CN110954503A - 一种海水溶解气体激光光谱的原位在线探测装置 - Google Patents

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李明星
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Abstract

本发明公开了一种海水溶解气体激光光谱的原位在线探测装置，包括：用于放置主控电路板、激光器、探测器和微型泵的电路舱、用于放置多次反射吸收池的光学检测单元以及水气分离模块；该装置基于激光吸收光谱技术，采用原位水气富集分离方法，解决疏水透气膜水气分离；使用微型气泵将分离后溶解气体抽入光学检测单元，通过高分辨的特征吸收谱线，提取目标气体的特征光谱；再通过先进的电子学和结构设计，从而保证在盐雾腐蚀海水环境下稳定工作，实现海水中目标气体的准确探测。

Description

一种海水溶解气体激光光谱的原位在线探测装置
技术领域
本发明属于激光吸收光谱痕量气体检测领域，具体涉及的是一种通过水气分离技术与激光吸收光谱技术相结合，实现海水溶解气体原位在线探测。
背景技术
近年来，因全球海洋温度不断变化及潮汐等地质作用引起的海底压力变化，促使海底沉积的物质稳定性降低，导致水合物失稳分解，并持续不断的发生分解或溶解，释放大量的甲烷、二氧化碳进入海水，从而导致海水中溶解气体发生异常。海水中的溶解甲烷气体一部分会被海水中细菌消耗分解，另一部分通过海气交换释放到大气中。前者会消耗海水中大量的氧气并产生大量的二氧化碳，导致海洋不断酸化，从而对全球海洋生态系统以及碳循环产生重要影响，后者则会对全球气候变暖产生巨大影响。因此，探测海洋中溶解气体含量变化情况，对研究海洋生态系统以及全球气候变化具有重要意义。
目前，由于缺乏系统的、连续的、实时的观测数据分析，对海洋溶解气体的变化过程缺少深入认识。一般传统的分析测试方法为现场取得海水样品，然后带回实验室通过气相色谱等技术进行分离提取。该方法存在很大的局限性：一是在采集运输保存过程中无法避免光照、震动和压力等对初样的影响；二是该方法采集和检测耗时长，无法对海水中溶解气体进行实时探测；三是采样过程是零散、非连续的，无法实现对某一区域进行长期连续观测。
发明内容
本发明为克服现有技术的不足之处，提供一种海水溶解气体激光光谱的原位在线探测装置，以期能在盐雾腐蚀海水环境下稳定工作，从而实现海水溶解气体长期实时探测。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明一种海水溶解气体激光光谱的原位在线探测装置的特点包括：用于放置主控电路板、激光器、探测器和微型泵的电路舱、用于放置多次反射吸收池的光学检测单元以及水气分离模块；
所述主控电路板生成固定周期的扫描信号以及温控电压值并提供给所述激光器的驱动模块，使得所述激光器稳定发射激光；
所述激光器的激光经过准直器的准直后，入射到由两个高反镜组成的多次反射吸收池中，并经过所述多次反射吸收池中的目标气体后，被所述探测器接收，从而完成光电转换，并得到光强信号；
所述光强信号经过所述主控电路板上的信号调理及放大电路的光强自适应调节处理后，由所述主控电路板上的ADC模块进行模数转换，得到数字信号并通过浓度反演算法提取光谱信号，从而得到目标特性气体的浓度，并保存在所述主控电路板上的SD卡或发送给上位机存储。
本发明所述的原位在线探测装置的特点也在于：
所述目标气体用疏水透气膜完成水气分离后，通过所述微型气泵将气体抽入至所述多次反射吸收池中。
更换不同波长的激光器，以实现海水中不同的溶解气体的探测。
所述疏水透气膜采用聚四氟乙烯材质。
所述浓度反演算法为直接吸收拟合方法或锁相放大方法。
所述主控电路板通过采集所述探测器吸收后的实时光强信号，并根据信号强弱来控制所述主控电路板上的模拟开关档位，以切换不同的电阻阻值或调节所述主控电路板上的数字电位器的阻值大小，从而实现光强自适应调节。
所述光学检测单元中设置有温度压力传感器，用于实时获取温度和压力参数，从而对所提取的光谱信号进行实时修正，以得到修正后的光谱信号用于计算目标特性气体的浓度。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
本发明为了探测海洋中溶解气体含量变化情况，采用激光吸收光谱技术，结合多次反射气体吸收池，攻克了海水中水气分离富集技术，在高盐、高湿的近海环境(H2O饱和)下，突破H2O的吸收干扰，从几十万条吸收谱线中挑选出满足特定测量范围的孤立谱线，通过先进的低功耗电子学设计和结构设计，保证了系统在盐雾腐蚀海水环境下长期稳定工作，实现了海水中目标气体的原位连续在线测量。
附图说明
图1是本发明原位探测装置结构示意图；
图2是本发明原位探测装置系统示意图；
图中标号：1水气分离模块；2光学检测单元；3电路舱；4准直器；5多次反射吸收池；6高反镜；7探测器；8信号调理及放大电路；9 ADC模块；10SD卡；11上位机；12微型气泵；13；14主控电路板；15驱动模块；16激光器。
具体实施方式
本实施例中，一种海水溶解气体激光光谱的原位在线探测装置，采用激光吸收光谱技术，通过水气分离富集方法，结合多次反射气体吸收池，实现海水中溶解气体长期实时连续探测。
重点采用以下两个关键技术：
1)水气原位分离富集技术：利用疏水透气膜的疏水和溶解气气体小分子的吸附-扩散-解吸特性，在较高的气-液两相分压驱动下，实现海水溶解气的分离与富集。其理论依据为Henry定律,即利用气体在水中的溶解度与该气体在汽水界面上的分压成正比的原理。亨利定律：P＝Hx。其中P为水表面该气体的分压，H为该气体的亨利系数，x为该气体的溶解度。
2)高灵敏激光光谱测量技术：激光吸收光谱技术通过单频可调谐激光能够从混合气体成分中鉴别不同的特征吸收，避免光谱干扰，具有很高的灵敏度和分辨率，灵敏度可达到pptv量级。其理论依据为比尔朗伯定律，即每种气体分子都有独一无二的光谱吸收特性，特定波长的激光在穿过被测气体时，光量会被被测气体吸收，未被吸收的光量与被吸收光量的比值与气体浓度成函数正比关系，通过计算该比值即可反推出被测气体的浓度值。
具体的说，如图1和图2所示，该原位探测装置主要包括：用于放置主控电路板14、激光器16、探测器7和微型泵的电路舱3、用于放置多次反射吸收池5的光学检测单元2以及水气分离模块1；
其中，主控电路板14生成固定周期的扫描信号以及温控电压值并提供给激光器16的驱动模块15，使得激光器16稳定发射激光；
激光器16的激光经过准直器4的准直后，入射到由两个高反镜6组成的多次反射吸收池5中，并经过多次反射吸收池5中的目标气体后，被探测器7接收，从而完成光电转换，并得到光强信号；
光强信号经过主控电路板14上的信号调理及放大电路8的光强自适应调节处理后，由主控电路板14上的ADC模块9进行模数转换，得到数字信号并通过浓度反演算法提取光谱信号，从而得到目标特性气体的浓度，并保存在主控电路板14上的SD卡10或发送给上位机11存储。
具体实施中，装置水气分离模块1采用聚四氟乙烯材质的疏水透气膜作为实现水气分离的核心，运用高压双向密封和高强度透气烧结材料支撑等技术，实现水气分离，并通过微型气泵12将分离后的溶解气体抽入至多次反射吸收池5。
激光器16采用可调谐半导体激光器，通过调谐温度及电流，使其扫描经过目标气体单个或者多个吸收谱线，通过提取目标气体吸收光谱，完成浓度反演，可更换不同波长，以实现海水中不同的溶解气体的探测，如DFB激光器，QCL激光器。
浓度反演计算为直接吸收拟合方法或锁相放大方法，其理论依据在于：激光吸收光谱技术对痕量气体探测的方法有两种：直接吸收技术和波长调制技术。直接吸收技术主要是以波长扫描的方式，给激光器周期扫描信号改变出光波长，重复扫描过一段波长覆盖所选的气体吸收线。其主要缺点是光强信号容易受到激光器、探测器、电路等低频噪声的影响，从而导致检测灵敏度降低。为了提高检测灵敏度和信噪比，发展了波长可调谐的光谱技术，通过在锯齿扫描信号上叠加高频的正弦调制，将光谱信息在更高频率进行解析，从而抑制低频噪声的影响，检测灵敏度更高，但其电路及信号处理过程复杂，不利于小型化。本发明旨在利用小型化系统测量溶解气体浓度，因此优先使用直接吸收方法实现浓度反演计算。
装置探测器接收的光强信号会受光学检测单元的镜片污染影响，因此在信号调理部分设计了光强自适应电路和算法，主要通过采集实时光强信号，处理器根据信号强弱控制调节模拟开关档位切换不同电阻阻值或调节数字电位器的阻值大小，实现信号增益控制。
为了减小温度压力变化对测量结果的影响，装置的光学检测单元集成了温度压力传感器，通过检测温度和压力，对测量结果进行实时修正，从而保证测量结果准确。
综上所述，本发明一种海水溶解气体激光光谱的原位在线探测装置解决了目前海水环境，尤其是深海环境下，海水中溶解气体探测难的问题。使用疏水透气膜提取海水中的溶解气体，并通过微型气泵抽入至光学检测单元，再利用高灵敏的激光吸收光谱技术，实现了痕量气体探测。本发明采样的技术路线先进可靠，可实现海水中溶解气体的痕量探测，为研究海洋环境变化提供先进的技术装备。

Claims (7)

1.一种海水溶解气体激光光谱的原位在线探测装置，其特征包括：用于放置主控电路板(14)、激光器(16)、探测器(7)和微型泵的电路舱(3)、用于放置多次反射吸收池(5)的光学检测单元(2)以及水气分离模块(1)；
所述主控电路板(14)生成固定周期的扫描信号以及温控电压值并提供给所述激光器(16)的驱动模块(15)，使得所述激光器(16)稳定发射激光；
所述激光器(16)的激光经过准直器(4)的准直后，入射到由两个高反镜(6)组成的多次反射吸收池(5)中，并经过所述多次反射吸收池(5)中的目标气体后，被所述探测器(7)接收，从而完成光电转换，并得到光强信号；
所述光强信号经过所述主控电路板(14)上的信号调理及放大电路(8)的光强自适应调节处理后，由所述主控电路板(14)上的ADC模块(9)进行模数转换，得到数字信号并通过浓度反演算法提取光谱信号，从而得到目标特性气体的浓度，并保存在所述主控电路板(14)上的SD卡(10)或发送给上位机(11)存储。
2.根据权利要求1所述的原位在线探测装置，其特征在于：
所述目标气体用疏水透气膜(13)完成水气分离后，通过所述微型气泵(12)将气体抽入至所述多次反射吸收池(5)中。
3.根据权利要求1所述的原位在线探测装置，其特征在于，更换不同波长的激光器(16)，以实现海水中不同的溶解气体的探测。
4.根据权利要求1所述的原位在线探测装置，其特征在于，所述疏水透气膜(13)采用聚四氟乙烯材质。
5.根据权利要求1所述的原位在线探测装置，其特征在于：所述浓度反演算法为直接吸收拟合方法或锁相放大方法。
6.根据权利要求1所述的原位在线探测装置，其特征在于：
所述主控电路板(14)通过采集所述探测器(7)吸收后的实时光强信号，并根据信号强弱来控制所述主控电路板(14)上的模拟开关档位，以切换不同的电阻阻值或调节所述主控电路板(14)上的数字电位器的阻值大小，从而实现光强自适应调节。
7.根据权利要求1所述的原位在线探测装置，其特征在于：
所述光学检测单元(2)中设置有温度压力传感器，用于实时获取温度和压力参数，从而对所提取的光谱信号进行实时修正，以得到修正后的光谱信号用于计算目标特性气体的浓度。
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