一种基于气体吸收光谱的谱线参数的测量系统的制作方法

本发明涉及一种基于气体吸收光谱的谱线参数的测量系统，属于吸收光谱测量技术领域。

背景技术：

目前，可调谐激光二极管吸收光谱技术(tdlas)是一类常用的非接触式测量手段和热门的研究方向，具有灵敏度高，响应速度快，可以实现在线实时测量的优点，通常用于测量工业气体的温度，组分，浓度和压力等物性参数。尽管如此，基于tdlas的气体物性参数测量的精确度取决于气体分子吸收谱线参数的精准度，因此需要尽可能的提高谱线参数的测量精度，一种可以实现气体谱线参数标定的测量系统也尤为重要。

目前用于做吸收谱线参数标定的测量气室大多采用玻璃材质的“三节管”结构形式，其优点在于相比于不锈钢材料，玻璃材质可相对减小管壁对待测气体分子的吸附作用，尤其是h2o、nh3等极性分子，但其缺点也很明显，如气室密封性、耐压能力均较差，而谱线标定一般在低压下进行，对气室密封性要求较高。也有采用不锈钢材质的测量气室，虽然耐压能力强，但由于不锈钢表面光滑度不够，极性分子很容易吸附于内表面，尤其在高温实验中极性分子的吸附和解析现象相当严重，因此很难在实验过程中保证气体浓度和压力的稳定性，从而增大谱线参数测量的不确定度。同时，不锈钢气室不容易采用“三节管”形式，且不锈钢材料热导率高，散热快，因此测量空间内温度均稳性较差。

在谱线参数的测量过程中，由于激光的入射和出射会经过空气中的一小段光程，如果待测气体是大气中所含有的成分，如h2o和co2等气体，难免会受到空气中组分的干扰。为了避免空气的干扰，一般采用的方法是使用氮气吹扫准直器和探测器周边，但该方法很难彻底消除空气的干扰，如准直器和探测器内部的空气组分无法消除，且氮气中也可能还有少量的空气组分。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足和缺陷，提出了一种基于气体吸收光谱的谱线参数的测量系统，以提高测量过程中系统温度的均匀稳定性，减小气室壁面极性分子的吸附和解析，同时消除空气中组分对待测气体的干扰，从而进一步提高谱线参数的测量精度。

本发明的技术方案如下：一种基于气体吸收光谱的谱线参数的测量系统，所述测量系统含有可调谐激光器、分束光纤、测量光路、参考光路、真空泵和示波器；所述的测量光路包括第一准直器、测量气室和第一探测器；所述参考光路含有第二准直器和第二探测器；其特征在于：所述测量气室含有外壳、进气管道和出气管道，以及设置在外壳内的热电偶、中心测量区域和对称设置在中心测量区域两侧的“t”型玻璃柱；在每个“t”型玻璃柱外部设有套管，该套管与“t”型玻璃柱之间留有气体通道；在套管与外壳内壁面之间填充保温棉，并在套管内壁和中心测量区域内壁面上镀有一层硅质薄膜。

本发明的另一技术特征是：在所述进气管道出口和出气管道进口处均设有一环形缓冲气室，该缓冲气室通过均匀布置在套管上的进气小孔与气体流道相连通；气体从进气管道进入环形缓冲气室，然后围绕玻璃柱外围，从套管上多个均匀分布的进气小孔沿玻璃柱轴向的气流通道均匀流入至中心测量区域，之后进入出气管道处的环形缓冲气室后经出气管道流出。

本发明的另一技术特征是：在所述参考光路中，第二准直器出口端到第二探测器入口的光程距离等于测量光路中第一准直器到测量气室入口的距离l1与测量气室出口到第一探测器入口的距离l2之和。

本发明的另一技术特征是：在所述的测量气室中，外壳和玻璃柱的套管均采用不锈钢材质。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性技术效果：①“t”型玻璃柱的使用，使得激光在两侧温度不均匀区域直接从玻璃柱内部穿过，不受非均匀温度场的干扰，保证了高温环境下测量气室温度的均稳性；②在中心测量区域内壁和套管内壁面上镀一层硅质薄膜，可有效防止极性分子(如h2o,nh3)的吸附和腐蚀性气体(如so2,so3)对气室的腐蚀。③在外壳内壁面与套管之间填充保温棉，有效减少了热量损失，提高了系统的温度均匀性和稳定性；④本发明通过控制第二准直器出口端到第二探测器入口的光程距离始终与测量光路中第一准直器到测量气室入口的距离与测量气室出口到第一探测器入口的距离之和保持一致，有效消除了测量过程中空气组分对待测气体的干扰以及激光器自身的频率波动。⑤环形缓冲气室的设计，使得气体进入进气管道之后，进入中心测量区域之前实现适当预混；均匀分布的进气小孔的设计，使得气体围绕玻璃柱外围，沿玻璃柱轴向的气流通道均匀流入至中心测量气室，从而使得中心测量区域中的流场更均匀。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于气体吸收光谱的谱线参数的测量系统的结构原理示意图。

图2为本发明中测量气室的外部整体结构示意图。

图3为图2的主剖视图。

图4为图3在气体进气管处的测量气室断面图。

图5为图3在气体进气管处的放大图。

图6为中心测量区域内各个测点在不同温度下的温度分布图。

图7为测量系统在真空和20kpa条件下气密性检测示意图。

图中：1-中心测量区域；2-“t”型玻璃柱；3-保温棉；4-进气管道；5-出气管道；6-热电偶；7-不锈钢盖板；8-o型密封圈；9-真空计；10-外壳；11—套管；12-环形缓冲气室；13-硅质薄膜；14-进气小孔；15-气流通道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体结构、工作原理和测量过程做进一步的说明。

如图1所示，本发明提供的一种基于气体吸收光谱的谱线参数的测量系统，该测量系统含有可调谐激光器1、分束光纤、测量光路、参考光路、真空泵9和示波器；所述的测量光路含有第一准直器、测量气室和第一探测器；所述参考光路含有第二准直器和第二探测器；由可调谐激光器1发出的激光通过分束光纤后分为两路，第一路经第一准直器准直后先穿过测量气室，再被第一探测器接收，作为测量光路；第二路经第二准直器准直后经过一段空气直接被第二探测器接收，作为参考光路。第一探测器和第二探测器的信号最终都输入到示波器以便观察波形和采集数据。

图2-5为该系统中测量气室的结构示意图，测量气室含有外壳10、进气管道4和出气管道5，以及设置在外壳内的热电偶6、中心测量区域1和对称设置在中心测量区域两侧的“t”型玻璃柱2；在每个“t”型玻璃柱外部设有套管11，该套管与“t”型玻璃柱之间留有气体通道15。在套管与外壳内壁面之间的空心区域填充保温棉3，并在套管内壁和中心测量区域内壁面上镀有一层硅质薄膜13。所述测量气室和套管11均可采用不锈钢材质制作。

为使中心测量区域中的流场更均匀，本发明在所述进气管道4出口和出气管道5进口处均设有一环形缓冲气室12，该缓冲气室通过均匀布置在套管11上的进气小孔14与气体流道15相连通；气体从进气管道进入环形缓冲气室12，然后围绕玻璃柱外围，从套管上多个均匀分布的进气小孔沿玻璃柱轴向的气流通道均匀流入至中心测量区域，使得中心测量区域中的流场更均匀，浓度和压力更稳定；之后经气体出口端的气体流道15进入出气管道处的环形缓冲气室，后经出气管道5流出(参见图4、图5)。

图6为测量系统的中心测量区域内各个测点在不同温度下的温度分布，其中中心测量区域中的a，b，c，d四个温度测点分别布置在距离中心测量区域左侧壁面0cm，3.75cm，7.5cm，11.25cm的位置处，通过高温管式炉将测量气室加热至不同温度：300k，400k，500k，600k，700k，在每个温度工况下记录4支不同温度测点的omega热电偶的示数，绘制成图6，从而计算测量系统的温度不均匀度。

图7测量系统在真空和20kpa条件下气密性检测示意图。测量系统气密性的检测：将测量气室通过真空泵抽成真空状态，采用inficonvgc503真空计记录系统压力随时间的变化关系；考虑到实际的测量实验中，系统压力一般为20kpa左右，因此将系统压力抽至20kpa再记录压力的变化。将真空和20kpa下压力随时间的变化关系绘制成图7，则可计算两种工况下的漏气率。

本发明的工作过程如下：由可调谐激光器1发出的激光通过分束光纤后分为两路，第一路经第一准直器准直后从进气端的“t”型玻璃柱的斜端面射入，光路发生偏斜，在“t”型玻璃柱内走过一段光程，穿过“t”型玻璃柱后达到中心测量区域，此长度空间内具有良好的温度均稳性，穿过中心测量区域后进入另一侧的“t”型玻璃柱，最后经斜断面射出，被第一探测器接收，作为测量光路；第二路经第二准直器准直后经过一段空气直接被第二探测器接收，作为参考光路。第一探测器和第二探测器的信号最终都输入到示波器以便观察波形和采集数据。第一准直器到测量气室左端的距离为l1，测量气室右端到第一探测器的距离为l2，参考光路的长度通过调节滑轨将其始终保持为(l1+l2)，即与吸收光路中暴露在空气中的光程保持相等，从而消除空气组分对测量气体的干扰。设计原理如下：设和分别为第一准直器和第二准直器发出的光强，和分别为第一探测器和第二探测器接收的光强，基于beer-lambert定律，两路光强可表达为：

此处αl1(v)、αl2(v)和αl(v)分别是光路l1,l2和l的吸收率函数(l为测量气室的长度)。将两者相除可得:

定义和式(1)可以写为：it_r＝i0_r·exp[-αl(v)]，此处两路光强信号的比值可以用多项式来拟合，然后使用非线性最小二乘拟合便可同时得到基线和吸收率。