CN112903595B - 一种在线式多组分气体分析光声光谱仪 - Google Patents

一种在线式多组分气体分析光声光谱仪 Download PDF

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Abstract

本发明涉及气体光声光谱检测技术领域，具体是一种在线式多组分气体分析光声光谱仪，包括依次线性排列的光源、滤波斩波器、进气道及光声池组件；所述滤波斩波器与进气道、进气道与光声池组件之间设有气幕；所述光声池组件包括多个串联连接的光声池，每个所述光声池上均安装有与控制模块连接的声音传感器，其中一个所述光声池封装参考气体，其余所述光声池分别封装与被测气体中任一组分气体相同的气体；所述光源的发射光经滤波斩波器过滤射入进气道、光声池组件；各所述声音传感器采集对应的光声池产生的光声信号并传输给控制模块。有益效果是：所述的多个串联连接的光声池可以在线多组分同时测量，并无需对被测气体进行复杂的预处理。

Description

一种在线式多组分气体分析光声光谱仪
技术领域
本发明涉及气体光声光谱检测技术领域，具体是一种在线式多组分气体分析光声光谱仪。
背景技术
气体检测技术在现代社会中有着广泛的应用，如空气中有害气体含量的测定，机动车尾气检测，电厂水泥厂等烟道气体检测，这些都离不开气体检测技术；该技术应用到物质的光声效应。放在密闭容器里的试样，当用经过斩波器调制的强度以一定频率周期变化的光照射时，容器内能产生与斩波器频率相同的声波；这一现象称为光声效应。
光声光谱法是目前应用比较成熟的一种气体检测技术，光声光谱法是通过气体的吸收激发光声信号进行传感，探测器所接收到的光声信号的强弱也将会随着吸收体的吸收谱发生对应的改变，从而获得相应的光声信号谱。光声光谱法能够消除系统中背景光的影响，信号响应线性度好。
但是传统光声光谱法，对检测气体的前处理要求严格，以免气体杂质污染镜片；实时性不强；只有一个光声腔体检测气体单一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在线式多组分气体分析光声光谱仪，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种在线式多组分气体分析光声光谱仪，包括依次线性排列的光源、滤波斩波器、进气道及光声池组件；所述滤波斩波器与进气道、进气道与光声池组件之间设有气幕；所述光声池组件包括多个串联连接的光声池，每个所述光声池上均安装有与控制模块连接的声音传感器，其中一个所述光声池封装参考气体，其余所述光声池分别封装与被测气体中任一组分气体相同的气体；所述光源的发射光经滤波斩波器过滤射入进气道、光声池组件；各所述声音传感器采集对应的光声池产生的光声信号并传输给控制模块，所述控制模块接收、处理声音传感器传输的光声信号数据，并显示处理结果。
作为本发明进一步的方案：所述光声池组件还包括安装在每个所述光声池端部的窗片。
作为本发明再进一步的方案：所述滤波斩波器与靠近滤波斩波器的气幕之间设有保护元件，用于隔断滤波斩波器与气幕。
作为本发明再进一步的方案：所述光声池组件远离进气道的一端设有反光元件，用于反射光声池组件的出射光。
作为本发明再进一步的方案：所述反光元件为角反镜。
作为本发明再进一步的方案：所述光源由具有类黑体辐射特性的发光元件、稳压电路、稳流电路构成，所述发光元件通过稳压电路、稳流电路产生宽谱带的红外光信号。
作为本发明再进一步的方案：所述控制模块与滤波斩波器连接，所述控制模块控制滤波斩波器旋转以调制光源的发射光信号。
作为本发明再进一步的方案：所述滤波斩波器包括圆周排列的多个滤波片，每个所述滤波片的参数与被测气体及参考气体的其中一个组分气体相配。
作为本发明再进一步的方案：所述控制模块包括嵌入式系统、控制器，所述嵌入式系统通过控制器连接声音传感器，所述控制器用于将声音传感器的光声信号转换为数字信号传输给嵌入式系统进行处理和输出。
作为本发明再进一步的方案：所述进气道呈T型，进气道中部输入的被测气体经进气道的两端流出。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：所述的多个串联的光声池，其中一个光声池预装一种一定浓度被测气体中不含种类的参考气体，其余光声池预装一定浓度和被测气体成分同质的一种气体；被测气体无需通过光声池，从而利用气幕防止被测气体污染进气道两侧的部件，可以实时在线多组分同时测量，并无需对被测气体进行复杂的预处理。
附图说明
图1为本发明实施例中在线式多组分气体分析光声光谱仪的结构示意图。
图2为本发明实施例中在线式多组分气体分析光声光谱仪的轴侧示意图。
图3为本发明实施例中滤波轮的结构示意图。
附图中：1、光源；2、气幕；3、被测气体；4、进气道；5、保护窗片；6、滤波斩波轮；7、第一窗片；8、第一光声池；9、第二窗片；10、第二光声池；11、第三窗片；12、第三光声池；13、第四窗片；14、第四光声池；15、第五窗片；16、第五光声池；17、第六窗片；18、反射镜；19、第一声音传感器；20、第二声音传感器；21、第三声音传感器；22、嵌入式系统；23、控制器；24、第四声音传感器；25、第五声音传感器。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本实施例公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
请参阅图1-2，本发明实施例中，一种在线式多组分气体分析光声光谱仪，包括依次线性排列的光源1、滤波斩波器、进气道4及光声池组件；所述滤波斩波器与进气道4、进气道4与光声池组件之间设有气幕2；所述光声池组件包括多个串联连接的光声池，每个所述光声池上均安装有与控制模块连接的声音传感器，其中一个所述光声池封装参考气体，其余所述光声池分别封装与被测气体3中任一组分气体相同的气体；所述光源1的发射光经滤波斩波器过滤射入进气道4、光声池组件；各所述声音传感器采集对应的光声池产生的光声信号并传输给控制模块，所述控制模块接收、处理声音传感器传输的光声信号数据，并显示处理结果。
具体的，所述滤波斩波器包括圆周排列的多个滤波片，每个所述滤波片的参数与被测气体的其中一个组分气体相配；当对被测气体的组分CO、CO2、NO、C3H8进行测量时；所述的光声池有五个，分别为第一光声池8、第二光声池10、第三光声池12、第四光声池14、第五光声池16，其中一个光声池预装一种一定浓度待测气体中不含种类的参考气体，比如在第一光声池8中预装一定浓度的CH4；其余的第二光声池10、第三光声池12、第四光声池14、第五光声池16分别预装一定浓度CO、CO2、NO、C3H8；平衡气为氮气。和被测气体成分同质的气体；被测气体无需通过光声池，第一光声池8作为参考光声池的引入，降低了光源功率波动和光散射对测量结果的影响。测量过程中，滤波斩波器为滤波斩波轮6，其包括的一系列不同类型的滤波片以滤除不同频带的光信号达到光学滤波的目的，当控制模块带动滤波斩波轮6转动时，所有滤光片交替地通过光源的发射光信号通道，达到调制光信号的目的。第一至第五光声池的制作材料一致，为黄铜。
综上所述，所述的多个串联的光声池，其中一个光声池预装一种一定浓度被测气体中不含种类的参考气体，其余光声池预装一定浓度和被测气体成分同质的一种气体；所述进气道呈T型，进气道中部输入的被测气体经进气道的两端流出；被测气体无需通过光声池，从而利用气幕防止被测气体污染进气道两侧的部件，可以实时在线多组分同时测量，并无需对被测气体进行复杂的预处理。
进一步的，所述光声池组件还包括安装在每个所述光声池端部的窗片。
所述窗片分别为第一窗片7、第二窗片9、第三窗片11、第四窗片13、第五窗片15、第六窗片17，所述第二窗片9、第三窗片11、第四窗片13、第五窗片15分别设置在第一光声池8、第二光声池10、第三光声池12、第四光声池14、第五光声池16之间的连接处，第一窗片7和第六窗片17设置在第一光声池8、第五光声池16的外端面，各窗片均为了让进气道产生的激励光顺利通过相应的光声池；窗片的制成材料为高透过率中红外材料CaF2（氟化钙）。
为了减少滤光片通过光源的发射光信号通道间的交叉干扰，提高在线式多组分气体分析光声光谱仪的检测灵敏度。
请参阅图3，本发明的一个优选实施例中，在所述滤波斩波器中，对各滤光片的参数进行选择，其中，激励CO气体的滤光片a的滤波波长为4.6um，激励CO2气体的滤光片b的滤波波长为4.84 um，激励NO气体的滤光片c的滤波波长为5.25 um，激励C3H8气体的滤光片d的滤波波长为3.3um，激励CH4气体的滤光片e的滤波波长为3.43um。
本发明的另一个实施例中，所述光声池的数量为两个，分别为第一光声池8、第二光声池10；；当对被测气体的组分CO进行测量时；在第一光声池8中预装一定浓度的CH4；第二光声池10预装一定浓度CO；平衡气为氮气。和被测气体成分同质的气体；被测气体无需通过光声池，第一光声池8作为参考光声池的引入，降低了光源功率波动和光散射对测量结果的影响。同理，被测气体的组分不局限与上述提到的CO、CO2、NO、C3H8；也可以是其他气体组分，其测量原理、方式与上述测量原理、方式相同，在此不再详细描述。
请参阅图1、2，本发明的另一个实施例中，所述滤波斩波器与靠近滤波斩波器的气幕之间设有保护元件，用于隔断滤波斩波器与气幕。
所述保护元件采用保护窗片5，所述的保护窗片5既可以不干扰光源发射光的通过，又可以隔断滤波斩波器与气幕，保护隔断滤波斩波器。
请参阅图1，本发明的另一个实施例中，所述光声池组件远离进气道的一端设有反光元件，用于反射光声池组件的出射光。
所述反光元件为角反镜，所述角反镜作为反射镜18，具有的反射率大于99%，各光声池中两次通过吸收光，提高了光线通过光声池的吸收距离，提高了检测灵敏度。
所述光源由具有类黑体辐射特性的发光元件、稳压电路、稳流电路构成，所述发光元件通过稳压电路、稳流电路产生宽谱带的红外光信号；发光元件采用发光二极管。
作为本发明再进一步的方案：所述控制模块与滤波斩波器连接，所述控制模块控制滤波斩波器旋转以调制光源的发射光信号。
请参阅图1，本发明的另一个实施例中，所述控制模块包括嵌入式系统22、控制器23，所述嵌入式系统22通过控制器23连接声音传感器，所述控制器用于将声音传感器的光声信号转换为数字信号传输给嵌入式系统进行处理和输出。
具体的，所述声音传感器分别为依次设置在第五光声池16、第四光声池14、第三光声池12、第二光声池10、第一光声池8上的第一声音传感器19、第二声音传感器20、第三声音传感器21、第四声音传感器24、第五声音传感器25；所述第一声音传感器19、第二声音传感器20、第三声音传感器21、第四声音传感器24、第五声音传感器25分别对第五光声池16、第四光声池14、第三光声池12、第二光声池10、第一光声池8产生的光声信号记性采集，并分别通过控制器23传输给嵌入式系统22；控制器23接收采集的光声信号后，进行数字信号处理，所述嵌入式系统22与控制器23相连，用于设置控制器23的工作参数，并对输出的光声信号测量值进行显示，便于直观查看分析。
本发明的工作原理：所述滤波斩波器包括圆周排列的多个滤波片，每个所述滤波片的参数与被测气体的其中一个组分气体相配；当对被测气体的组分CO、CO2、NO、C3H8进行测量时；所述的光声池有五个，分别为第一光声池8、第二光声池10、第三光声池12、第四光声池14、第五光声池16，其中一个光声池预装一种一定浓度待测气体中不含种类的参考气体，比如在第一光声池8中预装一定浓度的CH4；其余的第二光声池10、第三光声池12、第四光声池14、第五光声池16分别预装一定浓度CO、CO2、NO、C3H8；平衡气为氮气。和被测气体成分同质的气体；被测气体无需通过光声池，第一光声池8作为参考光声池的引入，降低了光源功率波动和光散射对测量结果的影响。测量过程中，滤波斩波器为滤波斩波轮，其包括的一系列不同类型的滤波片以滤除不同频带的光信号达到光学滤波的目的，当控制模块带动滤波斩波轮6转动时，所有滤光片交替地通过光源的发射光信号通道，达到调制光信号的目的。
需要说明的是，本发明所采用的嵌入式系统、控制器和声音传感器均为现有技术的应用，本专业技术人员能够根据相关的描述实现所要达到的功能，或通过相似的技术实现所需完成的技术特性，在这里就不再详细描述。
本领域技术人员在考虑说明书及实施例处的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (8)

1.一种在线式多组分气体分析光声光谱仪，其特征在于，包括依次线性排列的光源、滤波斩波器、进气道及光声池组件；
所述滤波斩波器与进气道、进气道与光声池组件之间设有气幕；
所述光声池组件包括多个串联连接的光声池，每个所述光声池上均安装有与控制模块连接的声音传感器，其中一个所述光声池封装参考气体，其余所述光声池分别封装与被测气体中任一组分气体相同的气体；
所述光源的发射光经滤波斩波器过滤射入进气道、光声池组件；各所述声音传感器采集对应的光声池产生的光声信号并传输给控制模块，所述控制模块接收、处理声音传感器传输的光声信号数据，并显示处理结果；
所述滤波斩波器包括圆周排列的多个滤波片，每个所述滤波片的参数与被测气体及参考气体的其中一个组分气体相配，所述进气道呈T型，进气道中部输入的被测气体经进气道的两端流出。
2.根据权利要求1所述的在线式多组分气体分析光声光谱仪，其特征在于，所述光声池组件还包括安装在每个所述光声池端部的窗片。
3.根据权利要求1或2所述的在线式多组分气体分析光声光谱仪，其特征在于，所述滤波斩波器与靠近滤波斩波器的气幕之间设有保护元件，用于隔断滤波斩波器与气幕。
4.根据权利要求1所述的在线式多组分气体分析光声光谱仪，其特征在于，所述光声池组件远离进气道的一端设有反光元件，用于反射光声池组件的出射光。
5.根据权利要求4所述的在线式多组分气体分析光声光谱仪，其特征在于，所述反光元件为角反镜。
6.根据权利要求1所述的在线式多组分气体分析光声光谱仪，其特征在于，所述光源由具有类黑体辐射特性的发光元件、稳压电路、稳流电路构成，所述发光元件通过稳压电路、稳流电路产生宽谱带的红外光信号。
7.根据权利要求1所述的在线式多组分气体分析光声光谱仪，其特征在于，所述控制模块与滤波斩波器连接，所述控制模块控制滤波斩波器旋转以调制光源的发射光信号。
8.根据权利要求1所述的在线式多组分气体分析光声光谱仪，其特征在于，所述控制模块包括嵌入式系统、控制器，所述嵌入式系统通过控制器连接声音传感器，所述控制器用于将声音传感器的光声信号转换为数字信号传输给嵌入式系统进行处理和输出。
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