根据下文，对测量室104内的气体浓度的计算基于参考探测器110和测量探测器108。首先，执行归一化方法，以对两个信道130、132之间的差值和光通量进行归一化。来自参考信道130的信号自身用来确定和控制重要的激光参数，如激光中心频率和频率调制特性。这些参数可以从参考气体吸收光谱中得出。归一化测量值和参考信号之间的差值然后用于得出测量室中的气体浓度。通过这样做，参考探测器信号和测量探测器信号中的共有组分即参考气体吸收、激光振幅调制特性以及在激光器组件和准直透镜中引起的"共模"光学噪声，被移除。激光器组件和准直透镜中引起的"共模"光学噪声的移除减少了对使用专用"低噪声"准直光学器件和激光器组件的要求，这在提供实用的系统方面是非常重要的因素。
[0014]图2是用于根据本发明的实施例的可调谐二极管激光器吸收光谱系统的光学布置的光线示意图。如图2所示，激光照射光由激光器112生成，然后，该激光照射光在到达处理光楔(wedge) 115上的处理窗口 116之前被准直仪136准直。如图2所示，处理窗口 116的形状将反射光束128聚焦在参考探测器110上。另外，到达处理窗口 116的准直照射光的一部分传输通过处理光楔115而进入过程气体106中。如上关于图1所述，该光束传输通过测量室的长度，并且被反射和返回通过处理窗口 126，处理窗口 126将返回的光束聚焦在测量探测器108上。
[0015]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。方法150在方框152处开始，在方框152处照射光在密封外壳中生成，该密封外壳具有已知的水分成分。在一个实施例中，照射光是被诸如上述的TD1112之类的可调谐二极管激光器生成的激光照射光。在方框154处，在方框152处生成的照射光的一部分被处理窗口反射到参考探测器。被处理窗口反射的照射光未传输进入诸如测量室104之类的测量室中。替代地，被反射的照射光仅在具有已知水分成分的密封外壳中传输。因而，参考探测器的信号指示关于密封外壳、激光频率和振幅调制等的多个变量。该信号可以提供很多有用的信息，该信息可以用于控制或以其它方式设置系统的多个参数。例如，可以至少部分地基于参考探测器信号控制激光频率。另外地，或可替换地，可以基于参考探测器信号确定激光的调制频率。
[0016]在方框156处，在方框152处生成的照射光的一部分传输通过处理窗口而进入测量室中。根据已知的原理，照射光与测量室内侧的气体相互作用。当传输通过测量室的照射光到达其相应的探测器时，测量探测器产生吸收感应信号。然而，吸收感应信号还可以具有由光程中的残余水分、环境水分和共模光学噪声导致的多个不期望的作用。然而，所有的这些不期望的作用还存在于参考探测器信号中。在方框158处，从吸收感应信号中去除参考探测器信号，以提供经补偿的水分输出。
[0017]虽然已经参照优选的实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员将认识到可以在没有脱离本发明的精神和范围的情况下对形式和细节进行改变。尽管已经关于密封在用于寿命校准的激光头中的感兴趣气体(水汽)的受控制量来在总体上描述了本发明的实施例，但是只要这中参考气体的吸收光谱可以从彼此中消除，额外的或可选的感兴趣气体也可以被存储在激光头中。这样，测量头102可以具有用于多种不同的感兴趣气体的寿命校准。
【主权项】
1.一种气体吸收光谱系统，其包括: 密封腔，所述密封腔中具有参考气体，所述参考气体具有已知的水分浓度； 照射光源，所述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，所述测量室联接到密封腔，并且被构造成暴露于气体样品，使得穿过测量室的照射光穿过所述气体样品； 处理窗口，所述处理窗口被设置在密封腔和测量室之间，所述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进入测量室中； 参考探测器，所述参考探测器被设置成用于接收照射光的所述第一部分并且提供参考探测器信号； 测量探测器，所述测量探测器被设置成用于在照射光的所述第二部分已经穿过测量室之后接收照射光的该第二部分，并且提供测量探测器信号；和 控制器，所述控制器连接到参考探测器和测量探测器，所述控制器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湿度输出。2.根据权利要求1所述的气体吸收光谱系统，其中所述处理窗口被构造成用于将被反射的所述第一部分聚焦在参考探测器上。3.根据权利要求1所述的气体吸收光谱系统，其中所述处理窗口被构造成用于将照射光的所述第二部分聚焦在测量探测器上。4.根据权利要求1所述的气体吸收光谱系统，其中所述控制器被配置成从测量探测器信号中减去参考探测器信号。5.根据权利要求1所述的气体吸收光谱系统，其中所述照射光源是可调谐二极管激光器。6.根据权利要求5所述的气体吸收光谱系统，进一步地包括激光器控制电路，所述激光器控制电路将可调谐激光二极管连接到控制器。7.根据权利要求6所述的气体吸收光谱系统，其中所述控制器被配置成用于基于参考探测器信号来选择可调谐二极管激光器的至少一个操作参数。8.根据权利要求7所述的气体吸收光谱系统，其中所述至少一个操作参数是波长。9.根据权利要求7所述的气体吸收光谱系统，其中所述至少一个操作参数是调制频率。10.根据权利要求1所述的气体吸收光谱系统，其中所述系统提供用于水分检测的寿命校准。11.根据权利要求10所述的气体吸收光谱系统，其中所述系统提供用于至少一个额外的感兴趣物种的寿命校准。12.根据权利要求1所述的气体吸收光谱系统，其中从处理窗口到参考探测器的光程长度等于从处理窗口到测量探测器的光程长度。13.一种使用可调谐激光吸收光谱来检测气体样品中的水分的方法，该方法包括下述步骤: 在密封腔中生成照射光； 在处理窗口处反射所生成的照射光的一部分，所述处理窗口将密封腔与测量室分离，其中照射光被反射的部分被传送到参考探测器； 将所生成的照射光的一部分传输进入测量室中，其中被传输进入测量室的照射光与测量室中的气体样品相互作用； 利用测量探测器来检测所生成的照射光的被传输的部分；以及 基于来自参考探测器和测量探测器的信号，来提供经补偿的样品水分含量值。14.根据权利要求13所述的方法，其中提供经补偿的样品水分含量的步骤包括从来自于测量探测器的信号中减去来自于参考探测器的信号。15.根据权利要求13所述的方法，其中反射所生成的照射光的所述一部分的步骤包括将被反射的部分聚焦在参考探测器上。16.根据权利要求13所述的方法，其中所生成的照射光的被传输的部分在测量室的端部处被反射回到处理窗口。17.根据权利要求16所述的方法，其中所述处理窗口被构造成用于将被传输的照射光聚焦在测量探测器上。18.根据权利要求13所述的方法，其中所述照射光是激光照射光。19.根据权利要求18所述的方法，其中基于参考探测器信号控制所述激光照射光的至少一个操作参数。20.根据权利要求18所述的方法，其中所述操作参数是波长。21.根据权利要求18所述的方法，其中所述操作参数是调制频率。
【专利摘要】提供一种气体吸收光谱系统和方法。密封腔中设置有具有已知水分浓度的参考气体。照射光源(112)被设置在密封腔中并被构造成生成照射光束。测量室(104)联接到密封腔并被构造成暴露给气体样品(106)，使得穿过测量室(104)的照射光(118)穿过气体样品(106)。处理窗口(116)被设置在密封腔和测量室(104)之间。处理窗口(116)被构造成接收来自照射光源(112)的照射光束并反射照射光的第一部分(128)，同时允许照射光的第二部分(118)进入测量室(104)。参考探测器(110)被设置成接收照射光的第一部分(128)并提供参考探测器信号。测量探测器(108)被设置成在照射光的第二部分已传输通过测量室(104)后接收照射光的第二部分(124)并提供测量探测器信号。控制器(105)连接到参考探测器(110)和测量探测器(108)，并被配置成基于参考探测器信号和测量探测器信号提供经补偿的水分输出。
【IPC分类】G01J3/42, G01N21/39
【公开号】CN104903704
【申请号】CN201480004033
【发明人】帕维尔·克卢钦斯基
【申请人】罗斯蒙特分析公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2014年6月19日
【公告号】US20140375995, WO2014205207A1