CN108627429B - 一种氧化亚氮监测装置及其监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氧化亚氮监测装置，所述装置包括红外光源、第一光学腔、窄带滤光片、第一红外热电检测器、第一气体扩散孔、第二光学腔、第二红外热电检测器、第二气体扩散孔；所述红外光源位于第一光学腔、第二光学腔的一端，并为第一光学腔和第二光学腔提供光源；所述第一光学腔上有第一气体扩散孔；所述第二光学腔上有第二气体扩散孔；所述第一光学腔、第二光学腔的另一端和窄带滤光片连接；所述窄带滤光片分别和第一红外热电检测器、第二红外热电检测器连接；通过设置两个光学腔体的方式增加了监测数据的精确性，同时由于两个光学腔的气体扩散孔开孔方向不同，能够根据两个腔体采集的浓度变化得到气体扩散方向。
Description
技术领域
本发明涉及一种气体监测技术领域，具体涉及一种氧化亚氮监测装置及其监测方法。
背景技术
氧化亚氮俗称笑气，作为吸入麻醉剂在医药上应用已久，然而，长期或大剂量的滥用笑气，会影响人体对于维生素B12的吸收及代谢，造成恶性贫血，导致末梢神经及脊髓病变，还可能造成精神异常，如嗜睡、抑郁或精神错乱等。在医学临床应用中通常需要严格控制氧化亚氮的浓度。同时，生产氧化亚氮的厂家也需要时刻对氧化亚氮进行监测，以降低大规模的泄露风险。
另外，由于氧化亚氮的化学性质不活泼，既不会产生腐蚀，也不会发生爆炸，它的这些物理性质对空气分离具有危害。在空气分离装置的压力和温度的条件下，它具有升华性质，在氧、氮分离过程中，它将浓缩于液氧中，氧化亚氮在水中的溶解度很小，氧化亚氮随加工空气经过空气过滤器、压缩机、冷却器、水分离器后不能将其分离、除去。因此，在空分设备中也需要高精度的氧化亚氮监测传感器。
现有技术中出现的氧化亚氮传感器通常分为电化学传感器与光学检测传感器，如图1所示，通过监测透过包含待测试气体的室的光辐射的吸收来检测特定气体的存在的类型的气体传感器包括用于从其中发射辐射的光源和对从源发射的辐射敏感的检测器 在具有光学反射表面的周向室的相对端处，围绕传感器壳体的周边延伸。源和检测器之间的光学路径可以包括径向部分以及周向部分，以允许源和检测器中的一个或另一个 位于传感器外壳的中央室中。但是上述监测氧化亚氮的传感器无法监测出氧化亚氮的扩散方向，对氧化亚氮的浓度的精确度也不高。
发明内容
本发明提供一种氧化亚氮监测装置及其监测方法，能够解决无法监测出氧化亚氮的扩散方向、氧化亚氮的监测精度较低的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种氧化亚氮监测装置，所述装置包括红外光源、第一光学腔、窄带滤光片、第一红外热电检测器、第一气体扩散孔、第二光学腔、第二红外热电检测器、第二气体扩散孔；所述红外光源位于第一光学腔、第二光学腔的一端，并为第一光学腔和第二光学腔提供光源；所述第一光学腔上有第一气体扩散孔；所述第二光学腔上有第二气体扩散孔；所述第一光学腔、第二光学腔的另一端和窄带滤光片连接；所述窄带滤光片分别和第一红外热电检测器、第二红外热电检测器连接。
优选的，所述第一光学腔和第二光学腔在未开设气体扩散孔的一面呈镜像对称结构，所述第一光学腔和第二光学腔可为长方体结构或者圆柱体结构。
优选的，所述红外光源散发出不同波长的红外光，所述红外光源需要单独的5V供电，光源驱动频率为2.0 Hz～4.0Hz。
优选的，所述红外光源为点光源，红外光源外设置光分束器，所述光分束器可将红外光源产生的光线分离成两束相同的光线。
优选的，所述氧化亚氮监测装置采用了两个光学腔体即第一光学腔和第二光学腔，所述第一光学腔和第二光学腔并排连接且共用一个红外光源，所述红外光源能散发出不同波长的红外光，在光学腔体中氧化亚氮和特定波长的红外光能发生吸收关系，其吸收关系基于朗伯—比尔(Lambert2Beer)吸收定律。
优选的，所述第一气体扩散孔和第二气体扩散孔的开孔方向相反，氧化亚氮通过第一气体扩散孔、第二气体扩散孔分别进入第一光学腔、第二光学腔，由于气体扩散具有方向性，距离泄露源或者气体产生源远或者气体扩散孔与扩散方向相反的光学腔体内的气体浓度变化较慢，根据两个腔体采集的浓度变化得到气体扩散方向，两个腔体同时测量也能够获得更准确的浓度信息。
优选的，所述窄带滤光片为第一光学腔和第二光学腔共用的，对于多种混合气体,为了分析特定组分,在光学腔后安装一个适合分离气体吸收波长的窄带滤光片,使传感器的信号变化只反映被测气体氧化亚氮浓度变化。因为氧化亚氮的浓度不同，吸收的辐射能不同，剩下的辐射能使得红外热电检测器里的温度升高不同，所述就使得红外热电检测器中的动片薄膜两边所受的压力不同，从而产生一个电容检测器的电信号，这样就可间接测量出氧化亚氮的浓度。
另外，第一红外热电检测器输出第一检测信号、第一参考信号和第一温度信号，第一检测信号经过第一放大器适当放大后通过第一A/D转换器进行转换，第一参考信号和第一温度信号第二放大器适当放大后直接进行第一A/D转换器进行转换，第一参考信号和第一温度信号经过第一A/D转换器进行转换后的数字信号由微控制器处理后送到LCD显示，第二红外热电检测器输出第二检测信号、第二参考信号和第二温度信号，第二检测信号经过第三放大器适当放大后通过第二A/D转换器进行转换，第二参考信号和第二温度信号第四放大器适当放大后直接进行第二A/D转换器进行转换，第二参考信号和第二温度信号经过第二A/D转换器进行转换后的数字信号由微控制器处理后送到LCD显示。为方便远程自动检测，所述第一温度信号和第二温度信号分别用于对检测到的第一检测信号和第二检测信号进行补偿，可为系统添加以太网接口单元。
本发明还提供一种氧化亚氮监测方法，采用上述装置，包括以下步骤：
步骤一、氧化亚氮气体分别进入传感器中的第一光学腔、第二光学腔，氧化亚氮气体分子和红外光源中的特定波长的红外光发生了吸收作用；
步骤二、未被吸收的特定波长的红外光通过窄带滤光片进入红外热电检测器中；
步骤三、由于红外热电检测器接收的信号变化反映被测气体氧化亚氮浓度变化；氧化亚氮浓度的计算公式如下：
、
；其中C1为第一光学腔中氧化亚氮的浓度，C2为第二光学腔中氧化亚氮的浓度，U1为第一红外热电检测器经过电路处理后的有用信号值，U2为第二红外热电检测器经过电路处理后的有用信号值，Ref1为第一红外热电检测器经过处理后的参考信号值，Ref1为第二红外热电检测器经过处理后的参考信号值，Ty为氧化亚氮浓度在0～5000ppm时的值（典型值为0.34），取a=0.000192，取b=1.000；
步骤四、根据步骤三中的氧化亚氮浓度的计算公式分别计算出的两个腔体的浓度变化曲线，分析两个所述浓度变化曲线的变化趋势以及传感器安装方式即可得到气体扩散方向，最后取氧化亚氮浓度
。
本发明的提供的一种氧化亚氮监测装置与监测方法，通过设置两个光学腔体的方式增加了监测数据的精确性，同时由于两个光学腔的气体扩散孔开孔方向不同，能够根据两个腔体采集的浓度变化得到气体扩散方向。
附图说明
图1为现有技术一种氧化亚氮监测装置结构图。
图2为本发明的一种氧化亚氮监测装置结构图。
图3为本发明的一种氧化亚氮的监测装置的系统图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
附图2示出了一种氧化亚氮监测装置的实施方式，该装置包括红外光源1、第一光学腔3、窄带滤光片4、第一红外热电检测器5、第一气体扩散孔2、第二光学腔7、第二红外热电检测器9、第二气体扩散孔6；所述红外光源1位于第一光学腔3、第二光学腔7的一端，并为第一光学腔3和第二光学腔7提供光源；所述第一光学腔3上有第一气体扩散孔2；所述第二光学腔7上有第二气体扩散孔6；所述第一光学腔3、第二光学腔7的另一端和窄带滤光片4连接；所述窄带滤光片4分别和第一红外热电检测器5、第二红外热电检测器5连接。
在所示的实施方式中，所述第一光学腔3和第二光学腔7在未开设气体扩散孔的一面呈镜像对称结构，所述第一光学腔3和第二光学腔7可为长方体结构或者圆柱体结构。
在所述的实施方式中，所述红外光源1散发出不同波长的红外光，所述红外光源需要单独的5V供电，光源驱动频率为2.0 Hz～4.0Hz。
在所述的实施方式中，所述红外光源1为点光源，红外光源1外设置光分束器（图未示出），所述光分束器可将红外光源产生的光线分离成两束相同的光线。
在所述的实施方式中，所述氧化亚氮监测装置采用了两个光学腔体即第一光学腔和第二光学腔，所述第一光学腔和第二光学腔并排连接且共用一个红外光源，所述红外光源能散发出不同波长的红外光，在光学腔体中氧化亚氮和特定波长的红外光能发生吸收关系，其吸收关系基于朗伯—比尔(Lambert2Beer)吸收定律。
在所述的实施方式中，所述第一气体扩散孔2和第二气体扩散孔6的开孔方向相反或者设置其他异形的扩散孔，氧化亚氮通过第一气体扩散孔2、第二气体扩散孔6分别进入第一光学腔3、第二光学腔7，由于气体扩散具有方向性，距离泄露源或者气体产生源远或者气体扩散孔与扩散方向相反的光学腔体内的气体浓度变化较慢，根据两个腔体采集的浓度变化得到气体扩散方向，两个腔体同时测量也能够获得更准确的浓度信息。
在所述的实施方式中，所述窄带滤光片4为第一光学腔3和第二光学腔7共用的，对于多种混合气体,为了分析特定组分,在光学腔后安装一个适合分离气体吸收波长的窄带滤光片,使传感器的信号变化只反映被测气体氧化亚氮浓度变化。因为氧化亚氮的浓度不同，吸收的辐射能不同，剩下的辐射能使得红外热电检测器里的温度升高不同，所述就使得红外热电检测器中的动片薄膜两边所受的压力不同，从而产生一个电容检测器的电信号，这样就可间接测量出氧化亚氮的浓度。
作为另外一种有利的实施方式，在第一光学腔3和第二光学腔7前也可设置窄带滤光片。
在所述的实施方式中，如图3所示，第一红外热电检测器输出第一检测信号、第一参考信号和第一温度信号，第一检测信号经过第一放大器适当放大后通过第一A/D转换器进行转换，第一参考信号和第一温度信号第二放大器适当放大后直接进行第一A/D转换器进行转换，第一参考信号和第一温度信号经过第一A/D转换器进行转换后的数字信号由微控制器处理后送到LCD显示，第二红外热电检测器输出第二检测信号、第二参考信号和第二温度信号，第二检测信号经过第三放大器适当放大后通过第二A/D转换器进行转换，第二参考信号和第二温度信号第四放大器适当放大后直接进行第二A/D转换器进行转换，第二参考信号和第二温度信号经过第二A/D转换器进行转换后的数字信号由微控制器处理后送到LCD显示。所述第一温度信号和第二温度信号分别用于对检测到的第一检测信号和第二检测信号进行补偿。为方便远程自动检测，可为系统添加以太网接口单元。
作为另外一种有利的实施方式，采用上述实施例中的氧化亚氮监测装置，还提供一种适合上述装置的氧化亚氮监测方法的实施方式，包括以下步骤：
步骤一、氧化亚氮气体分别进入传感器中的第一光学腔、第二光学腔，氧化亚氮气体分子和红外光源中的特定波长的红外光发生了吸收作用，设置红外光源驱动频率为2.0Hz～4.0Hz，；
步骤二、未被吸收的特定波长的红外光通过窄带滤光片进入红外热电检测器中，所述窄带滤光片用于分离和氧化亚氮发生吸收作用的特定波长的红外光；
步骤三、由于红外热电检测器接收的信号变化反映被测气体氧化亚氮浓度变化；氧化亚氮浓度的计算公式如下：
其中C1为第一光学腔中氧化亚氮的浓度，C2为第二光学腔中氧化亚氮的浓度，U1为第一红外热电检测器经过电路处理后的有用信号值，U2为第二红外热电检测器经过电路处理后的有用信号值，Ref1为第一红外热电检测器经过处理后的参考信号值，Ref2为第二红外热电检测器经过处理后的参考信号值，Ty为氧化亚氮浓度在0～5000ppm时的值（典型值为0.34），取a=0.000192，取b=1.000；
步骤四、根据步骤三中的氧化亚氮浓度的计算公式分别计算出的两个腔体的浓度变化曲线，分析两个所述浓度变化曲线的变化趋势以及传感器安装方式即可得到气体扩散方向，最后取氧化亚氮浓度
。
作为另外一种有利的实施方式，光学腔也可以设置4个，即将所述四个光学腔叠加放到一块，气体扩散孔设置在四个不同的朝向，即上下左右各设置一个气体扩散孔。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种氧化亚氮监测装置，其特征在于：包括红外光源、第一光学腔、窄带滤光片、第一红外热电检测器、第一气体扩散孔、第二光学腔、第二红外热电检测器、第二气体扩散孔；所述红外光源位于第一光学腔、第二光学腔的一端，并为第一光学腔和第二光学腔提供光源；所述第一光学腔上有第一气体扩散孔；所述第二光学腔上有第二气体扩散孔；所述第一光学腔、第二光学腔的另一端和窄带滤光片连接；所述窄带滤光片分别和第一红外热电检测器、第二红外热电检测器连接；第一红外热电检测器输出第一检测信号、第一参考信号和第一温度信号，第一检测信号经过第一放大器适当放大后通过第一A/D转换器进行转换，第一参考信号和第一温度信号第二放大器适当放大后直接进行第一A/D转换器进行转换，第一参考信号和第一温度信号经过第一A/D转换器进行转换后的数字信号由微控制器处理后送到LCD显示，第二红外热电检测器输出第二检测信号、第二参考信号和第二温度信号，第二检测信号经过第三放大器适当放大后通过第二A/D转换器进行转换，第二参考信号和第二温度信号第四放大器适当放大后直接进行第二A/D转换器进行转换，第二参考信号和第二温度信号经过第二A/D转换器进行转换后的数字信号由微控制器处理后送到LCD显示；所述第一温度信号和第二温度信号分别用于对检测到的第一检测信号和第二检测信号进行补偿；
所述第一气体扩散孔和第二气体扩散孔的开孔方向相反，氧化亚氮通过第一气体扩散孔、第二气体扩散孔分别进入第一光学腔、第二光学腔，由于气体扩散具有方向性，距离泄露源或者气体产生源远或者气体扩散孔与扩散方向相反的光学腔体内的气体浓度变化较慢，根据两个腔体采集的浓度变化得到气体扩散方向，两个腔体同时测量也能够获得更准确的浓度信息；所述窄带滤光片为第一光学腔和第二光学腔共用的，对于多种混合气体,为了分析特定组分,在光学腔后安装一个适合分离气体吸收波长的窄带滤光片,使传感器的信号变化只反映被测气体氧化亚氮浓度变化；因为氧化亚氮的浓度不同，吸收的辐射能不同，剩下的辐射能使得红外热电检测器里的温度升高不同，所以 就使得红外热电检测器中的动片薄膜两边所受的压力不同，从而产生一个电容检测器的电信号，间接测量出氧化亚氮的浓度。
2.根据权利要求1所述的一种氧化亚氮监测装置，其特征在于：所述第一光学腔和第二光学腔在未开设气体扩散孔的一面呈镜像对称结构。
3.根据权利要求1或2所述的一种氧化亚氮监测装置，其特征在于：所述第一光学腔和第二光学腔为长方体结构或者圆柱体结构。
4.根据权利要求1所述的一种氧化亚氮监测装置，其特征在于：所述红外光源为点光源，红外光源外设置光分束器，所述光分束器可将红外光源产生的光线分离成两束相同的光线。
5.一种氧化亚氮监测方法，采用如权利要求1-4中任一项的氧化亚氮监测装置，包括如下步骤：
步骤一、氧化亚氮气体分别进入传感器中的第一光学腔、第二光学腔，氧化亚氮气体分子和红外光源中的特定波长的红外光发生了吸收作用；
步骤二、未被吸收的特定波长的红外光通过窄带滤光片进入红外热电检测器中；
步骤三、由于红外热电检测器接收的信号变化反映被测气体氧化亚氮浓度变化；氧化亚氮浓度的计算公式如下：
其中C1为第一光学腔中氧化亚氮的浓度，C2为第二光学腔中氧化亚氮的浓度，U1为第一红外热电检测器经过电路处理后的有用信号值，U2为第二红外热电检测器经过电路处理后的有用信号值，Ref1为第一红外热电检测器经过处理后的参考信号值，Ref2为第二红外热电检测器经过处理后的参考信号值，Ty为氧化亚氮浓度在0～5000ppm时的值，取a＝0.000192，取b＝1.000；
步骤四、根据步骤三中的氧化亚氮浓度的计算公式分别计算出的两个腔体的浓度变化曲线，分析两个所述浓度变化曲线的变化趋势以及传感器安装方式即可得到气体扩散方向，最后取氧化亚氮浓度
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