CN112730261A - 一种sf6分解产物浓度的监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种SF6分解产物浓度的监测装置及方法，装置包括：调制器模块、多个光源、多谐振器光声池、数据采集器和上位机，调制器模块、多个光源、多谐振器光声池、数据采集器和上位机依次相连接，光源的数量和多谐振器光声池内的谐振器数量相同。这种新的技术提供了多激光操作，同时监测H2S，SO2，CO气体使用单一的光声光谱仪。多谐振器光声池包括三个在不同谐振模式下工作的声谐振器，一个麦克风用于同时监听每个谐振器的光声信号。通过采用三种近红外分布式反馈二极管激光器。同时检测H2S，SO2，CO的痕量气体，证明了该新型MR‑PAS传感器的优异性能。
Description
技术领域
本发明属于绝缘气体监测技术领域，更具体地，涉及一种SF6分解产物浓度的监测装置及方法。
背景技术
光声光谱(Photoacoustic Spectroscopy，PAS)是一种灵敏、选择性良好的痕量气体检测方法，已成功地应用于许多领域。在基于光谱的光学传感器中，基于光声惯例效应的PAS提供了几个内在的吸引人的特征，包括超紧凑尺寸，不受光散射的交叉响应，零背景和宽带波长无关的声信号测量(不受波长相关的光探测器的影响)。
迄今为止，已经探索了基于PAS的传感平台的各种概念，如谐振PAS、悬臂增强PAS和石英增强PAS。
目前迫切需要开发能够进行多波长多分量检测的PAS传感器。其中一个应用，是目前工作的最初动机，是同时测量几种温室气体和气溶胶光吸收。然而，除了使用广泛可调谐的激光源外，大多数报道的PAS传感器无法提供多组分检测能力。事实上，大多数商用激光器的调谐范围很窄，使得多分量检测需要多激光源。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种SF6分解产物浓度的监测装置及方法，用于在单个光声光谱仪中同时监测多组分。
本发明采用如下的技术方案。
一种SF6分解产物浓度的监测装置，包括：调制器模块、多个光源、多谐振器光声池、数据采集器和上位机；
调制器模块、多个光源、多谐振器光声池、数据采集器和上位机依次相连接，调制器模块同时与多谐振器光声池相连接，光源的数量、多谐振器光声池内的谐振器数量与SF6分解产物中待监测气体种类相同；
调制器模块根据每种待监测气体的频率分别对多个光源进行不同谐波频率的调制，调制后的光信号输入多谐振器光声池，分别与多谐振器光声池中对应的待监测气体产生光声效应，得到相应的声信号；
声信号经调制器模块解调后由数据采集器数字化，得到每种待监测气体的浓度，并通过上位机显示。
优选地，调制模块包括：函数发生器、多个加法器、多个锁相放大器，加法器、锁相放大器数量与光源的数量相同；
函数发生器与多个加法器的输入端相连接，用于为每个加法器发出对应待监测气体频率的气体电压谐波信号；每个加法器的另一个输入端与一个对应的锁相放大器的输出端相连接，用于将函数发生器发出的气体电压谐波信号与锁相放大器提供的正弦波信号相结合；每个加法器的输出端均与一个对应的光源相连接，用于将结合后的信号发送至对应的光源，对对应的光源信号进行反馈。
优选地，多谐振器光声池包括：多个谐振器、麦克风、进气口和出气口，每个谐振器均设有缓冲腔；
进气口向多谐振器光声池内输入待监测气体；
每一谐振器接收对应光源信号，与待监测气体产生光声效应，得到相应的声信号，由麦克风获取多个谐振器的声信号。
优选地，若待监测的气体为H2S，SO2，CO，则设置三个加法器，即第一加法器、第二加法器和第三加法器，均与函数发生器相连接；调制模块还包括与第一加法器相连接的第一锁相放大器、与第二加法器相连接的第二锁相放大器和与第三加法器相连接的第三锁相放大器。
优选地，多个光源包括：与第一加法器相连接的第一激光二极管、与第二加法器相连接的第二激光二极管和与第三加法器相连接的第三激光二极管。
优选地，多个谐振器包括：第一谐振器、第二谐振器和第三谐振器；第一激光二极管、第二激光二极管和第三激光二极管产生的激光分别输入到第一谐振器、第二谐振器和第三谐振器。
优选地，在每个谐振器的中间设置一个小孔，并用作声波谐振器和麦克风检测器之间的声波引导管。
优选地，数据采集器与第一锁相放大器、第二锁相放大器和第三锁相放大器分别相连接，用于将第一锁相放大器、第二锁相放大器和第三锁相放大器解调后的声信号进行数字化；上位机与数据采集器相连接，用于显示监测结果。
本发明还公开了一种SF6分解产物的监测装置的SF6分解产物浓度的监测方法，包括以下步骤：
步骤1，向多谐振器光声池中通入混合气体，即SF6分解产物；
步骤2，关闭多谐振器光声池的进气口，连接SF6分解产物监测装置的各个部件，打开函数发生器，发出对应待监测气体频率的气体电压谐波信号；
步骤3，多个锁相放大器提供的正弦波信号与电压谐波信号分别在多个加法器结合，然后分别输入到多个激光二极管；
步骤4，通过在多个激光二极管分别加入锁相放大器提供的正弦波信号来实现激光波长调制；
步骤5，多谐振器光声池中多个谐振器接收光信号，产生光声效应，由麦克风获取多个谐振器的声信号；
步骤6，锁相放大器中，声信号、正弦波信号在快速傅利叶变换后得到谐波成分，进而得到二次谐波值；
步骤7，解调信号随后在数据采集器数字化，即数据采集器根据出射光强的二次谐波值，得出待监测气体浓度，并通过上位机显示。
优选地，步骤7中，出射光强的二次谐波值与待监测气体浓度的函数关系为：
I2＝I0(v)a0A2cL；
I2为经过待监测气体的出射光强的二次谐波值；
I0(v)为光源光强；
a0为待监测气体的吸收系数；
A2为锁相放大器中调制信号时的幅值；
c为待监测气体浓度；
L为激光通过待监测气体的有效长度。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明提供了一种创新的多谐振器光声光谱(MR-PAS)方案，用于在单个光声光谱仪中同时监测多组分与多激光耦合到多谐振器光声池，其中包括多个具有各自特定长度的圆柱形声谐振器，提供不同的声谐振频率。在每个谐振器的中间设置一个小孔，并用作声波谐振器和麦克风检测器之间的声波引导管。这种设计允许使用单个麦克风检测每个谐振器中的PAS信号，如每个谐振器的信号在其自身的谐振频率下使用锁定放大器解调，解调的信号通过数字化在上位机上显示。
这种新的技术提供了多激光操作，同时监测H2S，SO2，CO气体使用单一的光声光谱仪。多谐振器光声池包括三个在不同谐振模式下工作的声谐振器，一个麦克风用于同时监听每个谐振器的光声信号。通过采用三种近红外分布式反馈二极管激光器，具有非常好的光谱纯度，线宽普遍能做到1MHz以内。同时检测H2S，SO2，CO的痕量气体，证明了该新型MR-PAS传感器的优异性能。
附图说明
图1为本发明提供的一种多谐振器光声光谱的SF6分解产物监测装置的结构示意图；
图2为本发明中的多谐振光声池结构图。
图中：
1-函数发生器；
2-第一加法器；
3-第二加法器；
4-第三加法器；
5-第一激光二极管；
6-第二激光二极管；
7-第三激光二极管；
8-第一锁相放大器；
9-第二锁相放大器；
10-第三锁相放大器；
11-多谐振器光声池；
12-数据采集器；
13-上位机；
14-第一谐振器；
15-第二谐振器；
16-第三谐振器；
17-第一缓冲腔；
18-第二缓冲腔；
19-第三缓冲腔；
20-进气口；
21-麦克风；
22-出气口。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
如图1所示，本发明提供了一种SF6分解产物浓度的监测装置，包括：调制器模块、多个光源、多谐振器光声池11、数据采集器12和上位机13，光源的数量和多谐振器光声池11内的谐振器数量相同。
调制模块包括：函数发生器1、多个加法器、多个锁相放大器，加法器和锁相放大器的数量相同，
函数发生器1与多个加法器的输入端相连接，用于为每个加法器发出对应待监测气体频率的气体电压谐波信号；
每个加法器的另一个输入端与一个对应的锁相放大器的输出端相连接，用于将函数发生器1发出的气体电压谐波信号与锁相放大器提供的正弦波信号相结合；每个加法器的输出端均与一个对应的光源相连接，用于将结合后的信号发送至对应的光源。
值得注意的是，所属领域技术人员可以根据要监测的气体种类设置加法器、锁相放大器和光源的数量，一个优选但非限制性的实施方式为，若待监测的气体为H2S，SO2，CO，则设置三个加法器，如图1所示，即第一加法器2、第二加法器3和第三加法器4，分别与函数发生器1相连接。
对应第一加法器2、第二加法器3和第三加法器4，调制模块还包括与第一加法器2相连接的第一锁相放大器8、与第二加法器3相连接的第二锁相放大器9和与第三加法器4相连接的第三锁相放大器10。
相类似地，对应第一加法器2、第二加法器3和第三加法器4，多个光源包括：与第一加法器2相连接的第一激光二极管5、与第二加法器3相连接的第二激光二极管6和与第三加法器4相连接的第三激光二极管7。
如图2所示，多谐振器光声池11包括：第一缓冲腔17、第二缓冲腔18、第三缓冲腔19、多个谐振器、麦克风21、进气口20和出气口22。值得注意的是，谐振器的数量与光源的数量相同。
若监测的气体为H2S，SO2，CO，具有三个光源，则多个谐振器包括：第一谐振器14、第二谐振器15和第三谐振器16。
第一激光二极管5、第二激光二极管6和第三激光二极管7产生的激光耦合到第一谐振器14、第二谐振器15和第三谐振器16。第一谐振器14、第二谐振器15和第三谐振器16为圆柱形声谐振器，提供不同的声谐振频率。
声谐频率与谐振器的长度有关。其它条件一定情况下，长度越长，声谐频率越低。
在每个谐振器的中间设置一个小孔，并用作声波谐振器和麦克风检测器之间的声波引导管。这种设计允许使用单个麦克风检测每个谐振器中的PAS信号，如每个谐振器的信号在其自身的谐振频率下使用锁定放大器解调，解调的信号通过数字化在上位机上显示。
即，数据采集器12与第一锁相放大器8、第二锁相放大器9和第三锁相放大器10分别相连接，用于将第一锁相放大器8、第二锁相放大器9和第三锁相放大器10解调后的声信号进行数字化。
上位机13与数据采集器12相连接，用于显示监测结果。
如图3所示，本发明还提供了一种使用所述SF6分解产物监测装置的基于谐振器光声光谱的SF6分解产物监测方法，包括以下步骤：
步骤1，打开多谐振器光声池11的进气口20，关闭多谐振器光声池11的出气口22，向多谐振器光声池11中通入混合气体，此混合气体包括待监测H2S，SO2，CO痕量气体。
步骤2，关闭多谐振器光声池11的进气口20，连接SF6分解产物监测装置的各个部件，打开函数发生器1，发出对应H2S，SO2，CO频率的气体电压谐波信号。
步骤3，第一锁相放大器8、第二锁相放大器9和第三锁相放大器10提供的正弦波信号与电压谐波信号分别在第一加法器2、第二加法器3和第三加法器4结合，然后分别输入第一激光二极管5、第二激光二极管6和第三激光二极管7。
步骤4，第一激光二极管5、第二激光二极管6和第三激光二极管7接收第一加法器、第二加法器、第三加法器的信号反馈，以相应的电流频率在每个目标分子的吸收特征上来回扫描激光波长，即通过在第一激光二极管5、第二激光二极管6和第三激光二极管7电流中加入第一锁相放大器8、第二锁相放大器9和第三锁相放大器10提供的正弦波信号来实现激光波长调制。
步骤5，多谐振器光声池11中的第一谐振器14、第二谐振器15和第三谐振器16中的探测器分别接收第一激光二极管5、第二激光二极管6和第三激光二极管7的光信号，产生光声效应，得到声信号。然后由麦克风获取第一谐振器14、第二谐振器15和第三谐振器16的声信号。
步骤6，锁相放大器8，9，10具有一个唯一的时间常数，再结合倍数的频程斜率，在锁相放大器8，9，10中解调声信号，得出经过待监测气体的出射光强的二次谐波值。
即声信号固有频率的基波，频率为f的正弦波在快速傅利叶变换后得到谐波成分，进而得到二次谐波值。
步骤7，解调信号随后在数据采集器12数字化，即数据采集器12根据出射光强的二次谐波值，得出待监测气体浓度，并通过上位机13显示。
出射光强的二次谐波值与待监测气体浓度的函数关系为：
I2＝I0(v)a0A2cL；
I2为经过待监测气体的出射光强的二次谐波值；
I0(v)为光源光强；
a0为待监测气体的吸收系数；
A2为锁相放大器中调制信号时的幅值；
c为待监测气体浓度；
L为激光通过待监测气体的有效长度。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种SF6分解产物浓度的监测装置，包括：调制器模块、多个光源、多谐振器光声池(11)、数据采集器(12)和上位机(13)，其特征在于，
调制器模块、多个光源、多谐振器光声池(11)、数据采集器(12)和上位机(13)依次相连接，调制器模块同时与多谐振器光声池(11)相连接，光源的数量、多谐振器光声池(11)内的谐振器数量与SF6分解产物中待监测气体种类相同；
调制器模块根据每种待监测气体的频率分别对多个光源进行不同谐波频率的调制，调制后的光信号输入多谐振器光声池(11)，分别与多谐振器光声池(11)中对应的待监测气体产生光声效应，得到相应的声信号；
声信号经调制器模块解调后由数据采集器(12)数字化，得到每种待监测气体的浓度，并通过上位机(13)显示。
2.根据权利要求1所述的SF6分解产物浓度的监测装置，其特征在于，
调制模块包括：函数发生器(1)、多个加法器、多个锁相放大器，加法器、锁相放大器数量与光源的数量相同；
函数发生器(1)与多个加法器的输入端相连接，用于为每个加法器发出对应待监测气体频率的气体电压谐波信号；每个加法器的另一个输入端与一个对应的锁相放大器的输出端相连接，用于将函数发生器(1)发出的气体电压谐波信号与锁相放大器提供的正弦波信号相结合；每个加法器的输出端均与一个对应的光源相连接，用于将结合后的信号发送至对应的光源，对对应的光源信号进行反馈。
3.根据权利要求2所述的SF6分解产物浓度的监测装置，其特征在于，
多谐振器光声池(11)包括：多个谐振器、麦克风(21)、进气口(20)和出气口(22)，每个谐振器均设有缓冲腔；
进气口(20)向多谐振器光声池(11)内输入待监测气体；
每一谐振器接收对应光源信号，与待监测气体产生光声效应，得到相应的声信号，由麦克风(21)获取多个谐振器的声信号。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的SF6分解产物浓度的监测装置，其特征在于，
若待监测的气体为H2S，SO2，CO，则设置三个加法器，即第一加法器(2)、第二加法器(3)和第三加法器(4)，均与函数发生器(1)相连接；调制模块还包括与第一加法器(2)相连接的第一锁相放大器(8)、与第二加法器(3)相连接的第二锁相放大器(9)和与第三加法器(4)相连接的第三锁相放大器(10)。
5.根据权利要求4所述的SF6分解产物浓度的监测装置，其特征在于，
多个光源包括：与第一加法器(2)相连接的第一激光二极管(5)、与第二加法器(3)相连接的第二激光二极管(6)和与第三加法器(4)相连接的第三激光二极管(7)。
6.根据权利要求5所述的SF6分解产物浓度的监测装置，其特征在于，
多个谐振器包括：第一谐振器(14)、第二谐振器(15)和第三谐振器(16)；第一激光二极管(5)、第二激光二极管(6)和第三激光二极管(7)产生的激光分别输入到第一谐振器(14)、第二谐振器(15)和第三谐振器(16)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的SF6分解产物浓度的监测装置，其特征在于，
在每个谐振器的中间设置一个小孔，并用作声波谐振器和麦克风检测器之间的声波引导管。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的SF6分解产物浓度的监测装置，其特征在于，
数据采集器(12)与第一锁相放大器(8)、第二锁相放大器(9)和第三锁相放大器(10)分别相连接，用于将第一锁相放大器(8)、第二锁相放大器(9)和第三锁相放大器(10)解调后的声信号进行数字化；上位机(13)与数据采集器(12)相连接，用于显示监测结果。
9.根据权利要求1至8中任一项所述SF6分解产物的监测装置的SF6分解产物浓度的监测方法，其特征在于，
步骤1，向多谐振器光声池(11)中通入混合气体，即SF6分解产物；
步骤2，关闭多谐振器光声池(11)的进气口(20)，连接SF6分解产物监测装置的各个部件，打开函数发生器(1)，发出对应待监测气体频率的气体电压谐波信号；
步骤3，多个锁相放大器提供的正弦波信号与电压谐波信号分别在多个加法器结合，然后分别输入到多个激光二极管；
步骤4，通过在多个激光二极管分别加入锁相放大器提供的正弦波信号来实现激光波长调制；
步骤5，多谐振器光声池(11)中多个谐振器接收光信号，产生光声效应，由麦克风获取多个谐振器的声信号；
步骤6，锁相放大器中，声信号、正弦波信号在快速傅利叶变换后得到谐波成分，进而得到二次谐波值；
步骤7，解调信号随后在数据采集器(12)数字化，即数据采集器(12)根据出射光强的二次谐波值，得出待监测气体浓度，并通过上位机(13)显示。
10.根据权利要求9所述的SF6分解产物浓度的监测方法，其特征在于，
步骤7中，出射光强的二次谐波值与待监测气体浓度的函数关系为：
I2＝I0(v)a0A2cL；
I2为经过待监测气体的出射光强的二次谐波值；
I0(v)为光源光强；
a0为待监测气体的吸收系数；
A2为锁相放大器中调制信号时的幅值；
c为待监测气体浓度；
L为激光通过待监测气体的有效长度。
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2020
- 2020-12-16 CN CN202011494146.8A patent/CN112730261A/zh active Pending
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