CN108982398A - 一种长光程痕量有毒有害气体检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种长光程痕量有毒有害气体检测装置，属于红外气体检测技术领域，包括：红外光源、充气旋光轮、池体、主反射镜、次反射镜、第一反射镜、第二反射镜、滤光片及红外探测器；红外光源发出的红外光照射在转动的充气旋光轮后，形成红外调制信号光，进入池体的内腔中；第一反射镜用于将红外调制信号光反射至次反射镜；光路在主反射镜和次反射镜之间反复反射；第二反射镜用于将经过次反射镜反射的红外调制信号光通过出光口射出；经过出光口射出的红外调制信号光通过滤光片后，照射在红外探测器上；本发明只需更换针对测试不同有毒有害气体的滤光片及测试该有毒有害高纯度样品气体的旋光轮，就可实时在线对单组分ppb级有毒有害气体测量探测。
Description
技术领域
本发明属于红外气体检测技术领域，具体涉及一种长光程痕量有毒有害气体检测装置。
背景技术
随着突发性污染事故危害日趋增大，例如812天津大爆炸、自然灾害、恐怖事件和工业污染物排放等，突发性的向大气排放有毒有害气，给人类生活生命安全造成极大的威胁，因此污染气体在线监测备日益倍受人关注。目前污染气体的监测技术主要有电离法、电化学法、红外吸收光谱法。其中电离法主要包括电火花法、离子迁移谱谱法等，化学法主要包括热催化法、电化学法以及气相色谱法等，但是这些方法可靠性低、成本高、测量精度低、误报率高、操作繁琐、故障率高，并且需要专业人员定期维护更新，更重要的是不能准确测试出气体浓度。相比之下，红外吸收光谱方法能够满足在线监测的要求，具有测量精度高、可靠性高、成本低、误报率低、维护量小等优点，并可同时在线连续监测多种气体成分及其浓度。因此，采用红外光谱学方法对气体污染物进行分析已经成为排放污染物的重要监测手段。
长光程吸收池是光谱检测的重要装置，根据朗伯-比尔特定律，气体经过的光程和气体的吸收度成线性关系，随着光程的增加，测试灵敏度也随之提高。目前，大气环境中的有毒有害气体浓度相对较低，一般在ppb到ppm级之间，因此测试低浓度的气体，需要吸收池的长度相对较长；另外，依据Lambert-Beer定律，吸收池内气体的温度、压力及流量对特征红外光谱吸收有毒有害气体的能力有较大的影响，因此严重影响到测量有毒有害测量精度；除此之外，传统的White型吸收池结构需要5块反射镜片，结构复杂、成本相对较高，每一块镜片需要与机械结构进行安装固定，并且同体积下光程较短，光路调试较为复杂，需要时间长，需要专业人员操作，严重影响装配与生产效率。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种长光程痕量有毒有害气体检测装置，结构简单、使用寿命长、测量精度高、光程长、操作调试容易、无需专业人员装配，只需更换针对测试不同有毒有害气体(如CO、CO2、SO2、NO、CH4、NH3、VOC等)的滤光片及充有纯N2样品气体以及测试该有毒有害高纯度样品气体的旋光轮(如探测CO气体的浓度，可采用在特征峰4.65um带通滤光片与充入纯N2气体和高纯度CO气体的旋光轮)，就可实时在线对单组分ppb级有毒有害气体测量探测。
本发明是通过下述技术方案实现的：
一种长光程痕量有毒有害气体检测装置，包括：红外光源、充气旋光轮、池体、主反射镜、次反射镜、第一反射镜、第二反射镜、滤光片及红外探测器；
所述池体为两相对端开口的矩形壳体，池体上设有与池体内腔相通的进气口、出气口、入光口、出光口、第一反射镜安装口及第二反射镜安装口；
外界的大气通过池体的进气口、出气口在池体的内腔中流动；
所述充气旋光轮包括同轴安装的压环、垫环、第一窗口片、基体、第二窗口片及信号调制叶片；所述基体上加工有两个相互隔离的圆弧状的通孔；透明状的第一窗口片和第二窗口片分别固定在基体的两端面，并将两个圆弧状的通孔封闭，形成两个密封腔体，两个密封腔体内分别充入纯N2样品气体和待检测有毒有害气体的纯样品气体；信号调制叶片固定在第二窗口片上，且信号调制叶片上加工有两圈窗口组，内圈窗口组与外圈窗口组中的窗口一一相对；垫环压紧在第一窗口片的边缘上；压环穿过第一窗口片的中心孔后，同轴固定在基体上，用于与驱动充气旋光轮转动的外部驱动单元相连；
整体连接关系如下：充气旋光轮和红外光源分别安装在池体的入光口外部，充气旋光轮能够在外部驱动单元的作用下转动；红外光源发出的红外光照射在转动的充气旋光轮后，形成红外调制信号光，该红外调制信号光通过池体的入光口进入池体的内腔中；
主反射镜和次反射镜分别安装在池体的两个开口端，且两者的镜面相对；第一反射镜和第二反射镜分别对应安装在池体的第一反射镜安装口和第二反射镜安装口中，并均位于池体的内腔中，第一反射镜用于将经过入光口的红外调制信号光反射至次反射镜；光路在主反射镜和次反射镜之间反复反射，形成长光程；第二反射镜用于将经过次反射镜反射的红外调制信号光反射到出光口，通过出光口射出；
池体的出光口外部安装有滤光片和红外探测器，经过出光口射出的红外调制信号光通过滤光片后，照射在红外探测器上；其中，滤光片用于过滤除吸收所述有毒有害气体特征吸收峰的其他波段的光，只通过吸收该有毒有害气体特征吸收峰的光；红外探测器将接收到的红外调制信号光转化为电信号，并发送给外部的处理中心，处理中心根据所述电信号实时分析得出待检测的有毒有害气体的浓度。
进一步的，外部驱动单元为伺服电机，伺服电机通过连接座及隔热外腔座安装在池体上，具体为：
隔热外腔座安装在池体上，隔热外腔座上加工有用于安装充气旋光轮的安装槽，且安装槽的底面加工有与所述池体上的入光口相对的通孔；伺服电机通过连接座安装在隔热外腔座上，且伺服电机的输出轴穿过连接座后，与充气旋光轮同轴连接；充气旋光轮位于隔热外腔座的安装槽内；红外光源固定在连接座上。
进一步的，所述连接座的侧边设有梳齿状结构，用于增大连接座与空气接触面积。
进一步的，所述隔热外腔座采用黑色的ABS材料隔热材料制成。
进一步的，还包括：加热装置和温度传感器；
加热装置安装在池体的后侧面，与加热装置电性连接的温度传感器安装在池体上侧面，温度传感器用于检测池体内腔的温度，当池体内腔的温度大于设定温度时，加热装置停止加热，使池体内腔的温度为设定温度的恒温状态。
进一步的，所述主反射镜为单球面反射镜，次反射镜为双球面反射镜，二者的曲率相同，第一反射镜与第二反射镜为平面反射镜。
进一步的，所述第一反射镜、第二反射镜、主反射镜、次反射镜、红外探测器与池体的连接端面均采用O型圈密封。
有益效果：(1)本发明适用于检测大气环境中的多种有毒有害气体，如CO、CO2、SO2、NO、CH4、NH3、VOC等，只需更换测试不同气体峰值的滤光片及充入测试该有毒有害高纯度样品气体的旋光轮，结合Lambert-Beer定律与池体内样品气体的温度、压力及气体流量补偿算法，可实时在线分析单组分ppb级浓度有毒有害气体浓度检测。
(2)本发明相比传统怀特吸收池结构简单，装配调试容易，无需专业光学机械人士装配调试光路，且能够形成15m的长光程吸收池，满足实现低浓度有毒有害气体探测。
(3)本发明的四种反射镜均采用单点金刚石加工工艺，且四种反射镜和池体的内表面均镀金，使仪器设备具备高反射率与高耐腐蚀性，具备更高的使用寿命。
(4)本发明采用加热装置和温度传感器控制池体内腔的温度为50度的恒温状态，不受外接温度影响，保证在不同外界环境温度下，实现对有毒有害气体的高灵敏度测量。
(5)本发明的第一反射镜、第二反射镜、主反射镜、次反射镜、红外探测器与池体的连接端面均采用氟橡胶O型圈密封；防止外接环境气体对池体内大气的干扰，实现对有毒有害气体的高准确度测量。
附图说明
图1是本发明装置的结构俯视爆炸图；
图2为本发明装置的结构俯视组装图；
图3是图1的主视示意图；
图4是图1的左视示意图；
图5是本发明的池体的结构示意图；
图6是本发明的充气旋光轮的结构示意图；
图7是本发明的四种反射镜的结构示意图；
其中，2-伺服电机，3-连接座，4-红外光源，5-充气旋光轮，6-轴套，7-隔热外腔座，8-池体，9-加热装置，10-温度传感器，11-主反射镜，12-次反射镜，13-第一反射镜，14-第二反射镜，15-滤光片，16-红外探测器，17-池体支架，501-压环，502-垫环，503-第一窗口片，504-基体，505-第二窗口片，506-信号调制叶片，801-进气口，802-出气口，803-入光口，804-出光口，805-第一反射镜安装口，806-第二反射镜安装口。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本实施例提供了一种长光程痕量有毒有害气体检测装置，包括：伺服电机2、连接座3、红外光源4、充气旋光轮5、轴套6、隔热外腔座7、池体8、加热装置9、温度传感器10、主反射镜11、次反射镜12、第一反射镜13、第二反射镜14、滤光片15、红外探测器16及池体支架17；
参见附图5，所述池体8采用不锈钢制成，为两相对端开口的矩形壳体，矩形壳体的六个面分别为上侧面、下侧面、正侧面、后侧面、左开口端面和右开口端面，且左开口端面和右开口端面的加工平行度误差为0.01mm；池体8内表面镀金，用于使池体8具备高耐腐蚀性，使用寿命更高；池体8上设有与池体8内腔相通的进气口801、出气口802、入光口803、出光口804、第一反射镜安装口805及第二反射镜安装口806；进气口801和第二反射镜安装口806位于池体8的上侧面左端，出气口802位于池体8的正侧面右端，出光口804和第一反射镜安装口805位于池体8的正侧面左端，入光口803位于池体8的下侧面左端；入光口803、出光口804、第一反射镜安装口805及第二反射镜安装口806的轴线均位于同一平面内，以保证红外光能够从出光口804射出，且该平面与池体8的左开口端面之间的距离为30mm；外界的大气通过池体8的进气口801、出气口802在池体8的内腔中流动，即池体8的内腔中充满流动的大气，所述检测装置用于实时检测池体8内腔中的大气中的有毒有害的气体浓度；
参见附图6，所述充气旋光轮5包括同轴安装的压环501、垫环502、第一窗口片503、基体504、第二窗口片505及信号调制叶片506；所述基体504上加工有两个相互隔离的圆弧状的通孔；透明状的第一窗口片503和第二窗口片505分别通过光学密封胶固定在基体504的两端面，并将两个圆弧状的通孔封闭，形成两个密封腔体，两个密封腔体内分别充入99.99％纯N2样品气体和待检测的气体99.99％的纯样品气体；信号调制叶片506固定在第二窗口片505上，且信号调制叶片506上加工有两圈窗口组，每圈窗口组圆周排列有12个窗口，且每个窗口均为梯形结构，内圈窗口组与外圈窗口组中的窗口一一相对；当红外光经过充气旋光轮5时，产生6个均匀的纯N2样品气体的参比信号与6个均匀的纯某种有毒有害的纯样品气体的测试信号，形成红外调制信号光；垫环502压紧在第一窗口片503的边缘上，用于防止第一窗口片503的边缘磨损；压环501穿过第一窗口片503的中心孔后，同轴固定在基体504上，用于与轴套11相连；其中，压环501、垫环502、基体504及信号调制叶片506均采用铝合金材料，第一窗口片503和第二窗口片505均选用ZnSe材料，该材料光学特性具有透过率高、稳定性好、不易潮解；
整体连接关系如下：参见附图1-4，所述池体8的后侧面通过池体支架17安装在外部的支撑部件上，且池体8的后侧面与池体支架17之间安装有加热装置9，池体8上侧面安装有与加热装置9电性连接的温度传感器10，温度传感器10用于检测池体8内腔的温度，当池体8内腔的温度大于50℃时，加热装置9停止加热，当池体8内腔的温度小于50℃时，加热装置9加热，使池体8内腔的温度为50度的恒温状态，防止检测装置受外界温度变化而引起测试有毒有害气体浓度不准确的问题，提高检测装置的灵敏度与稳定性；
隔热外腔座7上加工有用于安装充气旋光轮5的安装槽，隔热外腔座7通过所述安装槽的外底面安装在池体8的下侧面，且安装槽的底面加工有与所述池体8的下侧面上的入光口803相对的通孔；伺服电机2固定在连接座3的下表面，且伺服电机2的输出轴穿过连接座3后，通过轴套6与充气旋光轮5同轴连接，充气旋光轮5可随伺服电机2的输出轴进行高速转动；连接座3的上表面安装在隔热外腔座7的安装槽开口端，并使充气旋光轮5位于隔热外腔座7的安装槽内；红外光源4固定在连接座3上，红外光源4发出的红外光照射在高速转动的充气旋光轮5后，形成平稳的红外调制信号光，该红外调制信号光依次通过隔热外腔座7的通孔及池体8的入光口803进入池体8的内腔中；其中，伺服电机2为交流高速稳频电机，功耗为10W，转速为1500r/min；连接座3采用铝合金制成，且连接座3的侧边设有梳齿状结构，用于增大连接座3与空气接触面积，以增加红外光源4的散热效率；所述红外光源4采用GLobar红外光源，光谱范围2um-25um，功耗为15W，表面温度1300℃，具有光谱范围宽，使用寿命长，稳定性好特点；隔热外腔座7采用黑色的ABS材料隔热材料制成，用于隔绝池体8与连接座3之间的热量传递，起到保护的作用；
主反射镜11和次反射镜12分别安装在池体8的两个开口端，且两者的镜面相对，主反射镜11位于池体8的左端，次反射镜12位于池体8的右端；第一反射镜13和第二反射镜14分别对应安装在池体8的第一反射镜安装口805和第二反射镜安装口806中，并均位于池体8的内腔中，第一反射镜13的镜面与池体8开口端面的夹角为43°，用于将经过入光口803的红外调制信号光反射至次反射镜12；光路在主反射镜11和次反射镜12之间反复反射，起到延长光路的作用，形成15m的长光程；第二反射镜14的镜面与池体8开口端面的夹角为45°，用于将经过次反射镜12反射的红外调制信号光反射到出光口804，通过出光口804射出；池体8的出光口804外部安装有滤光片15和红外探测器16，经过出光口804射出的红外调制信号光通过滤光片15后，照射在红外探测器16上，红外探测器16将接收到的红外调制信号光转化为电信号，并发送给外部的处理中心，处理中心根据所述电信号可实时分析得出待检测的有毒有害气体的浓度；
其中，参见附图7，主反射镜11为单球面反射镜，次反射镜12为双球面反射镜，二者的曲率相同，曲率半径为430mm，第一反射镜13与第二反射镜14为平面反射镜，镜面尺寸分别为8mm*11mm与8mm*6mm；四种反射镜均采用航空铝合金制成，并采用单点金刚石加工工艺且表面镀金，以提高检测装置的反射率与耐腐蚀性，表面粗糙度pv值小于30nm，Rms(局部表面粗糙度)<λ/4(λ为可见光的波长)，反射率最高为90％；滤光片15为单带宽波段带通滤光片，直径为10mm，厚度为1mm，并根据待测试的有毒有害的气体种类选用相应的滤光片，如测试CO气体时，选用中心波长为4.65um的滤光片；测试SO2气体时，选用中心波长为7.3um的滤光片；红外探测器16选用二级制冷热释电探测器，以提高有毒有害气体的探测精度；所述第一反射镜13、第二反射镜14、主反射镜11、次反射镜12、红外探测器16与池体8的连接端面均采用氟橡胶O型圈密封。
工作原理：驱动伺服电机2带动充气旋光轮5高速转动；控制红外光源4发出红外光，该红外光经过充气旋光轮5后，形成红外调制信号光；红外调制信号光经由池体8的入光口803进入池体8的内腔中，并顺序通过第一反射镜13、次反射镜12、主反射镜11、次反射镜12、第二反射镜14反射后，由出光口804射出，并通过滤光片15进行过滤后，由红外探测器16采集所述红外调制信号光；红外探测器16将所述红外调制信号光转换成电信号发送给外部的处理中心，处理中心根据所述电信号、池体8内的温度、压力、气体流量补偿算法及Lambert-Beer定律，实时分析得出大气中的待检测的有毒有害气体的浓度。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种长光程痕量有毒有害气体检测装置，其特征在于，包括：红外光源(4)、充气旋光轮(5)、池体(8)、主反射镜(11)、次反射镜(12)、第一反射镜(13)、第二反射镜(14)、滤光片(15)及红外探测器(16)；
所述池体(8)为两相对端开口的矩形壳体，池体(8)上设有与池体(8)内腔相通的进气口(801)、出气口(802)、入光口(803)、出光口(804)、第一反射镜安装口(805)及第二反射镜安装口(806)；
外界的大气通过池体(8)的进气口(801)、出气口(802)在池体(8)的内腔中流动；
所述充气旋光轮(5)包括同轴安装的压环(501)、垫环(502)、第一窗口片(503)、基体(504)、第二窗口片(505)及信号调制叶片(506)；所述基体(504)上加工有两个相互隔离的圆弧状的通孔；透明状的第一窗口片(503)和第二窗口片(505)分别固定在基体(504)的两端面，并将两个圆弧状的通孔封闭，形成两个密封腔体，两个密封腔体内分别充入纯N2样品气体和待检测有毒有害气体的纯样品气体；信号调制叶片(506)固定在第二窗口片(505)上，且信号调制叶片(506)上加工有两圈窗口组，内圈窗口组与外圈窗口组中的窗口一一相对；垫环(502)压紧在第一窗口片(503)的边缘上；压环(501)穿过第一窗口片(503)的中心孔后，同轴固定在基体(504)上，用于与驱动充气旋光轮(5)转动的外部驱动单元相连；
整体连接关系如下：充气旋光轮(5)和红外光源(4)分别安装在池体(8)的入光口(803)外部，充气旋光轮(5)能够在外部驱动单元的作用下转动；红外光源(4)发出的红外光照射在转动的充气旋光轮(5)后，形成红外调制信号光，该红外调制信号光通过池体(8)的入光口(803)进入池体(8)的内腔中；
主反射镜(11)和次反射镜(12)分别安装在池体(8)的两个开口端，且两者的镜面相对；第一反射镜(13)和第二反射镜(14)分别对应安装在池体(8)的第一反射镜安装口(805)和第二反射镜安装口(806)中，并均位于池体(8)的内腔中，第一反射镜(13)用于将经过入光口(803)的红外调制信号光反射至次反射镜(12)；光路在主反射镜(11)和次反射镜(12)之间反复反射，形成长光程；第二反射镜(14)用于将经过次反射镜(12)反射的红外调制信号光反射到出光口(804)，通过出光口(804)射出；
池体(8)的出光口(804)外部安装有滤光片(15)和红外探测器(16)，经过出光口(804)射出的红外调制信号光通过滤光片(15)后，照射在红外探测器(16)上；其中，滤光片(15)用于过滤除吸收所述有毒有害气体特征吸收峰的其他波段的光，只通过吸收该有毒有害气体特征吸收峰的光；红外探测器(16)将接收到的红外调制信号光转化为电信号，并发送给外部的处理中心，处理中心根据所述电信号实时分析得出待检测的有毒有害气体的浓度。
2.如权利要求1所述的一种长光程痕量有毒有害气体检测装置，其特征在于，外部驱动单元为伺服电机(2)，伺服电机(2)通过连接座(3)及隔热外腔座(7)安装在池体(8)上，具体为：
隔热外腔座(7)安装在池体(8)上，隔热外腔座(7)上加工有用于安装充气旋光轮(5)的安装槽，且安装槽的底面加工有与所述池体(8)上的入光口(803)相对的通孔；伺服电机(2)通过连接座(3)安装在隔热外腔座(7)上，且伺服电机(2)的输出轴穿过连接座(3)后，与充气旋光轮(5)同轴连接；充气旋光轮(5)位于隔热外腔座(7)的安装槽内；红外光源(4)固定在连接座(3)上。
3.如权利要求2所述的一种长光程痕量有毒有害气体检测装置，其特征在于，所述连接座(3)的侧边设有梳齿状结构，用于增大连接座(3)与空气接触面积。
4.如权利要求2所述的一种长光程痕量有毒有害气体检测装置，其特征在于，所述隔热外腔座(7)采用黑色的ABS材料隔热材料制成。
5.如权利要求1所述的一种长光程痕量有毒有害气体检测装置，其特征在于，还包括：加热装置(9)和温度传感器(10)；
加热装置(9)安装在池体(8)的后侧面，与加热装置(9)电性连接的温度传感器(10)安装在池体(8)上侧面，温度传感器(10)用于检测池体(8)内腔的温度，当池体(8)内腔的温度大于设定温度时，加热装置(9)停止加热，使池体(8)内腔的温度为设定温度的恒温状态。
6.如权利要求1所述的一种长光程痕量有毒有害气体检测装置，其特征在于，所述主反射镜(11)为单球面反射镜，次反射镜(12)为双球面反射镜，二者的曲率相同，第一反射镜(13)与第二反射镜(14)为平面反射镜。
7.如权利要求1所述的一种长光程痕量有毒有害气体检测装置，其特征在于，所述第一反射镜(13)、第二反射镜(14)、主反射镜(11)、次反射镜(12)、红外探测器(16)与池体(8)的连接端面均采用O型圈密封。
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- 2018-07-02 CN CN201810707522.3A patent/CN108982398A/zh active Pending
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