CN114526831A - 一种露点霜点温度传感器及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种露点霜点温度传感器及其测量方法，其中方法包括优化气体吸收谱线选择策略并选择适合测量对象的吸收线；光谱模型拟合结合背景吸收修正，提取精确的积分吸光度及光谱洛伦兹展宽；采用双线比值法计算气体温度；根据光谱洛伦兹展宽与气体总压的关系计算得到气体总压；根据积分吸光度计算水汽分压并进行非理想气体修正，然后根据露点/霜点温度与水汽分压的关系，结合压力及温度计算结果获取水汽大气压露点/霜点温度。本发明通过激光光谱方法，同时进行水汽温度、压力及露点/霜点温度的免标定测量，不需要外加温度及压力传感器，不仅能有效提高露点/霜点温度测量的精度，还可以有效减小露点/霜点温度测量系统的复杂度及成本。
Description
技术领域
本发明涉及激光光谱气体传感领域，尤其涉及一种露点霜点温度传感器及其测量方法。
背景技术
露点/霜点温度是指在等压条件下将气体冷却，当气体中的水蒸气冷凝成液态水/冰时的气体温度即为水汽的露点/霜点温度。露点/霜点温度是一个重要的气体状态参数，主要用于表征气体湿度大小。一般情况下，零度以上的凝结温度点称为露点，零度以下的凝结温度点称为霜点。
水汽露点/霜点温度的高精度监测在气象，大气研究，工业过程控制，农业，医疗以及航空航天等领域都具有非常重要的作用。传统的露点温度测量方法主要有毛发湿度计法、干湿球法、阻容法、电子式湿度计、重量法、材料湿敏传感器和冷镜式露点仪等。这些传统的露点测量方法能满足特定使用场景的需要，例如毛发湿度计，干湿球，阻容法，重量法以及电子式湿度计能用于普通大气环境，对精度要求不高等条件；材料湿敏传感器广泛应用于工业过程，具有检测范围广的优点，但是不能用于极低温、极高温及有腐蚀等环境，另外，其需要定期标定和更换；冷镜式露点仪是当前湿度溯源的标准仪器，精度最高，但是只能通过抽气采用方式，测量结果易受到采样管路的影响，另外，由于镜面易受到灰尘等影响，需要定期维护，尤其是在低露点条件下，冷镜式露点仪响应速度慢，无法实现实时快速测量。
基于光学的方法具有非侵入、响应速度快，测量范围广以及精度高等优点。采用基于可调谐二极管激光线吸收光谱(TDLAS)技术进行露点/霜点温度测量还具有结构简单，可小型化等优势。现有技术原理的露点检测系统包含双级气体减压阀、气体流量计、管道过滤器和检测装置。TDLAS检测装置通过将待测气体从管道中抽取至气室，然后再进行检测，管路对水汽的吸脱附会对露点测量结果产生负面影响；另外，虽然系统中设置了调压装置，但测量结果没有考虑温度及压力的影响，因此测量结果精度不高。在温度及压力波段大条件下，测量甚至会出现错误。
发明内容
为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种露点霜点温度传感器及其测量方法。
本发明所采用的技术方案是：
一种露点霜点温度传感器，包括：
可调谐激光器，用于调谐输出预设波长范围的激光，并扫描两条完整的水汽吸收光谱；
光路模块，包括光纤分束器、第一准直器、第二准直器、第一光电探测器和第二光电探测器，所述光纤分束器用于将所述可调谐激光分为第一激光和第二激光；所述第一激光经过所述第一准直器到达所述第一光电探测器；所述第二激光经过所述第二准直器，并穿过待测环境后，到达所述第二光电探测器；
数据采集系统，用于接收所述第一光电探测器和所述第一光电探测器采集到的信号，并根据采集到的信号和光谱模型获取露点/霜点温度结果。
进一步地，所述露点/霜点温度传感器还包括用于驱动所述可调谐激光器的驱动系统，所述驱动系统包括信号发生器、温度控制模块和电流控制模块；
所述信号发生器用于输出锯齿波信号；
所述温度控制模块用于控制所述可调谐激光器温度保持恒定；
所述电流控制模块用于根据所述锯齿波信号调谐所述可调谐激光器的工作电流，从而调谐所述可调谐激光器输出的激光波长。
进一步地，所述可调谐激光器为可调谐二极管激光器，所述可调谐激光器输出激光的中心波长根据实际待测气体浓度范围来确定，在所述中心波长附近有两条气体吸收线，且波长间隔满足能被同时扫描的要求，另外，这两条吸收线的能级差能保证有足够的测温灵敏度。
进一步地，所述第二激光穿过待测环境的光程根据实际测量环境中待测气体浓度范围进行调节；
其中，调节方法为：根据朗博-比尔吸收定律计算吸收光谱，首先确保吸收光谱没有吸收饱和，其次保持尽可能高的信噪比；参考光谱的光程尽可能保持为0，所述参考光谱的光程为所述第一准直器到所述第一光电探测器之间的光程。
本发明所采用的另一技术方案是：
一种露点霜点温度传感器的测量方法，包括以下步骤：
固定可调谐激光器的驱动温度，调节驱动电流，使激光扫描两条完整的水汽吸收线；
测量可调谐激光器的电流调谐特性，建立时域转换到频域的三次多项目模型，并获取模型参数；
设置参考光路和测量光路，其中，测量光路激光穿过待测环境，参考光路中的准直器和光电探测器直接接触；
采用分束器将可调谐激光器输出的激光分为两束激光，分别传输到测量光路和参考光路，并分别测量测量光路和参考光路中的吸收信号；
利用光谱模型对测量的双谱线进行在线拟合，获取光谱洛伦兹展宽和积分吸光度；
基于参考光路的吸收光谱，修正测量光路上的光谱洛伦兹展宽和积分吸光度；
根据修正后的积分吸光度计算气体温度；
根据气体温度以及已知的有效光程长计算待测气体分压，并计算气体总压；
根据气体分压与露点温度的关系以及气体总压计算获得大气压露点/霜点温度。
进一步地，所述光谱模型为部分相关二次速度依赖硬碰撞光谱模型，所述利用光谱模型对测量的双谱线进行在线拟合中采用的拟合算法为L-M算法。
进一步地，通过以下方法修正所述积分吸光度：
将测量光路的吸光度减去参考光路的吸光度，获得实际气体吸收的吸光度。
进一步地，所述根据修正后的积分吸光度计算气体温度，包括：
根据修正后的积分吸光度，采用双线比值法计算气体温度。
进一步地，所述计算气体总压，包括：
根据洛伦兹展宽与气体总压的关系计算气体压力值，作为气体总压。
进一步地，所述根据气体分压与露点温度的关系以及气体总压计算获得大气压露点/霜点温度，包括：
根据光谱获取气体分压并修正气体分压的非理想气体效应；
根据气体分压与露点/霜点温度间的关系以及气体总压，采用插值法计算得到露点/霜点温度。
本发明的有益效果是：本发明仅需使用一台激光器即可实现温度、压力和露点/霜点温度多参数的同步检测，不需要额外的温度及压力传感器即可进行精确的露点/霜点温度测量，可降低传感器成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。
图1是本发明实施例中一种露点霜点温度传感器的结构示意图；
图2是本发明实施例中一种露点/霜点温度反演流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
在本发明中，全文中出现的“露点/霜点”的含义包括露点，或霜点，或露点和霜点同时满足三个并列的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
图1给出了本发明实施例的全激光的露点/霜点温度传感器结构示意图，传感器包含三部分：
(1)激光器及驱动。包括信号发生器，温度和电流控制模块，可调谐二极管激光器1。信号发生器生成锯齿波信号，温度控制器控制激光器温度保持恒定，电流控制器根据锯齿波电流信号，调谐激光器工作电流，从而调谐激光器的波长输出。
(2)光路，包括参考光路和测量光路。二极管激光经光纤2传输到光纤分束器3，将激光分为两束，并经光纤2分别传输到两个准直器4，其中一束光经准直器4后直接由探测器6接收，将这束光路作为参考光路，另一束光经准直器4后穿过待测环境5后由探测器6接收，这束光作为测量光路。
(3)数据采集与处理。跨导放大电路和数据采集器。探测器信号经跨导放大电路转换和放大后，由数据采集器采集并在线处理得到露点/霜点温度结果。
图2给出了基于全激光的露点/霜点温度的数据反演流程。具体步骤如下：
1)根据测量光路和参考光路探测器测量信号与激光器调谐特性，分别获取测量吸收光谱吸光度α1和α2；
2)测量光路与参考光路吸收度相减的方式扣除背景吸收，αeffective＝α1-α2，获取有效的吸收光谱；
3)采用部分相关二次速度依赖硬碰撞光谱模型对测量的有效光谱进行多线在线拟合，拟合采用L-M算法，获取光谱的积分吸光度和洛伦兹展宽；
4)通过积分吸光度，采用双线比值法计算获取温度：
5)获取气体温度后，根据朗博-比尔定律，可获取水汽分压：
然后根据洛伦兹展宽与压强的关系，计算得到气体总压：
其中的光谱参数可参考光谱数据库HITRAN；
6)获取水汽分压后，并根据测量的气体总压，计算大气压下的水汽分压：
然后采用Goff与Gratch方法修正水汽分压：
其中α,β为常数；
7)获取修正后的水汽分压后，根据Murphy-Koop公式，计算露点/霜点温度：
lneS(Td)＝-6763.22/Td-4.210ln(Td)+0.000367Td+tanh{0.0415(Td-218.8)}×...×(53.878-1331.22/Td-9.44523ln(Td)+0.014025Td)+54.842663
其中es(Td)(Pa)为纯水平液面下的饱和水汽分压，Td(K)为露点温度。
lnes(Tf)＝9.550426-5723.265/Tf+3.53068ln(Tf)-0.00728332Tf
其中es(Tf)(Pa)为纯水平冰面下的饱和水汽分压，Tf(K)为霜点温度。
本实施例还提供一种基于全激光的露点/霜点温度传感的方法，该传感方法的特征是采用单只DFB激光器，且不需要额外配置温度及压力传感器。该方法包括如下步骤：
步骤一、设置好激光器的温度及电流，使激光器输出的中心波长扫描两条完整的水汽吸收线；
步骤二、采用标准具对激光器的动态调谐特性进行测量，获取测量信号的时间-频率转换关系，具体步骤如下：
1)、控制步骤1调节好的激光器输出激光垂直穿过石英标准具，获取时间域上的干涉信号；
2)、根据干涉信号中干涉峰的峰位置与采样点(时间)间的对应关系，建立三次多项式模型ν＝a·Sample3+b·Sample2+c·Sample+d描述时间-频率关系，拟合测量数据获取参数a,b,c,d；
步骤三、可调谐二极管激光器发射激光经分束器分为两束，一束穿过待测气体区域并由光电探测器探测接收(测量部)，另一束发射端直接由光电探测器接收端接触(参考部)。根据朗博-比尔吸收定律及步骤二激光器的时间-频率转换关系，计算得到水汽吸收光谱。并通过测量部吸收光谱与参考部吸收光谱相减的方式对测量光谱进行修正；
步骤四、采用部分相关二次速度依赖硬碰撞光谱模型对修正后的吸收光谱线进行多线拟合，获取精确的积分吸光度及洛伦兹展宽；
步骤五、根据双线比值法计算气体温度；
步骤六、根据洛伦兹展宽与压力的关系计算得到气体压力；
步骤七、根据积分吸光度与浓度的关系计算水汽分压；
步骤八、修正水汽分压的非理想气体效应，并根据水汽分压与露点/霜点温度间的关系，计算得到露点/霜点温度。
综上所述，本实施例的传感器与现有技术相比，具有如下有益效果：
(1)与传统激光露点测量方法相比，本实施例不需要额外的温度及压力传感器即可进行精确的露点/霜点温度测量，可降低传感器成本，另外，响应速度可达ms量级，测量范围大，环境适应性强，测量结果免标定。
(2)本实施例仅需使用一台激光器即可实现温度、压力和露点/霜点温度多参数的同步检测，检测能力更强。
(3)本实施例采用全激光的温度、压力和露点/霜点温度同步测量方式，能有效克服温度及压力波动对露点/霜点温度测量的影响，测量结果更可靠，另外，测量装置结构更加简单，更加小型化。
(4)本发明实施例具有操作简单，鲁棒性好等优点，适合普通环境及极端环境水汽露点/霜点温度的原位、免标定测量。
在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种露点霜点温度传感器，其特征在于，包括：
可调谐激光器，用于调谐输出预设波长范围的激光，并扫描两条完整的水汽吸收光谱；
光路模块，包括光纤分束器、第一准直器、第二准直器、第一光电探测器和第二光电探测器，所述光纤分束器用于将所述可调谐激光分为第一激光和第二激光；所述第一激光经过所述第一准直器到达所述第一光电探测器；所述第二激光经过所述第二准直器，并穿过待测环境后，到达所述第二光电探测器；
数据采集系统，用于接收所述第一光电探测器和所述第一光电探测器采集到的信号，并根据采集到的信号和光谱模型获取露点/霜点温度结果。
2.根据权利要求1所述的一种露点霜点温度传感器，其特征在于，所述露点/霜点温度传感器还包括用于驱动所述可调谐激光器的驱动系统，所述驱动系统包括信号发生器、温度控制模块和电流控制模块；
所述信号发生器用于输出锯齿波信号；
所述温度控制模块用于控制所述可调谐激光器温度保持恒定；
所述电流控制模块用于根据所述锯齿波信号调谐所述可调谐激光器的工作电流，从而调谐所述可调谐激光器输出的激光波长。
3.根据权利要求1所述的一种露点霜点温度传感器，其特征在于，所述可调谐激光器为可调谐二极管激光器，所述可调谐激光器输出激光的中心波长根据实际待测气体浓度范围来确定，在所述中心波长附近有两条气体吸收线，且波长间隔满足能被同时扫描的要求，另外，这两条吸收线的能级差能保证有足够的测温灵敏度。
4.根据权利要求1所述的一种露点霜点温度传感器，其特征在于，所述第二激光穿过待测环境的光程根据实际测量环境中待测气体浓度范围进行调节；
其中，调节方法为：根据朗博-比尔吸收定律计算吸收光谱，首先确保吸收光谱没有吸收饱和，其次保持尽可能高的信噪比；参考光谱的光程尽可能保持为0，所述参考光谱的光程为所述第一准直器到所述第一光电探测器之间的光程。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种露点霜点温度传感器的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
固定可调谐激光器的驱动温度，调节驱动电流，使激光扫描两条完整的水汽吸收线；
测量可调谐激光器的电流调谐特性，建立时域转换到频域的三次多项目模型，并获取模型参数；
设置参考光路和测量光路，其中，测量光路激光穿过待测环境，参考光路中的准直器和光电探测器直接接触；
采用分束器将可调谐激光器输出的激光分为两束激光，分别传输到测量光路和参考光路，并分别测量测量光路和参考光路中的吸收信号；
利用光谱模型对测量的双谱线进行在线拟合，获取光谱洛伦兹展宽和积分吸光度；
基于参考光路的吸收光谱，修正测量光路上的光谱洛伦兹展宽和积分吸光度；
根据修正后的积分吸光度计算气体温度；
根据气体温度以及已知的有效光程长计算待测气体分压，并计算气体总压；
根据气体分压与露点温度的关系以及气体总压计算获得大气压露点/霜点温度。
6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述光谱模型为部分相关二次速度依赖硬碰撞光谱模型，所述利用光谱模型对测量的双谱线进行在线拟合中采用的拟合算法为L-M算法。
7.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，通过以下方法修正所述积分吸光度：
将测量光路的吸光度减去参考光路的吸光度，获得实际气体吸收的吸光度。
8.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述根据修正后的积分吸光度计算气体温度，包括：
根据修正后的积分吸光度，采用双线比值法计算气体温度。
9.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述计算气体总压，包括：
根据洛伦兹展宽与气体总压的关系计算气体压力值，作为气体总压。
10.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述根据气体分压与露点温度的关系以及气体总压计算获得大气压露点/霜点温度，包括：
根据光谱获取气体分压并修正气体分压的非理想气体效应；
根据气体分压与露点/霜点温度间的关系以及气体总压，采用插值法计算得到露点/霜点温度。
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