用于检测宽带吸收气体物质的同时积分腔输出光谱和衰荡测量制造技术

提供了用于测量在其中具有至少一种宽带吸收体组分和至少一种锁定组分的混合组分气体中的组分的值的系统和方法。所述系统使用积分腔输出光谱和腔衰荡光谱的组合来确定光谱仪的腔中的组分的测量值。当激光器调谐范围的光谱宽度被所述腔中的宽带吸收体的吸收带重叠时，在存在所述至少一种宽带吸收体组分和参考浓度值的情况下的腔衰荡被用来确定组分测量值。

Simultaneous integrated cavity output spectrum and ring down measurement for the detection of wide-band absorption gas substances

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于检测宽带吸收气体物质的同时积分腔输出光谱和衰荡测量相关申请交叉引用本申请根据35U.S.C.§365(c)要求2017年11月1日提交的美国专利申请No.15/800,582的权益和优先权，其公开内容在此通过引用被整体并入本文中。
本申请涉及积分腔输出光谱和腔衰荡测量及此类光谱的多模式使用。
技术介绍
腔衰荡光谱(CRDS)是用于小型光学吸收体的检测和定量的强有力工具。大多数CRDS仪器使用单模衰荡而不是多模以最大化灵敏度。然而，存在其中要求低成本、适度灵敏度，但必须保持激光波长以确保准确且无干扰测量的许多应用。此应用的一个示例是在下一代气体绝缘开关装置中宽带吸收体物质的测量。此外，随着SF6替代物开始变得被公用事业采用，对能够量化诸如气体组分的浓度的测量的调试和服务设备的需求在增加。即便如此，CRDS要求准确的波长以确保激光衰荡事件发生在正确的波长。CRDS仪器为此目的典型地使用昂贵且复杂的波长监视器。
技术实现思路
一种用于确定混合组分气体中组分的测量值的系统，该混合组分气体中具有至少一种宽带吸收体组分和至少一种锁定组分。该系统具有：用于接收混合组分气体物质的腔；用于在腔中提供特定光谱位置和宽度的光束的激光器，激光器被配置成在光谱宽度上被调谐，其中激光器调谐范围的光谱终点相对于该至少一种锁定组分的吸收线的波长和频率被锁定；用于在腔内提供光束的反射的多个镜子；用于测量光束的检测器；以及处理单元，用于基于在存在该至少一种宽带吸收体组分的情况下基于腔衰荡来确定组分的测量值和在腔不含该至少一种宽带吸收体组分时确定参考浓度值；并且其中该激光器调谐范围的光谱宽度与腔中的宽带吸收体的吸收带重叠，并且其中在腔衰荡期间光射出腔时，确定由于宽带组分的吸收而导致的时间光强度降低。一种用于确定气体混合物中宽带吸收体组分的测量值的方法，具有以下步骤：在由至少一个镜子限制的腔中反射光束，腔含有宽带吸收体组分和存在于混合组分气体中的至少一种锁定组分；测量在腔中光束在与气体混合物相互作用后的吸光度；由处理器确定混合组分气体中的该至少一种锁定组分的至少一个吸收峰；相对于该至少一种锁定组分的吸收峰的波长和频率，锁定光束的光谱位置；在宽带吸收体组分以至少一个衰荡痕迹(ringdowntrace)值的形式吸收辐射时测量光强度随时间的衰减；并且由处理器基于在存在宽带吸收体组分的情况下的衰荡痕迹和在没有宽带吸收体组分的情况下表示腔的衰荡的腔参考值来确定宽带吸收体组分的测量值。一种用于确定气体混合物中宽带吸收体组分的测量值的方法，该方法具有以下步骤：在由至少一个镜子限制的腔中反射光束，腔含有气体混合物，其具有存在于混合组分气体中的宽带吸收体组分；将锁定组分注入腔中的混合组分气体；测量在腔中在光束在与气体混合物相互作用并且通过镜子射出腔时光束的吸光度；由处理器确定混合组分气体中的该至少一种锁定组分的至少一个吸收峰；相对于该至少一种锁定组分的吸收峰的波长和频率，锁定光束的光谱位置；在宽带吸收体组分以至少一个衰荡痕迹的形式吸收辐射时测量光强度随时间的衰减；并且由处理器基于在存在宽带吸收体组分的情况下的衰荡痕迹和在没有宽带吸收体组分的情况下表示腔的衰荡的腔参考值来确定宽带吸收体组分的测量值。附图说明在附图中，图示了结构实施例，其与下面提供的详细描述一起，使用借助于其窄带吸收线由宽带吸收体的更宽吸收线调节的锁定组分而用于衰荡测量的激光波长的锁定，描述了组合的积分腔输出光谱(ICOS)和CRDS的示例性实施例。本领域普通技术人员将领会到，附图中图示的单个组件可以被设计为其它实施例中的多个组件，和/或附图中图示的多个组件可以被设计为其它实施例中的单个组件。进一步，在附图和随后的描述中，相似的部件在全部附图和书面描述中分别通过相同的附图标记来指示。附图没有按比例绘制，并且为便于说明而夸大了某些部分的比例。图1描绘了带有指数拟合的示例衰荡痕迹；图2描绘了示例积分腔输出光谱；并且图3描绘了在传输空间中的混合衰荡ICOS光谱的图；图4描绘了1,1,1,3,4,4,4-七氟-3-(三氟甲基)-2-丁酮)(1,1,1,3,4,4,4-heptaflouro-3-(trifluoromethyl)butan-2-one))的近红外吸收光谱；图5描绘了在近红外区(7079cm-1附近)中的示例水和1,1,1,3,4,4,4-七氟-3-(三氟甲基)-2-丁酮)吸收光谱及衰荡痕迹，示出了在关闭激光器之后的衰荡衰减；图6A和6B是使用不同斜坡长度在多个衰荡探针位置处的衰荡测量的图，图6B中的衰荡比图6A中的衰荡更早发生；图7是使用结构化吸收体来测量浓度而不直接测量τ0的示例；并且图8是用于确定在其中具有至少一种宽带吸收体组分的混合组分气体中的组分的测量值的积分腔衰荡光谱系统的框图。具体实施方式腔衰荡光谱(CRDS)要求准确的波长以确保激光衰荡事件发生在正确的波长。CRDS仪器典型地使用昂贵和复杂的波长监视器来将波长锁定到正确值。本文中呈现的方案不要求此类设备，而是转而利用一或多个附近窄带吸收体(<10GHz)来维持一致的衰荡波长。使用积分腔输出光谱(ICOS)来测量附近的窄带吸收体的峰位置，并且将所测量的峰位置用作在维持衰荡波长位置的比例/积分/微分(PID)环路中的反馈。通过将衰荡波长放置在感兴趣的窄带或宽带吸收体上方，可以准确地量化吸收体。通过维持衰荡波长，避免了由于可变吸收体深度引起的测量不准确性。在一些实施例中，除PID之外的位置反馈方案可被用来使用窄带吸收来锁定衰荡探测频率。例如，可以使用仅比例(P)、比例/积分(PI)、比例/微分(PD)或模糊逻辑反馈方案作为PID的替代。此外，通过固定波长并校正窄带吸收体的拟合浓度，最小化或消除与附近窄带吸收体有关的干扰。在下一代气体绝缘开关装置中发现了能够受益于宽带吸收体组分的此类测量的应用。腔增强吸收光谱(CEAS)被广泛用来量化痕量气体，在环境科学、工业过程控制、医学、国防和其它领域中找到应用。典型地，CEAS使用至少两个高反射率镜子来捕获样品腔中的光。光在腔内被来回反射，产生了非常长的有效路径长度并且增加了在光与物质之间的相互作用路径长度。这样，弱吸收体的光学吸收能够被检测到并且用来量化测量，诸如极低浓度或弱吸收气体的浓度、气体的分压和数密度。目前有CEAS的两种主要方法：CRDS和ICOS。参考图1，CRDS是第一代CEAS方法，其中光被注入到腔中，并且随后诸如激光器或发光二极管的光源被突然关闭。在光源被关闭之后，腔内的光能由于气体中和镜面表面的吸收、散射或透射而开始衰减。所测量的光强度的衰减11遵循指数形式并且被称为衰荡(ringdown)。指数衰减11的时间常数由τ表示并且能够从等式1计算：其中L是腔长度，R是镜面反射率，并且α是每单位长度的吸收。进一步地，气体的浓度能够通过等式2求出：其中a1是校准常数，c是光速本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于确定混合组分气体中的一或多种组分的测量值的系统，所述混合组分气体包括至少一种宽带吸收体组分和至少一种锁定组分，所述系统包括：/n用于接收所述混合组分气体的腔；/n用于在所述腔中提供特定光谱位置和宽度的光束的激光器，所述激光器被配置成在激光器调谐范围上被调谐，其中所述激光器调谐范围的光谱终点相对于所述至少一种锁定组分的吸收线的波长和频率被锁定；/n用于在所述腔内提供所述光束的反射的多个镜子；/n用于测量所述光束的检测器；以及/n处理单元，其用于(i)在存在所述至少一种宽带吸收体组分的情况下基于腔衰荡来确定一或多种组分的所述测量值，和在所述腔不含所述至少一种宽带吸收体组分时确定参考浓度值；并且(ii)在所述激光器调谐范围的光谱宽度被所述腔中的所述至少一种宽带吸收体的吸收带重叠时，确定在腔衰荡期间光射出所述腔时由于所述至少一种宽带组分的吸收而导致的时间光强度降低。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171101 US 15/800,5821.一种用于确定混合组分气体中的一或多种组分的测量值的系统，所述混合组分气体包括至少一种宽带吸收体组分和至少一种锁定组分，所述系统包括：
用于接收所述混合组分气体的腔；
用于在所述腔中提供特定光谱位置和宽度的光束的激光器，所述激光器被配置成在激光器调谐范围上被调谐，其中所述激光器调谐范围的光谱终点相对于所述至少一种锁定组分的吸收线的波长和频率被锁定；
用于在所述腔内提供所述光束的反射的多个镜子；
用于测量所述光束的检测器；以及
处理单元，其用于(i)在存在所述至少一种宽带吸收体组分的情况下基于腔衰荡来确定一或多种组分的所述测量值，和在所述腔不含所述至少一种宽带吸收体组分时确定参考浓度值；并且(ii)在所述激光器调谐范围的光谱宽度被所述腔中的所述至少一种宽带吸收体的吸收带重叠时，确定在腔衰荡期间光射出所述腔时由于所述至少一种宽带组分的吸收而导致的时间光强度降低。


2.根据权利要求1所述的系统，其中所述激光器被锁定在对应于所述至少一种锁定组分的光谱峰的光谱终点。


3.根据权利要求1所述的系统，其中所述激光器被锁定在对应于所述至少一种锁定组分的光谱波谷的所述光谱终点。


4.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其中一或多种组分的所述测量值选自由以下各项组成的群组：一或多种组分的浓度、一或多种组分的分压、至少一种组分的数密度，及所述前述测量值的任何组合。


5.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其中所述激光器被配置成在包含所述至少一种锁定组分的至少一个光谱峰的光谱宽度上被调谐，并且其中通过调整激光器特性值，所述激光器调谐范围的偏移相对于所述锁定组分吸收线被锁定，以维持和控制所述激光器的偏移频率位置。


6.根据权利要求5所述的系统，其进一步包括用于控制所述激光器调谐范围偏移的反馈环路中的PID控制器和模糊逻辑控制器之一。


7.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其中所述处理单元被配置成使用来自窄带吸收体的拟合浓度，为由于来自所述至少一种锁定组分的重叠吸收而导致的任何交叉灵敏度校正所述至少一种宽带吸收体组分的浓度。


8.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其中所述至少一种锁定成分选自以下各项组成的群组：H2O、CO2、CH4、N2O、O2、O、O3、NO2、NO、HF、CO、NH3、H2S、HCl、C2H6、C2H4、C2H2、H2O2、OCS、SO2、SO3及COCl2。


9.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其中所述至少一种宽带吸收体组分是分子物质，所述分子物质在其光学吸收谱中具有至少一个光谱吸收特征并且具有在低压下大于产生所述光束的所述激光器的所述激光器调谐范围的光谱宽度。


10.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其中所述激光器的波长在近红外光谱区中被调谐，并且其中所述至少一种宽带吸收体组分的吸收带与所述至少一种锁定组分的至少一条吸收线重叠。


11.一种用于确定气体混合物中宽带吸收体组分的测量值的方法，所述方法包括：
在由至少一个镜子界定的腔中反射光束，所述腔含有所述宽带吸收体组分和存在于所述气体混合物中的锁定成分；
测量在所述腔中所述光束与所述气体混合物相互作用后的吸光度；
由处理器确定所述气体混合物中的所述锁定组分的吸收峰；
相对于所述锁定组分的所述吸收峰的波长和频率，锁定所述光束的光谱位置；
在所述宽带吸收体组分吸收辐射时，以衰荡痕迹的形式测量光强随时间的衰减；并且
由所述处理器基于(i)在存在所述宽带吸收体组分的情况下的所述衰荡痕迹和(ii)表示在不存在所述宽带吸收体组分的情况下的所述腔的衰荡的腔参考值，确定所述宽带吸收体组分的所述测量值。


12.根据权利要求11所述的方法，其中所述测量值选自由以下各项组成的群组：所述宽带吸收体组分的浓度、所述宽带吸收体组分的分压、所述气体混合物中所述宽带吸收体组分的数密度及其组合。


13.根据权利要求11所述的方法，其中所述腔在两个相对端...

【专利技术属性】
技术研发人员：约翰·B·利恩，阿克塞尔·克拉梅尔，旭·杜，
申请(专利权)人：ABB瑞士股份有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH