CN201262612Y - 一种超高稳定性红外气体分析仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超高稳定性红外气体分析仪，包括辅助气室、光源、反射镜、切光片、滤光片、测量气室、聚光体、红外探测器、前置放大器，两块反射镜分别设置在光源两侧，光源经反射镜反射形成两股平行光路，两组切光片和滤光片分别设在两股平行光路上，在两个滤光片后的光路上分别设置辅助气室和测量气室，测量气室两侧分别设有气体入口和气体出口，两个聚光体设在两股平行光路的末端，光线经聚光体反射后进入红外探测器，前置放大器连接红外探测器用于放大红外探测器的输出电压。本实用新型创造了闭环红外分析工作原理，从原理上完全克服了红外分析仪可能存在的三种漂移误差，从根本上消除了造成误差的全部因素。

Description

一种超高稳定性红外气体分析仪

一、技术领域：

本实用新型涉及一种在线气体分析仪，具体为一种超高稳定性红外气体分析仪。

二、背景技术：

红外气体分析仪可以分析工业生产过程混合气体中的CO、CO₂、CH₄、SO₂、NO、C₂H₂等气体的浓度。由于它分析准确，受背景干扰少，反应快，分析品种多，性能稳定、可靠。目前已成为过程气体分析仪中应用最广泛、使用量最大的重要分析仪器。但由于其属光、机、电一体化的高科技精密仪器，其设计、制造技术含量很高，我国80％以上靠进口。国产仪器由于稳定性差、分析精度低、智能化功能少，无法与进口仪器竞争。近年来虽在固态检测器红外仪研制上已达到国际先进水平，但在光路原理上仍局限于单光路负滤波原理或双光路正滤波原理，这两原理都不能同时具有高稳定性和高灵敏度，因此只能制造低端产品。为满足国内市场对高端产品需求量的不断扩大，填补国内工业自动化分析仪器的空白，只有寻求新的红外分析原理，研发出具有自主知识产权，又适合国情的高精红外分析仪，才能在稳定性方面有大的突破，走创新之路，才能赶超国际先进水平。

三、实用新型内容：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种高稳定性和高灵敏度的红外气体分析仪。

本实用新型所述的一种超高稳定性红外气体分析仪，包括辅助气室、光源、反射镜、切光片、滤光片、测量气室、聚光体、红外探测器、前置放大器，两块反射镜分别设置在光源两侧，光源经反射镜反射形成两股平行光路，两组切光片和滤光片分别设在两股平行光路上，在两个滤光片后的光路上分别设置辅助气室和测量气室，测量气室两侧分别设有气体入口和气体出口，两个聚光体设在两股平行光路的末端，光线经聚光体反射后进入红外探测器，前置放大器连接红外探测器用于放大红外探测器的输出电压。

上述切光片上安装参比波长滤光片和测量波长滤光片，切光片每转一周，前置放大器分别输出测量光路M的测量波长信号V_M测和参比波长信号V_M参，同时在辅助光路A上测得V_A测和V_A参四个信号，成份量信息E＝K(A-V_M测·V_A参/V_M参·V_A测)。本实用新型虽增设了辅助光路，但仍是单光路分析，测量与参比信号均在M光路上进行，所以没有几何误差。其既具有可取得测量信号和参比信号的测量气室和另增加辅助气室，辅助气室的作用是取出分谱误差信号(V_A参/V_A测)而进行自动检测修正，可以消除整机分谱误差。

本实用新型采用V测/V参的比值信号代表成份浓度变量，尽管存在光能量变化，前置放大增益漂移、探测器灵敏度改变等共模变化，但_V测/_V参的比值不变，其次是红外探测器不需充气无漏气影响，又采用全数字信号处理，没有电路漂移，完全消除了传递误差。

本实用新型的创新点是发明了闭环红外分析工作原理，从理论上建立了误差闭环动态修正数学模型和曲线校正非线性数学模型，首次把仪器及环境看成是一个系统，以系统信息误差的观点，从这一新的角度认识和分析漂移，只要保证全部系统漂移误差能消除，而不管是何种物理因素变化引起的信号变化，只要求保证仪器系统输出的成份信息稳定，从而创新提出在系统信息性质上区分只有几何误差、分谱误差和传递误差这三种信息误差。若所有信息误差能全部消除，仪器这个信息系统就可以稳定。

①几何误差——由光路几何空间引起光能量信号不对称变化的误差。

②分谱误差——由于不同波长的红外光引起能量不对称变化的误差。

③传递误差——由光能量通过各种信号变换直至输出成份信号的传递过程中产生的误差。

本实用新型采用单光路分析，在同一光路上虽有光源、气室污染等多种物理变化，但其_V测/_V参的比值不变，故没有几何误差。增加了误差自动检测的辅助气室，用辅助光路修正了分谱误差，另外采用软件修正环境温度、压力变化误差，固态红外探测器不需要充气，也无漏气影响，又采用全数字化处理措施，没有电路漂移，克服了传递误差，从原理上完全克服了红外分析仪可能存在的三种漂移误差，从根本上消除了造成误差的全部因素，稳定性指标达到了小于1％FS/7d。由于每2h自动修正误差一次，保证了全年误差仍小于1％，从而实现了红外分析仪的超高稳定性，大大提高了红外分析仪的分析精度和可靠性。

四、附图说明：

图1是红外分析仪闭环工作原理图。

图2是切光片的结构示意图。

图3是切光片每转一周的输出信号。

五、具体实施方式：

如图1所示，仪器光路部分由红外光源2、反射镜3、电机驱动旋转的切光片4、滤光片5、测量气室6、辅助气室1、聚光体7、固态红外探测器8和前置放大器9组成。

如图2所示，切光片4上安装参比波长滤光片和测量波长滤光片5，切光片每转一周，前置放大器分别输出测量光路M上的测量波长信号V_M测和参比波长信号V_M参，同时在辅助光路A上测得V_A测和V_A参四个信号(图3)，成份量信息E＝K(A-V_M测·V_A参/V_M参·V_A测)。

其中，K、A分别为量程调整系数和零位调整系数。原理上A值等于1，K值随量程不同而不同。虽特殊设置了辅助光路A，而仍是单光路分析，即测量与参比信号均在M光路上进行，辅助光路的作用仅是取出分谱误差信号(V_A参/V_A测)，在分谱误差不变时，此信号为常数，不参与分析信息(V_M测/V_M参)变化。当分谱误差变化时，分谱误差值(V_A参/V_{A 测})参与自动修正以动态克服分谱误差，影响分谱误差的因素是：光源发射光谱，滤光片透光率和中心波长，固态探测器的频率响应曲线等因素变化，由于测量光路M和辅助光路A均使用相同的光源、相同的波光片、相同的固态探测器，故A光路的分谱误差值与M光路分谱误差值相同，可以用(V_A参/V_A测)比值信号代表分谱误差信号修正(V_M参/V_M测)的变化误差。从上分析看出，测量光路仍是单光路，所以没有几何误差。测量气室和辅助气室同处一个几何空间，探测器使用全波段平坦响应的钽酸锂热释电型探测器，另外光源、滤光片、探测器、光路窗口折射器件采用共模设计，用A光路分谱误差，动态修正测量光路M的分谱误差，可以消除整机分谱误差。本设计采用V_测/V_参的比值信号代表成份浓度变量，只要分子分母因素同比例变化，均可消除其影响，则光能量的共模变化虽存在，但比值不变这种运算模型是克服漂移误差的重要措施。另外光能量电信号串行传递，则前置放大器增益漂移、探测器灵敏度变化，也是共模变化通过比值运算后也不受影响。仪器采用全数字化处理措施，没有电路漂移。光路上探测器不需充气，也无漏气因素，使传递误差得以消除。

通过以上实施方式的分析，本实用新型从原理上完全克服了红外气体分析仪可能存在的三种漂移误差，而不需特别的高稳定性的零件，也不需恒温等硬件措施就可实现仪器的整机超高稳定性，解决了光折射影响及单光源工艺难题，大大节约了成本，达到了节能降耗、降低污染，提高分析精度和可靠性之目的。

Claims (2)

1、一种超高稳定性红外气体分析仪，其特征是：包括辅助气室(1)、光源(2)、反射镜(3)、切光片(4)、滤光片(5)、测量气室(6)、聚光体(7)、红外探测器(8)、前置放大器(9)，两块反射镜(3)分别设置在光源(2)两侧，光源(2)经反射镜(3)反射形成两股平行光路，两组切光片(4)和滤光片(5)分别设在两股平行光路上，在两个滤光片(5)后的光路上分别设置辅助气室(1)和测量气室(6)，测量气室(6)两侧分别设有气体入口和气体出口，两个聚光体(7)设在两股平行光路的末端，光线经聚光体(7)反射后进入红外探测器(8)，前置放大器(9)连接红外探测器(8)用于放大红外探测器(8)的输出电压。

2、根据权利要求1所述的超高稳定性红外气体分析仪，其特征是：切光片(4)上安装参比波长滤光片和测量波长滤光片(5)，切光片每转一周，前置放大器分别输出测量光路M的测量波长信号V_M测和参比波长信号V_M参，同时在辅助光路A上测得V_A测和V_A参四个信号，成份量信息E＝K(A-V_M测·V_A参/V_M参·V_A测)。

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