要求1所述的一种双池串联光声光谱气体检测装置，其特征在于，所述测控单元包括报警装置，所述报警装置为声光报警器。

5.根据权利要求1所述的一种双池串联光声光谱气体检测装置，其特征在于，所述测控单元包括存储装置。

6.根据权利要求1所述的一种双池串联光声光谱气体检测装置，其特征在于，所述第一声音传感器和所述第二声音传感器均为微音器、压电陶瓷传声器或光纤声传感器。

7.根据权利要求1所述的一种双池串联光声光谱气体检测装置，其特征在于，所述玻璃为红外透过率的窗片。

8.一种双池串联光声光谱气体检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、气体通入：通过样品进气口、样品出气口和参考进气口、参考出气口分别向样品光声池和参考光声池内通入待测样品气体和参考标准气体，并依次关闭第二阀门、第四阀门、第一阀门和第三阀门；

S2、激光入射：打开激光器，激光器发出激光，激光通过光纤从样品入射窗射入，激光依次穿过待测样品气体、样品出射窗、玻璃、参考入射窗、参考标准气体、参考出射窗，最后进入光陷阱；

S3、获取待测样品气体浓度：激光进入待测样品气体后，释放出热量使待测样品气体受热膨胀产生振动，通过第一声音传感器检测到样品光声池内声音信号，声音信号通过第一前置放大器和第一锁相放大器进行放大处理，并通过采集单元获取待测样品气体的浓度VX；

S4、获取参考标准气体浓度：激光进入参考标准气体后，释放出热量使参考标准气体受热膨胀产生振动，通过第二声音传感器检测到参考光声池内声音信号，声音信号通过第二前置放大器和第二锁相放大器进行放大处理，并通过测控单元获取参考标准气体的浓度V0；

S5、初步判断：设定参考标准气体的浓度预存标值为V1，参考标准气体的误差值为V2,通过测控单元判断|V0-V1|是否大于V2，

若是，则进入S6；

若否，则结束并返回S3中，将采集单元获取待测样品气体的浓度VX作为准确值输出；

S6、温度调节判断：通过温控芯片均匀提高激光器主体的工作温度，同时通过测控单元实时获取参考标准气体的浓度V0′，通过测控单元判断|V0′-V1|是否大于V2，

若是，则进入S7；

若否，则将此时温控芯片调制的工作温度储存至存储装置，且结束并返回S3中，将采集单元获取待测样品气体的浓度VX作为准确值输出；

S7、频率调节判断：通过频率调制单元均匀提高激光发生头发生的激光频率，同时通过测控单元实时获取参考标准气体的浓度V0″，通过测控单元判断|V0″-V1|是否大于V2，

若是，则判定激光器故障，并通过报警装置报警并停止检测；

若否，则将此时频率调制单元调制的激光频率储存至存储装置，且结束并返回S3中，将采集单元获取待测样品气体的浓度VX作为准确值输出。