CN112697740A - 一种表层海水中溶存甲烷检测系统及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种表层海水中溶存甲烷检测系统及检测方法，该检测系统包括空芯光子晶体光纤、所述空芯光子晶体光纤的进气端和出气端分别熔接单模光纤和多模光纤，所述空芯光子晶体光纤的进气端位于密闭的进气室内，所述空芯光子晶体光纤的出气端位于密闭的出气室内，所述空芯光子晶体光纤的进气端侧面开设进气孔，所述空芯光子晶体光纤的出气端侧面开设出气孔；所述单模光纤连接中红外激光器，所述多模光纤连接光电探测器和数据采集处理器；所述进气室连接标气系统和海水溶存甲烷平衡系统，所述出气室连接真空泵和泄压阀。本发明所公开的系统及方法利用空芯光子晶体光纤作为吸收气室，可以提高光谱吸收路径的长度和提高测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及海洋探测技术领域，特别涉及一种表层海水中溶存甲烷检测系统及检测方法。
背景技术
甲烷是一种重要的温室气体，大气中甲烷浓度的变化对全球气候变化会产生重要的影响。海洋是大气甲烷的重要源和汇，实时测量海洋中溶存的甲烷气体浓度，对了解全球气候变化具有重要的意义。红外光谱吸收法测量气体浓度，是近些年发展起来的一种气体浓度检测方法，在海水溶存气体测量中得到了广泛的应用。由于大气中甲烷浓度较低，只有1-2ppm，因此表层海水中溶存的甲烷含量很低，这对海水溶存甲烷气体的高精度测量提出了挑战。
现有采用红外光谱吸收法测量海水溶存甲烷气体浓度采用近红外波段1.654μm甲烷吸收线，为了达到海水溶存甲烷高精度测量的目的，一般采用多次反射吸收池来加大气体吸收路径。多次反射吸收池对光路结构要求非常高，需要采用复杂的透镜组来实现光聚焦准直并实现多次反射。多次反射吸收池对温度、振动等敏感，当环境温度变化等原因使得机械结构发生微小变化时，都会对光反射路径及反射次数产生严重影响。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种表层海水中溶存甲烷检测系统及检测方法，利用空芯光子晶体光纤作为吸收气室，可以提高光谱吸收路径的长度和提高测量精度的目的。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种表层海水中溶存甲烷检测系统，包括空芯光子晶体光纤、所述空芯光子晶体光纤的进气端和出气端分别熔接单模光纤和多模光纤，所述空芯光子晶体光纤的进气端位于密闭的进气室内，所述空芯光子晶体光纤的出气端位于密闭的出气室内，所述空芯光子晶体光纤的进气端侧面开设进气孔，所述空芯光子晶体光纤的出气端侧面开设出气孔；所述单模光纤连接中红外激光器，所述多模光纤连接光电探测器和数据采集处理器；所述进气室连接标气系统和海水溶存甲烷平衡系统，所述出气室连接真空泵和泄压阀；
所述标气系统包括标准甲烷气瓶和高纯氮气气瓶，两者通过二通电磁阀和进气管路一连接进气室，所述进气管路一上设置减压阀和流量计；
所述海水溶存甲烷平衡系统包括依次通过管路连接的水泵、过滤芯、高分子薄膜、干燥室和气体储存室，所述气体储存室通过进气管路二连接进气室，所述进气管路二上设置电磁阀。
上述方案中，所述进气室与标气系统以及海水溶存甲烷平衡系统之间通过气动快速接头连接。
上述方案中，所述出气室与真空泵以及泄压阀之间通过气动快速接头连接。
上述方案中，所述空芯光子晶体光纤通过光纤胶水固定于进气室和出气室的底板上。
一种表层海水中溶存甲烷检测方法，采用上述的一种表层海水中溶存甲烷检测系统，包括如下步骤：
(1)海水中溶存甲烷平衡过程：将海水溶存甲烷平衡系统放置于水下，开启系统，海水中溶存的甲烷在海水溶存甲烷平衡系统中进行平衡储存；
(2)甲烷清零过程：开启真空泵，对空芯光子晶体光纤抽真空，高纯氮气气瓶中的氮气经过进气室进入空芯光子晶体光纤内部，泄压阀使得空芯光子晶体光纤内的气体压力维持在稳定状态；待气体稳定后，中红外激光器发出的光，经过单模光纤进入空芯光子晶体光纤，然后经过多模光纤，进入光电探测器完成光电转换，最后进入数据采集处理器，完成调零过程；
(3)甲烷校正过程：开启真空泵，对空芯光子晶体光纤抽真空，标准甲烷气瓶中的甲烷经过进气室进入空芯光子晶体光纤内部，泄压阀使得空芯光子晶体光纤内的气体压力维持在稳定状态；待气体稳定后，中红外激光器发出的光，经过单模光纤进入空芯光子晶体光纤，然后经过多模光纤，进入光电探测器完成光电转换，数据采集单元测量一次谐波峰峰值S1f-1和三角波幅值信号V1-1，以二者比值VOUT1作为输出值，该输出值与标准甲烷气体浓度C1成正比，记录输出值VOUT1和标准甲烷气体浓度C1，完成甲烷浓度校正过程；
(4)海水溶存甲烷测量过程：开启真空泵，对空芯光子晶体光纤抽真空，步骤(1)中平衡后的待测甲烷气体经过进气室进入空芯光子晶体光纤内部，泄压阀使得空芯光子晶体光纤内的气体压力维持在稳定状态；待气体稳定后，中红外激光器发出的光，经过单模光纤进入空芯光子晶体光纤，然后经过多模光纤，进入光电探测器完成光电转换，数据采集单元测量一次谐波峰峰值S1f-2和三角波幅值信号V1-2，以二者比值VOUT2作为输出值,计算出海水中溶存甲烷气体浓度为C＝VOUT2/VOUT1*C1，完成甲烷浓度测量过程。
通过上述技术方案，本发明提供的表层海水中溶存甲烷浓度的检测系统及检测方法具有如下有益效果：
(1)本发明利用空芯光子晶体光纤作为吸收气室，气室中的待测气体会产生光谱吸收。由于光纤具有体积小、易缠绕的特性，可以增长空芯光子晶体光纤的长度来增加吸收路径的长度，不需要采用多次反射吸收池中的准直透镜组和反射镜，本发明气室结构简单，光谱吸收路径长，可以提高测量灵敏度。
(2)系统配置有甲烷标准气，每次测定前均进行甲烷零气校正和标准气校正，这样保证每次测量海水溶存甲烷都是使用的统一标准曲线，系统不需要进行温度修正和压力修正，可以有效防止数据漂移，系统的检测精度可以得到提高。
(3)采用中红外激光器作为光源，中红外波段甲烷光谱吸收强度大，检测灵敏度和检测精度高。在数据采集处理部分采用锁相放大方式，测量与溶存甲烷浓度成正比的一次谐波峰峰值S1f和三角波幅值信号V1，以二者的比值消除光强波动等原因的影响。不同于二次谐波检测方案需设置两路锁相放大电路用于提取二次谐波和一次谐波，本发明仅需一组锁相放大电路即可，电路结构更为简单。
(4)本发明的空芯光子晶体光纤和单模光纤、多模光纤采用熔接方式相连，相较于采用陶瓷插针的连接方式，可以避免光在空气中传播，因此可以降低传输损耗。
(5)本发明在空芯光子晶体光纤的进气端侧面开设进气孔，出气端侧面开设出气孔，待测甲烷气体可以从进气孔进入空芯光子晶体光纤，在空芯光子晶体光纤内部产生光谱吸收，光谱吸收路径长。
(6)本发明将空芯光子晶体光纤利用光纤胶水固定于进气室和出气室的底板上，可以防止振动等原因使打孔的空芯光子晶体光纤产生破损。
(7)本发明在出气端设置真空泵和泄压阀，在进气之前开启真空泵，将空芯光子晶体光纤中的气体排出，形成一个负压环境，利用压力差，使得气体检测时甲烷气体可以快速进入到空芯光子晶体光纤，提高检测速度。
(8)本发明的进气室和出气室通过气动快速接头连接各管路，方便连接。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例所公开的一种表层海水中溶存甲烷检测系统示意图；
图2为本发明实施例所公开的空芯光子晶体光纤以及进气室和出气室连接部分示意图。
图中，1、空芯光子晶体光纤；2、单模光纤；3、多模光纤；4、进气室；5、出气室；6、进气孔；7、出气孔；8、中红外激光器；9、光电探测器；10、数据采集处理器；11、真空泵；12、泄压阀；13、标准甲烷气瓶；14、高纯氮气气瓶；15、二通电磁阀；16、进气管路一；17、减压阀；18、流量计；19、水泵；20、过滤芯；21、高分子薄膜；22、干燥室；23、气体储存室；24、进气管路二；25、电磁阀；26、气动快速接头；27、熔接点。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供了一种表层海水中溶存甲烷检测系统，如图1和图2所示，包括空芯光子晶体光纤1、空芯光子晶体光纤1的进气端和出气端分别熔接单模光纤2和多模光纤3，熔接点27如图2所示。空芯光子晶体光纤1的进气端位于密闭的进气室4内，空芯光子晶体光纤1的出气端位于密闭的出气室5内，空芯光子晶体光纤1的进气端侧面开设进气孔6，空芯光子晶体光纤1的出气端侧面开设出气孔7；单模光纤2连接中红外激光器8，多模光纤3连接光电探测器9和数据采集处理器10；进气室4连接标气系统和海水溶存甲烷平衡系统，出气室5连接真空泵11和泄压阀12。
标气系统包括标准甲烷气瓶13和高纯氮气气瓶14，两者通过二通电磁阀15和进气管路一16连接进气室4，进气管路一16上设置减压阀17和流量计18。减压阀17用于减小压力，避免高压气体对空芯光子晶体光纤1产生冲击。流量计18用于控制进入空芯光子晶体光纤1的气体流量。
海水溶存甲烷平衡系统包括依次通过管路连接的水泵19、过滤芯20、高分子薄膜21、干燥室22和气体储存室23，气体储存室23通过进气管路二24连接进气室4，进气管路二24上设置电磁阀25。
进气室4与标气系统以及海水溶存甲烷平衡系统之间通过气动快速接头26连接。出气室5与真空泵11以及泄压阀12之间通过气动快速接头26连接。
空芯光子晶体光纤1通过光纤胶水固定于进气室4和出气室5的底板上，可以防止振动等原因使打孔的空芯光子晶体光纤1产生破损。
一种表层海水中溶存甲烷检测方法，采用上述的一种表层海水中溶存甲烷检测系统，包括如下步骤：
(1)系统上电启动；
(2)海水中溶存甲烷平衡过程：将海水溶存甲烷平衡系统放置于水下，开启水泵19，海水流经过滤芯20去除海水中的杂质，过滤后的海水在高分子薄膜21处完成水气平衡，气体可以通过该高分子薄膜21，海水无法通过薄膜，平衡后的气体与溶存在海水中的气体达到平衡。然后气体经过干燥室22，消除从高分子薄膜21渗透过来的水汽，进入气体储存室23，设备控制电磁阀的开闭使得待测气体进入进气室4；
(3)甲烷清零过程：开启真空泵11，对空芯光子晶体光纤1抽真空，高纯氮气气瓶14中的氮气依次经过二通电磁阀15、减压阀17、流量计18，通过气动快速接头26进入空芯光子晶体光纤1内部。由于存在压力差，高纯氮气可以在较短时间内由进气孔6进入空芯光子晶体光纤1，当气体压力大于设定压力时，泄压阀12工作，保持空芯光子晶体光纤1内压力在一个稳定的状态。待气体稳定后，中红外激光器8发出的光，经过单模光纤2进入空芯光子晶体光纤1，然后经过多模光纤3，进入光电探测器9完成光电转换，最后进入数据采集处理器10，完成调零过程；
(4)甲烷校正过程：开启真空泵11，对空芯光子晶体光纤1抽真空，标准甲烷气瓶13中的甲烷依次经过二通电磁阀15、减压阀17、流量计18，通过气动快速接头26进入空芯光子晶体光纤1内部，由于存在压力差，标准甲烷可以在较短时间内由进气孔6进入空芯光子晶体光纤1，当气体压力大于设定压力时，泄压阀12工作，保持空芯光子晶体光纤1内压力在一个稳定的状态。待气体稳定后，中红外激光器8发出的光，经过单模光纤2进入空芯光子晶体光纤1，然后经过多模光纤3，进入光电探测器9完成光电转换，最后进入数据采集处理器10测量一次谐波峰峰值S1f-1和三角波幅值信号V1-1，以二者比值VOUT1作为输出值，该输出值与标准甲烷气体浓度C1成正比，记录输出值VOUT1和标准甲烷气体浓度C1，完成甲烷浓度校正过程；
(5)海水溶存甲烷测量过程：开启真空泵11，对空芯光子晶体光纤1抽真空，步骤(1)中平衡后的待测甲烷气体经过电磁阀25、气动快速接头26进入进气室4，通过进气孔6进入空芯光子晶体光纤1内部，由于存在压力差，待测甲烷可以在较短时间内由进气孔6进入空芯光子晶体光纤1，当气体压力大于设定压力时，泄压阀12工作，保持空芯光子晶体光纤1内压力在一个稳定的状态。待气体稳定后，中红外激光器8发出的光，经过单模光纤2进入空芯光子晶体光纤1，然后经过多模光纤3，进入光电探测器9完成光电转换，最后进入数据采集处理器10测量一次谐波峰峰值S1f-2和三角波幅值信号V1-2，以二者比值VOUT2作为输出值,计算出海水中溶存甲烷气体浓度为C＝VOUT2/VOUT1*C1，完成甲烷浓度测量过程。
系统配置有甲烷标准气，每次测定前均进行甲烷零气校正和标准气校正，这样保证每次测量海水溶存甲烷都是使用的统一标准曲线，系统不需要进行温度修正和压力修正，可以有效防止数据漂移，系统的检测精度可以得到提高。
采用中红外激光器8作为光源，中红外波段甲烷光谱吸收强度大，检测灵敏度和检测精度高。数据采集处理器10采用锁相放大方式，测量与溶存甲烷浓度成正比的一次谐波峰峰值S1f和三角波幅值信号V1，以二者的比值消除光强波动等原因的影响。不同于二次谐波检测方案需设置两路锁相放大电路用于提取二次谐波和一次谐波，本发明仅需一组锁相放大电路即可，电路结构更为简单。
本发明的光电探测器9和数据采集处理器10以及标气系统都放置在水面以上，不会形成大量的生物附着，采集数据不受影响，有利于设备长期工作的稳定性。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (5)
1.一种表层海水中溶存甲烷检测系统，其特征在于，包括空芯光子晶体光纤、所述空芯光子晶体光纤的进气端和出气端分别熔接单模光纤和多模光纤，所述空芯光子晶体光纤的进气端位于密闭的进气室内，所述空芯光子晶体光纤的出气端位于密闭的出气室内，所述空芯光子晶体光纤的进气端侧面开设进气孔，所述空芯光子晶体光纤的出气端侧面开设出气孔；所述单模光纤连接中红外激光器，所述多模光纤连接光电探测器和数据采集处理器；所述进气室连接标气系统和海水溶存甲烷平衡系统，所述出气室连接真空泵和泄压阀；
所述标气系统包括标准甲烷气瓶和高纯氮气气瓶，两者通过二通电磁阀和进气管路一连接进气室，所述进气管路一上设置减压阀和流量计；
所述海水溶存甲烷平衡系统包括依次通过管路连接的水泵、过滤芯、高分子薄膜、干燥室和气体储存室，所述气体储存室通过进气管路二连接进气室，所述进气管路二上设置电磁阀。
2.根据权利要求1所述的一种表层海水中溶存甲烷检测系统，其特征在于，所述进气室与标气系统以及海水溶存甲烷平衡系统之间通过气动快速接头连接。
3.根据权利要求1所述的一种表层海水中溶存甲烷检测系统，其特征在于，所述出气室与真空泵以及泄压阀之间通过气动快速接头连接。
4.根据权利要求1所述的一种表层海水中溶存甲烷检测系统，其特征在于，所述空芯光子晶体光纤通过光纤胶水固定于进气室和出气室的底板上。
5.一种表层海水中溶存甲烷检测方法，采用如权利要求1的一种表层海水中溶存甲烷检测系统，其特征在于，包括如下步骤：
(1)海水中溶存甲烷平衡过程：将海水溶存甲烷平衡系统放置于水下，开启系统，海水中溶存的甲烷在海水溶存甲烷平衡系统中进行平衡储存；
(2)甲烷清零过程：开启真空泵，对空芯光子晶体光纤抽真空，高纯氮气气瓶中的氮气经过进气室进入空芯光子晶体光纤内部，泄压阀使得空芯光子晶体光纤内的气体压力维持在稳定状态；待气体稳定后，中红外激光器发出的光，经过单模光纤进入空芯光子晶体光纤，然后经过多模光纤，进入光电探测器完成光电转换，最后进入数据采集处理器，完成调零过程；
(3)甲烷校正过程：开启真空泵，对空芯光子晶体光纤抽真空，标准甲烷气瓶中的甲烷经过进气室进入空芯光子晶体光纤内部，泄压阀使得空芯光子晶体光纤内的气体压力维持在稳定状态；待气体稳定后，中红外激光器发出的光，经过单模光纤进入空芯光子晶体光纤，然后经过多模光纤，进入光电探测器完成光电转换，数据采集处理器测量一次谐波峰峰值S1f-1和三角波幅值信号V1-1，以二者比值VOUT1作为输出值，该输出值与标准甲烷气体浓度C1成正比，记录输出值VOUT1和标准甲烷气体浓度C1，完成甲烷浓度校正过程；
(4)海水溶存甲烷测量过程：开启真空泵，对空芯光子晶体光纤抽真空，步骤(1)中平衡后的待测甲烷气体经过进气室进入空芯光子晶体光纤内部，泄压阀使得空芯光子晶体光纤内的气体压力维持在稳定状态；待气体稳定后，中红外激光器发出的光，经过单模光纤进入空芯光子晶体光纤，然后经过多模光纤，进入光电探测器完成光电转换，数据采集处理器测量一次谐波峰峰值S1f-2和三角波幅值信号V1-2，以二者比值VOUT2作为输出值,计算出海水中溶存甲烷气体浓度为C＝VOUT2/VOUT1*C1，完成甲烷浓度测量过程。
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