CN111474130A - 一种基于光谱法在线检测气态丙醛、丙烯醛的简便装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种基于光谱法在线检测气态丙醛、丙烯醛的简便装置及方法，装置包括光源发射模块、气体腔模块、气体进出模块、光敏接收模块以及仪器支架模块，光线通过特定路线穿过充满待测气体的气体腔室，最终照射到以硅光电池构成的光敏接收器，依据灵敏的光敏接收器所反映出的电信号反推出待测气体浓度。本发明通过两块条形高反射镜大大提高有效光径，对于提高检测装置的灵敏度，降低检测限有很大帮助，本装置具有成本低、易于操作、稳定性强、检测灵敏、体积精小、响应快的优点。
Description
技术领域
本发明涉及环境检测领域，尤其是大气气体检测分析技术领域，具体为一种利用不同物质对不同光波的吸收及光波在两片高反射镜之间多次反射对气体浓度检测的装置及检测方法。
背景技术
随着科学技术的进步和发展，人们的生活水平和生活质量都得到了显著的提高，于是环境问题越来越受到人们的重点关注，尤其是大气中的污染问题，与人们的生活紧密相关。丙醛和丙烯醛都属于羰基化合物，是精细化工的重要原料，在塑料、橡胶等领域得到了广泛应用。但对环境有较大污染，具有刺激性气味，可由吸入、食入、经皮吸收等途径被人体吸收。如吸入其蒸汽会损害呼吸道，引起咽喉炎、支气管炎等症状，大量吸入可致休克或死亡。
目前对于气态丙醛浓度检测方法主要分为三类，分别为传感器法、光谱法以及色谱法。色谱法基本都是离线检测方法，大多采用衍生化采样收集的方式，进而进行各种大型仪器的分析检测，这些检测方法耗时间较长，且容易受到相同质量分子的其它物质干扰，影响着测量结果的准确性。光谱法就是利用不同物质对不同光波的特征吸收来进行气体的检测，比如可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)、激光诱导荧光技术(LIF)和非相干宽带腔增强吸收光谱技术（IBBCEAS）等技术在气体检测响应时间、检测限等方面比质谱法以及液相化学法更有优势，然而在光腔及光路的设计、整个装置性能的稳定、信号的采集与分析方面也是光谱法所存在的难点，并且制作成本较高。
发明内容
为了克服以上所述技术的不足，本发明提供一种基于光谱法在线检测气态丙醛、丙烯醛的简便装置及方法，具有操作简单、成本低的特点。
本发明所采取的技术方案如下：
一种基于光谱法在线检测气态丙醛、丙烯醛的简便装置，其特征在于：包括光源发射模块、气体腔模块、气体进出模块、光敏接收模块和仪器支架模块；
所述光源发射模块包括了激光发射器、滤波片转换支架和发射器线路盒；
所述气体腔模块包括了气体腔室以及设置在气体腔室内壁上的高反射镜a、高反射镜b、透镜a和透镜b；
所述气体进出模块包括了气体过滤器、空气泵a、空气泵b；
所述光敏接收模块包括了硅光电池接收器、模数转换器、档位开关、电子显示屏、接收器线路盒；
所述装置支架模块包括了固定杆a、固定杆b、上连接板和下连接板，上连接板和下连接板之间通过竖直的固定杆a、固定杆b连接；
所述气体腔室设置在上连接板和下连接板之间，所述气体腔室下半部分侧壁上设置有激光入口、进气孔，所述气体腔室上半部分侧壁上设置有激光出口、出气孔；所述激光入口与激光出口处于相对位置，激光入口处镶嵌透镜a，激光出口处镶嵌透镜b；所述进气孔与出气孔处于相对位置且通过管道与空气泵a、空气泵b连接；
所述激光发射器发出的激光经过滤波片转换支架上的滤波片后从气体腔室上的激光入口进入气体腔室，再经过气体腔室内壁上的高反射镜a、高反射镜b反射后，由激光出口外侧的硅光电池接收器接收。
进一步的，上述的基于光谱法在线检测气态丙醛、丙烯醛的简便装置，所述光源发射模块中的滤波片转换支架可同时卡装至少2片不同波段的滤波片，所述滤波片转换支架可逆时针或顺时针旋转。
进一步的，上述的基于光谱法在线检测气态丙醛、丙烯醛的简便装置，所述高反射镜a、高反射镜b为长条状，设置在气体腔室内壁两侧，同长且不在同一等高面上。
进一步的，上述的基于光谱法在线检测气态丙醛、丙烯醛的简便装置，所述气体腔室上半部分设有用于观察硅光电池接收器的激光调节口，透镜c镶嵌于激光调节口处，且外侧有一不透光的滑动盖。
进一步的，上述的基于光谱法在线检测气态丙醛、丙烯醛的简便装置，所述滤波片的透过波长为所测气体的最大吸收波长。
进一步的，上述的基于光谱法在线检测气态丙醛、丙烯醛的简便装置，所述气体腔室内侧贴附氟化乙烯丙烯膜，所述气体腔室外侧表面涂满黑色非透光涂料。可减少外界光照对所述硅光电池接收器干扰。
进一步的，上述的基于光谱法在线检测气态丙醛、丙烯醛的简便装置，所述档位开关是用于所述不同激光发射器的调节，使不同的光信号与不同的模数转换信号相对应。
进一步的，上述的基于光谱法在线检测气态丙醛、丙烯醛的简便装置，所述气体腔室与所述固定杆a、固定杆b成三角分布，有利于装置的整体稳定性。
一种基于光谱法在线检测丙醛气体或丙烯醛气体的方法，其特征在于，检测方法为：通过旋转滤波片转换支架选择滤波片使不同波长的激光进入到气体腔室内，气体腔室内通过气体泵使被测气体流通，利用直接吸收光谱的方式检测气体浓度，通过气体腔室内的两片条形高反射镜提高气体检测有效光径的长度，最后利用硅光电池接收器、模数转换器得出检测结果。
在所述气体腔室模块中，所述高反射镜a、高反射镜b为长条形，相互平行且纵向垂直于水平面，所述高反射镜a略低于所述高反射镜b。工作时，激光经过所述激光入口首先照射在所述高反射镜a上，激光经反射照射至高反射镜b上，进而继续反射，最终激光经过所述高反射镜b反射至所述硅光电池接收器，将光信号转化为电信号。
所述发射器线路盒内，有一电源控制器，可以控制所述激光发射器通断电路，通过辅助干涉仪，为电路提供时间信号，提前设置好控制自动通路、断路时间。所述电源控制器的作用是为了减少通电工作时间过长后因所述激光发射器温度变化过大而引起的测量误差。所述接收器线路盒内有一模数转换器，可以每间隔一段时间记录储存一次测量数据。
所述光源发射器所发射的光线为平行光，光斑直径为R1；入射光与水平面有一定夹角θ；所述高反射镜a、高反射镜b之间水平距离为L，所述高反射镜a、高反射镜b为长条形，长为C1，宽为C2；所述高反射镜a上的光斑数为N；所述高反射镜b上的光斑数也为N。
则：(2N-1)<[C1/(L*
)]< (2N+1)；
S=(2N+1)*(L/ 
)
上式所述N为光斑数，N的值为正整数；上式所述S为有效光径总长度。
本发明的技术原理是，根据朗伯—比尔定律，当一束平行单色光通过某一均匀非散射的吸光物质时,其吸光度与吸光物质的浓度及吸收层厚度成正比，而与透光度成负相关。利用两片高反射镜，使光线在气腔室内尽可能多的折射，以增加有效光程来检测目标气体。从而实现对气态丙醛、丙烯醛气体的检测。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明提出了一种基于光谱法利用高反射镜检测气态丙醛、丙烯醛或其它气体的简便装置及方法，通过两片平面高反射镜的反射提高有效光径总长度，通过所述模数转换器在电子显示屏上可以直接读出气体不同浓度，操作简单，可实现实时在线检测，且费用成本较低。
附图说明
图1是实施例中基于光谱法在线检测气态丙醛、丙烯醛的简便装置立体结构图。
图2是实施例中基于光谱法在线检测气态丙醛、丙烯醛的简便装置结构示意图。
图3是实施例中基于光谱法在线检测丙醛气体、丙烯醛气体的方法流程图。
在图中：001、电子显示屏，002、档位开关，003、接收器线路盒，004、上连接板，005、气体腔室，006、发射器线路盒，007、气体过滤器，008a、空气泵a，008b、空气泵b，009、下连接板，010、激光发射器，011、滤波片转换支架，012、波长滤波片a，012a、波长滤波片b，013a、固定杆a，013b、固定杆b，014、激光调节口，015、电子显示盒，016、硅光电池接收器，017a、透镜a，017b、透镜b，018a、高反射镜a，018b、高反射镜b，019、激光，020、稳压电源，021、模数转换器，022、进气孔。
具体实施方式
为了使本发明实施例的目的、技术方案与优点更加清楚，便于理解本申请，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述，但不使用任何方式限制本发明的范围。
参照图1、图2所示，一种基于光谱法在线检测气态丙醛、丙烯醛的简便装置，其特征在于：其特征在于：包括光源发射模块、气体腔模块、气体进出模块、光敏接收模块和仪器支架模块；
所述光源发射模块包括了激光发射器010、滤波片转换支架011和发射器线路盒006；
所述气体腔模块包括了气体腔室005以及设置在气体腔室005内壁上的高反射镜a018a、高反射镜b018b、透镜a017a和透镜b017b；
所述气体进出模块包括了气体过滤器007、空气泵a008a、空气泵b008b；
所述光敏接收模块包括了硅光电池接收器016、模数转换器021、档位开关002、电子显示屏001、接收器线路盒003；
所述装置支架模块包括了固定杆a013a、固定杆b013b、上连接板004和下连接板009，上连接板004和下连接板009之间通过竖直的固定杆a013a、固定杆b013b连接；
所述气体腔室005设置在上连接板004和下连接板009之间，所述气体腔室005下半部分侧壁上设置有激光入口、进气孔，所述气体腔室005上半部分侧壁上设置有激光出口、出气孔；所述激光入口与激光出口处于相对位置，激光入口处镶嵌透镜a017a，激光出口处镶嵌透镜b017b；所述进气孔与出气孔处于相对位置且通过管道与空气泵a008a、空气泵b008b连接；
所述激光发射器010发出的激光经过滤波片转换支架011上的滤波片后从气体腔室005上的激光入口进入气体腔室，再经过气体腔室005内壁上的高反射镜a018a、高反射镜b018b反射后，由激光出口外侧的硅光电池接收器016接收。
所述光源发射模块中的滤波片转换支架011可同时卡装1-4片不同波段的滤波片，所述滤波片转换支架011可逆时针或顺时针旋转。
所述高反射镜a018a、高反射镜b018b为长条状，设置在气体腔室005内壁两侧，同长且不在同一等高面上。
所述气体腔室005上半部分设有用于观察硅光电池接收器016的激光调节口014，透镜c镶嵌于激光调节口014处，且外侧有一不透光的滑动盖。
所述滤波片的透过波长应为所测气体的最大吸收波长。
所述气体腔室005内侧贴附氟化乙烯丙烯膜，所述气体腔室005外侧表面涂满黑色非透光涂料。可减少外界光照对所述硅光电池接收器干扰。
所述档位开关002装在电子显示盒015上，是用于不同激光发射器010的调节，使不同的光信号与不同的模数转换信号相对应。所述档位开关002、电子显示屏001位于接收器线路盒003之上，所述模数转换器021位于所述接收器线路盒003内部。所述发射器线路盒006为激光发射器010、电子显示屏001提供稳定电源。
所述气体腔室005与所述固定杆a013a、固定杆b013b成三角分布，有利于装置的整体稳定性。
如图3所示，基于光谱法在线检测丙醛气体或丙烯醛气体的方法为：通过旋转滤波片转换支架011选择滤波片使不同波长的激光019进入到气体腔室005内，气体腔室005内通过气体泵使被测气体流通，利用直接吸收光谱的方式检测气体浓度，通过气体腔室005内的两片条形高反射镜提高气体检测有效光径的长度，最后利用硅光电池接收器016、模数转换器021得出检测结果。
气体腔模块中进气孔022在下半部分，出气孔在上半部分，因为丙醛、丙烯醛相对分子质量均大于29，所以当气体从上半部分溢出，说明该气体已均匀充满该腔体。
在本实施例中对气态丙醛、丙烯醛浓度进行检测，使用292nm波长滤波片b012a和315nm波长滤波片012，经滤波片转换支架011可随时对滤波片进行转换，转换不同滤波片只会透过对应的波长。在发射器线路盒006内的电源020具有较强的稳定性，能为整个电路提供稳定的电压和电流。
装置在正式工作前，需先接通激光发射器电源020，辅助干涉仪为电路提供时间信号，使激光发射器010预热1min，此时的电源控制器不工作，1min后，电源控制器开始工作，电源控制器工作模式为首先控制激光发射器010断路34秒钟，然后通路6秒钟，然后断路34秒钟，然后通路6秒钟，如此重复，一直循环下去。在接收器线路盒003内有一模数转换器021，可以每间隔40秒钟自动记录储存一次测量数据，模数转换器021比电源控制器提前1秒钟工作。
空气泵a008a与空气泵b008b对空气的输送流量相同，为空气腔室005内气体流动提供动力。正式工作之前还需先使用空气泵a008a与空气泵b008b为空气腔室005换气，使需要检测的气体均匀充满整个空气腔室005。
正式工作时，两个空气泵一直处于工作状态，待测气体依次经气体过滤器007、空气泵a008a、进气孔022、气体腔室005、出气孔、空气泵b008b后排到外界。激光发射器010发出的光波依次经过滤波片a012a、透镜a017a、平面高反射镜a018a、平面高反射镜b018b、透镜a017a、被硅光电池接收器016所接收，由于不同浓度气体对光的吸收不同，硅光电池接收器016接收的光强有所不同，经照射所发出的电信号经模数转换器转换后，在电子显示屏001中显示数值。
自动记录储存测量数据，从而实现丙醛、丙烯醛气体的实时在线测量。
以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的穷举，对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理与精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于光谱法在线检测气态丙醛、丙烯醛的简便装置及方法，其特征在于：包括光源发射模块、气体腔模块、气体进出模块、光敏接收模块和仪器支架模块；
所述光源发射模块包括了激光发射器、滤波片转换支架和发射器线路盒；
所述气体腔模块包括了气体腔室以及设置在气体腔室内壁上的高反射镜a、高反射镜b、透镜a和透镜b；
所述气体进出模块包括了气体过滤器、空气泵a、空气泵b；
所述光敏接收模块包括了硅光电池接收器、模数转换器、档位开关、电子显示屏、接收器线路盒；
所述装置支架模块包括了固定杆a、固定杆b、上连接板和下连接板，上连接板和下连接板之间通过竖直的固定杆a、固定杆b连接；
所述气体腔室设置在上连接板和下连接板之间，所述气体腔室下半部分侧壁上设置有激光入口、进气孔，所述气体腔室上半部分侧壁上设置有激光出口、出气孔；所述激光入口与激光出口处于相对位置，激光入口处镶嵌透镜a，激光出口处镶嵌透镜b；所述进气孔与出气孔处于相对位置且通过管道与空气泵a、空气泵b连接；
所述激光发射器发出的激光经过滤波片转换支架上的滤波片后从气体腔室上的激光入口进入气体腔室，再经过气体腔室内壁上的高反射镜a、高反射镜b反射后，由激光出口外侧的硅光电池接收器接收。
2.根据权利要求1所述的一种基于光谱法在线检测气态丙醛、丙烯醛的简便装置，其特征在于：所述光源发射模块中的滤波片转换支架可同时卡装至少2片不同波段的滤波片，所述滤波片转换支架可逆时针或顺时针旋转。
3.根据权利要求1所述的一种基于光谱法在线检测气态丙醛、丙烯醛的简便装置，其特征在于：所述高反射镜a、高反射镜b为长条状，设置在气体腔室内壁两侧，同长且不在同一等高面上。
4.根据权利要求1所述的一种基于光谱法在线检测气态丙醛、丙烯醛的简便装置，其特征在于：所述气体腔室上半部分设有用于观察硅光电池接收器的激光调节口，透镜c镶嵌于激光调节口处，且外侧有一不透光的滑动盖。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于光谱法在线检测气态丙醛、丙烯醛的简便装置，其特征在于：所述滤波片的透过波长为所测气体的最大吸收波长。
6.根据权利要求1所述的一种基于光谱法在线检测气态丙醛、丙烯醛的简便装置，其特征在于：所述气体腔室内侧贴附氟化乙烯丙烯膜，所述气体腔室外侧表面涂满黑色非透光涂料。
7.一种基于光谱法在线检测丙醛气体或丙烯醛气体的方法，其特征在于，检测方法为：通过旋转滤波片转换支架选择滤波片使不同波长的激光进入到气体腔室内，气体腔室内通过气体泵使被测气体流通，利用直接吸收光谱的方式检测气体浓度，通过气体腔室内的两片条形高反射镜提高气体检测有效光径的长度，最后利用硅光电池接收器、模数转换器得出检测结果。
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Application publication date: 20200731 |
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