CN219777487U - 一种利用积分球的气体高灵敏检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明的利用积分球的气体高灵敏检测装置，包括光源模块、气室模块、检测模块和数据采集及处理模块、供气模块；气室模块包括腔室呈球状、腔内壁涂漫反射层的积分球，积分球的进气口、出气口、入光口和出光口均设有孔径可调装置，且入光口和出光口不处于积分球的任一直径的两端；供气模块包括并联的接进气口的标准气罐、待测气罐；光源模块包括正对入光口并指向积分球球心的光源；检测模块包括入光端与出光口相连的光电探测器，用于接收光源发出的光束经积分球反射后的反射光，并进行光电转换；数据采集及处理模块接检测模块，用于采集检测模块转化的电信号，并进行处理。其提高了入射光的强度，光程和出光口的孔径可调，检测的稳定性好、精度高。

Description

一种利用积分球的气体高灵敏检测装置

技术领域

本发明涉及一种检测装置，具体涉及一种利用积分球的气体高灵敏检测装置，属于气体检测技术领域。

背景技术

气体检测技术大致有两种形式，一种是人工采样，另一种是预处理采样。

人工采样包括化学分析和色谱法，最常用的方法有电化学法、催化燃烧法、气相色谱法等。这些方法成本低，设备结构简单，但普遍存在着对环境的要求较高，检测范围窄、灵敏度低，无法长期使用等缺点。

相比较于人工采样，预处理采样中的光谱学检测方法具有更高的灵敏度，更广的测量范围以及更加简易的操作。基于光谱技术的气体检测方法也就是光谱学方法，大致有三种：荧光光谱法，光声光谱法，吸收光谱法。其中，吸收光谱法为目前主流方法，其原理是依据Lambert-Beer定律计算得出气体的浓度。具体的，当光束传播通过目标气体，气体吸收部分特定波长的光从而导致透射光束的光强衰减，由此可获得该气体的吸收光谱，可以利用透过气体的光强衰减程度反演出气体浓度。

气体吸收池是检测气体吸收入射光的气室，是气体检测系统的重要组成部分，在选定气体和气体吸收峰的情况下，光源经过目标气体的光程越长，系统灵敏度越高，所测气体浓度数据越精确。

传统的反射型吸收池主要有White型气体吸收池和Herriott型气体吸收池，都通过改变入射光的入射角来改变传感长度；为了精确数据，反射镜使用高反射率镜，对面型加工的精度要求高，同时对光源的要求高。一个好的吸收池需要满足良好的气密性，尽可能大的传感长度，体积尽量小以方便更换或改变待测气体，尽可能不吸附气体。

积分球是由不透明且多为黑色金属或塑料外壳，以及均匀喷涂在内壁的具有朗伯散射特性的涂层组成。进入积分球的光经过内壁涂层多次反射后被气体吸收，达到增加光程长度的目的。专利CN201822046551.8一种基于积分球多次反射的气体检测装置，通过倾斜的光源在积分球的异形腔内折射光线；专利CN202211013395.X一种基于可变光程多积分球的气体检测装置及其检测方法，通过叠加多个积分球延长光程；且入射光均偏向射入，即相对球心改变入射角。

因此，有必要提供一种新的利用积分球的气体高灵敏检测装置，以提高气体检测系统的灵敏度和准确性。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种利用积分球的气体高灵敏检测装置。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种利用积分球的气体高灵敏检测装置，包括光源模块、气室模块、检测模块和数据采集及处理模块、供气模块；

所述气室模块包括积分球，所述积分球的腔室呈球状，腔内壁涂漫反射层；所述积分球设有进气口、出气口、入光口和出光口，所述进气口、出气口、入光口和出光口均设有孔径可调装置，且所述入光口和出光口不处于积分球的任一直径的两端；

所述供气模块包括并联于气管一端的标准气罐、待测气罐，气管的另一端接进气口；

所述光源模块包括正对入光口并指向积分球球心的光源；

所述检测模块包括光电探测器，其入光端与出光口相连，用于接收光源发出的光束经积分球反射后的反射光，并进行光电转换；

所述数据采集及处理模块接检测模块，用于采集检测模块转化的电信号，并进行处理。

上述光源包括红外光源。

上述光源模块包括光源驱动模块，用于调制所述光源的驱动电压。

进一步的，上述光电探测器为红外光谱探测器。

上述漫反射层包括聚四氟乙烯层、硫酸钡涂层或氧化镁涂层。

上述孔径可调装置包括可调孔径光阑。

上述气管的另一端通过流速计接进气口。

本发明的有益之处在于：

本发明的一种利用积分球的气体高灵敏检测装置，利用积分球作为气体腔室，球体结构有效地抑制传统气室受光线形状、发散角度以及高精度加工导致的测量误差；通过可调孔径光阑微调球开口面积与积分球内表面面积之比，以起到增加光程长度，调节检测灵敏度的效果；通过正对球心的入射光，提高了入射光的强度，大大提高气体吸收光子比例，提高了吸收光谱的产生效率，进而提高气体检测系统的灵敏度和准确性；通过设置并联的标准气罐、待测气罐，以背景气排除其他气体对待测气体的干扰，以提高精确度、减小测量误差。

本发明的利用积分球的气体高灵敏检测装置，其结构简单，使用方便，与其他反射型吸收池相比，提高了入射光的强度，且光程和出光口的孔径可调，检测的稳定性好、精度高，具有快速，简便，测量范围广等优点，具有很强的实用性和广泛的适用性。

附图说明

图1为本发明的利用积分球的气体高灵敏检测装置的框图。

图2为积分球内气体吸收池内光子碰撞模型图。

图3为基于MEMS的红外光源性能图。

图4为红外光谱探测器的滤波图。

图5为红外光谱探测器的频率响应图。

图6是双端口数据采集系统框图。

附图中标记的含义如下：1、入光口，2、出光口，3、进气口，4、出气口，5、流速计，a、可调孔径光阑。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

本实施例选用二氧化碳作为被检测气体，选取氩气为标椎气体，漫反射层选用聚四氟乙烯层，涂层反射率为97％。

一种利用积分球的气体高灵敏检测装置，由光源模块、气室模块、检测模块和数据采集及处理模块、供气模块组成。

气室模块为设有进气口3、出气口4、入光口1和出光口2的积分球，积分球的腔室呈球状，腔内壁涂漫反射层；漫反射层优选为聚四氟乙烯层、硫酸钡涂层或氧化镁涂层。于进气口3、出气口4、入光口1和出光口2处分别设有可调孔径光阑a，用于调节进气口3、出气口4、入光口1和出光口2的孔径。其中，入光口1和出光口2不在积分球的任一直径的两端。

供气模块由标准气罐和待测气罐组成。标准气罐和待测气罐并联的接于进气管的一端，分别用于提供标准气体和待测气体；进气管的另一端通过流速计5接进气口3。优选的，于可调孔径光阑和流速计5之间的进气管设有进气阀，出气口4接带有出气阀的出气管。

光源模块由光源和光源驱动模块组成。光源结合检测气体的吸收峰，选择在该吸收峰内的辐射强度高、使用寿命长、检测光谱宽、耐高温和调制频率高的基于MEMS的红外光源JSIR 350。光源性能如图2所示；优选由arduino系统芯片驱动和调制。红外光源正对入光口1并指向积分球的球心，此时进入积分球的光线强度最大，可保证待测气体对红外光线的充分吸收。

光电探测器对应光源模块选择使用红外光谱探测器将光强信号转为电信号，结合检测气体的吸收峰，选择在该吸收峰波长内灵敏度高、分辨率高、响应度高且使用寿命长的PYS 3228TC G2/G20红外光谱探测器。探测器的入光端与出光口2固定连接。

数据采集及处理模块使用NIUSB-6009数据采集卡，同时采集红外光谱探测器的电压和驱动双端口信号，将数据传入计算机中进行分析处理。

检测步骤及原理：

步骤S1：连接好装置，检查电源、装置气密性等，确认无误后预热光源。

步骤S2：调节光路使光源对准入光口1的中心点，启动光源，使用标准气体，通气三到五分钟后关闭出气阀，对积分球进行清洗，保证装置内的背景气体无其他气体，采集此时的探测器的电压信号和驱动信号，经计算机处理并保存此时的光谱数据信息，光谱数据为背景光谱I₀(v)。

步骤S3：通入待测气体，打开出气阀，通入待测气体三到五分钟，以确保积分球内无其他气体，光源发射的光束进入积分球进行漫反射被待测气体吸收，采集此时的探测器的电压信号和驱动信号。

步骤S4：待测气体吸收光线后，通过计算机处理获得待测气体的吸收光谱I(v)，根据Lambert-Beer定律：

I(v)＝I₀(v)exp[-α(v)NL]

其中，α(v)为吸收气体被频率为v的红外光照射时的吸收系数；N为吸收气体的体积浓度百分比，L为红外光总的吸收路径长度；

当光程长度L和吸收系数α(v)确定时，测量入射光光强I₀(v)和出射光光强I(v)，可计算被测气体的气体浓度N,即：

在步骤S3中，光线经积分球漫反射被标准气体吸收，积分球光子碰撞模型如图3所示，设P₁,P₂,...,P_n为光子与积分球内表面经过N次碰撞后被吸收的概率，半径为R，ρ为涂层反射率，积分球的入光口1、出光口2、进气口3和出气口4的面积分别为A₁，A₂，A₃，A₄，积分球内表面积为A_s，定义f为积分球的开口比，开口比是积分球开口面积与积分球内表面面积之和，有：

第N次碰撞P_n＝ρ^n-1(1-f)^n-1(1-ρ+ρf)，平均碰撞次数经过简化后有：

对于一个朗伯体，由朗伯比尔定律可知：

I(θ)＝I₀cosθ (式4)

在一个很小的微元dα内，辐射通量为：

Φ(α)＝I(α)2πsinαcosαdα (式5)

总的辐射通量：

光子以θ角辐射的概率为：

p(θ)＝Φ(α)/Φ (式8)

那么一次碰撞的平均光程为：

从上式可知，积分球中光子在一次碰撞中的平均光程和辐射角无关，即光子入射角度对光程无影响。

综上，光束在积分球内的光程长度可表示为如下公式：

式中，R为积分球气室半径，ρ为涂层反射概率，ε(λ)为气体分子的消光系数，f表示为积分球开口面积与积分球内表面面积之比。

可知，涂层的反射率ρ越大，积分球的反射次数也越多，其光程也将越长；积分球的开口面积与积分球内表面面积比和消光系数越小时，光程也将越长，即调节进气口3、出气口4、入光口1和出光口2的孔径。

在步骤S4中，采集卡采探测器电压信号和驱动电压，如图4为该探测器滤波图及响应频率。

如图5所示，采集到的数据传入计算机后进行分析处理，具体的计算机处理包括所锁相放大、滤波去噪、数据转换并依据Lambert-Beer定律，计算待测气体浓度。

用该装置测定二氧化碳和氩气混合气体，已知二氧化碳浓度占比为75％，在测定过程中通过可调孔径光阑调节入光口1、出光口2、进气口3和出气口4处的孔径，获的如下表1所示的5组测定结果：

表1采用本发明的装置测量已知浓度的气体的结果

可见，调节入光口1、出光口2、进气口3和出气口4处的孔径，可起到调节光束在积分球内的光程长度，和提高测量精确度、减小测量误差的效果。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种利用积分球的气体高灵敏检测装置，其特征在于，包括光源模块、气室模块、检测模块和数据采集及处理模块、供气模块；

所述气室模块包括积分球，所述积分球的腔室呈球状，腔内壁涂漫反射层；所述积分球设有进气口、出气口、入光口和出光口，所述进气口、出气口、入光口和出光口均设有孔径可调装置，且所述入光口和出光口不处于积分球的任一直径的两端；

所述供气模块包括并联于气管一端的标准气罐、待测气罐，气管的另一端接进气口；

所述光源模块包括正对入光口并指向积分球球心的光源；

所述检测模块包括光电探测器，其入光端与出光口相连，用于接收光源发出的光束经积分球反射后的反射光，并进行光电转换；

所述数据采集及处理模块接检测模块，用于采集检测模块转化的电信号，并进行处理。

2.根据权利要求1所述的气体高灵敏检测装置，其特征在于，所述光源包括红外光源。

3.根据权利要求1所述的气体高灵敏检测装置，其特征在于，所述光源模块包括光源驱动模块，用于调制所述光源的驱动电压。

4.根据权利要求2所述的气体高灵敏检测装置，其特征在于，所述光电探测器为红外光谱探测器。

5.根据权利要求1所述的气体高灵敏检测装置，其特征在于，所述漫反射层包括聚四氟乙烯层、硫酸钡涂层或氧化镁涂层。

6.根据权利要求1所述的气体高灵敏检测装置，其特征在于，所述孔径可调装置包括可调孔径光阑。

7.根据权利要求1所述的气体高灵敏检测装置，其特征在于，所述气管的另一端通过流速计接进气口。