CN105158184A

CN105158184A - 一种基于光学积分球的气体在线分析装置

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Publication number: CN105158184A
Application number: CN201510577405.6A
Authority: CN
Inventors: 张长林; 龙刚; 刘泓昱; 卓深; 陈业奇
Original assignee: Shenzhen Svoln Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Svoln Technology Co Ltd
Priority date: 2015-09-11
Filing date: 2015-09-11
Publication date: 2015-12-16

Abstract

本发明提供一种基于光学积分球的气体在线分析装置，主要由采样单元、预处理单元及积分球测量单元等构成。其中，积分球测量单元的积分球主要由透光基底、漫反射层、光阑及通气口构成：漫反射层涂敷在由透光基底构成的球状腔体外侧，入射光路和出射光路共面相交。入射到积分球内的光被漫反射层多次反射并与试样作用，在积分球内部产生特征光谱；所产生的特征光谱被漫反射层多次反射后，在出射光阑处叠加并被有效的接收；同时，利用积分球还能有效的抑制由于光线形状及发散角度变化导致的测量误差。同等线径条件下，本发明能将传统基于“圆柱形”气体腔室的灵敏度和稳定性提高3～10倍。

Description

一种基于光学积分球的气体在线分析装置

技术领域

本发明涉及一种气体在线分析装置，适用于基于“分光光度法”(包括差分吸收光谱法、非色散红外吸收光谱法)、“荧光光度法”、“化学发光法”以及“拉曼光谱法”等方法的气体在线监测仪器，特别适用于对“灵敏度”和“检出限”要求非常苛刻的气体在线监测领域。

背景技术

常规基于“光度法”(包括差分吸收光谱法、非色散红外吸收光谱法)的气体在线监测仪器，其样品室大都采用圆柱形的气体腔室，缺陷是：①结构设计上的限制致使光程受限，从而导致灵敏度较低、检出限较高；②只有通光部分的气体试样与光发生作用，致使不同浓度气体试样反应的差异程度不明显，最终导致检出限和灵敏度受限。

为了提高灵敏度，常规的做法是通过“增加气体腔室线径”或“设置多次反射”以增加光程，从而达到提高灵敏度、降低检出限的目的。虽然这两种做法可以增加光程，但是由于“光源”至“光接收端”之间的距离也被延长了，致使光源或是光接收端中任意一端位置的微小变化、光线形状的微小变化和发散角度的微小变化都会引起较大的光测量误差，从而影响测量的稳定性(或重复性)，导致其灵敏度和检出限的改善程度有限。

此外，上述两种方式均无法让所有的试样都与光发生作用，无法拉大不同浓度气体试样反应的差异程度，因此其对灵敏度、检出限及数据稳定性的改善程度非常有限。

发明内容

本发明的目的是为基于“光度法”(包括差分吸收光谱法、非色散红外吸收光谱法)的气体在线分析仪器提供一种创新性的技术思路与方案，即将传统“光度法”气体在线监测仪器的“圆柱形”气体腔室改造成一个“积分球”气体腔室：

①漫反射层涂敷在积分球的外部，积分球的内部采用玻璃如石英玻璃或是化学性质极不活泼的其他透光材料，积分球腔室内的光传播介质为待测试样。(有别于传统积分球的构成，漫反射层涂敷在积分球的内表面，积分球腔室内的光传播介质为空气或真空。)

②待测试样在积分球内充满整个积分球腔室，待观测的特征光谱在积分球内部产生。(有别于传统积分球的使用方法，其待观测的特征光谱在积分球外部产生，外部产生的特征光谱被导入到积分球内进行测量。)

本发明的技术方案：

一种基于光学积分球的气体在线分析装置，主要由采样单元1、预处理单元2、积分球测量单元3、控制与计算单元4及气体试剂单元5构成：

积分球测量单元3由积分球31、光源32和光接收模块33构成；积分球31由透光基底311、漫反射层312、入射光阑313、出射光阑314、进气口315、出气口316构成；透光基底311构成积分球31的球状腔室，位于积分球31的内侧；漫反射层312涂敷在透光基底311的外部，位于积分球31的外侧；光源32和入射光阑313构成入射光路，出射光阑314和光接收模块33构成出射光路，所述入射光路和所述出射光路相交；进气口315及出气口316与所述入射光路或所述出射光路不在一条直线上；经入射光阑313入射至积分球31内的光被漫反射层312多次反射并与试样作用，在积分球31内部产生特征光谱；所产生的特征光谱通过漫反射层312的多次反射后，在出射光阑314处叠加；叠加后的特征光谱经出射光阑314被光接收模块33接收；

采样单元1负责气体试样的自动进样；

预处理单元2负责调节流量、或除尘、或除湿、或除干扰/腐蚀成分、或混合/稀释试样；

积分球测量单元3负责测量积分球31腔室内气体试样与光作用产生的特征光谱；

控制与计算单元4负责操控系统，并依据积分球测量单元3测量得到的特征光谱计算气体试样中待测物质的浓度；

气体试剂单元5负责贮存测量所需标气、或载气、或气体试剂。

进一步，上述积分球测量单元3能够测量的特征光谱包括吸收光谱、荧光光谱、拉曼光谱、化学发光及生物荧光：

当光源32与入射光阑313之间、或出射光阑314与光接收模块33之间增设一单色器，可测量吸收光谱；

当光源32与入射光阑313之间和出射光阑314与光电传感模块33之间分别增设一单色器，可测量荧光光谱；

当光源32设定为激光、出射光阑314与光电传感模块33之间增设一单色器，可测量拉曼光谱；

当发光行为是由试样的化学反应或生物自身行为引发时，去除光源32和入射光阑23，可测量化学发光或生物荧光。

进一步，上述光源32的工作波长包括紫外、可见光和红外。

进一步，上述积分球31的构成包括以下方式：透光基底311采用玻璃或化学性质极不活泼的其他透光材料，所述玻璃包括石英玻璃，漫反射层312涂敷在透光基底311构成的球状腔体外部；或透光基底311和漫反射层312合二为一，材料采用聚四氟乙烯、或不锈钢；或在积分球31的腔室内壁镀金构成反射层。其中，透光基底311和漫反射层312合二为一，即理解为积分球31仅设置一层具有漫反射功能的结构层(漫反射层312)构成其球状腔体。

进一步，上述入射光路与出射光路之间共面相交形成的角度为直角、或锐角、或钝角。

本发明的效果：

1)入射到积分球腔室内的光被漫反射层多次反射并与试样作用，提高了特征光谱的产生效率。

2)所产生的全部特征光谱被漫反射层多次反射后，在出射光阑处叠加并被探测器有效的接收，提高了特征光谱的探测效率。

3)利用积分球的特点还能有效的抑制由于光线形状、发散角度及探测器上不同位置的响应差异导致的测量误差。

实验结果表明：在同等线径条件下，本发明能将传统基于“圆柱形”气体腔室的检测灵敏度和测量稳定性提高3～10倍。

附图说明

图1为本发明第一种较佳实施例中基于光学积分球的气体在线分析装置的基本构成框图；

图2为本发明第一种较佳实施例中积分球的基本构成示意图；

图3为含特定预处理功能的基于光学积分球的气体在线分析装置的基本构成框图。

附图标号说明：

1—采样单元；2—预处理单元；3—积分球测量单元；31—积分球；311—透光基底；312—漫反射层；313—入射光阑；314—出射光阑；315—进气口；316—出气口；32—光源；33—光接收模块；4—控制与计算单元；5—气体试剂单元。

具体实施方式

为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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。

实施例一

如图1、图2所示，一种基于光学积分球的气体在线分析装置，主要由采样单元1、预处理单元2、积分球测量单元3、控制与计算单元4及气体试剂单元5构成：

积分球测量单元3由积分球31、光源32和光接收模块33构成；积分球31由透光基底311、漫反射层312、入射光阑313、出射光阑314、进气口315、出气口316构成；透光基底311构成积分球31的球状腔室，位于积分球31的内侧；漫反射层312涂敷在透光基底311的外部，位于积分球31的外侧；透光基底311起漫反射层312衬底和试样容器双重作用；光源32和入射光阑313构成入射光路，出射光阑314和光接收模块33构成出射光路，入射光路和出射光路共面相交；进气口315及出气口316与入射光路或出射光路不在一条直线上；经入射光阑313入射至积分球31内的光被漫反射层312多次反射并被试样吸收，在积分球31内部产生特征吸收光谱；所产生的特征吸收光谱通过漫反射层312的多次反射后，在出射光阑314处叠加；叠加后的特征吸收光谱经出射光阑314被光接收模块33接收；

采样单元1负责气体试样的自动进样；

积分球测量单元3负责测量积分球31腔室内气体试样吸收光产生的特征吸收光谱；

控制与计算单元4负责操控系统，并依据积分球测量单元3测量得到的特征吸收光谱计算吸光度和试样中待测物质的浓度；

测试流程包括以下步骤：

S100.采样单元1将待测气体泵抽至预处理单元2；

S200.预处理单元2对气体试样执行流量调节、或除尘、或除湿、或除干扰/腐蚀成分、或混合/稀释功能；

S300.经过预处理后的气体试样被泵送至积分球31，由进气口315流入积分球31腔室，由出气口316流出积分球31腔室，并在“进气口315—积分球31腔室—出气口316”之间形成连续流动；

S400.积分球测量单元3测量积分球31腔室内气体试样吸收光产生的特征吸收光谱；

S500.控制与计算单元4依据积分球测量单元3测量得到的特征吸收光谱计算吸光度和气体试样中待测物质的浓度。

实施例二

本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于：实施例一测量的是吸收光谱，本实施例测量的光谱还包括荧光光谱、拉曼光谱、化学发光及生物荧光；

当光源32与入射光阑313之间和出射光阑314与光电传感模块33之间分别增设一单色器，测量的是荧光光谱；

当光源32设定为激光、出射光阑314与光电传感模块33之间增设一单色器，测量的是拉曼光谱；

当发光行为是由试样的化学反应或生物自身行为引发时，去除光源32和入射光阑23，测量的是化学发光或生物荧光。

实施例三

本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于：积分球31的透光基底311和漫反射层312合二为一，材料采用不锈钢，此时的不锈钢起漫反射层312和试样容器双重作用。

实施例四

本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于：预处理单元2的预处理功能具体为流量调节、除尘、除湿、除干扰/腐蚀成分、混合/稀释试样，如图3所示。

以上显示和描述了本发明的基本构造和基本原理，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制。上述实施例和说明书中描述的只是本发明的基本构造和基本原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本发明要求保护的范围内。

Claims

1.一种基于光学积分球的气体在线分析装置，其特征在于：所述装置主要由采样单元(1)、预处理单元(2)、积分球测量单元(3)、控制与计算单元(4)及气体试剂单元(5)构成；

其中，积分球测量单元(3)由积分球(31)、光源(32)和光接收模块(33)构成；积分球(31)由透光基底(311)、漫反射层(312)、入射光阑(313)、出射光阑(314)、进气口(315)、出气口(316)构成；透光基底(311)构成积分球(31)的球状腔室，位于积分球(31)的内侧；漫反射层(312)涂敷在透光基底(311)的外部，位于积分球(31)的外侧；光源(32)和入射光阑(313)构成入射光路，出射光阑(314)和光接收模块(33)构成出射光路，所述入射光路和所述出射光路共面相交；进气口(315)及出气口(316)与所述入射光路或所述出射光路不在一条直线上；经入射光阑(313)入射至积分球(31)内的光被漫反射层(312)多次反射并与试样作用，在积分球(31)内部产生特征光谱；所产生的特征光谱通过漫反射层(312)的多次反射后，在出射光阑(314)处叠加；叠加后的特征光谱经出射光阑(314)被光接收模块(33)接收；

采样单元(1)负责气体试样的自动进样；

预处理单元(2)负责调节流量、或除尘、或除湿、或除干扰/腐蚀成分、或混合/稀释试样；

积分球测量单元(3)负责测量积分球(31)腔室内气体试样与光作用产生的特征光谱；

控制与计算单元(4)负责操控系统，并依据积分球测量单元(3)测量得到的特征光谱计算气体试样中待测物质的浓度；

气体试剂单元(5)负责贮存测量所需标气、或载气、或气体试剂。

2.根据权利要求1所述的基于光学积分球的气体在线分析装置，其特征在于：所述积分球测量单元(3)能够测量的特征光谱包括吸收光谱、荧光光谱、拉曼光谱、化学发光及生物荧光。

3.根据权利要求1所述的基于光学积分球的气体在线分析装置，其特征在于：所述光源(32)的工作波长包括紫外、可见光和红外。

4.根据权利要求1所述的基于光学积分球的气体在线分析装置，其特征在于：所述积分球(31)的构成包括以下方式，透光基底(311)采用玻璃，漫反射层(312)涂敷在透光基底(311)构成的球状腔体外部；或透光基底(311)和漫反射层(312)合二为一，材料采用聚四氟乙烯、或不锈钢；或在积分球(31)的腔室内壁镀金构成反射层。

5.根据权利要求1所述的基于光学积分球的气体在线分析装置，其特征在于：所述入射光路与所述出射光路共面相交形成的角度为直角、或锐角、或钝角。