CN201331493Y - 一种红外气体分析仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种红外气体分析仪，它包括：设置在一机箱内的多个采样气嘴和与其对应连接的多个电磁阀；各电磁阀并联连接在一光学检测单元的进气端，一抽气泵连接在光学检测单元的出气端；光学检测单元电连接有一信号处理单元；抽气泵和各电磁阀电连接有一控制单元；光学检测单元、信号处理单元和控制单元电连接有一电源；信号处理单元包括串接的一前置放大器、一主放大器、一AGC控制单元、一峰值检波器、一采样保持器、一减法器及校正网络、一数据处理单元和一通讯单元；一脉冲放大器和一逻辑电路连接后，并联在峰值检波器上。本实用新型测量精度高，体积小，可以广泛应用在不同中浓度气体的检测分析中。

Description

一种红外气体分析仪

技术领域

本实用新型涉及一种气体检测仪器，特别是关于一种红外气体分析仪。

背景技术

目前，红外线分析仪已经广泛应用在工业、农业、国防、医疗卫生、环境保护、航空航天等领域。红外线分析仪中采用的气室主要包括直通式气室和多次反射式气室两类，其中直通式气室结构简单、气室容积小、反应速度快，是工业中高浓度气体分析常用的方法。但是，直通式气室受标准机箱大小规格的限制，使其光程不超过200mm，因此采用直通式气室的红外线分析仪仅限于高浓度气体的测量。多次反射气室的特点是在有限的空间内，利用多次反射的原理增大光程，从而增加光学深度，但是由于气室结构的原因，现有的多次反射式气室的光程至少为800mm，因此采用现有的多次反射气室的红外线分析仪仅适合于微量气体的分析测量，例如大气中某些微量有害气体的分析测量。也就是说采用传统气室的红外线分析仪无法得到范围为200mm～800mm的光程，从而无法对中浓度气体进行测量分析。而且，目前使用的红外气体分析仪多采用开放式的气室，其只能对自由扩散到该仪器内的气体进行检测，从而导致仪器检测速度慢。特别是距离分析仪比较远的气体有些往往检测不到，从而影响了气体浓度值测量的准确性。

发明内容

针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种浓度测量范围宽，整体密封式，并且可以进行主动、多路采样测量的红外气体分析仪。

为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：一种红外气体分析仪，其特征在于包括：设置在一机箱内的多个采样气嘴和与其对应连接的多个电磁阀；各所述电磁阀并联连接在一光学检测单元的进气端，一抽气泵连接在所述光学检测单元的出气端；所述光学检测单元电连接有一信号处理单元；所述抽气泵和各所述电磁阀电连接有一控制单元；所述光学检测单元、信号处理单元和控制单元电连接有一电源；其中，所述光学检测单元包括一光源，依次设置在所述光源光路上的一切光器、一气体相关轮、一多次反射气室、一滤光片和一红外探测器；所述信号处理单元包括两电路，其中一所述电路包括串接的一前置放大器、一主放大器、一AGC控制单元、一峰值检波器、一采样保持器、一减法器及校正网络、一数据处理单元和一通讯单元；另一所述电路为一脉冲放大器和一逻辑电路连接后，并联在所述峰值检波器上；所述数据处理单元包括一单片机，该单片机内预置有一计算红外气体浓度的模块。

所述光学检测单元中的多次反射气室包括一光学池，所述光学池为两端通透的中空长方体；二所述通透端上分别固定连接一主反射镜板和一1/2反射镜板，二所述通透端与所述主反射镜板和1/2反射镜板之间设置有“0”形密封圈；所述主反射镜板上粘结有一主反射镜，所述1/2反射镜板上平行粘结有一反射角度固定的1/2反射镜和一反射角度可调的1/2反射镜；与所述光学池一体的另两侧板上分别开设有一进光口和一与其对应设置的出光口；所述光学池内的进光口和出光口处分别设置有一入射反射镜和一输出反射镜，且所述入射反射镜和输出反射镜分别与进光、出光方向成45°角；所述光学池上设置有两气口，所述光学池与所述1/2反射镜板之间固定连接一两端通透的垫块。

所述光学检测单元中的所述主反射镜和二所述1/2反射镜为光学半径相同的凹面镜，所述光学半径至少为57mm，且所述光学半径为所述主反射镜板与所述1/2反射镜板之间的距离。

所述计算红外气体浓度的模块中预置有红外气体的红外线吸收系数K和所述多次反射气室内置的反射光程L和一计算红外气体浓度的公式：

$C=\frac{\mathrm{In}{I}_0-\mathrm{InI}}{\mathrm{KL}}.$

所述电磁阀和所述抽气泵分别连接所述多次反射气室上的两所述气口。

所述信号处理单元中的前置放大器和脉冲放大器分别连接有所述光学检测单元中的红外探测器。

本实用新型具有以下优点：1、由于本实用新型采用的多次反射气室可以在不改变反射镜光学半径的情况下，通过调整1/2反射镜的反射角度，改变光学池内的反射次数，从而实现了改变光程的目的；或者可以在多次反射气室中的光学池一端增加不同长度的垫块，增加了垫块的光学池上的主反射镜板与1/2反射镜板之间的距离仍符合主反射镜或1/2反射镜的光学半径R的要求，也可以实现改变光程的目的，进而实现了对不同浓度红外气体的测量。2、由于本实用新型采用的多次反射气室中的主反射镜和1/2反射镜的光学半径至少为57mm，使光学池内的光程可在228mm～2000mm之间选择，因此避免了传统气室无法得到光程范围为200mm～800mm的弊端，进而彻底地解决了传统气室无法测量中浓度气体浓度的问题。3、由于本实用新型可以将多条采样管道设置在测量区域内的不同位置，并将内置抽气泵与多条采样管道相连接，因此不仅可以主动地采集到测量区域内不同位置的气体，还可以对采集到的气体中红外气体浓度进行测量，然后综合分析，得到更为准确的红外气体浓度。4、由于本发明体积小，因此响应速度快。5、由于本实用新型中的光学检测单元与其它连接器件均采用了“O”形密封圈进行连接密封，因此防止了外界气体的干扰，提高了本发明气体浓度测量的准确性。6、由于本实用新型中的各组件均安装在同一封闭式的机箱内，机箱密封性可以达到IP65防护等级，因此采用本实用新型不仅可以在恶劣的环境下长期稳定地运行，而且便于安装调试和维修。本实用新型具有高度的智能化和灵活性，体积小，测量精准性高，可以广泛应用在不同中浓度气体的检测分析中。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图

图2是本实用新型的光学检测单元的结构示意图

图3是本实用新型的多次反射气室的结构示意图

图4是本实用新型的多次反射气室的剖视图

图5是本实用新型的信号处理单元的结构示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型进行详细的描述。

如图1所示，本实用新型包括一个封闭式机箱1，机箱1上设置有四个采样气嘴2(仅以此为例，但不限于此)，以与外界采样管道3连接。每个采样气嘴2连接一个电磁阀4，四个电磁阀4并联连接在一光学检测单元6的进气口，一抽气泵5连接在光学检测单元6的排气口，且光学检测单元6与一信号处理单元7电连接。各电磁阀4和抽气泵5分别与一控制单元8电连接，从而实现控制单元8对各电磁阀4和抽气泵5的开关控制，控制单元8可以采用单片机，也可以采用其它控制设备。一电源9分别为光学检测单元6、信号处理单元7和控制单元8供电。

如图2所示，本实用新型的光学检测单元6包括一光源61，光源61的光路上依次设置有一不停转动的切光器62、一气体相关轮63、一多次反射气室64、一滤光片65和一红外探测器66。其中光源61可以采用一红外激光器，也可以采用其它形式的装置，切光器62为现有技术的各种切光器。气体相关轮63为已有技术中的具有两个密封滤波室的相关轮，其中一个滤波室作为参比室，其内部充有高浓度的红外气体，另一个滤波室作为分析室，其内部充有高纯度的氮气。

如图3所示，上述实施例中，多次反射气室64包括一光学池641，光学池641为一两端通透的中空长方体。光学池641的一通透端固定连接一主反射镜板642，另一通透端固定连接一1/2反射镜板643。两通透端与主反射镜板642和1/2反射镜板643之间设置有”O”形密封圈644，以保证光学池641与外界空气隔离开。主反射镜板642上粘结有一主反射镜645，1/2反射镜板643上平行粘结有两1/2反射镜646、647，粘结使用的材料可以是弹性胶带，也可以采用其它粘结材料。主反射镜645和1/2反射镜646、647均为光学半径R相同的凹面镜，该凹面镜的光学半径R至少为57mm，本实施例中的凹面镜的基底材料是光学玻璃。固定后的主反射镜645和1/2反射镜646、647位于相互的焦平面上，即主反射镜板642与1/2反射镜板643之间的距离为光学半径R。其中的1/2反射镜646的反射角度是固定的，1/2反射镜647的反射角度可以通过其背后的螺钉进行调节，使光学池641内的反射次数为4n，n为整数，则光学池641内的光程4nR可在228mm～2000mm之间选择，从而避免了传统气室无法得到光程范围为200mm～800mm的弊端，进而彻底地解决了传统气室无法测量中浓度气体浓度的问题。

如图3所示，与光学池641一体的两侧面为具有一定厚度的两侧板648，其中一侧板648的外端面开设有多个固定孔649，且中心开设有一圆形的凹槽6410，凹槽6410上开设有一进光口6411。另一侧板648上开设有一出光口6412(如图4所示)，出光口6412与进光口6411相对设置。如图3所示，光学池641内的进光口6411和出光口6412处分别设置有一从顶部插入的支架6413，在两支架6413上分别设置有一入射反射镜6414和一输出反射镜6415，且入射反射镜6414和输出反射镜6415分别与进光、出光方向成45°角。其中入射反射镜6414为一平面镜，输出反射镜6415是一个凹面镜，其光学半径为19mm(仅以此为例，但不限于此)。在光学池641的顶部设置有两气口6416，选任一气口6416为进气口时，则另一气口6416为排气口，进气口用于采集待测气体，排气口作为排出被测气体的通道。

如图3所示，上述实施例中，在光学池641与1/2反射镜板643之间可以固定连接一两端通透的垫块6417，同时改变主反射镜645和1/2反射镜646、647的光学半径R，使增加了垫块6417的光学池641上的主反射镜板642与1/2反射镜板643之间的距离仍符合主反射镜645或1/2反射镜646、647的光学半径R的要求，从而实现改变光程目的。

如图4所示，上述实施例中，光线从进光口6411进入，打到入射反射镜6414上，入射反射镜6414再将光线依次打到1/2反射镜646、主反射镜645、1/2反射镜647上后，若光线打在输出反射镜6415上，则光线就从出光口6412射出，此时，n＝1，则多次反射气室1的光程为4R。若需要更大的光程，可以通过调整1/2反射镜647的反射角度，使光线打到1/2反射镜647上后，光线继续打回到主反射镜645上，然后再按照1/2反射镜646、主反射镜645、1/2反射镜647的反射顺序，经n次反射后再打到输出反射镜6415上，并从出光口6412射出，使光线在多次反射气室1中的光程满足所需的L＝4nR。

如图1所示，上述实施例中，电磁阀4和抽气泵5分别连接多次反射气室41中的两气口6416。

如图2所示，光学检测单元6中的滤光片65仅允许透过能够被红外气体吸收的那部分波长的光。红外探测器66位于多次反射气室64中的输出反射镜6415的焦点处，其可以采用一半导体红外探测器，但不限于此，红外探测器66用于将光信号转换为电信号。

本实用新型光学检测单元6操作时，光源61发出的红外激光(仅以此为例进行说明)通过参比室中的红外气体时，红外激光中的能够被红外气体吸收的波长的光会被吸收掉；但是红外激光通过分析室中的氮气时，红外激光是完全不被吸收的。当通过抽气泵5进入多次反射气室64的气体中没有红外气体时，红外探测器66接收的通过分析室和参比室的光信号，即分析和参比光信号的强度是不变化的；而当多次反射气室64的气体中有红外气体时，参比光信号的强度仍然保持不变，而分析光信号强度将会发生变化。

如图5所示，本实用新型的信号处理单元7，其包括两路，其中一路为依次连接的一前置放大器71，一主放大器72、一AGC控制单元73、一用于检测信号的波形峰值的峰值检波器74、一用于保持信号的波形峰值的采样保持器75、一减法器及线性化校正网络76、一数据处理单元77和一为通讯接口的通讯单元78。AGC控制单元73在本实施例中由一型号为P873-25的线性光电耦合器和一型号为TL062的双运算放大器组成。其中另一路为一脉冲放大器79连接一逻辑电路710后，并联在在峰值检波器74上。前置放大器71、主放大器72、峰值检波器74、采样保持器75、减法器及线性化校正网络76、脉冲放大器79和逻辑电路710为本领域常用设备和电路，在此不再详述。信号处理单元7还包括一用于给信号处理单元7中各单元提供稳定电压的逆变电源711。其中数据处理单元77由一单片机及外围辅助电路组成，该单片机内预置有一计算红外气体浓度的模块，该模块内存储了红外气体的红外线吸收系数K和多次反射气室64内置的反射光程L，及红外气体浓度计算公式：

$C=\frac{\mathrm{In}{I}_0-\mathrm{In}{I}^{,}}{\mathrm{KL}}$

上述实施例中，通讯单元78连接一显示单元10，比如型号为LCM12864ZK的LCD显示屏，其将测得的红外气体浓度值显示出来。通过通讯单元78还可以连接一无线发射装置(图中未示出)，用于发射本实用新型检测到的红外气体浓度信息。

本实用新型操作时，首先，将四条采样管道3(仅以此为例，但不限于此)的采气口设置在隧道内的不同位置，并将每条采样管道3的另一端连接机箱1上的四个采样气嘴2。然后，控制单元8开启任一电磁阀4和抽气泵5，被测气体通过相应的采样管道3依次进入采样气嘴3、电磁阀4和光学检测单元6中的多次反射气室64。在光学检测单元6中，光源61发出的红外激光依次经过切光器62、气体相关轮63，然后进入充满被测气体的多次反射气室64，通过滤光片65汇聚到红外探测器66上。切光器62在转动一个周期的过程中，分析室和参比室交替进入光路，红外探测器66按不同时间顺序接收到分析和参比光信号，并转化为分析和参比电信号后，依次输送至前置放大器71、主放大器72、AGC控制单元17、峰值检波器74和采样保持器75；在此周期内，不通过气体相关轮63上的分析室和参比室的红外激光，通过多次反射气室64后，被红外探测器66接收，并转化为电信号，即同步电信号，依次输送给脉冲放大器79、逻辑电路710、峰值检波器74和采样保持器75。

设光源61发出的红外激光光强为I₀，则对应的参比电信号强度不变，仍为I₀；分析电信号强度为I’，且I₀大于I’。峰值检波器74将分析和参比电信号波形的峰值I’、I₀检测出来，输送给采样保持器75，采样保持器75利用光学检测单元6中输出的同步信号，使峰值检测器17检测出的分析和参比电信号波形的峰值I’、I₀保持不变，并输送给减法器及线性化校正网络20和数据处理单元77。数据处理单元77的单片机根据以上输送的分析和参比电信号I’、I₀的大小，及存储在计算红外气体浓度的模块中的红外气体的红外线吸收系数K和多次反射气室64的反射光程L，计算红外气体浓度的模块可以利用预置在其内的以下公式对红外气体的浓度进行计算，其计算式如下：

$C=\frac{\mathrm{In}{I}_0-\mathrm{In}{I}^{,}}{\mathrm{KL}}$

上式计算出的结果通过显示单元10显示出来。

上述各实例中，机箱1的密封性可以达到IP65防护等级。

上述各实施例中，各部件的结构、设置位置、及其连接都是可以有所变化的，在本实用新型技术方案的基础上，对个别部件进行的改进和等同变换，不应排除在本实用新型的保护范围之外。

Claims (8)

1、一种红外气体分析仪，其特征在于包括：设置在一机箱内的多个采样气嘴和与其对应连接的多个电磁阀；各所述电磁阀并联连接在一光学检测单元的进气端，一抽气泵连接在所述光学检测单元的出气端；所述光学检测单元电连接有一信号处理单元；所述抽气泵和各所述电磁阀电连接有一控制单元；所述光学检测单元、信号处理单元和控制单元电连接有一电源；其中，

所述光学检测单元包括一光源，依次设置在所述光源光路上的一切光器、一气体相关轮、一多次反射气室、一滤光片和一红外探测器；

所述信号处理单元包括两电路，其中一所述电路包括串接的一前置放大器、一主放大器、一AGC控制单元、一峰值检波器、一采样保持器、一减法器及校正网络、一数据处理单元和一通讯单元；另一所述电路为一脉冲放大器和一逻辑电路连接后，并联在所述峰值检波器上；

所述数据处理单元包括一单片机，该单片机内预置有一计算红外气体浓度的模块。

2、如权利要求1所述的一种红外气体分析仪，其特征在于：所述光学检测单元中的多次反射气室包括一光学池，所述光学池为两端通透的中空长方体；二所述通透端上分别固定连接一主反射镜板和一1/2反射镜板，二所述通透端与所述主反射镜板和1/2反射镜板之间设置有“O”形密封圈；所述主反射镜板上粘结有一主反射镜，所述1/2反射镜板上平行粘结有一反射角度固定的1/2反射镜和一反射角度可调的1/2反射镜；与所述光学池一体的另两侧板上分别开设有一进光口和一与其对应设置的出光口；所述光学池内的进光口和出光口处分别设置有一入射反射镜和一输出反射镜，且所述入射反射镜和输出反射镜分别与进光、出光方向成45°角；所述光学池上设置有两气口，所述光学池与所述1/2反射镜板之间固定连接一两端通透的垫块。

3、如权利要求1所述的一种红外气体分析仪，其特征在于：所述光学检测单元中的所述主反射镜和二所述1/2反射镜为光学半径相同的凹面镜，所述光学半径至少为57mm，且所述光学半径为所述主反射镜板与所述1/2反射镜板之间的距离。

4、如权利要求2所述的一种红外气体分析仪，其特征在于：所述光学检测单元中的所述主反射镜和二所述1/2反射镜为光学半径相同的凹面镜，所述光学半径至少为57mm，且所述光学半径为所述主反射镜板与所述1/2反射镜板之间的距离。

5、如权利要求1所述的一种红外气体分析仪，其特征在于：所述计算红外气体浓度的模块中预置有红外气体的红外线吸收系数K和所述多次反射气室内置的反射光程L和一计算红外气体浓度的公式：

$C=\frac{\mathrm{In}{I}_0-\mathrm{InI}}{\mathrm{KL}}.$

6、如权利要求1或2或3或4或5所述的一种红外气体分析仪，其特征在于：所述电磁阀和所述抽气泵分别连接所述多次反射气室上的两所述气口。

7、如权利要求1或2或3或4或5所述的一种红外气体分析仪，其特征在于：所述信号处理单元中的前置放大器和脉冲放大器分别连接有所述光学检测单元中的红外探测器。

8、如权利要求6所述的一种红外气体分析仪，其特征在于：所述信号处理单元中的前置放大器和脉冲放大器分别连接有所述光学检测单元中的红外探测器。

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