进行水汽测定的可调谐二极管激光吸收光谱的制作方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]气体吸收光谱通常依靠将光束传输通过样品并且检测在感兴趣物种的特定光谱吸收特征的波长处的吸收，来测量气体样品中感兴趣物种的存在和/或浓度。通常地，该特征是吸收谱线，该吸收谱线表示光的对应于感兴趣气体的分子的振动跃迀、旋转跃迀或电子跃迀的频率。可调谐二极管激光器提供了用于这种气体吸收光谱测量的许多优点，该优点在于，激光器可以被调谐到光谱特征的中心，并且生成关于光谱特征的宽度的窄带信号。
[0002]因而，激光吸收光谱可以提供高速的和相对较高精度的能力，用于在对其它气体种类或成分具有相对较低的交叉灵敏度情况下，在大气压力下检测气体样品中的各种微量气体种类。可调谐二极管激光光谱仪特别适合于较高灵敏度的研宄，部分地因为该可调谐二极管激光光谱仪可以被调制频率，以减少较低频率的激光噪声和电子噪声。总的来说，激光光谱仪将包括频率可调谐激光器，该频率可调谐激光器生成照射输出光束，该照射输出光束被引导通过包括气体样品的样品室。输出光束然后被引导到光学探测器，该光学探测器的信号被解调，以获得吸收感应信号。该吸收感应信号可以用于识别气体样品中的一个或多个感兴趣物种。
[0003]在一些应用中，重要的是，使用可调谐二极管激光吸收光谱仪，来检测诸如天然气之类的气体样品中的微量水分含量。在该情况下，由于大气水分，检测可能受到光谱干扰的限制。存在于光谱仪的光程中的、在样品室外侧的大气水分或任何残余水分可能导致测量误差。因为在气体样品中可能需要被检测的水分含量经常低于百万分之一，因此范围从百万分之7，000-30，000的大气水分含量可以生成极大的测量误差。在对气体样品中的微量水分含量的检测中另一重要的限制是，在激光束传输光学器件附近引起的激光噪声和光学噪声还可能限制光谱仪的敏感度和精确度。
[0004]提供了一种设备和方法，可以提供具有改进的精确度和灵敏度的可调谐二极管激光吸收光谱，该方法能够基于在激光束传输光学器件中引起的激光源噪声/光学噪声和/或大气水分，来调节或以其它方式补偿感兴趣气体样品的微量水分检测。
【发明内容】
[0005]提供了一种气体吸收光谱系统和方法。密封腔中设置有参考气体，该参考气体具有已知的水分浓度。照射光源被设置在密封腔中，并且被构造成用于生成照射光束。测量室联接到密封腔，并且被构造成用于暴露给气体样品，使得穿过测量室的照射光穿过气体样品。处理窗口被设置在密封腔和测量室之间。处理窗口被构造成用于接收来自照射光源的照射光束，并且反射照射光的第一部分，同时允许照射光的第二部分传输进入测量室中。参考探测器被设置成用于接收照射光的第一部分并且提供参考探测器信号。测量探测器被设置成用于在照射光的第二部分已经传输通过测量室之后接收照射光的第二部分，并且提供测量探测器信号。控制器连接到参考探测器和测量探测器，并且被配置成用于基于参考探测器信号和测量探测器信号来提供经补偿的水分输出。
【附图说明】
[0006]图1是根据本发明的实施例的可调谐二极管激光吸收光谱系统的图解视图。
[0007]图2是光线跟踪示意图，图示了根据本发明的实施例的收发器单元和可调谐二极管激光吸收光谱系统的对应的探测器的光学布局。
[0008]图3是使用根据本发明的实施例的可调谐二极管激光吸收光谱系统来检测气体样品中的微量水分的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0009]本发明的实施例总体上提供了一种系统和方法，该系统和方法消除了或以其它方式减少了存在于激光束传输体积中的残余水分以及其它误差源的影响，该误差源例如为在激光束传输光学器件中引起的激光源噪声和/或光学噪声。另外，在可调谐二极管激光吸收光谱系统的激光束传输空间中被捕获的残余水分可以用于系统的稳定化和自校准。
[0010]图1是根据本发明的实施例的可调谐二极管激光吸收光谱系统的图解视图。系统100包括联接到测量室104的激光头102，测量室104包含感兴趣过程气体样品106。在示出的示例中，感兴趣过程气体样品106是天然气。系统100使用一对探测器、测量探测器108和参考探测器110，以提供多个重要的优点。参考探测器110、测量探测器108、激光器112和控制器105被安装在密封的激光头102中。密封的激光头102中的腔114填充有气体，该气体具有已知的水分浓度(例如，残余水分)。由激光器112生成的激光束从激光器112行进到处理窗口 116。一旦到达处理窗口 116，激光束的一部分传输通过窗口 116而进入测量室104中。激光束的传输通过窗口 116的部分由附图标记118图解地图不。光束118传输通过测量室104的长度，并且然后在反射器120、122处被反射成返回光束124，该返回光束124传输到窗口部分126外而到达测量探测器108。然而，如图1所示，从激光器112传出的光束的一部分还在处理窗口 116处被反射成光束128，光束128被参考探测器110检测到。因而，来自激光器112的光的一部分被反射离开处理窗口 116，并且按照路径C到达参考探测器110。在一个实施例中，处理窗口 126和测量探测器108之间的光程(路径A)被选择，以与处理窗口 116和参考探测器110之间的光程(路径C)相同。
[0011]本文中描述的双探测器方案提供了多个优点。首先，对过程气体(在图示的实施例中为天然气)中的水汽的确定可以通过对测量探测器信号和参考探测器信号的处理而被获得。另外，系统的物理特性允许极大的计算简化。具体地，来自(连接到参考探测器110的)参考信道130的信号被控制器105接收，并且在完成进一步处理之前，被从接收自(耦接到测量探测器108的)测量信道132的信号中减去。该步骤允许控制器105在不依赖于任何过程条件的情况下，监控激光特性中的任何改变。进一步，可以同时地执行对从激光器引起的任何光学噪声(干扰模式)的校正和对路径B中的光学器件的校准。这在许多可调谐二极管激光吸收光谱系统中通常是性能限制因素。更进一步地，可以移除或以其它方式减少由参考气体(残余水分)的吸收对(在示出实施例中为天然气的)过程中水汽含量的确定的作用。该补偿通过图1示出的物理布置而便于进行，其中:路径A的长度等于路径C的长度。进一步，因为参考探测器信号包括来自已知参考气体的吸收信息，因此该参考探测器信号可以用于控制重要的激光参数(如激光频率)，以及用于对保持仪器的工厂校准而言重要的任何参数的修正。这样，在激光头102中被捕获的已知的残余水分浓度可以用于提供对仪器的寿命校准。
[0012]可调谐二极管激光器(TDL) 112连接到激光器控制模块134，该激光器控制模块连接到控制器105，使得激光二极管的频率可被控制器105调谐。在一个实施例中，TDLl 12被安装在露出的T0-5头座(header)上。来自TDL112的光传输通过适当的光束成形孔，并且被非球面准直仪透镜稍微地聚焦。光束的较小部分被反射离开光楔处理窗口 116到达参考探测器110。在传输通过测量室104之后，激光照射光被反射离开位于测量室104的端部中的凹透镜，经由窗口部分126返回到收发器单元。最后，返回的激光照射光落到测量探测器108上。激光器和准直仪透镜之间的距离被选择以在参考探测器和测量探测器上(108、110，分别地)产生光束焦点。该布置减小了系统中的光学构件的数量，这又减小了收发器单元内的光学干扰作用(通常地为在任何可调谐二极管激光器系统中的限制因素)。图1示出的布置的额外的优点是，收发器单元内的参考光程长度和测量光程长度是相等的。尽管本发明的实施例可以在参考光程长度和测量光程长度不相等的情况下被实践，但是所提供的相等的路径长度提供了简化的补偿。在图1示出的实施例中，激光头102被气密密封并且填充有参考气体(例如，包括少量水汽的氮气)。
[0013]来自参考探测器110的信号将包括关于以下各项的信息，即参考路径(图1中的路径C)中的光通量、参考气体吸收、激光频率调制和振幅调制特性以及由激光器组件和准直透镜引入的光学噪声。这些都是相对复杂的作用，该作用难以模拟并且实际上可以以更复杂的关系与彼此相互作用。然而，测量探测器信号又带有关于以下各项的信息，即测量路径(路径A)中的光通量、参考气体吸收、过程气体吸收、激光频率调制和振幅调制特性以及由激光器组件和准直透镜引入的光学噪声。因此，系统中的多个复杂的和难以模拟的作用可以通过使用来自参考信道130的信号而简单地被去除。