CN106442354B - 一种气体检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体检测装置，其包括外圆柱筒、内圆柱筒、入射光源以及传感器，外圆柱筒和内圆柱筒同轴心设置，外圆柱筒的内表面和内圆柱筒的外表面组成反射腔体，外圆柱筒的内表面和内圆柱筒的外表面均为反射面，外圆柱筒的内表面和内圆柱筒的外表面组成的反射腔体间充满被检气体，外圆柱筒筒壁上设有多个开孔，用于安放入射光源和传感器，入射光源用于提供检测气体的光束，传感器用于将光信号转化为电信号，以用于气体特性分析。本发明装置尺寸较小、装调简单易操作，成本低，耐环境温度变化能力强，使用范围广，稳定性好，能同时检测不同气体、检测过程中光程可选择。

Description

一种气体检测装置

技术领域

本发明属于气体检测领域，特别涉及不同量程、不同被检气体、多波长的气体检测装置。

背景技术

目前的气体检测装置主要采用吸收光谱检测技术，主要利用多次反射池技术增加吸收气体的光程长度，从而提高检测的灵敏度，还能降低检测极限。多次反射池技术是当前气体检测装置的关键部件。目前，多次反射池主要分为White池和Herriott池以及基于二者的衍生类型。

其中，图1(a)是所述气体吸收池White池的原理示意图，由图可知，典型White结构的多次反射池是由三个球面镜组成共焦腔，入射光束聚焦在球面镜A上，经球面镜B或球面镜C反射聚焦之后焦点还落在A上。通过调节球面镜B和球面镜C与水平方向的夹角来改变反射次数，从而调节光程。

图1(b)是所述气体吸收池Herriott池的原理示意图，由图可知，传统的Herriott池中两个具有曲率半径的球面镜M1和M2相距距离为d，两者面对面放置，以形成多次反射腔。光线从镜面M1的孔径进入，反射一定的次数后从同一小孔出射。

无论是White池、Herriott池或是基于二者的衍生类型，都存在以下不足：(1)结构尺寸较大、质量大，不利于气体检测装置的小型化，限制了使用的场所；(2)由于吸收池有不同的反射镜构成，反射镜的装调精度将严重影响吸收池的性能，反射镜的装调难度较大，不利于降低成本，推广使用；(3)耐环境温度变化能力弱，外界温度变化会导致多次反射池形变，由于反射次数多，非常小的变形都会使得反射路径改变，装置的稳定性得不到保证；(4)由于对于不同的被检气体，每次检测需要调节光程，使用一次只能检测一种被检气体，效率低。

因此，需要开发一种新型的检测装置，要求其结构尺寸小、安装调试简单、稳定性好、使用方便。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种气体检测装置，该装置包括同轴心设置的外圆柱筒和内圆柱筒，外圆柱筒的内表面和内圆柱筒的外表面组成反射腔体，在外圆柱筒上设置入射光源和传感器就能用于气体检测，本发明装置尺寸较小、装调简单易操作，成本低，耐环境温度变化能力强，使用范围广，稳定性好，能同时检测不同气体、检测过程中光程可选择。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种气体检测装置，其特征在于，其包括外圆柱筒、内圆柱筒、入射光源以及传感器，其中，

所述外圆柱筒和所述内圆柱筒同轴心设置，所述外圆柱筒的直径大于内圆柱筒的直径，以能使所述外圆柱筒包套在所述内圆柱筒外，

所述外圆柱筒的内表面和所述内圆柱筒的外表面组成反射腔体，所述外圆柱筒的内表面和内圆柱筒的外表面均为反射面，均用于反射光线，

所述外圆柱筒的内表面和所述内圆柱筒的外表面组成的反射腔体间充满被检气体，

所述外圆柱筒筒壁上设有多个开孔，用于安放入射光源和传感器，入射光源用于提供检测气体的光束，传感器用于将光信号转化为电信号，以用于气体特性分析。

进一步的，所述外圆柱筒筒壁上设有多个开孔，位于外圆柱筒同一横截面的开孔为位于同一环带上的开孔，外圆柱筒筒壁上具有多个相互平行的不同环带，同一环带上的开孔间隔相同。

进一步的，所述外圆柱筒的内表面和内圆柱筒的外表面均为反射面，所述外圆柱筒的内表面和内圆柱筒的外表面均为反射面，该反射面涂覆有高反膜，所述高反膜的反射率大于95％，该高反膜具有防腐蚀性能，以适用各种不同性能的气体。

进一步的，还包括圆柱筒支撑件，该圆柱筒支撑件用于内圆柱筒和外圆柱筒的结构固定以及位置调节。

进一步的，其还包括保护壳体、通气接口以及电气接口，其中，所述保护壳体设置所述圆柱筒支撑件外，用于保护其内部的零部件，所述通气接口和电气接口安装在所述保护壳体上，所述通气接口将被检气体充入所述反射腔体内，也可用于对反射腔体进行清洗、干燥以及清洁，所述电气接口分别用于给入射光源和传感器提供电能和传输通道。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

以内外圆柱筒同轴心设置组成本发明装置主体，以内圆柱筒外表面和外圆柱筒内表面为反射腔体的反射面，在外圆柱筒上设置开孔安装入射光源和传感器，利用光线在反射腔体内多次巧妙重复反射，以传感器接受光信号，并把光信号转换为电信号进行气体特性分析，通过调整入射光源就能调整入射光入射角度，进而调节总光程，其设计巧妙，结构紧凑、尺寸较小，调整好内圆柱筒和外圆柱筒位置就能进行检测，其装调简单易操作，其结构稳定性好，耐环境温度变化能力强，设置不同的环带(环带上具有开孔)能同时检测不同气体。

附图说明

图1(a)是所述气体吸收池White池的原理示意图；

图1(b)是所述气体吸收池Herriott池的原理示意图；

图2是本发明装置的原理示意图；

图3是本发明一个实施例的装置结构示意图；

图4是本发明又一个实施例的装置结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-入射开孔 1′-第二入射开孔

2-入射光源 2′-第二入射光源

3-出射开孔 3′-第二出射开孔

4-传感器 4′-第二传感器

5-内圆柱筒 6-外圆柱筒

7-保护壳体 8-圆柱筒支撑件

9-通气接口 10-电气接口

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的原理如图2所示，由图可知，双圆筒同心安置，双圆筒具有公共的圆心O，其包括一个大圆筒和一个小圆筒，其中大圆筒的内表面是反射面，其半径较大，为R₁，小圆筒的外表面是反射面，其半径较小，为R₂。入射激光由入射孔进入，入射孔设置在大圆筒壁上，入射孔中心P₁和圆心O的连线与入射光光轴的夹角为α，入射光光轴与小圆筒的外表面的第一交点为I₁。根据反射定律，反射激光与大圆筒的内表面的第一交点为P₂。激光光束依次在两个圆筒的反射面之间的腔体内反射，可达到多次反射增加光程的目的，反射路径为P₁→I₁→P₂→I₂→P₃→I₃→P₄→I₄→P₅→I₅→……P_n→I_n→……，其中，入射光光轴与小圆筒的外表面的第二交点、第三交点、第四交点、·······、第n交点分别为I₂、I₃、I₄、·······、I_n，同理，反射激光与大圆筒的内表面的第二交点、第三交点、第四交点、·······、第(n-1)交点分别为P₃、P₄、P₅、······、P_n。

设

的距离为l，根据余弦定理，则有：

根据对称性有：

激光光束从P₁入射至P_n出射，在两个圆筒的反射面之间的腔体内反射的总光程L为：

L＝n·l

其中，n是光束在内圆筒反射面上反射的次数，若设

θ＝∠P₁OP₂,β＝∠P₁OI₁

则有：

由以上公式可知，总光程L是可调的。

本发明装置的结构示意图如图3所示，基于同心圆柱筒的气体检测装置主要包括有入射光源、外圆柱筒、内圆柱筒、传感器、圆柱筒支撑件、保护壳体、通气接口、电气接口。

其中，外圆柱筒和内圆柱筒同轴心安置在圆柱筒支撑件上，且外圆柱筒的直径大于内圆柱筒的，外圆柱筒的内表面和内圆柱筒的外表面是高反射率反射面且具有抗腐蚀作用，用于反射光线，外圆柱筒的内表面和内圆柱筒的外表面组成反射腔体，发射腔体内充满待检测的气体，充满待检测气体发射腔体为长光程气体吸收池。具体的，该反射面涂覆有高反膜，可根据不同的入射光源的波段进行选择，所述高反膜的反射率大于95％，该高反膜具有防腐蚀性能，以适用各种不同性能的气体。两个圆柱筒之间的空间充满被检气体。外圆柱筒上有多排具有一定间隔的开孔，用于安放入射光源和传感器，安装入射光源的开孔被称为入射开孔。

入射光源安装在外圆柱筒上的入射开孔上，用于提供气体检测的检测光束。入射光源的数目与外圆柱筒上的入射开孔的数目相同。入射光源的类型、波长等指标可根据被检气体的特性与使用需要而灵活选择。入射开孔和同轴圆心之间连接成线，称为连线，该连线与入射光束光轴间角度可以调节，用来调节不同的反射光程。

传感器安装在外圆柱筒上的开孔上，用于将光信号转化为电信号，以用于气体特性分析。传感器的选择与被检气体和光源有关。在同一圆柱筒横截面内的入射光源和传感器对应同一被检气体，共同完成被检气体的检测，称为“同一环带器件”。

外圆柱筒上很多开孔，位于外圆柱筒同一横截面的开孔为同一环带开孔，不开孔组成不同环带，外圆柱筒上具有不同环带，同一环带上的开孔间隔相同，并且同一环带的开孔位于同一圆上，不同环带所在的圆相互平行，并且环带所在的圆的圆心位于同心圆筒的中心轴线上，不同环带上的器件可以完成不同种类和特性的气体检测。同一环带上的传感器由于安装在不同的开孔上，根据本发明专利的技术原理可知，可以起到光程选择的作用。

圆柱筒支撑件用于内、外圆柱筒的结构固定和安装，其与内、外圆柱筒连接的部位有调节件，用于内、外圆柱筒的安装于调试。

保护壳体用于保护气体检测装置主要部件，通气接口和电气接口安装在其上。其中，通气接口将被检气体冲入反射腔体内，也可用于对反射腔体进行清洗、干燥以及清洁。电气接口分别用于为光源和传感器提供电能和传输通道。

图3是本发明实施例一的装置结构示意图，具体实施例一是基于同心圆柱筒的气体检测装置应用于单一气体检测的实例。其包括入射光源2、内圆柱筒5、外圆柱筒6、传感器4、圆柱筒支撑结构7、保护壳体8、通气接口9和电气接口10，外圆柱筒6上开设有入射开孔1和出射开孔3。被检气体充入双圆柱筒之间的反射腔中，反射腔的布置参数满足本发明的特征。被检测气体由通气接口9充入反射腔，入射光源安装在外圆柱筒上的入射开孔1上，并且调整好入射角度。传感器4安装在外圆柱筒上的出射开孔3上，与入射光源的开孔处于同一环带，用于将经过反射腔多次反射长光程吸收后的光信号转化为电信号用于气体特性分析。电源、控制信号以及数据信号由电气接口10输入输出。入射光源2和传感器4的选择根据被检气体的特性确定。

图4是本发明实施例二的装置结构示意图，具体实施例二是基于同心圆柱筒的气体检测装置应用于一次两种气体检测的实例，可拓展到一次检测多种气体。该实施例装置包括入射光源2和第二入射光源2′、内圆柱筒5、外圆柱筒6、传感器4和第二传感器4′、保护壳体8、通气接口9和电气接口10。被检气体充入双圆柱筒之间的反射腔中，反射腔的布置参数满足本发明的特征。被检测气体由通气接口9充入反射腔，入射光源2和第二入射光源2′分别安装在外圆柱筒上的入射开孔1和第二入射开孔1′上，并且调整好相应的入射角度。传感器4和第二传感器4′分别安装在外圆柱筒上的出射开孔3和第二出射开孔3′上，用于将经过反射腔多次反射长光程吸收后的光信号转化为电信号，再用于气体特性分析。出射开孔3、第二出射开孔3′、入射开孔1以及第二入射开孔1′的开孔处于同一环带。电源、控制信号以及数据信号由电气接口10输入输出。入射光源2、第二入射光源2′、传感器4以及第二传感器4′的选择根据被检气体的特性确定。

本发明解决了目前White池和Herriott池以及基于二者的衍生类型存在的一系列问题：比如结构尺寸较大、质量大，装调难度较大，成本高，耐环境温度变化能力弱，使用范围有限，装置的稳定性差，不能同时检测不同气体、检测过程中光程不可选择。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡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保护范围之内。

Claims (4)

1.一种气体检测装置，其特征在于，其包括外圆柱筒（6）、内圆柱筒（5）、入射光源（2）以及传感器（4），其中，

所述外圆柱筒（6）和所述内圆柱筒（5）同轴心设置，所述外圆柱筒（6）的直径大于内圆柱筒（5）的直径，以能使所述外圆柱筒（6）包套在所述内圆柱筒（5）外，

所述外圆柱筒（6）的内表面和所述内圆柱筒（5）的外表面组成反射腔体，所述外圆柱筒的内表面和内圆柱筒的外表面均为反射面，均用于反射光线，

所述外圆柱筒（6）的内表面和所述内圆柱筒（5）的外表面组成的反射腔体间充满被检气体，

所述外圆柱筒（6）筒壁上设有多个开孔，用于安放入射光源（2）和传感器（4），入射光源（2）用于提供检测气体的光束，传感器（4）用于将光信号转化为电信号，以用于气体特性分析，

所述外圆柱筒（6）筒壁上设有多个开孔，位于外圆柱筒（6）同一横截面的开孔为位于同一环带上的开孔，外圆柱筒（6）筒壁上具有多个相互平行的不同环带，同一环带上的开孔间隔相同。

2.如权利要求1所述的一种气体检测装置，其特征在于，所述外圆柱筒（6）的内表面和内圆柱筒（5）的外表面均为反射面，该反射面涂覆有高反膜，所述高反膜的反射率大于95%，该高反膜具有防腐蚀性能，以适用各种不同性能的气体。

3.如权利要求2所述的一种气体检测装置，其特征在于，还包括圆柱筒支撑件（8），该圆柱筒支撑件（8）用于内圆柱筒和外圆柱筒的结构固定以及位置调节。

4.如权利要求3所述的一种气体检测装置，其特征在于，其还包括保护壳体（7）、通气接口（9）以及电气接口（10），其中，

所述保护壳体（7）设置所述圆柱筒支撑件（8）外，用于保护其内部的零部件；所述通气接口（9）和电气接口（10）安装在所述保护壳体（7）上；所述通气接口用于将被检气体充入所述反射腔体内，或用于对反射腔体进行清洗、干燥；所述电气接口分别用于给入射光源和传感器提供电能和传输通道。

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