專利名稱：一種基于掃描法的微水檢測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氣體檢測系統(tǒng)，具體講是一種基于掃描法的微水檢測系統(tǒng)，屬氣體檢測技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
水汽存在多種氣體中，比如空氣，天然氣和氧氣等等。當(dāng)我們把這些氣體用到特定環(huán)境中，我們對這些氣體中的水汽的濃度要求就比較嚴(yán)格了，過多的水汽可能會危機(jī)到生命財(cái)產(chǎn)的安全(1)醫(yī)療行業(yè)病人護(hù)理所使用的壓縮空氣和氣體必須是清潔的和消毒過的。監(jiān)控氣體中主要致污物的濃度指標(biāo)具有生死攸關(guān)的重要性。如果不對濃度進(jìn)行監(jiān)控，將會損壞病人的健康。這些致污物包括氣體中的一氧化碳和二氧化碳，氮氧化物，油和水汽。水汽情況下，有兩個現(xiàn)象需要慎重對待。一是氣體系統(tǒng)中潛在的冷凝，會導(dǎo)致對關(guān)鍵器械中水液體的干擾，以及對氣體系統(tǒng)部分的潛在腐蝕。第二，有害細(xì)菌喜好在高濕度的場合繁殖，過多的水汽冷凝對細(xì)菌的生長有推波助瀾的作用，因而會危及呼吸醫(yī)用氣體的病人。(2) SF6氣體具有良好的絕緣性能和滅弧性能，現(xiàn)階段被廣泛應(yīng)用于高壓電氣設(shè)備中，在正常工況下，是較為理想的絕緣及滅弧介質(zhì)。其工作氣壓和微水含量的高低對設(shè)備的安全可靠工作具有直接的影響，如果SF6氣體泄漏導(dǎo)致密度下降或氣體中微水含量超標(biāo)， 高壓電氣設(shè)備就會存在安全隱患甚至導(dǎo)致事故發(fā)生。因此對SF6高壓電氣設(shè)備氣體密度和微水含量的監(jiān)測一直是相關(guān)行業(yè)對設(shè)備監(jiān)測的一個重要的組成部分。(3)天然氣是當(dāng)今世界上最重要的能源之一。天然氣在向外傳輸之前需要進(jìn)行凈化處理。水分是天然氣中重要的污染物之一，在天然氣的凈化處理和傳輸?shù)母麟A段都需要實(shí)時(shí)監(jiān)測水分含量。過多的水分會導(dǎo)致管道中水化物的形成以及運(yùn)輸管道的腐蝕。這可能導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故以及昂貴的停輸成本。過多的水分也會稀釋天然氣從而降低天然氣的熱值和品質(zhì)。由于天然氣價(jià)格的上漲以及世界各地對天然氣需求的快速增長，液化天然氣的處理和傳輸?shù)玫搅嗽絹碓蕉嗟年P(guān)注。天然氣中的水分在低溫處理設(shè)備中結(jié)冰會損壞液化和壓縮設(shè)備，因此在液化天然氣的預(yù)處理、降溫、加壓等過程中需要精確地監(jiān)測及控制水分含量。種種場合使我們知道了檢測水汽濃度的必要性，傳統(tǒng)的方法有鏡面法、重量法、庫侖電解法、電容法等。這些測量方法有的對環(huán)境條件要求比較高，測量的時(shí)間長，怕污染等， 有的測量時(shí)耗氣量較大，使用時(shí)設(shè)備還需要提前通電通氣干燥，而且重復(fù)性差。如{中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)}第23卷第10期(2003年10月)由李泰軍、王章啟、張挺、劉全志所寫的“SF6 氣體水分管理標(biāo)準(zhǔn)的探討及密度與濕度監(jiān)測的研究”即屬于此列。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足和缺陷，本發(fā)明提出了一種基于掃描法的微水檢測系統(tǒng)，通過氣體吸收后的透射光強(qiáng)和輸入光強(qiáng)的比值測出水汽的濃度。本發(fā)明的技術(shù)方案是按以下方式實(shí)現(xiàn)的一種基于掃描法的微水檢測系統(tǒng)，包括DFB激光器、1 耦合器、氣室、光電探測器、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)、鋸齒波發(fā)生電路、溫控電路和電流驅(qū)動電路，其特征在于DFB激光器的輸出端經(jīng)其尾纖接入1 耦合器；1 耦合器后面分別經(jīng)普通光纖連接兩路光路，其中一路為光電探測器，另一路為氣室跟光電探測器的串接光路，兩光路中的光電探測器的輸出端分別電連接到數(shù)據(jù)采集卡上，數(shù)據(jù)采集卡的輸出端和計(jì)算機(jī)相連接；鋸齒波發(fā)生電路連接到電流驅(qū)動電路并和DFB激光器相連接；溫控電路連接到DFB激光器以控制DFB激光器的溫度保持恒定。所述的DFB激光器采用波長為1370nm的DFB激光器。上述DFB激光器是英文Distributed Feedback Laser的縮寫，即分布式反饋激光器，它內(nèi)置了布拉格光柵(Bragg Grating)，屬于側(cè)面發(fā)射的半導(dǎo)體激光器。DFB激光器最大特點(diǎn)是具有非常好的單色性(即光譜純度)。本發(fā)明檢測系統(tǒng)的工作過程如下DFB激光器出射的激光經(jīng)過尾纖進(jìn)入1 耦合器，被分成了兩路，一路直接進(jìn)入光電探測器，另一路進(jìn)入氣室，一部分光強(qiáng)被水汽吸收，從氣室出來的光進(jìn)入再進(jìn)入光電探測器，這兩路光信號最后都被轉(zhuǎn)換成電信號，最后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡，對他們進(jìn)行信息數(shù)據(jù)采集，也就是對入射光強(qiáng)和經(jīng)過氣體吸收后的透射光強(qiáng)進(jìn)行采集，再對他們進(jìn)行相除等計(jì)算，取吸收峰值處的光強(qiáng)比值，由朗伯定律最終求出水汽的濃度。溫控電路控制DFB激光器的恒定溫度，使激光器輸出波長不受溫度影響，再通過電流驅(qū)動電路和鋸齒波發(fā)生電路控制激光器的掃描頻率，使其的掃描范圍大于被測氣體吸收譜線的寬度范圍。本發(fā)明的具體作用原理如下任何介質(zhì)，對各種波長的電磁波能量會或多或少地吸收，完全沒有吸收的絕對透明的介質(zhì)是不存在的.氣體也不例外，對一定波長的光也有吸收.每種氣體分子都有自己的吸收譜特征，不同分子結(jié)構(gòu)的氣體對所吸收的光的波長不同·其中最基本的原理就是Beer-Lambert定律I = I0exp [- α (V) CL]其中，式中I為光通過介質(zhì)吸收后的透射光強(qiáng)；I0入射介質(zhì)的光強(qiáng)(入射到介質(zhì)上的光強(qiáng)即未經(jīng)介質(zhì)吸收的光強(qiáng))；α (V)為氣體吸收系數(shù)，即氣體在一定頻率V處的吸收線型；C為氣體濃度；L為氣體吸收路徑的總長度。當(dāng)χ比較小時(shí)，e_x ^ 1-x，所以上式可經(jīng)計(jì)算得出C = (1"Ι/Ι0)/(α (ν)L)在一定的溫度、壓強(qiáng)和光的頻率下，α (V)可以通過數(shù)據(jù)庫查出，L可以測出，由此可以看到只要我們在一定溫度和壓強(qiáng)的前提下，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡采集入射光強(qiáng)和透射光強(qiáng)，并經(jīng)過計(jì)算得出透射光強(qiáng)和入射光強(qiáng)的比值，再由朗伯定律計(jì)算就可得出水汽的濃度。因在氣體吸收峰值處，氣體吸收率具有極大值，信號容易被提取，因此通常采用氣體吸收峰來探測氣體的濃度。
由數(shù)據(jù)庫得到，在1365 1370nm波段，水汽分子在1368. 6nm時(shí)具有最強(qiáng)的吸收， 且這一吸收譜線波長附近無背景氣體組分的吸收譜線，從而避免背景氣體組分對被測氣體的交叉吸收干擾，保證測量的準(zhǔn)確性。DFB激光器的發(fā)射波長與溫度和驅(qū)動電流有關(guān)，可以通過調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光器的溫度和驅(qū)動電流來調(diào)制激光波長。我們采用波長為1370nm的DFB激光器，通過調(diào)節(jié)溫控電路，使其輸出波長大約1368. 6nm，通過溫控電路使其溫度不變，消除溫度對激光器輸出波長的影響，在溫度恒定條件下，從分布反饋式半導(dǎo)體激光器(DFB)所發(fā)出的光與其驅(qū)動電流大小近似成線性關(guān)系，再通過電流驅(qū)動電路和鋸齒波發(fā)生電路的驅(qū)動，使激光器成為可調(diào)激光器，并且使激光器的掃描范圍大于被測氣體吸收譜線的寬度，使氣體能夠充分吸收光， 得到吸收峰值。最后經(jīng)過光電探測器，使入射光強(qiáng)和透射光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡對這兩種信號進(jìn)行采集，在計(jì)算機(jī)上經(jīng)過精密的計(jì)算，取吸收峰值出的比值，由朗伯定律得出氣體的濃度。本發(fā)明具有以下的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明通過光纖進(jìn)行傳感，能抗輻射，抗腐蝕，不受環(huán)境的影響，在高溫惡劣的環(huán)境也可以運(yùn)行，可以消除光源的不穩(wěn)定影響，精確度也比較高，比較靈敏，響應(yīng)時(shí)間比較短，能及時(shí)得到水汽的濃度，操作簡便，無污染，只要改變波長范圍， 這種辦法同時(shí)可以應(yīng)用到其他種類氣體濃度的檢測中去，應(yīng)用十分廣泛。


圖1是本發(fā)明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。其中1、鋸齒波發(fā)生電路，2、電流驅(qū)動電路，3、溫控電路，4、DFB激光器，5、1拉耦合器，6、光電探測器，7、氣室，8、光電探測器，9、數(shù)據(jù)采集卡，10、計(jì)算機(jī)，11、普通光纖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但不限于此。實(shí)施例本發(fā)明實(shí)施例如系統(tǒng)圖1所示包括DFB激光器4、1拉耦合器5、氣室7、光電探測器6、8、數(shù)據(jù)采集卡9、計(jì)算機(jī)10、鋸齒波發(fā)生電路1、溫控電路3和電流驅(qū)動電路2，其特征在于DFB激光器4的輸出端經(jīng)其尾纖接入1 耦合器5 ； 1*2耦合器5后面分別經(jīng)普通光纖 11連接兩路光路，其中一路為光電探測器6，另一路為氣室7跟光電探測器8的串接光路， 兩光路中的光電探測器6、8的輸出端分別電連接到數(shù)據(jù)采集卡9上，數(shù)據(jù)采集卡9的輸出端和計(jì)算機(jī)相10連接；鋸齒波發(fā)生電路1連接到電流驅(qū)動電路2并和DFB激光器4相連接；溫控電路3連接到DFB激光器4以控制DFB激光器4的溫度保持恒定。所述的DFB激光器采用波長為1370nm的DFB激光器。
權(quán)利要求
1.一種基于掃描法的微水檢測系統(tǒng)，包括DFB激光器、1 耦合器、氣室、光電探測器、 數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)、鋸齒波發(fā)生電路、溫控電路和電流驅(qū)動電路，其特征在于DFB激光器的輸出端經(jīng)其尾纖接入1 耦合器；1 耦合器后面分別經(jīng)普通光纖連接兩路光路，其中一路為光電探測器，另一路為氣室跟光電探測器的串接光路，兩光路中的光電探測器的輸出端分別電連接到數(shù)據(jù)采集卡上，數(shù)據(jù)采集卡的輸出端和計(jì)算機(jī)相連接；鋸齒波發(fā)生電路連接到電流驅(qū)動電路并和DFB激光器相連接；溫控電路連接到DFB激光器以控制DFB激光器的溫度保持恒定。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于掃描法的微水檢測系統(tǒng)，其特征在于所述的DFB激光器采用波長為1370nm的DFB激光器。
全文摘要
一種基于掃描法的微水檢測系統(tǒng)，屬氣體檢測技術(shù)領(lǐng)域。包括溫控電路、電流驅(qū)動電路、DFB激光器、鋸齒波發(fā)生電路、氣室、1*2耦合器、光電探測器、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)。其特征在于DFB激光器的輸出端經(jīng)其尾纖接入1*2耦合器；1*2耦合器后面分別經(jīng)普通光纖連接兩路光路，其中一路為光電探測器，另一路為氣室跟光電探測器的串接光路，兩光路中的光電探測器的輸出端分別電連接到數(shù)據(jù)采集卡上，數(shù)據(jù)采集卡的輸出端和計(jì)算機(jī)相連接；鋸齒波發(fā)生電路連接到電流驅(qū)動電路并和DFB激光器相連接；溫控電路連接到DFB激光器上。本發(fā)明具有抗輻射、抗腐蝕、抗電磁干擾的優(yōu)點(diǎn)，能夠在線監(jiān)測，操作簡單，所需的氣體體積小，響應(yīng)時(shí)間短，精度高。
文檔編號G01N21/35GK102226759SQ20111006714
公開日2011年10月26日 申請日期2011年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月21日
發(fā)明者劉永寧, 周國慶, 孔德龍, 宋復(fù)俊, 常軍, 張士聰, 張燕, 王偉杰, 王宗良, 王強(qiáng), 王朋朋 申請人:山東大學(xué)