CN202974863U - 一种气体氮氧化物含量检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种气体氮氧化物含量检测装置，用于对气体中所含氮氧化物的浓度进行检测，所述检测装置包括：处理器、程控电流源、激光器、气体吸收池、探测器和信号调理电路。应用本实用新型，不需要高温转化过程，因此降低了功耗和能耗，而且，由于是直接测量气体中氮氧化物的含量，避免了其他物质的存在对待测气体含量检测的影响，使得检查结果更准确。再有，由于不需要使用ZrO₂传感器，因此，也不存在P，S,Si的化合物，例如H₂S，会导致ZrO₂传感器中毒的问题。同时，由于ZrO₂传感器技术是被国外公司垄断的技术，而本申请不需要使用ZrO₂传感器，因此打破了现有技术壁垒。

Description

一种气体氮氧化物含量检测装置

技术领域

本实用新型涉及气体含量检测技术领域，特别涉及一种气体氮氧化物含量检测装置。 

背景技术

我国汽车行业的高速发展，需求量将突破1000万辆。在方便人民出行、拉动GDP增长等方面取得了显著效果的同时，也导致了严重的环保问题。机动车尾气排放已经成为重要的大气污染源，对人民群众身体健康和国家社会的可持续发展产生严重影响。因此，世界各国对机动车尾气处理不断提出越来越高的要求。我国已经强制执行国3(欧3)标准，预计2012年7月1日将强制执行国IV(欧IV)标准，这意味着将强制安装氮氧化物（NOx）检测装置以控制排放含量。 

目前，通常的做法是使用氧化锆(ZrO₂)制的氧传感器进行氮氧化物检测，其检测原理具体为：在第一气室内将氧气泵到1ppb一下，再通过催化反应将氮氧化物NOx转化为N₂和O₂，转化后N₂和O₂进入第二气室，在第二气室内再通过ZrO₂氧传感器测量生成的氧气含量，从而间接测量氮氧化物NOx的含量。 

上述方法虽然可以测得氮氧化物的含量，但至少存在以下问题： 

1、在通过催化反应将NO转化为O₂的过程中需要使转化环境的温度达到300摄氏度的高温，功耗高，能耗大； 

2、由于转化环境的温度需要达到300摄氏度的高温，因而受到可燃性气体如H₂，CH₄，CO等含量的影响，使得检测结果受可燃性气体含量的影响很大，检测结果的准确性低； 

3、P，S,Si的化合物，例如H₂S，会导致ZrO₂传感器中毒，致使ZrO₂传感器失效。 

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种气体氮氧化物含量检测装置，既可以使得检测结果不受可燃性气体含量的影响，避免传感器因某些化合物中毒，还降低了功耗。 

本实用新型公开了一种气体氮氧化物含量检测装置，用于对气体中所含氮氧化物的浓度进行检测，所述检测装置包括：处理器100、程控电流源200、激光器300、气体吸收池400、探测器500和信号调理电路600，其中，所述的气体吸收池400具有折线型气室，所述折线型气室上具有进气孔415和出气孔416，待测气体从所述进气孔415进入所述折线型气室，沿折线形气室流动，从出气孔416流出所述折线型气室；所述折线型气室上还具有光入射孔和光出射孔；入射激光从所述光入射孔进入所述折线型气室，沿折线型气室反射，从光出射孔射出； 

所述程控电流源200，在处理器的控制下对激光器进行直调，使得激光器300输出一路光强和波长均为正弦波动的激光；所述一路激光通过所述光入射孔进入气体吸收池400内的折线型气室，从光出射孔射出，进入探测器； 

所述探测器500，将所述一路光信号转换为电信号，将转换后的电信号传送给信号调理电路； 

信号调理电路600，对所述电信号调理后传送给处理器； 

处理器100，根据接收到的指令，从接收到的调理后的信号中检测出出射激光中二次谐波和基波的强度，根据所述两种谐波的强度获得待测气体的中氮氧化物的浓度。 

其中，所述信号调理电路包括： 

滤波器，将来自探测器的电信号进行滤波处理； 

AD转换器，将所述滤波后的模拟电信号转换为数字信号后传送给处理器。 

其中，所述处理器包括： 

存储装置，保存在包含氮氧化物的气体中氮氧化物气体的浓度超过第一预设值时，测量得到的氮氧化物吸收峰和参比吸收峰中心位置分别对应的激光器电流值的差值ΔD；保存在无氮氧化物气体的气体中测量得到的参比吸收峰中心位置所对应电流值D₂₀，并保存电流值D₂₀处的参比吸收峰的一次谐波的幅值 A₀，以及同等条件下电流值为D₂₀-ΔD处的二次谐波值I_2f0； 

谐波强度获取装置，首先测量待测气体中参比吸收峰中心位置所对应的电流值D₂，并测量电流值D₂处的一次谐波幅值A；再测量激光器电流值为D₁=D₂-ΔD位置的二次谐波值I_2f测；从所述存储装置获得在无待测气体的条件下测量得到的参比吸收峰的一次谐波的幅值A₀，以及电流为(D₂₀-ΔD)处的二次谐波值I_2f0，计算本底f(A)=I_2f0×A/A₀，令激光器电流为D₁的氮氧化物吸收峰二次谐波强度I_2f＝I_2f测-f(A)； 

浓度计算装置，根据所述氮氧化物吸收峰所对应电流值处的二次谐波的强度I_2f和参比吸收峰所对应电流值处的基波的强度A获得待测气体的中氮氧化物的浓度。 

其中，所述信号调理电路包括： 

滤波器，将来自探测器的电信号进行滤波处理； 

锁相放大电路，检测所述滤波后信号中出射激光的二次谐波的强度I_2f测。 

其中，所述处理器包括： 

存储装置，保存在包含氮氧化物的气体中氮氧化物气体的浓度超过第一预设值时，测量得到的氮氧化物吸收峰和参比吸收峰中心位置分别对应的激光器电流值的差值ΔD；保存在无氮氧化物气体的气体中测量得到的参比吸收峰中心位置所对应电流值D₂₀，并保存电流值D₂₀处的参比吸收峰的一次谐波的幅值A₀，以及同等条件下电流值为D₂₀-ΔD处的二次谐波值I_2f0； 

谐波强度获取装置，首先测量待测气体中参比吸收峰中心位置所对应的电流值D₂，并测量电流值D₂处的一次谐波幅值A；从所述存储装置获得在无待测气体的条件下测量得到的参比吸收峰的一次谐波的幅值A₀，以及电流为(D₂₀-ΔD)处的二次谐波值I_2f0，计算本底f(A)=I_2f0×A/A₀，令激光器电流为D₁的氮氧化物吸收峰二次谐波强度I_2f＝I_2f测-f(A)； 

浓度计算装置，根据所述氮氧化物吸收峰所对应电流值处的二次谐波的强度I2_f和参比吸收峰所对应电流值处的基波的强度A获得待测气体的中氮氧化物的浓度。 

其中，所述待测气体为汽车尾气；所述参比气体为水气。 

其中，所述的气体吸收池400包括：池体401、第一平面反射镜402、第二 平面反射镜403和平面盖板404，所述第一平面反射镜402和第二平面反射镜403分别紧贴所述池体401池体第一侧壁406和池体第二侧壁407，其中，所述池体第一侧壁406和池体第二侧壁407与池体上表面405垂直，且所述池体第一侧壁406和池体第二侧壁407相互平行；所述池体上表面405上设置有折线形沟道410，所述平面盖板404覆盖在所述池体401的折线形沟道上形成折线型气室，所述折线型气室位于所述第一平面反射镜402和所述第二平面反射镜403之间，在池体第一侧壁406和池体第二侧壁407上沿垂直于池体第一侧壁406和池体第二侧壁407的方向开有多个光反射孔412，光反射孔412与折线形沟道410相通； 

在所述池体上表面405上开设有进气孔415和出气孔416，待测气体从所述进气孔415进入所述折线型气室，沿折线形沟道410流动，从出气孔416流出所述折线型气室； 

所述气体吸收池400还具有池体第三侧壁408和池体第四侧壁409，其中，所述池体第三侧壁408和池体第四侧壁409分别与池体第二侧壁407成预设度数的加角；在池体第三侧壁408上沿垂直于池体第三侧壁的方向开有光入射孔411，所述光入射孔411与折线形沟道410相通；在池体第四侧壁409上沿垂直于池体第四侧壁409的方向开有光出射孔413，所述光出射孔413与折线形沟道410相通；入射激光从所述光入射孔411进入所述折线型气室，沿折线型气室反射，从光出射孔413射出。 

其中，所述检测装置还包括：冷却管路，连接在待测气体的排放出口与所述气体吸收池的折线型气室的进气孔415之间，以将冷却后的待测传送至所述气体吸收池内。 

其中，所述检测装置还包括：过滤器及气液分离器，连接在冷却管路的末端和所述气体吸收池的折线型气室的进气孔415之间，以过滤待测气体中的杂质及液体。 

应用本实用新型实施例提供的检测装置，使用光谱测试法，不需要高温转化过程，因此降低了功耗和能耗，而且，由于是直接测量气体中氮氧化物的含量，避免了其他物质的存在对待测气体含量检测的影响，使得检查结果更准确。再有，由于不需要使用ZrO₂传感器，因此，也不存在P，S,Si的化合物，例如H₂S，会导致ZrO₂传感器中毒的问题。同时，由于ZrO₂传感器技术是被国外 公司垄断的技术，而本申请不需要使用ZrO₂传感器，因此打破了现有技术壁垒。 

再有，申请的方案中，只需要激光器输出一路探测光束，通过最终出射激光的二次谐波的强度来待测气体的中氮氧化物的浓度，不需要标准气室，也不需要参考支路，因而避免了现有双路平衡的光谱测试法不能应用于工业现场的问题，可在任何需要的工业现场应用。 

再有，应用本申请实施例中的气体吸收池，使得待测气体的浓度在气体吸收池内均衡分布，不仅可以在一个较小的空间区域内延长有效光程，而且可以实现待测气体在气体吸收池内的快速周转。 

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 

图1是根据本实用新型一实施例的气体氮氧化物含量检测装置的结构图； 

图2是根据本实用新型实施例的一种气体吸收池的结构示意图，其中图2A是主视图，图2B是左视图，图2C是俯视图； 

图3是根据图2所示实施例的气体吸收池的池体内部结构及光传输路径示意图； 

图4是根据本实用新型实施例的一具体应用实例示意图。 

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。 

参见图1，其是根据本实用新型一实施例的气体氮氧化物含量检测装置的结构图，本实施例中，该检测装置用于对气体中所含氮氧化物的浓度进行检测，其具体包括：处理器100、程控电流源200、激光器300、气体吸收池400、探 测器500和信号调理电路600，其中，气体吸收池400具有折线型气室，所述折线型气室上具有进气孔415和出气孔416，待测气体从所述进气孔415进入所述折线型气室，沿折线形气室流动，从出气孔416流出所述折线型气室；所述折线型气室上还具有光入射孔和光出射孔；入射激光从所述光入射孔进入所述折线型气室，沿折线型气室反射，从光出射孔射出； 

程控电流源200，在处理器100的控制下对激光器进行直调，使得激光器输出一路光强和波长均为正弦波动的激光；所述一路激光通过所述光入射孔进入气体吸收池400内的折线型气室，从光出射孔射出，进入探测器； 

探测器500，将所述一路光信号转换为电信号，将转换后的电信号传送给信号调理电路； 

信号调理电路600，对所述电信号调理后传送给处理器； 

处理器100，根据接收到的指令，从接收到的调理后的信号中检测出出射激光中二次谐波和基波的强度，根据所述两种谐波的强度获得待测气体的中氮氧化物的浓度。 

在一种可能的实施例中，上述信号调理电路600可以包括： 

滤波器（图未示），将来自探测器的电信号进行滤波处理；以及 

模数（AD）转换器（图未示），将所述滤波后的模拟电信号转换为数字信号后传送给处理器。 

此时，所述处理器100，根据接收到的指令，检测出射激光中的二次谐波及基波的强度，根据所述二次谐波及基波的强度获得待测气体中氮氧化物的浓度。该实施例中，出射激光的二次谐波和基波的强度是由处理器检测出的。 

具体的，所述处理器100可以包括： 

存储装置，保存在包含氮氧化物的气体中氮氧化物气体的浓度超过第一预设值如10%时，测量得到的氮氧化物吸收峰和参比吸收峰中心位置分别对应的激光器电流值的差值ΔD；保存在无氮氧化物气体的气体中测量得到的参比吸收峰中心位置所对应电流值D₂₀，并保存电流值D₂₀处的参比吸收峰的一次谐波的幅值A₀，以及同等条件下电流值为（D₂₀-ΔD）处的二次谐波值I_2f0； 

谐波强度获取装置，首先测量待测气体中参比吸收峰中心位置所对应的电流值D₂，并测量电流值D₂处的一次谐波幅值A；再测量激光器电流值为 D₁=D₂-ΔD位置的二次谐波值I_2f测；从所述存储装置获得在无待测气体的条件下测量得到的参比吸收峰的一次谐波的幅值A₀，以及电流为(D₂₀-ΔD)处的二次谐波值I_2f0，计算本底f(A)=I_2f0×A/A₀，令激光器电流为D₁的氮氧化物吸收峰二次谐波强度I_2f＝I_2f测f(A)； 

浓度计算装置，根据氮氧化物吸收峰所对应电流值处的二次谐波的强度I_2f和参比吸收峰所对应电流值处的基波的强度A获得待测气体的中氮氧化物的浓度。 

这里，对上述涉及的概念做一简单说明。 

本底，由于激光器的P-I曲线的非线性，以及存在的其他系统非线性，即使在没有待测气体的情况下，测量得到的待测气体的二次谐波值也不会为0，这个非0值称为本底； 

氮氧化物气体，通常认为其是弱吸收气体，即氮氧化物气体的吸收峰由于吸收造成的二次谐波强度值与本底基本相当。 

参比吸收峰：如果某种气体的吸收峰由于吸收造成的二次谐波强度值远大于本底，则该吸收峰被称为强吸收峰，该强吸收峰通常作为参比吸收峰，该参比吸收峰所对应的气体称为参比气体。例如，某个吸收峰由于吸收造成的二次谐波强度值大于10倍的本底值，则该吸收峰可以作为参比吸收峰；这里，如果吸收强度与浓度的乘积值较大，一种可能的情况是吸收强度较低但是待测环境下该气体的浓度很高，另一种可能的情况是浓度较低但是吸收强度高。 

通常，氮氧化物吸收峰和参比吸收峰之间的距离范围，是电流调制可以达到的范围，一般在零点几个纳米，然而又不能过于接近，以免吸收截面重合相互影响。 

其中，浓度计算的原理与现有技术相同，这里仅做简单说明。 

首先，当光线通过某种气体后，它将受到气体的吸收，其出射光强由比尔-兰伯特（Beer-Lambert）公式决定 

I(υ)＝I₀(υ)exp[α(υ)CL]       (4.1) 

其中，I(υ)是出射光光强，υ是该光的频率；I₀是通过气室之前的初始光 强；C为气体的浓度；L为所通过的气体腔长；α为气体的吸收系数，不同气体对应的吸收频率也不同；对于同一种气体，也存在复数个吸收峰。 

利用这个性质，选择入射激光的波长，使之处于待测气体的某个吸收峰的中心位置。然后让该激光通过待测气体。通过检测出出射光的强度，可以得到其通过气体的吸收强度，从而间接得到待测气体的浓度。具体的， 

对光源的驱动电流加上一个低频（k赫兹级别）小信号调制，对激光器进行直调，从而对激光器输出波长产生一个调制，同时附加一个光强调制 

$\mathrm{\υ}=\stackrel{\‾}{\mathrm{\υ}}+a\sin \mathrm{\ωt}$          $\left(4.2\right)$

I₀(t)＝I₀(1+ηsinωt) 

其中，υ是光的波长，I₀(t)激光器输出的光强随时间变化的光强值，ω为所加调制的角频率，

为激光的中心频率，a为频率调制幅度，η为由于频率调制造成的光强调制深度，t是时间参数。 

由于此时气体浓度很低，所以有-α(υ)CL《1 

那么（4.1）式可以改写为： 

I(υ)＝I₀(υ)e^-α(υ)CL≈I₀(υ)[1-α(υ)CL]       （4.3） 

一般气体的吸收峰均为洛伦兹线形，即 

$\mathrm{\α}\left(\mathrm{\υ}\right)=\frac{{\mathrm{\α}}_0}{1+{\left(\frac{\mathrm{\υ}-{\mathrm{\υ}}_0}{\mathrm{\Δ\υ}}\right)}^2}---\left(4.4\right)$

式中υ₀为吸收峰的中心位置，β₀为υ₀处的吸收系数；Δv为吸收峰的半高宽。 

将（4.2），（4.4）带入（4.3），则经过吸收后的输出光强（即到达探测器的光强）为 

$I\left(t\right)=I_0(1+\mathrm{\η}\sin \mathrm{\ωt})[1-\frac{{\mathrm{\α}}_0\mathrm{CL}}{1+{\left(\frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{\υ}}-{\mathrm{\υ}}_0+a\sin \mathrm{\ωt}}{\mathrm{\Δ\υ}}\right)}^2}]---\left(4.5\right)$

调整激光器的驱动电流使得输出光波长的中心位置与气体吸收峰的中心 位置重合，即

则有 

$I\left(t\right)=I_0(1+\mathrm{\η}\sin \mathrm{\ωt})(1-\frac{{\mathrm{\α}}_0\mathrm{CL}}{1+m^2{\sin }^2\mathrm{\ωt}})$          $\left(4.6\right)$

$=I\left(t\right)=I_0+I_0\mathrm{\η}\sin \mathrm{\ωt}-\frac{I_0{\mathrm{\α}}_0\mathrm{CL}}{1+m^2{\sin }^2\mathrm{\ωt}}-\frac{{\mathrm{\α}}_0\mathrm{\η}\sin \mathrm{\ωtCL}}{1+m^2{\sin }^2\mathrm{\ωt}}$

式中， $m=\frac{a}{\mathrm{\Δv}}.$

由于是小信号调制，η《1，因此可以忽略二阶小量

得到： 

$I\left(t\right)=I_0+I_0\mathrm{\η}\sin \mathrm{\ωt}-\frac{I_0{\mathrm{\α}}_0\mathrm{CL}}{1+m^2{\sin }^2\mathrm{\ωt}}---\left(4.7\right)$

对（4.7）按照ω做傅里叶展开，可以得到其中ω的基波分量I_f和二次谐波分量I_2f的强度分别为： 

I_f＝I₀η 

$I_{2f}=-I_0\frac{2(2+m^2-2\sqrt{1+m^2})}{m^2\sqrt{1+m^2}}{\mathrm{\α}}_0\mathrm{CL}---\left(4.8\right)$

式中， $k\left(m\right)=\frac{2(2+m^2-2\sqrt{1+m^2})}{m^2\sqrt{1+m^2}}.$

可见，基波分量的强度正比于光强和强度调制的调制深度；而对于二次谐波，k(m)仅与

有关，可以通过改变频率调制的幅度来调节。对于一个确定的系统来说m为定值，k(m)也就为一个定值；同时，α₀L也为定值。因此二次谐波分量的强度正比于光强以及气体浓度，利用二次谐波的强度I_2f即可以 获得气体浓度C。 

利用上述式（4.8）虽然从理论上可以计算气体浓度C，但是，如果仅使用二次谐波的强度来检测水汽浓度，将引入不必要的共模噪声，这是在激光通过参考气室时由于空气中的灰尘散射等原因引起的衰减而造成的。 

为了消除上述影响，可将二次谐波分量I_2f与基波分量I_f相比，得到 

$\frac{I_{2f}}{I_f}=-\frac{2(2+m^2-2\sqrt{1+m^2})}{\mathrm{\η}{m}^2\sqrt{1+m^2}}{\mathrm{\α}}_0\mathrm{CL}---\left(4.9\right)$

二次谐波和基波实际上是同一束光的不同频率分量，由于只存在一束光，因此在传播过程中受灰尘散射或其他非气体吸收造成的光强减弱的影响相同。二者的比值I_2f/I_f与等效光强无关。这样就消除了共模噪声，使得气体的浓度检测更加精确。 

由上可见，测量I_f的目的实际是消除等效光强的影响，消除共模噪声，而前述步骤203中的一次谐波幅值A就是参比吸收峰处的一次谐波强度I′_f＝I₀η′，那么可以先计算I_2f与A的比值，其中，I_2f是目标吸收峰所对应电流值处的二次谐波强度，A为参比吸收峰所对应电流值处的一次谐波幅强度；再根据所述I_2f与A的比值获得待测气体的中目标气体的浓度。 

具体的，I_2f与A的比值为 

$\frac{I_{2f}}{A}=\frac{I_{2f}}{I_f^{\′}}=-\frac{2(2+m^2-2\sqrt{1+m^2})}{{\mathrm{\η}}^{\′}{m}^2\sqrt{1+m^2}}{\mathrm{\α}}_0\mathrm{CL}---\left(4.10\right)$

可见，同样与浓度成正比。其中，I′_f是参比吸收峰所对应的电流值处的一次谐波幅值，η′为参比吸收峰所对应的电流值处由于频率调制造成的光强调制深度。 

则，由于I_2f＝I_2f测-f(A)，所以有 

由上述式（4.10）和式（4.11）即可计算出待测气体的浓度。 

在另一种可能的实施例中，所述信号调理电路600可以包括： 

滤波器，将来自探测器的电信号进行滤波处理； 

锁相放大电路，检测所述滤波后信号中出射激光的二次谐波的强度I_2f测。 

此时，所述处理器，从接收到的调制后的信号中提取出所述二次谐波的强度和基波的强度，根据所述二次谐波和基波的强度获得待测气体中氮氧化物的浓度。该实施例中，出射激光的二次谐波和基波的强度是由锁相放大电路检测出的，处理器进行浓度计算。 

这种情况下，处理器包括： 

存储装置，保存在包含氮氧化物的气体中氮氧化物气体的浓度超过第一预设值时，测量得到的氮氧化物吸收峰和参比吸收峰中心位置分别对应的激光器电流值的差值ΔD；保存在无氮氧化物气体的气体中测量得到的参比吸收峰中心位置所对应电流值D₂₀，并保存电流值D₂₀处的参比吸收峰的一次谐波的幅值A₀，以及同等条件下电流值为（D₂₀-ΔD）处的二次谐波值I_2f0； 

谐波强度获取装置，首先测量待测气体中参比吸收峰中心位置所对应的电流值D₂，并测量电流值D₂处的一次谐波幅值A；从所述存储装置获得在无待测气体的条件下测量得到的参比吸收峰的一次谐波的幅值A₀，以及电流为(D₂₀-ΔD)处的二次谐波值I_2f0，计算本底f(A)=I_2f0×A/A₀，令激光器电流为D₁的氮氧化物吸收峰二次谐波强度I_2f＝I_2f测-f(A)； 

浓度计算装置，根据氮氧化物吸收峰所对应电流值处的二次谐波的强度I_2f和参比吸收峰所对应电流值处的基波的强度A获得待测气体的中氮氧化物的浓度。 

需要说明的是，前述待测气体可以是汽车尾气，也可以是含氮氧化物的其它气体，比如从烟囱中排放的废气等；前述参比气体为水气H₂O，也可以是其它具有强吸收能力的气体，如二氧化碳CO₂等。 

应用本实用新型实施例提供的检测装置，使用光谱测试法，不需要高温转化过程，因此降低了功耗和能耗，而且，由于是直接测量气体中氮氧化物的含量，避免了其他物质的存在对待测气体含量检测的影响，使得检查结果更准确。再有，由于不需要使用ZrO₂传感器，因此，也不存在P，S,Si的化合物，例如H₂S，会导致ZrO₂传感器中毒的问题。同时，由于ZrO₂传感器技术是被国外 公司垄断的技术，而本申请不需要使用ZrO₂传感器，因此打破了现有技术壁垒。 

再有，现有的光谱测试法中都是使用双路平衡法，即一路参考光路，一路探测光路，通过调整直流电流点使得两路测得的一次谐波相等来锁定吸收峰的位置。该方案在实验室是可行的，但是在工业应用中存在明显的问题。这是因为参考支路一般为标准气室，其所处的环境与待测支路是不同的，而在现实的工业应用中由于无法消除空气中的灰尘散射，耦合失调等因素，根本无法提供符合要求的参考支路。因此，双路平衡法只能用于实验室试验而不能用于实际应用中。而本申请的方案中，只需要激光器输出一路探测光束，通过最终出射激光的二次谐波的强度来待测气体的中氮氧化物的浓度，不需要标准气室，也不需要参考支路，因而避免了现有双路平衡的光谱测试法不能应用于工业现场的问题，可在任何需要的工业现场应用。 

为了避免待测气体在气体吸收池内由于气体湍流和环流所造成的地气体浓度部均衡，需较长时间才能完成气室内气体样品更新的问题，本申请实施例还提供了一种特别结构的气体吸收池，使得待测气体的浓度在气体吸收池内均衡分布，不仅可以在一个较小的空间区域内延长有效光程，而且可以实现待测气体在气体吸收池内的快速周转。 

图2是根据本实用新型实施例的一种气体吸收池的结构示意图，其中图2A是主视图，图2B是左视图，图2C是俯视图。图3是根据图2所示实施例的气体吸收池的池体内部结构及光传输路径示意图。 

参见图2和图3，本实施例所示的气体吸收池包括：池体401、第一平面反射镜402、第二平面反射镜403和平面盖板404，所述第一平面反射镜402和第二平面反射镜403分别紧贴所述池体401池体第一侧壁406和池体第二侧壁407，其中，所述池体第一侧壁406和池体第二侧壁407与池体上表面405垂直，且所述池体第一侧壁406和池体第二侧壁407相互平行；所述池体上表面405上设置有折线形沟道410，所述平面盖板404覆盖在所述池体401的折线形沟道上形成折线型气室，所述折线型气室位于所述第一平面反射镜402和所述第二平面反射镜403之间，在池体第一侧壁406和池体第二侧壁407上沿垂直于池体第一侧壁 406和池体第二侧壁407的方向开有多个光反射孔412，光反射孔412与折线形沟道410相通； 

在所述池体上表面405上开设有进气孔415和出气孔416，待测气体从所述进气孔415进入所述折线型气室，沿折线形沟道410流动，从出气孔416流出所述折线型气室； 

所述气体吸收池400还具有池体第三侧壁408和池体第四侧壁409，其中，所述池体第三侧壁408和池体第四侧壁409分别与池体第二侧壁407成预设度数的夹角，例如，可以是3°~10°，较佳的可以是4°、5°、6°或7°；在池体第三侧壁408上沿垂直于池体第三侧壁的方向开有光入射孔411，所述光入射孔411与折线形沟道410相通；在池体第四侧壁409上沿垂直于池体第四侧壁409的方向开有光出射孔413，所述光出射孔413与折线形沟道410相通；入射激光从所述光入射孔411进入所述折线型气室，沿折线型气室反射，从光出射孔413射出。 

需要说明的是，折线形沟道的夹角α可根据入射激光的角度和所需要的光程的长短进行调整，本申请并不严格限定夹角α的大小，其可根据实际应用来决定。 

需要说明的是，池体第三侧壁408和池体第四侧壁409分别与池体第二侧壁407之间的预设度数的夹角也是根据实际应用来确定的，例如安装位置，要求的激光入射角度等，本申请对此并不做严格的限定。 

在一个较佳实施例中，平面盖板404与池体上表面405形状和大小相同，通过外加压力和弹性元件，如O型圈的配合下密封覆盖折线形沟道410，封闭形成气体吸收池的折线型气室。池体第三侧壁408和池体第四侧壁409与池体第二侧壁407成5°角，池体第三侧壁408和池体第四侧壁409为平面且与池体上表面405垂直。折线形沟道410的折线方向分别与池体第三侧壁408和池体第四侧壁409垂直。在池体第三侧壁408上沿垂直于第三侧壁408的方向上开有光入射孔411，光入射孔411与折线形沟道410相通。在池体第一侧壁406和池体第二侧壁407上沿垂直于池体第一侧壁406和池体第二侧壁407方向开有多个光反射孔412，该多个光反射孔412与折线形沟道410相通。在池体第四侧壁409上沿垂直于池体第四侧壁409的方向开有一个光出射孔413，光出射孔 413与折线形沟道410相通。光入射孔411和光出射孔413由透光元件封闭。 

应用图2和图3所述气体吸收池，有利于连续变化的气体样品的实时快速检测，有效提高了对低浓度、连续变化气体样品的检测灵敏度；并且，上述气室结构简单、便于携带。 

需要说明的是，对于图1所述检测装置还可以包括：冷却管路，该冷却管路连接在待测气体的排放出口与所述气体吸收池的折线型气室的进气孔（415）之间，以将冷却后的待测传送至所述气体吸收池内。通过冷却管路可避免高温待测气体进入气体吸收池，以延长检测装置的使用寿命。 

需要说明的是，对于图1所述检测装置还可以包括：过滤器及气液分离器，连接在冷却管路的末端和所述气体吸收池的折线型气室的进气孔（415）之间，以过滤待测气体中的杂质及液体。将待测气体中的杂质和液体滤出，即可以提高最终的检测精度，还可以延长检测装置的使用寿命。 

需要说明的是，对于图1所述检测装置还可以包括：显示装置，与处理器连接，用于显示待测气体的中氮氧化物的浓度。该显示装置的物理位置可以离处理器很近例如就在处理器旁边，这样便于现场观察，还可以距离处理器较远例如在远端机房，这样便于后续统计分析等操作。 

参见图4，其是根据本实用新型实施例的一具体应用实例示意图。本例中，待测尾气是汽车尾气，从三元催化罐640中引出的汽车尾气先进入冷却管路610，再通过过滤器气液分离器620进入传感器630，从而方便的检测出汽车尾气中氮氧化物的含量。传感器630中包括了处理器、程控电流源、激光器、气体吸收池、探测器和信号调理电路。 

应用图4所示检测装置，不需要高温转化过程，因此降低了功耗和能耗，而且，由于是直接测量气体中氮氧化物的含量，避免了其他物质的存在对待测气体含量检测的影响，使得检查结果更准确。再有，由于不需要使用ZrO₂传感器，因此，也不存在P，S,Si的化合物，例如H₂S，会导致ZrO₂传感器中毒的问题。同时，由于ZrO₂传感器技术是被国外公司垄断的技术，而本实施例不需要使用ZrO₂传感器，因此打破了现有技术壁垒。 

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。 

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围内。 

Claims (9)

1.一种气体氮氧化物含量检测装置，用于对气体中所含氮氧化物的浓度进行检测，其特征在于，所述检测装置包括：处理器（100）、程控电流源（200）、激光器（300）、气体吸收池（400）、探测器（500）和信号调理电路（600），其中，所述的气体吸收池（400）具有折线型气室，所述折线型气室上具有进气孔（415）和出气孔（416），待测气体从所述进气孔（415）进入所述折线型气室，沿折线形气室流动，从出气孔（416）流出所述折线型气室；所述折线型气室上还具有光入射孔和光出射孔；入射激光从所述光入射孔进入所述折线型气室，沿折线型气室反射，从光出射孔射出； 

所述程控电流源（200），在处理器的控制下对激光器进行直调，使得激光器（300）输出一路光强和波长均为正弦波动的激光；所述一路激光通过所述光入射孔进入气体吸收池（400）内的折线型气室，从光出射孔射出，进入探测器； 

所述探测器（500），将所述一路光信号转换为电信号，将转换后的电信号传送给信号调理电路； 

信号调理电路（600），对所述电信号调理后传送给处理器； 

处理器（100），根据接收到的指令，从接收到的调理后的信号中检测出出射激光中二次谐波和基波的强度，根据所述两种谐波的强度获得待测气体的中氮氧化物的浓度。 

2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述信号调理电路包括： 

滤波器，将来自探测器的电信号进行滤波处理； 

AD转换器，将所述滤波后的模拟电信号转换为数字信号后传送给处理器。 

3.根据权利要求2所述的检测装置，其特征在于，所述处理器包括： 

存储装置，保存在包含氮氧化物的气体中氮氧化物气体的浓度超过第一预设值时，测量得到的氮氧化物吸收峰和参比吸收峰中心位置分别对应的激光器电流值的差值ΔD；保存在无氮氧化物气体的气体中测量得到的参比吸收峰中心位置所对应电流值D₂₀，并保存电流值D₂₀处的参比吸收峰的一次谐波的幅值A₀，以及同等条件下电流值为（D₂₀-ΔD）处的二次谐波值I_2f0； 

谐波强度获取装置，首先测量待测气体中参比吸收峰中心位置所对应的电流值D₂，并测量电流值D₂处的一次谐波幅值A；再测量激光器电流值为 D₁=D₂-ΔD位置的二次谐波值I_2f测；从所述存储装置获得在无待测气体的条件下测量得到的参比吸收峰的一次谐波的幅值A₀，以及电流为(D₂₀-ΔD)处的二次谐波值I_2f0，计算本底f(A)=I_2f0×A/A₀，令激光器电流为D₁的氮氧化物吸收峰二次谐波强度I_2f＝I_2f测-f(A)； 

浓度计算装置，根据所述氮氧化物吸收峰所对应电流值处的二次谐波的强度I_2f和参比吸收峰所对应电流值处的基波的强度A获得待测气体的中氮氧化物的浓度。 

4.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述信号调理电路包括： 

滤波器，将来自探测器的电信号进行滤波处理； 

锁相放大电路，检测所述滤波后信号中出射激光的二次谐波的强度I_2f测。 

5.根据权利要求4所述的检测装置，其特征在于，所述处理器包括： 

存储装置，保存在包含氮氧化物的气体中氮氧化物气体的浓度超过第一预设值时，测量得到的氮氧化物吸收峰和参比吸收峰中心位置分别对应的激光器电流值的差值ΔD；保存在无氮氧化物气体的气体中测量得到的参比吸收峰中心位置所对应电流值D₂₀，并保存电流值D₂₀处的参比吸收峰的一次谐波的幅值A₀，以及同等条件下电流值为（D₂₀-ΔD）处的二次谐波值I_2f0； 

谐波强度获取装置，首先测量待测气体中参比吸收峰中心位置所对应的电流值D₂，并测量电流值D₂处的一次谐波幅值A；从所述存储装置获得在无待测气体的条件下测量得到的参比吸收峰的一次谐波的幅值A₀，以及电流为(D₂₀-ΔD)处的二次谐波值I_2f0，计算本底f(A)=I_2f0×A/A₀，令激光器电流为D₁的氮氧化物吸收峰二次谐波强度I_2f＝I_2f测-f(A)； 

浓度计算装置，根据所述氮氧化物吸收峰所对应电流值处的二次谐波的强度I_2f和参比吸收峰所对应电流值处的基波的强度A获得待测气体的中氮氧化物的浓度。 

6.根据权利要求3或5所述的检测装置，其特征在于， 

所述待测气体为汽车尾气； 

所述参比气体为水气。 

7.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述的气体吸收池（400）包括：池体（401）、第一平面反射镜（402）、第二平面反射镜（403）和平面 盖板（404），所述第一平面反射镜（402）和第二平面反射镜（403）分别紧贴所述池体（401）池体第一侧壁（406）和池体第二侧壁（407），其中，所述池体第一侧壁（406）和池体第二侧壁（407）与池体上表面（405）垂直，且所述池体第一侧壁（406）和池体第二侧壁（407）相互平行；所述池体上表面（405）上设置有折线形沟道（410），所述平面盖板（404）覆盖在所述池体（401）的折线形沟道上形成折线型气室，所述折线型气室位于所述第一平面反射镜（402）和所述第二平面反射镜（403）之间，在池体第一侧壁（406）和池体第二侧壁（407）上沿垂直于池体第一侧壁（406）和池体第二侧壁（407）的方向开有多个光反射孔（412），光反射孔（412）与折线形沟道（410）相通； 

在所述池体上表面（405）上开设有进气孔（415）和出气孔（416），待测气体从所述进气孔（415）进入所述折线型气室，沿折线形沟道（410）流动，从出气孔（416）流出所述折线型气室； 

所述气体吸收池（400）还具有池体第三侧壁（408）和池体第四侧壁（409），其中，所述池体第三侧壁（408）和池体第四侧壁（409）分别与池体第二侧壁（407）成预设度数的加角；在池体第三侧壁（408）上沿垂直于池体第三侧壁的方向开有光入射孔（411），所述光入射孔（411）与折线形沟道（410）相通；在池体第四侧壁（409）上沿垂直于池体第四侧壁（409）的方向开有光出射孔（413），所述光出射孔（413）与折线形沟道（410）相通。 

8.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述检测装置还包括：冷却管路，连接在待测气体的排放出口与所述气体吸收池的折线型气室的进气孔（415）之间，以将冷却后的待测传送至所述气体吸收池内。 

9.根据权利要求8所述的检测装置，其特征在于，所述检测装置还包括：过滤器及气液分离器，连接在冷却管路的末端和所述气体吸收池的折线型气室的进气孔（415）之间，以过滤待测气体中的杂质及液体。 

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