CN219715235U - 一种甲烷和二氧化碳的非色散红外双组分浓度监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种甲烷和二氧化碳的非色散红外双组分浓度监测装置，包括进气机构、气体相关轮、红外光源、气体吸收池、第一反射镜、第三反射镜、第二反射镜、第一滤光片、第三反射镜和信号处理器，本实用新型简化了双组分非色散红外的监测系统结构，并且可以同时保证甲烷和二氧化碳的测量精度，只使用了一个气体吸收池，相较于原有的单组分非色散红外系统增加的结构很少，相较于其他的双组分非色散红外技术结构更为简单，更有利于仪器的后续发展。

Description

一种甲烷和二氧化碳的非色散红外双组分浓度监测装置

技术领域

本实用新型属于气体监测设备技术，尤其涉及一种甲烷和二氧化碳的非色散红外双组分浓度监测装置。

背景技术

非色散红外是基于光谱吸收原理对气体进行检测的方法，这种方法精确度高，可以实现在线监测测量。非色散红外是利用光源发射出连续光谱通过含有被测气体混合组分的气体，由于不同气体在不同的波段具有特征吸收谱线，固定波段上的辐射能量随气体浓度的改变而变化的原理对气体浓度进行定量分析。主要由红外光源、气体过滤相关轮、测量气室、探测器组成。

在环境空气中甲烷的含量在2ppm左右，所需的量程一般在020ppm，同时甲烷在其对应的红外吸收波段3.30的吸收截面约为，经过朗伯比尔定律计算，c为气体分子数浓度，l为光程，k为气体的吸收截面，在12m光程下，20ppm的甲烷吸收不到20％，为了保证在量程范围内的测量精度，所需光程超过20m。环境空气中二氧化碳的含量在400-500ppm，所需的量程一般在01000ppm，同时二氧化碳在其对应的红外吸收波段4.25的吸收截面约为，在12m的光程下，在100ppm的浓度下吸收已经超过90％，为了保证在量程范围内的测量精度，所需光程在3m左右。由于甲烷和二氧化碳在量程和吸收系数上面的差异，两种组分所需的光程差别很大。

由于需要使用滤光片截取气体吸收波段的红外光来测量气体浓度，因此传统的非色散红外分析仪使用特定波长的滤光片，因而只能测量一种气体。为了在一台仪器上同时监测空气中甲烷和二氧化碳的含量变化，需要同时截取甲烷和二氧化碳对应的波段。一种解决方案是在一台仪器中放置两个气体测量池，分别用于测量甲烷和二氧化碳，然而这种方法需要使用两个气室，不利于仪器后续的小型化，综上所述，本申请现提出一种甲烷和二氧化碳的非色散红外双组分浓度监测装置来解决上述出现的问题。

实用新型内容

为了解决上述现有技术中的不足，本实用新型的目的在于提供一种甲烷和二氧化碳的非色散红外双组分浓度监测装置来解决背景技术中提出的问题。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案为：一种甲烷和二氧化碳的非色散红外双组分浓度监测装置，包括进气机构、气体相关轮、红外光源、气体吸收池、第一反射镜、第三反射镜、第二反射镜、第一滤光片、第三反射镜和信号处理器，所述进气机构用于提供样气，所述气体相关轮用于通入待检测的气体，所述气体相关轮表面开设有出气端和进气端，所述红外光源用于提供气体检测所需的红外光束，所述气体吸收池整体为空心圆柱体结构，所述气体吸收池表面开设有进气口和出气口，进气口与气体相关轮的出气端连接，所述气体吸收池包括第一凹面镜、第二凹面镜以及第三凹面镜，所述第一凹面镜、第二凹面镜以及第三凹面镜均为球凹面镜，所述第一凹面镜和第二凹面镜并列设置在气体吸收池的一端，所述第一凹面镜与第二凹面镜优选采用相同规格的半透镜，所述第三凹面镜设置在气体吸收池的另一端，所述第三凹面镜的直径与气体吸收池的内径适配，所述第一反射镜和第三反射镜对称设置在气体吸收池内壁，且靠近第三凹面镜的位置，所述第一反射镜和第三反射镜与气体吸收池内侧壁的锐角夹角优选设置为45°夹角，所述气体吸收池侧面对应第一反射镜的位置开设有供经过相关轮的光线反射到气体吸收池的小孔，所述第二反射镜设置在气体吸收池内部，第二反射镜的平面位置位于气体吸收池的中心，相较于第一反射镜或第二反射镜更靠近第三凹面镜，所述第一滤光片用于对经过第二反射镜反射的光束进行滤光，所述气体吸收池侧面对应第三反射镜的位置开设有供经过第三反射镜反射后的光线可以到达第二滤光片的另一小孔，所述信号处理器包括第一红外探测器和第二红外探测器，所述第一红外探测器用于对经过第一滤光片滤光后的光束中吸收的二氧化碳浓度进行检测，所述第二红外探测器用于对经过第二滤光片滤光后的光束中吸收的甲烷浓度进行检测，所述第一红外探测器和第二红外探测器可对达到的红外光强度进行探测，将其转化为电信号并放大。

优选的，所述气体相关轮的进气端设有两个，分别用于二氧化碳和甲烷气体的通入，且二氧化碳与甲烷气体在相关轮内部不发生接触，所述气体相关轮内部借助隔板分隔成三个连通的气室，同时相关轮内部通过斩光片将光通道分为十二格。

更为优选的，所述气体相关轮可由设于装置外部的直流电机驱动转动，直流电机驱动气体相关轮保持匀速转动。

优选的，所述第二反射镜为半透半反镜。

优选的，所述进气机构包括供样管和气泵，气泵的进气管路与供样管连接，所述气泵的出气管路与气体相关轮的进气端连接。

更为优选的，所述气泵的出气管路通过电磁阀控制开合。

更为优选的，所述红外光源的光束出口位置设置有为光束加热的加热器。

更为优选的，所述第一凹面镜、第二凹面镜和第三凹面镜三者焦距均相同。

优选的，所述信号处理器还包括用于处理第一探测器和第二探测器电信号的分析器以及用于展示探测数据的显示器。

从上述内容可以看出，本实用新型的优点是：

1、气体相关轮采用充入甲烷和二氧化碳的方式，经过不同滤光片的滤光，两个通道的光辐射强度都可以既当参比值又当测量值，简化了双组分非色散红外的监测系统结构。

2、根据甲烷和二氧化碳的吸收系数的不同，可以在大的球凹面镜上合适的选择反射点从而选取合适的二氧化碳吸收光程，可以同时保证甲烷和二氧化碳的测量精度。

3、本实用新型所述的监测系统只使用了一个气体吸收池，相较于原有的单组分非色散红外系统增加的结构很少，相较于其他的双组分非色散红外技术结构更为简单，更有利于仪器的后续发展。

附图说明

图1-图2为本实用新型的气体过滤相关轮示意图；

图3为本实用新型的整体结构和流程示意图。

附图标记中：1、红外光源；2、气体相关轮；3、气体吸收池；4、第一凹面镜；5、第二凹面镜；6、第三凹面镜；7、第一反射镜；8、第二反射镜；9、第三反射镜；10、吸收池内光路示意；11、第一滤光片；12、第一红外探测器；13、第二滤光片；14、第二红外探测器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关实用新型，而非对该实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与实用新型相关的部分。

实施例

请参阅图1-图3，一种甲烷和二氧化碳的非色散红外双组分浓度监测装置，包括进气机构、气体相关轮2、红外光源1、气体吸收池3、第一反射镜7、第三反射镜9、第二反射镜8、第一滤光片11、第三反射镜9和信号处理器，所述进气机构包括供样管和气泵，气泵的进气管路与供样管连接，所述气泵的出气管路与气体相关轮2的进气端连接，所述气体相关轮2的进气端设有两个，分别用于二氧化碳和甲烷气体的通入，所述气体吸收池3表面开设有进气口和出气口，进气口与气体相关轮2的出气端连接，气泵将二氧化碳样气和甲烷样气注入气体相关轮2中，由气体相关轮2注入气体吸收池3内部，相关轮中二氧化碳和甲烷不接触发生接触，气体吸收池3的出气口用于排出气体，在检测过程中，保证气体吸收池3内部气体的流通。

红外光源1用于提供气体检测所需的红外光束，所述红外光源1的光束出口位置设置有为光束加热的加热器，所述第一反射镜7和第三反射镜9对称设置在气体吸收池3内壁，且靠近第三凹面镜6的位置，所述气体吸收池3侧面对应第一反射镜7的位置开设有供经过相关轮的光线反射到气体吸收池3的小孔，所述第二反射镜8设置在气体吸收池3内部，第二反射镜8的平面位置位于气体吸收池3的中间位置，第二反射镜8的纵向位置位于第一反射镜7或第二反射镜8与第三凹面镜6之间，红外光源1发出红外光线，红外光线可以被甲烷和二氧化碳吸收，且二者的吸收波段并不相同，在二氧化碳的吸收波段4.25μm，甲烷无吸收，在甲烷的吸收波段3.30μm，二氧化碳无吸收，红外光源1在加热到一定温度后，会产生范围很广的红外光谱，红外光首先进入气体相关轮2，直流电机的输出端带动气体相关轮2保持匀速转动，经过气体相关轮2的初步吸收后，经过第一反射镜7的反射到第一凹面镜4表面，光线会经过第一凹面镜4、第二凹面镜5和第三凹面镜6的多次反射，会在第三凹面镜6上形成多个反射点，反射点离反射镜越远表示光程越长，由朗伯-比尔定律可知，对应的吸收就越充分，二氧化碳的吸收系数比甲烷高很多，因此对应的二氧化碳探测所需要的光程就要小很多，在第三凹面镜6上其中一个反射点的位置放置第二反射镜8，第二反射镜8为半透半反镜，此时，光程为3m左右，反射出的光线经过第一滤光片11滤光后可以得到二氧化碳对应的红外吸收波段4.25μm，然后到达第一探测器，第一探测器探测红外辐射强度。

所述气体相关轮2可由设于装置外部的直流电机驱动转动，直流电机驱动气体相关轮2保持匀速转动，可以获得经过甲烷一侧的光辐射强度即测量值，以及经过二氧化碳一侧的光辐射强度即参比值，从而获取二氧化碳的实时浓度值。

从第二反射镜8出来的光线继续在气体池中进行多次反射吸收，最后光线由第三反射镜9反射出吸收池，此时光程超过20m，经过第二滤光片13滤光后得到甲烷对应的红外吸收波段3.30μm，随后到达红外探测器测量红外辐射强度，经过二氧化碳一侧的光辐射强度即为测量值，经过甲烷一侧的光辐射强度即为参比值，从而获得甲烷的实时浓度值。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的实用新型范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述实用新型构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

除说明书所述的技术特征外，其余技术特征为本领域技术人员的已知技术，为突出本实用新型的创新特点，其余技术特征在此不再赘述。

Claims (9)

1.一种甲烷和二氧化碳的非色散红外双组分浓度监测装置，其特征在于，包括：

进气机构，所述进气机构用于提供样气；

气体相关轮(2)，所述气体相关轮(2)用于通入待检测的气体，所述气体相关轮(2)表面开设有出气端和进气端；

红外光源(1)，所述红外光源(1)用于提供气体检测所需的红外光束；

气体吸收池(3)，所述气体吸收池(3)表面开设有进气口和出气口，进气口与气体相关轮(2)的出气端连接，所述气体吸收池(3)包括第一凹面镜(4)、第二凹面镜(5)以及第三凹面镜(6)，所述第一凹面镜(4)和第二凹面镜(5)并列设置在气体吸收池(3)的一端，所述第三凹面镜(6)设置在气体吸收池(3)的另一端；

第一反射镜(7)和第三反射镜(9)，所述第一反射镜(7)和第三反射镜(9)对称设置在气体吸收池(3)内壁，且靠近第三凹面镜(6)的位置，所述气体吸收池(3)侧面对应第一反射镜(7)的位置开设有供经过相关轮的光线反射到气体吸收池(3)的小孔；

第二反射镜(8)，所述第二反射镜(8)设置在气体吸收池(3)内部，第二反射镜(8)的平面位置位于气体吸收池(3)的中间位置，第二反射镜(8)的纵向位置位于第一反射镜(7)或第二反射镜(8)与第三凹面镜(6)之间；

第一滤光片(11)，所述第一滤光片(11)用于对经过第二反射镜(8)反射的光束进行滤光；

第三反射镜(9)，所述气体吸收池(3)侧面对应第三反射镜(9)的位置开设有供经过第三反射镜(9)反射后的光线可以到达第二滤光片(13)的另一小孔；

信号处理器，所述信号处理器包括第一红外探测器(12)和第二红外探测器(14)，所述第一红外探测器(12)用于对经过第一滤光片(11)滤光后的光束中吸收的二氧化碳浓度进行检测，所述第二红外探测器(14)用于对经过第二滤光片(13)滤光后的光束中吸收的甲烷浓度进行检测。

2.根据权利要求1所述的一种甲烷和二氧化碳的非色散红外双组分浓度监测装置，其特征在于，所述气体相关轮(2)的进气端设有两个，分别用于二氧化碳和甲烷气体的通入。

3.根据权利要求2所述的一种甲烷和二氧化碳的非色散红外双组分浓度监测装置，其特征在于，所述气体相关轮(2)可由设于装置外部的直流电机驱动转动。

4.根据权利要求1所述的一种甲烷和二氧化碳的非色散红外双组分浓度监测装置，其特征在于，所述第二反射镜(8)为半透半反镜。

5.根据权利要求1所述的一种甲烷和二氧化碳的非色散红外双组分浓度监测装置，其特征在于，所述进气机构包括供样管和气泵，气泵的进气管路与供样管连接，所述气泵的出气管路与气体相关轮(2)的进气端连接。

6.根据权利要求5所述的一种甲烷和二氧化碳的非色散红外双组分浓度监测装置，其特征在于，所述气泵的出气管路通过电磁阀控制开合。

7.根据权利要求5所述的一种甲烷和二氧化碳的非色散红外双组分浓度监测装置，其特征在于，所述红外光源(1)的光束出口位置设置有为光束加热的加热器。

8.根据权利要求1所述的一种甲烷和二氧化碳的非色散红外双组分浓度监测装置，其特征在于，所述第一凹面镜(4)、第二凹面镜(5)和第三凹面镜(6)三者焦距均相同。

9.根据权利要求1所述的一种甲烷和二氧化碳的非色散红外双组分浓度监测装置，其特征在于，所述信号处理器还包括用于处理第一探测器和第二探测器电信号的分析器以及用于展示探测数据的显示器。