[發(fā)明專利]無(wú)標(biāo)定痕量碳12和碳13二氧化碳?xì)怏w探測(cè)裝置及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810359053.0
• 申請(qǐng)日: 2018-04-20
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108801977B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-09-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王言章;任強(qiáng);陳晨;鄭傳濤;劉志偉;謝洪濤
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 吉林大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N21/39
• 分類號(hào): G01N21/39
• 代理公司: 長(zhǎng)春市吉利專利事務(wù)所(普通合伙) 22206
• 代理人: 李曉莉

1.無(wú)標(biāo)定痕量碳12和碳13二氧化碳?xì)怏w探測(cè)方法，

采用無(wú)標(biāo)定痕量碳12和碳13二氧化碳?xì)怏w探測(cè)裝置，包括ICL帶間級(jí)聯(lián)激光器(1)、反射鏡(2)、多通池(3)、壓力傳感器(4)、光電探測(cè)器(5)、溫度傳感器(6)、鎖相放大器(7)、DSP數(shù)據(jù)采集模塊(8)及ICL激光器電流驅(qū)動(dòng)裝置(9)，

所述ICL帶間級(jí)聯(lián)激光器(1)與ICL激光器電流驅(qū)動(dòng)裝置(9)連接，ICL激光器電流驅(qū)動(dòng)裝置(9)用于驅(qū)動(dòng)ICL帶間級(jí)聯(lián)激光器(1)發(fā)射出紅外光；

所述反射鏡(2)位于ICL帶間級(jí)聯(lián)激光器(1)出射光路上，ICL帶間級(jí)聯(lián)激光器(1)發(fā)射的紅外光經(jīng)過(guò)反射鏡(2)折射進(jìn)入到多通池(3)；

所述多通池(3)內(nèi)充滿待測(cè)氣體，多通池(3)的進(jìn)氣口與配氣裝置相連接,并在多通池(3)的進(jìn)氣口與配氣裝置連接處設(shè)置有壓力傳感器(4)，在多通池(3)側(cè)壁上設(shè)置有溫度傳感器(6)；

所述壓力傳感器(4)用于檢測(cè)多通池(3)內(nèi)部氣壓，壓力傳感器(4)與DSP數(shù)據(jù)采集模塊(8)通信連接，其將采集到的壓強(qiáng)信息傳輸給DSP數(shù)據(jù)采集模塊(8)；

所述溫度傳感器(6)用于檢測(cè)多通池(3)內(nèi)部待測(cè)氣體溫度，溫度傳感器(6)與DSP數(shù)據(jù)采集模塊(8)通信連接，其將采集到的溫度信息傳輸給DSP數(shù)據(jù)采集模塊(8)；

所述光電探測(cè)器(5)用于接收從多通池(3)出射的紅外光，并將紅外光的光功率信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，同時(shí)將電信號(hào)發(fā)送給鎖相放大器(7)；

所述鎖相放大器(7)用于產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電流，驅(qū)動(dòng)電流是由調(diào)制電流和調(diào)諧電流組成，鎖相放大器(7)將其產(chǎn)生的調(diào)制電流和調(diào)諧電流發(fā)送給ICL激光器電流驅(qū)動(dòng)裝置(9)，同時(shí)鎖相放大器(7)接收光電探測(cè)器(5)向其發(fā)送的電信號(hào)并提取電信號(hào)中的一次諧波和二次諧波，并將提取的一次諧波和二次諧波發(fā)送給DSP數(shù)據(jù)采集模塊(8)；

所述ICL激光器電流驅(qū)動(dòng)裝置(9)接收鎖相放大器(7)向其發(fā)送的調(diào)制電流和調(diào)諧電流并進(jìn)行疊加；

其特征在于：包括以下步驟：

A、ICL帶間級(jí)聯(lián)激光器(1)在ICL激光器電流驅(qū)動(dòng)裝置(9)的驅(qū)動(dòng)下發(fā)射出紅外光，紅外光經(jīng)過(guò)反射鏡(2),最后折射到多通池(3)中；

B、紅外光經(jīng)過(guò)折射后進(jìn)入到多通池(3)，多通池(3)里面充滿了CO₂和N₂的混合氣體，壓力傳感器(4)和溫度傳感器(6)分別采集多通池(3)內(nèi)部壓強(qiáng)信息和溫度信息并傳輸給DSP數(shù)據(jù)采集模塊(8)，紅外光從多通池(3)出射之后由光電探測(cè)器(5)進(jìn)行接收，光電探測(cè)器(5)將紅外光的光功率信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，同時(shí)將電信號(hào)發(fā)送給鎖相放大器(7)；

C、鎖相放大器(7)接收光電探測(cè)器(5)發(fā)送的電信號(hào)并進(jìn)行分析和處理，預(yù)先設(shè)置鎖相放大器(7)鎖定信號(hào)的頻率，鎖相放大器(7)提取電信號(hào)中的一次諧波和二次諧波，并將提取的一次諧波和二次諧波發(fā)送給DSP數(shù)據(jù)采集模塊(8)；

D、DSP數(shù)據(jù)采集模塊(8)同時(shí)接收鎖相放大器(7)向其發(fā)送的一次諧波和二次諧波，壓力傳感器(4)向其發(fā)送的壓強(qiáng)信息及溫度傳感器(6)向其發(fā)送的溫度信息，經(jīng)DSP數(shù)據(jù)采集模塊(8)處理后得到待測(cè)氣體濃度，實(shí)現(xiàn)無(wú)標(biāo)定痕量¹²CO₂/¹³CO₂氣體的探測(cè)；

步驟D所述待測(cè)氣體濃度的獲得過(guò)程如下：

根據(jù)比爾朗伯定律，有其中I(λ)是氣體吸收之后的光強(qiáng)，I₀(λ)是初始光強(qiáng)，為吸收系數(shù)，C是待測(cè)氣體濃度，L是吸收路徑的長(zhǎng)度，即總光程，λ是吸收波長(zhǎng)，將比爾朗伯定律展開(kāi)則有

分別提取出一次諧波的光強(qiáng)I_1f(λ)和二次諧波的光強(qiáng)I_2f(λ)，

I_1f(λ)＝nI_o (2)

利用算法對(duì)待測(cè)氣體濃度C進(jìn)行求解，有

其中為單一氣體在吸收線中心的吸收截面，n為光強(qiáng)調(diào)制系數(shù)，J為調(diào)制深度；

N＝C/P (5)

其中P是待測(cè)氣體壓強(qiáng)，N是待測(cè)氣體體積分?jǐn)?shù)比；

的大小與溫度、壓強(qiáng)有關(guān)，

當(dāng)壓強(qiáng)大于1atm時(shí)，滿足Lorenz線形，則的表達(dá)式有

譜線強(qiáng)度S的表達(dá)式為：

其中S₀是溫度為T(mén)₀時(shí)的吸收譜線強(qiáng)度，T₀取273K，k是玻爾茲曼常數(shù)，E″是氣體的低能態(tài)能量,T是待測(cè)氣體溫度；

Δν_L是Lorenz線形下的譜線半寬，表達(dá)式為：

其中Δν₀是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的譜線半寬，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)是壓強(qiáng)為P₀及溫度為T(mén)₀，P₀為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，T₀為273K，P是待測(cè)氣體壓強(qiáng)，T是待測(cè)氣體溫度；

當(dāng)壓強(qiáng)小于0.01atm時(shí)，滿足Gaussion線形，則的表達(dá)式有

Δν_D是Gaussion線形下的譜線半寬，表達(dá)式為：

其中M為待測(cè)氣體分子的相對(duì)分子質(zhì)量，ν₀為吸收波數(shù)；

當(dāng)壓強(qiáng)在0.01atm～1atm時(shí)，滿足Voigt線形，則的表達(dá)式有

其中Voigt線形下的譜線半寬Δν和t的表達(dá)是分別為：

其中u是傳輸路徑的光程，若多通池(3)內(nèi)的壓強(qiáng)恒定，則u大小等于L，t為與吸收分子數(shù)目成正比的一個(gè)參數(shù)；

根據(jù)壓力傳感器(4)測(cè)到的待測(cè)氣體壓強(qiáng)P數(shù)值，判斷所測(cè)壓強(qiáng)大小所在的范圍，將待測(cè)氣體壓強(qiáng)P和待測(cè)氣體溫度T代入到其對(duì)應(yīng)的表達(dá)式中，便可求得譜線半寬和譜線強(qiáng)度S,將譜線半寬和譜線強(qiáng)度S代入到對(duì)應(yīng)的表達(dá)式中，便可得到最后將代入到式(4)中，便可求出待測(cè)氣體濃度C，通過(guò)公式(5)即可求出待測(cè)氣體的體積分?jǐn)?shù)比N，上述方法即為無(wú)標(biāo)定痕量¹²CO₂/¹³CO₂氣體探測(cè)的方法。