進行水汽測定的可調(diào)諧二極管激光吸收光譜的制作方法
【專利說明】
【背景技術(shù)】
[0001]氣體吸收光譜通常依靠將光束傳輸通過樣品并且檢測在感興趣物種的特定光譜吸收特征的波長處的吸收，來測量氣體樣品中感興趣物種的存在和/或濃度。通常地，該特征是吸收譜線，該吸收譜線表示光的對應(yīng)于感興趣氣體的分子的振動躍迀、旋轉(zhuǎn)躍迀或電子躍迀的頻率?？烧{(diào)諧二極管激光器提供了用于這種氣體吸收光譜測量的許多優(yōu)點，該優(yōu)點在于，激光器可以被調(diào)諧到光譜特征的中心，并且生成關(guān)于光譜特征的寬度的窄帶信號。
[0002]因而，激光吸收光譜可以提供高速的和相對較高精度的能力，用于在對其它氣體種類或成分具有相對較低的交叉靈敏度情況下，在大氣壓力下檢測氣體樣品中的各種微量氣體種類?？烧{(diào)諧二極管激光光譜儀特別適合于較高靈敏度的研宄，部分地因為該可調(diào)諧二極管激光光譜儀可以被調(diào)制頻率，以減少較低頻率的激光噪聲和電子噪聲。總的來說，激光光譜儀將包括頻率可調(diào)諧激光器，該頻率可調(diào)諧激光器生成照射輸出光束，該照射輸出光束被引導通過包括氣體樣品的樣品室。輸出光束然后被引導到光學探測器，該光學探測器的信號被解調(diào)，以獲得吸收感應(yīng)信號。該吸收感應(yīng)信號可以用于識別氣體樣品中的一個或多個感興趣物種。
[0003]在一些應(yīng)用中，重要的是，使用可調(diào)諧二極管激光吸收光譜儀，來檢測諸如天然氣之類的氣體樣品中的微量水分含量。在該情況下，由于大氣水分，檢測可能受到光譜干擾的限制。存在于光譜儀的光程中的、在樣品室外側(cè)的大氣水分或任何殘余水分可能導致測量誤差。因為在氣體樣品中可能需要被檢測的水分含量經(jīng)常低于百萬分之一，因此范圍從百萬分之7，000-30，000的大氣水分含量可以生成極大的測量誤差。在對氣體樣品中的微量水分含量的檢測中另一重要的限制是，在激光束傳輸光學器件附近引起的激光噪聲和光學噪聲還可能限制光譜儀的敏感度和精確度。
[0004]提供了一種設(shè)備和方法，可以提供具有改進的精確度和靈敏度的可調(diào)諧二極管激光吸收光譜，該方法能夠基于在激光束傳輸光學器件中引起的激光源噪聲/光學噪聲和/或大氣水分，來調(diào)節(jié)或以其它方式補償感興趣氣體樣品的微量水分檢測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]提供了一種氣體吸收光譜系統(tǒng)和方法。密封腔中設(shè)置有參考氣體，該參考氣體具有已知的水分濃度。照射光源被設(shè)置在密封腔中，并且被構(gòu)造成用于生成照射光束。測量室聯(lián)接到密封腔，并且被構(gòu)造成用于暴露給氣體樣品，使得穿過測量室的照射光穿過氣體樣品。處理窗口被設(shè)置在密封腔和測量室之間。處理窗口被構(gòu)造成用于接收來自照射光源的照射光束，并且反射照射光的第一部分，同時允許照射光的第二部分傳輸進入測量室中。參考探測器被設(shè)置成用于接收照射光的第一部分并且提供參考探測器信號。測量探測器被設(shè)置成用于在照射光的第二部分已經(jīng)傳輸通過測量室之后接收照射光的第二部分，并且提供測量探測器信號?？刂破鬟B接到參考探測器和測量探測器，并且被配置成用于基于參考探測器信號和測量探測器信號來提供經(jīng)補償?shù)乃州敵觥?br>【附圖說明】
[0006]圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例的可調(diào)諧二極管激光吸收光譜系統(tǒng)的圖解視圖。
[0007]圖2是光線跟蹤示意圖，圖示了根據(jù)本發(fā)明的實施例的收發(fā)器單元和可調(diào)諧二極管激光吸收光譜系統(tǒng)的對應(yīng)的探測器的光學布局。
[0008]圖3是使用根據(jù)本發(fā)明的實施例的可調(diào)諧二極管激光吸收光譜系統(tǒng)來檢測氣體樣品中的微量水分的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0009]本發(fā)明的實施例總體上提供了一種系統(tǒng)和方法，該系統(tǒng)和方法消除了或以其它方式減少了存在于激光束傳輸體積中的殘余水分以及其它誤差源的影響，該誤差源例如為在激光束傳輸光學器件中引起的激光源噪聲和/或光學噪聲。另外，在可調(diào)諧二極管激光吸收光譜系統(tǒng)的激光束傳輸空間中被捕獲的殘余水分可以用于系統(tǒng)的穩(wěn)定化和自校準。
[0010]圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例的可調(diào)諧二極管激光吸收光譜系統(tǒng)的圖解視圖。系統(tǒng)100包括聯(lián)接到測量室104的激光頭102，測量室104包含感興趣過程氣體樣品106。在示出的示例中，感興趣過程氣體樣品106是天然氣。系統(tǒng)100使用一對探測器、測量探測器108和參考探測器110，以提供多個重要的優(yōu)點。參考探測器110、測量探測器108、激光器112和控制器105被安裝在密封的激光頭102中。密封的激光頭102中的腔114填充有氣體，該氣體具有已知的水分濃度(例如，殘余水分)。由激光器112生成的激光束從激光器112行進到處理窗口 116。一旦到達處理窗口 116，激光束的一部分傳輸通過窗口 116而進入測量室104中。激光束的傳輸通過窗口 116的部分由附圖標記118圖解地圖不。光束118傳輸通過測量室104的長度，并且然后在反射器120、122處被反射成返回光束124，該返回光束124傳輸?shù)酱翱诓糠?26外而到達測量探測器108。然而，如圖1所示，從激光器112傳出的光束的一部分還在處理窗口 116處被反射成光束128，光束128被參考探測器110檢測到。因而，來自激光器112的光的一部分被反射離開處理窗口 116，并且按照路徑C到達參考探測器110。在一個實施例中，處理窗口 126和測量探測器108之間的光程(路徑A)被選擇，以與處理窗口 116和參考探測器110之間的光程(路徑C)相同。
[0011]本文中描述的雙探測器方案提供了多個優(yōu)點。首先，對過程氣體(在圖示的實施例中為天然氣)中的水汽的確定可以通過對測量探測器信號和參考探測器信號的處理而被獲得。另外，系統(tǒng)的物理特性允許極大的計算簡化。具體地，來自(連接到參考探測器110的)參考信道130的信號被控制器105接收，并且在完成進一步處理之前，被從接收自(耦接到測量探測器108的)測量信道132的信號中減去。該步驟允許控制器105在不依賴于任何過程條件的情況下，監(jiān)控激光特性中的任何改變。進一步，可以同時地執(zhí)行對從激光器引起的任何光學噪聲(干擾模式)的校正和對路徑B中的光學器件的校準。這在許多可調(diào)諧二極管激光吸收光譜系統(tǒng)中通常是性能限制因素。更進一步地，可以移除或以其它方式減少由參考氣體(殘余水分)的吸收對(在示出實施例中為天然氣的)過程中水汽含量的確定的作用。該補償通過圖1示出的物理布置而便于進行，其中:路徑A的長度等于路徑C的長度。進一步，因為參考探測器信號包括來自已知參考氣體的吸收信息，因此該參考探測器信號可以用于控制重要的激光參數(shù)(如激光頻率)，以及用于對保持儀器的工廠校準而言重要的任何參數(shù)的修正。這樣，在激光頭102中被捕獲的已知的殘余水分濃度可以用于提供對儀器的壽命校準。
[0012]可調(diào)諧二極管激光器(TDL) 112連接到激光器控制模塊134，該激光器控制模塊連接到控制器105，使得激光二極管的頻率可被控制器105調(diào)諧。在一個實施例中，TDLl 12被安裝在露出的T0-5頭座(header)上。來自TDL112的光傳輸通過適當?shù)墓馐尚慰?，并且被非球面準直儀透鏡稍微地聚焦。光束的較小部分被反射離開光楔處理窗口 116到達參考探測器110。在傳輸通過測量室104之后，激光照射光被反射離開位于測量室104的端部中的凹透鏡，經(jīng)由窗口部分126返回到收發(fā)器單元。最后，返回的激光照射光落到測量探測器108上。激光器和準直儀透鏡之間的距離被選擇以在參考探測器和測量探測器上(108、110，分別地)產(chǎn)生光束焦點。該布置減小了系統(tǒng)中的光學構(gòu)件的數(shù)量，這又減小了收發(fā)器單元內(nèi)的光學干擾作用(通常地為在任何可調(diào)諧二極管激光器系統(tǒng)中的限制因素)。圖1示出的布置的額外的優(yōu)點是，收發(fā)器單元內(nèi)的參考光程長度和測量光程長度是相等的。盡管本發(fā)明的實施例可以在參考光程長度和測量光程長度不相等的情況下被實踐，但是所提供的相等的路徑長度提供了簡化的補償。在圖1示出的實施例中，激光頭102被氣密密封并且填充有參考氣體(例如，包括少量水汽的氮氣)。
[0013]來自參考探測器110的信號將包括關(guān)于以下各項的信息，即參考路徑(圖1中的路徑C)中的光通量、參考氣體吸收、激光頻率調(diào)制和振幅調(diào)制特性以及由激光器組件和準直透鏡引入的光學噪聲。這些都是相對復(fù)雜的作用，該作用難以模擬并且實際上可以以更復(fù)雜的關(guān)系與彼此相互作用。然而，測量探測器信號又帶有關(guān)于以下各項的信息，即測量路徑(路徑A)中的光通量、參考氣體吸收、過程氣體吸收、激光頻率調(diào)制和振幅調(diào)制特性以及由激光器組件和準直透鏡引入的光學噪聲。因此，系統(tǒng)中的多個復(fù)雜的和難以模擬的作用可以通過使用來自參考信道130的信號而簡單地被去除。