[发明专利]利用光声光谱法检测微量水蒸气浓度的方法

说明书

技术领域

本发明属于痕量气体检测技术领域，具体涉及一种利用光声光谱法检测微量水蒸气 浓度的方法，适用于诸如环境监测和食品包装材料的检测。

背景技术

在工业环境和实验室环境等条件下，需要通过检测微量水蒸气浓度来判断设备状况 和产品性能。比如，在电力行业，需要监测高压开关设备中微量水蒸气的浓度，从而判 断高压开关设备是否存在安全隐患；又如在食品包装行业，需要检测食品包装材料的微 量水蒸气透过率，从而分析包装材料的可靠性和密闭性。由于在这些应用场合下，水蒸 气浓度是微量的，一般为几十到几百个ppm体积比，因而要求检测微量水蒸气的传感器 应具备高灵敏度、高精度和高线性度等的性能特点。

针对微量水蒸气的检测，我国环保标准主要定义了三种检测方法：电解法、冷却镜面 法和红外检测方法。

前述的电解法是基于法拉第电解定律。根据法拉第电解原理，析出任何摩尔物质所需 的电量为96485库仑，因此可以由消耗的电量来计算电解的物质量。在微量水蒸气浓度检 测中，被电解的物质是水，当被测的微量水蒸气连续通过电解池时，微量水蒸气被涂敷在 电解池上的五氧化二磷膜层全部吸收并电解。在一定的微量水蒸气浓度和流速范围内，可 以认为微量水蒸气吸收的速度和电解的速度是相同的。这种测量方法要求微量水蒸气必须 全部被吸收，并且流速必须保持恒定，但实际使用过程中这两点很难得到保证，造成检测 精度和稳定性差，并且该种仪器的五氧化二磷膜层使用寿命较短，一般为半年到一年，而 且需要定期进行重新标定，所以此方法不适宜长时间监测使用。

前述的冷却镜面法采用一个金属镜面，气体以一定的流速通过这个金属镜面，此金属 镜面用人工的方法进行冷却，当气体中的微量水蒸气随镜面的冷却达到饱和时，将有水膜 在镜面上形成。镜面上附着的水膜和气体中的微量水蒸气处于动态平衡。此时镜面温度称 为露点温度，由此可以测定微量水蒸气浓度。该检测方法的缺点是响应速度较慢，尤其在 露点-60℃以下，平衡时间甚至达几个小时，而且此方法对样气的清洁性和腐蚀性要求也 较高。

前述的红外检测法是利用微量水蒸气在中红外区域（6.82～9μm）的光吸收进行浓度 测量，当一束恒定的6.82～9μm的红外光通过含有微量水蒸气的介质时，被微量水蒸气 吸收，光通量被衰减，测出衰减速光能量，即可求出微量水蒸气的浓度。该法应用较为普 遍，但测量时必须注重影响测量精度的干扰因素，其中，如水蒸气产生冷凝，会造成检测 结果不精确，并且该方法无法检测低至20000ppm浓度的微量水蒸气。

鉴于上述已有技术，有必要加以探索更为理想的对微量水蒸气浓度检测的方法，为此， 本申请人作了大量而有益的研究，下面将要介绍的技术方案便是在这种背景下产生的。

发明内容

本发明的任务在于提供一种能够检测到PPM级微量水蒸气浓度，并且无需添加任何 化学物质、无需进行二次或多次校准、能够避免其它干扰气体以及水蒸气冷凝现象对微 量水蒸气的检测精度产生影响、灵敏度高及检测精度高和稳定性优异的利用光声光谱法 检测微量水蒸气浓度的方法。

本发明的任务是这样来完成的，一种利用光声光谱法检测微量水蒸气浓度的方法，该 方法首先由红外光源发射出可调光线给斩波器，使斩波器得到一束强度可调制的宽光谱， 该宽光谱经过滤光片后得到波长为2.5-3μm的中红外光谱，同时水蒸气以及参比气体进 入光声池，并且由加热器对光声池加热，在光声池8内形成气态微量水蒸气，控制加热器 对光声池的加热温度；然后将中红外光谱照射到光声池中的所述气态微量水蒸气上，使气 态微量水蒸气在所述波长2.5-3μm处吸收光能并通过分子间碰撞以热的方式释放出所吸 收的能量，该能量使微量水蒸气气体分子通过无辐射跃迁而将所述光能转化为热能，由热 能使微量水蒸气气体温度变化并引起压力波动而产生声波，该声波通过配置在光声池外的 微音器检测并得到光声信号，光声信号一方面由外围模数信号转换器的模数转换电路转换 成数字电信号，数字电信号被送入显示屏供采集数据，采集的数据经公式计算得到微量水 蒸气浓度值，并且在显示屏上显示出最终检测的微量水蒸气浓度；另一方面由数模信号转 换器的数模转换电路转换成工业模拟信号供给用户。

在本发明的一个具体的实施例中，所述的红外光源发射出的可调光线为8W的中红 外光。