CN103344603A - 气体检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种气体检测装置，包括光源、GFC轮、怀特腔及第一传感器；分光部件设置在所述怀特腔内，用于分出所述光源发出的射入所述怀特腔内的测量光的部分；所述GFC轮上具有相互隔离的第一空腔、第二空腔、第三空腔和第四空腔；滤光片组设置在所述GFC轮的临近所述光源的一侧的测量光路上，用于分别使进入所述第一空腔、第二空腔的测量光通过对应于第一气体的吸收光谱谱线的波长，及分别使进入所述第三空腔、第四空腔的测量光通过对应于第二气体的吸收光谱谱线的波长；第二传感器用于将所述分光部件分出的光信号转换为电信号，并传送到分析单元。本发明具有检测精度高、成本低、结构简单等优点。
Description
技术领域
本发明涉及气体监测，特别涉及不同量程气体的检测装置及方法。
背景技术
目前在气体检测中，存在检测多种气体的需求，如在烟气检测中存在CO、CO2的需求，CO量程是0～3000ppm，而CO2的量程是0～15％，两个量程相差较大，传统气相滤波非色散红外光谱技术较难实现不同量程多组分气体测量，要实现必须配置带宽非常窄的红外滤光片。
该类分析技术主要有以下不足：窄带红外滤光片通常价格非常昂贵，成本高；光源光束通过窄带红外滤光片后，光强衰减量较大，造成传感器检测到光强较低，仪器信噪比降低，探测下限变差。
发明内容
为了解决上述现有技术方案中的不足，本发明提供了一种检测精度高、成本低、易维护的气体检测装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种气体检测装置，所述气体检测装置包括光源、GFC轮、怀特腔及第一传感器；所述气体检测装置进一步包括：
分光部件，所述分光部件设置在所述怀特腔内，用于分出所述光源发出的射入所述怀特腔内的测量光的部分；
所述GFC轮上具有相互隔离的第一空腔、第二空腔、第三空腔和第四空腔，分别充入浓度超过50％的第一气体、第一气体和第二气体含量为零的零气、浓度超过50％的第二气体、第一气体和第二气体含量为零的零气；
滤光片组，所述滤光片组设置在所述GFC轮的临近所述光源的一侧的测量光路上，用于分别使进入所述第一空腔、第二空腔的测量光通过对应于第一气体的吸收光谱谱线的波长，及分别使进入所述第三空腔、第四空腔的测量光通过对应于第二气体的吸收光谱谱线的波长；
第二传感器，所述第二传感器用于将所述分光部件分出的光信号转换为电信号，并传送到分析单元。
根据上述的气体检测装置，优选地，所述分光部件是分光镜或设置在所述怀特腔的腔镜上的孔径小于光斑的小孔或光纤束或所述怀特腔的腔镜上的增透膜。
根据上述的气体检测装置，可选地，所述第一气体是一氧化碳，第二气体是二氧化碳。
根据上述的气体检测装置，可选地，所述第二传感器获得对应于第一气体、第二气体中高浓度的第二气体的信号。
根据上述的气体检测装置，可选地，进入所述第一空腔和第二空腔的测量光被滤光片滤掉对应于第二气体的吸收光谱谱线的波长，进入所述第三空腔和第四空腔的测量光被滤光片滤掉对应于第一气体的吸收光谱谱线的波长。
本发明还提供了一种检测精度高、运行成本低的气体检测方法。该发明目的是通过以下技术方案实现的：
一种气体检测方法，所述气体检测方法包括以下步骤：
(A1)光源发出测量光，所述测量光包括对应于第一气体的吸收光谱谱线、第二气体的吸收光谱谱线的波长；
(A2)所述测量光穿过旋转的滤光片、GFC轮，分时间地使对应于第一气体的吸收光谱谱线的波长的测量光穿过GFC轮上的第一空腔内的浓度超过50％的第一气体、第二空腔内第一气体和第二气体含量为零的零气，对应于第二气体的吸收光谱谱线的波长的测量光穿过GFC轮上的第三空腔内的浓度超过50％的第二气体、第四空腔内第一气体和第二气体含量为零的零气；
穿过GFC轮的测量光分时间的进入怀特腔内，分别被所述怀特腔内待测气体中的第一气体和第二气体吸收；
(A3)所述怀特腔内的分光部件分出部分光，被第二传感器接收后传送到分析单元；另部分光在怀特腔内来回反射，被第一传感器接收后传送到所述分析单元；
(A4)分析单元利用吸收光谱技术处理第二传感器传送来的对应于第二气体的信号、第一传感器传送来的对应于第一气体的信号，从而获知待测气体中第一气体和第二气体的浓度。
根据上述的气体检测方法，优选地，所述分光部件是分光镜或设置在所述怀特腔的腔镜上的孔径小于光斑的小孔或光纤束或所述怀特腔的腔镜上的增透膜。
根据上述的气体检测方法，可选地，所述第一气体是一氧化碳，第二气体是二氧化碳。
根据上述的气体检测方法，可选地，所述第二传感器获得对应于第一气体、第二气体中高浓度的第二气体的信号。
根据上述的气体检测方法，可选地，进入所述第一空腔和第二空腔的测量光被滤光片滤掉对应于第二气体的吸收光谱谱线的波长，进入所述第三空腔和第四空腔的测量光被滤光片滤掉对应于第一气体的吸收光谱谱线的波长。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
1、避免采样窄带红外滤光片，成本低，测量精度高；
2、结构简单，可靠性高，可维护性好。
附图说明
参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：
图1是根据本发明实施例1的气体检测装置的结构简图；
图2是根据本发明实施例1的GFC轮的结构简图；
图3是根据本发明实施例1的滤光片组的结构简图；
图4是根据本发明实施例1的气体检测方法的流程图。
具体实施方式
图1-4和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将在本发明的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。
实施例1：
图1示意性地给出了本发明实施例的气体检测装置的结构简图，如图1所示，所述气体检测装置包括：
红外光源1、由电机4驱动的斩波器2和GFC轮3、怀特腔5及第一传感器61，这些器件都是非色散红外光谱技术领域的现有技术，在此不再赘述。
分光部件51，所述分光部件51设置在所述怀特腔内，用于分出所述光源1发出的射入所述怀特腔5内的测量光的部分；优选地，所述分光部件是分光镜或设置在所述怀特腔的腔镜上的孔径小于光斑的小孔或光纤束或所述怀特腔的腔镜上的增透膜。
图2示意性地给出了本发明实施例的GFC轮的结构简图，如图2所示，所述GFC轮3上具有相互隔离的第一空腔31、第二空腔32、第三空腔33和第四空腔34，分别充入浓度超过50％的第一气体、第一气体和第二气体含量为零的零气、浓度超过50％的第二气体、第一气体和第二气体含量为零的零气；可选地，所述第一气体是一氧化碳，第二气体是二氧化碳。所述零气可采用高纯氮气或其它惰性气体。
滤光片组35-38，图3示意性地给出了本发明实施例的滤光片组的简图，如图3所示，所述滤光片组设置在所述GFC轮3的临近所述光源1的一侧的测量光路上，用于分别使进入所述第一空腔31、第二空腔32的测量光通过对应于第一气体的吸收光谱谱线的波长，及分别使进入所述第三空腔33、第四空腔34的测量光通过对应于第二气体的吸收光谱谱线的波长；为了进一步提高检测的精确度，优选地，进入所述第一空腔和第二空腔的测量光被滤光片滤掉对应于第二气体的吸收光谱谱线的波长，进入所述第三空腔和第四空腔的测量光被滤光片滤掉对应于第一气体的吸收光谱谱线的波长。
第二传感器62，所述第二传感器用于将所述分光部件51分出的光信号转换为电信号，并传送到分析单元。可选地，所述第二传感器获得对应于第一气体、第二气体中高浓度气体的信号。
图4示意性地给出了气体检测方法的流程图，如图4所示，所述气体检测方法包括以下步骤：
一种气体检测方法，所述气体检测方法包括以下步骤：
(A1)光源发出测量光，所述测量光包括对应于第一气体的吸收光谱谱线、第二气体的吸收光谱谱线的波长；
(A2)所述测量光穿过旋转的滤光片、GFC轮，分时间地使对应于第一气体的吸收光谱谱线的波长的测量光穿过GFC轮上的第一空腔内的浓度超过50％的第一气体、第二空腔内第一气体和第二气体含量为零的零气，对应于第二气体的吸收光谱谱线的波长的测量光穿过GFC轮上的第三空腔内的浓度超过50％的第二气体、第四空腔内第一气体和第二气体含量为零的零气；可选地，所述第一气体是一氧化碳，第二气体是二氧化碳。
穿过GFC轮的测量光分时间的进入怀特腔内，分别被所述怀特腔内待测气体中的第一气体和第二气体吸收；
(A3)所述怀特腔内的分光部件分出部分光，被第二传感器接收后传送到分析单元；另部分光在怀特腔内来回反射，被第一传感器接收后传送到所述分析单元；
优选地，所述分光部件是分光镜或设置在所述怀特腔的腔镜上的孔径小于光斑的小孔或光纤束或所述怀特腔的腔镜上的增透膜。为了提高检测的精度，可选地，进入所述第一空腔和第二空腔的测量光被滤光片滤掉对应于第二气体的吸收光谱谱线的波长，进入所述第三空腔和第四空腔的测量光被滤光片滤掉对应于第一气体的吸收光谱谱线的波长。
可选地，所述第二传感器获得对应于第一气体、第二气体中高浓度的第二气体的信号。使得穿过滤光片、第一空腔、怀特腔后的测量光被第一传感器接收，并转换为对应于怀特腔内低浓度的第一气体的测量电信号，穿过滤光片、第二空腔、怀特腔后的测量光被第一传感器接收，并转换为对应于怀特腔内低浓度的第一气体的参比电信号，穿过滤光片、第三空腔、怀特腔后的测量光被第二传感器接收，并转换为对应于怀特腔内高浓度的第二气体的测量电信号，穿过滤光片、第四空腔、怀特腔后的测量光被第二传感器接收，并转换为对应于怀特腔内高浓度的第二气体的参比电信号。
(A4)分析单元利用吸收光谱技术处理第二传感器传送来的对应于第二气体的(测量和参比)信号、第一传感器传送来的对应于第一气体的(测量和参比)信号，从而获知待测气体中第一气体和第二气体的浓度。具体处理方式是本领域的现有技术，在此不再赘述。
实施例2：
根据本发明实施例1的气体检测装置及方法在烟气监测中的应用例。具体用于检测烟气中一氧化碳和二氧化碳的含量，其中二氧化碳浓度高，一氧化碳浓度低。
在该应用例中，光源采用点火器，分光部件采用反光镜，进入怀特腔的测量光一部分被反光镜反射进入第二传感器，另一部分透过所述反光镜。第二空腔和第四空腔内充入氮气作为零气。第一空腔内充入55％的一氧化碳，第三空腔内充入60％的二氧化碳。第一空腔和第二空腔临近光源的一侧固定有能通过对应于一氧化碳吸收谱线的波长的测量光，并滤掉对应于二氧化碳吸收谱线的波长的测量光的滤光片，第三空腔和第四空腔临近光源的一侧固定有能通过对应于二氧化碳吸收谱线的波长的测量光，并滤掉对应于一氧化碳吸收谱线的波长的测量光的滤光片。使得穿过滤光片、第一空腔、怀特腔后的测量光被第一传感器接收，并转换为对应于怀特腔内低浓度一氧化碳的测量电信号，穿过滤光片、第二空腔、怀特腔后的测量光被第一传感器接收，并转换为对应于怀特腔内低浓度一氧化碳的参比电信号，穿过滤光片、第三空腔、怀特腔后的测量光被第二传感器接收，并转换为对应于怀特腔内高浓度二氧化碳的测量电信号，穿过滤光片、第四空腔、怀特腔后的测量光被第二传感器接收，并转换为对应于怀特腔内高浓度二氧化碳的参比电信号。
实施例3：
根据本发明实施例1的气体检测装置及方法在烟气监测中的应用例。具体用于检测烟气中一氧化碳和二氧化碳的含量，其中二氧化碳浓度高，一氧化碳浓度低。
在该应用例中，光源采用镍合金灯丝，分光部件采用小孔，具体是设置在怀特腔的腔镜上的孔径小于光斑的孔，从而使得部分光穿过从小孔射出后被第二传感器接收。第二空腔和第四空腔内充入氮气作为零气。第一空腔内充入55％的一氧化碳，第三空腔内充入60％的二氧化碳。第一空腔和第二空腔临近光源的一侧固定有能通过对应于一氧化碳吸收谱线的波长的测量光，并滤掉对应于二氧化碳吸收谱线的波长的测量光的滤光片，第三空腔和第四空腔临近光源的一侧固定有能通过对应于二氧化碳吸收谱线的波长的测量光，并滤掉对应于一氧化碳吸收谱线的波长的测量光的滤光片。使得穿过滤光片、第一空腔、怀特腔后的测量光被第一传感器接收，并转换为对应于怀特腔内低浓度一氧化碳的测量电信号，穿过滤光片、第二空腔、怀特腔后的测量光被第一传感器接收，并转换为对应于怀特腔内低浓度一氧化碳的参比电信号，穿过滤光片、第三空腔、怀特腔后的测量光被第二传感器接收，并转换为对应于怀特腔内高浓度二氧化碳的测量电信号，穿过滤光片、第四空腔、怀特腔后的测量光被第二传感器接收，并转换为对应于怀特腔内高浓度二氧化碳的参比电信号。
上述实施例均是示例性地给出了第一气体是一氧化碳，第二气体是二氧化碳的情况，当然还可以是其它量程不同且吸收光谱谱线处于光源发射波长范围内的多种气体。这对于本领域的技术人员来说，在本申请文件披露的基础上，保护范围内的其它技术方案、实施效果是可以预料到的。
Claims (10)
1.一种气体检测装置，所述气体检测装置包括光源、GFC轮、怀特腔及第一传感器；其特征在于：所述气体检测装置进一步包括：
分光部件，所述分光部件设置在所述怀特腔内，用于分出所述光源发出的射入所述怀特腔内的测量光的部分；
所述GFC轮上具有相互隔离的第一空腔、第二空腔、第三空腔和第四空腔，分别充入浓度超过50％的第一气体、第一气体和第二气体含量为零的零气、浓度超过50％的第二气体、第一气体和第二气体含量为零的零气；
滤光片组，所述滤光片组设置在所述GFC轮的临近所述光源的一侧的测量光路上，用于分别使进入所述第一空腔、第二空腔的测量光通过对应于第一气体的吸收光谱谱线的波长，及分别使进入所述第三空腔、第四空腔的测量光通过对应于第二气体的吸收光谱谱线的波长；
第二传感器，所述第二传感器用于将所述分光部件分出的光信号转换为电信号，并传送到分析单元。
2.根据权利要求1所述的气体检测装置，其特征在于：所述分光部件是分光镜或设置在所述怀特腔的腔镜上的孔径小于光斑的小孔或光纤束或所述怀特腔的腔镜上的增透膜。
3.根据权利要求1所述的气体检测装置，其特征在于：所述第一气体是一氧化碳，第二气体是二氧化碳。
4.根据权利要求1所述的气体检测装置，其特征在于：所述第二传感器获得对应于第一气体、第二气体中高浓度的第二气体的信号。
5.根据权利要求1所述的气体检测装置，其特征在于：进入所述第一空腔和第二空腔的测量光被滤光片滤掉对应于第二气体的吸收光谱谱线的波长，进入所述第三空腔和第四空腔的测量光被滤光片滤掉对应于第一气体的吸收光谱谱线的波长。
6.一种气体检测方法，所述气体检测方法包括以下步骤：
(A1)光源发出测量光，所述测量光包括对应于第一气体的吸收光谱谱线、第二气体的吸收光谱谱线的波长；
(A2)所述测量光穿过旋转的滤光片、GFC轮，分时间地使对应于第一气体的吸收光谱谱线的波长的测量光穿过GFC轮上的第一空腔内的浓度超过50％的第一气体、第二空腔内第一气体和第二气体含量为零的零气，对应于第二气体的吸收光谱谱线的波长的测量光穿过GFC轮上的第三空腔内的浓度超过50％的第二气体、第四空腔内第一气体和第二气体含量为零的零气；
穿过GFC轮的测量光分时间的进入怀特腔内，分别被所述怀特腔内待测气体中的第一气体和第二气体吸收；
(A3)所述怀特腔内的分光部件分出部分光，被第二传感器接收后传送到分析单元；另部分光在怀特腔内来回反射，被第一传感器接收后传送到所述分析单元；
(A4)分析单元利用吸收光谱技术处理第二传感器传送来的对应于第二气体的信号、第一传感器传送来的对应于第一气体的信号，从而获知待测气体中第一气体和第二气体的浓度。
7.根据权利要求6所述的气体检测方法，其特征在于：所述分光部件是分光镜或设置在所述怀特腔的腔镜上的孔径小于光斑的小孔或光纤束或所述怀特腔的腔镜上的增透膜。
8.根据权利要求6所述的气体检测方法，其特征在于：所述第一气体是一氧化碳，第二气体是二氧化碳。
9.根据权利要求6所述的气体检测方法，其特征在于：所述第二传感器获得对应于第一气体、第二气体中高浓度的第二气体的信号。
10.根据权利要求6所述的气体检测方法，其特征在于：进入所述第一空腔和第二空腔的测量光被滤光片滤掉对应于第二气体的吸收光谱谱线的波长，进入所述第三空腔和第四空腔的测量光被滤光片滤掉对应于第一气体的吸收光谱谱线的波长。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C53 | Correction of patent of invention or patent application | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Huang Wei Inventor after: Yang Kai Inventor before: Huang Wei |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: HUANG WEI TO: HUANG WEI YANG KAI |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |