CN2507011Y

CN2507011Y - 阵列式红外气体传感器

Info

Publication number: CN2507011Y
Application number: CN 01265945
Authority: CN
Inventors: 刘君华; 张永怀
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2001-12-06
Filing date: 2001-12-06
Publication date: 2002-08-21
Anticipated expiration: 2011-12-06

Abstract

本实用新型公开了一种阵列式红外气体传感器,由一压板、气体特征波长窄带滤光片滤光片阵列、光锥阵列、光锥套、电路板、盖板和套管构成,由于采用双元型宽范围响应的热释电红外探测器,可以作为任意类型的红外气体分析器的探测部分,可同时测定多种气体组分,并大幅度地消除水汽的干扰,通过方便地更换传感器红外窗口波片,可实现对三十多种工业气体的定量与定性分析。本传感器采用单一+12V供电,输出多路伏级信号,在研制红外气体分析仪中通过适当地选择该系列中不同类型,可以大大提高红外气体分析仪器的分析能力、分析精度和性价比。

Description

阵列式红外气体传感器

一、技术领域

本实用新型涉及一种传感器，进一步涉及一种阵列式红外气体传感器。

二、背景技术

气体分析在地震预报、矿井安全、石油勘探、大气物理、医疗卫生、污染源监测、高压设备故障诊断、化工过程控制、冶金等传统工业乃至现在所有的新技术革命带头学科如生物科学、微电子学、新型材料等领域均有着越来越广泛的应用。

常用的气体分析传感器的方法有：

(1)电化学法，选择性好，精度高，但是寿命太短，一般三月到一年。

(2)色谱法(层析法)，就是基于各种物理化学过程把待测气体组分分离检测，从而实现对待测气体的定性识别和定量分析，精度高，但是只能用于实验室，目前还没有走向现场应用。

(3)光学方法，包括：1)红外吸收和紫外吸收型，前者易受水分和二氧化碳干扰；后者受紫外发射光源的限制，不能探测某些易燃气体，如C₂H₂、C₂H₄；2)化学发光型，国外已有化学发光法NO_x气体分析仪。3)紫外脉冲荧光型，国外已有紫外脉冲荧光SO₂分析仪商品。

其中红外光学式应用最为引人注目，一直是的研究热点之一。红外光学式的特点：

1)能测量多种气体

除了单原子的惰性气体(Ar、Ne、He等)和具有对称结构元极性的双原子分子气体(如N₂、H₂、O₂)外，大多数有机和无机多原子分子气体，如SO₂、、O₃、CO、CO₂、HC、NO_x、NH₃、C₂H₂、CH₄等烷烃、烯烃和其它烃类等都可用红外线分析器进行分析。

2)测量范围宽

红外线气体分析器能够分析气体的上限为100％，下限可PPM。

3)灵敏度高

红外线气体分析器有很高的检测灵敏度，气体浓度有微小的变化，仪器都能分辨出来。

4)精度高

红外线气体分析器的精度一般都是3-5级，目前国外比较好的仪器有2级的，也有优于1级的。与其它的分析手段相比较。它的精度比较高稳定性好。

5)响应快

反应90％值的时间一般可在10s以内，与其它分析手段相比较要快好几倍。

6)红外线分析器有良好的选择性(有很高的选择性系数)

特别适于对多组分气体混合气中某一待分析组分的测定，而且当混合气中一种或几种组分的浓度发生变化时，并不影响待分析组分的测量。

7)可靠性高，寿命长。

8)可实现连续分析和自动控制。

正是由于以上特点，红外气体分器在石油化工生产工艺流程、机械工业热处理工序、易燃易爆的危险场所(厂房、仓库、船舱、击区、油井等地方的甲烷、乙烷、乙炔、乙烯、丙烯、甲醉、乙醇、丙酮、苯、汽油、市用煤气等)气体浓度监视或报警、工业窑炉的燃烧效率的控制、大气中的SO₂、、O₃、CO、NH₃、烃类及某些有毒气体的含量进行监测、原子能发电站中测量反应堆循环气体中的水蒸汽、CO、CO₂、研究作物生长情况、对汽车排气中的CO、CO₂、HC、SO₂、NO_x的浓度进行测定等方面具有十分广泛的应用。

特别是作为污染源连续监测系统(CEMS)中核心部分：红外分析单元，更是发挥了独特的作用。烟囱烟道的废气成份具有时变性、组分浓度和流速大小随机、烟油污染、温度变化范围大等恶劣条件，使得其他测量方法无法实现在线测量。法国ESA公司的固定源CEMS采用MIR 9000型GFC红外多气体分析仪可同时分析1～10种气体；法国OLDHAM公司的E6200型CEMS采用E6200采用红外线直接测量法可测SO2、CO2、NOx、NO、NO2、HCl、CO、CH4、NH3、HC、H2O；英国XENTRA4900型CEMS采用非分散红外线法测NO、SO2、CO2、CO；日本HORIBA公司的ENDA-600型系列CEMS采用非分散红外线法NOx、SO2、CO2、CO。

红外气体分析仪从物理特征分为分光型和不分光型(非分散)两种。分光型是借助分光系统分出单色光，使通过介质层的红外线波长与被测组分的特征吸收光谱相吻合。探测器头均采用宽范围响应的热辐射探测器、光电导检测器，分析能力强，但是分光系统复杂，多用于实验室目前还不能走向现场。不分光型指光源的连续光辐射全部投射到样品上，样品对红外辐射具有选择性吸收和积分性质，同时采用与样品具有相同吸收光谱的检测器(微音电容探测器)来测定样品对红外光吸收量。不分光型功能单一，但比较可靠，多用于工业现场。一般采用气体相关技术或滤波气室等方法消除背景气体干扰。微音探测器缺点在于功能单一，结构复杂，维护困难。

三、发明内容

针对上述传统红外分析器存在的问题或不足，本实用新型的目的是提供一种阵列式红外气体传感器及其系列。

本实用新型结合分光型仪器高精度、高选择性和不分光型仪器的可靠结构特点，采用滤波片阵列、光锥阵列、热释电探测器阵列集成结构，使得探测器具有分光选择性和维护方便性。主要用于工业现场作为红外分析器的核心部件，可以解决气体交叉敏感、水气、系统、背景等噪声干扰等传统红外分析仪器难以克服的问题。通过适当选择滤光片波长，可以实现红外区域的DOAS(DifferentialOptical Absorption Spectroscopy)，当代最新监测技术的代表技术：开放式差分红外吸收光谱法(DOAS)技术为基础研制局域环境多组分有害气体(SO2，NO，NO2，CO，CO2，CH，O3等)的在线连续监测系统。

为了实现上述目的，本实用新型采取的技术方案是(以六组分气体测定为例)：该传感器由一带有固定孔的压板1，一气体特征波长窄带滤光片滤光片2，用以分别接收不同特征波长红外线的光锥3和用于放置若干个光锥的光锥套4，一电路板5，盖板6和套管7；压板1通过周边四个螺栓与光锥套4连接，光锥3通过过渡配合安装在光锥套4的台阶孔中，电路板5上焊接有若干组双元型热释电红外探测器、电阻和电容，和两片LM324集成放大器，装配在光锥套4的台阶小孔中，与前端光锥3对应，所有电子元器件均采用表贴元件，元件及其焊点均在电路板后端面；由套管7与盖板6隔开，通过螺栓把盖板6、电路板5、光锥3紧固连接；电路板5上的电源线与信号输出线采用屏蔽电缆线由盖板6的中心孔引出。

本实用新型的其他一些特点是，气体特征波长窄带滤光片阵列2采用大于2个的组合，不同波长的滤光片组合可以实现多种不同气体的同时测定。

所述光锥阵列3采用大于2个组合，通过过渡配合安装在光锥套4的台阶孔中，所述光锥套4放置有光锥，所述电路板5上对应焊接了双元型热释电红外探测器、电阻和电容以及放大器。

该传感器是工业红外气体分析仪器的核心部件，由于采用双元型热释电红外探测器，可以作为任意类型的红外气体分析器的探测部分。可同时测定若干种(根据不同红外气体分析器在该系列中选择)气体组分，并大幅度地消除水汽的干扰。通过方便地更换传感器红外窗口波片，可实现对三十多种工业气体的定量与定性分析。本传感器采用正负12V供电，输出7路伏级信号，在研制红外气体分析仪中通过适当地选择该系列中不同类型，可以大大提高红外气体分析仪器的分析能力、分析精度和性价比。

四、附图说明

图1是本实用新型的结构剖面图；

图2是本实用新型结构剖面图的俯视图；

图3是本实用新型的压板结构图；

图4是本实用新型的滤光片结构图；

图5是本实用新型的光锥结构图；

图6是本实用新型的光锥套结构图；图6a为主视图，图6b为俯视图；

图7是本实用新型的盖板结构图；

图8是本实用新型电路板的电路原理图；

图9是本实用新型在红外气体分析器中典型应用图。

五、具体实施方式

以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明。

实施例：参见图1～8，传感器结构(以六组分气体传感器为例)

阵列式红外气体传感器装配图图1a结构剖面图中

组件1为压板，材料为塑料ABS，厚度0.2mm。通过周边四个M2螺栓与光锥套组件4连接，目的为压紧滤光片。

组件2为待测气体特征波长窄带滤光片(半带宽0.05um，透过率大于80％)，平放在光锥组件3端部的沉孔中，与光锥3是间隙配合。当需要测量不同气体时，拧下螺栓，去掉压板1，更换特征波长滤光片。

组件光锥3材料为黄铜，内表面光洁度达

，通过过渡配合安装在光锥套4的7个台阶孔中。

组件光锥套4材料为合金铝。

组件电路板5上焊接了7个双元型热释电红外探测器，装配在光锥套台阶小孔中，与前端光锥对应，用以分别接收不同特征波长红外线。其它所有电子元器件均采用表贴元件，元件及其焊点均在电路板后端面。由套管7与后盖板隔开，通过螺栓把盖板、电路板、光锥紧固连接。

组件盖板6材料为合金铝，中间开空便于引出线，并且有屏蔽电磁干扰作用。

电路原理图中的R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、为10k精密电阻(0.1％，25ppm)，类型为表贴元件。Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7为GL202热释电探测器，C1、C2、C3、C4、C5、C6 C7为0.01uF的电容；IC1A、IC1B、IC1C、IC1D、IC2A、IC2B、IC2C为LM324的放大器；电源线(正负12V和地线)与7根信号输出线采用一根10芯屏蔽电缆线由盖板6中心孔引出。

如说明书附图中的图9所示，在使用过程中，可同时测定六种(根据不同红外气体分析器在该系列中选择)气体组分，也可根据实际进行组合，采用不同波长的滤光片组合可以实现多种不同气体的同时测定，光锥阵列也可采用组合，与滤光片组合对应。通过过渡配合安装在光锥套4的台阶孔中，光锥套4放置有光锥，电路板5上对应焊接了双元型热释电红外探测器、电阻和电容以及放大器。

通过选用水分特征吸收滤光片，将其它路信号与该路信号差分输出，可以大幅度地消除水汽的干扰。通过方便地更换传感器红外窗口波片，可实现对三十多种工业气体的定量与定性分析。本传感器采用正负12V供电，输入2～15um的10赫兹左右调幅调制红外线，输出7路伏级信号，在研制红外气体分析仪中通过适当地选择该系列中不同类型，本结构可以简化放大电路，降低信号处理的难度。可以大大提高红外气体分析仪器的分析能力、分析精度和性价比。

本实用新型是今后30-50年的主流技术和替代技术现场应用核心部分硬件实现，即当代最新监测技术的代表技术：开放式差分红外吸收光谱法(DOAS)技术为基础研制局域环境多组分有害气体(SO2，NO，NO2，CO，CO2，CH，O3等)的在线连续监测系统。可用于污染源、环境污染气体、固定污染源治理过程有害气体的在线监测。消除因开放光路非待测大气成份强背景干扰的；消除气体温度变化、压强变化、CO2、水汽温度变化干扰影响，而消除CO2、水汽干扰的常规方法是采用加热、过滤措施对被测气体导样管预处理。

Claims

1.一种阵列式红外气体传感器，其特征在于，包括一带有固定孔的压板[1]，若干气体特征波长窄带滤光片阵列[2]，用以分别接收不同特征波长红外线的光锥阵列[3]和用于放置若干个光锥的光锥套[4]，一电路板[5]，一个盖板[6]和四个套管[7]；压板[1]通过周边四个螺栓与光锥套[4]连接，光锥[3]通过过渡配合安装在光锥套[4]的台阶孔中，电路板[5]上焊接有若干组双元型热释电红外探测器、电阻、电容、集成放大器，热释电红外探测器装配在光锥套[4]的台阶小孔中，与前端光锥[3]对应，所有电子元器件均采用表贴元件，元件及其焊点均在电路板后端面；由套管[7]与盖板[6]隔开，通过螺栓把盖板[6]、电路板[5]、光锥[3]紧固连接；电路板[5]上的电源线与信号输出线采用屏蔽电缆线由盖板[6]的中心孔引出。

2.根据权利要求1所述的阵列式红外气体传感器，其特征在于，所述气体特征波长窄带滤光片阵列[2]采用大于2个的组合，不同波长的滤光片组合可以实现多种不同气体的同时测定。

3.根据权利要求1所述的阵列式红外气体传感器，其特征在于，所述光锥阵列[3]采用大于2个组合，通过过渡配合安装在光锥套[4]的台阶孔中，所述光锥套[4]放置有光锥，所述电路板[5]上对应焊接了双元型热释电红外探测器、电阻和电容以及放大器。