CN105548048A - 一种多光程单气室的光谱采样气室设计方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明具体涉及一种多光程单气室的光谱采样气室的设计方法与装置。包括两个端镜采用多重环形设计，各环之间环环相套，每个环形具有不同的曲率半径。每个环带结合气室腔长，均有适合光程需求的传播模式。各个模式的光程范围差别大，有利于实现不同目标分析物和测量范围的需求。本专利多光程单气室的光谱采样气室应用在吸收光谱技术的气体分析仪上，主要优点：将几个分析通道集成到一个气室，使整个分析仪外壳的体积成功降至20%-30%；温度稳定性提高，单气室热负荷小，分析仪的能源功耗降低至30%左右；测试准确性提高；降低测量时的气体采样量，节省70%以上的气体使用；本设计的反应时间加快的现有设计的反应时间的30%。

Description

一种多光程单气室的光谱采样气室设计方法与装置
（一）技术领域
本发明涉及光学***，具体涉及一种多光程单气室的光谱采样气室的设计方法与装置，主要应用在基于光学、光谱学特别是吸收光谱技术的分析仪仪器上，可以测量气体成份含量和其它物理化学特性。
（二）背景技术
现有成熟测量技术测量气体成份包括：催化燃烧传感器、电化学传感器、金属氧化物半导体传感器等。在要求比较苛刻的在线分析应用，上述技术的劣势集中表现为：广谱反应，选择性差，易受干扰，传感单元属于消耗型，寿命短。气相液相色谱仪也可用于测量气体成份含量，但一般只用于试验室分析。它价格昂贵，步骤繁琐，操作复杂，使用载气，检测时间长，不适于在线应用。
光谱技术可选择特定波段检测目标分析物，能有效处理其它物质的光谱干扰。光谱分析具有速度快、非接触性、非消耗性等优势特点。可实现快速、精准、稳定的检测。由于可调制激光吸收光谱具有极高的灵敏度，现国际大公司开发竞相开发用于石化领域的气体在线分析仪。对于选定的目标分析物，首先根据半导体激光管的市场供应和生产工艺，选择合适波长的半导体激光管作为吸收光源。之后，对于分析物的测量灵敏度起决定作用的就是吸收光程了。再根据测量范围的大小，选择不同的光程。
吸收光谱技术可以实时在线监测石油化工过程、石油天然气管道储运、环保环境监测、农牧业等应用场合的气体，为控制决策提供可靠的数据支撑。现在工业上分析仪器使用的采样气室设计尤其是多次反射的长光程气室，都是一个测量物的一个量程采用一个通道、一个气室。即使只是量程发生变化，采用不同光程，不得不使用另外一个气室。更不用说多种分析物的同步测量，这使得基于吸收光谱技术的气体分析吸引力大打折扣。基于航空航天技术的特别需求，美国空气动力推进实验室（JPL）的科学家们设计制造了一个四通道的吸收光谱分析仪，用于搭载航空飞行器在火星上对甲烷和水等痕量成份进行分析。
本专利针对工业应用环境，设计一个具有集成多个不同光程的单气室的光谱采用气室，可以实现采用多个光源对多个目标成份的准确测量。由于多路复用，气室数目减少，体积和重量减少，制造成本降低。正常使用所消耗的过程气体和校验气体减少。热负载小，维持温度稳定消耗的能源减少，稳定性提高。所使用的附件如流路控制的阀门，管路，过滤器减少。所使用的电子器件如温度变送器和压力变送器减少，对应的分析仪接口减少，提高分析仪的资源利用率。对比多气室无论是并联还是串联，本发明设计是在同一时间测量气体的同一状态，可提高修正模型的准确性。
（三）发明内容
本发明为了提高采样气室的使用效率，提供了一种应用在吸收光谱技术的气体分析仪上的多光程单气室的光谱采样气室的设计方法与装置，本装置主要包括：两个端镜，气室腔体和状态传感器（温度，压力和流量等）。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种多光程单气室的光谱采样气室装置，其特殊之处在于：包括两个端镜采用多重环形设计，各环之间环环相套，每个环形具有不同的曲率半径。
本发明的多光程单气室的光谱采样气室装置，每个环带结合气室腔长，均有适合光程需求的传播模式。
本发明的多光程单气室的光谱采样气室装置，各个模式的光程范围差别大，有利于实现不同目标分析物和测量范围的需求。
本发明的多光程单气室的光谱采样气室装置，端镜上环带数目可以是一个，两个，三个等任何整数。端镜可以采用环状设计，外环、中环和内心环环相套。
本发明的多光程单气室的光谱采样气室装置，端镜中心部分可以是圆形也可以是矩形等任何形状，环形部分可以是圆环形也可以是椭圆环形。
本发明的多光程单气室的光谱采样气室装置，每个通道的进光孔与出光孔在端镜表面分布，可设计在一个端镜上也可设计在两个端镜上，可以平均分布，也可集中分布。
本发明的多光程单气室的光谱采样气室装置，每个通道进光孔与出光孔可以是开放空间耦合，也可以是光纤耦合。
本发明的多光程单气室的光谱采样气室装置，每个通道进光孔与出光孔对采样气室的耦合，可以带角度调节，也可以不带角度调节。
本发明的多光程单气室的光谱采样气室装置，在气室腔体上或者气体的进口出口处安装状态测量部件，包括但不限于压力变送器、温度变送器和流量计。
本发明的多光程单气室的光谱采样气室装置，气室可以是密闭的，也可以是开放空间的。
本发明的多光程单气室的光谱采样气室装置，对于密闭气室，气室腔体与两个端镜密封连接。
本发明的多光程单气室的光谱采样气室装置，适用于不同波长的各种光源，适用直测和调制解调等不同吸收光谱技术，适用不同分析气体。
本发明的多光程单气室的光谱采样气室装置，根据所选波长的范围，对于不同曲率半径的反射镜采用统一的增反镀膜或采用专门配置的镜面镀膜。对于不同曲率半径的反射端镜采用的增反镀膜。
本发明的多光程单气室的光谱采样气室装置，气室腔体表面采用专门的防腐防吸附镀膜。
以下是本发明通用型设计步骤，即有n个相套环带的端镜的气室设计步骤。
因本发明的设计方案有利于对多种目标气体的同步测量、同一目标气体的不同量程范围自动切换。在选择器件的关键参数时，应该采用如下的操作流程（附图10）。
端镜的设计是本发明的核心部分，主要是进一步确定端镜的各个参数，如附图1所示。根据光线传输的几何光学或矩阵光学理论，都可以得到Herriot气室的同光孔进出耦合的计算公式。
（1）确定气室容积需求：容积越大所消耗的气体就越多；如果采用的气体流速一定，那势必就会牺牲反应的灵敏度。据此可以得出腔体长度和腔体半径的约束关系。
（2）确定光程：分析测量需求，根据分子吸收光谱的数据库和可供选择的半导体激光器，选定光源的发射波长和扫描范围。进而可以确定每个分析通道的光程需求即N*d的值。
（3）确定光源的质量：通过实验测量获得传播距离为d的空间内光源的准直性，根据高斯光束的性质进一步确定光斑在z=0和d处的尺寸。确认该光程模式分布，即每个环带的直径最小允许值和环带的宽度。
（4）根据N，d的值，就可以求出端镜各环带部分对应的曲率半径。
（5）综合以上信息，计算进出光孔的分布和入射角。
其中，N代表光线的反射次数，d代表气室的长度，z代表气室在长度方向上的坐标z轴。
通过步骤（3）（4）（5）计算端镜的环带结构和进出光孔的分布和入射角。使用相关环带、腔体的全部或部分参数确定一个或多个和值、差值、比值、均方误差、决定系数、互相关函数、三角函数值、回归系数、方程边界值。
本发明的多光程单气室的光谱采样气室装置，根据测量气体和精度要求，采用或不采用镀膜、防腐的腔体表面处理。
本发明有益效果：
(1)将几个分析通道集成到一个气室，充分利用传统Herriot气室被浪费的中部空间，使整个分析仪外壳的体积成功降至20%-30%，实现分析仪的小型化，智能化；
(2)温度稳定性提高，单气室热负荷小，利于有效的温度控制，分析仪的能源功耗降低至30%左右；
(3)测试准确性提高，由于所有通道都是在同一气室采集的光谱信息，拥有同样的物理状态，利于全局补偿模型的修正；
(4)降低测量时的气体采样量，节省70%以上的气体使用；尤其是在使用价格昂贵的符合国家计量标准的混合气罐时；
(5)提高分析仪的测量反应时间，传统分析仪使用多个气室串联时，气体逐级流通，迟滞了时间。本设计的反应时间加快的现有设计的反应时间的30%。
本发明的创新之处在于：
（1）在单一气室里实现了不同量级光程范围的多个光路。
（2）同一光程在同一镜面的不同光斑均匀分布，高斯光斑在空间重合并因此而造成干涉条纹的几率相比椭圆非均匀分布降低90%。
（3）使用单气室设计，带来一系列的优势，具有极高的市场价值。
（四）附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
附图1为本发明多光程单气室的光谱采样气室结构示意图；
附图2为本发明多光程单气室的光谱采样气室原理图；
附图3为本发明端镜结构图；
附图4为本发明多光程气室的光斑分布与空间传播模式；
附图5为本发明进光孔和出光孔尽量在近端镜的近端光斑分布图；
附图6为本发明进光孔和出光孔尽量在近端镜的远端光斑分布图；
附图7为本发明进光孔和出光孔在两个端镜平均分配的近端光斑分布图；
附图8为本发明进光孔和出光孔在两个端镜平均分配的远端光斑分布图；
附图9为本发明气室结构设计方法的流程图a；
附图10为本发明气室结构设计方法的流程图b；
图中，1-端镜；2-气室；3-出气孔；4-进气孔；5-温度传感器；6-压力传感器；7-流量计。
（五）具体实施方式
附图为本发明的一种具体实施例。附图1所示，该实施例包括气室2两侧设置端镜1，气室2上分别设置温度传感器5、压力传感器6、流量计7、出气孔3、进气孔4。
如附图2所示，该实例在单气室内实现了四个不同的光程：29.6米，9.6米，0.8米及0.4米。两个端镜1同轴固定在0.4米的距离上，分别对应的反射次数为74次，24次，2次和1次。
附图2为端镜1的结构图。图中包括三个同心部分，外圆环、中圆环和内圆。其中内圆为平面镜，曲率半径和焦距无穷大。外圆环、中圆环为球面镜的环形部分，远端镜对应的曲率半径分别为R1f、R2f，近端镜对应的曲率半径分别为R1n、R2n；远端镜对应的球心为O1f、O2f，近端镜对应的球心为O1n、O2n。环形的宽度为光斑典型尺寸的5-10倍；环形部分的直径分别为近端镜A1n、A2n，远端镜A1f、A2f。保证相邻光斑的间距为光斑典型尺寸的至少3倍。每个端镜的外圆环、中圆环对应的弧顶和内圆的圆心为同一点,在近端镜该点位于z=d(Cn)处，在远端镜该点位于z=0(Cf)处。根据实际应用情况，两个端镜1（包括各个环形部分）的曲率半径和尺寸可能完全一样，可能完全不一样或者部分相同。
通过在方法部分确定入射角和进光孔的位置分布之后，就可以确定光斑在端镜1的分布，并以此计算出的光线传播路径，如附图4所示。图中光斑附近的数字标号表示反射的序列，最小数字1对应入射光斑，最大的数字对应出射光斑。出光孔的位置进一步根据空间限制和光程的综合考虑选定。如果是自由空间耦合，气室的尺寸限制就会宽松，但对于光学附件的要求比较高。如果采用光纤耦合，耦合头的尺寸就成为考虑光孔分布的一个重要因素。
附图5、6给出了满足光程要求所有进光孔尽可能都在近端镜的分布图。如果光孔处的空间受限，那么进出光孔尽量在远近端镜平均分配，如附图7、8所示。在两个图中，空心点表示进出光孔，实心点表示镜面的反射光斑。光斑附近的数字标号表示反射的序列。图7、8中的光程不再是原定的反射次数，除了直通式光程外，其它光程都比附图5、6所示的光程少了一次。不过，这种改变对超长光程和长光程的影响比较小。
因为Herriot气室的端镜距离对于腔内所允许的传播模式比较敏感，因此腔体选择热涨系数小的材料，如铝合金、InVar钢或其它合金。同时采取温度控制措施，维持整个腔体温度稳定，波动性少于0.05C。
4设计方法和流程
因本发明的设计方案有利于对多种目标气体的同步测量、同一目标气体的不同量程范围自动切换。在选择器件的关键参数时，应该采用如下的操作流程（附图9）。
端镜1的设计是本发明的核心部分，主要是进一步确定端镜1的各个参数，其流程设计如附图9所示。根据光线传输的几何光学或矩阵光学理论，都可以得到Herriot气室的同光孔进出耦合的计算公式。
（1）确定气室2容积需求：容积越大所消耗的气体就越多；如果采用的气体流速一定，那势必就会牺牲反应的灵敏度。据此可以得出腔体长度和腔体半径的约束关系。
（2）确定光程：分析测量需求，根据分子吸收光谱的数据库和可供选择的半导体激光器，选定光源的发射波长和扫描范围。进而可以确定每个分析通道的光程需求即N*d的值。
（3）确定光源的质量：通过实验测量获得传播距离为d的空间内光源的准直性，根据高斯光束的性质进一步确定光斑在z=0和d处的尺寸。确认该光程模式分布，即外圆环、中圆环的直径最小允许值和环带的宽度。
（4）根据N，d的值，就可以求出端镜各环带部分对应的曲率半径。
（5）综合以上信息，计算进出光孔的分布和入射角。
5．技术优势
本专利多光程单气室的光谱采样气室应用在吸收光谱技术的气体分析仪上，主要有以下几个优点：
(1)将几个分析通道集成到一个气室，充分利用传统Herriot气室被浪费的中部空间，使整个分析仪外壳的体积成功降至20%-30%，实现分析仪的小型化，智能化；
(2)温度稳定性提高，单气室热负荷小，利于有效的温度控制，分析仪的能源功耗降低至30%；
(3)测试准确性提高，由于所有通道都是在同一气室采集的光谱信息，拥有同样的物理状态，利于全局补偿模型的修正；
(4)降低测量时的气体采样量，节省70%以上的气体使用；尤其是在使用价格昂贵的符合国家计量标准的混合气罐时；
(5)提高分析仪的测量反应时间，传统分析仪使用多个气室3串联，气体逐级流通，迟滞了测量时间。本设计的反应时间加快到现有设计的反应时间的30%。
本专利的创新之处在于：
1.在单一气室里实现了不同量级光程范围的多个光路。
2.同一光程在同一镜面的不同光斑均匀分布，高斯光斑在空间重合并因此而造成干涉条纹的几率相比椭圆非均匀分布降低90%。
使用单气室设计，带来一系列的优势，具有极高的市场价值。

Claims (10)

1.一种多光程单气室的光谱采样气室装置，其特征在于：包括采样气室、两个反射端镜和状态传感器，多个分析通道集成于一个采样气室之内。
2.根据权利要求1所述的多光程单气室的光谱采样气室装置，其特征在于：两个端镜采用多重环形设计，各环之间环环相套，每个环形具有不同的曲率半径。
3.根据权利要求1或2所述的多光程单气室的光谱采样气室装置，其特征在于：端镜上环带数目为至少一个。
4.根据权利要求1或2所述的多光程单气室的光谱采样气室装置，其特征在于：端镜中心部分为圆形或矩形，环形部分为圆环形或椭圆环形。
5.根据权利要求1或2所述的多光程单气室的光谱采样气室装置，其特征在于：每个分析通道的进光孔与出光孔在端镜表面分布。
6.根据权利要求1或2所述的多光程单气室的光谱采样气室装置，其特征在于：分析通道的进光孔与出光孔在一个端镜或两个端镜表面分布。
7.根据权利要求1或2所述的多光程单气室的光谱采样气室装置，其特征在于：每个通道进光孔与出光孔为开放空间耦合或光纤耦合。
8.根据权利要求1或2所述的多光程单气室的光谱采样气室装置，其特征在于：在分析气室的腔体上或者气体的进口出口处安装状态测量部件，该状态测量部件为压力变送器、温度变送器、流量计至少一种。
9.根据权利要求1或2所述的多光程单气室的光谱采样气室装置，其特征在于：气室两侧设置端镜，气室上分别设置温度传感器、压力传感器、流量计、出气孔、进气孔。
10.一种根据权利要求1所述的多光程单气室的光谱采样气室设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）确定气室容积需求；
（2）确定光程：分析测量需求，根据分子吸收光谱的数据库和可供选择的半导体激光器，选定光源的发射波长和扫描范围，进而可以确定每个分析通道的光程需求即N*d的值；
（3）确定光源的质量：测量获得传播距离为d的空间内光源的准直性，确认该光程模式分布，即各环直径最小允许值和环带的宽度；
（4）端镜各环带部分对应的曲率半径：根据N，d的值，就可以求出端镜各环带部分对应的曲率半径；
（5）综合以上信息，计算进出光孔的分布和入射角。
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