CN112198134A - 一种便携式红外气体分析仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种便携式红外气体分析仪，包括：用于对不同气体进行检测的检测装置、电源装置、显示装置以及外壳体，检测装置、电源装置以及显示装置均设于外壳体；检测装置包括用于容纳待测气体的气室、用于照射待测气体的红外光源、滤波片、用于检测过滤后的红外光源强度并对光信号进行转化分析处理的光电检测装置以及内壳体，红外光源、气室、滤波片以及光电检测装置依次设于内壳体，气室设有进气孔和出气孔，出气孔对应滤波片设置，电源装置和显示装置均与光电检测装置连接。本装置既可有效检测多种气体浓度，又便于使用，且本装置结构简单小巧、制作成本较低，能适应户外或室内多种应用场景。
Description
技术领域
本发明涉及光学检测技术领域，更具体地说，涉及一种便携式红外气体分析仪。
背景技术
随着社会经济的发展，人们的生产活动过程中会产生大量的有毒有害气体，例如CO、CO2、甲烷等，这些有毒气体排放到空气中，会造成空气组分的改变，人体吸入后会对人体造成一定伤害。目前，检测有毒气体的常用方法主要包括：比色法、电化学法、电气法、气相色谱法以及光学吸收法等。相比其它气体检测方法，光学吸收法具有响应快、稳定性好、准确度高等优点，且能对大气污染进行实时监测，故而广泛应用于大气监测中。
光学吸收法是基于气体分子吸收的光谱的波长与该分子的结构特征有对应关系，从而使气体分子吸收的光谱与气体分子具有一一对应的关系。例如CO、CO2、甲烷等非对称分子均具有吸收红外能量的性质，且具有固定的吸收波长，该特性具有唯一性，不因温度、湿度等条件改变而改变，同时其吸收强度和被测气体浓度有关。正是基于上述原理研制出了红外气体分析仪。红外气体分析仪可针对某种气体或是多种气体进行检测。现有技术中，针对多种气体进行检测的红外气体分析仪，一般为傅立叶红外气体分析仪，但傅立叶红外气体分析仪通常固定在实验室内，无法携带外出使用，且傅立叶红外气体分析仪的价格比较昂贵，较难普及使用。
综上所述，如何提供一种既可有效检测多种气体，又便于使用的装置，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种便携式红外气体分析仪，既可以有效检测多种气体浓度，又便于使用，且本装置结构简单小巧、制作成本较低，能适应户外或室内多种应用场景，可以进行推广使用。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种便携式红外气体分析仪，包括：用于对不同气体进行检测的检测装置、用于驱动所述检测装置运行的电源装置、用于显示所述检测装置的检测数据的显示装置以及外壳体，所述检测装置、所述电源装置以及所述显示装置均设于所述外壳体；
所述检测装置包括用于容纳待测气体的气室、用于照射待测气体的红外光源、用于根据待测气体种类选择性过滤红外光源波长的滤波片、用于检测过滤后的红外光源强度并对光信号进行转化分析处理的光电检测装置以及内壳体，所述红外光源、所述气室、所述滤波片以及所述光电检测装置依次设于所述内壳体，所述气室设有进气孔和出气孔，所述出气孔对应所述滤波片设置，所述电源装置和所述显示装置均与所述光电检测装置连接。
优选的，所述红外光源为宽光谱的IR-715EN红外光源，所述红外光源的波长为0-5μm。
优选的，所述滤波片包括波长分别为3350nm、4260nm、4650nm的三个红外窄带滤波片，三个所述红外窄带滤波片呈三角形分布、且可转动变化位置。
优选的，所述光电检测装置包括用于将光信号转化为微弱的电信号的光电检测器和与所述光电检测器连接的电路装置，所述电路装置包括用于放大微弱的电信号和滤除杂波的后端电路、用于将电信号转化为数字信号并对数字信号进行分析处理的单片机、用于将数字信号通过无线传输的方式与移动终端进行数据交互的GPRS无线传输装置以及稳压电路；
所述后端电路、所述单片机、所述GPRS无线传输装置以及所述稳压电路依次电连接，所述电路装置以贴片形式设于电路板上，所述电路板设于所述光电检测器上方，所述电源装置和所述显示装置均与所述单片机连接。
优选的，所述滤波片的下端设有旋转编码器，所述旋转编码器通过所述电路板与所述单片机连接。
优选的，所述显示装置包括显示屏和/或移动终端，所述显示屏设于所述外壳体上，所述显示屏为设有控制按钮板的触摸屏。
优选的，所述内壳体为不锈钢材质件，所述内壳体外部包裹设有一层绝缘塑料皮，所述电路板设于所述绝缘塑料皮上，所述光电检测器设于所述内壳体内，所述光电检测器和所述电路装置通过电线连接。
优选的，还包括用于收集气体的收集装置，所述收集装置包括依次连接的过滤器、抽气泵以及输气管，所述过滤器内部含有过滤棉，所述过滤器的进气端穿过所述外壳体与外界相通，所述过滤器的出气端与所述输气管连通，所述输气管与所述进气孔连通。
优选的，所述外壳体包括均设有透气孔的上壳体和下壳体，所述上壳体和所述下壳体可拆卸连接。
优选的，所述电源装置为铝电池充电器。
在使用本发明所提供的便携式红外气体分析仪时，首先，可以利用电源装置向检测装置供电，以使检测装置处于工作状态，然后，通过气室的进气孔向气室内输送气体，以使气室内充满待测气体。检测装置处于工作状态时可以发出稳定的红外光源，红外光源照射气室中的待测气体。此时，通过选择所需波长的滤波片，将该滤波片移动调整至与红外光源、气室、光电检测装置同一水平线位置，以有效滤除杂波，经滤波片过滤后的红外光源到达光电检测装置。光电检测装置可以有效检测过滤光源的强度并对光信号进行转化分析处理，也即光电检测装置可将光信号转化成微弱的电信号，再将电信号进行放大和滤波处理，并对检测到的电信号进行分析处理、转化为数字信号，最后，光电检测装置可以将检测数据传输到显示装置进行显示，以便于使用者获取检测数据。
本装置基于红外光学吸收原理，通过宽光谱的红外光源照射气室中的待测气体，待测气体分子中某个基团的振动频率与照射的红外光频率相同时会发生共振，该基团就会吸收该频率的红外光，且吸收的强度与气体的浓度有关。因此，根据需要检测的气体种类，通过选择不同波长的滤波片，经滤波片过滤后的红外光源被光电检测装置接收并检测，从而可有效检测不同的气体浓度。
综上所述，本发明所提供的便携式红外气体分析仪，既可以有效检测多种气体浓度，又便于使用，且本装置结构简单小巧、制作成本较低，能适应户外或室内多种应用场景，可以进行推广使用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的便携式红外气体分析仪的外壳体拆开后的结构示意图。
图1中：
1为电源装置、2为显示装置、3为外壳体、4为气室、5为红外光源、6为分光镜、7为滤波片、8为内壳体、9为进气孔、10为出气孔、11为旋转编码器、12为光电检测器、13为后端电路、14为单片机、15为GPRS无线传输装置、16为稳压电路、17为电路板、18为过滤器、19为抽气泵、20为输气管、21为固定柱、22为透气孔、23为透光镜。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的核心是提供一种便携式红外气体分析仪，既可以有效检测多种气体浓度，又便于使用，且本装置结构简单小巧、制作成本较低，能适应户外或室内多种应用场景，可以进行推广使用。
请参考图1，图1为本发明所提供的便携式红外气体分析仪的外壳体拆开后结构示意图。
本具体实施例提供了一种便携式红外气体分析仪，包括：用于对不同气体进行检测的检测装置、用于驱动检测装置运行的电源装置1、用于显示检测装置的检测数据的显示装置2以及外壳体3，检测装置、电源装置1以及显示装置2均设于外壳体3；检测装置包括用于容纳待测气体的气室4、用于照射待测气体的红外光源5、用于根据待测气体种类选择性过滤红外光源5波长的滤波片7、用于检测过滤后的红外光源5强度并对光信号进行转化分析处理的光电检测装置以及内壳体8，红外光源5、气室4、滤波片7以及光电检测装置依次设于内壳体8，气室4设有进气孔9和出气孔10，出气孔10对应滤波片7设置，电源装置1和显示装置2均与光电检测装置连接。
需要说明的是，可以将气室4设置为由一面分光镜6、一面透镜和四面塑料板构成的箱体结构，以使检测气体不进入光源部分和电路部分。在箱体结构上设置进气孔9和出气孔10，以便于气室4内的气体流动。并可以在气室4的前侧设置分光镜6、在后侧设置透光镜23，分光镜6可以将红外光源5分成不同波长的光。也即红外光源5和气室4通过分光镜6隔开，气室4和滤波片7通过透光镜23隔开，并滤波片7后端设有光电检测装置，以便于红外光源5的透射和观察红外光源5的照射情况。
还需要说明的是，可以将显示装置2安装在外壳体3的顶部，以便于使用者观察使用，而电源装置1和检测装置则可以设置在外壳体3内部，以避免部件发生损坏现象。
可以在实际运用过程中，根据实际情况和实际需求，对检测装置、电源装置1、显示装置2、外壳体3、气室4、红外光源5、滤波片7、光电检测装置以及内壳体8的形状、结构、尺寸、型号、位置等进行确定。
在使用本发明所提供的便携式红外气体分析仪时，首先，可以利用电源装置1向检测装置供电，以使检测装置处于工作状态，然后，通过气室4的进气孔9向气室4内输送气体，以使气室4内充满待测气体。检测装置处于工作状态时可以发出稳定的红外光源5，红外光源5照射气室4中的待测气体。此时，通过选择所需波长的滤波片7，将该滤波片7移动调整至与红外光源5、气室4、光电检测装置同一水平线位置，以有效滤除杂波，经滤波片7过滤后的红外光源5到达光电检测装置。光电检测装置可以有效检测过滤光源的强度并对光信号进行转化分析处理，也即光电检测装置可将光信号转化成微弱的电信号，再将电信号进行放大和滤波处理，并对检测到的电信号进行分析处理、转化为数字信号，最后，光电检测装置可以将检测数据传输到显示装置2进行显示，以便于使用者获取检测数据。
本装置基于红外光学吸收原理，通过宽光谱的红外光源5照射气室4中的待测气体，待测气体分子中某个基团的振动频率与照射的红外光频率相同时会发生共振，该基团就会吸收该频率的红外光，且吸收的强度与气体的浓度有关。因此，根据需要检测的气体种类，通过选择不同波长的滤波片7，经滤波片7过滤后的红外光源5被光电检测装置接收并检测，从而可有效检测不同的气体浓度。
综上所述，本发明所提供的便携式红外气体分析仪，既可以有效检测多种气体浓度，又便于使用，且本装置结构简单小巧、制作成本较低，能适应户外或室内多种应用场景，可以进行推广使用。
在上述实施例的基础上，优选的，红外光源5为宽光谱的IR-715EN红外光源，红外光源5的波长为0-5μm，其可以能作为CO、CO2、CH4的光源，也即CO、CO2、CH4中某个基团的振动频率与该红外光频率相同时会发生共振，该基团就会吸收该频率的红外光，且吸收的强度与气体的浓度有关，以便于对CO、CO2、CH4的浓度进行有效检测。
优选的，滤波片7包括波长分别为3350nm、4260nm、4650nm的三个红外窄带滤波片，三个红外窄带滤波片呈三角形分布、且可转动变化位置。
需要说明的是，波长为3350nm、4260nm、4650nm的三个红外窄带滤波片，分别用于CH4、CO2、CO的检测，例如，当波长分别为3350nm的红外窄带滤波片与红外光源5、气室4、光电检测装置处在同一水平线时，则可以有效检测CH4的浓度。
还需要说明的是，三个红外窄带滤波片呈三角形分布、且可转动变化位置，是指将三个红外窄带滤波片分别安装在旋转支架的三个顶点，三个顶点呈现三角形分布，并且，可以将顶角位置设置为与红外光源5、气室4、光电检测装置处在同一水平线的位置，也即顶角位置的滤波片7为需要检测的气体的滤波片7。因此，通过转动旋转支架可以改变调整三个红外窄带滤波片的位置，以根据实际情况和实际需求选择所需波长的滤波片7。
在上述实施例的基础上，优选的，光电检测装置包括用于将光信号转化为微弱的电信号的光电检测器12和与光电检测器12连接的电路装置，电路装置包括用于放大微弱的电信号和滤除杂波的后端电路13、用于将电信号转化为数字信号并对数字信号进行分析处理的单片机14、用于将数字信号通过无线传输的方式与移动终端进行数据交互的GPRS无线传输装置15以及稳压电路16；后端电路13、单片机14、GPRS无线传输装置15以及稳压电路16依次电连接，电路装置以贴片形式设于电路板17上，电路板17设于光电检测器12上方，电源装置1和显示装置2均与单片机14连接。
需要说明的是，红外光源5、气室4、滤波片7以及光电检测器12处在同一水平线时可以有效保证检测过程的顺利进行。可以将光电检测器12设置为光电二极管，光电二极管能检测到波长在1-4.6μm之间的红外光，以及经过滤波片7过滤后的光强度，并将光信号转化成微弱的电信号。单片机14包含有ARM处理器和A/D转换器，在ARM处理器将检测数据进行分析处理后，再由A/D转换器将电信号转化为数字信号。且单片机14分别与电源装置1、旋转编码器11以及显示装置2电连接。
另外，需要说明的是，GPRS无线传输装置15主要是用于将数字信号通过无线传输的方式与移动终端进行数据交互。稳压电路16的主要作用是使得本装置获得稳定的直流电，以发出稳定的红外光源5。并且，后端电路13可以包括有滤波电路和放大电路，放大电路主要用于放大检测得到的电信号，滤波电路主要用于滤掉一些杂波，提高电信号的准确性。
优选的，滤波片7的下端设有旋转编码器11，旋转编码器11通过电路板17与单片机14连接。
需要说明的是，可以将旋转支架和旋转编码器11同轴设置，旋转编码器11可以有效控制旋转支架的转动，也可以有效检测旋转支架的旋转情况等。并且，旋转编码器11通过电路板17与和单片机14连接，三者配合使用，从而根据实际需求控制旋转过程，以选择不同波长的滤波片7检测不同的气体浓度。
优选的，显示装置2包括显示屏和/或移动终端，显示屏设于外壳体3上，显示屏为设有控制按钮板的触摸屏。因此，本发明所提供的便携式红外气体分析仪具有显示屏控制和移动终端控制两种方式，这样可以有效提高使用者的体验感。
可以在实际运用过程中，根据实际情况和实际需求，对显示装置2的结构和控制类型等进行确定。
优选的，内壳体8为不锈钢材质件，内壳体8外部包裹设有一层绝缘塑料皮，电路板17设于绝缘塑料皮上，光电检测器12设于内壳体8内，光电检测器12和电路装置通过电线连接。
需要说明的是，将电路板17设置在内壳体8的绝缘塑料皮上，可以有效防止各个电路元件漏电而相互影响，有利于提高装置的使用寿命和使用效果。
在上述实施例的基础上，优选的，还包括用于收集气体的收集装置，收集装置包括依次连接的过滤器18、抽气泵19以及输气管20，过滤器18内部含有过滤棉，过滤器18的进气端穿过外壳体3与外界相通，过滤器18的出气端与输气管20连通，输气管20与进气孔9连通。
需要说明的是，可以将过滤器18设置为一个小型的桶装透明结构，其可以有效过滤待测气体中的水分和一些颗粒物，避免因粉尘和水汽影响本装置的准确性，从而提高检测精度。并且，通过利用抽气泵19抽取需要检测的气体样品，可以有效缩短气体自然扩散所需要的时间。
可以在实际运用过程中，根据实际情况和实际需求，对过滤器18、抽气泵19以及输气管20的形状、结构、尺寸、位置、材质等进行确定。
优选的，外壳体3包括均设有透气孔22的上壳体和下壳体，上壳体和下壳体可拆卸连接。如图1所示，其为上壳体和下壳体两部拆分后的示意图。
需要说明的是，可以将上壳体和下壳体均设置为防水级PVC塑料件，以有效保护外壳体3内的部件。上壳体和下壳体可以采用扣合方式连接，以便于安装使用。例如，可以在上壳体和下壳体的四周设有固定柱21，通过与固定柱21相匹配的螺丝进行固定和拆卸操作。
还需要说明的是，当外壳体3内的部件发生受损现象时，通过拆卸操作即可进行替换，以提高装置的维修效率和降低装置的维修成本。并且，上壳体和下壳体均设置多个透气孔22，是为了有效排出已检测气体和对装置进行有效散热。
在上述实施例的基础上，优选的，电源装置1为铝电池充电器。例如，可以将电源装置1设置为10000mA的铝电池充电器，该铝电池充电器可以直接为便携式红外气体分析仪提供电源，且可以通过USB线对便携式红外气体分析仪进行充电。可以在实际运用过程中，根据实际情况和实际需求，对电源装置1的形状、结构、类型、位置等进行确定。
为了进一步说明本发明所提供的便携式红外气体分析仪的工作过程，接下来进行举例说明。
以显示屏控制方式为例进行说明，使用者可点击显示屏上控制按钮板的电源键，通过单片机14控制电源装置1向检测装置供电，使检测装置处于待工作状态。然后，启动抽气泵19，将经过过滤器18处理的待测气体抽到输气管20中，再经进气孔9进入气室4。检测装置可以发出稳定的红外光源5，红外光源5通过分光镜6照射气室4中的待测气体。与此同时，通过单片机14控制旋转编码器11选择所需波长的滤波片7，将所需滤波片7旋转至与红外光源5、气室4、光电检测器12同一水平线位置，滤掉杂波。经滤波片7过滤后的红外光源5到达光电检测器12。光电检测器12检测过滤光源的强度，并将光信号转化成微弱的电信号，而后，将电信号传输至后端电路13进行放大和滤波处理。经后端电路13处理的电信号传输到至单片机14，单片机14内部的ARM处理器将检测数据进行分析处理后，由A/D转换器将电信号转化为数字信号，最后再传输到显示屏进行显示。
需要补充说明的是，移动终端控制与显示屏控制的不同之处在于，移动终端发出工作指令后，经GPRS无线传输装置15接收指令，由单片机14处理分析后，再启动便携式红外气体分析仪进行检测工作。并且，当单片机14将电信号转化为数字信号后，需要先将数字信号传输到GPRS无线传输装置15，由GPRS无线传输装置15将检测数据通过无线传输的方式与移动终端进行数据交互。
另外，还需要说明的是，本申请的“上下”、“内外”等指示的方位或位置关系，是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于简化描述和便于理解，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。本发明所提供的所有实施例的任意组合方式均在此发明的保护范围内，在此不做赘述。
以上对本发明所提供的便携式红外气体分析仪进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种便携式红外气体分析仪，其特征在于，包括：用于对不同气体进行检测的检测装置、用于驱动所述检测装置运行的电源装置(1)、用于显示所述检测装置的检测数据的显示装置(2)以及外壳体(3)，所述检测装置、所述电源装置(1)以及所述显示装置(2)均设于所述外壳体(3)；
所述检测装置包括用于容纳待测气体的气室(4)、用于照射待测气体的红外光源(5)、用于根据待测气体种类选择性过滤红外光源(5)波长的滤波片(7)、用于检测过滤后的红外光源(5)强度并对光信号进行转化分析处理的光电检测装置以及内壳体(8)，所述红外光源(5)、所述气室(4)、所述滤波片(7)以及所述光电检测装置依次设于所述内壳体(8)，所述气室(4)设有进气孔(9)和出气孔(10)，所述出气孔(10)对应所述滤波片(7)设置，所述电源装置(1)和所述显示装置(2)均与所述光电检测装置连接。
2.根据权利要求1所述的便携式红外气体分析仪，其特征在于，所述红外光源(5)为宽光谱的IR-715EN红外光源，所述红外光源(5)的波长为0-5μm。
3.根据权利要求2所述的便携式红外气体分析仪，其特征在于，所述滤波片(7)包括波长分别为3350nm、4260nm、4650nm的三个红外窄带滤波片，三个所述红外窄带滤波片呈三角形分布、且可转动变化位置。
4.根据权利要求1至3任一项所述的便携式红外气体分析仪，其特征在于，所述光电检测装置包括用于将光信号转化为微弱的电信号的光电检测器(12)和与所述光电检测器(12)连接的电路装置，所述电路装置包括用于放大微弱的电信号和滤除杂波的后端电路(13)、用于将电信号转化为数字信号并对数字信号进行分析处理的单片机(14)、用于将数字信号通过无线传输的方式与移动终端进行数据交互的GPRS无线传输装置(15)以及稳压电路(16)；
所述后端电路(13)、所述单片机(14)、所述GPRS无线传输装置(15)以及所述稳压电路(16)依次电连接，所述电路装置以贴片形式设于电路板(17)上，所述电路板(17)设于所述光电检测器(12)上方，所述电源装置(1)和所述显示装置(2)均与所述单片机(14)连接。
5.根据权利要求4所述的便携式红外气体分析仪，其特征在于，所述滤波片(7)的下端设有旋转编码器(11)，所述旋转编码器(11)通过所述电路板(17)与所述单片机(14)连接。
6.根据权利要求5所述的便携式红外气体分析仪，其特征在于，所述显示装置(2)包括显示屏和/或移动终端，所述显示屏设于所述外壳体(3)上，所述显示屏为设有控制按钮板的触摸屏。
7.根据权利要求5所述的便携式红外气体分析仪，其特征在于，所述内壳体(8)为不锈钢材质件，所述内壳体(8)外部包裹设有一层绝缘塑料皮，所述电路板(17)设于所述绝缘塑料皮上，所述光电检测器(12)设于所述内壳体(8)内，所述光电检测器(12)和所述电路装置通过电线连接。
8.根据权利要求1至4任一项所述的便携式红外气体分析仪，其特征在于，还包括用于收集气体的收集装置，所述收集装置包括依次连接的过滤器(18)、抽气泵(19)以及输气管(20)，所述过滤器(18)内部含有过滤棉，所述过滤器(18)的进气端穿过所述外壳体(3)与外界相通，所述过滤器(18)的出气端与所述输气管(20)连通，所述输气管(20)与所述进气孔(9)连通。
9.根据权利要求1至4任一项所述的便携式红外气体分析仪，其特征在于，所述外壳体(3)包括均设有透气孔(22)的上壳体和下壳体，所述上壳体和所述下壳体可拆卸连接。
10.根据权利要求1至4任一项所述的便携式红外气体分析仪，其特征在于，所述电源装置(1)为铝电池充电器。
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