CN212514258U - 一种二氧化碳同位素检测设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种二氧化碳同位素检测设备，包括：中红外激光器，直射式的吸收池，中红外检测装置和用于产生负压的气路模块；吸收池在长度方向的两端分别设有第一透明窗和第二透明窗；吸收池设有密闭空腔；中红外激光器设置在第一透明窗外侧，用于发出依次透过第一透明窗和第二透明窗的中红外光线；中红外检测装置设置在第二透明窗外侧，用于接收透过第二透明窗的中红外光线。通过本实用新型实施例提供的碳同位素检测设备，可以减小所需的光程，使得直射式的吸收池也可满足需求，能够减小吸收池的尺寸；中红外光线经过吸收池时不存在标准具干涉，且低压状态可以避免吸收线交叉干扰，从而能够提高测量精度，且稳定性高。

Description

一种二氧化碳同位素检测设备

技术领域

本实用新型涉及二氧化碳气体同位素检测技术领域，具体而言，涉及一种二氧化碳同位素检测设备。

背景技术

目前，现有二氧化碳气体同位素丰度检测通常采用NDIR(Non-DispersiveInfraRed，非分散红外)技术和IRMS(Isotope Ratio Mass Spectrometry，同位素比例质谱)技术。

IRMS技术测量同位素的基本原理是依据分子质荷比不同所造成在磁场弯曲路径不同而区分同位素分子。该方法无法分辨分子质量相同的异构体，另外，IRMS技术检测需要预处理和真空环境，且仪器系统庞大、操作复杂造价昂贵，只能进行实验室分析，具有一定的局限性，尤其不适合实时在线测量。

NDIR技术的原理基于朗伯比尔定律，即根据每种同位素气体特定吸收峰来选择窄带干涉滤光片，使红外光源和吸收峰相同的特定波长光通过，穿过吸收池内气团后的光被探测器接收，利用探测到的光信号的衰减来量化待测气体的浓度，从而计算出每种CO₂碳同位素气体浓度，进而计算出丰度。其中，光线需要具有足够长的光程才能达到检测精度要求，从而导致吸收池尺寸较长；怀特池采用多次折返的方式达到所需光程，但因窄带滤光片带宽较大，不同同位素气体之间有交叉干扰，且多次折返的光线之间也会存在干扰，影响测量精度，且稳定性差。

实用新型内容

为解决传统检测设备测量精度差的问题，本实用新型实施例的目的在于提供一种二氧化碳同位素检测设备。

本实用新型实施例提供了一种二氧化碳同位素检测设备，包括：激光器模块、气路模块和探测器模块；所述激光器模块包括中红外激光器，所述气路模块包括直射式的吸收池，所述探测器模块包括中红外检测装置；

所述吸收池在长度方向的两端分别设有第一透明窗和第二透明窗；在所述第一透明窗与所述第二透明窗之间，所述吸收池设有用于放置待测气体的密闭空腔；

所述中红外激光器设置在所述第一透明窗外侧，用于发出依次透过所述第一透明窗和所述第二透明窗的中红外光线；

所述中红外检测装置设置在所述第二透明窗外侧，用于接收透过所述第二透明窗的所述中红外光线。

本实用新型实施例上述提供的方案中，采用中红外激光器作为光源，利用中红外光线进行检测，可以减小所需的光程，使得直射式的吸收池也可满足需求，还能够减小吸收池的尺寸；且不需要在吸收池内设置多次折返的部件，中红外光线经过吸收池时不存在标准具干涉，从而能够提高测量精度，且稳定性高。采用该中红外光线，多种二氧化碳同位素都具有较强的吸收，且无水吸收峰的干扰，能够同时对多种二氧化碳同位素进行准确检测。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

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示出了本实用新型实施例所提供的二氧化碳同位素检测设备的第一结构示意图；

图2示出了本实用新型实施例中，2.0μm附近的吸收强度谱线；

图3示出了本实用新型实施例中，4.3μm附近的吸收强度谱线；

图4示出了本实用新型实施例所提供的二氧化碳同位素检测设备的第二结构示意图；

图5示出了本实用新型实施例所提供的二氧化碳同位素检测设备的气路管路的第一结构示意图；

图6示出了本实用新型实施例所提供的二氧化碳同位素检测设备的气路管路的第二结构示意图；

图7示出了本实用新型实施例所提供的二氧化碳同位素检测设备的气路管路中，扩展组件的结构示意图；

图8示出了本实用新型实施例所提供的二氧化碳同位素检测设备中，吸收池的剖视结构示意图；

图9示出了本实用新型实施例所提供的二氧化碳同位素检测设备中，吸收池的一种轴测图。

图标：1-激光器模块、2-气路模块、3-探测器模块、4-主控模块、5-密封壳体、11-中红外激光器、12-激光器电流驱动单元、13-激光器温度控制单元、21-吸收池、211-第一透明窗、212-第二透明窗、213-密闭空腔、214-进气管路、215-出气管路、216-第一槽孔、217-第二槽孔、22-进气单元、221-二氧化碳过滤器、222-采样组件、2221-采样口、223-水蒸气过滤器、224-扩展组件、2241-扩展进样口、23-压力传感器、24-气缸、25-排气处理器、261-外壳、262-保温层、263-加热膜、264-隔热支架、31-中红外检测装置、32-信号处理单元、33-制冷控制单元、SV1-出气控制阀、SV2-进气控制阀、SV3-采样控制阀、SV4-扩展控制阀。

具体实施方式

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在完成本实用新型创造的过程中，实用新型人发现，传统吸收池(如怀特池等)需要采用多侧折返方式的原因在于检测激光通常为近红外光线，其吸收线强较中红外的低；本实用新型实施例提供的一种二氧化碳同位素检测设备基于中红外光线实现检测，中红外光的吸收线强高于近红外光吸收线强1～3个数量级，吸收线强较高，不需要太长的光程或精确的腔操作就可以达到一定的吸收深度，可以有效减小光程。参见图1所示，该检测设备包括：激光器模块1、气路模块2和探测器模块3；其中，激光器模块1包括中红外激光器11，气路模块2包括直射式的吸收池21，探测器模块3包括中红外检测装置31。其中，直射式的吸收池21指的是该吸收池21允许光线直射穿过。具体地，吸收池21在长度方向的两端分别设有第一透明窗211和第二透明窗212；在第一透明窗211与第二透明窗212之间，吸收池21设有用于放置待测气体的密闭空腔213。

本实施例中，中红外激光器11设置在第一透明窗211外侧，如图1的左侧，用于发出依次透过第一透明窗211和第二透明窗212的中红外光线；中红外检测装置31设置在第二透明窗212外侧，如图1的右侧，用于接收透过第二透明窗212的中红外光线。

本实用新型实施例中，用于产生检测激光的激光器为中红外激光器11，该中红外激光器11可以发出中红外光线，本实施例中，“中红外”对应2.5微米～25微米(μm)之间的波段范围，相应的中红外光线的波长也在该波段范围内；该波段范围具体可以是4～5μm。将中红外光线作为检测光线，可以减小检测光线的光程，从而可以减小吸收池21的体积(特别是减小其长度)，或者不需要吸收池21采用类似怀特池的多次折返结构。本实施例中的吸收池21为直射式的吸收池，即检测光线可以直接从吸收池21的一侧射向另一侧，光线不需要折返。如图1所示，吸收池21在长度方向的两端分别设有第一透明窗211和第二透明窗212，且吸收池21内设有能够放置待测气体的空腔，即密闭空腔213(图1中未示出)，使得中红外激光器11发出的中红外光线可以依次穿过第一透明窗211、密闭空腔213、第二透明窗212，并能够与密闭空腔213内的待测气体(如二氧化碳等)发生吸收反应，使得第二透明窗212外侧的中红外检测装置31可以接收从吸收池21中射出的中红外光线，进而能够提取出该待测气体的吸收光谱，从而进行分析。

其中，该中红外检测装置31具体可以是中红外光电传感器，如铟砷锑中红外光电传感器，其能够将中红外光线对应的光谱信号转换为电信号，方便后续分析处理。两个透明窗(即第一透明窗和第二透明窗)均具有较高的透光率(如透光率高于80％等)，在允许激光等光线透过的同时，还能密封该密闭空腔213的两端，避免待测气体泄露。透明窗是由透明材料制成的窗体，具体可以为白宝石镜片。

此外，为了提高分析效果，本实施例中基于中红外波段的吸收峰谱线确定本实施例所采用的波段。具体地，二氧化碳同位素分析主要集中在2.0μm、2.7μm、4.3μm等吸收波段；此外，二氧化碳同位素包括¹⁶O¹²C¹⁸O(16O12C18O)、¹³C¹⁶O₂(16O13C16O)、¹²C¹⁶O₂(16O12C16O)等。图2示出了2.0μm附近的吸收强度谱线；其中，2.0μm波段附近¹²C¹⁶O₂有较强的吸收谱线，但¹³C¹⁶O₂谱线较弱，且低两个数量级(10^-23)，而¹³C¹⁶O₂本身浓度相对较低，因此需要较长的吸收光程才可以准确检测，从而导致两者不能再同一个吸收池的气室完成精确测量。此时需要两套气室和激光器，设备复杂，成本高。2.7μm波段附近满足基本要求，但是2.7μm波段有较强的水吸收峰干扰，需要复杂的除水装置。4.3μm附近的吸收强度谱线可参见图3所示，¹²C¹⁶O₂和¹³C¹⁶O₂波长间距满足1-2nm以内，具有很强的吸收，其中含有¹³C¹⁶O₂大于¹²C¹⁶O₂吸收强度的吸收峰，在很短的吸收光程中即可完成¹³C的高精度检测，因此吸收池21尺寸可以较小；此外，¹⁶O¹²C¹⁸O的吸收强度也较强，可以实现在1-2nm同时高精度检测三组分，且中间无水吸收峰的干扰，增加了¹⁸O的检测功能，使得该设备可以同时测量¹²C、¹³C、¹⁸O等多种同位素。因此，本实施例中采用4.3～4.35μm对应的中红外波段，即中红外光线的波长为4.3～4.35μm，如4.33μm。

本实施例中，该吸收池21的密闭空腔213为条状结构，以保证中红外光线可以直射穿过密闭空腔213。且如上所述，本实施例采用中红外光线作为检测光线，可以减小吸收池21的尺寸。具体地，该密闭空腔31的长度为10-100mm，光程较短，密闭空腔213的截面尺寸为3-6mm，该截面尺寸具体可以为长度、宽度或直径。例如，密闭空腔213为圆柱状结构，其长度为50mm，截面直径为4mm，则其能通入的气体体积仅为0.628ml，使得小体积的吸收池21也能适用于该二氧化碳同位素检测设备，能够减小检测设备的体积。

本实用新型实施例提供的一种二氧化碳同位素检测设备，采用中红外激光器11作为光源，利用中红外光线进行检测，可以减小所需的光程，使得直射式的吸收池21也可满足需求，还能够减小吸收池21的尺寸；且不需要在吸收池内设置多次折返的部件，中红外光线经过吸收池21时不存在标准具干涉，从而能够提高测量精度，且稳定性高。采用该中红外光线，多种二氧化碳同位素都具有较强的吸收，且无水吸收峰的干扰，能够同时对多种二氧化碳同位素进行准确检测，例如可检测二氧化碳同位素丰度。

在上述实施例的基础上，参见图4所示，该激光器模块1还包括：激光器电流驱动单元12、激光器制冷片、第一温度传感器和激光器温度控制单元13。其中，激光器电流驱动单元12与中红外激光器11相连，用于将激光驱动波形转换为电流驱动信号，驱动中红外激光器11发出带波长调制的中红外光线。

第一温度传感器设置在中红外激光器11处，用于测量中红外激光器11的第一温度信号，并将第一温度信号发送至激光器温度控制单元13；激光器温度控制单元13用于根据第一温度信号控制激光器制冷片的电流大小和/或电流方向；激光器制冷片设置在中红外激光器11处，用于对中红外激光器11进行控温。

本实用新型实施例中，在中红外激光器11内部设有第一温度传感器，该第一温度传感器具体可以是热敏电阻，用于采集中红外激光器11的温度，进而可以产生相应的温度信号，即第一温度信号。该第一温度传感器与激光器温度控制单元13相连，可以将第一温度信号发送至激光器温度控制单元13，使得激光器温度控制单元13可以控制激光器制冷片的电流大小和/或电流方向。其中，该激光器制冷片具体可以是TEC(Thermo ElectricCooler，半导体制冷器)制冷片，其设置在中红外激光器11内部；激光器温度控制单元13可以基于PID(Proportion Integral Differential，比例积分微分)等控制方式控制该激光器制冷片的电流大小和电流方向，从而实现对中红外激光器11管芯温度的精确控制，精度能够达到±0.01℃，利于实现激光稳频。此外，中红外激光器11发射的特定波长由激光器温度和激光器电流驱动决定，因此通过调节激光器的恒温控制点可以对中红外激光器11输出的波长进行粗调。

在中红外激光器11工作温度稳定的情况下，上述激光器电流驱动单元12能够将激光驱动波形进行数字合成，并转换成电流驱动信号，从而可以施加到中红外激光器11的电流输入端，实现中红外激光器11的电流调谐过程。具体地，该激光驱动波形可以包括低频(如5Hz)三角波和高频(如5KHz)的正弦波，低频三角波为调谐信号，高频正弦波为调制信号，采用高频的调制信号，能大大减少背景噪声；本实施例中，“低频”和“高频”为相对的概念，即正弦波的频率高于三角波的频率。如图4所示，该激光驱动波形具体可以由主控模块4生成。本实施例中，基于低频三角波的扫描可以实现对中红外激光器11输出波长的细调，从而能够输出所需的中红外光线，且该中红外光线为带波长调制的。

可选地，参见图4所示，该二氧化碳同位素检测设备还包括主控模块4；且该探测器模块3还包括：信号处理单元32。具体地，信号处理单元32与中红外检测装置31相连，用于接收中红外检测装置31采集到的、与中红外光线相对应的电信号，并对电信号进行相应处理。主控模块4与信号处理单元32相连，用于接收处理后的电信号，并根据处理后的电信号进行二氧化碳同位素检测处理，确定待测气体的二氧化碳同位素参数。

本实用新型实施例中，中红外激光器11发射特定波长的中红外光线，该中红外光线经过吸收池21吸收后形成相应的光谱信号，中红外检测装置31可以将光谱信号转换为微弱的电信号(一种电流信号)，此时需要基于信号处理单元32对该电信号进行放大等处理。可选地，该信号处理单元32可以包括依次串联的前置放大电路、主放大电路、分频电路和单转转差分放大电路。其中，前置放大电路用于将微弱的电流信号转换为电压信号，具体可以采用低偏置电流、低失调电压的电流放大器。主放大电路用于对前置级的电压信号进行放大，如放大到2-3V等，其具体可通过一级或多级运放实现。分频电路用于通过滤波器将调制信号和调谐信号分开，并对调制信号进一步放大，例如，通过高通滤波器和低通滤波器将5Hz三角波和5KHz正弦波信号分开，并将正弦波信号进一步放大到3-4V。单转转差分放大电路用于将分频电路输出的信号转换为差分信号，之后即可对该差分信号进行模数转换，并最终输入至主控模块4，使得主控模块4可以进行二氧化碳同位素检测处理，进而确定待测气体的二氧化碳同位素参数，其中，该二氧化碳同位素参数具体可以为二氧化碳同位素的浓度、丰度等。其中，在确定能够表示光谱信号的信号之后，二氧化碳同位素检测处理的处理过程是现有的成熟技术，此处不做详述。

可选地，探测器模块3还包括：传感器制冷片、第二温度传感器和制冷控制单元33。其中，第二温度传感器设置在中红外检测装置31处，用于测量中红外检测装置31的第二温度信号，并将第二温度信号发送至制冷控制单元33；制冷控制单元33用于根据第二温度信号控制传感器制冷片的电流大小和/或电流方向；传感器制冷片设置在中红外检测装置31处，用于对中红外检测装置31进行吸热。

本实用新型实施例中，与上述对中红外激光器11进行温控制冷的原理相似，该第二温度传感器可以设置在中红外检测装置31内，以准确检测该中红外检测装置31的温度，并生成相应的第二温度信号；之后，与该第二温度传感器相连的制冷控制单元33即可基于该第二温度信号控制传感器制冷片进行吸热，从而实现制冷。其中，该传感器制冷片也可以为TEC制冷片，并可通过多级(如两级)叠加传感器制冷片的方式对该中红外检测装置31进行有效制冷。制冷控制单元33可以基于PID等控制方式控制该传感器制冷片的电流大小和电流方向。

在上述实施例的基础上，参见图4所示，吸收池21设有与密闭空腔213相连通的进气管路214和出气管路215，出气管路215与气缸24连通，气路模块2通过该气缸24抽气操作，通过该进气管路214和出气管路215即可将待测气体吸入至吸收池21内。具体地，参见图5所示，该气路模块2还包括：进气单元22、压力传感器23、出气控制阀SV1、气缸24和排气处理器25。其中，压力传感器23可以设置在进气管路214内、出气管路215内或密闭空腔213内；且参见图4和图所示，进气单元22与进气管路214相连通；出气控制阀SV1的第一端与出气管路215相连通，出气控制阀SV1的第二端与排气处理器25相连通，出气控制阀SV1的公共端与气缸24相连通。在出气控制阀SV1的第一端与公共端导通、且进气单元22导通时，气缸24对吸收池21进行抽气以完成取样；在出气控制阀SV1的第二端与公共端导通时，气缸24回压，从而能够将气缸24内的气体排至排气处理器25中，排除气缸24内气体。在出气控制阀SV1的第一端与公共端导通、且进气单元22截止时，气缸24对吸收池21进行抽气，直至压力传感器23所检测的压力值符合预设条件。

本实用新型实施例中，该进气单元22接入进气管路214，从而可以将待测气体充入至吸收池21内。出气控制阀SV1为一种三通阀，其设有公共端、第一端和第二端，并具有两种导通状态：公共端与第一端导通、公共端与第二端导通；该出气控制阀SV1具体可以为三通电磁阀，通过主控模块4可控制该出气控制阀SV1的导通状态。本实用新型实施例中，在出气控制阀SV1的第一端与公共端导通、且进气单元22导通时，气缸24、吸收池21、进气单元22相连通，此时气缸22进行抽气，从而可以将进气单元22处的待测气体抽入至吸收池21中，实现取样。在出气控制阀SV1的第一端与公共端导通、且进气单元22截止时，气缸24与出气管路215相连通，即气缸24可以与该吸收池21连通，气缸24抽气使得吸收池21处于负压状态，方便对待测气体进行精准检测；气缸24停止抽气时也能实现保压。其中，在进气管路214内、出气管路215内或密闭空腔213内设有压力传感器23，基于该压力传感器23可以确定吸收池21内的压力是否符合要求。当出气控制阀SV1的第二端与公共端导通时，气缸24与该排气处理器25导通，此时气缸24回压即可将气缸24内的气体排到排气处理器25中进行处理；排气完成后还可对气体吸收池进行清洗。

本实用新型实施例中，该气路模块2通过压力监测、阀门控制以及抽气等，实现负压环境。其中，该检测设备可以设有主控模块4，主控模块4与压力传感器23相连；基于压力传感器23检测到的压力值，主控模块控制阀门通断、气缸24的工作状态(开启、停止、气缸运行速度设置等)等；其中，气缸24在步进电机的作用下实现负压抽取。

具体地，该检测设备的工作流程具体如下：将出气控制阀SV1的第一端与公共端导通，并导通进气单元22，例如打开进气控制阀SV2，此时气缸24执行抽气操作，从而可以将进气单元22处的待测气体抽入至吸收池21中，实现气体进样。在气体进样结束后，主控模块4切换出气控制阀SV1，即控制出气控制阀SV1的第二端与公共端导通，此时气缸24与排气处理器25连通，气缸24回压即可将气缸24内的气体排至排气处理器25中，使得气缸24恢复至初始状态，以方便执行下一次抽气操作。其中，排气处理器25具体可以为排气接口，用于排出气缸24内的气体；可选地，该排气处理器25还可以具有过滤功能，用于将气缸24排出的气体过滤一下，之后再排到大气环境中，以避免样气中的有毒气体被随意排出。

同时，关断进气单元22，使得进气单元22截止，例如，可以关断进气单元22的进气控制阀SV2。之后主控模块4可以控制出气控制阀SV1的第一端与公共端导通，且主控模块4设置步进电机的参数，通过步进电机控制气缸24进行抽气操作，并通过压力传感器23实时检测吸收池21内的压力，在吸收池21内的压力值符合预设条件时，停止抽气操作。其中，该预设条件具体可以为压力值范围10-25Kpa，即当吸收池21的压力满足该10-25Kpa时，即可停止抽气操作，此时具体可以停止步进电机的工作，或者关闭出气控制阀SV1，例如控制出气控制阀SV1的第二端与公共端导通。此时，可以进行检测，检测完成后，主控模块4可以控制气缸24与排气处理器25连通，即控制出气控制阀SV1的第二端与公共端导通，从而可以进行排气回压操作。

本实用新型实施例中，该气路模块2可以将吸收池21内的气体抽气至低压状态，如10-25Kpa的低压状态下。由于吸收信号的线型受压力影响很大，低压状况下，分子吸收谱线展宽减小，这种状况下的分子谱线线宽，压力越低线宽越窄。虽然压力越低线宽越小，相互之间越独立，但是在一定的温度，由于压力与分子数正反比，因此压力过低会导致气体吸收池内的分子数减少，影响测量精度。本实施例将压力限制在10-25Kpa，吸收信号之间已经可以相互分开，且压力不是太低，减少了气体间的吸收线的交叉干扰。因此，将低压状态作为检测环境能有效避免吸收线交叉干扰，提高检测精度。

可选地，如图5所示，进气单元22包括二氧化碳过滤器221、采样组件222、水蒸气过滤器223和进气控制阀SV2；其中，该采样组件222包括采样口2221和采样控制阀SV3。本实施例中，采样口2221与采样控制阀SV3的第一端相连通，二氧化碳过滤器221与采样控制阀SV3的第二端相连通；水蒸气过滤器223的一端与采样控制阀SV3的公共端相连通，水蒸气过滤器223的另一端与进气控制阀SV2的进气端相连通，进气控制阀SV2的出气端与进气管路214相连通。

本实用新型实施例中，二氧化碳过滤器221的输入端可以通入空气，其可以过滤掉空气中的二氧化碳等，避免空气中的二氧化碳气体对检测结果造成影响。水蒸气过滤器223用于过滤掉气体中的水蒸气，避免水蒸气凝结到气路管路或气缸中。采样组件222用于采样待测气体，并将待测气体通过采样控制阀SV3、水蒸气过滤器223、进气控制阀SV2后送入到吸收池21内。其中，采样组件222可以为多个，且可以分为多种；本实施例中，采样口2221具体可以有至少三种：为进样采样口、实时采样口、扩展采样口。参见图6所示，采样组件222为多个时，多个采样组件222的采样控制阀SV3串联连接。

本实用新型实施例中，待测气体主要分为三类：样本气体、实时采样的气体以及扩展方式采集到的气体，相应的，三类气体可分别基于进样采样口、实时采样口、扩展采样口分别充入至吸收池21内；为了避免不同采样口2221之间互相干扰，多个采样组件222采用串联连接的方式，即多个采样组件222的采样控制阀SV3串联连接。以图6所示的结构为例，二氧化碳同位素检测设备包含两个进样采样口(即进样口A1、进样口A2)，一个实时采样口(即实时口T)，四个扩展采样口(即扩展口B、扩展口C、扩展口D、扩展口E)，多个采样口对应的采样控制阀分别为SV3a1、SV3a2、SV3t、SV3b、SV3c、SV3d、SV3e。该二氧化碳同位素检测设备的工作过程可以如下：

首先执行清洗过程。该清洗过程具体为：在所有采样控制阀SV3保持关闭状态(即采样控制阀的第二端与公共端导通)时，打开进气控制阀SV2，并导通出气控制阀SV1的第一端和公共端(本实施例中，将该状态称为出气控制阀SV1为打开状态)，此时从二氧化碳过滤器221处通入空气，采用气缸24进行抽气；经过二氧化碳过滤器221、水蒸气过滤器223的过滤作用之后，空气经过吸收池21后被气缸24吸入，从而实现对吸收池21和气缸24的清洗。之后切换出气控制阀SV1的通路，即出气控制阀SV2的第二端与公共端导通，使得气缸24回压将气缸24内的气体排到排气处理器中进行处理。

之后，0分钟呼气进样时的呼气通过进样口A1进样，此时打开采样控制阀SV3a1、进气控制阀SV2和出气控制阀SV1；进样完成后关闭进气控制阀SV2，通过主控模块4控制气缸24对吸收池21抽负压，达到所需压力时，保压一定时间(如100s等)，保压期间，中红外检测装置31采集数据，经信号处理单元32处理，主控模块4进行同位素丰度计算。检测完成后，可再次执行上述的清洗过程。

30分钟呼气进样时的呼气通过进样口A2进样，此时打开采样控制阀SV3a2、进气控制阀SV2和出气控制阀SV1；进样完成后关闭进气控制阀SV2，之后通过主控模块4控制气缸24对吸收池21抽负压，达到所需压力时(如10-25KPa)，保压一定时间(如100s等)，并基于射入的中红外光线进行检测；具体地，保压期间，中红外检测装置31采集数据，经信号处理单元32处理，主控模块4进行同位素丰度计算。检测完成后，可再次执行上述的清洗过程。

实时采样口可用于进样服用试剂(如¹³C尿素试剂等)后患者实时的呼气，其检测原理与上述过程相似，区别仅在于需要打开采样控制阀SV3t。可选地，对于实时采样口SV3t对应的采样组件222，其还可以设有采样泵，此时可以基于该采样泵实现进气。

扩展采样口用于对采样口实现扩展，使得一台检测设备可以接入更多的采样口。本实用新型实施例中，在采样组件222的采样口2221可以是扩展采样口时，进气单元22还包括：多个与扩展采样口相连通的扩展组件224。参见图7所示，该扩展组件224包括扩展进样口2241和扩展控制阀SV4。其中，扩展控制阀SV4的第一端与扩展进样口2241相连通，扩展控制阀SV4的第二端用于接入空气，扩展控制阀SV4的公共端用于与扩展采样口相连通；多个扩展组件224的扩展控制阀SV4串联连接。

本实用新型实施例中，该扩展组件224与采样组件222的原理基本相似，且该扩展组件224也可包含多个，图7中以包含四个扩展组件224为例示出；相应的，多个扩展组件的扩展控制阀SV4也为串联连接。本实施例中，多个扩展组件224最终的输出端与扩展采样口相连通，从而将扩展进样口2241的进样气体也可输入至扩展采样口，进而输入至吸收池21内。本实施例中，基于该扩展组件224可以极大增加采样口的数量。例如，若扩展采样口的数量为4个，每个扩展采样口可以接通包含10个扩展组件224的结构，则一共可扩展出40个采样口。此外，可以通过采样扩展控制器来控制扩展进样口2241的通断，具体可通过控制扩展控制阀SV4的通断状态来实现。

在上述实施例的基础上，由于在基于激光红外光谱计算气体吸收系数时会受气体的温度影响，故本实施例中的吸收池21具有恒温功能。具体地，参见图8所示，该气路模块2还包括外壳261、保温层262、第三温度传感器和加热膜263。第三温度传感器设置在吸收池21内，用于吸收池21内的温度；加热膜263设置在吸收池21外侧，用于对吸收池21进行加热；保温层262包覆设置在吸收池21外侧，外壳261包覆设置在保温层262外侧；在与第一透明窗211或第二透明窗212相对应的位置处，保温层262和外壳261均设有开口。

本实用新型实施例中，在吸收池21的外侧设有加热膜263，通过加热膜263可以对吸收池21进行加热，避免吸收池21内待测气体温度较低而影响测量；吸收池21的材质可以是导热材料，如铝合金等材料，方便将加热膜263的热量快速传导至整个吸收池21。同时，在吸收池21外侧设有保温层262，保温层262的外侧设有外壳261，从而形成从内到外依次为吸收池21、保温层262、外壳261的层级结构，保温层262和外壳261可以实现吸收池21的双层保温。在吸收池21外侧依次设置保温层262和外壳261，实现双层保温，有利于温控，保证密闭空腔213内温度恒定。

如图8所示，该加热膜263可以设置在吸收池21的底部外侧(如贴附在吸收池21的底部)，并设置在吸收池21与保温层262之间，以使得加热膜263可以从下往上顺势加热整个吸收池21，且保温层262包围该加热膜263，能够起到保温效果。可选地，该保温层262具体设置在吸收池21的四周；一般情况下，吸收池21整体上为具有六个面的结构(类似于长方体结构)，此时可以设置六块保温层262，分别设置在吸收池21的一面，进行一层热保护；最外侧的外壳261可以由两块壳体组合而成，如左右两块壳体等，图8所对应的剖面即为两块壳体之间的缝隙；图9示出的是去除其中一块壳体后的结构示意图，即图9并未示出靠近观察者一侧的壳体；两个壳体可通过上下各两个固定螺孔(共四个固定螺孔)固定连接。

此外，本实施例中，在吸收池21内分布设置有多个第三温度传感器，从而可以测量不同部件的温度，实现多点测温。具体地，如图8所示，吸收池21内设有第一槽孔216和第二槽孔217。其中，第一槽孔216设置在吸收池21的外侧，该第一槽孔216用于设置一个第三温度传感器，在外部保温层262的作用下，使得该第三温度传感器所测量的温度即为吸收池21自身的温度。

第二槽孔217设置在吸收池21内，且该第二槽孔217与密闭空腔213相连通，使得待测气体可以进入该第二槽孔217内；另一个第三温度传感器设置在该第二槽孔217处，使得该第三温度传感器可以直接接触到待测气体，能够准确测量待测气体的温度。

该吸收池21的工作过程具体如下：将待测气体(如二氧化碳等)填充至密闭空腔213内，之后通过加热膜263进行加热，并基于多个第三温度传感器检测吸收池21的温度和待测气体的温度。在温度符合检测要求(如吸收池本体30和待测气体的温度均达到预设值)时，中红外光线即可透过第一透明窗211射入密闭空腔213内，之后穿过该密闭空腔213后从第二透明窗212射出，使得第二透明窗212处的中红外检测装置31可以采集到相应的吸收光谱，进而进行分析。

在上述实施例的基础上，如图8和图9所示，吸收池21设有与密闭空腔213相连通的进气管路214和出气管路215。其中，在与进气管路214或出气管路215相对应的位置处，保温层262和外壳261均设有开口。本实施例中，保温层262和外壳261均设有开口，以避免保温层262和外壳261影响进气或出气，该进气管路214和出气管路215密封设置，避免待测气体泄露。本实施例中，当需要将待测气体填充至密闭空腔213内时，通过该进气管路214即可将待测气体充入至密闭空腔213内；检测完成后，即可通过出气管路215抽出密闭空腔213内的待测气体。本实施例提供的吸收池具有体积小、结构紧凑等特点，使得吸收池内的气体能够快速恒温，并方便实现精确控温。

可选地，该吸收池21还包括隔热支架264；该隔热支架264设置在外壳261底部，用于支撑外壳261。本实施例中，该隔热支架264是由隔热材料制成的，可以将热量于底部进行整体隔离；其中，该外壳261可以与隔热支架264在垂直方向上固定。

在上述实施例的基础上，该吸收池还包括热敏电阻，该热敏电阻设置在加热膜263处；主控模块4可以控制加热膜263加热到预设温度，例如40℃等。本实施例中，通过主控模块可以简单快速地控制加热膜263进行加热，若吸收池21温度超过阈值，则可停止加热以实现降温。

可选地，中红外激光器11、吸收池21和中红外检测装置31设置在密封壳体5内。本实施例中，该密封壳体5为不透光材料制成的，可以封闭所有的光路，避免外部环境光对检测造成影响。

本实用新型实施例提供的二氧化碳同位素检测设备，采用中红外激光器11作为光源，利用中红外光线进行检测，可以减小所需的光程，使得直射式的吸收池21也可满足需求，还能够减小吸收池21的尺寸；且不需要在吸收池内设置多次折返的部件，中红外光线经过吸收池21时不存在标准具干涉，从而能够提高测量精度，且稳定性高。采用该中红外光线，多种二氧化碳同位素都具有较强的吸收，且无水吸收峰的干扰，能够同时对多种二氧化碳同位素进行准确检测。气路模块2可以将吸收池21内的气体抽气至低压状态，从而可以有效避免吸收线交叉干扰，提高检测精度。该检测设备成本低、精度和稳定性好，可以方便实时进行二氧化碳同位素快速测量。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换的技术方案，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种二氧化碳同位素检测设备，其特征在于，包括：激光器模块、气路模块和探测器模块；所述激光器模块包括中红外激光器，所述气路模块包括直射式的吸收池，所述探测器模块包括中红外检测装置；

所述吸收池在长度方向的两端分别设有第一透明窗和第二透明窗；在所述第一透明窗与所述第二透明窗之间，所述吸收池设有用于放置待测气体的密闭空腔；

所述中红外激光器设置在所述第一透明窗外侧，用于发出依次透过所述第一透明窗和所述第二透明窗的中红外光线；

所述中红外检测装置设置在所述第二透明窗外侧，用于接收透过所述第二透明窗的所述中红外光线。

2.根据权利要求1所述的二氧化碳同位素检测设备，其特征在于，所述激光器模块还包括：激光器电流驱动单元、激光器制冷片、第一温度传感器和激光器温度控制单元；

所述激光器电流驱动单元与所述中红外激光器相连，用于将激光驱动波形转换为电流驱动信号，驱动所述中红外激光器发出带波长调制的所述中红外光线；

所述第一温度传感器设置在所述中红外激光器处，用于测量所述中红外激光器的第一温度信号，并将所述第一温度信号发送至所述激光器温度控制单元；

所述激光器温度控制单元用于根据所述第一温度信号控制所述激光器制冷片的电流大小和/或电流方向；所述激光器制冷片设置在所述中红外激光器处，用于对所述中红外激光器进行控温。

3.根据权利要求1所述的二氧化碳同位素检测设备，其特征在于，所述气路模块还包括：进气单元、压力传感器、出气控制阀、气缸和排气处理器；所述吸收池设有与所述密闭空腔相连通的进气管路和出气管路；

所述进气单元与所述进气管路相连通；

所述压力传感器设置在所述进气管路内、所述出气管路内或所述密闭空腔内；

所述出气控制阀的第一端与所述出气管路相连通，所述出气控制阀的第二端与所述排气处理器相连通，所述出气控制阀的公共端与所述气缸相连通；

在所述出气控制阀的第一端与公共端导通、且所述进气单元导通时，所述气缸对所述吸收池进行抽气以完成取样；

在所述出气控制阀的第二端与公共端导通时，所述气缸回压，将所述气缸内的气体排至所述排气处理器中；

在所述出气控制阀的第一端与公共端导通、且所述进气单元截止时，所述气缸对所述吸收池进行抽气，直至所述压力传感器所检测的压力值符合预设条件。

4.根据权利要求3所述的二氧化碳同位素检测设备，其特征在于，所述进气单元包括二氧化碳过滤器、采样组件、水蒸气过滤器和进气控制阀，所述采样组件包括采样口和采样控制阀；

所述采样口与所述采样控制阀的第一端相连通，所述二氧化碳过滤器与所述采样控制阀的第二端相连通；

所述水蒸气过滤器的一端与所述采样控制阀的公共端相连通，所述水蒸气过滤器的另一端与所述进气控制阀的进气端相连通，所述进气控制阀的出气端与所述进气管路相连通。

5.根据权利要求4所述的二氧化碳同位素检测设备，其特征在于，所述采样组件的数量为多个，且多个所述采样组件的采样控制阀串联连接；

所述采样口为进样采样口、实时采样口或扩展采样口。

6.根据权利要求5所述的二氧化碳同位素检测设备，其特征在于，在所述采样组件的采样口为扩展采样口时，所述进气单元还包括：多个扩展组件；所述扩展组件包括扩展进样口和扩展控制阀；

所述扩展控制阀的第一端与所述扩展进样口相连通，所述扩展控制阀的第二端用于接入空气，所述扩展控制阀的公共端用于与所述扩展采样口相连通；

多个所述扩展组件的扩展控制阀串联连接。

7.根据权利要求1所述的二氧化碳同位素检测设备，其特征在于，还包括主控模块，所述探测器模块还包括：信号处理单元；

所述信号处理单元与所述中红外检测装置相连，用于接收所述中红外检测装置采集到的、与所述中红外光线相对应的电信号，并对所述电信号进行处理；

所述主控模块与所述信号处理单元相连，用于接收处理后的所述电信号，并根据处理后的所述电信号进行碳同位素检测处理，确定所述待测气体的碳同位素参数。

8.根据权利要求1所述的二氧化碳同位素检测设备，其特征在于，所述探测器模块还包括：传感器制冷片、第二温度传感器和制冷控制单元；

所述第二温度传感器设置在所述中红外检测装置处，用于测量所述中红外检测装置的第二温度信号，并将所述第二温度信号发送至所述制冷控制单元；

所述制冷控制单元用于根据所述第二温度信号控制所述传感器制冷片的电流大小和/或电流方向；所述传感器制冷片设置在所述中红外检测装置处，用于对所述中红外检测装置进行吸热。

9.根据权利要求1所述的二氧化碳同位素检测设备，其特征在于，所述气路模块还包括外壳、保温层、第三温度传感器和加热膜；

所述第三温度传感器设置在所述吸收池内，用于测量所述吸收池内的温度；

所述加热膜设置在所述吸收池外侧，用于对所述吸收池进行加热；

所述保温层包覆设置在所述吸收池外侧，所述外壳包覆设置在所述保温层外侧；在与所述第一透明窗或所述第二透明窗相对应的位置处，所述保温层和所述外壳均设有开口。

10.根据权利要求1所述的二氧化碳同位素检测设备，其特征在于，所述中红外激光器、所述吸收池和所述中红外检测装置设置在密封壳体内。

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