CN203287309U - 双腔甲烷气体浓度灵敏检测装置 - Google Patents

Abstract

双腔甲烷气体浓度灵敏检测装置，属于气体浓度检测领域。本实用新型为了解决现有的气体浓度测量装置稳定性及重复性较差，成本高的问题。连接挡板将高漫反射双腔分隔为入射腔和出射腔，连接板上开有双腔连通孔，第一楔形石英镜片和第二楔形石英镜片安装在入射孔及出射孔内，可调谐多模二极管激光器和探测器与楔形石英镜片对应设置，正弦波信号发生器和锯齿波信号发生器并列设置且分别与耦合器连接，耦合器与激光电流控制器连接，激光电流控制器和激光温度控制器与可调谐多模二极管激光器连接，探测器、正弦波信号发生器和锯齿波信号发生器均与数据采集卡连接，数据采集卡与嵌入式微机系统连接。本实用新型用于检测甲烷气体浓度。

Description

双腔甲烷气体浓度灵敏检测装置

技术领域

本实用新型涉及一种甲烷气体浓度检测装置，具体涉及一种双腔甲烷气体浓度灵敏检测装置，属于气体浓度检测领域。

背景技术

气体浓度实时在线监测在工业生产、生物医药及环境监测领域都具有非常重要的意义。甲烷是天然气的主要化学组成物质，其体积浓度>4.9%时遇到明火或静电即可产生爆炸，因此在煤矿和家庭中对低浓度甲烷的灵敏检测对提高工作和生活的安全性至关重要。

可调谐二极管激光吸收光谱技术（Tunable diode laser absorptionspectroscopy-TDLAS）具有高灵敏、高分辨、高速度、可实时在线监测的优点使其成为目前光学气体监测的主流方法。用TDLAS技术可以提高甲烷的探测灵敏度，在TDLAS的基础上增加光程可以进一步提高探测灵敏度，降低甲烷的探测限。多通池具有很强的延长光程的能力，也是目前最常用光程延长方法，但多通池对入射角有一定的要求才能实现较好的光路延长，而且入射角微小的变化都会导致很大的光程改变，所以稳定性及重复性较差，而其内部精密的光学器件又导致多通池具有较高的价格，进而提高整个探测装置的成本。

实用新型内容

本实用新型为了解决现有的气体浓度测量装置稳定性及重复性较差，成本高的问题，进而提供一种双腔甲烷气体浓度灵敏检测装置。

本实用新型为了解决上述技术问题所采取的技术方案是：

实用新型所述双腔甲烷气体浓度灵敏检测装置包括高漫反射双腔、连接挡板、进气口、排气口、第一楔形石英镜片、第二楔形石英镜片、正弦波信号发生器、锯齿波信号发生器、耦合器、嵌入式微机系统、激光电流控制器、可调谐多模二极管激光器、探测器、数据采集卡、激光温度控制器和底板；

所述高漫反射双腔、第一楔形石英镜片、第二楔形石英镜片、正弦波信号发生器、锯齿波信号发生器、耦合器、嵌入式微机系统、激光电流控制器、可调谐多模二极管激光器、探测器、数据采集卡和激光温度控制器均安装在底板上；

所述高漫反射双腔的上方设置有进气口，高漫反射双腔的下方设置有排气口，所述连接挡板设置在高漫反射双腔内，并将高漫反射双腔分隔为入射腔和出射腔，连接挡板上开有双腔连通孔，所述入射腔上开有入射孔，出射腔上开有出射孔，第一楔形石英镜片安装在入射孔内，第二楔形石英镜片安装在出射孔内，可调谐多模二极管激光器与第一楔形石英镜片对应设置，探测器与第二楔形石英镜片对应设置，正弦波信号发生器和锯齿波信号发生器并列设置且分别与耦合器连接，耦合器与激光电流控制器连接，激光电流控制器和激光温度控制器与可调谐多模二极管激光器连接，正弦波信号发生器产生的正弦波和锯齿波信号发生器产生的扫描锯齿波通过耦合器耦合加载到激光电流控制器上，激光电流控制器用于控制可调谐多模二极管激光器的工作电流，激光温度控制器用于控制可调谐多模二极管激光器的工作温度；

可调谐多模二极管激光器的调制输出光经过第一楔形石英镜片进入到高漫反射双腔中，调制输出光经过第二楔形石英镜片后由探测器接收，探测器、正弦波信号发生器和锯齿波信号发生器均与数据采集卡连接，数据采集卡与嵌入式微机系统连接，探测器将光信号转换成电信号后由数据采集卡采集，锯齿波信号发生器的触发信号，以及正弦波信号发生器的调制信号一起输入到数据采集卡中，数据采集卡将采集到的信号送入嵌入式微机系统进行分析处理。

优选的：所述探测器为光电探测器。

优选的：所述嵌入式微机系统由微型处理器和LED显示器连接组成。

优选的：所述可调谐多模二极管激光器为1.3μm可调谐二极管激光器。

优选的：所述连接挡板上的双腔连通孔占连接挡板面积的二十二分之一。

优选的：所述高漫反射双腔内壁上均匀涂有具有从可见到近红外波段的高反膜。

本实用新型与现有技术相比具有以下效果：本实用新型的双腔甲烷气体浓度灵敏检测装置是一种快速、灵敏的在线监测装置。在继承TDLAS技术高灵敏的优势基础上，利用高漫反射双腔结构增加光程，进一步提高探测灵敏度。同时，高漫反射双腔结构充分利用空间，便于仪器的小型化，实验结构表明，使用高漫反射双腔结构比同体积的立方体单腔结构在测量灵敏度上有大幅度的提高，而且本实用新型的双腔甲烷气体浓度灵敏检测装置稳定性及重复性好，成本低。

附图说明

图1是本实用新型所述双腔甲烷气体浓度灵敏检测装置的结构示意图。

图中：

1-高漫反射双腔、2-连接挡板、3-进气口、4-排气口、5-第一楔形石英镜片、6-第二楔形石英镜片、7-正弦波信号发生器、8-锯齿波信号发生器、9-耦合器、10-嵌入式微机系统、11-激光电流控制器、12-可调谐多模二极管激光器、13-探测器、14-数据采集卡、15-激光温度控制器、16-底板。

具体实施方式

下面根据附图详细阐述本实用新型优选的实施方式。

如图1所示，本实用新型所述双腔甲烷气体浓度灵敏检测装置包括高漫反射双腔1、连接挡板2、进气口3、排气口4、第一楔形石英镜片5、第二楔形石英镜片6、正弦波信号发生器7、锯齿波信号发生器8、耦合器9、嵌入式微机系统10、激光电流控制器11、可调谐多模二极管激光器12、探测器13、数据采集卡14、激光温度控制器15和底板16；

所述高漫反射双腔1、第一楔形石英镜片5、第二楔形石英镜片6、正弦波信号发生器7、锯齿波信号发生器8、耦合器9、嵌入式微机系统10、激光电流控制器11、可调谐多模二极管激光器12、探测器13、数据采集卡14和激光温度控制器15均安装在底板16上；

所述高漫反射双腔1的上方设置有进气口3，高漫反射双腔1的下方设置有排气口4，所述连接挡板2设置在高漫反射双腔1内，并将高漫反射双腔1分隔为入射腔1-1和出射腔1-2，连接挡板2上开有双腔连通孔，所述入射腔1-1上开有入射孔，出射腔1-2上开有出射孔，第一楔形石英镜片5安装在入射孔内，第二楔形石英镜片6安装在出射孔内，可调谐多模二极管激光器12与第一楔形石英镜片5对应设置，探测器13与第二楔形石英镜片6对应设置，正弦波信号发生器7和锯齿波信号发生器8并列设置且分别与耦合器9连接，耦合器9与激光电流控制器11连接，激光电流控制器11和激光温度控制器15与可调谐多模二极管激光器12连接，正弦波信号发生器7产生的正弦波和锯齿波信号发生器8产生的扫描锯齿波通过耦合器9耦合加载到激光电流控制器11上，激光电流控制器11用于控制可调谐多模二极管激光器12的工作电流，激光温度控制器15用于控制可调谐多模二极管激光器12的工作温度，

可调谐多模二极管激光器12的调制输出光经过第一楔形石英镜片5进入到高漫反射双腔1中，调制输出光经过第二楔形石英镜片6后由探测器13接收，探测器13、正弦波信号发生器7和锯齿波信号发生器8均与数据采集卡14连接，数据采集卡14与嵌入式微机系统10连接，探测器13将光信号转换成电信号后由数据采集卡14采集，锯齿波信号发生器8的触发信号，以及正弦波信号发生器7的调制信号一起输入到数据采集卡14中，数据采集卡14将采集到的信号送入嵌入式微机系统10进行分析处理。

所述探测器13为光电探测器。

所述嵌入式微机系统10由微型处理器和LED显示器连接组成。

所述可调谐多模二极管激光器12为1.3μm可调谐二极管激光器。

所述连接挡板2上的双腔连通孔占连接挡板2面积的二十二分之一。

所述高漫反射双腔1内壁上均匀涂有具有从可见到近红外波段的高反膜。

本实施方式中第一楔形石英镜片5和第二楔形石英镜片6一方面用于密封入射孔和出射孔；另一方面防止激光由于镜片产生干涉条纹，若石英镜片为等厚度的镜片，则由于干涉产生的条纹将极大的影响二次谐波信号形状及强度，因此楔形镜片可以有效的减小干涉条纹。

本实施方式中正弦波信号发生器7产生频率为f1的调制正弦波和锯齿波信号发生器8产生频率为f2的扫描锯齿波通过耦合器9耦合加载到可调谐多模二极管激光器12的注入电流上，实现对输出激光的调制；激光电流控制器11和激光温度控制器15可以控制可调谐多模二极管激光器12的工作电流和工作温度。所述的可调谐多模二极管激光器12的调制输出激光经过第一楔形石英镜片5进入装有待测甲烷气体的入射腔1-1内，被调制的激光在入射腔1-1内与被测甲烷气体相互作用，同时，由连接挡板2上的双腔连通孔进入出射腔1-2内，并与出射腔1-2内的甲烷气体继续相互作用，最后由出射孔射出，并由探测器13接收，探测器13将光信号转换成电信号后由数据采集卡14采集，锯齿波信号发生器8的触发信号，以及正弦波信号发生器7的调制信号一起输入到数据采集卡14中，数据采集卡14将采集到的电信号送入嵌入式微机系统10进行分析处理，最后得到被测甲烷气体浓度。

本实用新型使用波长调制光谱技术，将一个较高频率的调制正弦波信号和一个低频的扫描锯齿波信号耦合后加载到可调谐多模二极管激光器的注入电流中，并通过调整激光控制器的温度，使得可调谐多模二极管激光器输出的中心波长能完整地扫描过待测甲烷气体的吸收线。所述正弦波信号发生器7产生的正弦信号的调制频率f1为锯齿波信号发生器8产生的锯齿波调制频率f2的一千倍，如若锯齿波信号发生器8产生的锯齿波频率为10Hz，则正弦波信号发生器7产生的正弦波调制频率为10kHz。激光通过高漫反射双腔1，并与高漫反射双腔1内的甲烷气体相互作用，并由探测器接收，最后通过探测器将光信号转化成电信号被数据卡采集，最终被送嵌入式微机系统进行数据分析处理，最后给出浓度信息。待测气体浓度的表达式可以表示为：N=1.95kΔA/αMD，式中N为积分球中待测气体浓度，k为谐波信号和直接吸收信号比例系数，ΔA谐波信号峰值，α是待测气体的吸收截面，M是积分球的反射系数，D为高漫反射双腔1的直径。

本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

Claims (5)

1.双腔甲烷气体浓度灵敏检测装置，它包括高漫反射双腔（1）、连接挡板（2）、进气口（3）、排气口（4）、第一楔形石英镜片（5）、第二楔形石英镜片（6）、正弦波信号发生器（7）、锯齿波信号发生器（8）、耦合器（9）、嵌入式微机系统（10）、激光电流控制器（11）、可调谐多模二极管激光器（12）、探测器（13）、数据采集卡（14）、激光温度控制器（15）和底板（16）；

其特征在于：所述高漫反射双腔（1）、第一楔形石英镜片（5）、第二楔形石英镜片（6）、正弦波信号发生器（7）、锯齿波信号发生器（8）、耦合器（9）、嵌入式微机系统（10）、激光电流控制器（11）、可调谐多模二极管激光器（12）、探测器（13）、数据采集卡（14）和激光温度控制器（15）均安装在底板（16）上；

所述高漫反射双腔（1）的上方设置有进气口（3），高漫反射双腔（1）的下方设置有排气口（4），

所述连接挡板（2）设置在高漫反射双腔（1）内，并将高漫反射双腔（1）分隔为入射腔（1-1）和出射腔（1-2），连接挡板（2）上开有双腔连通孔，所述入射腔（1-1）上开有入射孔，出射腔（1-2）上开有出射孔，第一楔形石英镜片（5）安装在入射孔内，第二楔形石英镜片（6）安装在出射孔内，可调谐多模二极管激光器（12）与第一楔形石英镜片（5）对应设置，探测器（13）与第二楔形石英镜片（6）对应设置，正弦波信号发生器（7）和锯齿波信号发生器（8）并列设置且分别与耦合器（9）连接，耦合器（9）与激光电流控制器（11）连接，激光电流控制器（11）和激光温度控制器（15）与可调谐多模二极管激光器（12）连接，正弦波信号发生器（7）产生的正弦波和锯齿波信号发生器（8）产生的扫描锯齿波通过耦合器（9）耦合加载到激光电流控制器（11）上，激光电流控制器（11）用于控制可调谐多模二极管激光器（12）的工作电流，激光温度控制器（15）用于控制可调谐多模二极管激光器（12）的工作温度；

可调谐多模二极管激光器（12）的调制输出光经过第一楔形石英镜片（5）进入到高漫反射双腔（1）中，调制输出光经过第二楔形石英镜片（6）后由探测器（13）接收，探测器（13）、正弦波信号发生器（7）和锯齿波信号发生器（8）均与数据采集卡（14）连接，数据采集卡（14）与嵌入式微机系统（10）连接，探测器（13）将光信号转换成电信号后由数据采集卡（14）采集，锯齿波信号发生器（8）的触发信号，以及正弦波信号发生器（7）的调制信号一起输入到数据采集卡（14）中，数据采集卡（14）将采集到的信号送入嵌入式微机系统（10）进行分析处理。

2.根据权利要求1所述的双腔甲烷气体浓度灵敏检测装置，其特征在于：所述探测器（13）为光电探测器。

3.根据权利要求2所述的双腔甲烷气体浓度灵敏检测装置，其特征在于：所述嵌入式微机系统（10）由微型处理器和LED显示器连接组成。

4.根据权利要求3所述的双腔甲烷气体浓度灵敏检测装置，其特征在于：所述可调谐多模二极管激光器（12）为1.3μm可调谐二极管激光器。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的双腔甲烷气体浓度灵敏检测装置，其特征在于：所述连接挡板（2）上的双腔连通孔占连接挡板（2）面积的二十二分之一。

Images