CN111735765A - 一种高温光声光谱检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温光声光谱检测装置，属于光声光谱检测领域，由光声池(1)、声传感器热防护装置(3)、微音器及前置放大器(4)组成。微音器探头通过位于热防护装置(3)所述连通装置的微孔(307)和声学传输微孔(107)检测光声池(1)中的光声信号。光声池(1)在高温光声光谱检测时，搭配热防护装置(3)，对声传感器进行隔热防护。加热圆环(2)配合温控器，对光声池主体温度进行精度为1℃的控制。本发明对应的装置结构紧凑，集成性高，测量实现简单；具有宽的工作温度区间；附加成本低。在实际应用中，可以作为实现对最高300℃气体光声光谱分析的核心装置。
Description
技术领域
本发明属于光声光谱气体检测技术领域，涉及到一种高温光声光谱检测装置。
背景技术
待测气体温度是光声光谱气体检测技术在实用化进程中一个必须要考虑的因素。在许多测量场合中，测量系统或者被测介质往往处在高温下，需要开发一套具有宽温区(0-300℃)、低噪声引入的高温光声光谱检测装置，满足高温气体测量需要。
现有相关高温光声光谱检测装置，主要集中在：装置隔热、高温信号校正等方面，对于现有专利，高温光声光谱的温度适应区间普遍设计在低温区间(-40-90℃)。截止目前，尚无20℃-300℃中高温温度区间的高温光声光谱专利。现有高温光声光谱专利：安光所申请的“温度可控光声吸收光谱测量装置”专利，主要特点为整体测量装置的隔热与冷却设计，采用低导热系数的绝热材料隔热，冷却系统的设计配合制冷系统接口进行相关降温与加热，可以用于在-40℃-90℃的温度区间内测量；“六氟化硫分解组分的自动恒温型光声检测装置及实验方法”专利，在SF6气体绝缘设备红外光声光谱检测系统中添加恒温装置，这种恒温装置可以将被测气体温度保持恒定，便于进行准确、稳定的多组分特征气体测量。综合来看，前述的关于高温光声光谱测量的专利主要对高温装置进行了温控与隔热的创新，尚无可以适应20-300℃宽温区测量的装置。
本发明专利的创新点在与：(1)热防护系统的宽温区设计，可以实现20-300℃关键器件的热防护；(2)在保证热防护有效性的前提下，对高温光声光谱检测装置进行了结构低噪声设计与优化。
发明内容
发明目的：本发明主要是提供一种结构紧凑、温度测量区间宽及温度均匀性好的可控高温光声光谱检测装置，用于测量不同温度下的气体分子光声吸收光谱，克服现有的温度可控型吸收光谱检测装置及实现方法结构复杂、检测温度区间窄等缺点。
技术方案：本发明提出一种高温光声光谱检测装置，该装置由光声池(1)、声传感器热防护装置(3)、微音器及前置放大器模块(4)三个模块组成，热防护装置(3)与光声池(1)连接；光声池(1)设有声学传输微孔(107)，光声池(1)上的声学传输微孔(107)与声传感器热防护装置(3)底部的微孔(307)连通；所述声传感器热防护装置(3)内部有一连通装置，该连通装置的一端连接微孔(307)；所述微音器及前置放大器模块(4)装配于声传感器热防护装置(3)上，所述微音器及前置放大器模块(4)中的微音器探头通过所述连通装置的另一端位于热防护装置(3)的微孔(307) 上方，所述微音器探头通过微孔(307)和声学传输微孔(107)检测光声池(1)中的光声信号。
进一步的，所述光声池(1)包含左侧缓冲腔(102)、右侧缓冲腔(106)及连接两个缓冲腔的中部谐振腔(108)。
进一步的，所述谐振腔(108)上设置有凸台(104)，所述光声池(1)与声传感器热防护装置(3)通过凸台(104)连接装配，所述声学传输微孔(107)位于凸台(104) 圆心处。
进一步的，所述光声池(1)两个缓冲腔设有进气管道用螺纹孔(103)与出气管道用螺纹孔(105)，用于气体的通入。
进一步的，光声池(1)两端缓冲腔配置两个加热圆环(101)，加热圆环配合温度控制器及继电器，实现光声池的加热与恒温。
进一步的，热防护装置(3)包括换热器盖板、换热器底板(304)，所述换热器盖板与换热器底板(304)组成一个密闭水流腔体；所述连通装置为氧化锆微孔件(305)，氧化锆微孔件(305)用于隔离热防护装置微孔区域与水流腔体，其一端与换热器盖板连通，另一端连接水冷换热器底板(304)上的微孔(307)。
进一步的，其特征在于，换热器盖板中部设置有内凹的平铣方槽(302)，其用来装配微音器及前置放大器模块(4)，所述氧化锆微孔件(305)上端连接平铣方槽(302) 底部中心处。
进一步的，其特征在于，所述换热器盖板为独立的腔体，其安装有水冷换热器进水管道(301)与出水管道(306)。
进一步的，其特征在于，换热器底板(304)设置有泡沫铜制直肋翅片(303)，翅片(303)均布通孔。
进一步的，所用微音器及前置放大器模块(4)包含前置放大器(401)，连接探针(402)，固定套筒(403)，微音器(404)；微音器(404)封装于圆柱套筒(403)中，微音器(404)触点与前置放大器(401)的引脚通过探针(402)连接，圆柱套筒(403) 上端与前置放大器(401)固定连接，微音器探头从圆柱套筒(403)底部伸出。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：
(1)光声池体积小，温度均匀性高，结构紧凑；
(2)两级热防护系统，温度区间宽(20-300℃)；
(3)结构上低噪声的设计与优化，提高光声信号信噪比。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图，其中：(1)为光声池，(2)为加热圆环(×2)，(3) 为声传感器的两级热防护装置，(4)为微音器及前置放大器装配模块，(5)为气体管道螺纹孔(×2)。
图2为光声池结构示意图，其中：(101)为加热圆环(×2)，(102)为左侧缓冲腔，(103)为左侧进气管道螺纹孔，(104)为凸台，(105)为右侧进气管道螺纹孔，(106) 为右侧缓冲腔，(107)为声学传输微孔，(108)为连接两端缓冲腔的谐振腔。
图3为两级热防护装置示意图，其中：(301)为水冷换热器进水管，(302)为水冷立方腔体内凹平铣方槽，(303)为泡沫铜制直肋翅片，(304)为换热器底板，(305)为氧化锆微孔件，(306)为水冷换热器出水管，(307)为热防护装置声学传输微孔，(308) 为凹槽。
图4为微音器与前置放大器模块及其与热防护装置装配示意图，其中：(401)为前置放大器，(402)为连接探针，(403)为固定套筒，(404)为微音器，套筒放置于水冷立方腔体内凹平铣方槽(302)中，套筒由凹槽(308)保证装配准确性，使微音器(404) 准确位于热防护装置声学传输微孔(307)上方。
图5为本发明装置声学传输微孔连接图，其中，(107)为光声池谐振腔中部微孔，(305)为热防护装置中的氧化锆微孔件，(307)为热防护装置微孔，(402)为探针，(404) 为微音器。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本发明提出一种高温光声光谱检测装置，该装置由光声池(1)、声传感器热防护装置(3)、微音器及前置放大器模块(4)三个模块组成，热防护装置(3)与光声池(1) 连接；光声池(1)设有声学传输微孔(107)，光声池(1)上的声学传输微孔(107) 与声传感器热防护装置(3)底部的微孔(307)连通；所述声传感器热防护装置(3) 内部有一连通装置，该连通装置的一端连接微孔(307)；所述微音器及前置放大器模块 (4)装配于声传感器热防护装置(3)上，所述微音器及前置放大器模块(4)中的微音器探头通过所述连通装置的另一端位于热防护装置(3)的微孔(307)上方，所述微音器探头通过微孔(307)和声学传输微孔(107)检测光声池(1)中的光声信号。
进一步的，所述光声池(1)包含左侧缓冲腔(102)、右侧缓冲腔(106)及连接两个缓冲腔的中部谐振腔(108)。
进一步的，所述谐振腔(108)上设置有凸台(104)，所述光声池(1)与声传感器热防护装置(3)通过凸台(104)连接装配，所述声学传输微孔(107)位于凸台(104) 圆心处。
进一步的，所述光声池(1)两个缓冲腔设有进气管道用螺纹孔(103)与出气管道用螺纹孔(105)，用于气体的通入。
进一步的，光声池(1)两端缓冲腔配置两个加热圆环(101)，加热圆环配合温度控制器及继电器，实现光声池的加热与恒温。
进一步的，热防护装置(3)包括换热器盖板、换热器底板(304)，所述换热器盖板与换热器底板(304)组成一个密闭水流腔体；所述连通装置为氧化锆微孔件(305)，氧化锆微孔件(305)用于隔离热防护装置微孔区域与水流腔体，其一端与换热器盖板连通，另一端连接水冷换热器底板(304)上的微孔(307)。
进一步的，其特征在于，换热器盖板中部设置有内凹的平铣方槽(302)，其用来装配微音器及前置放大器模块(4)，所述氧化锆微孔件(305)上端连接平铣方槽(302) 底部中心处。
进一步的，其特征在于，所述换热器盖板为独立的腔体，其安装有水冷换热器进水管道(301)与出水管道(306)。
进一步的，其特征在于，换热器底板(304)设置有泡沫铜制直肋翅片(303)，翅片(303)均布通孔。
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高温光声光谱检测装置的使用方法与步骤如下：
使用方法：
本发明高温光声光谱检测装置的使用在于搭建高温光声光谱检测系统，完成高温被测气体的光声光谱检测。高温光声光谱检测系统包括：高温光声光谱检测装置、激光器及其控制模块、数据采集模块、数据处理模块。其中本发明所述高温光声光谱检测装置热防护系统(3)需要配套耐高温水泵、空气侧散热模组及水管，耐高温水泵进出水端通过水管连接热防护系统(3)的进水管(301)与出水管(306)。所述激光器应能够覆盖被测气体目标谱线，可以但不限于中心波长能够匹配被测气体目标谱线的任何形式及构造的激光器，如DFB激光器等；所述激光器控制模块应能够对激光器输出光束进行调谐，使激光器工作于某一波长范围，可以但不限于任何能够对激光器输出光束进行调谐的硬件电路模块及成套设备，如激光控制器等；所述数据采集模块应能够对前置放大器(401)输出的信号进行采集并传输至上位机，可以但不限于任何能够进行数据采集及传输的硬件电路及成套设备，如数据采集板卡等；数据处理模块应该能够对采集到的光声光谱数据进行处理，反演被测高温气体浓度信息，可以但不限于任何具有数据处理功能的软硬件模块及成套设备，如数据处理算法等。本发明为高温光声光谱检测系统提供高温检测装置，本发明装置配套前述各模块，可以搭建高温光声光谱检测系统并实现最高300℃被测气体的光声光谱检测。
使用步骤：
1)按照前述使用方法对本发明装置配套的耐高温水泵、空气侧散热模组及水管，与高温光声光谱检测装置装配；将水泵和空气侧散热模组开启，检查热防护装置(3) 及微音器(404)区域密封性；观察光声池(1)与热防护装置(3)的运行状况，检查是否出现皲裂、异响、漏水等问题；
2)完成步骤1后，将使用方法中所述的激光器及控制模块、数据采集模块、数据处理模块与本发明装置进行连接与组合，搭建高温光声光谱检测系统。启动恒温加热模块，设定目标测量温度，充入被测气体，等待恒温加热模块温度恒定后，测量微音器区域温度是否正常，启动微音器及前置放大器模块、配套的激光器及其控制模块、数据采集模块、数据处理模块，等待光声池温度再次恒定，光声池温度恒定后保持15分钟；气体恒温的温度为20-300℃；
3)完成步骤2后，开启激光器，对激光器输出参数进行相应设置，微音器采集的微弱声音信号经前置放大器放大后，控制数据采集模块进行光声数据采集，数据处理模块多周期取平均并归一化后，获得光声信号幅值，反演高温气体浓度。
本发明的高温光声光谱检测装置应用场景如下，但不限于以下场景：
(1)可以用于实验室对高温被测气体的光声光谱检测及高温被测数据的获取，对于高温被测痕量气体的温度特性研究，本发明能够提供20-300℃检测系统搭建与测量方法的实现；
(2)可以用于锅炉尾气及流化床后处理气体的采样测量，本发明的高温光声光谱检测装置及测量实现方法可以对前述两种场景的高温排气进行非干扰测量，能够检测高温状态下尾气内部目标气体的浓度信息；
(3)推进剂的高温老化过程监测，本发明能够实现20-300℃不同温度下推进剂老化过程中目标气体的持续测量，从而实现对整体过程的监测。
Claims (10)
1.一种高温光声光谱检测装置，其特征在于，该装置由光声池(1)、声传感器热防护装置(3)、微音器及前置放大器模块(4)三个模块组成，热防护装置(3)与光声池(1)连接；光声池(1)设有声学传输微孔(107)，光声池(1)上的声学传输微孔(107)与声传感器热防护装置(3)底部的微孔(307)连通；所述声传感器热防护装置(3)内部有一连通装置，该连通装置的一端连接微孔(307)；所述微音器及前置放大器模块(4)装配于声传感器热防护装置(3)上，所述微音器及前置放大器模块(4)中的微音器探头通过所述连通装置的另一端位于热防护装置(3)的微孔(307)上方，所述微音器探头通过微孔(307)和声学传输微孔(107)检测光声池(1)中的光声信号。
2.如权利要求1所述的一种高温光声光谱检测装置，其特征在于，所述光声池(1)包含左侧缓冲腔(102)、右侧缓冲腔(106)及连接两个缓冲腔的中部谐振腔(108)。
3.如权利要求2所述的一种高温光声光谱检测装置，其特征在于，所述谐振腔(108)上设置有凸台(104)，所述光声池(1)与声传感器热防护装置(3)通过凸台(104)连接装配，所述声学传输微孔(107)位于凸台(104)圆心处。
4.如权利要求2或3所述的一种高温光声光谱检测装置，其特征在于，所述光声池(1)两个缓冲腔设有进气管道用螺纹孔(103)与出气管道用螺纹孔(105)，用于气体的通入。
5.如权利要求2或3所述的一种高温光声光谱检测装置，其特征在于，光声池(1)两端缓冲腔配置两个加热圆环(101)，加热圆环配合温度控制器及继电器，实现光声池的加热与恒温。
6.如权利要求1或2或3所述的一种高温光声光谱检测装置，其特征在于，热防护装置(3)包括换热器盖板、换热器底板(304)，所述换热器盖板与换热器底板(304)组成一个密闭水流腔体；所述连通装置为氧化锆微孔件(305)，氧化锆微孔件(305)用于隔离热防护装置微孔区域与水流腔体，其一端与换热器盖板连通，另一端连接水冷换热器底板(304)上的微孔(307)。
7.如权利要求6所述的一种高温光声光谱检测装置，其特征在于，换热器盖板中部设置有内凹的平铣方槽(302)，其用来装配微音器及前置放大器模块(4)，所述氧化锆微孔件(305)上端连接平铣方槽(302)底部中心处。
8.如权利要求6或7所述的一种高温光声光谱检测装置，其特征在于，所述换热器盖板为独立的腔体，其安装有水冷换热器进水管道(301)与出水管道(306)。
9.如权利要求6或7所述的一种高温光声光谱检测装置，其特征在于，换热器底板(304)设置有泡沫铜制直肋翅片(303)，翅片(303)均布通孔。
10.如权利要求1或6或7所述的一种高温光声光谱检测装置，其特征在于，所用微音器及前置放大器模块(4)包含前置放大器(401)，连接探针(402)，固定套筒(403)，微音器(404)；微音器(404)封装于圆柱套筒(403)中，微音器(404)触点与前置放大器(401)的引脚通过探针(402)连接，圆柱套筒(403)上端与前置放大器(401)固定连接，微音器探头从圆柱套筒(403)底部伸出。
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| CN202010580475.8A Active CN111735765B (zh) | 2020-06-23 | 2020-06-23 | 一种高温光声光谱检测装置 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113295620A (zh) * | 2021-05-24 | 2021-08-24 | 暨南大学 | 光纤耦合的全固态增强光声光谱气体光声探测模块及方法 |
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-
2020
- 2020-06-23 CN CN202010580475.8A patent/CN111735765B/zh active Active
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| CN113295620A (zh) * | 2021-05-24 | 2021-08-24 | 暨南大学 | 光纤耦合的全固态增强光声光谱气体光声探测模块及方法 |
| CN113295620B (zh) * | 2021-05-24 | 2023-02-17 | 暨南大学 | 光纤耦合的全固态增强光声光谱气体光声探测模块及方法 |
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| CN111735765B (zh) | 2024-10-18 |
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