CN102809534A - 一种气体浓度检测仪及其气体吸收室 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种气体吸收室，包括箱体和三个曲率半径相同的凹面镜，其中，主凹面镜固定于箱体内，两个次凹面镜固定于箱体内与主凹面镜相对侧，且两个次凹面镜的球面分别于主凹面镜的球面相向，两个次凹面镜的球心位于主凹面镜的球面上，且相对于主凹面镜的主轴左右对称。此外，在箱体靠近主凹面镜的一侧设置了入射口和出射口，且两者相对于主凹面镜的主轴左右对称，并且，在箱体上三个凹面镜的球心所在的平面内设置了进气口和排气口，其中，主凹面镜的主轴与入射口和出射口所在的平面平行。较之于现有技术，采用本发明提供的气体吸收室后，相对于单光程气室其有效光程可以增加数十倍，相对于传统的怀特气体吸收室其有效光程也可增加一倍。

Description

一种气体浓度检测仪及其气体吸收室

技术领域

本发明涉及光电检测领域，特别涉及一种气体浓度检测仪及其气体吸收室。

背景技术

随着经济的飞速发展，人们的生活不断改善的同时，环境污染也已经成为现代社会面临的重大问题之一。其中，大气污染尤为严重，随着大气中的污染物不断增加，对自然环境和人体健康造成了很大的破坏性。因此，为了防止大气污染的加剧，必须对大气中污染物成分及含量进行检测，现以检测大气中汞的含量为例来阐述具体的检测方法和装置。

汞是大气中危害健康的污染物之一，其主要来源包括自然过程和人为因素，如火山爆发、土壤排放、矿石燃料的燃烧、汞冶炼和电器工业中的使用汞等。在中国，燃煤电厂成为最大汞排放污染源之一，因此必须对汞排放量进行监测，尤其是烟气中汞的含量。在现有的各种测汞的方法中，比较常用的是冷原子吸收光谱法。

冷原子吸收光谱法是基于汞在常温下以原子态汞存在，而原子态汞又易蒸发，汞蒸气对253.7nm波长有特征吸收等特点，根据朗伯-比尔定律建立起来。目前，主要采用单光程气体吸收室的测汞仪，其典型结构如图1所示，发射253.7nm谱线的汞灯01置于气体吸收室02的一端，光电检测器03置于其另一端，进入吸收室的气体样品，如含有微迹的汞，则通过吸收室的光线会因部分被汞吸收而减弱，最后光电检测器根据光线减弱的程度可以测出气体中的汞含量。为了提高测汞仪气体吸收室内气体的置换率，其体积不宜过大，因此，汞吸收光程长受仪器体积的限制，通常不超过35cm。根据朗伯-比尔定律气体吸收室的吸光度和其光程长成正比，因此，上述结构测汞仪光程短、吸光度弱的缺点，从而影响了其检测灵敏度和最低检测极限。

为了增大测汞仪气体吸收室有限空间内的吸光度，人们发明了怀特气体吸收室，其光学系统的结构如图2所示，将三个曲率相同的凹面镜相向安装于气体吸收室内，次凹面镜A和次凹面镜B的球心位于主凹面镜O的球面上，主凹面镜O的球心位于两个次凹面镜所在的球面内，且次凹面镜A和次凹面镜B的球心相对于主凹面镜的主轴左右对称。光源经由位于气体吸收室一端面的入射口射入，根据几何光学原理，该光束在三个凹面镜之间多次反射，最后由与入射口平行且位于同侧的出射口射出并进入光电检测器。在此过程中，被测气体经由位于气体吸收室侧面的进气口进入，然后吸收多次反射的光束，最终由位于进气口相对侧的出气口排出。由图可知，本方案通过上述结构达到了光线在气体吸收室内多次反射增长光程的目的。但是，由于本方案采用同轴反射的方式，即由入射口射入的光束的入射方向位于三个凹面镜球心所在平面内，由几何光学原理可知，各次反射的光线都位于同一平面内，该光束反射后在主凹面镜上形成的光斑示意图请参见图3。因此，这种结构的气体吸收室存在因空间利用率差而造成反射次数少，光程短的问题。

有鉴于此，亟待针对现有测汞仪的结构优化设计，以解决现有技术中怀特气体吸收室存在因空间利用率差而造成反射次数少，光程短的问题，从而提高测汞仪的吸光度，进而提高其检测的灵敏度，降低其最低检测极限。

发明内容

针对上述缺陷，本发明的目的在于提供一种长光程的气体吸收室，以解决现有技术中怀特气体吸收室因空间利用率低而造成反射次数少，光程短的问题，从而提高气体吸收室的吸光度，进而提高其检测的灵敏度，降低其最低检测极限。

本发明提供的气体吸收室，包括：

箱体，开设有入射口、出射口、进气口和排气口；

光学系统，具体包括三个曲率半径相同的凹面镜，主凹面镜固定于所述箱体内，两个次凹面镜固定于所述箱体内与所述主凹面镜相对侧，且两个所述次凹面镜的球面分别与所述主凹面镜的球面相向；并配置成：两个所述次凹面镜的球心位于所述主凹面镜的球面上，且相对于所述主凹面镜的主轴左右对称；

所述入射口和所述出射口，设置于所述箱体上靠近所述主凹面镜的一侧，且两者相对于所述主凹面镜的主轴左右对称布置；

所述进气口和所述排气口，设置于箱体上三个所述凹面镜的球心所在平面内；所述主凹面镜的主轴与所述入射口和所述出射口所在平面平行。

优选地，所述主凹面镜的两端相对于其主轴左右对称设有两个开口，所述入射口和所述出射口分别与两个所述开口相对设置。

优选地，三个所述凹面镜的镜面均设置有窄带介质膜。

优选地，所述进气口和所述排气口左右对称设置于所述箱体上，且所述进气口靠近所述主凹面镜，所述排气口靠近一个所述次凹面镜。

本发明还提供一种气体浓度检测仪，包括：

气体吸收室，用于存放被测气体物质；

单波长光源，置于所述入射口；

光电检测器，置于所述出射口；所述气体吸收室具体为上述的气体吸收室。

优选地，所述凹面镜具体为在波长为253.7nm处的镀介质膜，所述光源具体为紫外线，以检测汞的含量。

优选地，所述凹面镜具体为在波长为760nm处的镀介质膜，所述光源具体为近红外激光光源，以检测氧气的含量。

优选地，所述凹面镜具体为在波长为1531nm处的镀介质膜，所述光源具体为近红外激光光源，以检测氨气的含量。

优选地，所述凹面镜具体为在波长为1653.7nm处的镀介质膜，所述光源具体为近红外激光光源，以检测甲烷的含量。

本发明提供一种气体吸收室，包括箱体和光学系统，其中，光学系统具体包括三个曲率半径相同的凹面镜，主凹面镜固定于箱体内，两个次凹面镜固定于箱体内与主凹面镜相对侧，且两个次凹面镜的球面分别于主凹面镜的球面相向。此外，两个次凹面镜的球心位于主凹面镜的球面上，且相对于主凹面镜的主轴左右对称。另外，在箱体靠近主凹面镜的一侧设置了入射口和出射口，且两者相对于主凹面镜的主轴左右对称，并且，在箱体上三个凹面镜的球心所在的平面内设置了进气口和排气口，其中，主凹面镜的主轴与入射口和出射口所在的平面平行。

本发明中主凹面镜的主轴与箱体上入射口和出射口所在平面平行，因此当光束由入射口射入气体吸收室后，根据几何光学，反射光线将会相对于三个凹面镜球心所在平面对称反射，在主凹面镜上将会形成两组相对于两个次凹面镜球心连线左右对称的光斑，因此，较之于现有技术，采用本发明的结构后，气体吸收室的光程长增加了一倍，从而增加了其吸光度，进而提高了测汞仪的检测灵敏度，降低了其最低检测极限。

本方案的一个优选方案中，本发明中的主凹面镜的两端相对于其主轴左右对称设置了两个开口，箱体上的入射口和出射口分别与两个开口对应设置。通常为了增大测汞仪的气体置换率，使其体积尽可能的小，因此本方案的主凹面镜通过采用独特的阶梯型结构设计，有效地利用了箱体内空间，在增加光程的同时减小了箱体的体积。

本发明的又一优选方案中，光学系统的三个凹面镜均涂有窄带介质膜，可以大大提高反射次数的限值。比如，测汞仪中采用的传统的镀紫外铝反射镜，反射率为70％左右，而在波长为253.7nm处的镀介质膜的反射率可以在99.5％以上，经生产实验数据表明，在相同的紫外线入射光强下，发射次数的最大限值可提高71倍。

附图说明

图1示出了单光程测汞仪的结构示意图；

图2示出了怀特气体吸收室中光学系统的反射原理示意图；

图3示出了图2中光学系统中主凹面镜光斑分布示意图；

图4示出了具体实施方式中气体吸收室的结构示意图；

图5示出了图4中光学系统的反射原理示意图；

图6示出了图5所示光学系统中主凹面镜的光斑分布示意图；

图7示出了图5中所示光学系统中两个次凹面镜的光斑分布示意图；

图8示出了图5中所示光学系统中主凹面镜的主视图；

图9示出了图5中所示光学系统中主凹面镜的俯视图。

图中：

1主凹面镜、11主轴、12第一开口、13第二开口、14球心、2第一次凹面镜、21球心、3第二次凹面镜、31球心、4箱体、41入射口、42出射口、43进气口、44出气口。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种气体吸收室，以解决现有技术中怀特气体吸收室中光学系统中凹面镜空间利用率低而导致的光程短的问题，从而通过增长其内光学系统反射光程、增多反射次数的方式，最终实现提高测汞仪检测灵敏度和降低其检测极限的目的。

不失一般性，下面结合说明书附图以测汞用的气体吸收室为例进行详细说明。

请参见图4、图5、图6和图7，其中，图4示出了具体实施方式中气体吸收室的结构示意图，图5示出了图4中光学系统的反射原理示意图，图6示出了图5所示光学系统中主凹面镜的光斑分布示意图，图7示出了图5中所示光学系统中两个次凹面镜的光斑分布示意图。

如图4所示，本方案中的气体吸收室包括：光学系统及容置该光学系统的箱体4，该箱体上开设有导通光源的入射口41和出射口42，以及输送被测气体的进气口43和排气口44。其光学系统具体包括三个曲率半径相同的凹面镜，主凹面镜1固定于箱体4的左侧壁上，第一次凹面镜2和第二次凹面镜3固定于箱体4内与主凹面镜1相对侧壁上，且两者的球面分别与主凹面镜的球面相向设置；并配置成：第一次凹面镜2和第二次凹面镜3的球心21和31位于主凹面镜1的球面上，且相对于主凹面镜1的主轴45左右对称。进气口43和排气口44，设置于箱体上三个凹面镜的球心14、21和31所在平面内，且两者相对于主凹面镜1的主轴11左右对称布置。其中，主凹面镜的主轴11与入射口41和出射口42所在平面平行。

如图5所示，当光斑①由入射口射入气体吸收室后，通过入射光路1’凹面镜2上形成光斑②，根据几何光学入射角等于反射角的反射原理，光斑②通过反射光路2’射至主凹面镜1上形成光斑③，光斑③再由主凹面镜反射通过反射光路3’形成在第二次凹面镜3上形成光斑④，光斑④由第二次凹面镜3经由反射光路4’反射至主凹面镜1形成光斑⑤，光斑⑤经反射光路5’由主凹面镜1反射至第一次凹面镜2上形成光斑⑥，同理，根据几何光学，经由反射光路6’、7’和8’将形成光斑⑦、⑧和⑨。经过多次反射后入射光线最终从出射口42射入光电检测器，在主凹面镜1上形成了如图6所示的两层反射光斑。在此过程中，由进气口43进入气体吸收室的被测气体吸收多次反射的光束，使射出光线光强减弱，被测气体最后经由排气口流出，光学检测器根据入射光束和出射光束光强的变化来测定被测气体中被测物质的含量。

采用本发明的结构后，入射光线在光学系统内反射过程中在主凹面镜1上形成双层光斑，比相同尺寸方式下的传统气体吸收室反射次数增加了一倍，从而提高了其吸光度，进而提高了测汞仪的检测灵敏度，降低了其最低检测极限。

进一步，请参见图8和图9，其中，图8示出了图5中所示光学系统中主凹面镜的主视图，图9示出了图5中所示光学系统中主凹面镜的俯视图。

本方案中的主凹面镜1的基本形状具体为矩形，其两端相对于主轴11左右对称开设有第一开口12和第二开口13，且分别于开设于箱体上的入射口41和出射口42相对设置，这种设计在限制箱体体积的同时避免了装配过程中主凹面镜1和入射口的位置干涉，从而增大了气体吸收室的被测气体置换率，进而提高测汞仪的检测灵敏度，降低其最低检测极限。当然，本发明中气体吸收室中主凹面镜的基本形状除了矩形外，还可以为圆形和正方形等形状，在此基础上设计为阶梯状，同样能达到本方案中所述的技术效果。

另外，本方案中为了能尽可能多次的反射入射光束，以提高检测结果的准确性，气体吸收室的三个凹面镜的镜面上均设置有窄带介质膜。传统测汞仪的气体吸收室中光学系统采用的凹面镜是镀紫外铝反射膜，经生产实验数据表明，这种镀膜方式的反射率较低，基本在70％左右，因此造成大量的光强损失，也限制了最高的反射次数。而本方案中采用的在波长为253.7nm处设置窄带介质膜的凹面镜，其反射率可达99.5％以上。因此，与传统凹面镜相比，在相同的紫外线入射光强下，设有窄带介质膜的凹面镜反射次数的最大限值可提高71倍。显然，本方案中通过采用窄带介质膜进一步的增长了气体吸收室光程长，从而大大提高了检测系统的灵敏度，降低了最低检测极限，最终提高检测结果的准确性。

当然，本方案中的凹面镜上设置窄带介质膜的工艺，除了电镀、涂抹和热压之外，还可以才本领域内技术人员公知的任何其他的工艺方式。

另外，如图4所示，本方案中的进气口43和排气口44相对于主凹面镜1的主轴11左右对称设置于箱体4上主凹面镜1和两个次凹面镜之间，且进气口43靠近主凹面镜1，排气口44靠近第二次凹面镜3。这样，在检测过程中，被测气体由进气口流入气体吸收室后充分吸收反射光线后，再经由排气口排出箱体4，从而提高了测量结构的准确性。当然，保证其功能的基础上，该进气口和排气口也可以设置在其他位置。

基于上述长光程气体吸收室，本发明还提供一种气体浓度检测仪，包括用于存放被测气体的气体吸收室、置于气体吸收室箱体上入射口处的单波长光源和置于出射口的光电检测器(图中未示出)。检测过程中，单波长光源经由入射口射入气体吸收室内，再经由光学系统内的三个凹面镜多次反射后，最后由出射口射出再进入光电检测器中进行处理。此过程中，由进气口流入的被测气体吸收经由光学系统内凹面镜多次反射的光束，最后经由排气口流出。实际检测时，该气体浓度检测仪通过检测由入射口射入光束和由出射口射出光束的光强变化，从而得出被测物质的浓度。需要说明的是，构成该气体浓度检测仪的气体吸收室、光源和光电检测器的功能及三者之间的位置关系与现有技术基本相同，本领域的技术人员基于现有技术完全可以实现，故本文不再赘述。

本方案中所述气体浓度检测仪，依据被测物质的特性，来确定具体所采用的光源以及光学系统中凹面镜的镀介质膜。通过以下几个具体物质浓度检测仪实施例来说明，例如：

1.检测氧气含量时，所采用光源具体为近红外激光光源，而凹面镜具体为在波长760nm处镀介质膜；

2.检测氨气含量时，所采用光源具体为近红外激光光源，而凹面镜具体为在波长1531nm处镀介质膜；

3.检测甲烷含量时，所采用光源具体为近红外激光光源，而凹面镜具体为在波长1653.7nm处镀介质膜。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种气体吸收室，包括：

箱体，开设有入射口、出射口、进气口和排气口；

光学系统，具体包括三个曲率半径相同的凹面镜，主凹面镜固定于所述箱体内，两个次凹面镜固定于所述箱体内与所述主凹面镜相对侧，且两个所述次凹面镜的球面分别与所述主凹面镜的球面相向；并配置成：两个所述次凹面镜的球心位于所述主凹面镜的球面上，且相对于所述主凹面镜的主轴左右对称；

所述入射口和所述出射口，设置于所述箱体上靠近所述主凹面镜的一侧，且两者相对于所述主凹面镜的主轴左右对称布置；

所述进气口和所述排气口，设置于箱体上三个所述凹面镜的球心所在平面内；其特征在于，所述主凹面镜的主轴与所述入射口和所述出射口所在平面平行。

2.根据权利要求1所述的气体吸收室，其特征在于，所述主凹面镜的两端相对于其主轴左右对称设有两个开口，所述入射口和所述出射口分别与两个所述开口相对设置。

3.根据权利要求2所述的气体吸收室，其特征在于，三个所述凹面镜的镜面均设置有窄带介质膜。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的气体吸收室，其特征在于，所述进气口和所述排气口相对于所述主凹面镜主轴左右对称设置于所述箱体上，且所述进气口靠近所述主凹面镜，所述排气口靠近一个所述次凹面镜。

5.一种气体浓度检测仪，包括：

气体吸收室，用于存放被测气体物质；

单波长光源，置于所述入射口；

光电检测器，置于所述出射口；其特征在于，所述气体吸收室具体为如权利要求1-4中任一项所述的气体吸收室。

6.根据权利要求5所述的气体浓度检测仪，其特征在于，所述凹面镜具体为在波长为253.7nm处的镀介质膜，所述光源具体为紫外线，以检测汞的含量。

7.根据权利要求5所述的气体浓度检测仪，其特征在于，所述凹面镜具体为在波长为760nm处的镀介质膜，所述光源具体为近红外激光光源，以检测氧气的含量。

8.根据权利要求5所述的气体浓度检测仪，其特征在于，所述凹面镜具体为在波长为1531nm处的镀介质膜，所述光源具体为近红外激光光源，以检测氨气的含量。

9.根据权利要求5所述的气体浓度检测仪，其特征在于，所述凹面镜具体为在波长为1653.7nm处的镀介质膜，所述光源具体为近红外激光光源，以检测甲烷的含量。

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