CN106680235A - 一种主动循环吸气式红外多光路气体浓度测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种主动循环吸气式红外多光路气体浓度测量装置，包括多循环吸气室和红外多光路光学***；所述多循环吸气室包括设在吸气室上的进气孔、与进气孔相连通的吸气泵、与吸气泵对应的气流腔，在气流腔的末端吸气室上设有出气孔，在气流腔的一侧连通有过滤装置；所述红外多光路光学***包括与过滤装置相连通的循环腔，循环腔中对称设置有红外多光路气体测量机构，在循环腔中设有循环气孔，循环气孔连通至进气孔。本发明实现了光源和探测器光谱特性与被测气体特征吸收带的匹配。同时气体浓度测量***依靠吸气室循环腔内的循环气流取样检测气体浓度，保证了对环境气体时时采集计量。
Description
技术领域
本发明涉及气体浓度测量技术领域，具体涉及一种主动循环吸气式装置的红外多光路气体浓度测量光学***。
背景技术
采用红外发光管为光源的气体浓度测量***，在光学***的设计中需要考虑如下五种干扰对测量的影响。
(1)温度的影响。发光管的发射强度和峰值发射波长是随温度变化的，在适中的环境温度范围内，波长的位移并不大(﹤3nm/℃)，但发射强度的变化却很明显。此外，在红外气体测量中常用的硫化铅或硒化铅探测器本身同温度有很大的相关性，这种相关性一般＞1％/℃。
(2)由发光管输出功率波动和探测器响应度变化产生的信号波动。红外气体浓度测量***必须补偿在长期连续工作中由于发光管输出功率波动和探测器响应度变化而引起的信号波动。由于器件加热，所以发光管的输出基本上与电流成正比，并且随电流脉冲的宽度和重复速率而变化。
(3)光谱特性。红外发光管光谱半宽度(FWHM)是在0.13um(峰值波长为2.0um)至0.64um(峰值波长在为4.4um)范围内，这样的带宽已超过许多气体的吸收特征带宽。作为结果，透过气体的辐射强度是强烈吸收波长处与微弱吸收波长处的辐射强度之和。所产生的信号因此被冲淡了，并且偏离了Lambert-Beer定律。
(4)由灰尘和光学元件的磨损而引起的气室透射率的变化。测量***长期工作在空气环境中，尽管可以采用适当的防尘措施，但是还会有一部分细微粉尘进入气室，并且会沉积在窗口上影响透射比。另外定期清洗气室，也会造成光学器件的磨损，影响气室的透光能力。所以在光学***的设计中，必须考虑由灰尘和光学元件的磨损而引起的气室透射率的变化对测量的影响。
(5)探测器的失配问题。采用两个或两个以上探测器的***依赖于所选用探测器各种特性的良好匹配。探测器的失配会导致信号的漂移，带来测量误差。例如，同一批生产的PbSe探测器的温度系数差异就可能大于5％。所以在选用时，必须进行测试和配对。在光学***的设计中也可以采取适当的措施，消除探测器失配给测量带来的影响。
(6)探测器内部与环境实时流通问题。对于气体浓度的检测，传统主要依靠气体自由扩散和主动吸气两种方式；自由扩散，包括气体混合过程的自由扩散和浮力因素。这种方式对于固定的空间或是容器比较适合，如果处于变化的空间，由于自由扩散的缓慢，很容易造成计量与实际环境的差异。而主动吸气相对可以减少这种误差。
传统的主动吸气主要通过在气体浓度测量***外添加吸气泵的方式，把混合气体抽取过来，气体测量胸痛整体处于混合气体的气流中。但是气体浓度测量***内部工作依然依靠的是自由扩散方式。这些都做不到浓度计量的实时性。
由上面的分析可知，在采用红外发光管的光学***设计中，需要考虑器件温度、光源输出功率波动、探测器响应度变化、探测器失配、灰尘和光具玷污以及气体流通这几方面对测量精度的影响。针对这几个问题，传统的设计是从不同的方面尽可能地寻求解决的办法，其中典型的有以下四种方案：
方案一：该方案是将气室的温度控制在恒定温度下。这样，一方面可以避免气体红外吸收率随温度的变化；另一方面，使得红外发光器件和接收器件不受温度的影响。另外，在监测潮湿的气体时，把气室加热到露点以上是一种适当的措施。
方案二：该方案通过监测气室、发光管和探测器的温度来校正因温度而引起的信号变化。温度的校正可以按查表或多项式的形式得到定标，并且储存在只读存储器内。
上述两种方案都是为了补偿温度的影响而采用的措施。
方案三：该方案增加一探测器直接对着发光管，称为参比探测器。将来自参比探测器的信号和测量探测器的信号进行比较，就可以实现对光源输出功率波动和探测器响应度变化的补偿。作为更紧凑的仪器，参比探测器和发光管可以封装在一起，大小可以做到同一个晶体管那样大。由于采用了两个探测器，所以此方案存在探测器失配的问题。同时因参比探测器在光源端，故由灰尘或光学元件磨损而引起的气室透射率的变化均未得到解决。
方案四：为了弥补方案三的不足及管光谱特性的不完全匹配，该方案利用干涉滤光片的良好的单色特性，将两片窄带干涉滤光片分别置于参比探测器和测量探测器前，其中一片的波长位于被测气体及混合气体中，主要干扰组分不吸收的波段，称为参比滤光片，形成参比光路；另一片的波长位于被测气体特征吸收光谱段，称为测量滤光片，形成测量光路。参比光路和分析光路是在同一环境下工作的，取两者的电位差进行比较，就避免了因环境变化和光源发光功率及探测器响应度变化引起的漂移。但是该单光源双探测器设计方案依然存在探测器失配的问题。
可以看出这几种方案都或多或少地实现了对这几种外部干扰的补偿，但也存在一些不足。
发明内容
为解决以上问题，本发明的目的在于提供一种主动循环吸气装置、红外多光路气体浓度测量光学***。
本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。
一种主动循环吸气式红外多光路气体浓度测量装置，包括多循环吸气室和红外多光路光学***；
所述多循环吸气室包括设在吸气室上的进气孔、与进气孔相连通的吸气泵、与吸气泵对应的气流腔，在气流腔的末端吸气室上设有出气孔，在气流腔的一侧连通有过滤装置；
所述红外多光路光学***包括与过滤装置相连通的循环腔，循环腔中对称设置有红外多光路气体测量机构，在循环腔中设有循环气孔，循环气孔连通至进气孔。
进一步，所述红外多光路气体测量机构在循环腔腔体内分布有两组，分别是两个红外发光管、四个红外光探测器、两组透镜及反光镜，两个红外发光管、四个红外光探测器分别相向交错布置；红外发光管设在循环腔室壁上，红外光探测器上带有滤光片，与红外发光管设在同一个循环腔室壁上，透光镜设在红外发光管室壁的对应面上，在透光镜中部设有镀有镀膜的反光镜。
进一步，所述红外发光管采用直径在3.17mm的白炽灯作为光源，属于热辐射型光源，波长为2-20μm，适合CO4.65μm和参考光源3.91μm的测量。
进一步，所述滤光片为不同的滤光片，分别为中心波长是4.65μm、半带宽是180nm的信号滤光片，或为中心波长是3.91μm、半带宽是90nm的参考滤光片。
进一步，所述多循环吸气室为敞开式，红外多光路光学***为对射和反射式；同时镜面凝雾、灰尘等污染对测量的结果没有影响，光路及气室更可靠地工作。
进一步，所述过滤装置包括导流板，与导流板相对应设置的过滤层，在过滤层中分别设有不同密度的滤材，其中在进气口中的滤材密度小于出气口的滤材密度。
本循环气室腔体中由两个发光管交替的以脉冲方式发光，经过两组透镜及反光镜组成光学机构，使得四个探测器各自交替产生两个信号，共八个信号。由两组四个信号作对比，得到一个气体浓度只与透射比、室长、室横截面积有关的函数。室长和室横截面积固定，气体浓汁只与气体浓度有关系。
其中吸气泵处于样气进气孔与循环气孔之间，造成循环气孔处负压，循环气室的气体自动由样气进气孔的高压区自动向循环气孔流动。
此设计不仅补偿了由于温度变化所带来的影响，而且也补偿了由于发光管输出功率的变化、探测器响应度的变化产生的信号波动、探测器的失配、由灰尘或光学元件的磨损而引起的气室透射比的变化带来的影响，实现了光源和探测器光谱特性与被测气体特征吸收带的匹配；同时由循环气流处于动态，保证检测结果的时时性。
本发明的有益效果是：
1、本发明设计了一种由主动吸气式多光路红外气体浓度测量光学***结构；其中双光源四探测器组成的气体浓度测量光学***，不仅补偿了由于温度变化所带来的影响，而且也补偿了由于发光管输出功率的变化、探测器响应度的变化产生的信号波动、探测器的失配、由灰尘或光学元件的磨损而引起的气室透射比的变化带来的影响，实现了光源和探测器光谱特性与被测气体特征吸收带的匹配。同时气体浓度测量***依靠吸气室循环腔内的循环气流取样检测气体浓度，保证对环境气体时时采集计量，并且由于吸气泵进气孔产生的负压，扩大气体浓度测量采集范围，使气体浓度测量***的应用范围可以扩大到高达空间等领域。
附图说明
图1是本发明测量装置结构示意图；
图2是多光路气体测量机构结构示意图。
图中：1、进气孔；2、吸气泵；3、气流腔；4、出气孔；5、过滤装置；6、、样气进气孔；7、循环腔；8、多光路气体测量机构；01、红外发光管Ⅰ；801、红外光探测器Ⅰ；802、红外光探测器Ⅱ；02、红外发光管Ⅱ；803、红外光探测器Ⅲ；804、红外光探测器Ⅳ；811、滤光片Ⅰ；812、滤光片Ⅱ；813、滤光片Ⅲ；814、滤光片Ⅳ；815、透光镜Ⅰ；816、反光镜Ⅰ；817、透光镜Ⅱ；818、反光镜Ⅱ；9、循环气孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。
如图1所示，一种主动循环吸气式红外多光路气体浓度测量装置，包括多循环吸气室和红外多光路光学***。其中：
多循环吸气室包括设在吸气室上的进气孔1、与进气孔1相连通的吸气泵2、与吸气泵2对应的气流腔3，在气流腔3的末端吸气室上设有出气孔4，在气流腔3的一侧连通有过滤装置5。红外多光路光学***包括与过滤装置3相连通的循环腔7，循环腔7中对称设置有红外多光路气体测量机构8，在循环腔7中设有循环气孔9，循环气孔连通至进气孔1。过滤装置5包括导流板，导流板所对应的通道为样气进气孔6；与导流板相对应设置的过滤层，在过滤层中分别设有不同密度的滤材，其中在进气口中的滤材密度小于出气口的滤材密度。
多光路红外光学器件分布在循环腔内，***依靠吸气室循环腔内的循环气流取样检测气体浓度，保证对环境气体时时采集计量，同时由于吸气泵进气孔产生的负压，扩大测量***采集范围，使测量***的应用范围可以扩大到高达空间等领域。
如图2所示，多光路气体测量机构8在循环腔腔体内分布有两组，分别是两个红外发光管Ⅰ01和Ⅱ02、四个红外光探测器Ⅰ801、Ⅱ802、Ⅲ803、Ⅳ804，两组透光镜Ⅰ815和Ⅱ817及反光镜Ⅰ816和Ⅱ818，两组分别相向交错布置；红外发光管Ⅰ01设在循环腔室壁上，四个红外光探测器上分别带有滤光片Ⅰ811、Ⅱ812、Ⅲ813、Ⅳ814，与红外发光管设在同一个循环腔室壁上，透光镜设在红外发光管室壁的对应面上，在透光镜中部设有镀有镀膜的反光镜。
多光路光学***包括两个2-20um红外发光管，两个集成3.90um和为4.65um滤光片、全反射反光镜及红外探测器光学器件(如果要探测C02和CH4把4.65um的滤光片及探测器换成4.24um或3.3um就可以，同时计量多种气体的话，可以把多种波长的滤光片及红外探测器集成一起。)两个发光管交替的以脉冲方式发光，这四个探测器各自交替产生两个信号，共八个信号。由两组四个信号作对比，得到一个气体浓度只与透射比、室长、室横截面积有关的函数。室长和室横截面积固定，气体浓汁只与气体浓度有关系。
此设计不仅补偿了由于温度变化所带来的影响，而且也补偿了由于发光管输出功率的变化、探测器响应度的变化产生的信号波动、探测器的失配、由灰尘或光学元件的磨损而引起的气室透射比的变化带来的影响，实现了光源和探测器光谱特性与被测气体特征吸收带的匹配。
下面分别对本发明多光路气体测量机构采用的器件进行说明。
1、红外光源
由于一氧化碳的红外吸收峰在4.65μm左右处，大气窗口波长在3.90um左右，所以为了保证光源在这个范围内有较强的光强，我们选用一种直径在3.17mm左右的白炽灯作为光源，属于热辐射型光源，波长从可见光到20μm，适合CO4.65μm和参考光源3.91μm的测量。
红外光源有如下特点
1.输出谱线扩展到中红外区的20μm左右；
2.高可靠性；
3.稳定的输出；
4.短时间常数τ＝12ms；
5.长寿命，工作在5伏电源时可达40000小时。
2、滤光片
这里采用双波长双光路方案，光源采用红外光源，所以应当设计适当的滤光片。在检测气室后、探测器之前，使用两块中心波长不同的滤光片进行滤光。滤光片的中心波长一般选择在一氧化碳吸收峰和在一氧化碳吸收很弱或不吸收处(参考波长)同时要避免其他气体分子的吸收。
我们使用的是中红外4.65μm附近的一氧化碳气体吸收带，根据所选择的白炽灯发光特性，这里选择干涉滤光片的性能参数如下
信号滤光片：中心波长是4.65，半带宽是180nm。
参考滤光片 中心波长是3.91um，半带宽是90nm。
3、红外传感器
热释电探测器是根据热释电效应制成的。当红外光照射到物体上时，物体表面快速的温度变化使晶体自发极化强度改变，表面电荷发生变化，这就是热释电效应。热释电探测器一般不需要制冷，易于使用和维护、可靠性好，光谱响应与波长无关，为无选择性探测器，制备工艺相对简单，成本较低。红外热释电探测器的主要优点是响应波段宽，可以在室温下工作，使用方便。
基于本发明所用的红外辐射变化迅速，对反应速度要求快，我们选用一款双通道补偿型热释电探测器。
传感器性能如下：
时间常数：τ＝12ms；响应：150,000V/W；响应波长：4.65(180)μm和3.91(90)μm。
4、吸气泵参数
尺寸：40*40*28mm；工作电压：12VDC(7-13.2VDC)；转速：15000R.P.M(REF)风速：0.76m3/min。
本发明的工作原理
1、多光路红外气体浓度检测***的工作原理
本发明主要原理是针对CO一种气体，采用双光源四探测器组成的多光路红外气体浓度测量光学***结构，结构简图如图2所示。设λ1为被测气体的特征波长，称为测量波长；λ2为被测气体及混合气体中主要干扰组分不吸收的波长，称为参比波长。在红外光探测器Ⅰ801和红外光探测器Ⅲ803之前均放置波长为λ1的滤光片，使得照射到这两个红外光探测器上的红外辐射仅为λ1的辐射；在红外光探测器Ⅱ802和红外光探测器Ⅳ804之前均放置λ2的滤光片，使得照射到这两个红外光探测器上的红外辐射仅为λ2的辐射。两个红外发光管交替地以脉冲方式发射，这使得每个红外光探测器都交替产生两个信号，共八个信号。这八个信号取决于红外发光管的辐射强度I、红外光探测器的响应度R、被测气体的透射比τa以及气室的透射比τ0。
设红外发光管Ⅰ01和红外发光管Ⅱ02的辐射强度分别为I1和I2，红外光探测器Ⅰ801、红外光探测器Ⅱ802、红外光探测器Ⅲ803和红外光探测器Ⅳ804的响应度分别为R1，R2，R3，R4。当驱动红外发光管Ⅰ01发出脉冲光时，红外光探测器Ⅰ801和红外光探测器Ⅱ802接收到的是直接来自红外发光管Ⅰ01的辐射，红外光探测器Ⅲ803和红外光探测器Ⅳ804接收到的是穿过气室的红外辐射。由于被测气对λ2的红外辐射不吸收，所以红外光探测器Ⅳ804的输出仅与腔室的透射比有关。被测气体对λ1的红外辐射有较强的吸收，所以红外光探测器Ⅲ803的输出不仅与气室的透射比有关，还与吸收气体的透射比有关。红外光探测器Ⅰ801、红外光探测器Ⅱ802、红外光探测器Ⅲ803和红外光探测器Ⅳ804输出的电压分别为
当驱动红外发光管Ⅱ02发出脉冲光时，红外光探测器Ⅲ803和红外光探测器Ⅳ804接收到的是直接来自红外发光管Ⅱ02的辐射，红外光探测器Ⅰ801和红外光探测器Ⅱ802接收到的是穿过气室的红外辐射。与上述原理相同，红外光探测器Ⅰ801、红外光探测器Ⅱ802、红外光探测器Ⅲ803和红外光探测器Ⅳ804输出的电压分别为
结合关系式
由此产生出一个与红外光探测器响应度和红外发光管辐射强度无关并且与成正比的信号。τa与气室长度和被测气体浓度存在如下关系
τa＝e-kcl (4)
式中，k为吸收气体的吸收截面；c为被测气体浓度；l为气室长度。则可表示成
K、e、τa和l为定值。
本发明红外气体浓度检测***的设计中，可以将上述光学***设计成反射式，气室设计成敞开式。同时消除镜面凝雾对测量的影响、防止灰尘对气室的污染，使光路及气室更可靠地工作。
2、吸气泵的管路设计----多循环式吸气室
本发明多循环式吸气室中循环气孔9出口位于进气孔1位置，吸气泵2处于样气进气孔6与循环气孔9之间，由于吸气泵2的动力造成进气孔1处的负压区和墙体内的高压区，造成气体主动从样气进气孔6流向循环气孔9；这样，光学测量***可以循环测量被测气体，保证测量腔体内气体与环境时时流通的同时，弥补光学***灯光闪烁间隙，由于气流过快，损失探测机会，保证监测的准确性。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种主动循环吸气式红外多光路气体浓度测量装置，其特征在于，包括多循环吸气室和红外多光路光学***；
所述多循环吸气室包括设在吸气室上的进气孔、与进气孔相连通的吸气泵、与吸气泵对应的气流腔，在气流腔的末端吸气室上设有出气孔，在气流腔的一侧连通有过滤装置；
所述红外多光路光学***包括与过滤装置相连通的循环腔，循环腔中对称设置有红外多光路气体测量机构，在循环腔中设有循环气孔，循环气孔连通至进气孔。
2.根据权利要求1所述的主动循环吸气式红外多光路气体浓度测量装置，其特征在于，所述红外多光路气体测量机构在循环腔腔体内分布有两组，分别是两个红外发光管、四个红外光探测器、两组透镜及反光镜，两个红外发光管、四个红外光探测器分别相向交错布置；红外发光管设在循环腔室壁上，红外光探测器上带有滤光片，与红外发光管设在同一个循环腔室壁上，透光镜设在红外发光管室壁的对应面上，在透光镜中部设有镀有镀膜的反光镜。
3.根据权利要求2所述的主动循环吸气式红外多光路气体浓度测量装置，其特征在于，所述红外发光管采用直径在3.17mm的白炽灯作为光源，属于热辐射型光源，波长为2-20μm，适合CO4.65μm和参考光源3.91μm的测量。
4.根据权利要求2所述的主动循环吸气式红外多光路气体浓度测量装置，其特征在于，所述滤光片为不同的滤光片，分别为中心波长是4.65μm、半带宽是180nm的信号滤光片，或为中心波长是3.91μm、半带宽是90nm的参考滤光片。
5.根据权利要求2所述的主动循环吸气式红外多光路气体浓度测量装置，其特征在于，所述红外光探测器为双通道补偿型热释电探测器。
6.根据权利要求1所述的主动循环吸气式红外多光路气体浓度测量装置，其特征在于，所述多循环吸气室为敞开式，红外多光路光学***为对射和反射式；同时镜面凝雾和灰尘污染对测量的结果没有影响。
7.根据权利要求1所述的主动循环吸气式红外多光路气体浓度测量装置，其特征在于，所述过滤装置包括导流板，与导流板相对应设置的过滤层，在过滤层中分别设有不同密度的滤材，其中在进气口中的滤材密度小于出气口的滤材密度。
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