CN101153832B

CN101153832B - 一种气体取样室

Info

Publication number: CN101153832B
Application number: CN2006100627901A
Authority: CN
Inventors: 李明
Original assignee: Individual
Current assignee: Shenzhen Run Technology Co Ltd
Priority date: 2006-09-26
Filing date: 2006-09-26
Publication date: 2010-07-07
Anticipated expiration: 2026-09-26
Also published as: CN101153832A

Abstract

本发明公开了一种应用于红外气体分析仪(或传感器)领域中、能最大限度地降低灰尘和水汽对测量精度的影响、从而可提高测量精度的气体取样室。其结构包括：取样室腔体，取样室腔体上设置有可让内腔与外界相通的开口，取样室腔体上还设置有可让光线透过的窗口。其特点是：在取样室腔体的内腔中还设置有阻碍光线反射的阻碍装置，如可以使取样室的内腔壁非常粗糙，或者内腔壁由对红外光强烈吸收的材料制成、或在内壁表面涂有强烈吸收红外光的物质、或在取样室腔体内设有阻挡反射光进入红外探测器的反射光阻挡环等等。这样，可使到达红外探测器反射光的比例接近为零，使红外气体分析仪器(或传感器)抗灰尘和水汽干扰的能力得到了提高。

Description

一种气体取样室

技术领域

本发明涉及到红外气体分析仪器领域，尤其涉及到在红外气体分析领域或红外气体传感器领域中所使用到的一种气体取样室。

背景技术

在红外气体分析领域，非色散红外气体分析技术(Non-Dispersive Infrared，NDIR)得到了普遍的应用。非色散红外技术长期以来被认为是用于气体测量的最好方法之一。非色散红外气体分析仪(或传感器)除了具有特别高效的特点外，还具有特别灵敏、稳定、可靠、长寿命及容易维护保养的优点。非色散红外测量技术的主要缺点是结构比较复杂和价格昂贵。气体取样室是非色散红外气体分析领域中常用的零部件。

如图1所示，一个典型的双通道非色散红外气体分析仪包括一个带抛物面反射镜的红外光源1、一个气体取样室2、两个带有不同红外滤光片31、41的红外探测器3和4；在气体取样室腔体21上设置有可让内腔22与外界相通的开口23和24，在取样室腔体21上还设置有可让红外光透过的红外窗口25和26。

测量时，需要测量的气体通过自然扩散或机械泵入的方式从开口23中进入并充满整个气体取样室的内腔22中，需要排出的气体从开口24中排出。从红外光源1(可以是红外灯泡、红外发热元件或红外发光二极管)发出的红外光，通过气体取样室一端的红外窗口25进入取样室内腔22；然后，穿过待测气体和位于另一端的红外窗口26，到达两个红外探测器3和4。由于在两个红外探测器3和4前装有不同波长的窄带红外滤光片31和41——通常一个红外滤光片(假设为31)只能通过不被待测气体吸收的特定波长的红外光、另一个红外滤光片(假设为41)只能通过被待测气体吸收最多的特定波长的红外光，因此，只有两种特定波长的红外光才能透过滤光片31和41后到达两个红外探测器3和4。这样，就可用红外探测器3来跟踪红外光源1的光强变化，用另一个红外探测器4来测量待测气体对红外光的吸收程度。根据比尔-朗伯定律(TheBeer-Lambert Law)，在气压不变的情况下，待测气体对红外光强的吸收程度与该气体在此波长的吸收系数、红外光在气体中经过的长度以及气体的浓度相关。由于前两者是固定的，红外光被吸收程度的变化即可反映了气体的浓度变化。

在这种红外气体测量技术中，窄带红外滤光片取代了红外色散元件，因此，这种技术被称为非色散红外气体测量技术(NDIR)。由于使用了两个红外通道来测量气体的浓度，这种方式被成为双通道测量技术。双通道测量技术的优点是光源的长期变化得以抵消，从而获得较好的长期稳定性。

在这种测量技术中，红外探测器的入射光可以分成来自光源的直射光和来自取样室内壁反射的反射光两部分。为了最大限度地利用红外光源发出的红外光，传统的气体取样室的内壁27都采用红外反射性材料或结构。比如：内壁抛光的金属管，或内壁镀金(或其它耐腐蚀金属)的玻璃管，或内壁镀上金属的塑料注塑件等。利用光滑金属面(或其它高反射性结构)对红外光的高反射率，提高红外探测器的红外入射能量，进而提高红外探测器的信噪比。

这种类型的气体取样室的优点是充分利用了光源发出的红外光，提高了测量的精度，缺点是容易受灰尘和水汽的干扰。光滑金属面上吸附的少量灰尘或水汽，会大大降低金属面对红外光的反射能力。由于红外探测器的入射光有很大一部分是来自取样室内壁的反射光，直射光仅占一小部分。当有灰尘或水汽在内壁吸附时，反射光会受到很大影响，直射光则基本不受影响。由于反射光占的比例很大，红外探测器总入射光的变化也会很大，从而严重影响测量的精度。

灰尘或水汽在气体取样室内壁的吸附不可能完全均匀，而到达两个红外探测器的红外光的反射路径也不可能完全相同。这样，由灰尘或水汽吸附引起的两个通道的红外光变化就难以保持一致。因此，从原理上说，采用反射性内壁的气体取样室难以完全抑制灰尘或水汽对测量结果的不良影响。

为降低灰尘和水汽的干扰，有些仪器采取了某些技术措施来降低这些干扰。如，气体进入取样室前进行过滤以除去气体中夹带的灰尘；通过加热，提高镜面温度，降低水汽在镜面上的吸附；通过冷凝或吸附的办法，除去待测气体中的水汽，等等。但是，在有时长达十多年的使用周期中，在某些现实的使用环境中(如高粉尘环境，高湿度环境，小巧的手持式应用，能量有限的便携式应用等等)，上述措施或者难以采用，或者无法避免水汽和灰尘在取样室内壁的吸附。因此，水汽和灰尘在反射性气体取样室内壁的吸附对测量精度的影响也是不可避免的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：将提供一种最大限度地降低灰尘和水汽对测量精度的影响、从而提高测量精度的气体取样室。

为解决上述技术问题，本发明的技术原理是：最大限度地降低内壁反射光在红外探测器总入射光中所占比例，从而最大限度地降低灰尘和水汽对测量精度的影响。为此，本发明采用如下的技术方案：

所述的气体取样室包括：取样室腔体，取样室腔体上设置有可让腔体内腔与外界相通的开口，取样室腔体上还设置有可让光线透过的窗口。其特点是：在取样室腔体的内腔中还设置有阻碍光线反射的阻碍装置。

上述的阻碍装置的第一种结构为：在取样室腔体的内腔壁上设置有由接近零红外反射率的材料制成的阻碍反射层。具体制作时，可在取样室腔体的内腔壁上涂覆接近零红外反射率的阻碍反射层、或内腔壁直接由接近零红外反射率的材料制成。

所述的阻碍装置的第二种结构为：所述的取样室腔体的内腔壁表面为粗糙化的表面。具体制作时，可对内腔壁表面进行粗糙化、多孔化处理。

所述的阻碍装置的第三种结构为：将上述的第一和第二种结构组合使用。即：在取样室腔体的内腔壁上涂覆有接近零红外反射率的阻碍反射层或内腔壁直接由接近零红外反射率的材料制成，并且对取样室腔体的内腔壁表面进行粗糙化、多孔化处理，使内腔壁表面粗糙化。

所述的阻碍装置的另一种更进一步的结构为：还可在取样室腔体的内腔壁上设置若干个反射光阻挡环。这些反射光阻挡环可以做得很薄，并且可在其外表面也设置有由接近零反射率材料制成的阻碍反射层、以及对其外表面也进行粗糙化处理。同时，在实际制作时，反射光阻挡环的数量、尺寸和位置应与取样室腔体的具体尺寸有关，即，能最大限度地阻挡反射光。

本发明的优点是：在取样室腔体的内腔中设置了阻碍红外光反射的结构后，红外光的反射率会接近零；或者即使有反射，但能进入到红外探测器的反射光接近为零。这样，红外探测器的总入射光中，反射光的比例接近零，反射光的变化对红外探测器总入射光的影响就大大减小；灰尘或水汽对测量精度的影响就能够降到可以接受的范围内，从而提高了红外气体分析仪器(或传感器)抗灰尘或水汽干扰的能力。

附图说明

图1是背景技术中所述的气体取样室的结构原理示意图；

图2是本发明所述的气体取样室第一种实施例的结构原理示意图；

图3是本发明所述的气体取样室第二种实施例的结构原理示意图；

图4是本发明所述的气体取样室第三种实施例的结构原理示意图；

图5是本发明所述的气体取样室第四种实施例的结构原理示意图；

图6是本发明所述的气体取样室第五种实施例的结构原理示意图；

图7是本发明所述的气体取样室第六种实施例的结构原理示意图；

图8是本发明所述的气体取样室第七种实施例的结构原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的描述，但本发明不应仅限于这些实施例。

如图2所示，本实施例中，所述的气体取样室2的结构为：在气体取样室的腔体21上设置有内腔22与外界相通的开口23和24，在取样室腔体21上还设置有可让光线透过的窗口25和26，并且，在取样室腔体21的内腔壁27上设置有由接近零红外反射率材料制成的阻碍反射层——可以由对红外光强烈吸收的材料制成、或者在内表面涂有强烈吸收红外光的物质，并且取样室腔体21的内腔壁27表面为粗糙化或多孔化的表面。

图2所示的气体取样室的使用方法与背景技术中所述的气体取样室的使用方法类似，其不同点是：带抛物面反射镜的红外光源1发出的红外光进入内腔22中后，其反射率几乎为零，即：到达红外探测器3和4的总入射光中，反射光的比例接近零，这样，反射光的变化对总入射光的影响就大大减小。同时，粗糙化或多孔化的表面也使得吸附的灰尘或水汽对反射光的影响大大减弱；两个方面的效应综合起来，灰尘或水汽对测量精度的影响就能够降到可以接受的范围内，从而提高了测量精度。

这种结构的气体取样室，由于其上的开口23和24比较狭小，常常采用强制进气的方式，由气泵将待测气体泵入气体取样室内。强制进气的的优点是换气快，在对反应时间敏感的应用场合使用较多(如爆炸性、剧毒性气体检测)。其缺点是需要额外的装置和能量。

如图3所示，是一种采用扩散式进气方式的气体取样室。与图2所示的气体取样室相比，在图3所示的实施例中，大大增加了取样室腔体21上的开口23和24的尺寸，而且腔体简化成具有一定结构强度的框架。框架外用气体过滤性材料8包围起来。待测气体通过扩散效应，穿过过滤性材料8进入腔内。为防止腔的内壁27反射红外光，同时防止腔外的红外光进入腔内形成干扰，气体过滤性材料8的两面、以及腔体的内壁27都需要涂覆红外吸收材料或直接由红外吸收材料制成，并且表面作粗糙化或多孔化处理。

扩散式进气常常在一些对反应时间要求不高的场合使用。这种方式不需要额外的装置和能量，因此在一些便携式或手持式应用中使用较广。

如图4所示，是本发明的另一个实施方式，与图2所示的实施例相比，其区别在于：在气体取样室2的一端增加了一个反射镜5。使用时，光源1和红外探测器3和4均设置在气体取样室2的另一端。增加反射镜5能够使红外光在气体中经过的路程增加一倍，因而可提高测量的精度。但由于增加了一个反射镜，抗灰尘和水汽干扰的能力会有所下降。因此，此方案比较适用于那些对于要求体积小型化的便携式应用的场合。

图5所示的实施例与图4所示的实施例相比，其区别在于：图5所示的实施例采用了扩散式进气方式；其扩散进气的原理与图3所示的实施例相同，不再赘述。

如图6所示，是本发明的又一个实施方式，与图2所示的实施方式相比，其区别在于：在气体取样室2的腔体21内还设置有若干个反射光阻挡环28，反射光阻挡环28的作用是：阻挡腔体内壁产生的反射光到达红外探测器3、4。只要相邻反射光阻挡环之间的间距、以及反射光阻挡环本身的尺寸设计合理，就可使绝大部分的反射光必须经过两次以上的反射才能到达红外探测器。这样，与图2至图5所示的实施方式相比，使用了这种结构的气体取样室的气体分析仪，其对灰尘和水汽干扰的抑制能力就又得到了进一步提高。

这种方案的缺点是换气困难，响应时间比较长，比较适合采用扩散换气方式的仪器，或是采用强制机械换气但对响应时间要求较低的应用场所。换气困难的原因在于阻挡环形成的多个死角并不在换气气流的通道上，因此难以完成换气。同时，这种结构的腔内体积相对较大，需要的换气量也随之增大。

图7所示的实施例与图6所示的实施例相比，其区别在于：图7所示的实施例采用了扩散式进气方式；其扩散进气的原理与图3所示的实施例类似，不再赘述。

为了提高图6和图7所示的实施例的换气速度，满足反应时间敏感场合的要求，图8给出一种结合了强制换气和扩散换气优点的新型换气结构。其特点是：在气体取样室2的一侧设置有一个通风口6，通风口6上设置有一个风机9。通常，在气体分析仪中，采用的强制换气设备是机械泵，其特点是风量(流量)小，风压高(压强高)，寿命短。而在图8中采用的是小型风扇或鼓风机，它们的特点是风量大，风压低，寿命长。图8所示的强制换气方式的优点是：阻挡环形成的死角处于换气气流的通道上，换气容易。同时，大的换气面积降低了风压要求，提高了换气量。

Claims

1.一种气体取样室，包括：取样室腔体，取样室腔体上设置有可让腔体内腔与外界相通的开口，取样室腔体上还设置有可让光线透过的窗口；其特征在于：在取样室腔体的内腔中还设置有阻碍光线反射的阻碍装置，所述的阻碍装置为在取样室腔体的内腔壁上设置有由接近零反射率材料制成的阻碍反射层，取样室腔体的内腔壁表面为粗糙化的表面。

2.如权利要求1所述的气体取样室，其特征在于：在取样室腔体的内腔壁上还设置有若干个反射光阻挡环。

3.如权利要求2所述的气体取样室，其特征在于：在所述的反射光阻挡环的外表面也设置有由接近零反射率材料制成的阻碍反射层，并且反射光阻挡环的外表面也为粗糙化的表面。