CN112964661A - 一种痕量二氧化碳气体浓度检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种痕量CO2气体浓度检测系统及方法，系统包括：流量计、柔性空芯波导吸收池、光源、探测器、第一耦合接头和第二耦合接头；柔性空芯波导吸收池分别与光源和探测器通过第一耦合接头和第二耦合接头连接，流量计的进气口连接第一耦合接头的进气口；流量计的进气口通入由真空泵泵入的待测CO2气体，再通过第一耦合接头通入柔性空芯波导吸收池；当光源向柔性空芯波导吸收池内发出光信号时，柔性空芯波导吸收池内的待测CO2吸收所述光信号；探测器接收待测CO2吸收后的光信号并将待测CO2吸收后的光信号转化为测量电压信号；计算机，与探测器连接，接收所述测量电压信号，根据测量电压信号计算待测CO2气体的浓度。
Description
技术领域
本发明涉及CO2气体浓度检测技术领域，特别是涉及一种痕量CO2气体浓度检测系统及方法。
背景技术
痕量CO2气体在工业生产中会对生产安全和产品品质造成很大影响，如空气分离中，空分装置富集了痕量CO2很容易产生爆炸；聚丙烯材料生产中，痕量CO2会影响丙烯聚合反应，从而影响产品性能。
传统的一些检测气体的系统如：基于材料电学特性的半导体式传感器，虽然其灵敏度高、响应时间快，但其存在不同气体交叉影响、信号漂移及非线性等缺陷；电化学特性类气体传感器虽然具有使用便捷、成本低等特点，但是其使用寿命较短，同样也会受到不同气体的影响，产生误报；使用基于气相色谱法的相关器件进行气体检测，这类测量系统测量精度高，但大多用于实验室，设备较为昂贵。相比于上述三种测量方法，基于比尔-朗博定律的红外光谱吸收式气体传感系统同时具有灵敏度高、稳定性好、检测范围广、响应时间快等特点，适用于痕量气体检测和实时监测。目前已有的光谱吸收式气体检测技术如可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)、波长调制光谱(WMS)，虽然检测精度较高能够到达ppb级别，但是其系统较为复杂，相关器件较为昂贵并且体积较大，限制了其进一步使用。因此，提出一种系统结构简单、测量精度高并且同时具有小型化便携性特点的痕量CO2气体检测系统是十分有必要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种痕量CO2气体浓度检测系统及方法，其中，系统仅设置有流量计、柔性空芯波导吸收池、光源、探测器、计算机以及两个三通耦合接头，系统结构简单，具有小型化便携性特点；利用探测器获取待测CO2气体吸收后的光信号并传输至计算机，利用计算机计算待测CO2气体浓度，检测精度高。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种痕量CO2气体浓度检测系统，包括：流量计、柔性空芯波导吸收池、光源、探测器、第一耦合接头和第二耦合接头；
所述流量计的进气口，用于通入由真空泵泵入的待测CO2气体；
所述流量计的出气口与所述第一耦合接头的进气口连接；所述第一耦合接头的光源接口与所述光源的发光端连接；所述第一耦合接头的波导接口与所述柔性空芯波导吸收池的进气端连接；所述柔性空芯波导吸收池的出气端与所述第二耦合接头的波导接口连接；所述第二耦合接头的探测器接口与所述探测器的探测端连接；所述探测器的输出端连接有计算机；
所述流量计，用于测量待测CO2气体的流速；
所述柔性空芯波导吸收池，用于当所述光源向所述柔性空芯波导吸收池内发出光信号时，吸收池内的待测CO2吸收所述光信号；
所述探测器，用于接收待测CO2吸收后的光信号并将所述待测CO2吸收后的光信号转化为测量电压信号；
所述计算机，用于接收所述测量电压信号，根据所述测量电压信号计算待测CO2气体的浓度。
本发明还提供一种痕量CO2气体浓度检测方法，包括：
通过真空泵将待测CO2气体依次经过流量计和第一耦合接头后通入柔性空芯波导吸收池；
光源发出的光经过所述柔性空芯波导吸收池，所述柔性空芯波导吸收池内的待测CO2气体吸收所述光源发出的光信号，得到吸收后的光信号；
探测器接收所述吸收后的光信号并将所述吸收后的光信号转化为测量电压信号；
计算机接收所述测量电压信号并根据所述测量电压信号计算待测CO2气体的浓度。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种痕量CO2气体浓度检测系统及方法，其中，系统包括流量计、柔性空芯波导吸收池、光源、探测器、计算机、第一耦合接头和第二耦合接头，流量计的出气口、柔性空芯波导吸收池的进气端和光源的发光端通过第一耦合接头进行耦合连接，柔性空芯波导吸收池的出气端和探测器的探测端通过第二耦合接头进行耦合连接；探测器的输出端连接有计算机。可见，系统结构简单，易于安装，适用范围广。
系统使用了柔性空芯波导吸收池，其在CO2特征吸收波长4.26微米处具有低传输损耗并能够与光源及探测器直接耦合，不需要复杂、额外的光学耦合器件，因此系统构造简单，便于集成化，同时柔性空芯波导吸收池体积小，系统响应时间短；并且系统所使用的光源、探测器均为商用成熟器件、价格较为低廉，实现了痕量ppb级CO2的测量，系统性价比高；所使用相关光源、探测器均为小型器件，柔性空芯波导吸收池柔韧性好，便于弯曲进一步减小体积，因此系统具有小型化、便携性的特点。
另外，在柔性空芯波导吸收池内，待测CO2气体会吸收光源发出的宽带光，探测器获取吸收后的光信号并传输到计算机中，由计算机计算待测CO2气体的浓度。利用了非色散红外吸收光谱技术，那么在保证系统结构简单的情况下，检测精度依然很高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1提供的一种痕量CO2气体浓度检测系统结构图；
图2为本发明实施例2提供的一种痕量CO2气体浓度检测方法流程图；
图3为本发明实施例2提供的标准吸收度-浓度曲线。
符号说明：
1：流量计；2：柔性空芯波导吸收池；3：光源；4：探测器；5：第一耦合接头；6：第二耦合接头；7：真空泵；8：计算机；9：控制模块；10：红外窗口片。
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。
本发明的目的是提供一种痕量CO2气体浓度检测系统及方法，其中，系统仅设置有流量计、柔性空芯波导吸收池、光源、探测器、计算机以及两个三通耦合接头，系统结构简单，具有小型化便携性特点；利用探测器获取待测CO2气体吸收后的光信号并传输至计算机，利用计算机计算待测CO2气体浓度，检测精度高。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
如图1所示，本实施提供了一种痕量CO2气体浓度检测系统，包括：流量计1、柔性空芯波导吸收池2、光源3、探测器4、第一耦合接头5和第二耦合接头6；
所述流量计1的进气口，用于通入由真空泵7泵入的待测CO2气体；
所述流量计1的出气口与所述第一耦合接头5的进气口连接；所述第一耦合接头5的光源3接口与所述光源3的发光端连接；所述第一耦合接头5的波导接口与所述柔性空芯波导吸收池2的进气端连接；所述柔性空芯波导吸收池2的出气端与所述第二耦合接头6的波导接口连接；所述第二耦合接头6的探测器接口与所述探测器4的探测端连接；所述探测器4的输出端连接有计算机8；
所述流量计1，用于测量待测CO2气体的流速；所以，可以根据流量计1测量的气体流速自由的控制通入CO2气体的流速，从而满足不同情况的需求。
所述柔性空芯波导吸收池2，用于当所述光源3向所述柔性空芯波导吸收池2内发出光信号时，吸收池内的待测CO2吸收所述光信号；
所述探测器4，用于接收待测CO2吸收后的光信号并将所述待测CO2吸收后的光信号转化为测量电压信号；
所述计算机8，用于接收所述测量电压信号，根据所述测量电压信号计算待测CO2气体的浓度。
上述耦合接头的设置，使得光源3、探测器4与柔性空芯波导吸收池2能够直接、高效、稳定连接。
考虑到待测CO2气体需要通入柔性空芯波导吸收池2中吸收光源3发出的光信号，所以要求第一耦合接头5内，柔性空芯波导吸收池2的进气端与光源3的发光端之间必须有一定的间隙，这样才能使得通入到第一耦合接头5进气口中的待测CO2气体经过该间隙通入柔性空芯波导吸收池2的进气端，从而使得待测CO2气体顺利通入柔性空芯波导吸收池2中完成相关反应。
同理，在柔性空芯波导吸收池2中，已经通入的CO2气体也需要通过一定的途径排出，为了能够实现通入CO2气体的排出，可以在第二耦合接头6上设置出气口，且在第二耦合接头6内要求柔性空芯波导吸收池2的出气端与探测器4的探测端之间存在一定的间隙，该间隙与第二耦合接头6的出气口相通，这样能够使得通入柔性空芯波导吸收池2中的CO2气体通过第二耦合接头6的出气口排出。
另外，考虑到光源3发出的光需要通入柔性空芯波导吸收池2，并且探测器4需要获取被待测CO2气体吸收后的光信号，所以光源3发出的光不仅能够顺利通入柔性空芯波导吸收池2，光信号还能够被探测器4获取到，因此，要求柔性空芯波导吸收池2、光源3和探测器4的中心在同一水平线上。
考虑到CO2气体通入或排出柔性空芯波导吸收池2时，存在一定的气体流速，而为了避免气体流速对光源3发出的光产生影响，同时也避免影响探测器4的探测精度，可以在光源3的发光端和探测器4的探测端设置红外窗口片10。其中，也要求红外窗口片10为在红外波段具有高透过率的光纤晶体。
为了更好的固定柔性空芯波导吸收池2，避免其与光源3、探测器4碰撞，可以在第一耦合接头5和第二耦合接头6的波导接口处设有固定卡口，柔性空芯波导吸收池2的进气端和出气端分别通过固定卡口固定连接第一耦合接头5和第二耦合接头6。
由于探测器4输出的信号需要传输至计算机8中进行相关计算，为了能够保证信号传输的稳定性和准确性，可以在探测器4的输出端与所述计算机8之间还设有控制模块9，控制模块9则用于将所述探测器4输出的所述电压信号传输至所述计算机8。
需要说明的是，柔性空芯波导吸收池2结构为柔韧性好的PC材料作为基管，基管内镀制有金属膜和介质膜。采用柔性空芯波导吸收池2作为系统气室结构并同时可以低损耗传输光信号，对于目标测量气体CO2，通过介质膜镀制工艺改变介质膜厚度，使得波导在4.26微米处获得了低传输损耗；柔性空芯波导吸收池2因为其出色的柔韧性，可以弯曲成不同形状，大大减小了柔性空芯波导吸收池2及系统体积；并且空芯光纤吸收池的体积小，因此系统响应时间快。
另外，光源3采用红外宽谱光源3，价格较低并且器件尺寸小，在2-14微米波长范围内都具有输出；探测器4可使用可调检测波长或多通道的热释电探测器，同样具备较小的尺寸，有利于系统的小型化。
本实施例中，检测系统仅涉及了光源3、红外窗口片10、耦合接头、柔性空芯波导吸收池2、流量计1、真空泵7、探测器4、控制模块9和计算机8结构，结构简单，器件成本低，性价比高，构成的系统体积小，同时还能保证检测精度。
实施例2
请参阅图2，本实施例提供了一种痕量CO2气体浓度检测方法，包括：
步骤S1：通过真空泵7将待测CO2气体依次经过流量计1和第一耦合接头5后通入柔性空芯波导吸收池2；
步骤S2：光源3发出的光经过所述柔性空芯波导吸收池2，所述柔性空芯波导吸收池2内的待测CO2气体吸收所述光源3发出的光信号，得到吸收后的光信号；
步骤S3：探测器4接收所述吸收后的光信号并将所述吸收后的光信号转化为测量电压信号；
步骤S4：计算机8接收所述测量电压信号并根据所述测量电压信号计算待测CO2气体的浓度。
其中，步骤S4具体包括：
所述计算机8中预设有通入氮气时测量得到的参考电压信号，将所述参考电压信号与所述测量电压信号相除得到吸收光谱；
根据所述吸收光谱计算吸收所述光源3发出的光信号的CO2气体的吸收度；
根据预设的标准吸收度-浓度曲线，计算所述吸收度对应的浓度值，所述浓度值即为待测CO2气体的浓度。图3示出了标准吸收度-浓度曲线。
本实施例中，将待测CO2气体通入柔性空芯波导吸收池2内来吸收光源3发出的光信号，得到吸收后的光信号；将该吸收后的光信号转换电压信号传输至计算机8，计算机8根据预设的参考电压信号和转换的电压信号计算吸收谱，再结合标准吸收度-浓度曲线即可获得待测CO2气体浓度。检测过程操作简单，检测所需时间短，效率高，并且得到的检测精度也高。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的系统相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见系统部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种痕量CO2气体浓度检测系统，其特征在于，包括：流量计、柔性空芯波导吸收池、光源、探测器、第一耦合接头和第二耦合接头；
所述流量计的进气口，用于通入由真空泵泵入的待测CO2气体；
所述流量计的出气口与所述第一耦合接头的进气口连接；所述第一耦合接头的光源接口与所述光源的发光端连接；所述第一耦合接头的波导接口与所述柔性空芯波导吸收池的进气端连接；所述柔性空芯波导吸收池的出气端与所述第二耦合接头的波导接口连接；所述第二耦合接头的探测器接口与所述探测器的探测端连接；所述探测器的输出端连接有计算机；
所述流量计，用于测量待测CO2气体的流速；
所述柔性空芯波导吸收池，用于当所述光源向所述柔性空芯波导吸收池内发出光信号时，吸收池内的待测CO2吸收所述光信号；
所述探测器，用于接收待测CO2吸收后的光信号并将所述待测CO2吸收后的光信号转化为测量电压信号；
所述计算机，用于接收所述测量电压信号，根据所述测量电压信号计算待测CO2气体的浓度。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述柔性空芯波导吸收池的进气端与所述光源的发光端之间存在第一间隙；所述第一间隙，用于将所述流量计输出的待测CO2气体经过所述第一耦合接头的进气口通入所述柔性空芯波导吸收池中。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第二耦合接头还设有出气口；所述柔性空芯波导吸收池的出气端与所述探测器的探测端之间存在第二间隙；所述第二间隙，用于将所述柔性空芯波导吸收池输出的CO2气体经过所述第二耦合接头的出气口排出。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述柔性空芯波导吸收池、所述光源和所述探测器的中心在同一水平线上。
5.根据权利要求1或4所述的系统，其特征在于，所述探测器的探测端和所述光源的发光端均设有红外窗口片。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述红外窗口片为光纤晶体。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述探测器的输出端与所述计算机之间还设有控制模块，所述控制模块，用于将所述探测器输出的所述电压信号传输至所述计算机。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一耦合接头和所述第二耦合接头的波导接口处设有固定卡口，所述柔性空芯波导吸收池的进气端和出气端分别通过所述固定卡口固定连接所述第一耦合接头和所述第二耦合接头。
9.一种基于权利要求1至8任一项所述的痕量CO2气体浓度检测系统的检测方法，其特征在于，包括：
通过真空泵将待测CO2气体依次经过流量计和第一耦合接头后通入柔性空芯波导吸收池；
光源发出的光经过所述柔性空芯波导吸收池，所述柔性空芯波导吸收池内的待测CO2气体吸收所述光源发出的光信号，得到吸收后的光信号；
探测器接收所述吸收后的光信号并将所述吸收后的光信号转化为测量电压信号；
计算机接收所述测量电压信号并根据所述测量电压信号计算待测CO2气体的浓度。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述计算机接收所述测量电压信号并根据所述测量电压信号计算待测CO2气体的浓度，具体包括：
所述计算机中预设有通入氮气时测量得到的参考电压信号，将所述参考电压信号与所述测量电压信号相除得到吸收光谱；
根据所述吸收光谱计算吸收所述光源发出的光信号的CO2气体的吸收度；
根据预设的标准吸收度-浓度曲线，计算所述吸收度对应的浓度值，所述浓度值即为待测CO2气体的浓度。
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| CN202110154730.7A CN112964661A (zh) | 2021-02-04 | 2021-02-04 | 一种痕量二氧化碳气体浓度检测系统及方法 |
Publications (1)
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| CN112964661A true CN112964661A (zh) | 2021-06-15 |
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| CN202110154730.7A Pending CN112964661A (zh) | 2021-02-04 | 2021-02-04 | 一种痕量二氧化碳气体浓度检测系统及方法 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113398347A (zh) * | 2021-07-26 | 2021-09-17 | 山东大学 | 一种引导式人工口咽通道吸痰装置及工作方法 |
| CN117929313A (zh) * | 2024-03-19 | 2024-04-26 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 增强型空芯光波导的气体浓度与同位素测量装置及方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6385380B1 (en) * | 1998-04-21 | 2002-05-07 | World Precision Instruments, Inc. | Hollow optical waveguide for trace analysis in aqueous solutions |
| US6527398B1 (en) * | 2000-06-08 | 2003-03-04 | Gregory J. Fetzer | Tubular-waveguide gas sample chamber for optical spectrometer, and related methods |
| CN102869980A (zh) * | 2010-01-18 | 2013-01-09 | 气体敏感液有限公司 | 具有辐射导管的气体传感器 |
| US20180156715A1 (en) * | 2015-05-12 | 2018-06-07 | Cranfield University | Hollow fibre waveguide gas cells |
-
2021
- 2021-02-04 CN CN202110154730.7A patent/CN112964661A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| Title |
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| 朱晓青: "《过程检测控制技术与应用》", 31 December 2002, 冶金工业出版社 * |
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