可攜式通用紅外線氣體分析器的製作方法
2023-10-26 04:06:27
專利名稱：可攜式通用紅外線氣體分析器的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於分析儀器。
利用氣體對紅外輻射有選擇性的吸收原理製成的不分光的紅外線氣體分析器有多種，大多採用薄膜微音器為探測器，按其光路有雙光束、串聯式、單邊交叉式等不同，機械結構異常複雜，典型的雙光束紅外線氣體分析器如圖5所示，由電機51、光源52、切光片53、分析室54、參比室55、和薄膜微音器56幾部分組成。
另一種採用半導體探測器的紅外線氣體分析器，如用銻化銦或硒化鉛等組成的時間雙光路紅外線氣體分析器如圖6所示，也有一套電機帶動的調製系統，包括電機61、光源62、參比濾光片63、分析濾光片66、分析室64和銻化銦探測器65等，結構複雜，可靠性差。
還有一種採用光聲光譜法的紅外線氣體分析器，雖然靈敏度高並可進行多組分測量，但也是結構複雜，體積較大，不便攜帶作實地測量。再一種電化學式的紅外線氣體分析器，可以做到小型化便於攜帶，又有壽命短，精度差等缺點。
總之，現有技術的上述儀器大多數機械結構複雜，可靠性差，雖然大多數採用微型計算機控制，提高了自動化水平，但是因為體積和重量都比較大，不便於攜帶和現場測量使用。
本實用新型的目的是提供一種結構簡單、可靠性高、通用性好、全自動操作而又便於攜帶的紅外線氣體分析器。
本實用新型是通過下述方案實現的，全部分析器包括光路和檢測器，以及包括微型計算機的控制和顯示部分，電源等。其特點是光路和檢測部分沒有電機等運動部件，其光路由紅外光源、氣室、紅外透光片、光譜選擇器組成，紅外線探測器採用可直接檢測紅外線而輸出電壓信號的熱電堆矩陣紅外線探測器，在氣室的進氣管之前，有一個由三通閥和鹼石棉過濾器組成的測量校正轉換氣路；電氣部分主要有為適應探測器設計的由二隻運算放大器組成的前級放大器、微型計算機、顯示器、測量校正轉換開關、光源電源、免維修固態電池及充電電路，組成由微型計算機控制的自動化測量系統。
表示本實用新型發明內容和實施例有以下附圖。
圖1、可攜式通用紅外線氣體分析器的檢測部分(光路及測量校正轉換氣路)圖2、本實用新型紅外光源結構圖3、本儀器的電氣部分方框圖圖4、本儀器電氣部分中的前級放大器圖5、雙光束紅外線氣體分析器(已有技術)圖6、半導體探測器雙光路紅外線氣體分析器(已有技術)如圖1所示，本實用新型紅外線氣體分析器的光路由紅外光源1、氣室2、光譜選擇器3、紅外透光片6、熱電堆矩陣紅外探測器4組成，光路十分簡單，並且沒有如電機等運動部件，使本儀器的可靠性大為提高，本儀器的特點還在於在氣室2的進氣管21之前，有一個由鹼石棉過濾器8和三通閥7連通組成的測量校正轉換氣路5。測量校正轉換氣路5和進氣管21之間還裝有毛細管9。
氣室2為圓筒狀，用黃銅或純鋁製成，內表面精細拋光，若用黃銅製造拋光後再鍍金，氣室內壁紅外線反射率達95％以上。氣室2兩端裝有進氣管21和出氣管22，兩端面上密封粘接紅外透光片6，紅外透光片為直徑12毫米，厚1毫米的氟化鈣晶片，紅外線透過率達96％以上。
光譜選擇器3為一片狀圓環，位於氣室2和熱電堆矩陣紅外探測器4之間的氣隙中，該圓環上裝有不同規格的窄帶濾光片，當測量不同氣體時，只需要更換光譜選擇器3上的濾光片改變調諧波長。
由三通閥7和鹼石棉過濾器8連通接成環形的測量校正轉換氣路5中，被檢測氣體從三通閥7的進口進入氣路，該氣路從三通閥7與過濾器8之間引出被檢測氣體的引出管，然後通過毛細管9與氣室2的進氣管21相連接。操縱三通閥7，進入測量校正轉換氣路5的被檢測氣體可以通過過濾器8和毛細管9進入氣室2，也可以不經過過濾器8而直接通過毛細管9進入氣室2，實現校正與測量的轉換。毛細管9在氣路中的作用是節流和恆流。
本實施例採用的熱電堆矩陣紅外線探測器4為100點矩陣，靈敏元尺寸為2毫米×2毫米。
本實用新型的紅外光源1是特殊設計的，如圖2所示，反射面11為半球形凹面，表面鍍金，球直徑D約8－12毫米，燈絲12用鎳鉻絲繞製成螺旋狀，螺旋直徑d約2毫米，長度S約6毫米。本紅外光源1的體積小，效率高，當電源電壓為5伏，電流200毫安時，功率約1瓦。
為了說明本實用新型的設計特點，先介紹儀器的構成和工作原理。圖3表示了本實用新型整機組成原理方框圖，光路101包括紅外光源1、裝有紅外透光片6的氣室2，光譜選擇器3，測量和校正轉換氣路107接在氣室2的進氣管21之前。檢測器102即熱電堆矩陣紅外線探測器4將光的信號轉變為電壓信號，該電壓信號經前級放大器103放大後送入微型計算機104，微型計算機104將測量結果在顯示器105上顯示，與微型計算機104相聯的轉換器106也與測量和校正轉換氣路107聯接，用以實現零點校正，滿度的二次校正和正常測量的轉換，實現全自動操作。
由於本儀器中使用熱電堆矩陣紅外線探測器4直接輸出電壓信號，前級放大器103也較之已有技術線路簡單，製作方便。前級放大器103如圖4所示，它由二級低噪音低漂移的運算放大器AD1和AD2組成，(例如可以採用7650型)。運算放大器AD1的反相輸入端通過電阻R1接地，同相輸入端通過電容C1接地，通過電阻R2接輸入信號；輸出端通過電阻R3接反相輸入端，電容C2、C3防止自激，輸出端與AD2的同相輸入端相聯接；AD2的反相輸入端通過電阻R4接地；輸出端通過可變電阻R5與反相輸入端聯接，電容C4、C5防止自激，最後，AD2輸出端與微型計算機104的輸入端聯接。
本實用新型儀器可以用交流和直流二種電源，自帶充電電池作直流電源，可以連續工作8小時，電池電壓不足有報警裝置。
紅外線氣體分析器測量工作原理是基于貝爾定律I＝I0e－KCL
式中I－檢測器測出的紅外輻射能量；I0－紅外光源發出的紅外輻射能量；K－被測氣體的吸收係數；C－被測氣體的濃度；L－氣室的長度。
從貝爾定律可知，對某一氣體而言，吸收係數K是固定的，紅外光源的紅外輻射能量I0是控制了的，氣室長度L也是設計而固定的，所以只要從紅外檢測器測出紅外輻射能量I，也就測出了被檢測氣體的濃度C。實際上，測出一種氣體不同濃度時的輻射強度並由紅外探測器轉換為電壓信號，又確定某一標準濃度，據此制出濃度和電壓關係的一組曲線並貯存在微型計算機中，實際測量時，測出不同的電壓，微型計算機就可根據內存讀出被測氣體的濃度，並且自動顯示出來。
本實用新型的一個重要特點是，在正式測量之前，本儀器能夠自動地完成零點(0％)和滿度(100％)的校正，而且這種校正無需使用標準氣。這種自動校正是這樣實現的在本儀器中，氣室2的進氣管21之前有一個鹼石棉過濾器8，操縱轉換三通閥7，過濾器8能自動接入到氣路中去，造成氣體樣品中CO2完全被吸收，而認為是零點，紅外輻射沒有被吸收，是100％，是1V；如果諸如溫度、光源能量變化等因素造成1V的變化，微型計算機能夠自動地將其調整為1V，然後鹼石棉過濾器8從氣路中切換出來，被測氣體樣品直接進入氣室2進行測量，因為微型計算機每次都自動地控制電壓為1V開始進行氣體吸收的比較，而吸收又符合貝爾定律，從而實現了二次自動校正，消除了漂移誤差的影響，使本儀器具有並保持了高精度和高穩定度。
本實用新型紅外線氣體分析器具有如下顯著的特點(1)光路簡單、無運動部件，可靠性大大提高，體積小，重量輕，便於攜帶。例如本實施例，儀器體積為長178毫米×寬150毫米×高50毫米，儀器可以用交直流兩種電源工作，既可以用單相交流電，又可以用儀器自帶的充電電池工作。
(2)儀器具有自動校正零點和滿度的功能，而且不用標準氣，消除了漂移，所以儀器精度高，穩定性好。
(3)是一種廣譜檢測儀器，使用範圍寬，通用性好，當改變被測氣體時，只要更換光譜選擇器中的濾光片，改變調諧波長即可，並且儀器是全自動操作，一次操作就實現自動校正直至顯示出測量結果。
本實用新型特別適用於二氧化碳、一氧化碳、甲烷、二氧化硫等氣體的測量，特別是環境保護、衛生防疫、工業流程等各種條件的現場監測。
權利要求1.一種可攜式通用紅外線氣體分析器，包括光路和檢測器、以及包括微型計算機的控制和顯示部分，電源等，其特徵是光路中沒有電機等運動部件，由紅外光源1、氣室2、紅外透光片6、光譜選擇器3組成；紅外探測器採用可直接檢測紅外線而輸出電壓信號的熱電堆矩陣紅外線探測器4；在氣室2的進氣管21之前，有一個測量校正轉換氣路5；包括微型計算機的控制和顯示部分中有測量校正轉換開關103，在紅外線探測器4和微型計算機107之間有由二隻運算放大器AD1和AD2構成的前級放大器106。
2.如權利要求1所述的可攜式通用紅外線氣體分析器，其特徵是測量校正轉換氣路5由三通閥7和鹼石棉過濾器8組成，從三通閥7和鹼石棉過濾器8之間的引出管，再通過毛細血管9與氣室2的進氣管21相連接。
3.如權利要求1所述的可攜式通用紅外線氣體分析器，其特徵是氣室2用黃銅或純鋁製成，內表面精細拋光，若用黃銅製造則拋光後再鍍金，氣室2兩端面密封粘接的紅外透光片6用氟化鈣晶片製成。
4.如權利要求1所述的可攜式通用紅外線氣體分析器，其特徵是位於氣室2和熱電堆矩陣紅外探測器4之間的光譜選擇器3為片狀圓環，其上裝有不同規格的窄帶濾光片。
5.如權利要求1所述的可攜式通用紅外線氣體分析器，其特徵是紅外光源1的半球形凹面反射面11表面鍍金，球直徑D約8－12毫米，燈絲12的螺旋直徑d約2毫米，長度S約6毫米。
6.如權利要求1所述的可攜式通用紅外線氣體分析器，其特徵是儀器可以用交流和直流二種電源，自帶直流充電電池和電壓不足報警裝置。
專利摘要可攜式通用紅外線氣體分析器是為環境保護、衛生防疫、工業流程監控等檢測CO
文檔編號G01N21/35GK2213335SQ94247430
公開日1995年11月22日 申請日期1994年12月16日 優先權日1994年12月16日
發明者張堯海, 蔡正華 申請人:張堯海