CN106596406A - 一种非色散型光谱气体分析仪的气室结构 - Google Patents

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Abstract

本发明属公开一种非色散型光谱气体分析仪的气室结构，包括气室内壳、过滤芯、气室外壳、前盖、后盖、发射端和接收端；所述气室内壳和气室外壳均为圆环体结构，在所述气室内壳的圆周面上均布开有小孔，所述气室外壳的内径大于气室内壳的外径；在前盖和后盖上开有通孔；本发明所涉及的一种新的直气室结构，不仅大幅度降低了极少数粉尘污染后所带来的对气体浓度的计算结果的影响，而且平行光吻合朗伯‑比尔定律所表述的经验方程，减少了气体浓度的定量算法的难度。

Description

一种非色散型光谱气体分析仪的气室结构
技术领域
本发明属于光电及微机电系统技术领域，具体的涉及一种非色散型光谱气体分析仪的气室结构。
背景技术
对于常见有毒气体的检测，特别是无机毒气，一般采用专用的气体分析仪进行检测，而基于光谱吸收原理的气体分析仪在这里称为光谱法气体分析仪，就是一种具有较大发展前途的气体分析仪。以光谱法为基础的有毒有害气体分析仪气体分析仪目前主要配套应用于工业、农业、医疗、智能建筑、分析仪器等行业用于气体浓度的高精度测，如配套应用于污染物监测、汽车尾气分析、瓦斯及可燃气检测、煤气成分分析、医疗监护设备、空气品质分析、元素分析仪器等领域。
基于光谱吸收原理的非色散型气体分析仪的工作原理可描述如下：
有毒有害气体对其特征谱段光谱能量的吸收在低浓度范围内遵循比尔-朗伯定律：
P＝P0Exp(-kcl)
其中P0为光源所产生的能量，P为光源所产生的能量通过存在有毒有害气体的环境后所剩余的能量，k为有毒有害气体的光谱吸收系数，l为光源距光谱探测器的距离，c为有毒有害气体的浓度。根据比尔-朗伯定律，在实际中就能检测出有毒有害气体的浓度。
基于光谱吸收原理的非色散型气体分析仪在硬件上一般由气室、外壳、主控板、声光报警器及遥控器等五部分组成，而气室则起到负责能量辐射、传输、接收，并将待测气体浓度信号转化为可处理的电信号的作用，是整机的核心部件，它的性能好坏将直接影响整机的性能。为了获得较大的光吸收量，根据朗伯-比尔定律所表述的气体对光的吸收程度取决于光程和气体浓度这一基本原理，现有技术通过在微小空间内制造具有高反射率的槽型光学通道来延长光程，即椭球状气室结构。
其缺点在于如下几点：
1、工艺复杂、成本高：
工艺制造上较为复杂，需高精度的磨削、抛光和涂镀对光谱波长具有较高反射率的贵重金属—铂、金等金属内壁的镀膜工艺过程，导致成本上升。
2、测量精度容易受环境影响：
在某些特殊应用环境中，仪器长时间工作后在技术上一则因反射面被微米级尺度的微尘污染后，反射率急剧下降，使气体分析仪的气体浓度计算经验方程式发生改变，导致浓度测量不准；二则因朗伯-比尔定律所表述的经验方程是针对光源发出的平行光，而经过多次方射后就会偏离朗伯-比尔定律，特别是在气体浓度较高时其偏离情况就显得更为严重，所以通过在微小空间内制造具有高反射率的槽型光学通道来延长光程的气室设计方案将给气体浓度的定量算法带来麻烦。
3、防尘防潮与响应时间的矛盾问题难于解决：
防尘防潮与传感器响应速度是一对矛盾，特别是用于煤矿井下的矿用非色散型气体分析仪，如不能解决防尘防潮问题，它的优势就会被煤矿井下环境所导致的劣势所取代。
现有防尘防潮技术措施是覆盖在气室进气口处及光谱探测器前放电路板微小透气窗口上的防尘防潮疏水性过滤薄膜。
发明内容
为了解决现有基于光谱吸收原理的非色散型气体分析仪制备技术中存在的，由于采用椭球状气室结构所引起的工艺复杂、成本高、气体分析仪测量精度容易受环境影响、防尘防潮与响应时间的矛盾问题难于解决等的技术问题，本发明提出了一种非色散型光谱气体分析仪的气室结构，以期在基于光谱吸收原理的非色散型气体分析仪的设计及制作中，进而在有毒有害气体的在线监测领域得到应用。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是设计一种非色散型光谱气体分析仪的气室结构，包括气室内壳、过滤芯、气室外壳、前盖、后盖、发射端和接收端；所述气室内壳和气室外壳均为圆环体结构，在所述气室内壳的圆周面上均布开有小孔，所述气室外壳的内径大于气室内壳的外径；在前盖和后盖上开有通孔；
所述发射端由宽光谱光源、发射端壳体及光源驱动电路板组成，所述发射端壳体的内壁为圆锥形结构；
所述接收端由接收端壳体、光谱探测器及光谱探测器前置放大电路板组成，接收端壳体中部设有卡槽；
其连接关系在于：所述宽光谱光源固定安装在光源驱动电路板上，带有宽光谱光源的光源驱动电路板整体装入发射端壳体内并使宽光谱光源置于发射端壳体内壁窄口处；所述光谱探测器固定安装在光谱探测器前置放大电路板上，带有光谱探测器的光谱探测器前置放大电路板整体装入接收端壳体并使光谱探测器前置放大电路板底部卡在卡槽处；所述过滤芯包裹在气室内壳外表面，将包裹有过滤芯的气室内壳安装在气室外壳内并使气室内壳和气室外壳之间留有间隙作为气体传输通道，前盖左端和后盖右端与气室外壳和气室内壳的两端均固定连接，前盖和后盖的通孔与气室外壳和气室内壳之间的气体传输通道贯通，前盖右端与发射端壳体内壁宽口端相连，后盖端面左端与接收端壳体开口端相连。
所述过滤芯为圆环柱形折叠疏水型过滤芯。
所述前盖与气室外壳和气室内壳是通过螺栓或螺丝连接。
所述后盖与气室外壳和气室内壳是通过螺栓或螺丝连接。
其工作流程为：由发射端的光谱电源将能量传送至光源驱动电路，在光源驱动电路产生输出电流，沿气室内壳体的空腔辐射到接收端的光谱探测器的光敏元上，光谱探测器的电压输出受气室中气体吸收的影响而变化，气体浓度越高，被吸收的光越高，光谱探测器上的输出电压越低，气体浓度越低，吸收的光越少，光谱探测器输出的电压越高。光谱探测器输出的电压经前置放大器、差分放大器放大后，进入单片计算机或DSP数字信号处理器进行计算，根据数学模型和有关参数计算出浓度。
本发明的优点和有益效果在于：
1、本发明所涉及的一种非色散型光谱气体分析仪的气室结构上采取了最为简单的直气室结构，不需高精度的磨削、抛光和对光谱波长具有较高反射率的贵重金属—铂、金等金属内壁的镀膜工艺过程，具有生产工艺简单、成本低的特点。
2、本发明所涉及的一种非色散型光谱气体分析仪的气室结构在直气室结构上采取了双层结构，设置于气室内管与外管之间的圆环柱形折叠疏水型过滤芯具有比现有技术过滤膜的比表面积大的特点，在极大提高了响应能力的同时，极大地延长了系统的连续工作时间。
3、本发明所涉及的一种非色散型光谱气体分析仪的气室结构，不仅大幅度降低了极少数粉尘污染后所带来的对气体浓度的计算结果的影响，而且平行光吻合朗伯-比尔定律所表述的经验方程，减少了气体浓度的定量算法的难度。
附图说明
图1为本发明非色散型光谱气体分析仪的气室结构结构示意图；
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1-气室外壳，2-气室内壳，3-发射端，4-接收端，5-过滤芯，6-前盖，7-后盖。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明具体实施的技术方案是：一种用于非色散型光谱气体分析仪的气室结构，包括气室内壳(2)、过滤芯(5)、气室外壳(1)、前盖(6)、后盖(7)、发射端(3)和接收端(4)；所述气室内壳(2)和气室外壳(1)均为圆环体结构，在所述气室内壳(2)的圆周面上均布开有小孔，所述气室外壳(1)的内径大于气室内壳(2)的外径；在前盖(6)和后盖(7)上开有通孔；
所述发射端(3)由宽光谱光源、发射端壳体及光源驱动电路板组成，所述发射端壳体的内壁为圆锥形结构；
所述接收端(4)由接收端壳体、光谱探测器及光谱探测器前置放大电路板组成，接收端壳体中部设有卡槽；
其连接关系在于：所述宽光谱光源固定安装在光源驱动电路板上，带有宽光谱光源的光源驱动电路板整体装入发射端壳体内并使宽光谱光源置于发射端壳体内壁窄口处；所述光谱探测器固定安装在光谱探测器前置放大电路板上，带有光谱探测器的光谱探测器前置放大电路板整体装入接收端壳体并使光谱探测器前置放大电路板底部卡在卡槽处；所述过滤芯(5)包裹在气室内壳(2)外表面，将包裹有过滤芯(5)的气室内壳(2)安装在气室外壳(1)内并使气室内壳(2)和气室外壳(1)之间留有间隙作为气体传输通道，前盖(6)左端和后盖(7)右端与气室外壳(1)和气室内壳(2)的两端均固定连接，前盖(6)和后盖(7)的通孔与气室外壳(1)和气室内壳(2)之间的气体传输通道贯通，前盖(6)右端与发射端壳体内壁宽口端相连，后盖(7)端面左端与接收端壳体开口端相连。
所述过滤芯(5)为圆环柱形折叠疏水型过滤芯。
所述前盖(6)与气室外壳(1)和气室内壳(2)是通过螺栓或螺丝连接。
所述后盖(7)与气室外壳(1)和气室内壳(2)是通过螺栓或螺丝连接。
以上所述仅是本发明的优先实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种非色散型光谱气体分析仪的气室结构,其特征在于:包括气室内壳(2)、过滤芯(5)、气室外壳(1)、前盖(6)、后盖(7)、发射端(3)和接收端(4)；所述气室内壳(2)和气室外壳(1)均为圆环体结构，在所述气室内壳(2)的圆周面上均布开有小孔，所述气室外壳(1)的内径大于气室内壳(2)的外径；在前盖(6)和后盖(7)上开有通孔；
所述发射端(3)由宽光谱光源、发射端壳体及光源驱动电路板组成，所述发射端壳体的内壁为圆锥形结构；
所述接收端(4)由接收端壳体、光谱探测器及光谱探测器前置放大电路板组成，接收端壳体中部设有卡槽；
其连接关系在于：所述宽光谱光源固定安装在光源驱动电路板上，带有宽光谱光源的光源驱动电路板整体装入发射端壳体内并使宽光谱光源置于发射端壳体内壁窄口处；所述光谱探测器固定安装在光谱探测器前置放大电路板上，带有光谱探测器的光谱探测器前置放大电路板整体装入接收端壳体并使光谱探测器前置放大电路板底部卡在卡槽处；所述过滤芯(5)包裹在气室内壳(2)外表面，将包裹有过滤芯(5)的气室内壳(2)安装在气室外壳(1)内并使气室内壳(2)和气室外壳(1)之间留有间隙作为气体传输通道，前盖(6)左端和后盖(7)右端与气室外壳(1)和气室内壳(2)的两端均固定连接，前盖(6)和后盖(7)的通孔与气室外壳(1)和气室内壳(2)之间的气体传输通道贯通，前盖(6)右端与发射端壳体内壁宽口端相连，后盖(7)端面左端与接收端壳体开口端相连。
2.根据权利要求1所述的一种非色散型光谱气体分析仪的气室结构，其特征在于：所述过滤芯(5)为圆环柱形折叠疏水型过滤芯。
3.根据权利要求1或2所述的一种非色散型光谱气体分析仪的气室结构，其特征在于：所述前盖(6)与气室外壳(1)和气室内壳(2)是通过螺栓或螺丝连接。
4.根据权利要求1或2所述的一种非色散型光谱气体分析仪的气室结构，其特征在于：所述后盖(7)与气室外壳(1)和气室内壳(2)是通过螺栓或螺丝连接。
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