CN1621809A

CN1621809A - 负滤光多组份红外分析仪的滤光轮组件

Info

Publication number: CN1621809A
Application number: CN 200310108798
Authority: CN
Inventors: 杨灿谦; 刘大平
Original assignee: Shanghai Research Institute of Chemical Industry SRICI
Current assignee: Shanghai Research Institute of Chemical Industry SRICI
Priority date: 2003-11-24
Filing date: 2003-11-24
Publication date: 2005-06-01
Anticipated expiration: 2023-11-24
Also published as: CN100346153C

Abstract

本发明公开了一种负滤光多组份红外分析仪的滤光轮组件，包括滤光轮、同步马达，滤光轮为一金属圆盘，其上的分析气室和参比气室按S1、S2、R1、R2的排列顺序以逆时针方同排列设置，同步马达直接通过联轴器驱动滤光轮；将同步马达转速设置为1500转/分，滤光轮转动角频率保持与交流电网的角频率的1/2同步，因而可以从根本上完全消除工频率信号的干扰，也消除了齿轮传动噪声大、易损坏、寿命短的缺点。同时，滤光轮轮边沿开设一条径向窄槽作为同步槽，使得滤光轮的加工更加方便容易，解决了多年来一直未曾解决的问题。

Description

负滤光多组份红外分析仪的滤光轮组件

技术领域

本发明涉及红外分析仪器，尤其涉及一种负滤光多组份红外分析仪的滤光轮组件，该滤光轮组件在光路中完成光调制，

背景技术

基于负滤光原理的微量CO、CO₂双组份红外分析仪，由于其价格低廉，易于制造，二十多年来，在我国小氮肥行业中得到广泛应用，成为生产中不可缺少的仪表，

该分析仪基于CO、CO₂对特定波长的红外光具有吸收作用的基本原理。CO₂在波长4.65μm处，CO在波长4.3μm处有强烈吸收带，其吸收强度与待测组份浓度有关。负滤光红外分析仪为红外分析仪的一种，目前国内生产的负滤光CO、CO₂双组份分析仪典型结构见图1。它包括红外光源8、9；滤光轮组件10，光源干涉滤光片11、12，抗干扰气室13、14；工作气室15、16；锥形红外光收集器17、18；锑化铟红外传感器19、20；光电耦合器21、22；同步信号发生器23、24；电子处理电路25、26。上半部分为CO通路，下半部分为CO₂通路。滤光轮组件10为一关键部件，请参见图2，滤光轮组件10包括滤光轮101、同步马达102、减速齿轮103，滤光轮101由同步马达102经齿轮103耦合减速传动。滤光轮101结构参见图3，在一个金属圆盘上，安装有四个气室，为圆形筒，轴向两端以氟化钙晶片密封，让红外光轴向通过。S₁、S₂为分析气室27，R₁、R₂为参比气室28，其几何结构完全相同。分析气室27内充入N₂，它对红外光无吸收作用。参比气室28内充入一定比例混合的CO、CO₂气体。

滤光轮101以顺时针方向旋转，分析气室与参比气室将轮流进入光路系统。由红外光源8、9发出的红外光，受到滤光轮组件10进行光调制后，通过窄通带光学干涉滤光片11、12。滤光片11、12通带的中心波长分别与CO、CO₂吸收峰的波长一致，使得红外光源8、9发射的红外光谱中待测组份特征峰附近的红外光才能通过工作气室，从而提高仪表的选择性。红外光通过滤光片之后，进入两个密封的抗干扰气室13、14。CO通道的抗干扰气室13充以CO₂气体，而CO₂通路的抗干扰气室14充以CO气体，以消除其它组份对被测组份的干扰。然后，红外光通过工作气室15、16；在工作气室内，红外光受到被测组份吸收，吸收强度与被测组份浓度有关。余下的红外光经过一个锥形结构的红外光收集器17、18，把红外光聚集到锑化铟红外传感器19、20上。锑化铟红外传感器通过恒定的直流电流，其输出端交流电压耦合到电子处理电路25、26。

由于从红外光源发出的红外光受到滤光轮101的调制，锑化铟红外传感器得到的波形如图4a-d所示。

滤光轮每转一圈，得到按S₁-R₁-S₂-R₂顺序排列的四个峰。当参比气室R₁和R₂进入光路时，来自光源的红外光谱中波长与被测气体吸收波长接近的光己几乎被参比气室全部吸收掉，工作气室中的被测气体不再起吸收作用，形成比较矮的两个峰(以R1、R2表示)，其峰高度与面积与被测气体浓度无关。当滤光轮上的分析气室进入光路时，由于滤光轮上的分析气室充的是氮气，对光路的红外光无吸收作用，光路中的红外光的吸收情况取决于工作气室中被测组份的浓度，形成两个较高的峰S1、S2。该峰的高度与面积随被测气体浓度增加而减少。锑化铟红外检测器的输出信号经电子处理电路放大，同步分离，积分、运算、线性处理等一系列步骤得到一个随被测组份浓度比例变化的直流电压(或电流)输出。

滤光轮101的切光盘上的两个弧形同步槽29、30用来产生同步信号，用来对锑化铟红外检测器输出峰实现同步分离。两条同步槽29、30对应于两个分析气室的两个90°几何角度区域，当同步槽29、30光电耦合器21、22的光路时，光电耦合器产生输出，使同步信号发生器23、24输出高电平。

锑化铟红外传感器输出的交流信号很小，只有1mV左右，变化量为微量级，受到工频干扰很大。在传统设计中，为了避免工频干扰，滤光轮转速设计成与25转/秒错开一定值，即信号频率与工频有些偏差。为此滤光轮的同步驱动马达与滤光轮之间采用了齿轮传动。同步马达转速选定为3000rpm，经过两个齿数分别为66和29的齿轮降速，使滤光轮的转速为1318rpm。信号波形重复频率为43.9Hz，周期为23.15ms与工频50Hz错开。

传统设计的滤光轮组件有以下三个缺陷：

1.信号频率与工频错开的设计并不能减少工频干扰的影响，因为它引进了频率为50-43.9＝6.1Hz的拍频干扰。由于它频率很低，不能用滤波器消除。

2.齿轮传动噪声大、易损坏、寿命短、有油污。

3.圆弧形同步槽加工困难。

多年来上述问题一直得不到解决。

发明内容

本发明的目的是针对上述滤光轮组件存在的缺陷，提出一种负滤光多组份红外分析仪的滤光轮组件，以能在根本上解决抗工频干扰问题和同步槽加工困难问题。

为了完成上述目的，本发明采用如下技术方案

该负滤光多组份红外分析仪的滤光轮组件包括滤光轮、同步马达，滤光轮为一金属圆盘，金属圆盘上设置有四个对称分布的圆筒形气室，其中二个为分析气室S1、S2，二个为参比气室R1、R2，四个气室S1、S2、R1、R2轴向两端以氟化钙晶片密封，所述的分析气室和参比气室按S1、S2、R1、R2的排列顺序以逆时针方同排列设置。

所述的同步马达直接通过联轴器驱动滤光轮。

所述的同步马达转速设置为1500转/分。

所述的滤光轮以顺时针方向旋转，其转动角频率保持与交流电网的角频率的1/2同步。

所述的滤光轮轮边沿开设一条径向窄槽作为同步槽。

所述滤光轮上的径向窄槽的起始边沿与水平方向的夹角为45°。

在上述技术方案中，与传统滤光轮组件不同，本发明将金属圆盘上的分析气室和参比气室按S1、S2、R1、R2的排列顺序以逆时针方同排列设置，同步马达直接通过联轴器驱动滤光轮；将同步马达转速设置为1500转/分，滤光轮转动角频率保持与交流电网的角频率的1/2同步，因而可以从根本上完全消除工频率信号的干扰，也消除了齿轮传动噪声大、易损坏、寿命短的缺点。同时，滤光轮轮边沿开设一条径向窄槽作为同步槽，使得滤光轮的加工更加方便容易，解决了多年来一直未曾解决的问题。

附图说明

图1是传统负滤光多组份红外分析仪原理示意图。

图2是传统负滤光多组份红外分析仪滤光轮组件结构示意图。

图3是图2所示滤光轮气室分布示意图。

图4是传统负滤光多组份红外分析仪锑化铟传感器CO通路信号波形示意图，其中，图4a为锑化铟检测器输出信号波形；

图4b为同步信号波形；

图4c为同步分离后分析通道波形；

图4d为同步分离后参考通道波形。

图5为本发明负滤光多组份红外分析仪的滤光轮组件结构示意图。

图6为图5所示滤光轮气室分布示意图。

图7为本发明负滤光多组份红外分析仪CO通路信号波形示意图，其中

图7a为锑化铟红外检测器输出信号波形；

图7b为同步信号波形；

图7c为同步分离后分析通道波形；

图7d为同步分离后参考通道波形。

图8为本发明负滤光多组份红外分析仪锑化烟传感器CO通路在受到工频干扰后各信号波形，其中，

图8a为无工频干扰时的锑化铟检测器输出信号波形；

图8b为同步信号波形；

图8c为干扰信号波形；

图8d为受工频干扰后锑化铟检测器输出信号波形；

图8e为同步分离后分析通道信号波形；

图8f为同步分离后参考通道信号波形。

图9为光电耦合器在红外分析仪座底上安装示意图。

图10为应用本发明的滤光轮组件后，同步信号发生原理示意图。

图11为图10所产生的同步信号波形示意图。

具体实施方式

请结合图5、图6所示，该负滤光多组份红外分析仪的滤光轮组件10′包括滤光轮101′、同步马达102′，滤光轮101′为一金属圆盘，金属圆盘上设置有四个对称分布的圆筒形气室S1、S2、R1、R2，其中二个为分析气室S1、S2，二个为参比气室R1、R2，四个气室S1、S2、R1、R2轴向两端以氟化钙晶片密封，所述的分析气室和参比气室按S1、S2、R1、R2的排列顺序以逆时针方同排列设置。

所述的同步马达102′直接通过联轴器104驱动滤光轮101′，同步马达102′转速设置为1500转/分。

所述的滤光轮101′以顺时针方向旋转，其转动角频率保持与交流电网的角频率的1/2同步。

所述的滤光轮101′轮边沿开设一条径向窄槽105作为同步槽，径向窄槽105的起始边沿与水平方向的夹角为45°。

分析仪中的锑化铟红外检测器输出信号波形图(下面说明都以CO通路为例)见图7a，信号峰按S1-S2-R1-R2顺序出现。该信号经电子处理电路交流放大，自动增益控制，直流电平恢复后，然后进行同步分离。同步信号见图7b，经同步分离后得到的分析通道波形如图7c，经同步分离后的参考通道波形为图7d，将波形7c和波形7d分别进行积分处理，分别计算出分析通道和参考通道波形面积对时间的平均值V_S和V_R，再把V_S和V_R进行运算即得到两个被分析组份的输出。假定存在工频干扰，这时的信号波形如图8，图8a为锑化铟检测器输出信号波形，图8b为同步信号，图8c为干扰信号，图8d为受干扰后的信号波形，同步分离后的分析通道和参考通道波形为图8e、图8f。从图8很容易看出由于信号波形与工频干扰完全同步，而在一个工频周期内，交流干扰信号的积分总是零，因此图8e和图8f的积分和未受工频噪声信号影响，组份输出信号不变。

参见图9，在红外分析仪底座31垂直中心轴上对称安装了两个光电耦合器21，22，它与工作气室15、16的几何关系也参见图9，滤光轮101′边沿嵌入光电耦合器21、22的光路中(参见图10)，滤光轮101’上同步槽105前沿与水平轴成45°夹角(见图6)，当同步槽105分别进入光电耦合器21、22的光路时，光电耦合器21、22发光二极管侧发出的光穿过同步槽105’，照射到光敏晶体管上，产生光电流脉冲。两个光电耦合器21、22的输出端分别与一个RS触发器34的R、S输入端相连，使该触发器34轮流翻转，产生一个方波输出。

参见图11，图11a是锑化铟检测器的输出信号波形。在S1峰刚出现时，正好同步槽前沿进入上方的光电耦合器21输出一个正脉冲(参见图11b)使RS触发器置“1”。滤光轮101’转动半圈后，正好是R1峰刚出现的时刻，同步槽进入下方光电耦合器22，它产生一个光电流脉冲(参见图11c)，复位RS触发器，其输出为“0”电平。图11d为同步波形图，其周期为40ms。

在工艺制作上，本发明的滤光轮105′由铝合金材料加工而成，主体部分外径为90mm，边沿部分外径为108mm，四个圆筒形气室的外径为25mm。壁厚为2.5mm，故透光部分直径为20mm。它由铜材料加工而成，内壁抛光到0.8(表面粗糙度)并镀金处理，气室两端以氟化钙晶片密封，以让红外光透过，其中两个分析气室S1、S2充以高纯氮气后密封，两个参比气室充以CO+CO₂，然后密封。四个气室以S1、S2、R1、R2顺序(以同步槽参考点开始，逆时针方向)安装。滤光轮的轴经一个柔性连轴器(该连轴器在另一份专利申请中)与同步驱动马达相连。其转速为1500转/分。滤光轮上同步槽宽2mm，长5mm。

本发明的滤光轮组件从原理上根本解决了负滤光轮工频干扰的问题，滤光轮可由同步马达直接驱动，免除了传统的齿轮传动噪声大、易损坏、寿命短、有油污等缺点；而且同步槽结构简单，加工容易，解决了多年来一直未曾解决的问题。

Claims

1、一种负滤光多组份红外分析仪的滤光轮组件，该滤光轮组件包括滤光轮、同步马达，滤光轮为一金属圆盘，金属圆盘上设置有四个对称分布的圆筒形气室，其中二个为分析气室S₁、S₂，二个为参比气室R₁、R₂，四个气室S₁、S₂、R₁、R₂轴向两端以氟化钙晶片密封，其特征在于：所述的分析气室和参比气室按S₁、S₂、R₁、R₂的排列顺序以逆时针方同排列设置。

2、如权利要求1所述的负滤光多组份红外分析仪的滤光轮组件，其特征在于：所述的同步马达直接通过联轴器驱动滤光轮。

3、如权利要求2所述的负滤光多组份红外分析仪的滤光轮组件，其特征在于：所述的同步马达转速设置为1500转/分。

4、如权利要求3所述的负滤光多组份红外分析仪的滤光轮组件，其特征在于：所述的滤光轮以顺时针方向旋转，其转动角频率保持与交流电网的角频率的1/2同步。

5、如权利要求1或2或4所述的负滤光多组份红外分析仪的滤光轮组件，其特征在于：所述的滤光轮轮边沿开设一条径向窄槽作为同步槽。

6、如权利要求5所述的负滤光多组份红外分析仪的滤光轮组件，其特征在于：所述滤光轮上的径向窄槽的起始边沿与水平方向的夹角为45°。