專利名稱：氣體檢測的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一個檢測氣體的方法和設(shè)備。
在油、氣體、化學(xué)制品、石油化學(xué)制品、礦業(yè)和水生產(chǎn)中，能夠精確而可靠地監(jiān)測爆炸和有毒氣體的濃度是很重要的，在這些地方有毒或爆炸氣體的聚積或逸出會嚴重影響工廠的安全。
用光導(dǎo)纖維聯(lián)接氣體傳感器是剛剛被提出來的技術(shù)，它與普通的電化學(xué)、Pellistor、半導(dǎo)體和火焰離子化氣體檢測器相比有幾個優(yōu)點，這些優(yōu)點包括化學(xué)惰性、對中毒的不敏感性、抗電磁干擾性、高靈敏度、穩(wěn)定性和在爆炸環(huán)境中操作的安全性。這種傳感器還可用于分離的傳感系統(tǒng)，以減少大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中多點監(jiān)測所需傳感器的費用。
硅光導(dǎo)纖維是可以買到的，但這種纖維只限于用在近紅外波長區(qū)(0.8μm-1.8μm)。這是因為在紫外、可見和中紅外區(qū)光譜中硅光導(dǎo)纖維有相當(dāng)高的損耗。但是，在近紅外區(qū)許多普通污染物都有諧波和聯(lián)合吸收帶，並且已被建議在光導(dǎo)纖維氣體檢測器中利用這些吸收帶。但是，這些吸收帶比在中紅外區(qū)的氣體分子主要吸收帶弱得多，因此，檢測ppm級的氣體濃度就需要長的吸收光路，而采用長的吸收光路則需要高強度的光。在遙測應(yīng)用中就存在上述問題。傳感器輸出的校正也是一個問題，因為保證傳感器輸出的變化應(yīng)僅僅來自被測氣體濃度的變化，這一點是極其重要的。
本發(fā)明的目的是給出一種檢測氣體的設(shè)備和方法，它們排除了或減少了上述存在的問題。
本發(fā)明提出了一個檢測吸收池內(nèi)預(yù)定氣體的設(shè)備，它包括一個紅外激光光源;一個控制裝置，控制從激光光源發(fā)出、經(jīng)光導(dǎo)纖維、到與一個吸收池聯(lián)接的傳感器的光傳輸;該吸收池吸收的激光波長隨時間在至少兩個波長間變化，這兩個波長之一被所說的氣體吸收，另一個不易被所說的氣體吸收;一個用于檢測吸收池中所述氣體對所述激光波長的吸收信號的裝置;以及用于把監(jiān)控值的大小與吸收池中所說氣體的檢測值相比較的裝置。
激光光源可以是一個多模激光光源，它的第一個模式是在所述的一個波長，而第二個模式是在所述的另一個波長;一個可調(diào)諧濾光器插在激光光源和吸收池之間，光傳輸控制裝置控制濾光器的調(diào)諧，從而使第一或第二模式的激光交替通過吸收池。激光光源最好是一個激光二極管，它是溫度調(diào)諧的，以使它的最強縱模與氣體的最大吸收頻率相一致。濾光器可以是法布里-珀羅(Fobry-Perot)濾光器，它的自由光譜范圍小于激光諧振腔的自由光譜范圍。
在另一個方案中，激光光源是一個可調(diào)諧激光二極管，它的輸出直接通過吸收池，而且具有一個調(diào)諧激光波長的裝置，以使波長掃描跨越所說氣體容易吸收的波長。該激光二極管可用兩個正弦調(diào)制重疊的電流驅(qū)動，而檢測裝置可以包括一個在正弦調(diào)制頻率之一的倍頻處工作的同步檢測器，因此，給出一個二次諧波信號值正比于所述氣體濃度。激光二極管的頻率可以通過改變二極管電流或改變二極管的溫度而變化。
現(xiàn)在，通過舉例並參照附圖來描述本發(fā)明的實施例。


圖1示出了在近紅外光譜區(qū)一些普通污染物的吸收帶。
圖2最上面的圖形是一個被測氣體的吸收譜，中間的圖形是一個市售激光二極管的輸出光譜，下面的圖形是無控制輸入時法布里-珀羅濾光器的透過峰(實線)和有預(yù)定控制輸入時法布里-珀羅濾光器的透過峰(虛線)，示出了因控制輸入而形成的透過峰的位置漂移。
圖3示出甲烷的γ2+2γ3聯(lián)合吸收光譜。
圖4是本發(fā)明氣體傳感器的方框圖。
圖5表示在圖4中當(dāng)吸收池交替排空或充滿不同濃度甲烷時傳感器輸出信號的記錄圖形。
圖6表示在圖4中的傳感器隨甲烷濃度變化的輸出變化，虛線指出空氣中甲烷的低爆炸限。
圖7表示圖4的傳感器在短和長時間內(nèi)監(jiān)測吸收池中40τ甲烷時的輸出信號。
圖8是本發(fā)明的第二個實施例的氣體傳感器的示意圖。
圖9示出由圖8實施例得到的輸出。
圖10示出在一確定溫度范圍內(nèi)從圖8所示方案得到的交替輸出。
圖11示出圖8實施例中的傳感器輸出與檢測氣體濃度變化之間的關(guān)系。
通過適當(dāng)選擇和使用市售的溫度調(diào)諧激光二極管，本發(fā)明能夠檢測圖1中大多數(shù)氣體，而且比光發(fā)射二極管和熱光源的輸出有較高的能量，因此使用激光二極管就可以應(yīng)用長光路的多程吸收池和長的光導(dǎo)纖維。本發(fā)明基于利用所測污染氣體對激光光源所發(fā)射的不同波長的差動吸收。激光光源、輻射檢測器及所聯(lián)接的電處理裝置可以遠離吸收池，經(jīng)過光導(dǎo)纖維將輻射傳輸?shù)轿粘貋K從吸收池傳出。光導(dǎo)纖維和遙遠吸收池允許監(jiān)測惡劣環(huán)境、電噪聲環(huán)境、以及電儀器的應(yīng)用受限制的地區(qū)和視線測量不可能或不方便地區(qū)的應(yīng)用。
近紅外激光二極管通常在激光二極管諧振腔的自由光譜范圍內(nèi)以幾個分立頻率的縱模發(fā)出輻射。圖2中的中間圖形示出一個公知激光二極管的發(fā)射光譜，這個激光二極管可溫度調(diào)諧，以使它的縱模之一與所測氣體吸收線一致。圖2中上面的圖形示出所測氣體的吸收光譜，若將激光二極管的輸出光準直，並且這個準直光束進入一掃描標準具(法布里-珀羅濾光器)，該標準具的自由光譜范圍小于激光二極管諧振腔的自由光譜范圍，這個標準具可以調(diào)諧，以使之在與氣體吸收相一致的激光模下諧振，若將一個方波電壓應(yīng)用到控制元件上，例如掃描標準具的壓電元件上，調(diào)節(jié)這個電壓的大小，以使一個激光二極管的鄰近模式進入標準具形成諧振(圖2中下面的圖形)，然后，這個標準具在激光的兩個模之間交替轉(zhuǎn)換。由于這兩種激光模僅有一種為所測氣體吸收，因而就可檢測這種氣體的存在及其濃度。
通過將激光二極管調(diào)諧到合適的波長，可能獲得很高的選擇性，由于采用差動吸收技術(shù)和利用單個發(fā)光二極管檢測兩個波長，從而消除了與檢測器的響應(yīng)相匹配有關(guān)的問題。
圖3至圖7示出了檢測氮氣中甲烷氣體的本發(fā)明的實施例。圖3給出甲烷的γ2+2γ3聯(lián)合帶，在γ2+2γ3聯(lián)合帶的Q分支中1.331μm處出現(xiàn)最大吸收，參見圖4，一個GaInAsp激光二極管(1)(Lasertron，QLM1300SM)選擇在1.33/μm發(fā)射，由電源和溫度控制電路(2)進行溫度調(diào)諧，以使激光器最強的縱模與甲烷的γ2+2γ3帶的Q分支的最大吸收一致，激光二極管的輸出用顯微鏡物鏡(3)準直、而準直光束通過掃描標準具(4)。
用分束器(5)取出標準具的輸出，並用一個Ge光電二極管(6)監(jiān)測。一個可移動的參照氣體吸收池(7)放在監(jiān)控光電二極管前，簡化了使二極管波長調(diào)到吸收峰的調(diào)諧步驟，控制器(8)接收來自伺服機構(gòu)(9)的輸入，以達到對標準具(4)的精細調(diào)諧，伺服機構(gòu)順序地接收相敏檢測器(10)和(11)的反饋輸入，該相敏檢測器通過前置放大器(12)聯(lián)接到檢測器(6)。監(jiān)控檢測器(6)的輸出是通過相敏檢測器(10)和(11)在標準具掃描頻率和激光二極管電流的較高調(diào)制頻率下同步檢測的。
主光束通過標準具(4)射入50/125μm多模光導(dǎo)纖維段(13)，這個光導(dǎo)纖維經(jīng)過梯度折射率透鏡(15)傳導(dǎo)這個光束到遙遠吸收池(14)，這個吸收池的輸出經(jīng)過透鏡(16)射入另一個50/125μm光導(dǎo)纖維段(17)，該光導(dǎo)纖維將這個信號傳送回到第二個Ge檢測光電二極管(18)，這個光電二極管的輸出由前置放大器(19)放大，並用相敏檢測器(20)，(21)在與監(jiān)控光電二極管(6)輸出同樣的兩個頻率下同步檢測，這兩個頻率輸出的比率正比于氣體的吸收，因此，正比于氣體濃度。用已知濃度氣體充滿參照氣體池，監(jiān)控光電二極管(6)的輸出可用于這個系統(tǒng)的校正。
上述系統(tǒng)已用一米單程長吸收池檢測過甲烷，圖5給出當(dāng)吸收池交替排空和裝滿不同濃度甲烷時這個系統(tǒng)的響應(yīng)，把輸出信號對在吸收池中氣體濃度作圖得一校正曲線。從圖6可以看到，對甲烷低濃度澆詠 0τ時輸出呈很好的線性，用40τ甲烷充滿吸收池並監(jiān)測10小時的輸出，測試了這個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在這個期間輸出信號的波動和漂移小于1%，如圖7所示。
上述系統(tǒng)有好的穩(wěn)定性，並且用監(jiān)控光電二極管(6)的輸出連續(xù)校正這個系統(tǒng)，可以在很長時間保持穩(wěn)定。激光二極管的能量允許使用長光路多程吸收池，例如White吸收池，以增加光路的長度，不需要用冷卻檢測器，從而提高靈敏度，用多程吸收池可使檢測器達到10ppm量級的靈敏度，使傳感器適于應(yīng)泛的應(yīng)用。
圖8給出一個適于二次諧波檢測的傳感器方框圖。激光二極管(22)的輸出用透鏡(23)和(24)聚焦進入光導(dǎo)纖維(25)，并由梯度折射率透鏡(26)聯(lián)接到White吸收池(27)，吸收池(27)含有被檢測的氣體樣品，進入White吸收池的光多次反射到梯度折射率透鏡(28)，這個透鏡把這束光送入光導(dǎo)纖維(29)。通過光導(dǎo)纖維(29)傳導(dǎo)的光由透鏡(30)聚焦到二極管(31)，二極管的輸出經(jīng)過前置放大器(32)饋送到鎖定放大器(33)。鎖定放大器(33)從調(diào)制振蕩器(34)接收一個同步輸入，這個振蕩器也控制電源和溫度控制器(35)，這個控制器(35)控制激光二極管(22)的工作，另一個溫度控制器(36)維持檢測器(31)的穩(wěn)定性。
電源和溫度控制器(35)控制激光二極管(22)，以使它的輸出波長是線性掃描，通過改變激光二極管(22)的驅(qū)動電流或它的溫度都可以達到。調(diào)制振蕩器(34)產(chǎn)生兩個正弦調(diào)制W1和W2重疊在激光二極管驅(qū)動電流上，傳感器的輸出是在W1的二倍頻處同步檢測的。
當(dāng)激光二極管的波長慢掃描通過吸收線時，可以觀測到二次諧波信號。這樣有效地選擇其平滑的輸出以取出光滑的細部，而不是從跨越吸收線激光波長掃描得出的結(jié)果，這個結(jié)果如圖9示出的一個輸出信號，這個信號的大小用箭頭P表示，P正比于在一個頻率急劇變化的吸收線處的氣體濃度。
激光頻率可以用調(diào)節(jié)它的溫度或它的電流來控制，但是，用變化溫度比用變化電流來控制頻率可以復(fù)蓋大得多的波長范圍，這樣，通過改變溫度，在一次掃描中觀測幾個氣體吸收信號是可能的。圖10給出了圖8的鎖定放大器(33)的輸出，用記錄儀(37)作圖並用計算機(38)記錄，圖7給出了在30℃掃描時鎖定放大器的輸出。在圖示的例子中，光譜中可能出現(xiàn)許多譜線，這是由于CH4、H2O、HF、NH3、HBr和CO2的存在。這種光譜可以用計算機(38)處理，給出各種成分的濃度。二次調(diào)制W2具有消除吸收池可能產(chǎn)生的光干擾帶的作用。
已進行的試驗指出，CH4、HF和H2O的最小檢測濃度分別是50ppm-m、100ppb-m和50ppm-m。圖11給出了對應(yīng)甲烷濃度的傳感器輸出曲線，從實驗數(shù)據(jù)可以看出，濃度在幾十倍范圍內(nèi)其輸出都是線性的。由于測量的特點，在傳感器輸出中的漂移是微不足道的，傳感器的精度由噪聲限制，而不是由漂移限制。
在上述對于圖8到圖11的實驗中應(yīng)用的光導(dǎo)纖維，為2.5Km單模纖維和2.5Km的50/125μm光導(dǎo)纖維。由于大功率的應(yīng)用。這個系統(tǒng)可能允許10分貝(dB)量級能量損失，當(dāng)在吸收池的光學(xué)元件被玷污時，這種能量損失可能出現(xiàn)。通過光導(dǎo)纖維開關(guān)將輻射送到幾個設(shè)在不同地點的吸收池，那也是可能的，這樣，就可在大面積上形成傳感器網(wǎng)絡(luò)，以便對大量傳感器利用同一光源和檢測系統(tǒng)。
上述提出的方法的一個缺點是在吸收池中需要有長的光程，以便得到高靈敏度，這就要利用精確光準直的多程吸收池，並且易受污染，同時它也很笨重。
權(quán)利要求
1.用于檢測在吸收池中預(yù)定氣體的設(shè)備，它包括一個紅外激光光源；一個光傳輸控制裝置，控制從激光光源發(fā)出、經(jīng)過光導(dǎo)纖維到聯(lián)接一個吸收池的傳感器的光傳輸，該吸收池吸收的激光波長隨時間在至少兩個波長間變化，這兩個波長之一由所述氣體吸收，另一個波長不易被所述氣體吸收；一個檢測吸收池中所述氣體吸收所述波長激光信號的裝置；以及一個把監(jiān)控值的大小與吸收池中所述氣體的檢測值相比較的裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其特征是激光光源是一個多模激光源，它的第一個模是在齙囊桓霾ǔ?，而翟滯个模矢`謁齙牧硪桓霾ǔ 一個可調(diào)諧濾光器插在激光光源和吸收池之間，光傳輸控制裝置調(diào)諧這個濾光器使第一和第二模式激光交替通過吸收池。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的設(shè)備，其特征是激光光源是一個激光二極管，它是溫度調(diào)諧的，以使它的最強縱模與氣體最大吸收頻率一致。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3的設(shè)備，其特征是濾光器是一個自由光譜范圍小于激光諧振腔的自由光譜范圍的法布里-珀羅濾光器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其特征是激光光源是一個可調(diào)諧激光二極管，它的輸出直接通過吸收池;還有一個調(diào)諧激光波長的裝置，使之掃描跨越所述氣體容易吸收的所述波長的頻率。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的設(shè)備，其特征是用疊加兩個正弦調(diào)制的電流來驅(qū)動激光二極管，檢測裝置包括一個工作在兩正弦調(diào)制頻率之一的信頻處的同步檢測器，因此，產(chǎn)生的二次諧波信號的大小正于比所述氣體的吸收。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6的設(shè)備，其特征是具有一個通過改變二極管的電流而改變激光二極管頻率的裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求5或6的設(shè)備，其特征是具有一個通過改變二極管的溫度而改變激光二極管的頻率的裝置。
全文摘要
用于檢測在吸收池中預(yù)定氣體的設(shè)備，傳導(dǎo)紅外激光光源的輸出到吸收池，控制傳導(dǎo)輸出隨時間在至少兩個波長之間改變，兩個波長之一比另一個更容易被氣體吸收，傳導(dǎo)后的這個波長的大小相應(yīng)于被檢測的氣體，激光器的輸出可能包括兩個頻率，而一個濾光器可使這兩個頻率交替通過。另一方面，這個激光器的輸出也可以是單頻的，該頻率掃描橫過氣體容易吸收的頻率。
文檔編號G01N21/03GK1033105SQ8810774
公開日1989年5月24日 申請日期1988年9月22日 優(yōu)先權(quán)日1987年9月22日
發(fā)明者阿曼·莫希巴蒂, 特倫斯·A·金 申請人:曼徹斯特維多利亞大學(xué)