一種微型遠紅外氣體濃度監測方法及裝置製造方法
2023-07-25 01:49:26
一種微型遠紅外氣體濃度監測方法及裝置製造方法
【專利摘要】本發明提供一種微型遠紅外氣體濃度監測方法及裝置，該裝置採用雙波長紅外監測原理，輔以合理的微型結構設計，形成一個微型無焦點多次反射氣室，在氣室內壁鍍金反射膜，增加紅外光的反射，使得在微小的空間裡紅外探測器能夠獲得足夠的信息以反映被測氣體的濃度。通過加入光闌和窗口片對遠紅外光源進行匯聚，得到測量所需的遠紅外光。採用過濾網加防水透氣膜的結構進行過濾、防水保護，在保證監測精度的同時，亦能對氣室及光學元件進行保護。裝置提供數據輸出引腳和報警輸出引腳，對外輸出氣體濃度數位訊號和開路集電極報警信號，能適應危險場所氣體濃度報警的需求。
【專利說明】—種微型遠紅外氣體濃度監測方法及裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬於氣體濃度監測領域，具體涉及一種微型遠紅外氣體濃度監測方法及裝置，採用微型結構、雙波長紅外監測原理、自帶數位訊號處理和溫度補償的適用於遠紅外波段的氣體濃度監測方法及裝置。
【背景技術】
[0002]雙波長紅外氣體濃度監測是目前研究的熱點之一，具備如下優點:能測量多種氣體、測量範圍寬、靈敏度高、精度高、穩定性好、具有良好的選擇性、可靠性高、壽命長。
[0003]在很多領域對氣體濃度監測裝置的外形尺寸要求較為嚴格，本發明裝置在安裝和應用的諸多場所具有明顯優勢，是開發者追求的目標。在裝置的氣室結構設計方面，以往多採用有焦點的反射氣室來獲得紅外光在氣室內的多次反射，使得紅外探測器能夠得到足以反映被測氣體濃度變化的信號強度。但是構造一個有焦點的反射氣室，需要進行嚴格的計算並通過精密加工才能獲得，這就增加了氣室的開發成本。通常，要在微小的裝置上集成較複雜的數位訊號處理電路，因為空間的限制是比較困難的，人們只得採用複雜的外部電路開發來反映被測氣體的濃度，這種做法增加了裝置二次開發的成本。
[0004]針對吸收區在遠紅外波段的氣體，很難找到合適的光源，通過對光源進行設計，能滿足遠紅外區氣體濃度的監測。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在於提供一種微型遠紅外氣體濃度監測方法及裝置。該裝置採用雙波長紅外監測原理，輔以合理的微型結構設計形成一個無焦點的多次反射氣室，自帶數位訊號處理、溫度補償，並具有數位訊號輸出和OC報警輸出功能，具有監測精度高、穩定可靠等優點，滿足遠紅外吸收區氣體的濃度監測的需要。
[0006]本發明採用的技術方案為:一種微型遠紅外氣體濃度監測裝置，由防水透氣膜1，外殼2，過濾網3，氣室壁I 4，氣室壁II 5，氣室壁III 6，內襯7，電路板I 8，電路板II 9，6個電路引腳10，遠紅外光源11，雙通道紅外探測器12組成一個整體。其構造是:防水透氣膜I緊貼在外殼2上，過濾網3，氣室壁I 4，氣室壁II 5，氣室壁III 6，內襯7，電路板I 8，電路板II 9，依次裝入外殼之內並粘接牢固，6個電路引腳10焊接在電路板II 9上，並伸出以便於與外部的電連接，遠紅外光源11和雙通道紅外探測器12裝在電路板I 8上，電路板I 8和電路板II 9之間的空隙灌注密封膠形成密封層14，底部使用蓋板15封住。遠紅外光源11其上設置有光闌16和窗口片17，通過粘接進行固定和密封，紅外光通過窗口片17從光闌16上的開孔中通過射入氣室。遠紅外光源11和雙通道紅外探測器12通過內襯7隔離，並通過氣室壁III6上的參比透光孔20、測量透光孔21和光源孔22發出或接收紅外光，雙通道紅外探測器12前面設置有參比濾光片18和測量濾光片19。所述的參比濾光片18和測量濾光片19均為窄帶幹涉濾光片，可通過選擇不同波長的濾光片對不同的氣體進行測量，氣室壁I 4、氣室壁II 5和氣室壁III6形成一個無焦點多次反射氣室24，氣室壁I 4形成氣室的頂面，其上有進氣孔23允許氣體進入氣室，氣室壁II 5形成氣室的側壁並提供氣室空間，氣室壁III 6形成氣室的底面和提供紅外光進入和射出氣室的孔，氣室內壁面全部鍍金反射膜以增加反射率，遠紅外光源11發出的紅外光通過氣室壁III 6上的光源孔22進入無焦點多次反射氣室24內，雙通道紅外探測器12的參比濾光片18和測量濾光片19的前面分別有參比透光孔20和測量透光孔21形成參比通道和測量通道。無焦點多次反射氣室24所佔空間較小，使得裝置下部空出的空間可以內置較複雜的信號處理電路。
[0007]電路板I 8和電路板II 9上包括信號放大濾波、A/D轉換、數據處理、光源驅動等功能電路，電路板I 8還包含一個溫度探測器，兩塊電路板之間通過電子連接件13相互聯繫。裝置配備6個電路引腳10焊接在電路板II 9並伸出，分別為Vd、GND、TX、RX、OCl、0C2, Vd、GND是提供電源接入的引腳，TX、RX為發送和接收數位訊號的引腳，能夠對外輸出被測氣體濃度的數值和寫入溫度補償和零點修正等參數，0C1、0C2為開路集電極輸出的引腳，分別提供氣體濃度的預報警和報警信號，預報警值和報警值可以在連接TX、RX引腳後根據實際使用需求寫入。
[0008]不同的氣體具有不同的特徵吸收波長，氣體濃度與特徵波長處的紅外吸收服從Lamber-beer定律，是紅外氣體監測的理論基礎。實際應用中，為了避免光源老化等環境因素變化的影響，常採用雙波長監測原理，即選擇一個被測氣體特徵吸收波長作為測量波長，另一個不被氣體吸收的波長作為參比波長，來進行氣體監測。
[0009]根據以上分析，微型遠紅外氣體濃度監測方法是:被監測的氣體，經自然擴散進入本裝置，經過防水透氣膜I除去水分，再經過過濾網3過濾，從進氣孔23進入無焦點多次反射氣室24。無焦點多次反射氣室24由三部分構成，氣室壁I 4，氣室壁II 5，氣室壁III6構成一個微型空間，無焦點多次反射氣室24內表面全部鍍金反射膜以增加紅外光的反射率，遠紅外光源11發出紅外光通過窗口片17，經由光闌16的開孔和氣室壁III6的光源孔22進入無焦點多次反射氣室24，在無焦點多次反射氣室24的鍍金反射膜內表面上經過多次反射被被測氣體吸收後到達雙通道紅外探測器12上，雙通道紅外探測器12的參比濾光片16和測量濾光片17分別選擇對應波長的光,輸出與光強有光的電壓信號，電路板I 8和電路板II 9上的功能電路通過分析電壓信號的強弱變化，得到反映氣體濃度信息的吸收變量D，就可以得到氣體濃度信息並對外輸出數位訊號。
[0010]為了避免溫度所帶來的測量誤差，建立溫度補償模型，對電壓信號隨溫度的變化關係進行補償，以消除這種誤差。所建立的溫度補償模型通過採集不同溫度下，參比電壓和測量電壓隨溫度的變化情況，得到吸收變量D隨溫度變化的關係，採用多項式擬合得到溫度補償模型。根據所建立的溫度補償模型，結合溫度探測器測得的實時溫度修正吸收變量D後，通過選擇幾個標準濃度測量點作為標定點，建立吸收變量D與濃度的對應關係，採用查表法得到具體的氣體濃度值。根據實際監測的需要，設定裝置的預報警值和報警值，在被測氣體濃度超過設定值時，通過兩個開路集電極輸出OCl和0C2輸出預報警或報警信號。
[0011]本發明與現有技術性相比的優點以及技術效果為:
[0012]本發明通過採用雙波長紅外監測原理，輔以合理的微型結構設計，設計出一種微型遠紅外氣體濃度監測裝置。通過加入光闌和窗口片對遠紅外光源進行匯聚，得到測量所需要的遠紅外光。通過形成一個無焦點多次反射氣室並在氣室內壁鍍金反射膜，增加紅外光的反射，使得在微小的空間裡紅外探測器能夠獲得足夠的信息以反映被測氣體的濃度。採用過濾網加防水透氣膜的結構進行過濾、防水保護，在保證監測精度的同時，亦能對氣室及光學元件進行保護。在裝置上提供數據輸出引腳和報警輸出引腳，對外輸出氣體濃度數位訊號和開路集電極報警信號，能適應危險場所氣體濃度報警的需求。
[0013]本發明一種微型遠紅外氣體濃度監測方法及裝置，能對S02、SF6等多種氣體進行監測，是石油、化工、礦業工程等領域氣體濃度監測和報警必不可少的關鍵技術，其推廣應用將有利於提升這些行業的安全和保障相關從業人員的安全。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為本發明的裝置的結構示意圖；
[0015]圖2為本發明的裝置的零部件圖；
[0016]圖3為本發明的裝置的光源結構示意圖；
[0017]圖4為本發明的裝置的光源和探測器安裝圖；
[0018]圖5為本發明的裝置的電路引腳示意圖；
[0019]圖6為本發明的數據處理流程圖；
[0020]圖中:1.防水透氣膜，2.外殼，3.過濾網，4.氣室壁I ,5.氣室壁II，6.氣室壁III，
7.內襯，8.電路板I，9.電路板II，10.6個電路引腳，11.遠紅外光源，12.雙通道紅外探測器，13.電子連接件，14.密封層，15.蓋板，16.光闌，17.窗口片，18.參比濾光片，19.測量濾光片，20.參比透光孔，21.測量透光孔，22.光源孔，23.進氣孔，24.無焦點多次反射氣室。
【具體實施方式】
[0021]以S02和SF6為例，本實施例的結構如圖1和圖2所示，由防水透氣膜1，外殼2，過濾網3，氣室壁I 4，氣室壁II 5，氣室壁III 6，內襯7，電路板I 8，電路板II 9，6個電路引腳10，遠紅外光源11，雙通道紅外探測器12組成一個整體。其構造是:防水透氣膜I緊貼在外殼2上，過濾網3，氣室壁I 4，氣室壁II 5，氣室壁III6，內襯7，電路板I 8，電路板II 9，依次裝入外殼之內並粘接牢固，6個電路引腳10焊接在電路板II 9上，並伸出以便於與外部的電連接，遠紅外光源11和雙通道紅外探測器12裝在電路板I 8上，電路板I 8和電路板
II9之間的空隙灌注密封膠形成密封層14，底部使用蓋板15封住。氣室壁I 4、氣室壁II 5和氣室壁III6形成一個無焦點多次反射氣室24，氣室壁I 4形成氣室的頂面，其上有進氣孔23允許氣體進入氣室，氣室壁II 5形成氣室的側壁並提供氣室空間，氣室壁III6形成氣室的底面和提供紅外光進入和射出氣室的孔，氣室內壁面全部鍍金反射膜以增加反射率，遠紅外光源11發出的紅外光通過氣室壁III 6上的光源孔22進入氣室24內，雙通道紅外探測器12的參比濾光片18和測量濾光片19的前面分別有參比透光孔20和測量透光孔21形成參比通道和測量通道。如圖3所示，針對遠紅外波段監測的需要，遠紅外光源11其上設置有光闌16和窗口片17，通過粘接進行固定和密封，紅外光通過窗口片17從光闌16上的開孔中通過射入氣室，所述窗口片選用BaF2窗口片。如圖4所示，遠紅外光源11和雙通道紅外探測器12通過內襯7隔離，並通過氣室III 6上的參比透光孔20、測量透光孔21和光源孔22發出或接收紅外光，雙通道紅外探測器12前面設置有參比濾光片18和測量濾光片19。所述的參比濾光片18和測量濾光片19均為窄帶幹涉濾光片，可針對不同的測量氣體選擇不同波長的濾光片。所述的針對SF6氣體濃度監測的測量濾光片19和參比濾光片18均為窄帶幹涉濾光片，測量濾光片19的中心波長為10.55 4 111±8011111，半帶寬為9011111±2011111，參比濾光片18的中心波長為3.95 μ m±40nmm，半帶寬為90nm±20nm ;針對S02氣體選擇的測量濾光片19的中心波長為7.3ym±40nm，半帶寬為200nm±30nm，參比濾光片18的中心波長為 3.95 μ m± 20nm,半帶寬為 90nm± 20nm。
[0022]無焦點多次反射氣室24所佔用空間較小，使得裝置下部空出的空間可以內置較複雜的電路，在電路板I 8和電路板II 9上包括信號放大濾波、A/D轉換、數據處理、光源驅動等功能電路，電路板I 8還包含一個溫度探測器，兩塊電路板之間通過電子連接件13相互聯繫。裝置配備6個電路引腳10焊接在電路板II 9並伸出，分別為Vd、GND、TX、RX、0Cl、0C2，其分布如圖5所示，Vd、GND是提供電源接入的引腳，TX、RX為發送和接收數位訊號的引腳，能夠對外輸出被測氣體濃度的數值和寫入溫度補償和零點修正等參數，0C1、0C2為開路集電極輸出的引腳，分別提供氣體濃度的預報警和報警信號，預報警值和報警值可以根據實際使用需求自由設置，在連接TX、RX引腳後寫入即可。
[0023]裝置工作時，被監測的氣體，經自然擴散進入本裝置，經過防水透氣膜I除去水分，再經過過濾網3過濾，由進氣孔23進入無焦點多次反射氣室24，無焦點多次反射氣室由三部分構成，氣室壁I 4，氣室壁II 5，氣室壁III 6構成一個微型空間，氣室內壁全部鍍金反射膜，遠紅外光源11發出的紅外光經過窗口片17，通過光闌16和氣室壁III 6上的孔進入氣室，在無焦點多次反射氣室24的鍍金反射膜表面上經過多次反射被被測氣體吸收後通過氣室壁III 6上的參比透光孔20和測量透光孔21，到達雙通道探測器12的參比濾光片18和測量濾光片19上，參比濾光片18和測量濾光片19分別選擇對應波長的光，輸出與光強有光的電壓信號，電路板I 8和電路板II 9上的功能電路通過分析電壓信號的強弱變化，得到反映氣體濃度信息的吸收變量D，就可以得到氣體濃度信息並對外輸出數位訊號。
[0024]數據處理流程如圖6所示，為了避免溫度所帶來的測量誤差，建立溫度補償模型，對電壓信號隨溫度的變化關係進行補償，以消除這種誤差。所建立的溫度補償模型通過採集不同溫度下，參比電壓和測量電壓隨溫度的變化情況，得到吸收變量D隨溫度T變化的關
系，採用多項式擬合得到溫度補償模型:= ArPr，將任意溫度T下的吸收變量Dt補償到
環境溫度20°C時的標準值Ρr:.。根據所建立的溫度補償模型，結合溫度探測器測得的實時溫
度，對吸收變量Dt進行補償後，通過選擇幾個標準濃度測量點作為標定點，建立溫度補償後
的吸收變量?r_與濃度的對應關係，採用查表法得到具體的氣體濃度值。根據實際監測的需
要，設定裝置的預報警值和報警值，在被測氣體濃度超過設定值時，通過兩個開路集電極輸出OCl和0C2輸出預報警或報警信號，然後可通過外接電路或軟體給出報警信號和相關控制。
[0025]本發明未詳細公開的部分屬於本領域的公知技術。
[0026]儘管上面對本發明說明性的【具體實施方式】進行了描述，以便於本【技術領域】的技術人員理解本發明，但應該清楚，本發明不限於【具體實施方式】的範圍，對本【技術領域】的普通技術人員來講，只要各種變化在所附的權利要求限定和確定的本發明的精神和範圍內，這些變化是顯而易見的，一切利用本發明構思的發明創造均在保護之列。
【權利要求】
1.一種微型遠紅外氣體濃度監測裝置，其特徵在於:由防水透氣膜(1)，外殼(2)，過濾網(3)，氣室壁I (4)，氣室壁II (5)，氣室壁111(6)，內襯(7)，電路板I (8)，電路板II (9)，6個電路引腳(10)，遠紅外光源(11)，雙通道紅外探測器(12)組成一個整體，其構造是:防水透氣膜(I)緊貼在外殼(2)上，過濾網(3)，氣室壁I (4)，氣室壁II (5)，氣室壁111(6)，內襯(7)，電路板I (8)，電路板II (9)，依次裝入外殼之內並粘接牢固，6個電路引腳(10)焊接在電路板II (9)上，並伸出以便於與外部的電連接，遠紅外光源(11)和雙通道紅外探測器(12)裝在電路板I (8)上，電路板I (8)和電路板II (9)之間的空隙灌注密封膠形成密封層(14)，底部使用蓋板(15)封住； 遠紅外光源(11)其上設置有光闌(16)和窗口片(17)，通過粘接進行固定和密封，紅外光通過窗口片(17)從光闌(16)上的開孔中通過射入氣室； 遠紅外光源(11)和雙通道紅外探測器(12 )通過內襯(7 )隔離，並通過氣室壁III (6 )上的參比透光孔(20)、測量透光孔(21)和光源孔(22)發出或接收紅外光，雙通道紅外探測器(12)前面設置有參比濾光片(18)和測量濾光片(19)，所述的參比濾光片(18)和測量濾光片(19)均為窄帶幹涉濾光片，可通過選擇不同波長的濾光片對不同的氣體進行測量； 氣室壁I (4)、氣室壁II (5)和氣室壁111(6)形成一個無焦點多次反射氣室(24)，氣室壁I (4)形成氣室的頂面，其上有進氣孔(23)允許氣體進入氣室，氣室壁II (5)形成氣室的側壁並提供氣室空間，氣室壁111(6)形成氣室的底面和提供紅外光進入和射出氣室的孔，氣室內壁面全部鍍金反射膜以增加反射率，遠紅外光源(11)發出的遠紅外光通過氣室壁III(6)上的光源孔(22)進入無焦點多次反射氣室(24)內，雙通道紅外探測器(12)的參比濾光片(18)和測量濾光片(19)的前面分別有參比透光孔(20)和測量透光孔(21)形成參比通道和測量通道； 電路板I (8)和電路板II (9)上包括信號放大濾波、A/D轉換、數據處理、光源驅動等功能電路，電路板I (8)還包含一個溫度探測器，兩塊電路板之間通過電子連接件(13)相互聯繫，裝置配備6個電路引腳(10)焊接在電路板II (9)並伸出，分別為Vd、GND、TX、RX、OCl、0C2, Vd、GND是提供電源接入的引腳，TX、RX為發送和接收數位訊號的引腳，能夠對外輸出被測氣體濃度的數值和寫入溫度補償和零點修正等參數，OCU 0C2為開路集電極輸出的引腳，分別提供氣體濃度的預報警和報警信號，預報警值和報警值可以在連接TX、RX引腳後根據實際使用需求寫入。
2.一種微型遠紅外氣體濃度監測方法，其特徵在於，被監測的氣體，經自然擴散進入本裝置，經過防水透氣膜(I)除去水分，再經過過濾網(3)過濾，從進氣孔(23)進入無焦點多次反射氣室(24)，無焦點多次反射氣室(24)由三部分構成，氣室壁I (4)，氣室壁II (5)，氣室壁111(6)構成一個微型空間，無焦點多次反射氣室(24)內表面全部鍍金以增加紅外光的反射率，遠紅外光源(11)發出紅外光通過窗口片(17)的選擇後，經由光闌(16)的開孔和氣室壁111(6)的光源孔(22)進入氣室，在無焦點多次反射氣室(24)的鍍金內表面上經過多次反射被被測氣體吸收後到達雙通道紅外探測器(12)上，雙通道紅外探測器(12)的參比濾光片(16)和測量濾光片(17)分別選擇對應波長的光,輸出與光強有光的電壓信號，電路板I(8)和電路板II (9)上的功能電路通過分析電壓信號的強弱變化，得到一個反映氣體濃度的吸收變量D，就可以得到氣體濃度信息並對外輸出數位訊號； 為了避免溫度所帶來的測量誤差，建立溫度補償模型，對電壓信號隨溫度的變化關係進行補償，以消除這種誤差，所建立的溫度補償模型通過採集不同溫度下，參比電壓和測量電壓隨溫度的變化情況，得到吸收變量D隨溫度變化的關係，採用多項式擬合得到溫度補償模型，根據所建立的溫度補償模型，結合溫度探測器測得的實時溫度修正吸收變量D後，通過選擇幾個標準濃度測量點作為標定點，建立吸收變量D與濃度的對應關係，採用查表法得到具體的氣體濃度值，根據實際監測的需要，設定預報警值和報警值，在被測氣體濃度超過設定值時， 通過兩個開路集電極輸出OCl和0C2輸出預報警或報警信號。
【文檔編號】G01N21/3504GK103698295SQ201310718566
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月20日 優先權日:2013年12月20日
【發明者】趙建華, 陳迎春 申請人:中國科學技術大學