CN114018853A - 光度计气室及气体分析模块 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种光度计气室及气体分析模块，第一光路和第二光路合并在同一个气室之中，第一光路在第一反射组件和第二反射组件之间多次反射，形成一个长光程光路，因此该光度计气室包括一个长光程气室；第二光路由第二入光组件入射，经第二出光组件出射，形成一个短光程光路，因此，该光度计气室同时包括一个短光程气室。该光度计气室和气体分析模块可用于测试浓度相差较大的混合气体中各个气体的浓度大小，其中长光程气室可用于测试浓度较低的气体，短光程气室可用于测试浓度较高的气体。

Description

光度计气室及气体分析模块
技术领域
本发明涉及气体分析技术领域，特别是涉及一种光度计气室及气体分析模块。
背景技术
污染源排放的混合气体中，各个气体的浓度大多会有差异，有的甚至差异很大，对于这种各个气体浓度差异较大的混合气体的检测，如果采用同一模块进行分析，测量精度不能保证，但是采用组合分析模块来测量，则用于分析的仪器体积过大，制造成本也较高。例如，导致了地球表面的温度上升的温室气体中，其中二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)的贡献排前三，污染源排放是CO2、CH4和N2O重要来源之一，对污染源排放CO2、CH4和N2O的监测中必须要对该三种气体进行检测，而在此混合气体中，CO2的浓度往往较高，一般会达到百分比级，而CH4和N2O的浓度较低，只有百万分比级，浓度差异达到几个数量级。
发明内容
针对现有技术不足，本申请提供一种光度计气室及气体分析模块，其具体技术方案如下。
一种光度计气室，包括：
第一入光组件；第一光源从所述第一入光组件入射，形成第一光路；
第一反射组件，具有第一反射面，所述第一反射面设置于所述第一光路上；
第二反射组件，具有第二反射面，所述第二反射面设置于所述第一光路上，所述第一反射面和所述第二反射面相对设置；
第一出光组件，所述第一光路经所述第一出光组件出射；
第二入光组件；第二光源从所述第二入光组件入射，形成第二光路；所述第二光源入射方向和所述第一光源入射方向相互垂直；
第二出光组件，所述第二光路经所述第二出光组件出射；
气路组件，所述气路组件具有进气口和出气口，所述气路组件包括：
气路管，所述气路管第一端密封连接所述第一入光组件和所述第一反射组件；
所述气路管第二端密封连接所述第一出光组件和所述第二反射组件；
所述第二入光组件和所述第二出光组件设置于所述气路管上相对的位置。
在本申请一些实施例中，所述第一反射组件中心具有第一通孔；
所述第二反射组件中心具有第二通孔；
所述第一光源从所述第一通孔入射进入所述气路管中，并在所述第一反射面和所述第二反射面之间多次反射后经所述第二通孔出射。
在本申请一些实施例中，所述第二入光组件中心具有第三通孔；
所述第二光源从所述第三通孔入射进入所述气路管中，并经所述第二出光组件出射。
在本申请一些实施例中，所述第一反射组件中心还具有与所述第一通孔相邻的第四通孔，所述第四通孔内安装有第一窗片，所述第一窗片为平面玻璃，并且所述第一窗片设置于所述第四通孔内且覆盖所述第一通孔的孔口；
所述第二反射组件中心还具有与所述第二通孔相邻的第五通孔，所述第五通孔内安装有第二窗片，所述第二窗片为平面玻璃，并且所述第二窗片设置于所述第五通孔内且覆盖所述第二通孔的孔口。
在本申请一些实施例中，所述第一反射面和第二反射面均为曲面反射镜；所述第二入光组件和所述第二出光组件为平面透光镜。
在本申请一些实施例中，所述气路管上开设有第六通孔；
所述第二入光组件位于所述第六通孔中，并与所述第六通孔密封连接；
所述气路管上，开设有与所述第六通孔相对的第七通孔；
所述第二出光组件位于所述第七通孔中，并与所述第七通孔密封连接。
本申请第二种实施方式提供一种气体分析模块，包括前文所述的光度计气室，还包括：
第一光源，所述第一光源与所述第一入光组件连接；
第二光源，所述第二光源与所述气路管连接；
第一气体检测探测器，所述第一气体检测探测器与所述第一出光组件连接；
第二气体检测探测器，所述第一气体检测探测器与所述气路管连接；
第一光源驱动电路板，所述第一光源驱动电路板与所述第一入光组件连接；
第一探测器驱动电路板，所述第一探测器驱动电路板与所述第一出光组件连接；
第二光源驱动电路板，所述第二光源驱动电路板与所述气路管连接；
第二探测器驱动电路板，所述第二探测器驱动电路板与所述气路管连接。
在本申请一些实施例中，所述第一入光组件中心具有第一安装孔，所述第一光源设置在所述第一安装孔内；
所述第一出光组件中心具有第二安装孔，所述第一气体检测探测器设置于所述第二安装孔内；
所述气路管上开设有第六通孔；所述第二入光组件位于所述第六通孔中，并与所述第六通孔密封连接；所述第二光源设置于所述第六通孔中，位于所述第二入光组件外侧；
所述气路管上，开设有与所述第六通孔相对的第七通孔；所述第二出光组件位于所述第七通孔中，并与所述第七通孔密封连接；所述第二气体检测探测器设置于所述第七通孔中，位于所述第二出光组件外侧。
在本申请一些实施例中，所述的气体分析模块，还包括：
第一滤光片，所述第一滤光片设置于所述第一气体检测探测器与所述第二反射组件之间；
第二滤光片，所述第二滤光片设置于所述第二气体检测探测器与所述第二出光组件之间。
本申请第三种实施方式提供一种应用于检测CO2、CH4、N2O混合气体的气体分析模块，包括如前文所述的气体分析模块，其特征在于，所述第一气体检测探测器为CH4和N2O检测探测器，所述第一滤光片分别采用中心波长为3.3μm和4.5μm的窄带滤光片，所述第二气体检测探测器为CO2检测探测器，所述第二滤光片采用中心波长为4.26μm的窄带滤光片。
与现有技术相比，本申请的有益效果为：
本申请提供的光度计气室，第一光路和第二光路合并在同一个气室之中，第一光路在第一反射组件和第二反射组件之间多次反射，形成一个长光程光路，因此该光度计气室包括一个长光程气室；第二光路由第二入光组件入射，经第二出光组件出射，形成一个短光程光路，因此，该光度计气室同时包括一个短光程气室。该光度计气室可用于测试浓度相差较大的混合气体中各个气体的浓度大小，其中长光程气室可用于测试浓度较低的气体，短光程气室可用于测试浓度较高的气体。
附图说明
图1是本申请一种实施方式的光度计气室的剖视结构示意图；
图2是本申请一种实施方式的光度计气室的立体结构示意图；
图3是图1中A部分的局部放大图；
图4是图1中B部分的局部放大图；
图5是图1中C部分的局部放大图；
图6是图1中D部分的局部放大图；
图7是CO2、CO和N2O的红外吸收光谱；
图中编号：100、第一光源；101、第一光源驱动电路板；200、第二光源；201、第二光源驱动电路板；1、第一入光组件；11、第一安装孔；2、第一反射组件；21、第一反射面；22、第一通孔；23、第四通孔；24、第一窗片；3、第二反射组件；31、第二反射面；32、第二通孔；33、第五通孔，34、第二窗片；4、第一出光组件；41、第二安装孔；5、第二入光组件；51、第三通孔；6、第二出光组件；7、气路管；701、进气口；702、出气口；71、气路管第一端；72、气路管第二端；73、第六通孔；74、第七通孔；8、第一气体检测探测器；81、第一探测器驱动电路板；82、第一滤光片；9、第二气体检测探测器；91、第二探测器驱动电路板；92、第二滤光片。
具体实施方式
以下结合具体实施方式对本申请的技术方案进行详实的阐述，然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图1所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
所述的实施方式仅仅是对本申请的优选实施方式进行描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本申请权利要求书确定的保护范围内。
如图1和图2所示，本申请第一种实施方式提供一种光度计气室，包括：
第一入光组件1；第一光源从所述第一入光组件1入射，形成第一光路；
第一反射组件2，具有第一反射面21，所述第一反射面设置于所述第一光路上；
第二反射组件3，具有第二反射面31，所述第二反射面31设置于所述第一光路上，所述第一反射面31和所述第二反射面21相对设置；
第一出光组件4，所述第一光路经所述第一出光组件4出射；
第二入光组件5；第二光源从所述第二入光组件5入射，形成第二光路；所述第二光源入射方向和所述第一光源入射方向相互垂直；
第二出光组件6，所述第二光路经所述第二出光组件6出射；
气路组件，所述气路组件具有进气口701和出气口702，所述气路组件包括：
气路管7，所述气路管第一端71密封连接所述第一入光组件1和所述第一反射组件2；
所述气路管第二端72密封连接所述第一出光组件4和所述第二反射组件3；
所述第二入光组件5和所述第二出光组件6设置于所述气路管7上相对的位置。
本申请第一种实施方式提供的光度计气室，第一光路和第二光路合并在同一个气室之中，第一光路在第一反射组件和第二反射组件之间多次反射，形成一个长光程光路，因此该光度计气室包括一个长光程气室；第二光路由第二入光组件入射，经第二出光组件出射，形成一个短光程光路，因此，该光度计气室同时包括一个短光程气室，并且长光程光路和短光程光路可以分时交替测试，互不干扰。该光度计气室可用于测试浓度相差较大的混合气体中各个气体的浓度大小，其中长光程气室可用于测试浓度较低的气体，短光程气室可用于测试浓度较高的气体。
具体地，结合图3和图4，所述第一反射组件2中心具有第一通孔22；
所述第二反射组件3中心具有第二通孔32；
所述第一光源从所述第一通孔22入射进入所述气路管7中，并在所述第一反射面21和所述第二反射面31之间多次反射后经所述第二通孔32出射。实际应用中，可调节第一反射面21、第二反射面31的曲面半径及相对位置从而获得特定光程的光路。
具体地，如图1和图5所示，所述第二入光组件5中心具有第三通孔51；
所述第二光源从所述第三通孔51入射进入所述气路管7中，并经所述第二出光组件6出射。由此可见，第二光路没有经过多次反射，是短光程光路。
如图3所示，所述第一反射组件2中心还具有与所述第一通孔22相邻的第四通孔23，所述第四通孔23内安装有第一窗片24，所述第一窗片24为平面玻璃，并且所述第一窗片24设置于所述第四通孔23内且覆盖所述第一通孔22的孔口；
如图4所示，所述第二反射组件3中心还具有与所述第二通孔32相邻的第五通孔33，所述第五通孔33内安装有第二窗片34，所述第二窗片34为平面玻璃，并且所述第二窗片34设置于所述第五通孔33内且覆盖所述第二通孔32的孔口。
具体地，所述第一反射面21和第二反射面31均为曲面反射镜；所述第二入光组件5和所述第二出光组件6为平面透光镜。
如图5和图6所示，所述气路管7上开设有第六通孔73；
所述第二入光组件5位于所述第六通孔73中，并与所述第六通孔73密封连接；
所述气路管7上，开设有与所述第六通孔73相对的第七通孔74；
所述第二出光组件6位于所述第七通孔74中，并与所述第七通孔74密封连接。
如图1和图2所示，本申请第二种实施方式提供一种气体分析模块，包括第一种实施方式提供的光度计气室，还包括：
第一光源100，所述第一光源100与所述第一入光组件1连接；
第二光源200，所述第二光源200与所述气路管7连接；
第一气体检测探测器8，所述第一气体检测探测器8与所述第一出光组件4连接；
第二气体检测探测器9，所述第二气体检测探测器9与所述气路管7连接；
第一光源驱动电路板101，所述第一光源驱动电路板101与所述第一入光组件1连接；
第一探测器驱动电路板81，所述第一探测器驱动电路板81与所述第一出光组件4连接；
第二光源驱动电路板201，所述第二光源驱动电路板201与所述气路管7连接；
第二探测器驱动电路板91，所述第二探测器驱动电路板91与所述气路管7连接。
具体地，如图3至图6所示，所述第一入光组件1中心具有第一安装孔11，所述第一光源100设置在所述第一安装孔11内；
所述第一出光组件4中心具有第二安装孔41，所述第一气体检测探测器8设置于所述第二安装孔41内；
所述第二光源200设置于所述第六通孔73中，位于所述第二入光组件5外侧；
所述第二气体检测探测器9设置于所述第七通孔74中，位于所述第二出光组件6外侧。
具体的，如图4和图6所示，所述气体分析模块，还包括：
第一滤光片82，所述第一滤光片82设置于所述第一气体检测探测器8与所述第二反射组件3之间；
第二滤光片92，所述第二滤光片92设置于所述第二气体检测探测器9与所述第二出光组件6之间。具体地，第一滤光片82可以设置在第一气体检测探测器8的端面上，第二滤光片92可以设置在第二气体检测探测器9的端面上。
本申请第三种实施方式提供一种应用于检测CO2、CH4、N2O混合气体的气体分析模块，包括第二种实施方式提供的气体分析模块，所述第一气体检测探测器为CH4和N2O检测探测器，所述第一滤光片分别采用中心波长为3.3μm和4.5μm的窄带滤光片，所述第二气体检测探测器为CO2检测探测器，所述第二滤光片采用中心波长为4.26μm的窄带滤光片。对于CO2、CH4和N2O的混合气体，若其中CO2浓度较高，CH4和N2O的浓度较低，因为CO2、CH4和N2O均有明显的红外光谱特征吸收，因此可采用非分散红外，并且，采用本申请第一种实施方式提供的光度计气室，或第二种实施方式提供的气体分析模块，即可实现三种气体的检测。CH4和N2O采用长光程气室检测，即CH4和N2O通过第一气体检测探测器8检测，则第二滤光片分别采用中心波长为3.3μm和4.5μm的窄带滤光片，浓度较高的CO2通过短光程气室检测，即CO2通过第二气体检测探测器9检测，则第二滤光片采用中心波长为4.26μm的窄带滤光片。另外，如图7所示，由于N2O的主要吸收谱段会受到一氧化碳CO和CO2的干扰，如果不进行交叉干扰校正会产生较大的测量误差，因此，作为优选，所述第一气体检测探测器为CH4、N2O和CO检测探测器，则第二滤光片分别采用中心波长为3.3μm、4.5μm和4.74μm的窄带滤光片。需要注意的是，本描述采用的第一滤光片和第二滤光片仅仅是为了区分长光程光路和短光程光路所使用的的滤光片，第一滤光片和第二滤光片的型号并不限定只有一种，可以根据所要检测的气体进行选择。
本实施方式中，检测CO2的第二滤光片其中心波长为4.26μm，长波方向截止波长小于4.4μm，这样CO2的检测值不会受到N2O的干扰。检测CO采用的第一滤光片其中心波长为4.74μm，短波方向截止波长大于4.65μm，这样CO的检测不受N2O的影响。在实际应用时，通过CO2和CO的检测值来对N2O检测值进行修正。CO2和CO对N2O的干扰修正方法为：
(1)向光度计气室中通入已知浓度的N2O标准气体，建立N2O气体浓度CN2O与吸光度αN2O之间的关系式，假定两者为线性关系：
CN2O＝k1αN2O+b1 (1)，
其中k1和b1为线性关系参数；
(2)向光度计气室分别通入已知浓度的CO，建立CO吸光度αCO与N2O吸光度αN2O之间的关系式，假定均为线性关系：
αN2O-CO＝k2αCO+b2； (2)，
其中αN2O-CO表示CO产生的N2O吸光度，k2和b2为线性关系参数；
(3)向光度计气室分别通入已知浓度的CO2，建立CO2吸光度αCO2与N2O吸光度αN2O之间的关系式，假定均为线性关系：
αN2O-CO2＝k3αCO2+b3 (3)，
其中αN2O-CO2表示CO2产生的N2O吸光度；k3和b3为线性关系参数；
(4)向光度计气室同时通入含有N2O、CO、CO2的混合气体时，测得CO吸光度αCO测，代入式(2)，计算获得αN2O-CO，测得CO2吸光度αCO2测，代入式(3)，计算获得αN2O-CO2，测得N2O吸光度αN2O测，此时N2O的吸光度计算公式为：
αN2O＝αN2O测-αN2O-CO-αN2O-CO2 (4)
通过式(4)可计算得到N2O吸光度αN2O，再将吸光度代入式(1)即可求得N2O浓度。

Claims (10)

1.一种光度计气室，其特征在于，包括：
第一入光组件；第一光源从所述第一入光组件入射，形成第一光路；
第一反射组件，具有第一反射面，所述第一反射面设置于所述第一光路上；
第二反射组件，具有第二反射面，所述第二反射面设置于所述第一光路上，所述第一反射面和所述第二反射面相对设置；
第一出光组件，所述第一光路经所述第一出光组件出射；
第二入光组件；第二光源从所述第二入光组件入射，形成第二光路；所述第二光源入射方向和所述第一光源入射方向相互垂直；
第二出光组件，所述第二光路经所述第二出光组件出射；
气路组件，所述气路组件具有进气口和出气口，所述气路组件包括：
气路管，所述气路管第一端密封连接所述第一入光组件和所述第一反射组件；
所述气路管第二端密封连接所述第一出光组件和所述第二反射组件；
所述第二入光组件和所述第二出光组件设置于所述气路管上相对的位置。
2.根据权利要求1所述的光度计气室，其特征在于：
所述第一反射组件中心具有第一通孔；
所述第二反射组件中心具有第二通孔；
所述第一光源从所述第一通孔入射进入所述气路管中，并在所述第一反射面和所述第二反射面之间多次反射后经所述第二通孔出射。
3.根据权利要求2所述的光度计气室，其特征在于：
所述第二入光组件中心具有第三通孔；
所述第二光源从所述第三通孔入射进入所述气路管中，并经所述第二出光组件出射。
4.根据权利要求3所述的光度计气室，其特征在于：
所述第一反射组件中心还具有与所述第一通孔相邻的第四通孔，所述第四通孔内安装有第一窗片，所述第一窗片为平面玻璃，并且所述第一窗片设置于所述第四通孔内且覆盖所述第一通孔的孔口；
所述第二反射组件中心还具有与所述第二通孔相邻的第五通孔，所述第五通孔内安装有第二窗片，所述第二窗片为平面玻璃，并且所述第二窗片设置于所述第五通孔内且覆盖所述第二通孔的孔口。
5.根据权利要求1所述的光度计气室，其特征在于：
所述第一反射面和第二反射面均为曲面反射镜；所述所述第二入光组件和第二出光组件为平面透光镜。
6.根据权利要求4所述的光度计气室，其特征在于：
所述气路管上开设有第六通孔；
所述第二入光组件位于所述第六通孔中，并与所述第六通孔密封连接；
所述气路管上，开设有与所述第六通孔相对的第七通孔；
所述第二出光组件位于所述第七通孔中，并与所述第七通孔密封连接。
7.一种气体分析模块，其特征在于，包括如权利要求1-5任一项所述的光度计气室，还包括：
第一光源，所述第一光源与所述第一入光组件连接；
第二光源，所述第二光源与所述气路管连接；
第一气体检测探测器，所述第一气体检测探测器与所述第一出光组件连接；
第二气体检测探测器，所述第二气体检测探测器与所述气路管连接；
第一光源驱动电路板，所述第一光源驱动电路板与所述第一入光组件连接；
第一探测器驱动电路板，所述第一探测器驱动电路板与所述第一出光组件连接；
第二光源驱动电路板，所述第二光源驱动电路板与所述气路管连接；
第二探测器驱动电路板，所述第二探测器驱动电路板与所述气路管连接。
8.根据权利要求7所述的气体分析模块，其特征在于：
所述第一入光组件中心具有第一安装孔，所述第一光源设置在所述第一安装孔内；
所述第一出光组件中心具有第二安装孔，所述第一气体检测探测器设置于所述第二安装孔内；
所述气路管上开设有第六通孔；所述第二入光组件位于所述第六通孔中，并与所述第六通孔密封连接；所述第二光源设置于所述第六通孔中，位于所述第二入光组件外侧；
所述气路管上，开设有与所述第六通孔相对的第七通孔；所述第二出光组件位于所述第七通孔中，并与所述第七通孔密封连接；所述第二气体检测探测器设置于所述第七通孔中，位于所述第二出光组件外侧。
9.根据权利要求8所述的气体分析模块，其特征在于，还包括：
第一滤光片，所述第一滤光片设置于所述第一气体检测探测器与所述第二反射组件之间；
第二滤光片，所述第二滤光片设置于所述第二气体检测探测器与所述第二出光组件之间。
10.一种应用于检测CO2、CH4、N2O混合气体的气体分析模块，其特征在于，包括如权利要求9所述的气体分析模块，其特征在于，所述第一气体检测探测器为CH4和N2O检测探测器，所述第一滤光片分别采用中心波长为3.3μm和4.5μm的窄带滤光片，所述第二气体检测探测器为CO2检测探测器，所述第二滤光片采用中心波长为4.26μm的窄带滤光片。
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