CN110987803A

CN110987803A - 一种结构灵活、可调光程、拆卸方便的气体吸收池

Info

Publication number: CN110987803A
Application number: CN201911262308.2A
Authority: CN
Inventors: 王廷云; 施援; 李阳; 黄怿; 邓传鲁; 胡程勇
Original assignee: Beijing Transpacific Technology Development Ltd
Current assignee: Beijing Transpacific Technology Development Ltd; University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2019-12-11
Filing date: 2019-12-11
Publication date: 2020-04-10

Abstract

本发明涉及一种结构灵活、可调光程、拆卸方便的气体吸收池。该气体池包括主腔体、前密封盖、后密封盖及集成反射镜模组的滑块；所述主腔体一端的上表面及另一端的侧面靠下区域设有进气口及出气口，末端开有滑槽，用于装配集成反射镜模组的滑块；前密封盖后端所设置的凹槽，用于装配入射透镜架、出射透镜架及第一凹面反射镜，各配件之间用密封圈进行密封连接，前密封盖整件结构简便拆卸、更换；后密封盖仅起到密封作用；滑块上集成反射镜模组，通过底座上的旋转位移台，对第二凹面反射镜、第三凹面反射镜进行角度灵活调节，实现光线的多次反射，以此改变光程，达到超低浓度气体检测及增加检测灵敏度的目的。

Description

一种结构灵活、可调光程、拆卸方便的气体吸收池

技术领域

本发明涉及气体分析技术领域，尤其涉及一种结构灵活、可调光程、拆卸方便的气体吸收池。

背景技术

随着工业、交通运输业和能源产业的快速发展，大量废气被排入大气中，造成生活环境的严重污染，因此，环境保护工作已迫在眉睫。而环境监测作为环境保护的一部分，也越来越受到社会的重视。

作为一种环境监测的设备——气体吸收池，其主要原理是利用气体的吸收光谱来分析气体的成分以及浓度。当光束从进光口射入后，在池体内进行多次反射，最终从出光口射出，在多次反射的过程中，腔内气体吸收光线，获得吸收光谱，以此来分析腔内气体的浓度与成分。为了实现对较低浓度气体的精密检测，并在保证高反射率的基础上，则要求气体池内部的光程越长越好。

目前，市场上的气体吸收池大部分都不能够满足超低浓度的气体检测，一般都存在以下问题：一是，一旦池体结构固定，气体池就无法更改内部的光线反射次数，也就是无法改变总光程长，很难检测出较低浓度的气体；二是，如果要增大光程长，便需要增加反射次数，然而由于镜片反射率过低，导致能量损耗过多，将无法精确测量气体浓度；三是，气体池镜片一旦固定后，无法正常拆卸，当镜片被腐蚀或损坏后，只能重新更换重要部件，从而增加成本；四是，在保证尽量少的折返次数情况下，部分气体池为了加大光程长，从而加长气体池的机械长度，由此导致了整个系统的结构粗笨。

因此，在增加光程长的基础上，如何尽可能地减小光的发散、降低能量损耗、结构拆卸方便成为本领域技术人员所要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的不足，提供一种结构灵活、可调光程、拆卸方便的气体吸收池，可满足对多种气体不同检测精度的检测要求。

根据上述发明目的，本发明的构思为：

一种结构灵活、可调光程、拆卸方便的气体吸收池，包括主腔体、前密封盖、后密封盖与集成反射镜模组的滑块。主腔体上方设有进气口与出气口，可与进气接口、出气接口连接，末端开有滑槽，用于装配集成反射镜模组的滑块；前密封盖上设置有进光口与出光口，内置入射透镜及出射透镜，可对光线进行聚焦，进光口与出光口之间开有反射镜凹槽，内置第一凹面反射镜；后密封盖结构简单，仅起到密封的作用；滑块上集成有反射镜模组，反射镜模组由第二凹面反射镜、第三凹面反射镜组成，可通过反射镜模组底座上的旋转位移台对凹面反射镜进行角度调节，实现反射次数的灵活改变，以此来增加光程，达到超低浓度气体检测的目的。

其技术原理如下：

气体池的机械结构主要基于怀特池原理，其核心部件是三个拥有相同曲率半径的球形凹面镜，参见图1。其中，两个小凹面镜(B和B')完全相同，安装在气体池的一端，大凹面镜A安装在气体池的另一端。B和B'的曲率中心位于A的前表面，A的曲率中心在B和B'前表面的中心。B、B'和A之间的距离等于镜子的曲率半径，球面镜焦距为曲率中心的一半，如此便构成了一个共轭焦点系统，使光能够在A、B与B'之间来回反射。

光从A同侧入射，在A、B以及B'间来回反射，每多经过一次反射就是增加一倍的光程长。整个过程中，通过调节入射光到主光轴的距离以及B、B'的曲率中心到A中心的距离，即可改变固定条件下怀特池的最大反射次数。设入射光到大镜中心的距离为z，由于小镜B、B'的曲率中心都在A上，这两面反射镜曲率中心到大镜中心的距离分别为a、b，设反射次数为n，当a＝b时，可得：

当a、b不相等时，可得：

z＝x*(a+b) (2)

其中，x＝n/4

由式1、式2可知，光路结构一旦确定，入射光到大镜中心的距离z固定，这时，只需要更改B、B'的曲率中心到大镜中心的距离a、b的值，便可改变x值，获得所需的反射次数。a、b的值可通过调节小镜B、B'的角度来进行改变。

总之，在池体长度确定的情况下，只需要调节两个小镜的角度，便能够改变系统的反射次数，实现可变光程。

工作原理

本发明提供了一种结构灵活、可调光程、拆卸方便的气体吸收池，其工作原理主要基于朗伯比尔定律。当一定波长的光照射到被测气体时，光会被气体中的分子选择性地吸收，光的强度会因此发生变化。通过与原始光谱比较分析，可获得吸收光谱。通过分析吸收光谱，可以定量地分析出气体成分及浓度。

其数学表达式可定义为：

I(λ)＝I₀(λ)exp[-σ(λ)cL] (3)

其中，I₀(λ)为入射光的强度，即池内未通入待测气体时的光照强度；I(λ)为透射光的强度，即光通过充满待测气体的气体池的光照强度；σ(λ)为待测气体的吸收截面，表示不同波长下待测气体对光吸收能力的强弱。L为光程长，c为气体的平均浓度。

进而，可以得到气体浓度的计算公式：

当已知气体池光程长时，只需测量出入射光强度、透射光强度，通过比对分子库中的气体吸收截面σ(λ)，便可以得出通入气体池的气体浓度，实现定量分析。

根据上述发明构思，本发明采用以下技术方案：

一种结构灵活、可调光程、拆卸方便的气体吸收池，包括主腔体、前密封盖、后密封盖与集成反射镜模组的滑块。主腔体上方设有进气口与出气口，可与进气接口、出气接口连接，末端开有滑槽，用于装配集成反射镜模组的滑块，两端开有密封槽，可与前后密封盖连接；前密封盖上设置有进光口与出光口，内置入射透镜及出射透镜，可对光线聚焦，在进光口与出光口之间开有反射镜凹槽，用于安装第一凹面反射镜；后密封盖结构简单，仅起到密封作用；第二凹面反射镜、第三凹面反射镜集成在滑块上，通过反射镜模组底座上的旋转位移台对其进行角度调节，以此增加反射次数，进而增加光程，达到超低浓度气体检测的目的。

所述一种结构灵活、可调光程、拆卸方便的气体吸收池，主腔体上的进气口、出气口用于充气、排气，末端滑槽可装配集成反射镜模组的滑块，前后端两个密封槽用于安放第一密封垫与第二密封垫。

所述一种结构灵活、可调光程、拆卸方便的气体吸收池，其前密封盖前端的进光口、出光口开有两个方形凹槽，分别用于安置入射光纤连接头、出射光纤连接头；前密封盖后端的进光口、出光口的分别安置入射透镜架、出射透镜架，入射透镜安置于入射透镜架中，出射透镜安置于出射透镜架中，并且，入射透镜与入射光纤连接头、出射透镜与出射光纤连接头共轴；入射透镜架、出射透镜架与前密封盖间存在密封圈，可通过紧固螺钉固定且密封，保持良好气密性；进光口、出光口之间开有凹槽，可安置第一凹面反射镜。

所述一种结构灵活、可调光程、拆卸方便的气体吸收池，后密封盖结构简单，与主腔体间设有密封圈，仅起到密封作用。

所述一种结构灵活、可调光程、拆卸方便的气体吸收池，其滑块上集成第二凹面反射镜、第三凹面反射镜，其结构主要包括镜架、接杆以及可调节角度的底座，通过角度的灵活调节，可改变光学系统的反射次数，进而改变气体池的光程。

本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的、突出的实质性特点和显著的技术进步：

1.该气体池即使池体结构固定，也可以通过更改第二反射镜、第三反射镜的角度，更改光路的反射次数，进而改变光程长，在保持腔体小型便携的基础上，实现光程的灵活可变，达到超低浓度气体检测的目的。

2.该气体池出射、入射透镜安装在出射、入射透镜架上，第二、第三反射镜安装在反射镜模组上，而不是像市面上的气体池直接贴在密封盖表面，便于拆卸。当镜片损坏或腐蚀，无需更换整个池体，只需将镜架上的镜片重新更换，便可再次使用，大大降低了成本。

附图说明

图1为基于怀特池原理的光线传输结构示意图。

图2为本发明实施例1的整体装配图。

图3为本发明实施例2的分解示意图。

图4为本发明实施例2的第一密封盖分解示意图。

图5为本发明实施例2的第二密封盖分解示意图。

图6为本发明实施例2的左视图。

图7为本发明实施例2的A方向剖视图。

图8为本发明实施例2的B方向剖视图。

图9为本发明实施例2的F方向剖视图。

图中，1为主腔体、2为前密封盖、3为后密封盖、4为入射透镜、5为出射透镜、6为第一凹面反射镜、7为第二凹面反射镜、8为第三凹面反射镜、9为入射透镜架、10为出射透镜架、11为反射镜架、12为接杆、13为底座、14为调节螺钉、15为滑块、16为第三密封圈、17为第四密封圈、18为第一密封圈、19为第二密封圈、20为套环、21为进气接口、22为紧固螺钉、23为入射光纤连接头、24为出气接口、25为出射光纤连接头。

具体实施方式

为了更好地阐明本发明的技术内容，下面结合优选实施例和附图对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

参见图2、图3，本实施例提出一种结构灵活、可调光程、拆卸方便的气体吸收池，包括主腔体1、前密封盖2、后密封盖3与集成反射镜模组的滑块15。主腔体1上方设有进气口与出气口，可与进气接口21、出气接口24连接，末端开有集成反射镜模组的滑槽，用于装配滑块15；前密封盖2前端设置有进光口与出光口，分别安置入射光纤连接头23、出射光纤连接头25，并开有三个安放槽，可与入射透镜架9、出射透镜架10、第一反射镜6进行装配，入射透镜架9与出射透镜架10内分别装有入射透镜4及出射透镜5，两者无需粘结，前密封盖与主腔体间设有第一密封圈18，保持腔体气密性，前密封盖的结构特点避免了拆卸或更换镜片过程中造成的透镜以及前密封盖2的损坏；后密封盖3结构简单，与主腔体间设置第二密封圈19，仅起到密封作用；滑块15上集成第二凹面反射镜7、第三凹面反射镜8，通过调节其角度来实现光程可变。工作原理：光束从进光口射入后，往第一6、第二7和第三凹面反射镜8多次反射，最终从出光口射出，在多次反射过程中，主腔体1腔内气体吸收光束，获得吸收光谱，从而可用于分析腔内气体的浓度和成分。

实施例2

本实施例同实施例1基本相同，是对实施例1更为详细的技术说明。

参见图3，本实施例与实施例1的区别在于，主腔体1与前密封盖2、后密封盖3之间存在第一密封垫18、第二密封垫19。主腔体1的两个端面上开有两个密封槽，用于安放第一密封垫18、第二密封垫19。两个端面上均开有螺纹孔，可通过螺钉22，与前密封盖2、后密封盖3连接。

参见图4，前密封盖2前端开有两个方形凹槽，可通过紧固螺钉22，与23入射光纤连接头、25出射光纤连接头进行固定；后端开有三个圆形安放槽，分别与入射透镜架9、出射透镜架10、第一反射镜6进行装配，入射透镜4、出射透镜5分别安置于入射透镜架、出射透镜架中，入射透镜与入射光纤连接头、出射透镜与出射光纤连接头共轴；入射透镜安放槽、出射透镜安放槽与入射透镜架、出射透镜架间存在第三密封垫16、第四密封垫17；第一反射镜安放槽中开有螺纹，使用套环可将第一反射镜6固定。

参见图5，集成反射模组的滑块中心安有调节螺钉14，可对滑块15的位置进行固定，滑块开有八个螺纹孔，用于固定两个凹面反射镜的底座13；反射镜模组包含镜架11、接杆12以及底座13，三者通过螺钉22连接；通过反射镜的底座13上的旋转位移台，对第二凹面反射镜7、第三凹面反射镜8进行角度调节，来改变反射次数，以此达到改变光程的目的。

实施例3

本实施例提供了一种具体尺寸的光学气体池结构。

气体池的入射透镜及出射透镜曲率半径为8.7mm，焦距为17mm；第一凹面反射镜的直径范围为40-100mm，曲率半径为200mm；第二凹面反射镜及第三凹面反射镜的直径范围均为10-30mm，曲率半径为200mm。

调节第二凹面反射镜及第三凹面反射镜的角度分别为-6.9°与6.9°，试下光线反射次数为4次，气体池光程为800mm；调节第二凹面反射镜及第三凹面反射镜的角度分别为-10.2°与10.2°，试下光线反射次数为8次，气体池光程为1600mm；调节第二凹面反射镜及第三凹面反射镜的角度分别为-11.1°与11.1°，试下光线反射次数为12次，气体池光程为2400mm。

以上所述为进一步结合本发明的实施思想与实施方式所作的详细说明，并非因此限制本发明的专利范围，凡利用本发明说明书及附图所作的等效结构或等效思想，做出简单推演或替换，都应当属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种结构灵活、可调光程、拆卸方便的气体吸收池，包括主腔体(1)、前密封盖(2)、后密封盖(3)及集成反射镜模组的滑块(15),其特征在于：所述主腔体(1)上设有进气口、出气口，与进气接口(21)、出气接口(24)连接，而末端开有滑槽，用于装配集成反射镜模组的滑块(15)；前密封盖(2)前端设有进光口与出光口，分别安置入射光纤连接头(23)和出射光纤连接头(25)；且设置的三个凹槽，可与入射透镜架(9)、出射透镜架(10)、第一凹面反射镜(6)进行装配，前密封盖(2)通过密封圈(18)与主腔体(1)密封连接；后密封盖(3)仅起到密封作用；所述后端安置的滑块上集成反射镜模组，其底座设有旋转位移台，可调节滑块(15)上边第二凹面反射镜(7)、第三凹面反射镜(8)的角度；光束从进光口射入后，往第一、第二和第三凹面反射镜多次反射，最终从出光口射出，在多次反射过程中，主腔体(1)腔内气体吸收光束，获得吸收光谱，从而可用于分析腔内气体的浓度和成分。

2.如权利要求1所述的一种结构灵活、可调光程、拆卸方便的气体吸收池，其特征在于：所述进气口、出气口分别开在主腔体一端的上表面和另一端侧面靠下的区域，此种结构便于气体混合均匀。

3.如权利要求1所述的一种结构灵活、可调光程、拆卸方便的气体吸收池，其特征在于：所述入射透镜架(9)、出射透镜架(10)可装配入射透镜、反射透镜，透镜与透镜架间设有密封圈，保持气密性，透镜架(9)、出射透镜架(10)与前密封盖(2)中的凹槽通过密封圈来保持气密性，透镜架(9)、出射透镜架(10)整体通过螺栓与前密封盖(2)固定；第一凹面反射镜(6)安置于透镜凹槽之间所设置的凹槽中，通过螺栓固定；前密封盖(2)的各配件，可简便拆卸、更换。

4.如权利要求1所述的一种结构灵活、可调光程、拆卸方便的气体吸收池，其特征在于:通过反射镜模组底座上的旋转位移台，对第二凹面反射镜(7)、第三凹面反射镜(8)进行角度调节，实现光线的多次反射，以此改变光程，达到超低浓度气体检测及增加检测灵敏度的目的。