一種基於TDLAS的大量程氣化H2O2濃度檢測儀的製作方法

2023-11-06 01:36:32 2

本發明屬於氣化過氧化氫濃度檢測領域，具體涉及一種基於TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)的大量程氣化H2O2濃度檢測儀。

背景技術：

氣化過氧化氫(Vaporized Hydrogen Peroxide，VHP)顧名思義就是氣態的過氧化氫，無色、有刺激性氣味，具有氧化還原作用，對厭氧芽孢桿菌殺滅效果良好。相對於液態過氧化氫，VHP具有更高效的滅菌殺毒效果，早在上世紀九十年代就通過美國環境保護署EPA核准，作為滅菌劑，已經在生物、醫療等領域廣泛應用。

在VHP滅菌消毒過程中，VHP濃度的測量與控制是確保滅菌消毒有效和保護使用者生命健康的關鍵，例如，在無菌檢查中，VHP滅菌濃度測量不準會導致結果假陽性或假陰性，而VHP殘留濃度安全值要低於1ppm，否則會對人體造成不可逆轉的傷害，等等。顯然，VHP濃度的實時準確測量是各領域應用VHP進行滅菌消毒的基礎和前提。目前，VHP濃度測量主要採用電化學傳感器，依賴國外進口，生產商主要為德國的德爾格和英國ATI公司。此類產品不僅價格昂貴、維護成本高，而且存在測量響應滯後、壽命短、高濃度測量易中毒失效等問題。另外，國內相關VHP檢測儀器也是採用進口電化學傳感器作為其關鍵部件，而且測量濃度通常不高於1000ppm，測量範圍較小。為了解決電化學傳感器存在的問題，保證VHP測量的準確性，有必要提出一種快速響應、測量準確可靠、測量範圍大的VHP濃度檢測儀。

可調諧半導體雷射吸收光譜(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)測量技術是一種常見的氣體快速在線測量方法，具有選擇性強、測量精度高，響應快等優點。中國專利授權公告號CN102706832A，授權公告日2014年5月21日，名稱為「一種基於TDLAS-WMS的雷射紅外氣體分析儀」的發明專利，提供了一種波長調製的TDLAS氯化氫、甲烷、一氧化碳和水蒸氣等單組分的氣體分析儀。包括雷射器、雷射器驅動電路、溫度控制電路、帶有光學腔體的光學系統、紅外探測器、強度調製消除電路、鎖相放大電路和數據採集與顯示電路；採用空間雙光路差分檢測法和除法運算電路實現了氣體濃度的精確測量。該技術方案在實現氣體濃度測量的基礎上，消除了雷射光強調製對測量結果的影響。中國專利授權公告號CN103645156A，授權公告日2016年3月2日，名稱為「一種TDLAS氣體檢測方法及系統」的發明專利，提供了一種面向混合氣體濃度的TDLAS氣體檢測方法及系統，主要特點為氣室垂直放置，保證雷射穿透混合氣體各氣體層。該技術方案可以實現單組分氣體測量，也可以實現多組分混合氣體測量，防止出現氣體漏檢的情況，減少混合氣體檢測的誤差。

上述發明專利基於TDLAS技術提出了氣體快速檢測方案，適用於絕大多數種類氣體的濃度快速測量。VHP產生的同時也伴隨著分解，它不僅具有較強的氧化性和腐蝕性，而且在高濃度(1000-2000ppm)情況下，溼度通常超過90％，對TDLAS各元件表面會造成冷凝和腐蝕，雷射光強急劇下降，以至於無法有效探測，測量準確性和穩定性均無法保障。因此，常規TDLAS測量方案無法保證VHP的精確測量，必須對其結構進行創新性設計才能適應高溼度、氧化腐蝕等特殊惡劣環境。

技術實現要素：

本發明的目的是依據朗伯—比爾定律，基於TDLAS和波長調製技術檢測VHP濃度。本發明針對特殊的檢測對象VHP(氧化性、腐蝕性、高溼度)，通過技術創新，改進了常規TDLAS測量方法，從根本上消除了氧化、腐蝕和高溼等多種環境因素對測量結果的影響，具有測量範圍大、測量準確、穩定可靠、響應快等優點。

本發明的技術方案是：一種基於TDLAS的大量程氣化H2O2濃度檢測儀，它包括雷射系統、光學腔鏡、腔鏡防冷凝系統、腔鏡潔淨系統和數據採集與處理系統，可實現0-2000ppm濃度的氣化過氧化氫實時在線檢測，消除了傳統電化學傳感器測量響應滯後、高濃度測量中毒失效等缺陷。雷射系統輸出已準直的周期性低頻掃描的高頻調製窄線寬雷射，作為入射雷射輸入到光學腔鏡內，光學腔鏡為一對高反射鏡構成的腔體，內部充滿待測氣體VHP，入射雷射在內部往返反射多次從光學腔鏡的輸出小孔射出，出射雷射(攜帶有VHP濃度信息)由數據採集與處理系統接收並分析處理，通過自修正濃度算法，避免由於光強下降導致錯誤濃度信號，實時計算並正確顯示VHP濃度值。腔鏡防冷凝系統和腔鏡潔淨系統用於防止鏡片表面液體冷凝和維護鏡片表面潔淨，既保證了測量數據準確性和長期穩定性，又延長了使用壽命、降低了維護成本。

作為優選，所述的雷射系統包含可調諧半導體雷射器、溫度控制模塊、電流驅動模塊和光準直模塊；其中，可調諧半導體雷射器具有輸出線寬窄、功率穩定特點，溫度控制模塊可實現雷射器的高精度、高穩定控制，電流驅動模塊可實現雷射器輸出波長低頻率掃描、高頻率調製；光準直模塊用於雷射的準直輸出。

作為優選，所述的光學腔鏡為一對高反射曲面鏡，一對高反射鏡曲面鏡焦距f相同，沿同一光軸相向分布，鏡面中心距離D滿足：f≤D≤2f；至少存在一個高反射曲面鏡開有小孔，用於入射和出射雷射。

作為優選，高反射曲面鏡表面鍍膜材料為金，金膜外層可選鍍SiO2薄膜，與氣化H2O2保持良好的材料兼容性。

作為優選，所述的腔鏡防冷凝系統包括保溫層、加熱器、恆溫控制器。其主要作用在於提高高反射曲面鏡的鏡面溫度，防止鏡面在高溼度環境下出現冷凝現象。上述的恆溫控制器包括溫度傳感器、溫控電路。恆溫控制器實時監測並顯示鏡面溫度，通過反饋系統調節加熱器電壓、電流，從而實現鏡面溫度穩定控制，保持鏡面溫度高於待測環境溫度，但低於60℃。

作為優選，加熱器採用柔性加熱材料、陶瓷加熱材料或其他加熱材料作為加熱主體，該加熱器經耐高溫膠無縫連接在高反射曲面鏡背面，所述的保溫層覆蓋於加熱器外部。通過對加熱器施加電壓、電流可實現對鏡面的加熱升溫。

作為優選，所述的腔鏡潔淨系統包含過濾乾燥器、氣泵、鏡面潔淨裝置及潔淨控制模塊。其中，過濾乾燥器、氣泵用來提供具有一定壓力的乾燥清潔空氣。

作為優選，鏡面潔淨裝置與鏡面外邊緣密封連接，裝置上均勻設置多個出氣口，潔淨乾燥的氣體從出氣孔平穩流出，在鏡片表面形成一層均勻的氣簾層；鏡面潔淨裝置設有進氣端和出氣端，進氣端依次連接氣泵、過濾器，出氣端可收集多餘的潔淨氣體並連接排氣管輸送至氣體處理系統。

作為優選，所述的數據採集與處理系統包含光電探測器、數據採集卡、二次諧波處理模塊及數據顯示模塊。

作為優選，所述的數據採集與處理系統：首先、建立自修正濃度反演公式V2f為二次諧波信號電壓，VD為無氣體吸收位置處的光強信號電壓實測值，CH2O2為氣化H2O2濃度值，該反演公式加入了光強電壓信號，消除了氣化H2O2高溼度環境下光強變化對濃度測量的影響；然後，在測量過程中，實時獲得V2f和VD短時間內平均值；最後，利用測得的平均值與反演公式，線性插值，計算並顯示氣化H2O2濃度值。

作為優選，為：k和b為實驗校準常數，V2f,b和VD,b分別為二次諧波和光強信號電壓偏置，VD0為無氣體吸收位置處的光強信號電壓初始值，即未出現光強衰減時的光強信號電壓值。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：第一，通過結合TDLAS和波長調製技術，實現了VHP濃度的大量程、高精度、快速檢測；第二，通過引入腔鏡防冷凝系統和腔鏡潔淨系統，消除了在測量過程中鏡片表面水汽冷凝現象，保持了鏡片表面潔淨，降低了冷凝或灰塵對光強的影響，為後續數據準確計算提供了必要保障；第三，採用與VHP兼容性良好的鍍膜材料，即金和二氧化矽，降低了高濃度VHP對鏡片的氧化腐蝕作用，延長了使用壽命；第四，使用具有自修正功能的濃度反演公式，結合V2f和VD平均值，提高了濃度檢測的準確性。另外，相對於其他TDLAS方案，無需引入雙光路差分系統或信號處理模塊，具有結構簡單、成本低等優點。

附圖說明

附圖1為本發明的整體結構示意圖；

附圖2為本發明的雷射系統的結構示意圖；

附圖3為本發明的採集與處理系統的結構示意圖；

附圖4為本發明的光學腔鏡的結構圖；

附圖5為本發明的腔鏡防冷凝系統的結構圖；

附圖6為本發明的腔鏡潔淨系統的結構圖；

圖中：1-雷射系統；2-光學腔鏡；3-腔鏡防冷凝系統；4-腔鏡潔淨系統；5-數據採集與處理系統；101-溫度控制模塊；102-可調諧半導體雷射器；103-電流驅動模塊；104-光準直模塊；201-高反射曲面鏡I；202-高反射曲面鏡Ⅱ；301-保溫層；302-加熱器；303-耐高溫膠；304-溫度傳感器；305-恆溫控制器；401-過濾乾燥器；402-氣泵；403-鏡面潔淨裝置；404-潔淨控制模塊；405-氣體處理系統；501-光電探測器；502-數據採集卡；503-二次諧波處理模塊；504-數據顯示模塊。其中，附圖4中高反射曲面鏡開孔情況多樣，可以兩面高反射曲面鏡同時開孔，可以開偏心孔，組合非常多，這裡不一一列舉，但至少存在一個高反射曲面鏡開孔。附圖5和附圖6為高反射曲面鏡I防冷凝和潔淨系統結構圖，高反射曲面鏡Ⅱ防冷凝和潔淨系統結構圖與附圖5和6相同，但中間無小孔。

具體實施方式

下面通過實施例，並結合附圖，對本發明的技術方案作進一步具體的說明。

實施例1：

如圖1—6所示，一種基於TDLAS的大量程氣化H2O2濃度檢測儀，它包括雷射系統1、光學腔鏡2、腔鏡防冷凝系統3、腔鏡潔淨系統4、數據採集與處理系統5，可實現0—2000ppm大量程VHP濃度的實時快速檢測。

雷射系統1包含溫度控制模塊101、可調諧半導體雷射器102、電流驅動模塊103和雷射準直模塊104，其中，溫度控制模塊101和電流驅動模塊103均為ITC4001，可調諧半導體雷射器102為1410nmDFB雷射器，線寬＜3MHz、功率為10mW，雷射以20Hz的三角波調製疊加4kHz的高頻正弦波調製輸出，輸出雷射經過雷射準直模塊104準直入射到光學腔鏡2中。光學腔鏡2為一對高反射曲面鏡(I，Ⅱ)沿同一光軸相向分布排列而成，採用金或者金+SiO2進行鍍膜，確保其與VHP具備良好的材料兼容性，避免發生氧化腐蝕等現象，一對高反射曲面鏡的焦距f相同，鏡面中心距離D滿足：f≤D≤2f，且至少存在一個高反射曲面鏡開有小孔，用於入射和出射雷射，該實施例中，單獨高反射曲面鏡I開有中心孔201a，用於入射和出射雷射，f＝10cm，D＝18cm，整個光學腔鏡2放置在充滿VHP的環境中。入射雷射在光學腔鏡2內往返反射多次後由高反射曲面鏡I中心孔201a出射，出射雷射被數據採集與處理系統5接收，其主要包含光電探測器501、數據採集卡502、二次諧波處理模塊503及數據顯示模塊504，光強信號經探測、採集、分析後獲得V2f和VD平均值，利用VHP濃度反演公式可獲得並顯示VHP濃度值。其中，k和b為實驗校準常數，V2f,b和VD,b分別為二次諧波和光強信號電壓偏置，VD0為無氣體吸收位置處的光強信號電壓初始值，即未出現光強衰減時的光強信號電壓值。所使用的光電探測器501、數據採集卡502、二次諧波處理模塊503分別為InGaAs探測器、PCI6229、SRS830鎖相放大器。腔鏡防冷凝系統3包括保溫層301、加熱器302、恆溫控制器305，恆溫控制器305包括溫度傳感器304、溫控電路，加熱器302經耐高溫膠303無縫連接在高反射曲面鏡背面，保溫層301覆蓋於加熱器302外部。在VHP測量過程中，通過溫控電路調節加熱器電壓、電流，從而實現鏡面溫度穩定控制，保持鏡面溫度高於待測環境溫度，但最好低於60℃，作用在於提高高反射曲面鏡的鏡面溫度，防止鏡面在高溼度環境下出現冷凝現象。加熱器302採用柔性加熱材料、陶瓷加熱材料或其他加熱材料作為加熱主體，經耐高溫膠303無縫連接在高反射曲面鏡I、Ⅱ背面，外部由保溫層301覆蓋，防止熱量向外散去。腔鏡潔淨系統4包含過濾乾燥器401，氣泵402，鏡面潔淨裝置403，潔淨控制模塊404和氣體處理系統405。鏡面潔淨裝置403為空芯圓環體，與鏡面外邊緣密封連接，裝置上均勻設置多個出氣口和進氣口確保在鏡片表面形成一層均勻的氣簾層3a，鏡面潔淨裝置設有進氣端和出氣端，進氣端依次連接氣泵402、過濾乾燥器401，出氣端可收集多餘的潔淨氣體並連接排氣管輸送至氣體處理系統405，所有模塊由潔淨控制模塊404控制。在VHP測量過程中，腔鏡潔淨系統4提供一定壓力的乾燥清潔空氣，在高反射曲面鏡I，Ⅱ表面形成一層薄薄的氣流層，用來乾燥清潔鏡片表面。

上述具體實施方式用來解釋說明本發明，而不是對本發明進行限制，在本發明的精神和權利要求的保護範圍內，對本發明作出的任何修改和改變，都落入本發明的保護範圍。