CN101625306B - 一种用于气体浓度测量的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于气体浓度测量的装置。现有的气室长度较长或加工要求精度高、造价昂贵、光程不易控制。本发明包括气室、激光器、探测器、废气处理器、信号处理器和流量计。圆柱形玻璃气室内侧壁镀有一层全反膜，气室的顶盖开有进气口，进气口与进气管的密封连接，进气管依次设置有进气阀门和流量计；气室的底盖开有出气口，出气口与出气管密封连接，出气管依次设置有出气阀门和真空泵，探测器设置在顶盖上方并与顶盖的激光出射口对应设置，探测器的信号输出端与信号处理器的信号输入端信号连接。本发明装置加工简单、成本低，信噪比和检测灵敏度高。

Description

一种用于气体浓度测量的装置

技术领域

本发明属于光学传感技术领域，涉及一种用于气体浓度测量的装置。

背景技术

无论是大气污染(如NO、NO₂、SO₂等)还是人体健康诊断(O2，CO2，CO等)，还是采矿安全(CO、CH4等)都涉及到气体含量及存在与否的测量问题，特别是现代工业化带来的全球臭氧层破坏、温室效应、光化学烟雾等严重后果，对国家发展和人类健康具有深远的影响，环境领域的关键技术创新是《国家“十一五“科学技术发展规划》所提出的战略目标之一，基本控制环境污染，初步遏制生态恶化的趋势是“十一五”期间国家对科技界的一个殷切希望。另外，通过分析岩石圈、水圈和大气圈中的气体样品，发现异常气体，还可以达到矿产勘察以及地球化学勘察的目的。如人们在金属矿床上方发现O、CO₂、SO₂、HS、Rn和Hg蒸气等气体异常。另外，地震还会产生Hg蒸汽。

目前，气体传感的方法非常多，可大致分为物理和化学两大类。物理的方法可以通过电流、电导、超声、光折射率、光强度等物理量的变化来检测气体的成分及浓度；而化学的方法则是通过化学反应、电化学反映引起物理量的变化(如温度变化)来检测的。在众多的测量方法中，激光光谱法具有最高的灵敏度，是目前研究的热点。由于每一种气体都有其特定的吸收波长，通过用不同波长的激光就可以精确地确定气体的种类及浓度。

不论何种气体的实验研究或在线检测，都需要给予被测气体一定的测量空间，称为气室。一般通用的气室具有入气口和出气口，对于光学测量方法还应包括通光窗口。随着应用场合的不同，气室的形状也大不相同。

如申请专利号为CN200810246800.6的发明专利，涉及一种多次反射气室，包括一个两端通透的中空长方体光学池，两通透端上分别固定连接一主反射镜板和一1/2反射镜板，与光学池一体的另两侧板上分别开设有一进光口和一与其对应设置的出光口，光学池内的进光口和出光口处分别设置有一入射反射镜和一输出反射镜，且入射反射镜和输出反射镜分别与进光、出光方向成45°角。

又如申请专利号为CN01808691.8的发明专利，设计的是用于CO2的气室，包括光源及光束接纳单元，气室形状是椭圆，光源及光束接纳单元分别放置于椭圆的两个焦点上。

气体光谱检测方法所用的气室，主要特点在于必须有两个通光窗口，虽然激光光谱法灵敏度高，但被测气体的主要吸收峰一般在中红外或远红外波段，其光源及探测器以及窗口透光材料都非常昂贵，一般都采用气体在近红外或可见波段的泛频进行检测，但其吸收系数显著降低，为了弥补其不足，气室要求长度较长或具有多次反射的功能以增加光程，因此应用受到限制。

多次反射气体池，一般采用两个具有楔角的反射平面，入射光经多次反射后经耦合入光束接纳单元中，通过调节楔角大小调节光的反射次数。或者采用如专利CN200810246800.6的方法。但多次反射气室对于加工要求精度高，造价昂贵，并且总的光程不易控制。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种用于气体浓度测量的装置。

本发明包括气室、激光器、探测器、废气处理器、信号处理器和流量计。

所述的气室为圆柱形全封闭结构的玻璃气室，气室的内侧壁镀有全反膜，气室的顶盖设置有进气口，进气口与进气管的一端密封连接，进气管的另一端与气瓶密封连接，进气管上设置有进气阀门和流量计；气室的底盖设置有出气口，出气口与出气管的一端密封连接，出气管的另一端与废气处理器密封连接，出气管上设置有出气阀门和真空泵。

所述的激光器设置在底盖下方，激光器安装在旋转台上，激光器发出的激光由气室底盖进入气室，旋转台的信号输入端与控制器的信号输出端信号连接；激光器与激光驱动器信号连接。

所述的探测器设置在顶盖上方，探测器的光敏面位于激光光路上，探测器的信号输出端与信号处理器的信号输入端信号连接。

所述的气室的顶盖和底盖为平面玻璃，表面镀有增透膜。

本发明所具有的优点是：

(1)由于工业及化学中一般都用圆柱形结构作为各种容器或试管，因此本发明可以直接采取这些容器，只需增加入出气口，并进行相应的镀膜即可，加工及结构简单，成本低；

(2)本发明只用一个光源和一个探测器，改变光源发射光束角度，探测器端即可得到不同光程的光信号，对两个或数个不同光程的信号进行检测和处理，即可达到光谱测量中比色的效果，大大增加信噪比和检测灵敏度；

(3)可以直接安装镀有全反膜的薄膜，而无需专门进行镀膜，安装及调试简单；

(4)利用多个输出同时检测的方法，完全可以将圆度带来的误差去除；

(5)采用大光敏面的光探测器，对入射光线宽度要求不高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图

图2圆柱壁反射光束在底面的投影图

图3光线从气室底面入射示意图

具体实施方式

如图1所示，一种用于气体浓度测量的装置包括气室6、激光器8、探测器16、废气处理器11、信号处理器18和流量计3。

圆柱形全封闭结构的玻璃气室6内部中空，形成气室腔16，气室6的内侧壁镀有一层全反膜，气室的顶盖开有进气口4，进气口4与进气管1的一端密封连接，进气管1的另一端与气瓶5密封连接，进气管1靠近进气口4的一侧依次设置有进气阀门2和流量计3；气室的底盖开有出气口15，出气口15与出气管13的一端密封连接，出气管13的另一端与废气处理器11密封连接，出气管13靠近出气口15的一侧依次设置有出气阀门14和真空泵12；

激光器8与底盖所在的平面呈

角度设置，激光器8安装在旋转台7上，激光器8在旋转台上可做180度旋转，从而来改变的大小，旋转台7的信号输入端与控制器9的信号输出端信号连接；激光器8与激光驱动器10信号连接；

探测器17设置在顶盖上方并与顶盖的激光出射口对应设置，探测器17的信号输出端与信号处理器18的信号输入端信号连接；

所述的气室的顶盖和底盖为平面玻璃，顶盖和底盖表面镀有增透膜。

本发明中用于气体浓度测量分析时，所依据的原理是：

如图2所示，当入射光束在圆周上的第一个反射点的角度为θ₁时，其后续的反射点的角度分别为(π+3θ₁)、(2π+5θ₁)等等，因此第n个反射点的极坐标角度位置的为：

θ_n＝(n-1)π+(2n-1)θ₁(1)

其中n为自然数。由公式(1)，光在圆内的反射规律直接取决于入射角θ₁，当(π-2θ₁)可以被2π整除时，光在圆内的反射将形成一个正多边形；当(π-2θ₁)可以被2π除尽，但不能被整除时，光在圆内的反射将形成一个正多角形；除过上面两种情况外，光将在圆内无穷次反射，而不会有一点重合。如果入射光束有一定的宽度，则所有反射位置都是一个有一定尺度的光斑，如果忽略光斑的高度，则所有反射点都为同样宽度的光斑，光斑之间有一定的间隔相分离。

利用公式(1)，可计算出相邻点构成的圆内弦的方程为：

$\mathrm{\ρ}\cos (\frac{{\mathrm{\θ}}_i+{\mathrm{\θ}}_o}{2}-\mathrm{\θ})=a---\left(2\right)$

其中，ρ为圆的半径，θ_i和θ_o分别为弦的两个端点的极坐标角度位置，a为弦离圆点的距离，因此第n个反射点与第n+1个反射点之间的弦的方程为：

$\mathrm{\ρ}\cos [\frac{(2\mathrm{\π}-1)\mathrm{\π}}{2}+2n{\mathrm{\θ}}_1-\mathrm{\θ}]=a---\left(3\right)$

每一条弦都是等长的，其长度为：

$d=2\sqrt{{\mathrm{\ρ}}^2-a^2}---\left(4\right)$

因此第n个反射点在圆柱内所走的光程为：

$d_n=d(n+1)=2(n+1)\sqrt{{\mathrm{\ρ}}^2-a^2}---\left(5\right)$

由公式(4)和(5)可知，在圆半径确定的情况下，可以通过调节入射光的位置，即入射光在圆周上形成的弦离原点的距离来调节弦的长度，以及出射点的光程。若被测气体的吸收截面为σ，浓度为C，若入射光强度为I₀，当不考虑光第一次透射损耗、玻璃壁的吸收及折射等光损耗时，第n个反射点处的光强度为：

利用公式(6)，若测量得到第m个和第n个反射点(m＜n)处的光强I_m和I_n则浓度C可以根据比色法算出：

$I_n/I_m=\left[I_0\exp (-\mathrm{\σC}{d}_n)\right]/\left[I_0\exp (-\mathrm{\σC}{d}_m)\right]$

$=\exp [-2(n-m)\mathrm{\σC}\sqrt{{\mathrm{\ρ}}^2-a^2}]$ (7)

$C=\frac{\ln [I_m/I_n]}{2(n-m)\mathrm{\σ}\sqrt{{\mathrm{\ρ}}^2-a^2}}---\left(8\right)$

由上面讨论，由于2π即360°的因子只有有限数目，它们是360、180、120、90、72、60、45、40、36、30、24、20、18、15、12、10、9、8、6、5、4、3、2、1，而360、180是没有意义的，而被2π除尽但不能整除的数也是有限的，所以，前两者情况只能得到有限的光程，如果在某一整除角度上(如60°)稍微偏离一点(如偏离π/100)，本来没有偏差时，光在圆内反射是一个闭合的正三角形，当有偏差时，光将在这三个标准反射点上，每次反射都偏差一个同样的角度(如π/50)，这样，在每个标准反射点周围形成一系列的等角度差的反射点，每个反射点经过的光程差具有确定的关系，利用这个特点，可以测量多个点的输出进行比较，可去除背景噪声、光源波动等因素，提高信噪比和灵敏度。

如图3所示，如果光在同一圆环内反射时，对第m反射点的测量必然会影响对第n个反射点的测量。在此我们将采用螺旋光束的方法，为了方便起见，假设入射光线SP通过气室底面圆形通光窗口内一个弦P′P″的中点S，光线与窗口的夹角为

则光在圆柱的每一个反射点都比上一个反射点的在轴方向的位置有所增加，则光在圆柱形气室壁的第一个反射点P离底的距离PP″为z₁，

因此光在圆柱形气室壁的第n个反射点距底的距离为：

在到达第一个反射点前，光已经在气室中走了d₀的距离，即线段SP，

则光到达第n个反射点时在气室内走的距离为：

设圆柱形气室高为h，则光在圆柱内的反射次数为：

其中，INT表示对数取整，若圆柱内镀全反射模(即圆柱壁的吸收损耗忽略不计)，则在圆柱顶面探测器所接收到的光强为：

其中，t为光在圆柱底面和顶面的透射率，k为通过公式(13)计算得到的反射次数。改变光与圆柱底面的入射角度，则在圆柱顶面可以探测到两个光强度值，设两个角度值分别为

和

则由公式(13)可以得到光在圆柱壁的两个反射次数k₁和k₂，因此可以得到圆柱顶面探测器探测到的两个光强值I_t1和I_t2，则气体浓度可由下式计算出：

Claims (1)

1.一种用于气体浓度测量的装置，包括气室、激光器、探测器、废气处理器、信号处理器和流量计，其特征在于：所述的气室为圆柱形全封闭结构的玻璃气室，气室的内侧壁镀有全反膜，气室的顶盖设置有进气口，进气口与进气管的一端密封连接，进气管的另一端与气瓶密封连接，进气管上设置有进气阀门和流量计；气室的底盖设置有出气口，出气口与出气管的一端密封连接，出气管的另一端与废气处理器密封连接，出气管上设置有出气阀门和真空泵；

所述的激光器设置在底盖下方，激光器安装在旋转台上，激光器发出的激光由气室底盖进入气室，旋转台的信号输入端与控制器的信号输出端信号连接；激光器与激光驱动器信号连接；

所述的探测器设置在顶盖上方，探测器的光敏面位于激光光路上，探测器的信号输出端与信号处理器的信号输入端信号连接；

所述的气室的顶盖和底盖为平面玻璃，表面镀有增透膜；

所述的激光器与底盖所在的平面呈

角度设置，激光器安装在旋转台上，激光器在旋转台上可做180度旋转，从而来改变

的大小。

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