CN101694457B - 一种气体浓度测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气体浓度测量仪。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。本发明中的气室为柱形全封闭结构的玻璃气室，其截面为椭圆形，气室的内侧壁镀有全反膜，气室的顶盖和底盖分别开有设置有进气口和出气口，气室内侧壁上的全反膜开有入射通光窗口，与入射通光窗口对应的位置设置入射光纤准直器，入射光纤准直器通过光纤与激光器连接。气室内侧壁上的全反膜开有出射通光窗口，与出射通光窗口对应的位置设置出射光纤准直器，出射光纤准直器输出端与探测器输入端光连接，探测器输出端与信号处理器连接。入射通光窗口与出射通光窗口处于同一水平椭圆截面上。本发明装置加工简单、成本低，信噪比和检测灵敏度高。

Description

一种气体浓度测量仪 

技术领域

本发明属于光学传感技术领域，涉及一种气体浓度测量仪。 

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。 

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

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种气体浓度测量仪。 

本发明包括气室、激光器、探测器、入射光纤准直器、出射光纤准直器、信号处理器和废气处理回收装置。 

气室为柱形全封闭结构的玻璃气室，其截面为椭圆形，气室的内侧壁镀有全反膜，气室的顶盖设置有进气口，进气口通过进气管路与气瓶连接，进气管路上设置有流量计和进气阀门；气室的底盖设置有出气口，出气口通过出气管路与废气处理回收装置连接，出气管路上设置有出气阀门和真空泵。 

气室内侧壁上的全反膜开有一个入射通光窗口和一个出射通光窗口，气室外设置有入射光纤准直器和出射光纤准直器，入射光纤准直器靠近入射通光窗口设置，出射光纤准直器靠近出射通光窗口设置；入射光纤准直器的光输出端与入射通光窗口位置对应，入射光纤准直器的光输入端通过光纤与激光器连接；出射光纤准直器的光输入端与出射通光窗口位置对应，出射光纤准直器的光输出端与探测器输入端光连接，探测器输出端与信号处理器连接。 

入射通光窗口与出射通光窗口处于柱形气室的同一水平椭圆截面上；入射通光窗口位于椭圆的一个短轴端点处，入射通光窗口和椭圆长轴上的一个焦点处于入射光纤准直器的入射光的光路上；出射通光窗口位于靠近椭圆长轴上另一个焦点的长轴端点处。 

本发明的发明点在于提供一种新型的气室结构。本发明中的激光器、探测器、入射光纤准直器、出射光纤准直器、废气处理器、信号处理器等均采用成熟的现有技术。 

本发明结构简单，安装调试方便，当椭圆圆柱形气室结构确定后，入射光和出射光的位置就完全确定了。本发明所采取的结构，只用一个光源和一个探测器，改变光线最终的出射角度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。 

附图说明

图1为本发明的结构示意图； 

图2为本发明中椭圆截面上的反射光束在底面的投影图。 

具体实施方式

如图1所示，一种气体浓度测量仪包括气室13、激光器8、探测器6、入射光纤准直器14、出射光纤准直器5、信号处理器7和废气处理回收装置10。 

气室13为柱形全封闭结构的玻璃气室，其截面为椭圆形，气室13的内侧壁镀有全反膜，气室13的顶盖设置有进气口，进气口通过进气管路与气瓶1连接，进气管路上设置有流量计2和进气阀门3；气室13的底盖设置有出气口，出气口通过出气管路与废气处理回收装置10连接，出气管路上设置有出气阀门12和真空泵11。 

气室13内侧壁上的全反膜开有一个入射通光窗口15和一个出射通光窗口4，气室13外设置有入射光纤准直器14和出射光纤准直器5，入射光纤准直器14靠近入射通光窗口15设置，出射光纤准直器5靠近出射通光窗口4设置；入射光纤准直器14的光输出端与入射通光窗口15位置对应，入射光纤准直器14的光输入端通过光纤9与激光器8连接；出射光纤准直器5的光输入端与出射通光窗口4位置对应，出射光纤准直器5的光输出端与探测器6输入端光连接，探测器6输出端与信号处理器7连接。 

入射通光窗口15与出射通光窗口4处于柱形气室13的同一水平椭圆截面上；入射通光窗口15位于椭圆的一个短轴端点处，入射通光窗口15和椭圆长轴上的一个焦点处于入射光纤准直器14的入射光的光路上；出射通光窗口4位于靠近椭圆长轴上另一个焦点的长轴端点处。 

如图2所示，椭圆有一个重要的性质是，通过长轴上一个焦点的光线被椭圆周反射后，必然会通过长轴上另一个焦点，因此，如果入射光线通过椭圆形气室的长轴上一个焦点，那么所有在椭圆中反射的光线，都经过焦点，随着反射次数的增加，反射光线的斜率越来越小，最后必将沿椭圆的长轴来回反射， 如果在椭圆长轴的一端开一个出射通光窗口，光线最后必将从此孔射出，椭圆的离心率越小，光线在椭圆内反射的次数越多。因此，可以通过控制或设计椭圆离心率来改变光在气室中的光路长度；椭圆的另一个重要的性质是，椭圆上任意一点到椭圆的两个焦点的距离和是椭圆长轴长度的两倍，因此，只要知道光在椭圆内的反射次数，就可以方便地计算出光在气室中的光路长度。 

考虑如图2的椭圆，设其长轴OA为a，短轴OB为b，半焦距OF₁为c，因此离心率e＝c/a，椭圆的标准方程可写为： 

$\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=1---\left(1\right)$

设光线从P点入射，经过焦点F₁，在Q点被椭圆反射，因此，P的坐标为(-b，0)，椭圆上任一点如Q(x₁，y₁)与椭圆左焦点距离为QF₁＝a-ex₁，与椭圆右焦点距离为QF₂＝a+ex₁，其中的x₁为Q点的横坐标，y₁为Q点的纵坐标。因此，由图2中的几何关系，三角形QQ′F₁与三角形POF₁相似，则： 

$x_1=-\left(F_1{Q}^{\′}\right)-\left({\mathrm{OF}}_1\right)$

$=-\left(F_{1}Q\right)\sin {\mathrm{\θ}}_0-c$

$=-(a+e{x}_1)\sin {\mathrm{\θ}}_0-\mathrm{ae}---\left(2\right)$

$=-\frac{e+\sin {\mathrm{\θ}}_0}{1+e\sin {\mathrm{\θ}}_0}a$

通过三角形QQ′F₂则可算出sinθ₁的值，其中， 

$\stackrel{\‾}{{\mathrm{QF}}_2}=a-e{x}_1=\frac{(1+e^2)+2e\sin {\mathrm{\θ}}_0}{1+e\sin {\mathrm{\θ}}_0}a---\left(3\right)$

$\stackrel{\‾}{Q^{\′}{F}_2}=c-x_1=\frac{2e+(1+e^2)\sin {\mathrm{\θ}}_0}{1+e\sin {\mathrm{\θ}}_0}a---\left(4\right)$

则 

${\sin \mathrm{\θ}}_1=\frac{\stackrel{\‾}{Q^{\′}{F}_2}}{\stackrel{\‾}{Q{F}_2}}=\frac{2e+(1+e^2)\sin {\mathrm{\θ}}_0}{(1+e^2)+2e\sin {\mathrm{\θ}}_0}---\left(5\right)$

由同样的方法，可以得到： 

${\sin \mathrm{\θ}}_2=\frac{2e+(1+e^2)\sin {\mathrm{\θ}}_1}{(1+e^2)+2e\sin {\mathrm{\θ}}_1}---\left(6a\right)$

${\sin \mathrm{\θ}}_3=\frac{2e+(1+e^2)\sin {\mathrm{\θ}}_2}{(1+e^2)+2e\sin {\mathrm{\θ}}_2}---\left(6b\right)$

${\sin \mathrm{\θ}}_4=\frac{2e+(1+e^2)\sin {\mathrm{\θ}}_3}{(1+e^2)+2e\sin {\mathrm{\θ}}_3}---\left(6c\right)$

由公式(6)可知，椭圆上的反射光线与短轴的夹角θ满足如下的递推公式： 

${\sin \mathrm{\θ}}_n=\frac{2e+(1+e^2)\sin {\mathrm{\θ}}_{n-1}}{(1+e^2)+2e\sin {\mathrm{\θ}}_{n-1}}---\left(7\right)$

通过的数学变换，可以得到 

${\sin \mathrm{\θ}}_n=\frac{1-{\left(\frac{1-e}{1+e}\right)}^{2n+1}}{1+{\left(\frac{1-e}{1+e}\right)}^{2n+1}}---\left(8\right)$

因此， 

lim(sinθ_n)_n→∞＝1    (9) 

即 

${\lim \left({\mathrm{\θ}}_n\right)|}_{n\→\∞}=\frac{\mathrm{\π}}{2}---\left(10\right)$

由公式(10)可知，当光线在椭圆内的反射次数足够多时，光线将与短轴垂直，即光线与长轴平行，因此可以将出光窗口设在长轴的某一端点上。 

在工程应用中，由于光线并非无限细，因此当光线与椭圆长轴的夹角小于某一值δ时，光线即可从出射端口出射，由δ的值可以算出椭圆长轴端点处需要开口的大小ε，即 

ε＝2a(1-e)tanδ    (11) 

$|\frac{\mathrm{\π}}{2}-{\mathrm{\θ}}_n|\≤\mathrm{\δ}$ 或sinθ_n≥cosδ    (12) 

即 ${\sin \mathrm{\θ}}_n=\frac{1-{\left(\frac{1-e}{1+e}\right)}^{2n+1}}{1+{\left(\frac{1-e}{1+e}\right)}^{2n+1}}\≥\cos \mathrm{\δ}---\left(13\right)$

求解方程(13)，可得 

$n\≤\frac{1}{2}\left[\frac{\ln \left(\frac{1-\cos \mathrm{\δ}}{1+\cos \mathrm{\δ}}\right)}{\ln \left(\frac{1-e}{1+e}\right)}\right]=\frac{\ln \left(\frac{1-\cos \mathrm{\δ}}{\sin \mathrm{\δ}}\right)}{\ln \left(\frac{1-e}{1+e}\right)}---\left(14\right)$

由于椭圆上任意一点到椭圆的两个焦点的距离和是椭圆长轴长度的两倍，因此光线在椭圆内每多一次反射，光路长度就大约多2a，因为光线最后从某一焦点出射时所走的路径随反射次数的增加而逐渐减小，当经过足够多次的反射，光线与椭圆长轴近似平行时，这个最后的长度就大约等于焦点到长轴端点的长度，即a-c，或a(1-e)，因此，在满足条件(14)时，光在椭圆中走的长度L为 

L＝PF₁+2an+a(1-e)＝[2(n+1)-e]a    (15) 

由公式(15)可知，光线在椭圆中所走的长度与反射次数和椭圆的离心率有关，结合公式(14)可知，光路长度最终决定于椭圆的离心率e和出射光线与长轴的夹角δ，两者越小，光路则越长，因此可以通过调节两者的大小改变光路长度。 

若被测气体的吸收截面为σ，浓度为C，若入射光和出射光的强度分别为I_i和Io光从椭圆气室通过入射通光窗口和出射通光窗口的透射率分别为τ_i和τ_o，光在椭圆壁的反射系数为γ，则 

I_o＝τ_iτ_oγⁿI_iexp(-σCL)＝τ_iτ_oγⁿI_iexp{-σC[2(n+1)-e]}    (16) 

则 

若采用比色法，分别测量反射次数为n和m的情况，则 

$\frac{I_{\mathrm{mo}}}{I_{\mathrm{no}}}={\mathrm{\γ}}^{m-n}\exp [-2\mathrm{\σC}(m-n)]---\left(18\right)$

则 $C=\frac{\ln ({\mathrm{\γ}}^{m-n}{I}_{\mathrm{no}}/I_{\mathrm{mo}})}{2\mathrm{\σ}(m-n)}---\left(19\right)$

因此只要测得两次的出射光的光强，γ和σ已知，则可以得到气体浓度值。 

Claims (1)

1.一种气体浓度测量仪，包括气室、激光器、探测器、入射光纤准直器、出射光纤准直器、信号处理器和废气处理回收装置，其特征在于：

所述的气室为柱形全封闭结构的玻璃气室，其截面为椭圆形，气室的内侧壁镀有全反膜，气室的顶盖设置有进气口，进气口通过进气管路与气瓶连接，进气管路上设置有流量计和进气阀门；气室的底盖设置有出气口，出气口通过出气管路与废气处理回收装置连接，出气管路上设置有出气阀门和真空泵；

所述的气室内侧壁上的全反膜开有一个入射通光窗口和一个出射通光窗口，气室外设置有入射光纤准直器和出射光纤准直器，入射光纤准直器靠近入射通光窗口设置，出射光纤准直器靠近出射通光窗口设置；入射光纤准直器的光输出端与入射通光窗口位置对应，入射光纤准直器的光输入端通过光纤与激光器连接；出射光纤准直器的光输入端与出射通光窗口位置对应，出射光纤准直器的光输出端与探测器输入端光连接，探测器输出端与信号处理器连接；

所述的入射通光窗口与出射通光窗口处于柱形气室的同一水平椭圆截面上；入射通光窗口位于椭圆的一个短轴端点处，入射通光窗口和椭圆长轴上的一个焦点处于入射光纤准直器的入射光的光路上；出射通光窗口位于靠近椭圆长轴上另一个焦点的长轴端点处。

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