专利名称：同时监测一氧化氮和氯化氢气体浓度的装置及其测量方法
技术领域：
本发明涉及的是二极管激光光谱应用技术领域，具体涉及一种可同时监测两种气体浓度的装置及其测量方法。
背景技术：
目前，可实现在线气体监测的技术主要有差分吸收光谱(DOAS)技术、激光雷达(LIDAR)技术和二极管激光光谱技术。其中DOAS技术一般都应用光学参量振荡器作为发射源，而光学参量振荡器的价格昂贵，并且这种技术对分光仪器、探测器件的要求很高，所以导致整套设备的成本非常昂贵。LIDAR技术容易受外界环境的影响，如其测量的精度会随着风速的增加而下降，并且设备的维护费用很高，因此它很少用于对污染气体的实时监测，主要用作污染气体的普查。目前，世界上，已有关于利用二极管激光光谱技术在线监测污染气体浓度的报道，但大都是利用一台二极管激光器测量一种气体浓度，也有同时监测多种气体浓度的，但都要增加相应的二极管激光器的数量，这将使气体浓度在线监测设备的成本增加，而且很难小型化。
发明内容
本发明的目的是为了解决如何利用一台二极管激光器同时测量一氧化氮气体浓度和氯化氢气体浓度的问题，从而提供一种同时监测一氧化氮和氯化氢气体浓度的装置及其测量方法，它是利用一台二极管激光器达到了同时监测两种气体浓度的目的，并且结构简单、易操作。
本发明的测量装置由锯齿波发生器、电流控制器、温度控制器、二极管激光器、第一凸透镜、第二凸透镜、探测器、计算机组成，锯齿波发生器的信号输出端连接电流控制器的信号输入端，电流控制器的控制输出端连接二极管激光器的电流控制端，温度控制器的控制输出端连接二极管激光器的温度控制端，二极管激光器输出的激光输入到第一凸透镜的光输入端，被测的一氧化氮和氯化氢的混合气体位于第一凸透镜和第二凸透镜之间，从第二凸透镜的光输出端输出的光输入到探测器的接收端，探测器的数据信号输出端连接计算机的数据输入端。
本发明的测量方法按以下步骤进行一、将锯齿波发生器输出的锯齿波输入到电流控制器中，电流控制器把叠加锯齿波的电流信号输入到二极管激光器中，二极管激光器输出波长可调的激光，所述波长可调的激光的中心波长为1790nm，其中由温度控制器控制二极管激光器的温度；二、所述波长可调的激光经过第一凸透镜的传输后在第一凸透镜的光输出端获得平行光，所述平行光通过被测的一氧化氮和氯化氢的混合气体输入到第二凸透镜的光输入端，在所述平行光通过混合气体的过程中发生了气体对光的吸收现象，部分光强减弱了的平行光经过第二凸透镜的传输在第二凸透镜的光输出端获得聚焦光束，所述聚焦光束被探测器接收并将此激光信号数据送入计算机中进行处理；三、计算机对送入的数字信号进行分析获得被测一氧化氮气体的浓度和氯化氢气体的浓度分别为c(NO)=ln(I0(NO)/I(NO))σ(NO)L,c(HCl)=ln(I0(HCL)/I(HCL))σ(HCL)L]]>式中，c(NO)为被测一氧化氮气体的浓度，c(HCL)为被测氯化氢气体的浓度，σ(NO)为一氧化氮气体的吸收截面积，σ(HCL)为氯化氢气体的吸收截面积，I0(NO)为二极管激光器4输出的激光信号中对应于一氧化氮气体吸收波长的激光能量，I0(HCL)为二极管激光器4输出的激光信号中对应于氯化氢气体吸收波长的激光能量，I(NO)为探测器7测得的被一氧化氮气体吸收之后的激光的能量，I(HCL)为探测器7测得的被氯化氢气体吸收之后的激光的能量，L为被测的一氧化氮和氯化氢的混合气体的长度。
工作原理如图2所示，二极管激光器4输出的激光的波长在1790nm附近可调节；如图3所示，通过被测的一氧化氮和氯化氢的混合气体之后激光的光强在两个波长处出现的光强减弱现象，即图3中出现的两个小凹陷a和b，凹陷a表示在波长为1790.2纳米左右时一氧化氮气体对激光信号产生吸收作用，而凹陷b表示在波长为1791.54纳米左右时氯化氢对激光信号产生吸收作用；综合上述现象可见，一氧化氮和氯化氢气体在发生吸收现象时的波长很接近，所以本发明可以用来同时测量这两种气体浓度。于是，计算机用根据Beer-Lambert定律(比尔-朗伯特定律)编写的软件对一氧化氮的浓度和氯化氢气体的浓度进行分析和显示，即根据I＝I0exp(-σLc)(L为被测气体的长度、σ为被测气体的吸收截面积、I为测得的被气体吸收之后的激光的能量、I0为入射激光的能量)来计算被测气体的浓度c。
发明效果本发明能同时对一氧化氮的浓度和氯化氢的浓度进行实时监测，并且监测装置具有结构简单、体积小、成本低、测量精度高、稳定性好、维护简单的优点。
图1是本发明的整体结构示意图，图2是二极管激光器4输出波长可调激光的相对强度与波长的关系曲线图，图3是探测器7接收到的聚焦光束相对强度与波长的关系曲线图。
具体实施例方式
结合图1说明本实施方式，本具体实施方式
的测量装置由锯齿波发生器1、电流控制器2、温度控制器3、二极管激光器4、第一凸透镜5、第二凸透镜6、探测器7、计算机8组成，锯齿波发生器1的信号输出端连接电流控制器2的信号输入端，电流控制器2的控制输出端连接二极管激光器4的电流控制端，温度控制器3的控制输出端连接二极管激光器4的温度控制端，二极管激光器4输出的激光输入到第一凸透镜5的光输入端，被测的一氧化氮和氯化氢的混合气体9位于第一凸透镜5和第二凸透镜6之间，从第二凸透镜6的光输出端输出的光输入到探测器7的接收端，探测器7的数据信号输出端连接计算机8的数据输入端。
本具体实施方式
的测量方法按以下步骤进行一、将锯齿波发生器1输出的锯齿波输入到电流控制器2中，电流控制器2把叠加锯齿波的电流信号输入到二极管激光器4中，二极管激光器4输出波长可调的激光，所述波长可调的激光的中心波长为1790nm，其中由温度控制器3控制二极管激光器4的温度；二、所述波长可调的激光经过第一凸透镜5的传输后在第一凸透镜5的光输出端获得平行光，所述平行光通过被测的一氧化氮和氯化氢的混合气体9输入到第二凸透镜6的光输入端，在所述平行光通过混合气体的过程中发生了气体对光的吸收现象，部分光强减弱了的平行光经过第二凸透镜6的传输在第二凸透镜6的光输出端获得聚焦光束，所述聚焦光束被探测器7接收并将此激光信号数据送入计算机8中进行处理；三、计算机8对送入的数字信号进行分析获得被测一氧化氮气体的浓度和氯化氢气体的浓度分别为
c(NO)=ln(I0(NO)/I(NO))σ(NO)L,c(HCl)=ln(I0(HCL)/I(HCL))σ(HCL)L]]>式中，C(NO)为被测一氧化氮气体的浓度，C(HCL)为被测氯化氢气体的浓度，σ(NO)为一氧化氮气体的吸收截面积，σ(HCL)为氯化氢气体的吸收截面积，I0(NO)为二极管激光器4输出的激光信号中对应于一氧化氮气体吸收波长的激光能量，I0(HCL)为二极管激光器4输出的激光信号中对应于氯化氢气体吸收波长的激光能量，I(NO)为探测器7测得的被一氧化氮气体吸收之后的激光的能量，I(HCL)为探测器7测得的被氯化氢气体吸收之后的激光的能量，L为被测的一氧化氮和氯化氢的混合气体的长度。
所述锯齿波发生器1的技术参数为锯齿波频率小于1kHz(千赫兹)、峰值电压为100mV(毫伏)、波长调谐范围为1.5nm(纳米)，其可以选用型号为8210A的锯齿波发生器；所述电流控制器2的技术参数为电流控制范围为0～20mA(毫安)、控制精度为0.01mA，其可以选用型号为LDC200VCSEL的电流控制器；所述温度控制器3的技术参数为控温范围为8℃～60℃(摄氏度)、控温精度为0.01℃，其可以选用型号为TEC2000EC的温度控制器；所述二极管激光器4的技术参数为功率为0.7～0.9mW(毫瓦)，其可以选用型号为VCL1790的二极管激光器；所述探测器7选用的型号为FGA20；所述计算机8内含有根据Beer-Lambert定律编写的软件，它能分析、计算和显示一氧化氮的浓度和氯化氢气体的浓度。
权利要求
1.同时监测一氧化氮浓度和氯化氢浓度的装置，其特征在于由锯齿波发生器(1)、电流控制器(2)、温度控制器(3)、二极管激光器(4)、第一凸透镜(5)、第二凸透镜(6)、探测器(7)、计算机(8)组成，锯齿波发生器(1)的信号输出端连接电流控制器(2)的信号输入端，电流控制器(2)的控制输出端连接二极管激光器(4)的电流控制端，温度控制器(3)的控制输出端连接二极管激光器(4)的温度控制端，二极管激光器(4)输出的激光输入到第一凸透镜(5)的光输入端，被测的一氧化氮和氯化氢的混合气体(9)位于第一凸透镜(5)和第二凸透镜(6)之间，从第二凸透镜(6)的光输出端输出的光输入到探测器(7)的接收端，探测器(7)的数据信号输出端连接计算机(8)的数据输入端。
2.同时监测一氧化氮浓度和氯化氢浓度的测量方法，其特征在于它按以下步骤进行一、将锯齿波发生器(1)输出的锯齿波输入到电流控制器(2)中，电流控制器(2)把叠加锯齿波的电流信号输入到二极管激光器(4)中，二极管激光器(4)输出波长可调的激光，所述波长可调的激光的中心波长为1790nm，其中由温度控制器(3)控制二极管激光器(4)的温度；二、所述波长可调的激光经过第一凸透镜(5)的传输后在第一凸透镜(5)的光输出端获得平行光，所述平行光通过被测的一氧化氮和氯化氢的混合气体(9)输入到第二凸透镜(6)的光输入端，在所述平行光通过混合气体的过程中发生了气体对光的吸收现象，部分光强减弱了的平行光经过第二凸透镜(6)的传输在第二凸透镜(6)的光输出端获得聚焦光束，所述聚焦光束被探测器(7)接收并将此激光信号数据送入计算机(8)中进行处理；三、计算机(8)对送入的数字信号进行分析获得被测一氧化氮气体的浓度和氯化氢气体的浓度分别为c(NO)=ln(I0(NO)/I(NO))σ(NO)L,]]>式中，c(NO)为被测一氧化氮气体的浓度，c(HCL)为被测氯化氢气体的浓度，σ(NO)为一氧化氮气体的吸收截面积，σ(HCL)为氯化氢气体的吸收截面积，I0(NO)为二极管激光器(4)输出的激光信号中对应于一氧化氮气体吸收波长的激光能量，I0(HCL)为二极管激光器(4)输出的激光信号中对应于氯化氢气体吸收波长的激光能量，I(NO)为探测器(7)测得的被一氧化氮气体吸收之后的激光的能量，I(HCL)为探测器(7)测得的被氯化氢气体吸收之后的激光的能量，L为被测的一氧化氮和氯化氢的混合气体的长度。
3.根据权利要求2所述的同时监测一氧化氮浓度和氯化氢浓度的测量方法，其特征在于所述锯齿波发生器(1)的技术参数为锯齿波频率小于1kHz、峰值电压为100mV、波长调谐范围为1.5nm。
4.根据权利要求2所述的同时监测一氧化氮浓度和氯化氢浓度的测量方法，其特征在于所述电流控制器(2)的技术参数为电流控制范围为0～20mA、控制精度为0.01mA。
5.根据权利要求2所述的同时监测一氧化氮浓度和氯化氢浓度的测量方法，其特征在于所述温度控制器(3)的技术参数为控温范围为8～60℃、控温精度为0.01℃。
6.根据权利要求2所述的同时监测一氧化氮浓度和氯化氢浓度的测量方法，其特征在于所述二极管激光器(4)的技术参数为功率为0.7～0.9mW。
7.根据权利要求2所述的同时监测一氧化氮浓度和氯化氢浓度的测量方法，其特征在于所述计算机(8)内含有根据Beer-Lambert定律编写的软件，它能分析、计算和显示一氧化氮的浓度和氯化氢气体的浓度。
全文摘要
同时监测一氧化氮和氯化氢气体浓度的装置及其测量方法，它涉及的是二极管激光光谱应用技术领域，它是为了解决如何利用一台二极管激光器同时测量一氧化氮气体浓度和氯化氢气体浓度的问题。本发明的锯齿波发生器1输出的锯齿波输入到电流控制器2中，2把叠加锯齿波的电流信号输入到二极管激光器4中，4输出光强可调的激光，上述激光通过第一凸透镜5变成平行光后在通过被测的一氧化氮和氯化氢的混合气体9、第二凸透镜6后聚焦入射到探测器7的接收端，7将激光信号数据输入到计算机8中。本发明能同时对一氧化氮的浓度和氯化氢的浓度进行实时监测，并具有体积小、成本低、稳定性好、维护简单的优点。
文档编号G06F19/00GK1766573SQ200510010428
公开日2006年5月3日 申请日期2005年10月14日 优先权日2005年10月14日
发明者张云刚, 张治国 申请人:哈尔滨工业大学