CN1032883C - 光纤气体化学传感器 - Google Patents

Abstract

光纤气体化学传感器是一种测定气体含量的光纤化学传感器，尤其适用于二氧化硫气体的测定。它主要包括传感器体、光导纤维和敏感元件。被测气体扩散进入传感器与敏感元件中的化学试剂进行化学反应后，敏感元件的光学特性发生变化，光导纤维传输变化量信息。本发明结构简单、价格低廉、使用方便；在测定二氧化硫气体时，检测灵敏，响应速度快，选择性高。不仅可用于烟道气及其他体系的二氧化硫气体监测，还可在选择合适的敏感元件条件下，用于其他气体含量的测定。

Description

本发明属于光纤传感器，是一种测定气体含量的光纤传感器。该传感器尤其适用于二氧化硫气体的测定。

二氧化硫是重要的大气污染物，是造成当今酸雨严重的根本原因，为此，世界各国都十分重视二氧化硫的监测和治理。

二氧化硫主要来源于以煤、重油为燃料的各种工业锅炉、室炉排放的烟道气。监测这些工业锅炉、窑炉烟道气中的二氧化硫含量，是制定治理措施、调整控制工艺参数的基础依据。目前，对于烟道气中二氧化硫的监测手段有两种：一种是采用自动分析仪器监测。这种仪器虽然测量迅速准确，对于实际生产中控制指导意义也较大，但其不仅本身价格昂贵，而且还要求有复杂的采样和样品予处理系统与之配套，投资甚大；另一种是使用人工化学分析法监测。这种方法是先进行人工采样，然后将样品送交实验室作具体的化学分析。很显然，这种监测手段的缺点是工作量大，需耗费大量的时间和人力，且对实际生产控制的指导意义不大。

传感器技术是现代自动监测技术发展的方向，但目前对于测定气体含量性能好的传感器为数甚少，尤其是光导纤维类的传感器。经检索，只有CA109：141724V文摘中介绍了一篇JP62,209,357号公开专利。该专利涉及一种测定氨气的光纤传感器，它是一个两端开口的中空管，管底端装有一片透气膜，管内装有含pH指示剂的电解质溶液。氨气通过透气膜扩散溶入该溶液后，引起溶液pH改变，光纤传输pH变化信息作为氨含量的量度。因而该传感器除了只适用于测定对其配套溶液pH有影响的气体外，还有一个致命弱点，即敏感元件体系无选择性，检测时不能排斥有共存组份气体中的干扰组份的影响，适用面窄，而且尤其不能作为烟道气中二氧化硫的测定。因为工业上排放的含二氧化硫的烟道废气中，均含有二氧化碳，而且二氧化碳的浓度比二氧化硫的浓度大数十倍，检测时，由二氧化碳引起的pH的改变将大大超过二氧化硫。严重干扰二氧化硫的测定。

鉴于已有技术存在的问题，本发明的任务是提供一种新型的光纤气体化学传感器。该传感器结构简单，价格低廉，使用方便，在测定二氧化硫气体含量时，检测灵敏、响应速度快，选择性高，具有良好的重现性。

为了完成上述任务，本发明根据某些被测气体参与化学反应后，体系能产生光学特性变化的性质，提出了这样一种光纤气体化学传感器的技术解决方案：

该技术方案主要包括传感器体、光导纤维和敏感元件。传感器体内有圆柱形空腔，器壁一侧开有进气通道，进气通道相邻的另一侧器壁上有一个光导纤维插入口，光导纤维插入口与器体内圆柱形空腔相通。在光导纤维插入口相对的空腔里装有带光线反射镜的敏感元件，该敏感元件与被测气体化学反应后能产生光学特性的变化。光导纤维采用“y”型双枝光纤，装在传感器体的插入口中。

测定时，将传感器置于测试区域，被测气体立刻经进气通道扩散进入传感器体空腔内，与空腔内的敏感元件迅速反应，使敏感元件的光学特性发生变化，并通过其上的光线反射镜将光学特性变化的信息反馈给光导纤维传输出去。根据体系吸光度变化与被测气体之间的比例关系。即可得出被测气体含量。

附图说明：

图一是本发明的一个实施例——间歇测定式光纤气体化学传感器的剖面结构示意图；

图二是本发明的另一个实施例——连续测定式光纤气体化学传感器的剖面结构示意图；

附图一、二所揭示的两种传感器，当需测定不同种类的气体时，只要更换合适的敏感元件，即可完成检测传感任务。

下面以测定二氧化硫气体含量的传感器为例，结合附图用实施例对本发明作进一步说明。

实施例一：

本例是测定二氧化硫气体含量的间歇式光纤化学传感器，结构如图一所示。它主要包括传感器体(1)、光导纤维(2)和敏感元件(3)。传感器体(1)由器体底盖(4)和器体本体(5)构成，它们之间用螺纹连接。器体底盖(4)中部有一个圆形凸台，凸台上开有凹槽(6)，凹槽(6)可为圆柱形，螺纹开在凸台四周。检测时，带光线反射镜的敏感元件(3)就置放在凹槽(6)中，不仅可使敏感元件(3)在水平方向上被相对固定，还因器体底盖(4)可旋下，而使敏感元件(3)的换取十分方便。器体本体(5)内有一个一端开口的圆柱形空腔，空腔端口开有内螺纹与器体底盖(4)连接。在器体底盖(4)和器体本体(5)构成的传感器体(1)内的空腔下半部器壁一侧开有进气通道(7)。进气通道(7)上用螺纹连接了一个进气短管(8)，短管(8)的端口上装有能够调节进气量大小的孔盖(9)，以适应测定不同浓度的二氧化硫和对响应速度要求不同的需要。该孔盖(9)可做成孔径大小不一的系列孔盖，也可做成与照相机光圈结构相同的孔盖。

在器体底盖(4)凹槽(6)正对的上方壁，即进气通道(7)相邻的另一侧器壁上开有一个有螺纹的光导纤维插入口(10)，“y”型双枝光纤(2)可用一节端口带螺纹的塑料管或金属管套上，固定在其中。“y”型光纤一束为入射光纤，一束为检测光纤。

敏感元件是由一个试剂皿(11)和盛放在其中的试剂组成。试剂皿(11)的外表面镀有金属膜，使试剂皿(11)同时又成为光线反射镜。试剂根据二氧化硫的氧化还原反应

可选用某些氧化还原指示剂，如丽丝胺绿(Lissamine green )，夜兰(Night blue)邻菲＿啉(Phenanthlorine)络合物，但其中以选用邻菲啰啉的双核络合物[Fe(III)₂(邻菲啰啉)₄(OH)₂]⁴⁺为最好。因为该试剂与二氧化硫气体一作用，立刻被还原成邻菲啰啉的单核络合物[Fe(II)(邻菲啰啉)₃]²⁺，这两种络合物，对于510nm的单色光说来，前者的吸光度很小，而后者的吸光度则很大，检测灵敏度较之其它的指示剂高；其次，还由于邻菲啰啉的双核络合物对混合气体中的二氧化硫有极好的选择性，可避免其它共存组份的干扰。

为了减少光线在传感器内传播的损失，提高检测的准确性，在进气通道(7)最高水平线以上、光导纤维插入口(10)下方的传感器空腔内用螺纹压紧环(14)支撑安放有一透镜(12)。由于该透镜(12)是双凸透镜，故在透镜(12)的上方放有一垫圈(13)，以免镜面直接与光导纤维端面接触产生磨损，影响测定结果。

检测时，首先将敏感元件(3)放入器体底座(4)的凹槽(6)中，旋入传感器体(1)内；其次接通光源，使510nm的单色光通过入射光纤射在敏感元件(3)上。这时获得一个吸光度；然后将传感器放入监测区域，气体立刻从孔盖(9)的扩散口向传感器体(1)中的空腔扩散，迅速与裸露在空腔内的敏感元件(3)中的试剂反应，使邻菲啰啉的双核络合物被还原成单核络合物，吸光度增加，敏感元件(3)上的光线反射镜反射给检测光纤的光量减少。由于二氧化硫的含量与生成的邻菲啰啉的单核络合物浓度有关系，进而也与吸光度有关系，故可根据吸光度的多少知道二氧化硫的含量。

间歇测定式光纤气体化学传感器主要用于每天测试次数不多又不需要连续监测的场合，其优点在于可以节省试剂。

实施例二：

本例是测定二氧化硫气体含量的连续式光纤化学传感器，结构如图二所示。它主要包括传感器体(1)、光导纤维(2)和敏感元件(3)。传感器体(1)由反应器体(15)和传感本体(16)两部份构成，反应器体(15)内有一个空腔，该空腔的下壁为斜面，斜面底部器壁上有一个螺纹孔(17)，斜面上方的器壁上依次并排开有试剂入口(18)和气体出口(19)。进气通道(7)位于靠试入口(18)相邻的另一侧的器壁上，其上也与实施例一一样用螺纹连接了一个进气短管(8)，短管(8)的端口上装有能调节进气量大小的孔盖(9)。孔盖采用的结构方式和其作用与实施例一相同。

传感本体(16)内有一个圆柱形空腔，空腔下壁是一个中空柱塞体(20)，该柱塞体内外表面均有螺纹，当与传感本体(16)螺纹连接压紧后，可使敏感元件检测池定位。柱塞体(20)的内孔即为光导纤维插入口(10)。靠近柱塞体(20)的另一侧器壁上有一螺纹孔(21)，该螺纹孔(21)与反应器体(15)空腔斜面底部上的螺纹孔(17)直径相同，且在同一水平线上。反应器体(15)和传感本体(16)通过这两个螺纹孔(17、21)，用一个通孔连接螺钉(22)连接为一体。为了防止通孔连接螺钉(22)滑出，保证反应器体(15)和传感本体(16)空腔连通，本例中传感本体(16)上的螺纹孔(21)不是通孔，但在该螺纹孔(21)的底部开了一个同心小孔(31)。传感本体(16)柱塞体(20)相对的空腔壁中部还开有一个废液出口(23)。

敏感元件(3)是由检测池和试剂组成。检测池是一个底部有孔的圆管，外表面镀有金属膜，使该圆管同时又成为光线反射镜。该圆管管口还有一圆形缺口，缺口与通孔连接螺钉(22)中的通孔用一节细管(32)经螺纹孔(21)底部的同心小孔(31)将其连通。本例的检测池由三部份组成：一个两端开口的中空反射管(24)、带凹球面的反射镜(25)和一块平面透镜(26)。反射镜(25)带凹球面的一面和平面透镜(26)分别粘接在中空反射管(24)两端。反射镜(25)凹球面底部有一通孔，当检测池置放在传感本体(16)的空腔时，该通孔与废液出口(23)连通。试剂根据二氧化硫的氧化还原反应

可选用某些氧化还原指示剂，这些指示剂参加反应后有光学特性变化，如丽丝胺绿(Lissamine green啰)，夜兰(Night blue)，邻菲啰啉(Phenanthlorine)络合物，其中以选用邻菲啰啉的双核络合物[Fe(III)₂(邻菲啰啉)₄(OH)₂]⁴⁺为最好。其原因与实施例一相同。试剂由安装在试剂入口(18)上的试剂管流入，进入悬在反应器体(15)空腔内的界面反应器(27)与被测气体反应。界面反应器(27)是由微孔材料制成封闭环状管或长条管。微孔材料可用微孔陶瓷、玻璃纤维或滤纸，其中以微孔陶瓷制成的封闭圆环管为最好。

为了提高本例中传感器的整体稳定性，在传感器体(1)的下端装有一个带凹槽的支撑夹持件(28)，该支撑夹持件(28)将已由通孔连接螺钉(22)连为一体的反应器体(15)和传感本体(16)又用锁紧螺钉(29)固定在凹槽中。支持夹持件(28)凹槽底开有一个通孔，与传感本体(16)上的光导纤维插入口(10)对应。“y”型双枝光导纤维(2)可用一节端口带螺纹的塑料管或金属管套上，穿过凹槽底上的通孔，旋入固定在传感本体(16)的光导纤维插入口(10)中。“y”型光纤一束为入射光纤，一束为检测光纤。

此外，位于试剂入口(18)、气体出口(19)和废液出口(23)中的管道都分别用压紧螺帽(30)固定在反应器体(15)和传感本体(16)上，以增加其稳固性和密封性。

检测时，首先接通光源，使510nm的单色光通过入射光纤射在敏感元件(3)的检测池上，让试剂从试剂入口(18)管中流入并充满界面反应器(27)管后逐渐渗出，在重力作用下，顺着界面反应器(27)向下滴在反应器体(15)空腔的斜面上，然后顺斜面流向底部螺钉(22)的通孔中，经孔与连接细管(32)进入置放在传感本体(16)空腔的检测池中，这时获得一个吸光度。然后将传感器放入监测区域，气体立刻从孔盖(9)的扩散口向反应器体(15)中的空腔扩散，迅速与悬在空腔内的界面反应器(27)表面上的试剂反应，由于新鲜试剂的不断渗出，反应后的生成物及未反应完的试剂混合物在重力作用下，也顺着界面反应器(27)表面向下滴在反应器体(15)空腔的斜面上，然后顺斜面经螺钉(22)通孔、细管(32)进入检测池，这时，吸光度增加，检测池反射给检测光纤的光量减少。随着新鲜试剂的不断渗出和气体的不断扩散、反应，即可连续不断地测定气体中二氧化硫含量的变化。检测后的废液由检测池底部的孔，从传感本体(16)空腔壁上的废液出口(23)管排出。未参加反应的气体共存组份，如氧、氮、二氧化碳等可从反应器体(15)上的气体出口(19)管排出。

为了节省试剂，新鲜试剂可控制以50ul/min的流速连续通过传感器。

连续测定式光纤气体化学传感器主要用于生产过程自动控制的实时测量、连续测定。

本发明的实施例不限于以上两种。

本发明与已有技术相比，具有以下一些优点：

1.由于本发明采用的是现代传感技术，较之复杂而价昂的二氧化硫自动分析仪来说，结构简单，价格低廉，而且所需的配套仪器也很简易，故可大大降低二氧化硫监测的设备费用。

2.本发明是光纤化学传感器，不受任何外界电磁场的干扰，工作稳定性高。

3.在测定二氧化硫气体含量时，检测灵敏、响应速度快、选择性高，具有良好的重现性，能满足自动控制系统作一次信号源的要求。

4.使用方便，测试不需耗费大量时间和人力，还可根据实际生产控制的需要选择间歇测定式或连续测定式，而且换取十分简便。

5.适用面广。不仅可用于烟道气及其他体系的二氧化硫气体监测，还可在选择合适的敏感元件试剂条件下，用于能产生光学特性变化的其他气体含量的测定。

6.本发明可根据需要，制成长度和直径为20～40毫米的小型传感器或制成长度和直径为5～10毫米的微型传感器，以满足不同测试场合的要求。

Claims (10)

1.一种光纤气体化学传感器，包括传感器体(1)、光导纤维(2)和敏感元件(3)，其特征在于传感器体(1)内有圆柱形空腔，器壁一侧开有进气通道(7)，进气通道(7)相邻的另一侧器壁上有一个光导纤维插入口(10)，光导纤维插入口(10)与器体内圆柱形空腔相通；在光导纤维插入口(10)相对的空腔里装有带光线反射镜的敏感元件(3)，该敏感元件(3)与被测气体化学反应后能产生光学特性变化；光导纤维(2)采用“y”型双枝光纤，装在传感器体的插入口(10)中。

2.根据权利要求1所述的光纤气体化学传感器，其特征在于传感器体(1)由器体底盖(4)和器体本体(5)构成，它们之间用螺纹连接，器体底盖(4)中部圆形凸台上开有一个凹槽(6)，传感器器壁上的进气通道(7)开在空腔下半部，其上用螺纹连接一进气短管(8)，短管(8)的端口上装有调节进气量大小的孔盖(9)。

3.根据权利要求1或2所述的光纤气体化学传感器，其特征在于敏感元件(3)由试剂皿(11)和盛装在其中的试剂组成，试剂皿(11)的外表面镀有金属膜，试剂为能产生光学特性变化的氧化还原指示剂，如丽丝胺绿、夜兰、邻菲啰啉络合物等，其中以邻菲啰啉的双核络合物为最好。

4.根据权利要求1或2所述的光纤气体化学传感器，其特征在于在进气通道(7)最高水平线以上，光导纤维插入口(10)下方的传感器空腔内安放有一透镜(12)，该透镜(12)用螺纹压紧环(14)支撑紧固。

5.根据权利要求3所述的光纤气体化学传感器，其特征在于进气通道(7)最高水平线以上，光导纤维插入口(10)下方的传感器空腔内安放有一透镜(12)，该透镜(12)用螺纹压紧环(14)支撑紧固。

6.根据权利要求1所述的光纤气体化学传感器，其特征在于传感器器体(1)由反应器体(15)和传感本体(16)构成，反应器体(15)内空腔下壁为斜面，斜面底部器壁上有一螺纹孔(17)，斜面上方器壁依次并排开有试剂入口(18)和气体出口(19)，进气通道(7)位于靠试剂入口(18)相邻的另一侧的器壁上，其上用螺纹连接一进气短管(8)，短管(8)的端口上装有调节进气量大小的孔盖(9)；传感本体(16)空腔下壁是一个中空柱塞体(20)，该柱塞体(20)内外表面均有螺纹，柱塞体(20)的内孔为光导纤维插入口(10)，靠近柱塞体(20)另一侧的器壁上有一螺纹孔(21)与反应器体(15)内空腔斜面底部上的螺纹孔(17)直径相同，且在同一水平线上，反应器体(15)和传感本体(16)通过这两个螺纹孔(17、21)，用一个通孔连接螺钉(22)连接，传感本体柱塞体(20)相对的器壁中部还开有一废液出口(23)。

7.根据权利要求6所述的光纤气体化学传感器，其特征在于敏感元件(3)由检测池和试剂组成，检测池是一个底部有孔的圆管，外表面镀有金属膜，管口有一圆形缺口，该缺口与传感本体(16)内通孔连接螺钉(22)中的通孔连通；试剂为能产生光学特性变化的氧化还原指示剂，如丽丝胺绿、夜兰、邻菲啰啉络合物等，其中以邻菲啉双核络合物为最好，它通过反应器体(15)上的试剂入口(18)进入界面反应器(27)与气体反应。

8.根据权利要求7所述的光纤气体化学传感器，其特征在于检测池可由两端开口的中空反射管(24)、带凹球面的反射镜(25)和一块平面透镜(26)组成，反射镜(25)凹球面底部上有一通孔，反射镜(25)带凹球面的一面和平面透镜(26)分别粘接在中空反射管(24)两端。

9.根据权利要求6或7或8所述的光纤气体化学传感器，其特征在于在传感器体(1)的下端安有一带凹槽的支撑夹持件(28)，将反应器体(15)和传感本体(16)用锁紧螺钉(29)固定在凹槽中，支撑夹持件(28)凹槽底部开有一个通孔，与传感本体(16)上的光导纤维插入口(10)对应。

10.根据权利要求9所述的光纤气体化学传感器，其特征在于界面反应器(27)是由微孔材料制成的封闭环状管或长条管。

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