CN103454222B - 一种基于光学气体传感技术的开放气室 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光学气体传感技术的开放气室，包括气室和位于气室内部的两组带尾纤的自聚焦透镜组，气室为一个表面布满均匀小孔的中空体，小孔内嵌有分子筛，气室内部左右壁上分别设有支架，两组自聚焦透镜组精确对准并分别固定于两个支架上，两组自聚焦透镜中的一组通过尾纤连接输入单模光纤，两组自聚焦透镜中的另一组通过尾纤连接输出单模光纤；所述开放气室还包括防护外壳，且防护外壳表面布满小孔，小孔处固定微孔薄膜。本发明所述开放气室实现在线检测环境中气体的浓度，是一种非接触测量装置，具有非常好的高温、高粉尘和强腐蚀等恶劣工业环境适应能力，使气体的测量更安全，更稳定，适用性广。

Description

一种基于光学气体传感技术的开放气室

技术领域

本发明属于光学气体传感技术领域，具体涉及一种基于光学气体传感技术的开放气室。

背景技术

光谱吸收法是通过待检测气体透射光强或反射光强的变化来检测气体浓度的方法。每种气体分子都有自己的吸收(或辐射)谱特征，光源的发射谱只有在与气体吸收谱重叠的部分才产生吸收，吸收后的光强将发生变化。从谱范围上可划分为红外光谱吸收法和紫外光谱吸收法。

当一束光强为I₀输入光的平行光通过充有气体的气室时，如果光源光谱覆盖一个或多个气体吸收线，光通过气体时发生衰减，根据Beer-Lambert定律，输出光强I(λ)与输入光强I₀(λ)和气体浓度之间的关系为：

I(λ)＝I₀(λ)exp(-α_λLC)

α_λ是一定波长下单位浓度，单位长度的介质吸收系数，L是吸收路径的长度，C是气体浓度。由上式可得：

$C=\frac{1}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\λ}}L}\ln \frac{I_0\left(\mathrm{\λ}\right)}{I\left(\mathrm{\λ}\right)}$

式子表明，如果L与α_λ已知，通过检测I(λ)和I₀(λ)就可以测得气体的浓度。这就是光谱吸收方法检测气体浓度的基本原理。

这种方法可以对大多数的气体浓度进行较高精度的测量，吸收型气体传感器的一大优点是具有简单可靠的气室结构，而且只要调换光源就可以用同样的系统来检测不同浓度的气体。基于光谱吸收检测气体技术，可以实现对气体的高选择性、高分辨、高灵敏、快速响应、非接触在线监测，不存在中毒问题，使用安全，仪器维护量低。

一般来说，需要监测的场所一般环境较为恶劣，可能存在多种有害气体，现阶段广泛使用的气室为密闭气室，或者怀特吸收池，需要装有进气阀门、大气采样泵的反射池；同时还必须为封闭结构包含进气口、出气口用来吸入或排出气体，在气体的实时准确测量方面达不到要求，所以迫切需要一种开放式的防水防尘气室，可以阻挡粉尘的进入，防止对光学透镜的污染；阻挡水蒸气的进入，防治对气体的检测带来干扰，并且可将传感头放置在人和仪器不易进入的易燃易爆、有毒等恶劣环境中在线遥测，维护量少，提高气体检测的精确度的微型传感器。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的上述问题，提供一种开放式的、可阻挡粉尘、水蒸气进入，能适应恶劣环境且能实现在线监测的一种基于光学气体传感技术的开放气室。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于光学气体传感技术的开放气室，包括气室和位于气室内部的两组带尾纤的自聚焦透镜组，气室为一个表面布满均匀小孔的中空体，所述小孔内嵌有分子筛，所述气室内部左右壁上分别设有支架，两组自聚焦透镜组精确对准并分别固定于两个支架上，两组自聚焦透镜中的一组通过尾纤连接输入单模光纤，所述两组自聚焦透镜中的另一组通过尾纤连接输出单模光纤。

进一步地，所述分子筛为5A型沸石分子筛。

进一步地，所述自聚焦透镜组通过树脂胶固定于支架上。

进一步地，所述支架为U型槽支架或V型槽支架。

进一步地，所述自聚焦透镜组具体为由若干个前端涂有抗反射膜的自聚焦透镜内嵌在自聚焦透镜嵌中所得的组合体。

进一步地，所述气室为中空圆柱体，气室的内外壁均被染成黑色，气室外壁设置两组对称分布的气室固定点；

进一步地，本发明所述开放气室还包括防护外壳，所述防护外壳表面布满小孔，小孔处固定微孔薄膜，

进一步地，所述薄膜为PTFE微孔薄膜。

进一步地，所述防护外壳由两部分组成，上半部分由不带盖的长方体构成，下半部分由空心半圆柱体构成，半圆柱体的纵截面面积与长方体底面积相等；所述防护外壳外壁设置有两组对称分布的防护外壳固定点。

进一步地，所示防护外壳内部左壁或右壁连接法兰和法兰接头，所述法兰和法兰接头的作用在于固定单模光纤。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

首先，本发明所述基于光学气体传感技术检测多种气体的开放气室，通过气室壁上设置开孔及分子筛和防护外壳上的开孔及微孔薄膜使得气室内部待测气体与环境中气体浓度一致，实现气室的开放式，便于在线检测环境中气体的浓度；

其次，本发明所述基于光学气体传感技术检测多种气体的开放气室采用由多个前端涂抗反射膜并带有尾纤的渐变折射率透镜，即自聚焦透镜的自聚焦透镜组，一方面减少光的耦合损耗，另一方面，提高耦合稳定性；采用将两组带尾纤的自聚焦透镜组通过树脂胶对准固定在支架上的方式，提高光纤信号的稳定性，使信号不受电磁场干扰，在高温、高压、低温、强腐蚀等恶劣环境下仍然能保持不变；

再次，本发明所述基于光学气体传感技术检测多种气体的开放气室是一种非接触测量装置，具有非常好的高温、高粉尘和强腐蚀等恶劣工业环境适应能力，使气体的测量更安全，更稳定；

此外，本发明所述基于光学气体传感技术检测多种气体的开放气室通过采用5A型沸石分子筛和PTFE微孔薄膜提高防护外壳和气室对水蒸气、粉尘的过滤，避免水蒸气、粉尘对光的散射，提高测量的准确性，提高气室的环境适应性和寿命。

附图说明

图1为本发明实施例中所述基于光学气体传感技术的开放气室的结构示意图；

图2为本发明实施例中气室开孔及内嵌分子筛示意图；

图3为本发明实施例中防护外壳开孔及微孔薄膜示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本实施例中的基于光学气体传感技术检测多种气体的开放气室，包括气室1和位于气室1内部的两组带尾纤的自聚焦透镜组2，气室1为一个表面布满均匀小孔11的中空体，所述小孔11内嵌有分子筛12，所述气室1内部左右壁上设置有U型槽或V型槽支架13，两组自聚焦透镜组2精确对准并分别通过树脂胶固定于两个支架13上，两组自聚焦透镜2中的一组通过尾纤连接输入单模光纤3，所述两组自聚焦透镜2中的另一组通过尾纤连接输出单模光纤4。

气室1壁上设置小孔11及分子筛12使得气室1内部待测气体与环境中气体浓度一致，实现气室1的开放式测试，便于在线检测环境中气体的浓度；

这里的分子筛12可以为5A型沸石分子筛，5A型沸石分子筛是多孔道的晶体结构，其孔道均匀，排列整齐，孔道的有效直径为5*10-10米，分子直径小的气体分子可以通过，而分子直径大的粉尘、水蒸气被阻止，对气室内部各部件予以保护；

这里采用将两组自聚焦透镜组2通过树脂胶分别固定在两个支架13上的方式，提高光纤信号的稳定性，使信号不受电磁场干扰，在高温、高压、低温、强腐蚀等恶劣环境下仍然能保持不变；

务必保证两组自聚焦透镜组2精确对准以保证光路的平行传输。

本实施例中采用的自聚焦透镜组2具体可以为由若干个前端涂有抗反射膜的自聚焦透镜嵌在自聚焦透镜嵌中所得的组合体，选用具有抗反射膜的透镜可以减小光的反射。

本实施例中的气室1为中空圆柱体，气室1内外壁设置两组对称分布的气室固定点14，气室固定点14便于气室1位置的固定，提高使用寿命；气室1的长度取决于自聚焦透镜的准直距离，即取决于自聚焦透镜的加工技术，该技术属于现有技术领域，在这里不展开说明。

本实施例中的基于光学气体传感技术检测多种气体的开放气室包括防护外壳5，为了实现气室的开放性，防护外壳表面布满小孔51，小孔处固定微孔薄膜52。

作为优选，小孔处固定PTFE微孔薄膜。

PTFE微孔薄膜是聚四氟乙烯微孔薄膜，聚四氟乙烯经过膨化拉伸后、内部产生数以万计的微孔，其中微孔的孔径大于水蒸气分子的直径而小于水珠的直径，所以气态分子就能顺利穿过这个材料，而液态物质就会被阻拦，从而达到了防水透气的效果，同时微孔通道在膜内结成网状立体结构，均匀密集的微孔分布，使灰尘遇到阻隔，达到有效的防尘效果。

这里的防护外壳5由两部分组成，上半部分由不带盖的长方体构成，便于气室1的安装；下半部分由空心半圆柱体构成，便于扩散气体的接触和测量，半圆柱体的纵截面面积与长方体底面积相等；所述防护外壳外壁设置有两组对称分布的防护外壳固定点53，便于防护外壳5位置的固定；防护外壳5内部左壁或右壁连接有法兰54和法兰接头55，所述法兰54和法兰接头55用于固定单模光纤3和4。

检测时，首先，将本实施例中的基于光学气体传感技术的开放气室至于待监测气体环境中，待检测气体从保护外壳5上的微孔隔膜52进入到气室1外部，又通过气室1壁上所开小孔11及内嵌的分子筛12进入到气室1腔内，即气室1腔内的待测气体浓度与环境中浓度相同；

然后，对于某种已知气体的浓度的检测，调节激光器的温度和电流，使激光波长稳定在待测气体的吸收峰处，使激光器输出的激光经光强测量后输入单模光纤3，再经由输入单模光纤3进入自聚焦透镜组2，通过自聚焦透镜组2的光经调整变为平行光并在微型光学气室1内与待测气体分子发生共振吸收，光强发生特性衰减进入另一组自聚焦透镜组2，输出的光进入输出单模光纤4并进行光强测量。依据光通过微型光学气室1时强度的衰减，便可计算出气体的浓度；

对于已知具体种类的混合气体中各气体浓度的检测，只需调节激光器的温度和电流，使激光波长依次固定在待测气体中各气体的吸收峰处，按照上述操作方法进行测量即可。

所述气体传感器适用于以下领域：土木工程领域，包括建筑、隧道、竖井、下水道及管道等的气体监测；煤矿相关领域，如甲烷浓度检测；环境领域，如环境和垃圾填埋场内甲烷和二氧化碳的检测；能源领域，包括天燃气管道泄漏的检测，煤气层，原位气化、石油和天然气领域等的检测。总之，涉及气体检测及监测的领域，都可以使用本发明所述基于光学气体传感技术的开放气室。

尽管这里参照本发明的最佳解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (7)

1.一种基于光学气体传感技术的开放气室，包括气室和位于气室内部的带尾纤的两组自聚焦透镜组，其特征在于：气室为一个表面布满均匀小孔中空体，所述小孔内嵌有分子筛，所述气室内部左右壁上设有支架，两组自聚焦透镜组精确对准并分别固定于两个支架上，两组自聚焦透镜中的一组通过尾纤连接输入单模光纤，所述两组自聚焦透镜中的另一组通过尾纤连接输出单模光纤；

还包括防护外壳，防护外壳表面布满小孔，小孔处固定PTFE微孔隔膜；

所述自聚焦透镜组是指由若干个涂有抗反射膜的自聚焦透镜内嵌在自聚焦透镜嵌中所得的组合体。

2.根据权利要求1所述的基于光学气体传感技术的开放气室，其特征在于：所述分子筛为5A型沸石分子筛。

3.根据权利要求1所述的基于光学气体传感技术的开放气室，其特征在于：所述自聚焦透镜组通过树脂胶固定于支架上。

4.根据权利要求1或3所述的基于光学气体传感技术的开放气室，其特征在于：所述支架为U型槽支架或V型槽支架。

5.根据权利要求1所述的基于光学气体传感技术的开放气室，其特征在于：所述气室为中空圆柱体，气室的内外壁均被染成黑色，气室外壁设置两组对称分布的气室固定点。

6.根据权利要求1所述的基于光学气体传感技术的开放气室，其特征在于：所述防护外壳由两部分组成，上半部分由不带盖的长方体构成，下半部分由空心半圆柱体构成，半圆柱体的纵截面面积与长方体底面积相等；所述防护外壳外壁设置有两组对称分布的防护外壳固定点。

7.根据权利要求6所述的基于光学气体传感技术的开放气室，其特征在于：所述防护外壳内部左壁或右壁连接有法兰和法兰接头，所述法兰和法兰接头用于固定单模光纤。