[发明专利]一种高浓度甲烷背景中的微量乙烯气体测量系统及方法

权利要求书

1.一种高浓度甲烷背景中的微量乙烯气体测量方法，其特征在于，该微量乙烯气体测量方法所用的微量乙烯气体测量系统包括工控机(1)、现场可编程门阵列电路(2)、数模转换器(3)、半导体激光器(4)、光纤(5)、光纤准直器(6)、光声池(7)、进气阀(8)、排气阀(9)、光纤传声器(10)、光纤宽带光源(11)、光纤环形器(12)、高速光谱仪(13)、模拟开关(14)、大功率光源驱动电路(15)、中红外宽谱光源(16)、红外滤光片(17)和锁相环(18)；工控机(1)向现场可编程门阵列电路(2)发送控制指令，现场可编程门阵列电路(2)驱动数模转换器(3)产生调制信号，进一步对半导体激光器(4)的电流进行调制，半导体激光器(4)发射的激光依次经光纤(5)和光纤准直器(6)入射到光声池(7)内；大功率光源驱动电路(15)驱动中红外宽谱光源(16)，中红外宽谱光源(16)发射的红外光经红外滤光片(17)入射到光声池(7)内；进气阀(8)和排气阀(9)安装在光声池(7)上，固定在光声池(7)上的光纤传声器(10)用于探测光声池(7)内产生的光声信号；光纤宽带光源(11)发射的宽带光经光纤环形器(12)入射到光纤传声器(10)，被反射回来的信号光再经光纤环形器(12)入射到高速光谱仪(13)；现场可编程门阵列电路(2)产生方波信号后连接到模拟开关(14)的一个模拟输入端；大功率光源驱动电路(15)将调制信号传输给锁相环(18)，经倍频后产生的方波信号连接到模拟开关(14)的另一个模拟输入端；现场可编程门阵列电路(2)控制模拟开关(14)选择其中一个方波信号作为光谱采集触发信号，连接到高速光谱仪(13)；工控机(1)采集高速光谱仪(13)探测到的光谱，进行信号处理和显示；

中红外宽谱光源(16)发射的中红外热辐射光和半导体激光器(4)发射的近红外激光入射到同一个光声池(7)中，分别用于检测乙烯和甲烷，产出的光声信号被光纤传声器(10)探测，测量的甲烷浓度用于修正乙烯的浓度值；步骤如下：

首先，气体通过进气阀(8)进入到光声池(7)，并通过排气阀(9)从光声池(7)排除；工控机(1)向现场可编程门阵列电路(2)发送控制指令，现场可编程门阵列电路(2)驱动数模转换器(3)产生正弦调制信号，对半导体激光器(4)的电流进行调制，半导体激光器(4)发射的波长调制激光经光纤(5)和光纤准直器(6)入射到光声池(7)内；光声池(7)内混合气体中的甲烷吸收激光光能使混合气体发生温度变化，进而产生光声压力波，固定在光声池(7)上的光纤传声器(10)探测光声池(7)内产生的光声信号；光纤宽带光源(11)发射的宽带光经光纤环形器(12)入射到光纤传声器(10)，被反射回来的信号光再经光纤环形器(12)入射到高速光谱仪(13)；现场可编程门阵列电路(2)产生方波信号后连接到模拟开关(14)的一个模拟输入端，现场可编程门阵列电路(2)控制模拟开关(14)将其作为高速光谱仪(13)的光谱采集触发信号；工控机(1)采集高速光谱仪(13)探测到的光谱，采用高速光谱解调法实现对光声信号的检测，根据光声信号中二次谐波分量的幅度计算出甲烷的浓度；

然后，大功率光源驱动电路(15)驱动中红外宽谱光源(16)，中红外宽谱光源(16)发射的强度调制红外光经红外滤光片(17)入射到光声池(7)内，光声池(7)内混合气体中的微量乙烯吸收中红外光产生光声压力波，并被光纤传声器(10)探测；光纤宽带光源(11)发射的宽带光经光纤环形器(12)入射到光纤传声器(10)，被反射回来的信号光再经光纤环形器(12)入射到高速光谱仪(13)；大功率光源驱动电路(15)将调制信号传输给锁相环(18)，经倍频后产生的方波信号连接到模拟开关(14)的另一个模拟输入端，现场可编程门阵列电路(2)控制模拟开关(14)将其作为高速光谱仪(13)的光谱采集触发信号；工控机(1)采集高速光谱仪(13)探测到的光谱，采用高速光谱解调法实现对光声信号的检测，并提取出光声信号中二次谐波分量的幅度；最后，根据已测量出的甲烷的浓度以及式(3)和(4)计算出微量乙烯气体的浓度并显示；

式中，F为高浓度甲烷背景中乙烯测量的修正系数；C_CH4是混合气体中甲烷的浓度，和γ_Air分别是甲烷和空气的热熔比；根据式(3)，需要采用另一个光源对甲烷的浓度进行测量，然后根据乙烯测量的响应度，计算出乙烯气体的浓度

式中，是红外热辐射光源测量混合气体中乙烯的光声信号，是乙烯的响应度，是测量乙烯时池壁吸收产生的固体光声信号；

所述的半导体激光器(4)是波长可调谐激光光源，其中心波长处对应的甲烷的吸收系数小于0.01cm^-1；所述的红外滤光片(17)的中心波长在10.6μm附近，带宽超过100nm。