CN116297285A - 一种红外多组分气体检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种红外多组分气体检测装置，包括气室腔；光源；分光件，对光源发射出的光分离形成第一检测光路和第二检测光路，第一检测光路和第二检测光路上的光均可被待测气体吸收；第一探测器，接收第一检测光路的光，第一探测器具有CO2测量通道和参考通道；第二探测器，接收第二检测光路的光，第二探测器具有HC、CO测量通道；以及处理器，用于将第一、第二探测器的光信号转化为电信号来确定多组分待测气浓度。本发明通过仅采用两个双通道探测器可以实现多组分气体浓度测量，与传统单一四通道探测器相比，不仅大大降低了探测器的封装难度，还能适配更细小的气室腔，使得气体测量响应速度更快，同时克服了测量不同气体气室腔长短不一的限制。
Description
技术领域
本发明涉及气体浓度检测设备技术领域，尤其涉及一种红外多组分气体检测装置。
背景技术
非分光红外(NDI R)测量技术是一种灵敏度高且稳定可靠的气体浓度测量方法，通过利用待测气体对红外辐射的选择性吸收以确定样品中目标气体的浓度。在烟气检测、机动车尾气排放及医疗肺功能应用领域中，对典型气体如CO2、CO及碳氢化合物HC的检测则十分必要。
常规的NDI R检测单元一般采用单光源和单探测器，当需要测量对多种气体组分时候，通常需要增加多套检测单元，这样导致整个检测装置所占体积翻倍，成本高昂，维护也较为复杂。为此，在专利文件JPH07318492A中，日本公司Hor iba公开了一种多通道探测器的红外气体分析仪，通过将一个参考通道和三个测量通道紧凑地设计在一个探测器上来检测CO、CO2及HC气体。尽管这种结构在一定程度上使得整个装置的体积变小，但在单探测器有限的空间内集成四通道，使得每个通道的FOV(视场角)设计较小，这会导致每个通道接收到的辐射能量变低，最终信噪比低。为改善这种情况，需对探测器的通道加工及封装工艺提出更严苛的要求，最终成本还是很高。
另外，由于在烟气检测、机动车尾气排放及医疗肺功能应用领域中，待测气中CO2的浓度往往比CO浓度高，两种气体需求量程不一样。特别是在尾气检测应用场景中，现有的机动车尾气已呈低排放的趋势，排放的CO、CO2浓度越来越低，其中，CO2气体的检测量程往往大于10％vo l，而CO气体的检测量程则低至ppm级，因而，CO2的气腔室需要更短，CO的气腔室需要更长，而上述结构中的单气腔室四通道探测器显然不能满足。此外，上述结构中CO2和CO的检测光程相同，CO2气体测量的吸收峰波长为偏峰波长(4.46±0.18μm)，这与CO气体测量的红外吸收峰存在重叠，当待测气体中CO2浓度很大时，会对CO检测有干扰，使得精度不够。
最后，以上分析仪装置如用于医疗呼吸检测场景中，单一探测器的四通道结构使得与之相配的气室横截面大，无法实现对CO、CO2及HC气体的毫秒级的快速响应。
综上，现有技术中的红外气体检测装置在应用于机动车尾气检测、烟气检测等场景中存在探测器加工及封装成本高、检测时CO2对CO干扰大的问题，而应用在医疗呼吸应用场景检测中，还会出现对CO2、CO及HC气体响应速度慢的问题。因此急需设计一款能实现快速响应、测量精度高、成本低的红外气体检测装置。
发明内容
有鉴于此，为了解决上述问题，本发明的实施例提供了一种能快速响应、测量精度高、成本低的红外气体检测装置。
本发明的实施例提供一种红外气体检测装置，包括：
气室腔，其供待测气体流过；
光源，其用于向所述气室腔发射光线；
分光件，其用于对所述光源发射出的光分离形成第一检测光路和第二检测光路，其中所述第一检测光路和所述第二检测光路上的光均可被待测气体吸收；
第一探测器，其用于接收所述第一检测光路的光，所述第一探测器具有CO2测量通道和参考通道；
第二探测器，其用于接收所述第二检测光路的光，所述的第二探测器具有HC测量通道和CO测量通道；
以及处理器，用于将所述第一、第二探测器的光信号转化为电信号来确定多组分待测气浓度。
进一步地，所述第一检测光路的光程小于所述第二检测光路的光程。
进一步地，所述第一探测器CO2测量通道的红外吸收峰波长为4.26μm，所述第二探测器CO测量通道的红外吸收波长为4.64μm。
进一步地，所述气室腔的外体为圆柱体或矩形体，所述的气室腔的内腔为圆柱管。
进一步地，所述的第一探测器靠近所述光源且位于所述气室腔的一侧，所述光源和所述第二探测器分别位于所述气室腔的两端。
进一步地，所述分光件为扩光结构，所述第一检测光路的光沿着所述分光件的扩光面方向到达所述的第一探测器，所述第二检测光路的光沿着所述分光件的轴线方向经所述的气室腔到达所述的第二探测器。
进一步地，所述的气室腔靠近所述光源的一端端口设有一开口，以供部分所述第一检测光路的光通过。
进一步地，所述分光件为反射结构，其用于将所述光源发射出的部分光反射至所述的第一探测器并形成所述的第一检测光路。
进一步地，所述光源发射出的部分未经所述反射结构的光沿着所述气室腔到达所述第二探测器形成所述的第二检测光路。
进一步地，所述第一探测器的入口端设有第一透明窗口镜；和/或，
所述第二探测器的入口端设有第二透明窗口镜；和/或，
所述光源的出口端设有第三透明窗口镜。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
1、本发明的一种红外多组分气体检测装置，通过设置分光件将测量光路一分为二，分别射入前方的第一探测器、后方的第二探测器来进行多组分气体浓度的测量，由于设置的第一检测光路光程比第二光路光程短，且第一探测器的CO2测量通道采用了4.26μm主峰，不仅能满足高量程的CO2气体测量和低量程的CO及HC气体测量要求，还减少了测量时CO2气体对CO气体的干扰，从而提高了检测精度。
2、本发明的一种红外多组分气体检测装置不仅简化了探测器的多通道集成工艺，降低了工艺成本，还减小了由于在探测器有限空间内集成多通道(3个及以上)而导致的测量信噪比低的问题。
3、本发明的一种红外多组分气体检测装置可以匹配更小截面的气室腔，提高了对CO2、CO及HC的响应速度。
4、本发明的一种红外多组分气体检测装置在测量HC和CO浓度时，可共用第一探测器的CO2参考通道，当外界环境因素(如光源偏移、老化或温度变化等)导致测量通道变化时，参考通道同步按照相应趋势变化，系统长期稳定性好，受环境因素的影响小。
附图说明
图1是本发明实施例1一种红外气体检测装置的原理图；
图2是本发明实施例1一种红外气体检测装置的爆炸图；
图3是本发明实施例1一种红外气体检测装置的剖视图；
图4是本发明实施例2一种红外气体检测装置的原理图；
图5是本发明实施例2一种红外气体检测装置的爆炸图；
图6是本发明实施例2一种红外气体检测装置的剖视图。
图中：1-光源、2-第一探测器、3-第二探测器、4-分光件、5-气室腔、6-第二透明窗口镜、7-第一透明窗口镜、8-第三透明窗口镜、9-分光座、10-第一安装座、11-第二安装座、12-开口、13-第二密封圈、14-第一密封圈、15-第四密封圈、16-进气口、17-进气接头、18-出气口、19-出气接头、20-第三密封圈。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。下面介绍的是本发明的多个可能实施例中的较优的一个，旨在提供对本发明的基本了解，但并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。
在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“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；可以是机械连接,也可以是电连接；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。
实施例1
请参考图1，本发明的实施例提供了一种红外多组分气体检测装置，包括光源1、分光件4、气室腔5、第一探测器2、第二探测器3、以及处理器。
其中，所述光源1为红外光源，所述光源1布置于所述气室腔5的一端，可朝向所述气室腔5另一端发射光线。
如图2和3所示，所述分光件4设置于所述光源1与所述气室腔5之间。具体的，本实施例中所述分光件4为扩光结构，该扩光结构具体为分光座9的锥形内腔，其内腔靠上方的内壁形成扩光面。所述分光件4一端连接所述光源1，使所述光源1发射出的光射入所述分光件4。
所述分光件4对所述光源1发射出的光分离形成第一检测光路和第二检测光路。具体的，所述气室腔5为圆柱管体，所述气室腔5设置于所述分光件4的轴线上，且一端连接所述分光座9并延伸至其内腔内。这样所述分光件4将射入的光一部分沿着所述分光件的扩光面运动形成所述第一检测光路，也就是所述第一检测光路沿着所述分光件4的锥面方向；另一部分光沿着所述分光件4的轴线方向继续运动形成所述第二检测光路。
所述的第一探测器2靠近所述光源1且位于所述气室腔5的一侧，这里所述第一探测器2设置于所述气室腔5的外侧，且连接所述分光座9并延伸至其内腔内。所述第一检测光路的光沿着所述分光件的扩光面方向到达所述的第一探测器2。
所述分光件4与所述气室腔5以及所述第一探测器2可以有多种安装连接方式。如图2所示，本实施例中，所述分光件4位于右侧的输出端连接有第一安装座10，且所述第一安装座10与所述分光座9之间设有密封件第一密封圈14。所述气室腔5一端贯穿所述第一安装座10并延伸至所述分光件4内，所述气室腔5外壁与所述第一安装座10的连接处设有密封件第二密封圈13。所述第一探测器2安装于所述第一安装座10上部且延伸至所述分光件4内。并且所述分光座9的上部设有进气口16、以及与所述进气口16连接的进气接头17，所述进气口16位于所述气室腔5端部至所述光源1之间。
优选的，所述气室腔5靠近所述光源1的一端的端部上侧壁设有开口12，以供部分所述第一检测光路的光通过，所述开口12可以让更多的光分离至所述第一检测光路，提高所述第一检测光路的光强。
所述第二检测光路的光沿着所述分光件4的轴线方向经所述的气室腔5到达所述的第二探测器3。所述第一检测光路的光经过待测气体时被待测气体吸收后由所述第一探测器2接收，所述第一探测器2具有CO2测量通道和参考通道，其中所述CO2测量通道内设有CO2窄带红外滤光片。进入所述第一探测器2内的光同时经过所述CO2测量通道和所述参考通道。
继续如图2和3所示，所述第二探测器3安装于所述气室腔5的另一端，安装方式可以有多种选择。如本实施例中，所述气室腔5的另一端连接第二安装座11一侧，所述气室腔5与所述第二安装座11之间设有密封件第三密封圈20。所述第二探测器3安装于所述第二安装座11的另一侧，所述第二探测器3与所述第二安装座11之间设有密封件第四密封圈15。所述气室腔5延伸至所述第二安装座11内并与所述第二探测器3连接。并且，所述第二安装座11的上部设有出气口18、以及与所述出气口18连接的出气接头19。
所述第二探测器3可接收所述第二检测光路的光，所述第二检测光路的光经过待测气体时被待测气体吸收后由所述第二探测器3接收，所述第二探测器3内设有CO窄带红外滤光片和HC窄带红外滤光片，使所述第二探测器3内部形成HC测量通道和CO测量通道。
优选的，所述第一探测器2的入口端设有第一透明窗口镜7，所述第二探测器3的入口端设有第二透明窗口镜6，所述光源1的出口端设有第三透明窗口镜8。这样，所述第一透明窗口镜7、所述第二透明窗口镜6和所述第三透明窗口镜8拆卸方便，便于所述气室腔5污染后进行清洗。并且所述第三透明窗口镜8还可以避免气体进入所述光源1，对所述光源1形成保护作用。
在进行测量时待测进气由所述进气口16进入所述分光座9内，并沿着所述气室腔5流动至所述第二安装座11内，再由所述出气口18流出。所述处理器将所述第一、第二探测器的光信号转化为电信号来确定多组分待测气浓度。这里根据朗伯-比尔吸收定律，利用气体对一定波长的红外光波有特定的吸收，可将其从混合气体中区分，吸收的强弱与气体浓度成正比，进而可以测量出CO2、HC和CO的气体浓度。具体测量原理为：
对CO2浓度的测量：所述第一探测器2接收所述第一检测光路的光，所述第一检测光路上的光在通过参考通道滤光片后进入所述参考通道时，所述第一探测器2测得一个参考信号；并且同时所述第一检测光路上的光被待测气体中的CO2气体吸收后通过所述CO2窄带红外滤光片并进入所述CO2测量通道，所述的CO2测量通道的吸收峰波长优选4.26μm，所述第一探测器2测得一个CO2浓度信号。根据朗伯-比尔吸收定律所述处理器对比CO2浓度信号和参考信号，得出待测气体吸收的红外光能量，由于测量气室长度一定，被测气体吸收的红外光能量与被测气体浓度成对应关系，从而得出CO2的浓度。
对于HC和CO的气体浓度测量：所述第二探测器3接收所述第二检测光路的光，所述第二检测光路上的光被待测气体中的CO气体吸收后、通过CO窄带红外滤光片进入所述CO测量通道，所述第二探测器3测得一个CO浓度信号，所述的CO吸收峰波长为4.6μm，所述处理器对比CO浓度信号和CO2参考通道的参考信号，从而得出CO的浓度；同时所述第二检测光路上的光被待测气体中的HC气体吸收后、通过HC窄带红外滤光片进入所述HC测量通道，所述第二探测器3测得一个HC浓度信号，所述处理器对比HC浓度信号和CO2参考通道的参考信号，从而得出HC的浓度。
在整个检测过程中，由于设置的第一检测光路光程比第二光路光程短，且第一探测器的CO2测量通道和第二探测器CO测量通道的吸收峰波长分别为4.26μm和4.64μm，不仅减少了测量时CO2对CO之间的干扰，而且在还具体的应用场景中(如尾气检测时)，CO2气体的测量量程为15％vo l，CO及HC气体测量量程为1000ppm。
其次，由于该装置的探测器只容纳了CO、HC的两个测量通道，一是大大地降低了通道加工及封装工艺难度，二是相比于多通道(3通道及以上)，双通道设计使得每个通道接收到的辐射能量更充分，测量效果好。同时，由于双通道探测器可以适配截面更小的气室腔，在应用于医疗呼吸场景中，可以实现对检测气的毫秒级的快速响应。
最后，当外界环境因素(如光源偏移、老化或温度变化等)导致CO2、CO及HC气体的测量通道发生变化时，共用的CO2参考通道同步按照相应趋势变化，保证了测量结果的稳定。
实施例2
请参考图4，本发明的实施例提供了一种红外气体检测装置，包括光源1、分光件4、气室腔5、第一探测器2、以及第二探测器3。其中所述光源1、所述第一探测器2、以及第二探测器3均与实施例1中的相同。与实施例1相比，本实施例的区别仅仅在于所述分光件4及其布置方式。
如图5和6所示，所述气室腔5为矩形管体，所述光源1和所述第二探测器3分别安装于所述气室腔5的两端。所述光源1沿着所述气室腔5长度方向发射水平的光束。所述第一探测器2安装于所述气室腔5靠近所述光源1一端的侧面。
所述分光件4为反射结构，所述反射结构接收所述光源1发射出的部分光并将该部分光反射至预定方向，运动至所述的第一探测器2，进而形成第一检测光路；未被所述反射结构反射的光仍然沿着沿着所述气室腔5轴向运动至所述第二探测器3，形成第二检测光路。本实施例中，所述反射结构为反光镜，所述反射镜设置于所述气室腔5的内部，位于所述第一探测器2的下方。优选的，所述反光镜与水平方向成45°倾角设置，可将所述光源1发射出的部分光产生90°偏转，反射至竖直方向，射入所述第一探测器2。
CO2浓度的测量、以及HC和CO的气体浓度的测量原理与实施例1中完全相同，这里就再做重复说明。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解的是，它们是相对的概念，可以根据使用、放置的不同方式而相应地变化，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (10)
1.一种红外多组分气体检测装置，其特征在于，包括：
气室腔，其供待测气体流过；
光源，其用于向所述气室腔发射光线；
分光件，其用于对所述光源发射出的光分离形成第一检测光路和第二检测光路，其中所述第一检测光路和所述第二检测光路上的光均可被待测气体吸收；
第一探测器，其用于接收所述第一检测光路的光，所述第一探测器具有CO2测量通道和参考通道；
第二探测器，其用于接收所述第二检测光路的光，所述的第二探测器具有HC测量通道和CO测量通道；
以及处理器，用于将所述第一、第二探测器的光信号转化为电信号来确定多组分待测气浓度。
2.如权利要求1所述的一种红外多组分气体检测装置，其特征在于：所述第一检测光路的光程小于所述第二检测光路的光程。
3.如权利要求1所述的一种红外多组分气体检测装置，其特征在于：所述第一探测器CO2测量通道的红外吸收峰波长为4.26μm，所述第二探测器CO测量通道的红外吸收波长为4.64μm。
4.如权利要求1所述的一种红外多组分气体检测装置，其特征在于：所述气室腔的外体为圆柱体或矩形体。
5.如权利要求4所述的一种红外多组分气体检测装置，其特征在于：所述的第一探测器靠近所述光源且位于所述气室腔的一侧，所述光源和所述第二探测器分别位于所述气室腔的两端。
6.如权利要求1所述的一种红外多组分气体检测装置，其特征在于：所述分光件为扩光结构，所述第一检测光路的光沿着所述分光件的扩光面方向到达所述的第一探测器，所述第二检测光路的光沿着所述分光件的轴线方向经所述的气室腔到达所述的第二探测器。
7.如权利要求6所述的一种红外多组分气体检测装置，其特征在于：所述的气室腔靠近所述光源的一端端口设有一开口，以供部分所述第一检测光路的光通过。
8.如权利要求1所述的一种红外多组分气体检测装置，其特征在于：所述分光件为反射结构，其用于将所述光源发射出的部分光反射至所述的第一探测器并形成所述的第一检测光路。
9.如权利要求8所述的一种红外多组分气体检测装置，其特征在于：所述光源发射出的部分未经所述反射结构的光沿着所述气室腔到达所述第二探测器形成所述的第二检测光路。
10.如权利要求1所述的一种红外多组分气体检测装置，其特征在于：所述第一探测器的入口端设有第一透明窗口镜；和/或，
所述第二探测器的入口端设有第二透明窗口镜；和/或，
所述光源的出口端设有第三透明窗口镜。
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| CN202211515856.3A CN116297285A (zh) | 2022-11-29 | 2022-11-29 | 一种红外多组分气体检测装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211515856.3A CN116297285A (zh) | 2022-11-29 | 2022-11-29 | 一种红外多组分气体检测装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116297285A true CN116297285A (zh) | 2023-06-23 |
Family
ID=86826355
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211515856.3A Pending CN116297285A (zh) | 2022-11-29 | 2022-11-29 | 一种红外多组分气体检测装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116297285A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117571647A (zh) * | 2023-12-14 | 2024-02-20 | 深圳市诺安智能股份有限公司 | 一种基于波分复用的多通道气体传感器及气体检测方法 |
-
2022
- 2022-11-29 CN CN202211515856.3A patent/CN116297285A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117571647A (zh) * | 2023-12-14 | 2024-02-20 | 深圳市诺安智能股份有限公司 | 一种基于波分复用的多通道气体传感器及气体检测方法 |
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