專利名稱：同時監(jiān)測一氧化氮和氯化氫氣體濃度的裝置及其測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是二極管激光光譜應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可同時監(jiān)測兩種氣體濃度的裝置及其測量方法。
背景技術(shù)：
目前，可實現(xiàn)在線氣體監(jiān)測的技術(shù)主要有差分吸收光譜(DOAS)技術(shù)、激光雷達(LIDAR)技術(shù)和二極管激光光譜技術(shù)。其中DOAS技術(shù)一般都應(yīng)用光學參量振蕩器作為發(fā)射源，而光學參量振蕩器的價格昂貴，并且這種技術(shù)對分光儀器、探測器件的要求很高，所以導致整套設(shè)備的成本非常昂貴。LIDAR技術(shù)容易受外界環(huán)境的影響，如其測量的精度會隨著風速的增加而下降，并且設(shè)備的維護費用很高，因此它很少用于對污染氣體的實時監(jiān)測，主要用作污染氣體的普查。目前，世界上，已有關(guān)于利用二極管激光光譜技術(shù)在線監(jiān)測污染氣體濃度的報道，但大都是利用一臺二極管激光器測量一種氣體濃度，也有同時監(jiān)測多種氣體濃度的，但都要增加相應(yīng)的二極管激光器的數(shù)量，這將使氣體濃度在線監(jiān)測設(shè)備的成本增加，而且很難小型化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決如何利用一臺二極管激光器同時測量一氧化氮氣體濃度和氯化氫氣體濃度的問題，從而提供一種同時監(jiān)測一氧化氮和氯化氫氣體濃度的裝置及其測量方法，它是利用一臺二極管激光器達到了同時監(jiān)測兩種氣體濃度的目的，并且結(jié)構(gòu)簡單、易操作。
本發(fā)明的測量裝置由鋸齒波發(fā)生器、電流控制器、溫度控制器、二極管激光器、第一凸透鏡、第二凸透鏡、探測器、計算機組成，鋸齒波發(fā)生器的信號輸出端連接電流控制器的信號輸入端，電流控制器的控制輸出端連接二極管激光器的電流控制端，溫度控制器的控制輸出端連接二極管激光器的溫度控制端，二極管激光器輸出的激光輸入到第一凸透鏡的光輸入端，被測的一氧化氮和氯化氫的混合氣體位于第一凸透鏡和第二凸透鏡之間，從第二凸透鏡的光輸出端輸出的光輸入到探測器的接收端，探測器的數(shù)據(jù)信號輸出端連接計算機的數(shù)據(jù)輸入端。
本發(fā)明的測量方法按以下步驟進行一、將鋸齒波發(fā)生器輸出的鋸齒波輸入到電流控制器中，電流控制器把疊加鋸齒波的電流信號輸入到二極管激光器中，二極管激光器輸出波長可調(diào)的激光，所述波長可調(diào)的激光的中心波長為1790nm，其中由溫度控制器控制二極管激光器的溫度；二、所述波長可調(diào)的激光經(jīng)過第一凸透鏡的傳輸后在第一凸透鏡的光輸出端獲得平行光，所述平行光通過被測的一氧化氮和氯化氫的混合氣體輸入到第二凸透鏡的光輸入端，在所述平行光通過混合氣體的過程中發(fā)生了氣體對光的吸收現(xiàn)象，部分光強減弱了的平行光經(jīng)過第二凸透鏡的傳輸在第二凸透鏡的光輸出端獲得聚焦光束，所述聚焦光束被探測器接收并將此激光信號數(shù)據(jù)送入計算機中進行處理；三、計算機對送入的數(shù)字信號進行分析獲得被測一氧化氮氣體的濃度和氯化氫氣體的濃度分別為c(NO)=ln(I0(NO)/I(NO))σ(NO)L,c(HCl)=ln(I0(HCL)/I(HCL))σ(HCL)L]]>式中，c(NO)為被測一氧化氮氣體的濃度，c(HCL)為被測氯化氫氣體的濃度，σ(NO)為一氧化氮氣體的吸收截面積，σ(HCL)為氯化氫氣體的吸收截面積，I0(NO)為二極管激光器4輸出的激光信號中對應(yīng)于一氧化氮氣體吸收波長的激光能量，I0(HCL)為二極管激光器4輸出的激光信號中對應(yīng)于氯化氫氣體吸收波長的激光能量，I(NO)為探測器7測得的被一氧化氮氣體吸收之后的激光的能量，I(HCL)為探測器7測得的被氯化氫氣體吸收之后的激光的能量，L為被測的一氧化氮和氯化氫的混合氣體的長度。
工作原理如圖2所示，二極管激光器4輸出的激光的波長在1790nm附近可調(diào)節(jié)；如圖3所示，通過被測的一氧化氮和氯化氫的混合氣體之后激光的光強在兩個波長處出現(xiàn)的光強減弱現(xiàn)象，即圖3中出現(xiàn)的兩個小凹陷a和b，凹陷a表示在波長為1790.2納米左右時一氧化氮氣體對激光信號產(chǎn)生吸收作用，而凹陷b表示在波長為1791.54納米左右時氯化氫對激光信號產(chǎn)生吸收作用；綜合上述現(xiàn)象可見，一氧化氮和氯化氫氣體在發(fā)生吸收現(xiàn)象時的波長很接近，所以本發(fā)明可以用來同時測量這兩種氣體濃度。于是，計算機用根據(jù)Beer-Lambert定律(比爾-朗伯特定律)編寫的軟件對一氧化氮的濃度和氯化氫氣體的濃度進行分析和顯示，即根據(jù)I＝I0exp(-σLc)(L為被測氣體的長度、σ為被測氣體的吸收截面積、I為測得的被氣體吸收之后的激光的能量、I0為入射激光的能量)來計算被測氣體的濃度c。
發(fā)明效果本發(fā)明能同時對一氧化氮的濃度和氯化氫的濃度進行實時監(jiān)測，并且監(jiān)測裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低、測量精度高、穩(wěn)定性好、維護簡單的優(yōu)點。


圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是二極管激光器4輸出波長可調(diào)激光的相對強度與波長的關(guān)系曲線圖，圖3是探測器7接收到的聚焦光束相對強度與波長的關(guān)系曲線圖。
具體實施例方式
結(jié)合圖1說明本實施方式，本具體實施方式
的測量裝置由鋸齒波發(fā)生器1、電流控制器2、溫度控制器3、二極管激光器4、第一凸透鏡5、第二凸透鏡6、探測器7、計算機8組成，鋸齒波發(fā)生器1的信號輸出端連接電流控制器2的信號輸入端，電流控制器2的控制輸出端連接二極管激光器4的電流控制端，溫度控制器3的控制輸出端連接二極管激光器4的溫度控制端，二極管激光器4輸出的激光輸入到第一凸透鏡5的光輸入端，被測的一氧化氮和氯化氫的混合氣體9位于第一凸透鏡5和第二凸透鏡6之間，從第二凸透鏡6的光輸出端輸出的光輸入到探測器7的接收端，探測器7的數(shù)據(jù)信號輸出端連接計算機8的數(shù)據(jù)輸入端。
本具體實施方式
的測量方法按以下步驟進行一、將鋸齒波發(fā)生器1輸出的鋸齒波輸入到電流控制器2中，電流控制器2把疊加鋸齒波的電流信號輸入到二極管激光器4中，二極管激光器4輸出波長可調(diào)的激光，所述波長可調(diào)的激光的中心波長為1790nm，其中由溫度控制器3控制二極管激光器4的溫度；二、所述波長可調(diào)的激光經(jīng)過第一凸透鏡5的傳輸后在第一凸透鏡5的光輸出端獲得平行光，所述平行光通過被測的一氧化氮和氯化氫的混合氣體9輸入到第二凸透鏡6的光輸入端，在所述平行光通過混合氣體的過程中發(fā)生了氣體對光的吸收現(xiàn)象，部分光強減弱了的平行光經(jīng)過第二凸透鏡6的傳輸在第二凸透鏡6的光輸出端獲得聚焦光束，所述聚焦光束被探測器7接收并將此激光信號數(shù)據(jù)送入計算機8中進行處理；三、計算機8對送入的數(shù)字信號進行分析獲得被測一氧化氮氣體的濃度和氯化氫氣體的濃度分別為
c(NO)=ln(I0(NO)/I(NO))σ(NO)L,c(HCl)=ln(I0(HCL)/I(HCL))σ(HCL)L]]>式中，C(NO)為被測一氧化氮氣體的濃度，C(HCL)為被測氯化氫氣體的濃度，σ(NO)為一氧化氮氣體的吸收截面積，σ(HCL)為氯化氫氣體的吸收截面積，I0(NO)為二極管激光器4輸出的激光信號中對應(yīng)于一氧化氮氣體吸收波長的激光能量，I0(HCL)為二極管激光器4輸出的激光信號中對應(yīng)于氯化氫氣體吸收波長的激光能量，I(NO)為探測器7測得的被一氧化氮氣體吸收之后的激光的能量，I(HCL)為探測器7測得的被氯化氫氣體吸收之后的激光的能量，L為被測的一氧化氮和氯化氫的混合氣體的長度。
所述鋸齒波發(fā)生器1的技術(shù)參數(shù)為鋸齒波頻率小于1kHz(千赫茲)、峰值電壓為100mV(毫伏)、波長調(diào)諧范圍為1.5nm(納米)，其可以選用型號為8210A的鋸齒波發(fā)生器；所述電流控制器2的技術(shù)參數(shù)為電流控制范圍為0～20mA(毫安)、控制精度為0.01mA，其可以選用型號為LDC200VCSEL的電流控制器；所述溫度控制器3的技術(shù)參數(shù)為控溫范圍為8℃～60℃(攝氏度)、控溫精度為0.01℃，其可以選用型號為TEC2000EC的溫度控制器；所述二極管激光器4的技術(shù)參數(shù)為功率為0.7～0.9mW(毫瓦)，其可以選用型號為VCL1790的二極管激光器；所述探測器7選用的型號為FGA20；所述計算機8內(nèi)含有根據(jù)Beer-Lambert定律編寫的軟件，它能分析、計算和顯示一氧化氮的濃度和氯化氫氣體的濃度。
權(quán)利要求
1.同時監(jiān)測一氧化氮濃度和氯化氫濃度的裝置，其特征在于由鋸齒波發(fā)生器(1)、電流控制器(2)、溫度控制器(3)、二極管激光器(4)、第一凸透鏡(5)、第二凸透鏡(6)、探測器(7)、計算機(8)組成，鋸齒波發(fā)生器(1)的信號輸出端連接電流控制器(2)的信號輸入端，電流控制器(2)的控制輸出端連接二極管激光器(4)的電流控制端，溫度控制器(3)的控制輸出端連接二極管激光器(4)的溫度控制端，二極管激光器(4)輸出的激光輸入到第一凸透鏡(5)的光輸入端，被測的一氧化氮和氯化氫的混合氣體(9)位于第一凸透鏡(5)和第二凸透鏡(6)之間，從第二凸透鏡(6)的光輸出端輸出的光輸入到探測器(7)的接收端，探測器(7)的數(shù)據(jù)信號輸出端連接計算機(8)的數(shù)據(jù)輸入端。
2.同時監(jiān)測一氧化氮濃度和氯化氫濃度的測量方法，其特征在于它按以下步驟進行一、將鋸齒波發(fā)生器(1)輸出的鋸齒波輸入到電流控制器(2)中，電流控制器(2)把疊加鋸齒波的電流信號輸入到二極管激光器(4)中，二極管激光器(4)輸出波長可調(diào)的激光，所述波長可調(diào)的激光的中心波長為1790nm，其中由溫度控制器(3)控制二極管激光器(4)的溫度；二、所述波長可調(diào)的激光經(jīng)過第一凸透鏡(5)的傳輸后在第一凸透鏡(5)的光輸出端獲得平行光，所述平行光通過被測的一氧化氮和氯化氫的混合氣體(9)輸入到第二凸透鏡(6)的光輸入端，在所述平行光通過混合氣體的過程中發(fā)生了氣體對光的吸收現(xiàn)象，部分光強減弱了的平行光經(jīng)過第二凸透鏡(6)的傳輸在第二凸透鏡(6)的光輸出端獲得聚焦光束，所述聚焦光束被探測器(7)接收并將此激光信號數(shù)據(jù)送入計算機(8)中進行處理；三、計算機(8)對送入的數(shù)字信號進行分析獲得被測一氧化氮氣體的濃度和氯化氫氣體的濃度分別為c(NO)=ln(I0(NO)/I(NO))σ(NO)L,]]>式中，c(NO)為被測一氧化氮氣體的濃度，c(HCL)為被測氯化氫氣體的濃度，σ(NO)為一氧化氮氣體的吸收截面積，σ(HCL)為氯化氫氣體的吸收截面積，I0(NO)為二極管激光器(4)輸出的激光信號中對應(yīng)于一氧化氮氣體吸收波長的激光能量，I0(HCL)為二極管激光器(4)輸出的激光信號中對應(yīng)于氯化氫氣體吸收波長的激光能量，I(NO)為探測器(7)測得的被一氧化氮氣體吸收之后的激光的能量，I(HCL)為探測器(7)測得的被氯化氫氣體吸收之后的激光的能量，L為被測的一氧化氮和氯化氫的混合氣體的長度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的同時監(jiān)測一氧化氮濃度和氯化氫濃度的測量方法，其特征在于所述鋸齒波發(fā)生器(1)的技術(shù)參數(shù)為鋸齒波頻率小于1kHz、峰值電壓為100mV、波長調(diào)諧范圍為1.5nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的同時監(jiān)測一氧化氮濃度和氯化氫濃度的測量方法，其特征在于所述電流控制器(2)的技術(shù)參數(shù)為電流控制范圍為0～20mA、控制精度為0.01mA。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的同時監(jiān)測一氧化氮濃度和氯化氫濃度的測量方法，其特征在于所述溫度控制器(3)的技術(shù)參數(shù)為控溫范圍為8～60℃、控溫精度為0.01℃。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的同時監(jiān)測一氧化氮濃度和氯化氫濃度的測量方法，其特征在于所述二極管激光器(4)的技術(shù)參數(shù)為功率為0.7～0.9mW。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的同時監(jiān)測一氧化氮濃度和氯化氫濃度的測量方法，其特征在于所述計算機(8)內(nèi)含有根據(jù)Beer-Lambert定律編寫的軟件，它能分析、計算和顯示一氧化氮的濃度和氯化氫氣體的濃度。
全文摘要
同時監(jiān)測一氧化氮和氯化氫氣體濃度的裝置及其測量方法，它涉及的是二極管激光光譜應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，它是為了解決如何利用一臺二極管激光器同時測量一氧化氮氣體濃度和氯化氫氣體濃度的問題。本發(fā)明的鋸齒波發(fā)生器1輸出的鋸齒波輸入到電流控制器2中，2把疊加鋸齒波的電流信號輸入到二極管激光器4中，4輸出光強可調(diào)的激光，上述激光通過第一凸透鏡5變成平行光后在通過被測的一氧化氮和氯化氫的混合氣體9、第二凸透鏡6后聚焦入射到探測器7的接收端，7將激光信號數(shù)據(jù)輸入到計算機8中。本發(fā)明能同時對一氧化氮的濃度和氯化氫的濃度進行實時監(jiān)測，并具有體積小、成本低、穩(wěn)定性好、維護簡單的優(yōu)點。
文檔編號G06F19/00GK1766573SQ200510010428
公開日2006年5月3日 申請日期2005年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月14日
發(fā)明者張云剛, 張治國 申請人:哈爾濱工業(yè)大學