CN219104723U - 一种可变体积ndir气体浓度检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可变体积NDIR气体浓度检测装置，包括连通的检测腔和可变体积腔；所述检测腔上设置有相互配合用于探测检测腔内气体浓度的红外光源及探测器；所述可变体积腔通过改变其内腔体积大小改变检测腔内被测气体的浓度。具有上述结构的NDIR气体浓度检测装置，通过改变腔体体积从而改变被测气体的浓度，从而可灵活调节传感器灵敏度和动态范围，使得同一个器件可以适用于不同应用场合。

Description

一种可变体积NDIR气体浓度检测装置

技术领域

本实用新型涉及一种用于检测气体浓度的装置，尤其涉及一种非色散型(NDIR)气体浓度检测装置。

背景技术

人类生产生活环境不可避免地存在多种多样的气体。当某些气体浓度过高时，会导致人体出现不良反应甚至死亡。例如当环境中的二氧化碳浓度高于5％时，会导致人严重缺氧造成严重后果，因此对气体，特别是有毒有害气体的浓度进行准确检测尤为重要。非色散型红外(NDIR)气体传感器利用气体浓度与对光的吸收强度关系(朗伯-比尔定律)来实现对各种气体的浓度进行探测，相比于传统气体传感器其具有高稳定性、寿命长、成本低、选择性好等显著优势，广泛应用于工业过程控制、大气检测、环境检测、医疗卫生等领域。

为了提高测试精度，现有NDIR结构设计主要集中如何增加光程，要么通过直接增加光源到探测器的距离，要么增加反射镜等结构，总的效果是要么NDIR器件整体体积偏大，要么光路结构复杂且必须十分精细，使得成本偏高且调试繁琐；此外，现有NDIR传感器由于体积固定，难以兼顾大动态范围和高的分辨率，而不同应用领域对不同气体的范围和分辨率测试要求可能大不相同，因此使得同样的NDIR传感器应用受到很大局限。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供一种可变体积NDIR气体浓度检测装置，通过改变被测气体的体积改变其浓度，用于适应不同应用领域对不同气体的检测范围。

为解决以上技术问题，本实用新型的技术方案为采用一种可变体积NDIR气体浓度检测装置，包括连通的检测腔和可变体积腔；所述检测腔上设置有相互配合用于探测检测腔内气体浓度的红外光源及探测器；所述可变体积腔通过改变其内腔体积大小改变检测腔内被测气体的浓度。

作为一种改进，所述检测腔为柱状，所述红外光源及探测器分设于检测腔同一直径的两端，使得红外光源发射的红外线能贯穿检测腔后被探测器接收。

作为一种进一步的改进，还包括位于检测腔内与探测器和红外光源同轴设置的聚光管；所述聚光管侧壁开有供气体通过的通孔。

作为一种改进，所述聚光管为内壁光滑的金属管。聚光管用于降低红外光损耗，提高检测精度。

作为一种改进，所述红外光源与探测器前方均设置有高透光材料制作的红外窗。

作为一种改进，所述检测腔前端设置有通气阀，其后端与可变体积腔连接。通气阀用于让检测腔与大气连通与否。

作为一种改进，所述可变体积腔为柱状，其前端与检测腔连接；所述可变体积腔内设置有可沿其运动的活塞。通过活塞运动改变可变体积腔的体积，使得检测腔内的气体体积也随之改变，从而让单位体积内的气体浓度改变。

作为一种改进，还包括用于驱动活塞运动的活塞杆，所述活塞杆为螺杆，所述可变体积腔后端设置有与活塞杆螺纹配合的螺孔端板。通过旋进或旋出的方式推动或者拉动活塞更加省力，同时也避免泄力的时候回弹。

作为一种改进，还包括用于驱动活塞杆旋转的电机，所述电机由单片机控制。通过电控进一步实现自动化。

作为一种改进，所述检测腔和可变体积腔同轴设置，且可变体积腔的内径大于检测腔。避免活塞侵入检测腔。

本实用新型的有益之处在于：具有上述结构的NDIR气体浓度检测装置，通过改变腔体体积从而改变被测气体的浓度，从而可灵活调节传感器灵敏度和动态范围，使得同一个器件可以适用于不同应用场合。

附图说明

图1为本实用新型的爆炸图。

图2为本实用新型的立体图。

图3为本实用新型的侧视图。

图4为本实用新型中可变体积腔和检测腔的示意图。

图中标记：1、红外光源；2、探测器；301、壳体；302、通气阀；303、红外窗压紧盖固定孔；304、螺孔端板固定孔；401、红外窗；402、密封圈；403、缓冲垫；404、红外窗压紧盖；5、聚光管；601、活塞；602、密封圈；603、螺孔端板；604、活塞杆；605、活塞螺帽；3011、可变体积腔；3012、检测腔。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

基于非色散型红外(NDIR)原理的红外气体传感器利用气体浓度与对光的吸收强度关系(朗伯-比尔定律)来实现对各种气体的存在和浓度的探测，朗伯-比尔定律如表达式(1)：

式中A是待测气体的吸光度，I0是入射光强，It是透射光强，ε是被测气体的摩尔吸收系数，C是气体浓度，L是光程长度。在实际的测试中，得到的往往是透射光强相关的输出电压，将透射光强作为表达式(1)的应变量得到表达式(2)：

I_t＝I₀e^-εCL (2)

可以看出，气体浓度C越大时，透射光强越小。无被测气体时透射光强最大。气体浓度与其体积的关系为：

式中m为待测气体的质量，V为待测气体所处空间的体积。可以看出，在气体质量不变时，改变体积V可以改变待测气体浓度。

根据以上原理，如图1～图4所示，本实用新型提供一种可变体积NDIR气体浓度检测装置，包括连通的检测腔3012和可变体积腔3011；所述检测腔3012上设置有相互配合用于探测检测腔3012内气体浓度的红外光源1及探测器2；所述可变体积腔3011通过改变其内腔体积大小改变检测腔3012内被测气体的浓度。

具体地，检测腔3012为柱状，所述红外光源1及探测器2分设于检测腔3012同一直径的两端，使得红外光源12发射的红外线能贯穿检测腔3012后被探测器2接收。

为了降低红外光损耗，检测腔3012内设置有与探测器2和红外光源1同轴的聚光管5。所述聚光管5侧壁开有供气体通过的通孔。聚光管5为内壁光滑的金属管，使得其红外光反射率接近1。

为了进一步降低红外光的损耗，红外光源1与探测器2前方均设置有高透光材料制作的红外窗401，例如由机玻璃或者高阻硅制作，使得红外光源1发射光谱范围具有80％以上的透过率。

检测腔3012和可变体积腔3011均由壳体301围成，为了便于观察内部情况，壳体301可由有机玻璃制作。壳体301可为立方体，检测腔3012和可变体积腔3011开设在其内部。

至于具体的安装结构可以参考如下方式：在开设检测腔3012的壳体301侧壁开设两个安装孔，红外线光源1一侧的安装孔依次装入密封圈402、红外窗401、缓冲垫403，再利用红外窗压紧盖404紧固，最后装上红外光源1。而探测器2一侧的安装孔内依次装入密封圈402、红外窗401、缓冲垫403，再利用红外窗压紧盖404紧固，最后装上探测器2。在这之前需将聚光管5装入检测腔3012中

当然，为了适配红外光源1和探测器2，红外窗压紧盖404开有通孔用于容纳红外光源1和探测器2。

另外，所述检测腔3012前端设置有通气阀302，其后端与可变体积腔3011连接。

本实施例中，可变体积腔3011也为柱状，其前端与检测腔3012连接；所述可变体积腔3011内设置有可沿其运动的活塞601。还包括用于驱动活塞601运动的活塞杆604，所述活塞杆604为螺杆，所述可变体积腔3011后端设置有与活塞杆604螺纹配合的螺孔端板603。活塞杆604前端设置有定位台阶，活塞601套于活塞杆604前端利用定位台阶和活塞螺帽605进行锁紧。可变体积腔3011后端开有螺孔端板固定孔304，利用螺栓将螺孔端板603固定。

为了增强气密性，活塞601侧壁上可套设密封环。在使用时可以在可变体积腔3011内壁涂抹适量润滑油，以减小活塞501滑动阻力。

在一些实施例中，为了进一步实现自动化，活塞杆604由电机驱动旋转，而电机由单片机控制。

该气体浓度检测装置的应用场景主要有两种：

1、当待测气体浓度偏低时，打开通气阀302并使活塞601位于可变体积腔3011最外侧，此时可变体积腔3011体积最大，设其为V₀。待腔体内外气体浓度平衡时，关闭通气阀302，旋进活塞推杆604推动活塞601压缩可变体积腔体积至最小，设其为V₁(V₁<V₀)。则此时腔室内气体浓度为待测气体浓度的V0/V1倍，因此传感器灵敏度也提高为之前的V0/V1倍。根据表达式(3)，这样可以提高待测气体的浓度，达到增强传感器灵敏度的效果，扩展了传感器的浓度检测下限。

2、当待测气体浓度偏高时，打开通气阀302并使活塞601位于可变体积腔3011最内侧，此时可变体积腔体积最小，设其为V₁。待腔体301内外气体浓度平衡时，关闭通气阀302，旋出活塞601至最外侧，扩展可变体积腔3011的体积至最大V₀，则此时腔室内气体浓度与待测气体浓度之比为V₁/V₀，因此传感器灵敏度也降低为之前的V₁/V₀。这样在输出信号范围相同的条件下(通常是这种情况)，待测气体的浓度范围就增加为之前的V₀/V₁倍。根据表达式(3)，这样可以降低待测气体的浓度，扩展了传感器的浓度检测上限。

以下通过几个应用时的实施例对本实用新型进行详细的阐述。需要指出的是，实施例中的具体参数只是作为参考，并不限制本实用新型。

实施例1

在本实施例中，该传感器用于测量二氧化碳(CO2)的浓度。其中，探测器2使用的是双通道探测器，一个通道是测量通道，另一通道为参考通道，两个通道接收到的红外光的波长范围通过在通道前设置的窄带滤光片来限制。其中测量通道的通光中心波长为4.26μm，该波段的红外光会被CO2吸收，因此影响该通道输出信号的是气体浓度和环境干扰；参考通道的通光中心波长为3.91μm，该波段的红外光不会被CO2吸收，影响该通道输出信号的仅为环境干扰。将两个信号进行处理可以消除来自外界环境的干扰，使得探测器所得到的电信号能更准确地反应仅受到CO2气体浓度影响的光强信号。当输出信号偏高或偏低时，可以通过调整气体体积来调节传感器灵敏度和动态范围。

实施例2

在本实施例中，该传感器用于测量甲烷(CH4)的浓度。其中，探测器2使用的是类似实施例2中的双通道探测器，不过探测器测量通道的通光中心波长为3.3μm，该波段的红外光会被CH4吸收；参考通道的通光中心波长仍然是3.91μm，该波段的红外光不会被CH4吸收，影响该通道输出信号的仅为环境干扰。将两个信号进行处理可以消除来自外界环境的干扰，使得探测器所得到的电信号能更准确的反应仅受到CH4气体浓度影响的光强信号。具体测试方法与实施例2相同。

实施例3

在本实施例中，将本传感器与后端单片机和电机结合来实现传感器的自动控制。其中，电机可以旋进或旋出活塞推杆从而改变腔室体积，单片机可以实时读取探测器的输出信号并且能够控制电机。初始时，活塞位于最外端，此时腔室体积为V₀，待腔体内气体浓度与待测环境气体浓度达到平衡且关闭进气口后，单片机读取输出信号，若此时输出信号为0，则单片机判定待测气体浓度过低无法测量，随后控制电机旋进推杆压缩腔室体积，直到输出信号不为0，记录此信号对应的气体浓度为c。此时可通过活塞的旋进长度计算当前腔室体积为V₁，则腔室内气体浓度为待测气体浓度的V₀/V₁倍，因此传感器灵敏度也提高为之前的V₀/V₁倍，则可得到实际气体浓度为c V₁/V₀。测量结束后，打开通气口，并将活塞复位。同理，当单片机检测到输出信号过高时，可以通过控制电机旋出推杆，降低腔室内的气体浓度至可测量范围。传感器灵敏度和动态范围的可调性大大增强了传感器的检测能力。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本实用新型的限制，本实用新型的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种可变体积NDIR气体浓度检测装置，其特征在于：包括连通的检测腔和可变体积腔；所述检测腔上设置有相互配合用于探测检测腔内气体浓度的红外光源及探测器；所述可变体积腔通过改变其内腔体积大小改变检测腔内被测气体的浓度。

2.根据权利要求1所述的一种可变体积NDIR气体浓度检测装置，其特征在于：所述检测腔为柱状，所述红外光源及探测器分设于检测腔同一直径的两端，使得红外光源发射的红外线能贯穿检测腔后被探测器接收。

3.根据权利要求2所述的一种可变体积NDIR气体浓度检测装置，其特征在于：还包括位于检测腔内与探测器和红外光源同轴设置的聚光管，所述聚光管侧壁开有供气体通过的通孔。

4.根据权利要求3所述的一种可变体积NDIR气体浓度检测装置，其特征在于：所述聚光管为内壁光滑的金属管。

5.根据权利要求2所述的一种可变体积NDIR气体浓度检测装置，其特征在于：所述红外光源与探测器前方均设置有高透光材料制作的红外窗。

6.根据权利要求2所述的一种可变体积NDIR气体浓度检测装置，其特征在于：所述检测腔前端设置有通气阀，其后端与可变体积腔连接。

7.根据权利要求1所述的一种可变体积NDIR气体浓度检测装置，其特征在于：所述可变体积腔为柱状，其前端与检测腔连接；所述可变体积腔内设置有可沿其运动的活塞。

8.根据权利要求7所述的一种可变体积NDIR气体浓度检测装置，其特征在于：还包括用于驱动活塞运动的活塞杆，所述活塞杆为螺杆，所述可变体积腔后端设置有与活塞杆螺纹配合的螺孔端板。

9.根据权利要求8所述的一种可变体积NDIR气体浓度检测装置，其特征在于：还包括用于驱动活塞杆旋转的电机，所述电机由单片机控制。

10.根据权利要求7所述的一种可变体积NDIR气体浓度检测装置，其特征在于：所述检测腔和可变体积腔同轴设置，且可变体积腔的内径大于检测腔。

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