CN115372264B - 一种测量氨气和二氧化硫混合气体的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光测量领域，具体涉及一种测量氨气和二氧化硫混合气体的方法，包括：激光器发射的双波长激光经过第一聚焦镜聚焦到装有氨气和二氧化硫混合气体的气体池中，双波长激光经过气体池中的混合气体吸收后由第二聚焦镜收集并聚焦至探测器，探测器获得的光信号由光电转换模块转换为电信号，电信号传输给信号处理装置；信号处理装置基于电信号确定双波长激光的特征峰吸收谱线，双波长激光的两个中心波长分别对应氨气和二氧化硫的吸收峰，根据特征峰吸收谱线确定氨气和/或二氧化硫的气体吸收分子数，进而确定氨气和/或二氧化硫的浓度，本发明根据待测气体特征峰吸收谱线确定待测气体的气体吸收分子数，可以精确确定待测气体的浓度。
Description
技术领域
本发明涉及激光测量技术领域，尤其涉及一种测量氨气和二氧化硫混合气体的方法。
背景技术
由于一些重要的装置设备在运行过程中产生泄露，易产生一些有毒易燃易爆气体，这些气体的存在直接危害人和设备的安全，同时也污染周边环境。例如，氨气与空气混合浓度达到一定值就会产生爆炸，因此在石油化工领域中在线检测氨气的浓度值尤为重要。二氧化硫是石油化工领域最终气体分解物之一，同时也是电力系统密封绝缘气体的最终分解物，该气体的泄漏会造成酸雨，危害人和设备的安全，为了把存在的风险降到最低，低成本长距离测量气体的在线测试方法尤为重要和迫切。
波长调制光谱是一种增强气体测量的灵敏度的气体测量技术，在测量较小浓度时尤其重要。通常采用测量入射光和出射光的光谱强度，计算出被测气体的浓度。但现有的测量方法精度不高，对于一些要求不高的情况尚可接受，但是对于一些对精度要求较高的环境，现有的测量方法往往不能精确测量出该空间的有害气体浓度，因此，开发一种精确测量的系统方法十分有必要。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有激光测量气体方法精度不高的技术问题，而提出了一种测量氨气和二氧化硫混合气体的方法。
本发明一些实施例提供一种测量氨气和二氧化硫混合气体的方法，包括如下步骤：
激光器发射的双波长激光经过第一聚焦镜聚焦到装有氨气和二氧化硫混合气体的气体池中，所述双波长激光经过气体池中的混合气体吸收后由第二聚焦镜收集并聚焦至探测器，所述探测器获得的光信号由光电转换模块转换为电信号，所述电信号传输给信号处理装置；
所述信号处理装置基于所述电信号确定双波长激光的特征峰吸收谱线，所述双波长激光的两个中心波长分别对应氨气和二氧化硫的吸收峰，根据所述特征峰吸收谱线确定所述氨气和/或二氧化硫的气体吸收分子数，进而确定所述氨气和/或二氧化硫的浓度。
在一些实施例中，根据所述特征峰吸收谱线确定所述氨气和/或二氧化硫的气体吸收分子数，进而确定所述氨气和/或二氧化硫的浓度包括：
对氨气和二氧化硫中任一种气体来说，在所述气体的特征峰吸收谱线上取间距小于预定值的两波长和，并计算所述气体的气体吸收分子数N，所述气体的气体吸收分子数N满足下式： 为波长为的激光在气体池处的入射光强，为波长为的激光在气体池处的出射光强，为波长为的激光在气体池处的入射光强，为波长为的激光在气体池处的出射光强，为所述气体对于波长为的激光的气体散射截面，为所述气体对于波长为的激光的气体散射截面，
根据所述气体的气体吸收分子数N确定所述气体的浓度， 其中，为阿伏伽德罗常数，V为气体池容积。
在一些实施例中，所述激光器为中红外窄线宽双波长输出的激光光源，所述激光器采用中心输出为2090nm的脉冲激光作为激光器的泵浦激光，反射镜和输出镜构成所述激光器的谐振腔，所述反射镜双面镀有2090nm增透膜、单面镀有4000-4400nm和6000-7000nm的高反射膜层，所述输出镜单面镀有4000-4400nm且双面镀有6000-7000nm高透射膜层、单面镀有4000-4400nm透过率为50%的膜层，磷化锗锌晶体作为激光器的非线性晶体，第一珐珀、第二珐珀和滤光片组成激光器中心输出波长筛选组合，用来实现窄线宽双波长激光输出。
在一些实施例中，所述第一珐珀和第二珐珀分别为1mm和2mm厚的氟化钙镜片制成，第一珐珀调节以确保激光器输出的信号光波中心波长位置在4235.2nm处，第二珐珀调节以确保激光器输出的闲频光波的中心波长位置在6150.2nm且不影响信号光波中心波长位置,经过第一珐珀筛选后信号光波和闲频光波的光谱线宽度分别为6.26nm和3.24nm，经过第二珐珀筛选后信号光波和闲频光波的光谱线宽度分别为3.26nm和6.62nm，所述滤光片为4235.2nm和6150.2nm处双点透过、其它波长截止的滤光片，经过滤光片滤光后，信号光波和闲频光波的中心输出波长谱线宽度小于2nm。
在一些实施例中，所述探测器为探测波长为2-8的光电探测器，所述光电探测器在4200-6200nm的光谱响应度超过85%。
在一些实施例中，所述第一聚焦镜为CaF2平凸透镜，所述第一聚焦镜2用于将激光光源发射的激光聚焦到气体池中。
在一些实施例中，所述气体池为两个端面均装有氟化钙镜，所述氟化钙镜镀有4000-6500nm的硒化锌高透膜层。
在一些实施例中，所述第二聚焦镜为直径为35mm、焦距为200mm并镀有4000-6500nm高透材料的凸透镜。
相对于相关技术，本发明至少具有以下技术效果：
激光器中设置第一珐珀、第二珐珀以及滤光片以实现窄线宽双波长的激光输出，根据待测气体特征峰吸收谱线确定待测气体的气体吸收分子数，进而可以精确确定待测气体的浓度。
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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一些实施例提供的测量氨气和二氧化硫混合气体的测量装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者装置中还存在另外的相同要素。
本发明提供一种测量氨气和二氧化硫混合气体的方法，包括如下步骤：激光器发射的双波长激光经过第一聚焦镜聚焦到装有氨气和二氧化硫混合气体的气体池中，所述双波长激光经过气体池中的混合气体吸收后由第二聚焦镜收集并聚焦至探测器，所述探测器获得的光信号由光电转换模块转换为电信号，所述电信号传输给信号处理装置；所述信号处理装置基于所述电信号确定双波长激光的特征峰吸收谱线，所述双波长激光的两个中心波长分别对应氨气和二氧化硫的吸收峰，根据所述特征峰吸收谱线确定所述氨气和/或二氧化硫的气体吸收分子数，进而确定所述氨气和/或二氧化硫的浓度。
本发明根据待测气体特征峰吸收谱线确定待测气体的气体吸收分子数，进而确定待测气体的浓度。
下面结合附图详细说明本发明的可选实施例。
图1为本发明一些实施例提供的测量氨气和二氧化硫混合气体的测量装置的结构示意图，如图1所示，本发明提供一种测量氨气和二氧化硫混合气体的方法，包括如下步骤：
激光器1发射的双波长激光经过第一聚焦镜2聚焦到装有氨气和二氧化硫混合气体的气体池3中，所述双波长激光经过气体池3中的混合气体吸收后由第二聚焦镜4收集并聚焦至探测器5，所述探测器5获得的光信号由光电转换模块6转换为电信号，所述电信号传输给信号处理装置7；
所述信号处理装置7基于所述电信号确定双波长激光的特征峰吸收谱线，所述双波长激光的两个中心波长分别对应氨气和二氧化硫的吸收峰，根据所述特征峰吸收谱线确定所述氨气和/或二氧化硫的气体吸收分子数，进而确定所述氨气和/或二氧化硫的浓度。
在一些实施例中，信号处理装置7可以呈现可视化的特征峰吸收谱线，例如横坐标标示波长值，纵坐标标示相对强度值，该相对强度值与探测器5测得的气体池3处的出射光强正相关。若横坐标波长值某个位置处有吸收的谱线出现，此吸收谱线恰好是待测气体强吸收峰谱线位置重合，以此可以来确定待测气体的种类，氨气的强吸收峰在6150.2nm处，二氧化硫强吸收峰在4235.2nm。
在一些实施例中，根据所述特征峰吸收谱线确定所述氨气和/或二氧化硫的气体吸收分子数，进而确定所述氨气和/或二氧化硫的浓度具体包括：
对氨气和二氧化硫中任一种气体来说，在所述气体的特征峰吸收谱线上取间距远小于预定值的两波长和，所述预定值例如为0.1nm，并计算所述气体的气体吸收分子数N，所述气体的气体吸收分子数N满足下式：
为波长为的激光在气体池3处的入射光强，为波长为的激光在气体池3处的出射光强，为波长为的激光在气体池3处的入射光强，为波长为的激光在气体池3处的出射光强，为所述气体对于波长为的激光的气体散射截面，为所述气体对于波长为的激光的气体散射截面，
间距小于预定值的两波长和来说，波长为的激光在气体池3处的入射光强与波长为的激光在气体池3处的入射光强基本相等，因此，其中和可以根据可视化的特征峰吸收谱线确定，任一气体对不同波长的气体散射截面值可以查询获得。
根据所述气体的气体吸收分子数N确定所述气体的浓度，其中，为阿伏伽德罗常数，V为气体池容积。
在一些实施例中，和的一个可以选择强吸收峰处的波长。
在一些实施例中，所述激光器1为中红外窄线宽双波长输出的激光光源，所述激光器1采用中心输出为2090nm的脉冲激光作为激光器1的泵浦激光1-1，反射镜1-2和输出镜1-6构成所述激光器1的谐振腔，所述反射镜1-2双面镀有2090nm增透膜、单面镀有4000-4400nm和6000-7000nm的高反射膜层，所述输出镜1-6单面镀有4000-4400nm且双面镀有6000-7000nm高透射膜层、单面镀有4000-4400nm透过率为50%的膜层，磷化锗锌晶体1-3作为激光器的非线性晶体，泵浦光波1-1、信号光波1-4和闲频光波1-5三个光波在非线性晶体中进行非线性作用，第一珐珀1-7、第二珐珀1-8以及滤光片1-9组成激光器中心输出波长筛选组合，以实现窄线宽双波长激光输出。
激光器的设计依据为：其中，为激光器1的转换效率，为泵浦光场强强度分布，为泵浦光峰值光强，为泵浦光斑半径，为泵浦光斑面积，为泵浦光入射功率，为激光器1阈值泵浦功率，为激光器1的阈值泵浦光强，根据以上理论公式可以设计激光的结构及各光学元器件的参数，激光器1获得预期的输出效率。
在一些实施例中，所述非线性晶体1-3例如端面为6mm乘4mm、15mm长的I类相位匹配且相位匹配角为53.25°的磷化锗锌晶体。
在一些实施例中，泵浦光波1-1、信号光波1-4和闲频光波1-5三个光波在非线性晶体中进行非线性作用，第一珐珀1-7、第二珐珀1-8以及滤光片1-9组成激光器中心输出波长筛选组合，以实现窄线宽双波长激光输出。经过滤光片1-9滤光后，信号光波1-4和闲频光波1-5的中心输出波长谱线宽度小于2nm。
在一些实施例中，所述第一珐珀1-7和第二珐珀1-8分别为1mm和2mm厚的氟化钙镜片制成，第一珐珀1-7调节以确保激光器1输出的信号光波1-4中心波长位置在4235.2nm处，第二珐珀1-8调节以确保激光器1输出的闲频光波1-5的中心波长位置在6150.2nm且不影响信号光波1-4中心波长位置。
珐珀筛选光谱线宽度为，其中，为入射到珐珀上激光波长，为珐珀的折射率，为珐珀的厚度。在一些实施例中，经过第一珐珀1-7筛选后信号光波1-4和闲频光波1-5的光谱线宽度分别为6.26nm和13.24nm，经过第二珐珀1-8筛选后信号光波1-4和闲频光波1-5的光谱线宽度分别为3.26nm和6.62nm，所述滤光片1-9为4235.2nm和6150.2nm处双点透过、其它波长截止的滤光片。滤光片1-9的作用是使激光器1输出的信号光波1-4和闲频光波1-5输出中心波长不变的情况下都以很窄的光谱线宽度输出，所述激光器中心输出波长筛选组合确保信号光波1-4中心输出波长与二氧化硫强吸收峰吻合以及闲频光波1-5中心输出波长与氨气强吸收峰吻合。
在一些实施例中，所述探测器5为探测波长为2-8的光电探测器，所述探测器5在4200-6200nm的光谱响应度超过85%，以实现精确探测。
在一些实施例中，所述第一聚焦镜2为CaF2平凸透镜，所述第一聚焦镜2用于将激光光源1发射的激光聚焦到气体池3中。
在一些实施例中，所述气体池3为两个端面均装有氟化钙镜，所述氟化钙镜镀有4000-6500nm的硒化锌高透膜层。如此设计，有利于降低激光光源1发射的激光聚焦进入气体池和透出气体样品池的能量损耗。
在一些实施例中，所述第二聚焦镜4为直径为35mm、焦距为200mm并镀有4000-6500nm高透材料的凸透镜。所述第二聚焦镜4具有较大的面圆，有利于把透出气体池3中的激光收集到探测器5的探测面上。
最后应说明的是：本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统或装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种测量氨气和二氧化硫混合气体的方法，其特征在于， 包括如下步骤：
激光器(1)发射的双波长激光经过第一聚焦镜（2）聚焦到装有氨气和二氧化硫混合气体的气体池（3）中，所述双波长激光经过气体池（3）中的混合气体吸收后由第二聚焦镜（4）收集并聚焦至探测器（5），所述探测器（5）获得的光信号由光电转换模块（6）转换为电信号，所述电信号传输给信号处理装置（7）；
所述信号处理装置（7）基于所述电信号确定双波长激光的特征峰吸收谱线，所述双波长激光的两个中心波长分别对应氨气和二氧化硫的吸收峰，根据所述特征峰吸收谱线确定所述氨气和/或二氧化硫的气体吸收分子数，进而确定所述氨气和/或二氧化硫的浓度，
其中，根据所述特征峰吸收谱线确定所述氨气和/或二氧化硫的气体吸收分子数，进而确定所述氨气和/或二氧化硫的浓度包括：
对氨气和二氧化硫中任一种气体来说，在所述气体的特征峰吸收谱线上取间距小于预定值的两波长和，并计算所述气体的气体吸收分子数N，所述气体的气体吸收分子数N满足下式：
为波长为的激光在气体池（3）处的入射光强，为波长为的激光在气体池（3）处的出射光强，为波长为的激光在气体池（3）处的入射光强，为波长为的激光在气体池（3）处的出射光强，为所述气体对于波长为的激光的气体散射截面，为所述气体对于波长为的激光的气体散射截面，
根据所述气体的气体吸收分子数N确定所述气体的浓度， 其中，为阿伏伽德罗常数，V为气体池容积。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光器（1）为中红外窄线宽双波长输出的激光光源，所述激光器（1）采用中心输出为2090nm的脉冲激光作为激光器（1）的泵浦激光（1-1），反射镜（1-2）和输出镜（1-6）构成所述激光器（1）的谐振腔，所述反射镜（1-2）双面镀有2090nm增透膜、单面镀有4000-4400nm和6000-7000nm的高反射膜层，所述输出镜（1-6）单面镀有4000-4400nm且双面镀有6000-7000nm高透射膜层、单面镀有4000-4400nm透过率为50%的膜层，磷化锗锌晶体（1-3）作为激光器的非线性晶体，第一珐珀（1-7）、第二珐珀（1-8）和滤光片（1-9）组成激光器中心输出波长筛选组合，用来实现窄线宽双波长激光输出。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一珐珀（1-7）和第二珐珀（1-8）分别为1mm和2mm厚的氟化钙镜片制成，第一珐珀（1-7）调节以确保激光器（1）输出的信号光波（1-4）中心波长位置在4235.2nm处，第二珐珀（1-8）调节以确保激光器（1）输出的闲频光波（1-5）的中心波长位置在6150.2nm且不影响信号光波（1-4）中心波长位置,经过第一珐珀（1-7）筛选后信号光波（1-4）和闲频光波（1-5）的光谱线宽度分别为6.26nm和13.24nm，经过第二珐珀（1-8）筛选后信号光波（1-4）和闲频光波（1-5）的光谱线宽度分别为3.26nm和6.62nm，所述滤光片（1-9）为4235.2nm和6150.2nm处双点透过、其它波长截止的滤光片，经过滤光片（1-9）滤光后，信号光波（1-4）和闲频光波（1-5）的中心输出波长谱线宽度小于2nm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述探测器（5）为探测波长为2-8的光电探测器，所述光电探测器在4200-6200nm的光谱响应度超过85%。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一聚焦镜（2）为CaF2平凸透镜，所述第一聚焦镜（2）用于将激光光源（1）发射的激光聚焦到气体池（3）中。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气体池（3）为两个端面均装有氟化钙镜，所述氟化钙镜镀有4000-6500nm的硒化锌高透膜层。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二聚焦镜（4）为直径为35mm、焦距为200mm并镀有4000-6500nm高透材料的凸透镜。
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