一種氣體氮氧化物含量檢測裝置的製作方法

2023-10-05 16:32:19 1

專利名稱：一種氣體氮氧化物含量檢測裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及氣體含量檢測技術領域，特別涉及一種氣體氮氧化物含量檢測裝置。
背景技術：
我國汽車行業的高速發展，需求量將突破1000萬輛。在方便人民出行、拉動GDP增長等方面取得了顯著效果的同時，也導致了嚴重的環保問題。機動車尾氣排放已經成為重要的大氣汙染源，對人民群眾身體健康和國家社會的可持續發展產生嚴重影響。因此，世界各國對機動車尾氣處理不斷提出越來越高的要求。我國已經強制執行國3(歐3)標準，預計2012年7月I日將強制執行國IV(歐IV)標準，這意味著將強制安裝氮氧化物(NOx)檢測裝置以控制排放含量。目前，通常的做法是使用氧化鋯(ZrO2)制的氧傳感器進行氮氧化物檢測，其檢測原理具體為:在第一氣室內將氧氣泵到Ippb —下，再通過催化反應將氮氧化物NOx轉化為N2和02，轉化後N2和O2進入第二氣室，在第二氣室內再通過ZrO2氧傳感器測量生成的氧氣含量，從而間接測量氮氧化物NOx的含量。上述方法雖然可以測得氮氧化物的含量，但至少存在以下問題:1、在通過催化反應將NO轉化為O2的過程中需要使轉化環境的溫度達到300攝氏度的高溫，功耗高，能耗大；2、由於轉化環境的溫度需要達到300攝氏度的高溫，因而受到可燃性氣體如H2,CH4, CO等含量的影響，使得檢測結果受可燃性氣體含量的影響很大，檢測結果的準確性低；3、P，S，Si的化合物，例如H2S,會導致ZrO2傳感器中毒，致使ZrO2傳感器失效。

實用新型內容本實用新型實施例提供一種氣體氮氧化物含量檢測裝置，既可以使得檢測結果不受可燃性氣體含量的影響，避免傳感器因某些化合物中毒，還降低了功耗。本實用新型公開了一種氣體氮氧化物含量檢測裝置，用於對氣體中所含氮氧化物的濃度進行檢測，所述檢測裝置包括:處理器100、程控電流源200、雷射器300、氣體吸收池400、探測器500和信號調理電路600，其中，所述的氣體吸收池400具有折線型氣室，所述折線型氣室上具有進氣孔415和出氣孔416，待測氣體從所述進氣孔415進入所述折線型氣室，沿折線形氣室流動，從出氣孔416流出所述折線型氣室；所述折線型氣室上還具有光入射孔和光出射孔；入射雷射從所述光入射孔進入所述折線型氣室，沿折線型氣室反射，從光出射孔射出；所述程控電流源200，在處理器的控制下對雷射器進行直調，使得雷射器300輸出一路光強和波長均為正弦波動的雷射；所述一路雷射通過所述光入射孔進入氣體吸收池400內的折線型氣室，從光出射孔射出，進入探測器；所述探測器500，將所述一路光信號轉換為電信號，將轉換後的電信號傳送給信號調理電路；信號調理電路600，對所述電信號調理後傳送給處理器；處理器100，根據接收到的指令，從接收到的調理後的信號中檢測出出射雷射中二次諧波和基波的強度，根據所述兩種諧波的強度獲得待測氣體的中氮氧化物的濃度。其中，所述信號調理電路包括:濾波器，將來自探測器的電信號進行濾波處理；AD轉換器，將所述濾波後的模擬電信號轉換為數位訊號後傳送給處理器。其中，所述處理器包括:存儲裝置，保存在包含氮氧化物的氣體中氮氧化物氣體的濃度超過第一預設值時，測量得到的氮氧化物吸收峰和參比吸收峰中心位置分別對應的雷射器電流值的差值AD;保存在無氮氧化物氣體的氣體中測量得到的參比吸收峰中心位置所對應電流值D2tl,並保存電流值D20處的參比吸收峰的一次諧波的幅值A0,以及同等條件下電流值為D2tl-AD處的二次諧波值I2f0 ;諧波強度獲取裝置，首先測量待測氣體中參比吸收峰中心位置所對應的電流值D2,並測量電流值D2處的一次諧波幅值A ;再測量雷射器電流值為D1=D2-AD位置的二次諧波值I2f ;從所述存儲裝置獲得在無待測氣體的條件下測量得到的參比吸收峰的一次諧波的幅值Atl,以及電流為(D20-AD)處的二次諧波值I2f0，計算本底F(A)=I2f0XA/A0，令雷射器電流為D1的氮氧化物吸收峰二次諧波強度I2f = I2f測-f (A)；濃度計算裝置，根據所述氮氧化物吸收峰所對應電流值處的二次諧波的強度I2f和參比吸收峰所對應電流值處的基波的強度A獲得待測氣體的中氮氧化物的濃度。其中，所述信號調理電路包括:濾波器，將來自探測器的電信號進行濾波處理；鎖相放大電路，檢測所述濾波後信號中出射雷射的二次諧波的強度I2f 。其中，所述處理器包括:存儲裝置，保存在包含氮氧化物的氣體中氮氧化物氣體的濃度超過第一預設值時，測量得到的氮氧化物吸收峰和參比吸收峰中心位置分別對應的雷射器電流值的差值AD;保存在無氮氧化物氣體的氣體中測量得到的參比吸收峰中心位置所對應電流值D20,並保存電流值D20處的參比吸收峰的一次諧波的幅值A0,以及同等條件下電流值為D20-AD處的二次諧波值I2f0 ;諧波強度獲取裝置，首先測量待測氣體中參比吸收峰中心位置所對應的電流值D2，並測量電流值D2處的一次諧波幅值A ;從所述存儲裝置獲得在無待測氣體的條件下測量得到的參比吸收峰的一次諧波的幅值Atl，以及電流為(D20-AD)處的二次諧波值I2f0,計算本底F(A)=I2f0XA/A0，令雷射器電流為D1的氮氧化物吸收峰二次諧波強度I2f = I2f
測-f (A)；濃度計算裝置，根據所述氮氧化物吸收峰所對應電流值處的二次諧波的強度I2f和參比吸收峰所對應電流值處的基波的強度A獲得待測氣體的中氮氧化物的濃度。其中，所述待測氣體為汽車尾氣；所述參比氣體為水氣。其中，所述的氣體吸收池400包括:池體401、第一平面反射鏡402、第二平面反射鏡403和平面蓋板404，所述第一平面反射鏡402和第二平面反射鏡403分別緊貼所述池體401池體第一側壁406和池體第二側壁407，其中，所述池體第一側壁406和池體第二側壁407與池體上表面405垂直，且所述池體第一側壁406和池體第二側壁407相互平行；所述池體上表面405上設置有折線形溝道410，所述平面蓋板404覆蓋在所述池體401的折線形溝道上形成折線型氣室，所述折線型氣室位於所述第一平面反射鏡402和所述第二平面反射鏡403之間，在池體第一側壁406和池體第二側壁407上沿垂直於池體第一側壁406和池體第二側壁407的方向開有多個光反射孔412，光反射孔412與折線形溝道410相通；在所述池體上表面405上開設有進氣孔415和出氣孔416，待測氣體從所述進氣孔415進入所述折線型氣室，沿折線形溝道410流動，從出氣孔416流出所述折線型氣室；所述氣體吸收池400還具有池體第三側壁408和池體第四側壁409，其中，所述池體第三側壁408和池體第四側壁409分別與池體第二側壁407成預設度數的加角；在池體第三側壁408上沿垂直於池體第三側壁的方向開有光入射孔411，所述光入射孔411與折線形溝道410相通；在池體第四側壁409上沿垂直於池體第四側壁409的方向開有光出射孔413，所述光出射孔413與折線形溝道410相通；入射雷射從所述光入射孔411進入所述折線型氣室，沿折線型氣室反射，從光出射孔413射出。其中，所述檢測裝置還包括:冷卻管路，連接在待測氣體的排放出口與所述氣體吸收池的折線型氣室的進氣孔415之間，以將冷卻後的待測傳送至所述氣體吸收池內。其中，所述檢測裝置還包括:過濾器及氣液分離器，連接在冷卻管路的末端和所述氣體吸收池的折線型氣室的進氣孔415之間，以過濾待測氣體中的雜質及液體。應用本實用新型實施例提供的檢測裝置，使用光譜測試法，不需要高溫轉化過程，因此降低了功耗和能耗，而且，由於是直接測量氣體中氮氧化物的含量，避免了其他物質的存在對待測氣體含量檢測的影響，使得檢查結果更準確。再有，由於不需要使用ZrO2傳感器，因此,也不存在P, S，Si的化合物，例如H2S,會導致ZrO2傳感器中毒的問題。同時，由於ZrO2傳感器技術是被國外公司壟斷的技術，而本申請不需要使用ZrO2傳感器，因此打破了現有技術壁壘。再有，申請的方案中，只需要雷射器輸出一路探測光束，通過最終出射雷射的二次諧波的強度來待測氣體的中氮氧化物的濃度，不需要標準氣室，也不需要參考支路，因而避免了現有雙路平衡的光譜測試法不能應用於工業現場的問題，可在任何需要的工業現場應用。再有，應用本申請實施例中的氣體吸收池，使得待測氣體的濃度在氣體吸收池內均衡分布，不僅可以在一個較小的空間區域內延長有效光程，而且可以實現待測氣體在氣體吸收池內的快速周轉。

為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1是根據本實用新型一實施例的氣體氮氧化物含量檢測裝置的結構圖；圖2是根據本實用新型實施例的一種氣體吸收池的結構示意圖，其中圖2A是主視圖，圖2B是左視圖，圖2C是俯視圖；圖3是根據圖2所示實施例的氣體吸收池的池體內部結構及光傳輸路徑示意圖；圖4是根據本實用新型實施例的一具體應用實例示意圖。
具體實施方式
下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本實用新型保護的範圍。參見圖1，其是根據本實用新型一實施例的氣體氮氧化物含量檢測裝置的結構圖，本實施例中，該檢測裝置用於對氣體中所含氮氧化物的濃度進行檢測，其具體包括:處理器100、程控電流源200、雷射器300、氣體吸收池400、探測器500和信號調理電路600，其中，氣體吸收池400具有折線型氣室，所述折線型氣室上具有進氣孔415和出氣孔416，待測氣體從所述進氣孔415進入所述折線型氣室，沿折線形氣室流動，從出氣孔416流出所述折線型氣室；所述折線型氣室上還具有光入射孔和光出射孔；入射雷射從所述光入射孔進入所述折線型氣室，沿折線型氣室反射，從光出射孔射出；程控電流源200，在處理器100的控制下對雷射器進行直調，使得雷射器輸出一路光強和波長均為正弦波動的雷射；所述一路雷射通過所述光入射孔進入氣體吸收池400內的折線型氣室，從光出射孔射出，進入探測器；探測器500,將所述一路光信號轉換為電信號,將轉換後的電信號傳送給信號調理電路；信號調理電路600，對所述電信號調理後傳送給處理器；處理器100，根據接收到的指令，從接收到的調理後的信號中檢測出出射雷射中二次諧波和基波的強度，根據所述兩種諧波的強度獲得待測氣體的中氮氧化物的濃度。在一種可能的實施例中，上述信號調理電路600可以包括:濾波器(圖未示)，將來自探測器的電信號進行濾波處理；以及模數(AD)轉換器(圖未示)，將所述濾波後的模擬電信號轉換為數位訊號後傳送給處理器。此時，所述處理器100，根據接收到的指令，檢測出射雷射中的二次諧波及基波的強度，根據所述二次諧波及基波的強度獲得待測氣體中氮氧化物的濃度。該實施例中，出射雷射的二次諧波和基波的強度是由處理器檢測出的。具體的，所述處理器100可以包括:存儲裝置，保存在包含氮氧化物的氣體中氮氧化物氣體的濃度超過第一預設值如10%時，測量得到的氮氧化物吸收峰和參比吸收峰中心位置分別對應的雷射器電流值的差值AD ;保存在無氮氧化物氣體的氣體中測量得到的參比吸收峰中心位置所對應電流值D2tl,並保存電流值D2tl處的參比吸收峰的一次諧波的幅值Atl,以及同等條件下電流值為(D20-AD)處的二次諧波值I2f0 ；諧波強度獲取裝置，首先測量待測氣體中參比吸收峰中心位置所對應的電流值D2,並測量電流值D2處的一次諧波幅值A ;再測量雷射器電流值為D1=D2- Δ D位置的二次諧波值I2f ;從所述存儲裝置獲得在無待測氣體的條件下測量得到的參比吸收峰的一次諧波的幅值Atl,以及電流為(D2tl-AD)處的二次諧波值I2ftl，計算本底F(A)=I2ftlXAAtl，令雷射器電流為D1的氮氧化物吸收峰二次諧波強度I2f = I2fil f (A)；濃度計算裝置，根據氮氧化物吸收峰所對應電流值處的二次諧波的強度I2f和參比吸收峰所對應電流值處的基波的強度A獲得待測氣體的中氮氧化物的濃度。這裡，對上述涉及的概念做一簡單說明。本底，由於雷射器的P-1曲線的非線性，以及存在的其他系統非線性，即使在沒有待測氣體的情況下，測量得到的待測氣體的二次諧波值也不會為0，這個非O值稱為本底；氮氧化物氣體，通常認為其是弱吸收氣體，即氮氧化物氣體的吸收峰由於吸收造成的二次諧波強度值與本底基本相當。參比吸收峰:如果某種氣體的吸收峰由於吸收造成的二次諧波強度值遠大於本底，則該吸收峰被稱為強吸收峰，該強吸收峰通常作為參比吸收峰，該參比吸收峰所對應的氣體稱為參比氣體。例如，某個吸收峰由於吸收造成的二次諧波強度值大於10倍的本底值，則該吸收峰可以作為參比吸收峰；這裡，如果吸收強度與濃度的乘積值較大，一種可能的情況是吸收強度較低但是待測環境下該氣體的濃度很高，另一種可能的情況是濃度較低但是吸收強度高。通常，氮氧化物吸收峰和參比吸收峰之間的距離範圍，是電流調製可以達到的範圍，一般在零點幾個納米，然而又不能過於接近，以免吸收截面重合相互影響。 其中，濃度計算的原理與現有技術相同，這裡僅做簡單說明。
首先，當光線通過某種氣體後，它將受到氣體的吸收，其出射光強由比爾-蘭伯特(Beer-Lambert)公式決定I ( υ ) = 10 ( υ ) exp [ α ( υ ) CL](4.1)其中，I ( υ )是出射光光強，υ是該光的頻率；1。是通過氣室之前的初始光強；C為氣體的濃度；L為所通過的氣體腔長；α為氣體的吸收係數，不同氣體對應的吸收頻率也不同；對於同一種氣體，也存在複數個吸收峰。利用這個性質，選擇入射雷射的波長，使之處於待測氣體的某個吸收峰的中心位置。然後讓該雷射通過待測氣體。通過檢測出出射光的強度，可以得到其通過氣體的吸收強度，從而間接得到待測氣體的濃度。具體的，對光源的驅動電流加上一個低頻(k赫茲級別)小信號調製，對雷射器進行直調，從而對雷射器輸出波長產生一個調製，同時附加一個光強調製υ = ο +a sin coi(4.2)10 (t) = 10 (1+η sin ω t)其中，υ是光的波長，Ijt)雷射器輸出的光強隨時間變化的光強值，ω為所加調製的角頻率， 為雷射的中心頻率，a為頻率調製幅度，η為由於頻率調製造成的光強調製深度，t是時間參數。由於此時氣體濃度很低，所以有-a (U)CL《I那麼(4.1)式可以改寫為:I(U) = Ι0( υ ) e_a (u)CL ^ Ι0( υ ) [1- a ( υ ) CL](4.3)一般氣體的吸收峰均為洛倫茲線形，即
權利要求1.一種氣體氮氧化物含量檢測裝置，用於對氣體中所含氮氧化物的濃度進行檢測，其特徵在於，所述檢測裝置包括:處理器(100)、程控電流源(200)、雷射器(300)、氣體吸收池(400)、探測器(500)和信號調理電路(600)，其中，所述的氣體吸收池(400)具有折線型氣室，所述折線型氣室上具有進氣孔(415)和出氣孔(416)，待測氣體從所述進氣孔(415)進入所述折線型氣室，沿折線形氣室流動，從出氣孔(416)流出所述折線型氣室；所述折線型氣室上還具有光入射孔和光出射孔；入射雷射從所述光入射孔進入所述折線型氣室，沿折線型氣室反射，從光出射孔射出； 所述程控電流源(200 )，在處理器的控制下對雷射器進行直調，使得雷射器(300 )輸出一路光強和波長均為正弦波動的雷射；所述一路雷射通過所述光入射孔進入氣體吸收池(400)內的折線型氣室，從光出射孔射出，進入探測器； 所述探測器(500)，將所述一路光信號轉換為電信號，將轉換後的電信號傳送給信號調理電路； 信號調理電路(600)，對所述電信號調理後傳送給處理器； 處理器(100)，根據接收到的指令，從接收到的調理後的信號中檢測出出射雷射中二次諧波和基波的強度，根據所述兩種諧波的強度獲得待測氣體的中氮氧化物的濃度。
2.根據權利要求1所述的檢測裝置，其特徵在於，所述信號調理電路包括: 濾波器，將來自探測器的電信號進行濾波處理； AD轉換器，將所述濾波後的模擬電信號轉換為數位訊號後傳送給處理器。
3.根據權利要求2所述的檢測裝置，其特徵在於，所述處理器包括: 存儲裝置，保存在包含氮氧化物的氣體中氮氧化物氣體的濃度超過第一預設值時，測量得到的氮氧化物吸收峰和參比吸收峰中心位置分別對應的雷射器電流值的差值AD ;保存在無氮氧化物氣體的氣體中測量得到的參比吸收峰中心位置所對應電流值D2tl，並保存電流值D2tl處的參比吸收峰的一次諧波的幅值A0,以及同等條件下電流值為(D2tl-AD)處的二次諧波值I2ftl ; 諧波強度獲取裝置，首先測量待測氣體中參比吸收峰中心位置所對應的電流值D2，並測量電流值D2處的一次諧波幅值A ;再測量雷射器電流值為D1=D2- Δ D位置的二次諧波值I2fil ;從所述存儲裝置獲得在無待測氣體的條件下測量得到的參比吸收峰的一次諧波的幅值Atl,以及電流為(D2tl-AD)處的二次諧波值I2ftl，計算本底F(A)=I2ftlXAAtl，令雷射器電流為D1的氮氧化物吸收峰二次諧波強度I2f = I2fil-f (A)； 濃度計算裝置，根據所述氮氧化物吸收峰所對應電流值處的二次諧波的強度I2f和參比吸收峰所對應電流值處的基波的強度A獲得待測氣體的中氮氧化物的濃度。
4.根據權利要求1所述的檢測裝置，其特徵在於，所述信號調理電路包括: 濾波器，將來自探測器的電信號進行濾波處理； 鎖相放大電路，檢測所述濾波後信號中出射雷射的二次諧波的強度I2f 。
5.根據權利要求4所述的檢測裝置，其特徵在於，所述處理器包括: 存儲裝置，保存在包含氮氧化物的氣體中氮氧化物氣體的濃度超過第一預設值時，測量得到的氮氧化物吸收峰和參比吸收峰中心位置分別對應的雷射器電流值的差值AD ;保存在無氮氧化物氣體的氣體中測量得到的參比吸收峰中心位置所對應電流值D2tl，並保存電流值D2tl處的參比吸收峰的一次諧波的幅值Atl,以及同等條件下電流值為(D2tl-AD)處的二次諧波值I2ftl; 諧波強度獲取裝置，首先測量待測氣體中參比吸收峰中心位置所對應的電流值D2，並測量電流值D2處的一次諧波幅值A ;從所述存儲裝置獲得在無待測氣體的條件下測量得到的參比吸收峰的一次諧波的幅值Atl,以及電流為(D2tl-AD)處的二次諧波值I2ftl，計算本底F(A)=I2ftlXAAtl，令雷射器電流為D1的氮氧化物吸收峰二次諧波強度I2f = I2fil-f (A)；濃度計算裝置，根據所述氮氧化物吸收峰所對應電流值處的二次諧波的強度I2f和參比吸收峰所對應電流值處的基波的強度A獲得待測氣體的中氮氧化物的濃度。
6.根據權利要求3或5所述的檢測裝置，其特徵在於， 所述待測氣體為汽車尾氣； 所述參比氣體為水氣。
7.根據權利要求1所述的檢測裝置，其特徵在於，所述的氣體吸收池(400)包括:池體(401)、第一平面反射鏡(402)、第二平面反射鏡(403)和平面蓋板(404)，所述第一平面反射鏡(402)和第二平面反射鏡(403)分別緊貼所述池體(401)池體第一側壁(406)和池體第二側壁(407 )，其中，所述池體第一側壁(406 )和池體第二側壁(407 )與池體上表面(405)垂直,且所述池體第一側壁(406)和池體第二側壁(407)相互平行；所述池體上表面(405)上設置有折線形溝道(410)，所述平面蓋板(404)覆蓋在所述池體(401)的折線形溝道上形成折線型氣室，所述折線型氣室位於所述第一平面反射鏡(402)和所述第二平面反射鏡(403)之間，在池體第一側壁(406)和池體第二側壁(407)上沿垂直於池體第一側壁(406)和池體第二側壁(407)的方向開有多個光反射孔(412)，光反射孔(412)與折線形溝道(410)相通； 在所述池體上表面(405 )上開設有進氣孔(415 )和出氣孔(416 )，待測氣體從所述進氣孔(415)進入所述折線型氣室，沿折線形溝道(410)流動，從出氣孔(416)流出所述折線型氣室； 所述氣體吸收池(400)還具有池體第三側壁(408)和池體第四側壁(409)，其中，所述池體第三側壁(408 )和池體第四側壁(409 )分別與池體第二側壁(40 7 )成預設度數的加角；在池體第三側壁(408)上沿垂直於池體第三側壁的方向開有光入射孔(411)，所述光入射孔(411)與折線形溝道(410)相通；在池體第四側壁(409)上沿垂直於池體第四側壁(409)的方向開有光出射孔(413)，所述光出射孔(413)與折線形溝道(410)相通。
8.根據權利要求1所述的檢測裝置，其特徵在於，所述檢測裝置還包括:冷卻管路，連接在待測氣體的排放出口與所述氣體吸收池的折線型氣室的進氣孔(415)之間，以將冷卻後的待測傳送至所述氣體吸收池內。
9.根據權利要求8所述的檢測裝置，其特徵在於，所述檢測裝置還包括:過濾器及氣液分離器，連接在冷卻管路的末端和所述氣體吸收池的折線型氣室的進氣孔(415)之間，以過濾待測氣體中的雜質及液體。
專利摘要本實用新型公開了一種氣體氮氧化物含量檢測裝置，用於對氣體中所含氮氧化物的濃度進行檢測，所述檢測裝置包括處理器、程控電流源、雷射器、氣體吸收池、探測器和信號調理電路。應用本實用新型，不需要高溫轉化過程，因此降低了功耗和能耗，而且，由於是直接測量氣體中氮氧化物的含量，避免了其他物質的存在對待測氣體含量檢測的影響，使得檢查結果更準確。再有，由於不需要使用ZrO2傳感器，因此，也不存在P，S,Si的化合物，例如H2S，會導致ZrO2傳感器中毒的問題。同時，由於ZrO2傳感器技術是被國外公司壟斷的技術，而本申請不需要使用ZrO2傳感器，因此打破了現有技術壁壘。
文檔編號G01N21/39GK202974863SQ20122035680
公開日2013年6月5日 申請日期2012年7月20日 優先權日2012年7月20日
發明者鞠昱, 韓立, 謝亮, 臧志成 申請人:無錫凱睿傳感技術有限公司