CN202502048U - 一种非分光型气体分析仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于光电及微机电系统领域，为了解决现有的非分光气体分析仪由于采用椭球形状气室结构设计所带来的批量生产工艺难度较大及抗恶劣环境影响的能力较差的技术问题，提出了一种非分光型气体分析仪，该实用新型总体采用采用模块化设计，其气室结构采用普通的直气室结构，生产工艺难度较小而且抗恶劣环境影响的能力较强，能够避免并解决采用椭球形状气室结构设计所带来的批量生产工艺难度较大及抗恶劣环境影响的能力较差的技术问题。

Description

一种非分光型气体分析仪

技术领域

本实用新型涉及一种非分光型气体分析仪，属于光电及微机电系统领域。 

背景技术

在生产过程中对财产与人的健康、生命造成危害的因素大体上可以分为物理、化学与生物三方面。其中化学因素的影响危害性最大。而有毒有害气体又是化学因素中最普遍、最常见的部分。根据危害可将有毒有害气体分为可燃气体与有毒气体两大类。有毒气体又根据他们对人体不同的作用机理分为刺激性气体、窒息性气体和急性中毒的有机气体三大类。对以上有毒有害气体进行实时的、定量的浓度进行分析检测的设备及仪器称之为气体分析仪。 

有毒有害气体分析仪器从原理可以分为三大类： 

1、利用物理化学性质的气体传感器：如半导体、催化燃烧、固体导热、光离子化等。 

2、利用物理性质的气体传感器：如热导、光干涉、光谱吸收等。 

3、利用电化学性质的气体传感器：电流型、电势型等。 

对于常见的可燃气LEL的检测，现在一般用催化燃烧检测器。它的原理如下：传感器的核心为一惠通斯电桥，其中一桥臂上有催化剂，当电桥与可燃气体接触时，可燃气体在有催化剂的电桥上燃烧，该桥臂的电阻发生变化，其余桥臂的电阻不变化，从而引起整个电路的输出发生变化，而该变化与可燃气体的浓度成比例，从而实现对可燃气体的检测。从以上原理可知，通过该方法检测可燃气，它以催化燃烧为基础，所以它的分辨率较低。因此对于有机气体毒性的检测不能采用该检测方法。 

对于有机挥发性气体毒性的检测，以前一般采用检测管的方法，但由于检测管的种类有限，且精度不高，操作麻烦，所以实际的应用受到影响。目前世界上比较先进的检测方法为光离子化检测方法，它的原理为：通过一紫外灯将目标气体电离，离子通过一传感器收集形成电流，该电流与目标气体的浓度成正比，从而实现对有机挥发性气体的定量检测，由于是离子级别的检测，所以该方法的分辨率高、响应时间快。从原理上可以知道，凡能被电离的有机物就能被仪器进行检测，而不能被电离的物质就不能被检测。由于大多数常见的无机气体的IE都很高，所以不会对检测进行干扰。而大多数的有机气体都能被电离，所以该检测器对有机挥发性气体来说，为宽带检测器，精度高、检测范围宽、响应时间短、易操作等特性决定了该仪器特别适于安全与工业卫生领域的应用。 

对于常见有毒气体的检测，特别是无机毒气，一般采用专用的传感器进行检测。既定性又定量进行检测。该类传感器大多为电化学传感器及基于光谱法的气体传感器，称为光谱气体传感器。 

电化学传感器一般为三电极的形式。其中目标气体在工作电极上发生反应，产生的电流通过对电极构成回路，参比电极为工作电极提供合适的偏值。传感器通过参比电极与工作电极的催化剂实现选择性反应，即定性反应。回路产生的电流与气体的浓度成正比，实现定量反应。电化学传感器性能比较稳定、寿命较长、耗电很小、分辨率较高。它的温度适应性也比较宽。然而，它的缺点是： 

1、测量精度受温度变化的影响比较大，有时很难进行温度补偿处理。 

2、干扰问题：由于一种传感器会对多种气体同时响应，用户无法认定是那种气体引起读数，也就是，用户无法确定那种危险存在，这也是很麻烦的事情。 

3、使用寿命问题：电化学传感器的寿命取决于其中电解液的干涸，将其密 封放在较低温度的环境中可以延长一定的使用寿命。 

光谱气体传感器的基本原理是：物质的红外光谱，是其分子结构的反映，光谱图中的吸收峰，与分子中各基团的振动形式相对应。多原子分子的光谱与其结构的关系，一般是通过实验手段得到的。这就是通过比较大量已知化合物的光谱，从中总结出各种基团的吸收规律来。实验表明，组成分子的各种基团，如O-H、N-H、C-H、C＝C、C≡C、C＝O等，都有自己特定的光谱吸收区域，分子其它部分对其吸收位置影响较小。通常把这种能代表基团存在、并有较高强度的吸收谱带称为基团频率，其所在的位置一般又称为特征吸收峰。绝大多数有毒有害气体都有其特征吸收峰。 

一般来说，大多数有毒有害气体都有其特征吸收峰。有毒有害气体对其特征谱段光谱能量的吸收在低浓度范围内遵循比尔-朗伯定律： 

P=P₀Exp(-kcl) 

其中P₀为光源所产生的能量，P为光源所产生的能量通过存在有毒有害气体的环境后所剩余的能量，k为有毒有害气体的光谱吸收系数，l为光源距光谱探测器的距离，c为有毒有害气体的浓度。 

根据比尔-朗伯定律，在实际中就能检测出有毒有害气体的浓度。以光谱法为基础的有毒有害气体分析仪相对于电化学传感器原理的气体分析仪来讲具有如下优点： 

1、读数温度变化的影响比较小，不需要或极易进行温度补偿处理。 

2、干扰问题：气体对光谱能量的吸收具有特征谱段，是指纹谱，其它气体对其测量没有干扰。 

3、使用寿命问题：系统无易损耗件，寿命长。 

基于光谱法的气体分析仪仪器有三种类型：①光栅分光型分光光度计，主要用于定性分析；②傅里叶变换光谱仪，适宜进行定性和定量分析测定；③非 分光型光度计，用来定量测定大气中各种有机物质。在20世纪80年代以前，广泛应用光栅分光型分光光度计。随着傅里叶变换技术引入光谱仪，使其具有分析速度快、分辨率高、灵敏度高以及很好的波长精度等优点。但因它的价格、仪器的体积及常常需要进行机械调节等问题而在应用上受到一定程度的限制。近年来，因傅里叶变换光谱仪器体积的减小，操作稳定、易行，一台简易傅里叶光谱仪的价格与一般分光型的光谱仪相当。由于上述种种原因，目前傅里叶光谱仪已在很大程度上取代了分光型。然而，无论是光栅分光型分光光度计，还是傅里叶变换光谱仪，除了价格高外，还有体积大及高重量的特点，只适合在实验室使用。而非分光型光度计则由于采用了窄带带通滤光片技术取代了分光型复杂的光学系统，所以在体积及重量上可以大幅度下降，仪器向微小型转变，达到便携式的水平，可实现定点实时监控功能，在有毒有害气体的在线监测领域就有较广阔的应用前景。便携式的气体分析仪主要配套应用于工业、农业、医疗、智能建筑、分析仪器等行业用于气体浓度的高精度测，如配套应用于污染物监测、汽车尾气分析、瓦斯及可燃气检测、煤气成分分析、医疗监护设备、空气品质分析、元素分析仪器等领域。基于非分光型（non-difractive）光谱法的气体分析仪在上个世纪九十年代国内就有人研究，但主要存在检测灵敏度较低及无法在特殊的恶劣环境条件下使用的问题。其原因主要是：目前国内非分光型光谱法气体分析仪的气室结构主要采取复杂的椭球结构设计，即将气室内壁形状加工成椭球形状，再镀一层反射率极高的光学反射薄膜（一般是金或银薄膜），其优点首先是由于光子能量在气室内运动时得到了多次的反射或折射的增强，所以接收端的能量输入相对增加，从光学的角度讲就是光程得到了相对的增加。无论是接收端的能量输入相对增加，或是光程得到了相对的增加，其最终结果就是系统的检测灵敏度提高；其次，椭球形状气室结构设计的另一优点是发射端及接收端可以并列放置在同一側，这将大大降低气室的体积。 气室内壁椭球形状设计有其独到的优点，但其在加工和使用方面存在如下问题: 

首先是椭球形状气室结构的加工难度的问题：椭球形状气室结构的加工（椭球形状的形成及表面光洁度的保证）是很难的，尤其是在批量生产阶段；而且气室内壁椭球形状表面的光学反射薄膜（一般是金或银薄膜）的镀膜技术亦是难点，因为椭球形状气室结构的表面的镀膜均匀性是很难保证的。 

其次是椭球形状气室结构设计抗恶劣环境影响的能力较差的问题。由于椭球形状气室结构的内壁具有相当高的表面光洁度及光学反射率，这就要求进入该气室的待测气体必须是洁净的，任何灰尘、颗粒的存在都将严重影响光子的反射从而影响系统的检测精度；任何少量的水汽及其它腐蚀性气体的存在都将对内壁的金属薄膜的反射效率产生影响从而影响系统的检测精度。因此，采用椭球形状气室结构设计的便携式的非分光气体分析仪不适宜在高粉尘及高潮湿或其它恶劣环境小使用。 

发明内容

为了解决现有的非分光气体分析仪由于采用椭球形状气室结构设计所带来的批量生产工艺难度较大及抗恶劣环境影响的能力较差的技术问题，本实用新型提出了一种非分光型气体分析仪，该实用新型总体采用模块化设计，其气室结构采用普通的直气室结构，生产工艺难度较小而且抗恶劣环境影响的能力较强，能够避免并解决采用椭球形状气室结构设计所带来的批量生产工艺难度较大及抗恶劣环境影响的能力较差的技术问题。 

一种非分光型气体分析仪，由整机和遥控器组成，整机包括进气接口、气室、出气接口、主控板、声光报警器、LCD显示屏、气体浓度输出接口；其中，气室由发射端、气腔壳及接收端组成； 

各组件的连接关系如下： 

发射端与气腔壳的一端相连，接收端与气腔壳的另一端相连；其中，气腔壳为中空圆柱体结构，采用金属铝材料加工而成；进气接口和出气接口通过气管分别与进气孔和出气孔连接，进气孔和出气孔分别设置在气室的气腔壳侧壁上，进气孔靠近发射端一侧，出气孔靠近接收端一侧；主控板通过电缆分别与气室的发射端和接收端相连，声光报警器、LCD显示屏、气体浓度输出接口分别与主控板相连。 

各个组件的功能描述如下： 

气室：负责能量辐射、传输、接收，并将待测气体浓度信号转化为可处理的电信号； 

外壳：起机械支撑及固定作用； 

主控板：对各组成组件供电；向气室组件的红外光源供电，提供一定频率的交变控制信号以对辐射能量进行调制；实时采集二元光谱探测器两个通道的电压信号值，并同时按经验方程计算气体浓度；按控制软件设置要求提供浓度显示及报警模块的控制信号并接收其反馈信号；具备数据输出功能； 

声光报警器：LCD显示气体浓度超出报警域值时，以声光方式报警； 

遥控器：报警阈值的设定及浓度的调校； 

该气体分析仪的工作过程如下： 

1、系统电源启动后，主控板对发射端的光源驱动电路供电，产生输出电流的强度变化规律满1Hz-50Hz标准正弦波规律变化的控制信号以驱动宽光谱光源驱动电路工作。发射端按一定工作频率辐射出宽光谱光能。 

2、接收端接收到发射端辐射出的光子的能量后，将光能转换为电压信号，光子的能量愈高，其所对应的电压信号愈强。 

3、在光程及发射端所能辐射出的光子的能量一定的确情况下，光子的能量与待测气体的浓度有直接关系，它们之间的关系遵循比尔-朗伯定律： 

P=P₀Exp(-kcl) 

其中P₀为发射端所产生的能量，P为所产生的能量通过存在有毒有害气体的环境后所剩余的能量，k为有毒有害气体的光谱吸收系数，l为发射端距光谱探测器的距离，c为有毒有害气体的浓度。 

4、若空气环境中有待测气体存在则通过进气接口扩散到气室中，然后又通过出气接口扩散到空气环境中，形成动态循环。接收端的电压输出受气室中气体吸收的程度而变化，气体浓度越高，被吸收的光子愈多，接收端的输出电压越低；气体浓度越低，被吸收的光子越少，接收端输出的电压越高。 

5、与接收端接收到的光子的能量所对应的电压信号经放大后输入到主控板进行处理：接收端的光谱传感器输出的满量程的信号被放大到ADC转换器的全量程电压后，直接进入单片机或数字信号处理器，由单片机或数字信号处理器根据数学模型和预先测定的参数进行浓度的计算，进而得到浓度数据。 

6、测得的浓度数据通过主控板以百分体积比的方式在外壳前盖上的LCD显示屏上得以显示。 

7、主控板根据浓度的具体值范围，确定是否驱动声光报警：若所测得的浓度值等于或大于通过遥控器所预先设定的、已存储于主控板单片机中的报警域值，主控板驱动声光报警器以声光方式报警。若所测得的浓度值小于通过遥控器所预先设定的、已存储于主控板单片机中的报警域值，主控板就不驱动声光报警器以声光方式报警。 

8、测得的浓度数据在外壳前盖上的LCD显示屏上实时显示的同时，还可通过与主控板及前后盖相连的浓度输出接口（模拟接口和数字接口）以不同的方式传送给其他关联设备。 

有益效果： 

本实用新型所涉及的一种非分光型气体分析仪，其有益效果主要在于如下 两个方面： 

1、该分析仪在结构实现上采用模块化设计，整机由气室、外壳、主控板、声光报警器及遥控器等五部分组成，各组件之间的机械连接及电连接相对简单，具有较容易实现批量生产及在批生产过程中质量管理较易执行，而且售后维修较简单的优点。 

2、该分析仪在气室结构设计上，以简单的直气室结构代替了目前的基于椭球形状气室内壁的椭球形状气室结构，避免并解决了采用椭球形状气室结构设计所带来的批量生产工艺难度较大及抗恶劣环境影响的能力较差的技术问题，具有气室结构加工难度小，整机生产工艺难度较小，粉尘或潮湿气氛对气室光路影响相对较小因而抗恶劣环境影响的能力较强的优点。 

附图说明：

图1为本实用新型所涉及的一种非分光型气体分析仪的结构示意图： 

1-进气接口；2-气室；3-出气接口；4-气管；5-电缆；6-主控板；7-声光报警器；8-LCD显示屏；9-气体浓度输出接口； 

图2为本实用新型所涉及的一种非分光型气体分析仪结构的气室结构示意图： 

2-1发射端；2-2气腔壳；2-3接收端；2-4进气孔；2-5出气孔； 

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本实用新型进行详细描述。 

本实用新型一种非分光型气体分析仪，如图1所示，由整机和遥控器组成，整机包括进气接口1、气室2、出气接口3、主控板6、声光报警器7、LCD显示屏8、气体浓度输出接口9；其中，气室由发射端2-1、气腔壳2-2及接收端2-3 组成，如图2所示； 

各组件的连接关系如下： 

发射端2-1与气腔壳2-2的一端相连，接收端2-3与气腔壳2-2的另一端相连；其中，气腔壳2-2为中空圆柱体结构，采用金属铝材料加工而成；进气接口1和出气接口3通过气管4分别与进气孔2-4和出气孔2-5连接，进气孔2-4和出气孔2-5分别设置在气室的气腔壳2-2侧壁上，进气孔2-4靠近发射端2-1一侧，出气孔2-5靠近接收端2-3一侧；主控板6通过电缆5分别与气室2的发射端2-1和接收端2-3相连，声光报警器7、LCD显示屏8、气体浓度输出接口9分别与主控板6相连。 

本实用新型以非分光型的甲烷CH4气体分析仪为例，气腔壳2-2为一长度为70mm中空圆柱体，其内径及外径大小尺寸分别为10mm及15mm，采用金属铝材料加工而成；发射端2-1的光源选用IR715L型宽光谱光源，接收端2-3的光谱探测器选用LHI814型热释电探测器。 

各组件的功能描述如下： 

气室2：负责能量辐射、传输、接收，并将CH4气体浓度信号转化为可处理的电信号。 

外壳：外壳，起机械支撑及固定作用，还有CH4浓度显示及输出的功能。 

主控板6：对各组成模块供电；向气室组件的光源（选用IR715L型光源）供电，提供频率为2.5Hz的交变控制信号以对辐射能量进行调制；实时采集二元光谱探测器两个通道的电压信号值（通道1为测试通道，其窄带带通滤光片中心波长为3.35μm、半峰宽为170nm；通道2为参比通道，其窄带带通滤光片中心波长为3.95μm、半峰宽为90nm。），并同时按经验方程计算气体浓度；按控制软件设置要求提供浓度显示及报警模块的控制信号并接收其反馈信号。 

声光报警器7：LCD显示气体浓度超出报警阈值（1.00%）时，以声光方式 报警。 

遥控器：报警阈值的设定（1.00%）及浓度的调校（设备维修时）。 

该气体分析仪的工作过程如下： 

1、系统电源启动后，主控板6对发射端2-1的光源驱动电路供电（8-18V），产生2.5Hz标准正弦波规律变化的控制信号以驱动宽光谱光源驱动电路工作。发射端2-1按2.5Hz频率辐射出宽光谱（光谱范围：100nm-5μm）的光子。 

2、在洁净的空气环境下，接收端2-3的LHI814型热释电探测器接收到发射端2-1辐射出的光谱范围在100nm-5μm的光子的能量后，产生电压信号，经接收端的前放电路放大后通道1及通道2的电压信号分别为1860mV及910mV。 

3、在光程及发射端所能辐射出的光子的能量一定的确情况下，光子的能量与待测气体的浓度有直接关系，它们之间的关系遵循比尔-朗伯定律： 

P=P₀Exp(-kcl) 

其中P₀为发射端所产生的能量，P为所产生的能量通过存在有毒有害气体的环境后所剩余的能量，k为有毒有害气体的光谱吸收系数，l为发射端距光谱探测器的距离，c为有毒有害气体的浓度。 

4、若空气环境中有CH4气体存在，而且假设其浓度为1.05%。则含有1.05%CH4气体的空气必将通过进气接口1扩散到气室中，然后又通过出气接口3扩散到空气环中，形成动态循环。此时，经接收端2-1的前放电路放大后通道1及通道2的电压信号分别为1789mV及910mV。 

5、经接收端2-1的前放电路放大后通道1及通道2的电压信号（分别为1789mV及910mV）输入到主控板6并直接进入单片机进行处理，由单片机根据数学模型和预先测定的参数进行浓度的计算，进而得到浓度数据为1.05%。 

6、测得的1.05%浓度数据通过主控板6在外壳前盖上的LCD显示屏8上得以显示。 

7、由于1.05%浓度数据大于通过遥控器所预先设定的、已存储于主控板单片机中的报警阈值1.00%，主控板6就驱动声光报警器7以声光方式报警。 

8、测得的浓度数据在外壳前盖上的LCD显示屏8上实时显示的同时，还可通过与主控板6及前后盖相连的浓度输出接口9（模拟接口和数字接口）以不同的方式传送给其他关联设备。 

Claims (4)

1.一种非分光型气体分析仪，其特征在于：该分析仪由整机和遥控器组成，整机包括进气接口(1)、气室(2)、出气接口(3)、主控板(6)、声光报警器(7)、LCD显示屏(8)、气体浓度输出接口(9)；其中，气室由发射端(2-1)、气腔壳(2-2)及接收端(2-3)组成；

各组件的连接关系如下：

发射端(2-1)与气腔壳(2-2)的一端相连，接收端(2-3)与气腔壳(2-2)的另一端相连；其中，气腔壳(2-2)为中空圆柱体结构，采用金属铝材料加工而成；进气接口(1)和出气接口(3)通过气管(4)分别与进气孔(2-4)和出气孔(2-5)连接，进气孔(2-4)和出气孔(2-5)分别设置在气室的气腔壳(2-2)侧壁上，进气孔(2-4)靠近发射端(2-1)一侧，出气孔(2-5)靠近接收端(2-3)一侧；主控板(6)通过电缆(5)分别与气室(2)的发射端(2-1)和接收端(2-3)相连，声光报警器(7)、LCD显示屏(8)、气体浓度输出接口(9)分别与主控板(6)相连。

2.如权利要求1所述的一种非分光型气体分析仪，其特征在于：发射端(2-1)的光源选用IR715L型宽光谱光源。

3.如权利要求1所述的一种非分光型气体分析仪，其特征在于：接收端(2-3)的光谱探测器选用LHI814型热释电探测器。

4.如权利要求1所述的一种非分光型气体分析仪，其特征在于：气腔壳(2-2)壳体的长度为70mm，其内径及外径大小尺寸分别为10mm和15mm。