一種氣體濃度測量儀的製作方法
2023-12-02 14:41:41
專利名稱：一種氣體濃度測量儀的製作方法
技術領域：
本發明屬於光學傳感技術領域，涉及一種氣體濃度測量儀。
背景技術：
無論是大氣汙染(如N0、 N02、 S02等)還是人體健康診斷(02， C02， CO等)，還是採 礦安全(C0、C4等)都涉及到氣體含量及存在與否的測量問題。特別是現代工業化帶來的 全球臭氧層破壞、溫室效應、光化學煙霧等嚴重後果，對國家發展和人類健康具有深遠的影 響，環境領域的關鍵技術創新是《國家"十一五"科學技術發展規劃》所提出的戰略目標之 一，基本控制環境汙染，初步遏制生態惡化的趨勢是"十一五"期間國家對科技界的一個殷 切希望。另外，通過分析巖石圈、水圈和大氣圈中的氣體樣品，發現異常氣體，還可以達到礦 產勘察以及地球化學勘察的目的。如人們在金屬礦床上方發現0、 C02、 S02、 HS、 Rn和Hg蒸 氣等氣體異常。 目前，氣體傳感的方法非常多，可大致分為物理和化學兩大類。物理的方法可以通 過電流、電導、超聲、光折射率、光強度等物理量的變化來檢測氣體的成分及濃度；而化學的 方法則是通過化學反應、電化學反映引起物理量的變化(如溫度變化)來檢測的。在眾多 的測量方法中，雷射光譜法具有最高的靈敏度，是目前研究的熱點。由於每一種氣體都有其 特定的吸收波長，通過用不同波長的雷射就可以精確地確定氣體的種類及濃度。
不論何種氣體的實驗研究或在線檢測，都需要給予被測氣體一定的測量空間，稱 為氣室。 一般通用的氣室具有入氣口和出氣口，對於光學測量方法還應包括通光窗口。隨 著應用場合的不同，氣室的形狀也大不相同。如申請專利號為CN200810246800. 6的發明專 利，涉及一種多次反射氣室，包括一個兩端通透的中空長方體光學池，兩通透端上分別固定 連接一主反射鏡板和一 1/2反射鏡板，與光學池一體的另兩側板上分別開設有一進光口和 一與其對應設置的出光口 ，光學池內的進光口和出光口處分別設置有一入射反射鏡和一輸 出反射鏡，且入射反射鏡和輸出反射鏡分別與進光、出光方向成45。角。又如申請專利號為 CN01808691.8的發明專利，設計的是用於0)2的氣室，包括光源及光束接納單元，氣室形狀 是橢圓，光源及光束接納單元分別放置於橢圓的兩個焦點上。 氣體光譜檢測方法所用的氣室，主要特點在於必須有兩個通光窗口 ，雖然雷射光 譜法靈敏度高，但被測氣體的主要吸收峰一般在中紅外或遠紅外波段，其光源及探測器以 及窗口透光材料都非常昂貴，一般都採用氣體在近紅外或可見波段的泛頻進行檢測，但其 吸收係數顯著降低，為了彌補其不足，氣室要求長度較長或具有多次反射的功能以增加光 程，因此應用受到限制。 多次反射氣體池，一般採用兩個具有楔角的反射平面，入射光經多次反射後 經耦合入光束接納單元中，通過調節楔角大小調節光的反射次數。或者採用如專利 CN200810246800.6的方法。但多次反射氣室對於加工要求精度高，造價昂貴，並且總的光程 不易控制。
發明內容
本發明的目的是針對現有技術的不足，提供了一種氣體濃度測量儀。 本發明包括氣室、雷射器、探測器、入射光纖準直器、出射光纖準直器、信號處理器
和廢氣處理回收裝置。 氣室為柱形全封閉結構的玻璃氣室，其截面為橢圓形，氣室的內側壁鍍有全反膜， 氣室的頂蓋設置有進氣口 ，進氣口通過進氣管路與氣瓶連接，進氣管路上設置有流量計和 進氣閥門；氣室的底蓋設置有出氣口，出氣口通過出氣管路與廢氣回收裝置連接，出氣管路 上設置有出氣閥門和真空泵。 氣室內側壁上的全反膜開有一個入射通光窗口和一個出射通光窗口，氣室外設置 有入射光纖準直器和出射光纖準直器，入射光纖準直器靠近入射通光窗口設置，出射光纖 準直器靠近出射通光窗口設置；入射光纖準直器的光輸出端與入射通光窗口位置對應，入
射光纖準直器的光輸入端通過光纖與雷射器連接；出射光纖準直器的光輸入端與出射通光 窗口位置對應，出射光纖準直器的光輸出端與探測器輸入端光連接，探測器輸出端與信號 處理器連接。 入射通光窗口與出射通光窗口處於柱形氣室的同一水平橢圓截面上；入射通光窗 口位於橢圓的一個短軸端點處，入射通光窗口和橢圓長軸上的一個焦點處於入射光纖準直 器的入射光的光路上；出射通光窗口位於靠近橢圓長軸上另一個焦點的長軸端點處。
本發明的發明點在於提供一種新型的氣室結構。本發明中的雷射器、探測器、入射 光纖準直器、出射光纖準直器、廢氣處理器、信號處理器等均採用成熟的現有技術。
本發明結構簡單，安裝調試方便，當橢圓圓柱形氣室結構確定後，入射光和出射光 的位置就完全確定了 。本發明所採取的結構，只用一個光源和一個探測器，改變光線最終的 出射角度即可得到不同光程的光信號，對兩個或數個不同光程的信號進行檢測和處理，即 可達到光譜測量中比色的效果，大大增加信噪比和檢測靈敏度。
圖1為本發明的結構示意圖； 圖2為本發明中橢圓截面上的反射光束在底面的投影圖。
具體實施例方式
如圖1所示，一種氣體濃度測量儀包括氣室13、雷射器8、探測器6、入射光纖準直 器14、出射光纖準直器5、信號處理器7和廢氣處理回收裝置10。 氣室13為柱形全封閉結構的玻璃氣室，其截面為橢圓形，氣室13的內側壁鍍有全 反膜，氣室13的頂蓋設置有進氣口 ，進氣口通過進氣管路與氣瓶1連接，進氣管路上設置有 流量計2和進氣閥門3 ;氣室13的底蓋設置有出氣口，出氣口通過出氣管路與廢氣回收裝 置10連接，出氣管路上設置有出氣閥門12和真空泵11。 氣室13內側壁上的全反膜開有一個入射通光窗口 15和一個出射通光窗口 4，氣 室13外設置有入射光纖準直器14和出射光纖準直器5，入射光纖準直器14靠近入射通光 窗口 15設置，出射光纖準直器5靠近出射通光窗口 4設置；入射光纖準直器14的光輸出端 與入射通光窗口 15位置對應，入射光纖準直器14的光輸入端通過光纖9與雷射器8連接；
4出射光纖準直器5的光輸入端與出射通光窗口 4位置對應，出射光纖準直器5的光輸出端 與探測器6輸入端光連接，探測器6輸出端與信號處理器7連接。 入射通光窗口 15與出射通光窗口 4處於柱形氣室13的同一水平橢圓截面上；入 射通光窗口 15位於橢圓的一個短軸端點處，入射通光窗口 15和橢圓長軸上的一個焦點處 於入射光纖準直器14的入射光的光路上；出射通光窗口4位於靠近橢圓長軸上另一個焦點 的長軸端點處。 如圖2所示，橢圓有一個重要的性質是，通過長軸上一個焦點的光線被橢圓周反 射後，必然會通過長軸上另一個焦點，因此，如果入射光線通過橢圓形氣室的長軸上一個焦 點，那麼所有在橢圓中反射的光線，都經過焦點，隨著反射次數的增加，反射光線的斜率越 來越小，最後必將沿橢圓的長軸來回反射，如果在橢圓長軸的一端開一個出射通光窗口 ，光 線最後必將從此孔射出，橢圓的離心率越小，光線在橢圓內反射的次數越多。因此，可以通 過控制或設計橢圓離心率來改變光在氣室中的光路長度；橢圓的另一個重要的性質是，橢 圓上任意一點到橢圓的兩個焦點的距離和是橢圓長軸長度的兩倍，因此，只要知道光在橢 圓內的反射次數，就可以方便地計算出光在氣室中的光路長度。 考慮如圖2的橢圓，設其長軸0A為a，短軸0B為b，半焦距為c，因此離心率e =c/a，橢圓的標準方程可寫為
formula see original document page 5
設光線從P點入射，經過焦點巳，在Q點被橢圓反射，因此，P的坐標為(-b，O)，橢圓 上任一點如Q(x"y》與橢圓左焦點距離為= a-ex"與橢圓右焦點距離為QF2 = a+eXl， 其中的A為Q點的橫坐標，yi為Q點的縱坐標。因此，由圖2中的幾何關係，三角形QQ' ^ 與三角形P0^相似，則:formula see original document page 5通過三角形QQ' ^則可算出sine工的值，其中，
formula see original document page 5
由同樣的方法，可以得到
sin0，=
(l + e2)+2esin&sine4 =
. 2g + (l + g2)sine2
sm^ =t-V\-^-t"
(l + e2J+2esin《
2g + (l + g2)sin(93
(6a)
(6b)
(6c)
力、式(6)可知，橢圓上的反射光線與短軸的夾角e滿足如下的遞推公式sin義=
2g + (l + g2)sin6> —i
通過的數學變換，可以得到
、2 +1
(7)
1 —
丄一c
(8)
1 +
因此，
lim(sin 9 n) 即
(9)
(10)
由公式(io)可知，當光線在橢圓內的反射次數足夠多時，光線將與短軸垂直，即
光線與長軸平行，因此可以將出光窗口設在長軸的某一端點上。 在工程應用中，由於光線並非無限細，因此當光線與橢圓長軸的夾角小於某一值 S時，光線即可從出射埠出射，由S的值可以算出橢圓長軸端點處需要開口的大小￡， 即 e = 2a(l-e)tan S (11)
—
^
cos
S
(12)
.一e
、2 +1 艮卩sinp =.
2 COS 5
(13)
1 +
求解方程(13)，可得
In
l-cos<5
In
1 +
In
一cos《 sin 5
(14)
In
l一e 由於橢圓上任意一點到橢圓的兩個焦點的距離和是橢圓長軸長度的兩倍，因此光
6線在橢圓內每多一次反射，光路長度就大約多2a，因為光線最後從某一焦點出射時所走的 路徑隨反射次數的增加而逐漸減小，當經過足夠多次的反射，光線與橢圓長軸近似平行時， 這個最後的長度就大約等於焦點到長軸端點的長度，即a-c，或a(l-e)，因此，在滿足條件 (14)時，光在橢圓中走的長度L為 L = PF一2an+a(l-e) = [2(n+l)-e]a (15) 由公式(15)可知，光線在橢圓中所走的長度與反射次數和橢圓的離心率有關，結 合公式(14)可知，光路長度最終決定於橢圓的離心率e和出射光線與長軸的夾角S ，兩者 越小，光路則越長，因此可以通過調節兩者的大小改變光路長度。 若被測氣體的吸收截面為o ，濃度為C，若入射光和出射光的強度分別為Ii和Io 光從橢圓氣室通過入射通光窗口和出射通光窗口的透射率分別為、和t。，光在橢圓壁的 反射係數為Y，則
I0 = t i t 。 y 卿(-o CL) = t i t 。 y 卿{- o C [2 (n+1) _e]} (16)則d'，。《'^J (17) 若採用比色法，分別測量反射次數為n和m的情況，則i = ^""-" exp[_ 2aC(w — w)] (18)
朋則c-， "V (19) 因此只要測得兩次的出射光的光強，Y和o已知，則可以得到氣體濃度值c
權利要求
一種氣體濃度測量儀，包括氣室、雷射器、探測器、入射光纖準直器、出射光纖準直器、信號處理器和廢氣處理回收裝置，其特徵在於所述的氣室為柱形全封閉結構的玻璃氣室，其截面為橢圓形，氣室的內側壁鍍有全反膜，氣室的頂蓋設置有進氣口，進氣口通過進氣管路與氣瓶連接，進氣管路上設置有流量計和進氣閥門；氣室的底蓋設置有出氣口，出氣口通過出氣管路與廢氣回收裝置連接，出氣管路上設置有出氣閥門和真空泵；所述的氣室內側壁上的全反膜開有一個入射通光窗口和一個出射通光窗口，氣室外設置有入射光纖準直器和出射光纖準直器，入射光纖準直器靠近入射通光窗口設置，出射光纖準直器靠近出射通光窗口設置；入射光纖準直器的光輸出端與入射通光窗口位置對應，入射光纖準直器的光輸入端通過光纖與雷射器連接；出射光纖準直器的光輸入端與出射通光窗口位置對應，出射光纖準直器的光輸出端與探測器輸入端光連接，探測器輸出端與信號處理器連接；所述的入射通光窗口與出射通光窗口處於柱形氣室的同一水平橢圓截面上；入射通光窗口位於橢圓的一個短軸端點處，入射通光窗口和橢圓長軸上的一個焦點處於入射光纖準直器的入射光的光路上；出射通光窗口位於靠近橢圓長軸上另一個焦點的長軸端點處。
全文摘要
本發明涉及一種氣體濃度測量儀。現有的氣室長度較長或加工要求精度高、造價昂貴、光程不易控制。本發明中的氣室為柱形全封閉結構的玻璃氣室，其截面為橢圓形，氣室的內側壁鍍有全反膜，氣室的頂蓋和底蓋分別開有設置有進氣口和出氣口，氣室內側壁上的全反膜開有入射通光窗口，與入射通光窗口對應的位置設置入射光纖準直器，入射光纖準直器通過光纖與雷射器連接。氣室內側壁上的全反膜開有出射通光窗口，與出射通光窗口對應的位置設置出射光纖準直器，出射光纖準直器輸出端與探測器輸入端光連接，探測器輸出端與信號處理器連接。入射通光窗口與出射通光窗口處於在同一水平橢圓截面上。本發明裝置加工簡單、成本低，信噪比和檢測靈敏度高。
文檔編號G01N21/25GK101694457SQ20091015338
公開日2010年4月14日 申請日期2009年10月19日 優先權日2009年10月19日
發明者閻春生 申請人:浙江大學;