[發(fā)明專利]一種非接觸式海洋溶解高溫氣體監(jiān)測(cè)儀和監(jiān)測(cè)方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810050287.7
• 申請(qǐng)日: 2018-01-18
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108107022A
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-06-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 胡炳樑;劉青松;于濤;張周鋒;李洪波;王雪霽;劉宏;張兆會(huì);毛棟
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所;中國(guó)科學(xué)院大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N21/45
• 分類號(hào): G01N21/45
• 代理公司: 西安智邦專利商標(biāo)代理有限公司 61211
• 代理人: 楊引雪

本發(fā)明屬于海洋光學(xué)探測(cè)領(lǐng)域，提供了一種非接觸式海洋溶解高溫氣體監(jiān)測(cè)儀和監(jiān)測(cè)方法，旨在解決現(xiàn)有接觸式原位探測(cè)技術(shù)無(wú)法適用于深海長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的技術(shù)問(wèn)題。本發(fā)明通過(guò)前置光學(xué)系統(tǒng)對(duì)高溫氣體目標(biāo)的輻射光線進(jìn)行收集，利用窄帶干涉濾光片將對(duì)不同波長(zhǎng)的譜線進(jìn)行分離，然后經(jīng)成像透鏡成像于探測(cè)器上，形成干涉條紋，通過(guò)獲取的干涉條紋即可計(jì)算出高溫氣體的濃度、溫度和壓強(qiáng)，整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程無(wú)需攜帶主動(dòng)光源、能耗低，且為非接觸式測(cè)量，壽命長(zhǎng)，適用于海洋溶解高溫氣體的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，可為熱液的物質(zhì)通量和熱通量研究提供重要依據(jù)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于海洋光學(xué)探測(cè)領(lǐng)域，涉及一種海洋溶解高溫氣體監(jiān)測(cè)儀和監(jiān)測(cè)方法。

背景技術(shù)

海洋活動(dòng)(熱液)釋放的高溫氣體(甲烷、硫化氫、二氧化碳)經(jīng)擴(kuò)散作用先后進(jìn)入海洋和大氣，并對(duì)地球物理、化學(xué)和生物方面產(chǎn)生深刻影響。由于探測(cè)手段的限制和溶解高溫氣體(甲烷、硫化氫、二氧化碳)數(shù)據(jù)的缺乏，導(dǎo)致人們對(duì)熱液的活動(dòng)機(jī)制和環(huán)境效應(yīng)還缺乏足夠的認(rèn)識(shí)?？捎糜谌芙鈿怏w探測(cè)的技術(shù)主要為原位探測(cè)法和實(shí)驗(yàn)室測(cè)量法。較之實(shí)驗(yàn)室測(cè)量法，原位探測(cè)法不需要考慮樣品保真的問(wèn)題，可以獲取更為準(zhǔn)確、連續(xù)、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)。

目前，對(duì)于海洋溶解高溫氣體(甲烷、硫化氫、二氧化碳)的原位探測(cè)法主要有以下幾種方式：

1.基于膜脫氣技術(shù)的探測(cè)法

該技術(shù)是利用滲透膜對(duì)海水進(jìn)行氣液分離后，將高溫氣體引入檢測(cè)腔，然后對(duì)擴(kuò)散在腔內(nèi)的氣體進(jìn)行測(cè)量。該技術(shù)的缺點(diǎn)是滲透膜分離氣體的能力受海水溫度、壓力和氣體濃度影響較大，且滲透膜的結(jié)構(gòu)和材料對(duì)探測(cè)結(jié)果影響較大。另外滲透膜對(duì)氣體的選擇性較差，誤差較大。由于需要進(jìn)樣采樣，滲透膜的使用壽命較短，且其適應(yīng)溫度不超過(guò)50°。

基于該技術(shù)的傳感器依據(jù)測(cè)量原理的不同可以分為半導(dǎo)體氣敏傳感器、紅外吸收光譜傳感器和水下原位質(zhì)譜儀三類。半導(dǎo)體氣敏傳感器的測(cè)量原理是：利用高溫氣體與半導(dǎo)體的氧化反應(yīng)導(dǎo)致半導(dǎo)體電阻下降，根據(jù)探頭的電壓信號(hào)變化判斷滲透到半透膜內(nèi)側(cè)的高溫氣體濃度。紅外吸收光譜傳感器的測(cè)量原理是：每一種高溫氣體都有特有的吸收光譜，當(dāng)光源波長(zhǎng)與高溫氣體的吸收波長(zhǎng)吻合時(shí)，就會(huì)發(fā)生共振吸收，通過(guò)測(cè)量特征波長(zhǎng)處的吸收強(qiáng)度就可以計(jì)算出高溫氣體的濃度。水下原位質(zhì)譜儀的測(cè)量原理是：將樣品在進(jìn)樣系統(tǒng)中加熱使之轉(zhuǎn)化為氣體，待測(cè)氣體進(jìn)入離子源后轉(zhuǎn)化為帶電離子，不同荷質(zhì)比的離子在磁場(chǎng)力作用下分離，利用質(zhì)譜圖分析高溫氣體濃度。

2.基于光纖技術(shù)的探測(cè)法

該技術(shù)不需要進(jìn)樣采樣，直接在光纖外層涂覆一層高溫氣體敏感滲透膜，利用高溫氣體分子與光纖產(chǎn)生的倏逝波的相互作用測(cè)量高溫氣體。該技術(shù)的缺點(diǎn)是高溫氣體敏感滲透膜的材料對(duì)探測(cè)結(jié)果影響較大，由于敏感滲透膜與海水直接接觸，其使用壽命很短。

基于該技術(shù)的傳感器依據(jù)測(cè)量原理的不同可以分為光纖倏逝波樣機(jī)和光纖表面等離子體樣機(jī)兩類。光纖倏逝波樣機(jī)的測(cè)量原理為，利用高溫氣體對(duì)倏逝波的特征吸收峰，根據(jù)吸收強(qiáng)度計(jì)算高溫氣體濃度。光纖表面等離子體樣機(jī)的測(cè)量原理為，利用高溫氣體對(duì)共振波的角度和波長(zhǎng)的影響計(jì)算高溫氣體濃度。

3.基于生物技術(shù)的探測(cè)法

該技術(shù)利用生物的化學(xué)和電化學(xué)反應(yīng)，將生化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過(guò)對(duì)電信號(hào)的處理測(cè)量高溫氣體濃度。該技術(shù)的缺點(diǎn)是，測(cè)量過(guò)程中生物活性和反應(yīng)條件的可控性較差，目前仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。

綜上所述，現(xiàn)有的海洋高溫氣體原位探測(cè)法絕大多數(shù)為接觸式探測(cè)，但其采用的原位接觸式傳感器，壽命短、適用范圍有限，尤其是深海熱液處于高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕性極端條件，采用接觸式探測(cè)傳感器無(wú)法探測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有接觸式原位探測(cè)技術(shù)無(wú)法適用于深海長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種可用于深海長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的非接觸式海洋溶解高溫氣體監(jiān)測(cè)儀和監(jiān)測(cè)方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：