CN206772801U - 一种串联式气体光谱分析双气室 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种串联式气体光谱分析双气室，包括制冷基板1和垂直于制冷基板1的气室；制冷基板1朝向气室的一面上设有光电探测器一2、光电探测器二4和激光器3；所述气室由互不连通的参考气室5和测量气室6沿垂直于制冷基板1的方向串联组成，气室靠近制冷基板1的一端设有光学窗口7，参考气室5和测量气室6之间设有楔形分光镜8；气室远离制冷基板1的一端设有平行于制冷基板1的反射镜9，参考气室5侧壁两端分别设有标准气体进口10和标准气体出口11，测量气室6侧壁两端分别设有待测气体进口12和待测气体出口13。参考气室5和测量气室6之间为可拆卸连接，位置可互换。光路部分可以使用空间光，也可采用光纤以避免光路调节的麻烦。
Description
技术领域
本实用新型属于气体分析仪器领域，具体涉及一种串联式气体光谱分析双气室。
背景技术
近年来，各种光学气体分析技术在石油化工、环境监测、生物医学等领域得到广泛应用。光学气体分析技术基于分子光谱学，普遍需要对气体分子的吸收光谱、散射光谱或荧光光谱等光谱线型进行定量分析计算。这些测量方法往往受到光谱线型变化的影响，对激光器本身的性能要求较高，在使用过程中需要对激光器的电流和温度进行严格控制；此外气体本身的性质会受到温度和压力的影响，这些外界因素的变化都会改变气体的光谱曲线，从而直接影响到浓度测量结果。
目前市场上的光学气体分析仪所使用的激光器对谱线宽度和稳定性都有较高要求，这种激光器价格较为昂贵。此外，光谱分析技术普遍需要对待测气体进行恒温伴热处理，加上吸收谱线定位和温度修正等算法减少不稳定因素的影响，但这些方法的使用会大大提高设备的成本、增加设备体积，各种修正参数的确定需要大量标定数据积累，从长期来看不能完全保证测量浓度的准确性。各种修正算法的根本问题在于只能实现定参数运算，没有能够随不稳定因素变化的参考信号，不能适应温度或激光器波长漂移对不同浓度气体的影响。
实用新型内容
针对现有技术中存在的激光器波长漂移或环境温度变化容易对气体浓度的测量产生影响的问题，本实用新型提供一种串联式气体光谱分析气室。
本实用新型提供的技术方案具体如下：
一种串联式气体光谱分析双气室，串联式气体光谱分析双气室，包括制冷基板1和垂直于制冷基板1的气室；制冷基板1朝向气室的一面上设有光电探测器一2、光电探测器二4和激光器3；所述气室由互不连通的参考气室5和测量气室6沿垂直于制冷基板1的方向串联组成，气室靠近制冷基板1的一端设有光学窗口7，参考气室5和测量气室6之间设有楔形分光镜8；气室远离制冷基板1的一端设有平行于制冷基板1的反射镜9，参考气室5侧壁两端分别设有标准气体进口10和标准气体出口11，测量气室6侧壁两端分别设有待测气体进口12和待测气体出口13。
参考气室5和测量气室6之间为可拆卸连接。
光电探测器一2和光电探测器二4分别位于激光器3两侧。
气室***设有控温装置。
光电探测器一2与光学窗口7之间设有汇聚透镜一14，激光器3与光学窗口7之间设有汇聚透镜二15，光电探测器二4与光学窗口7之间设有汇聚透镜三16。
光电探测器一2、激光器3、光电探测器二4分别通过光纤与参考气室5连接。
本实用新型具有以下优点和有益效果：
(1)本实用新型能够有效地消除温度变化和激光器波长漂移对测量结果造成的影响，实时保证测量结果的准确性。
(2)本实用新型使用过程中无需进行温度修正实验，简化了分析仪器标定过程，也避免了修正算法对测量结果造成的干扰。
(3)本实用新型无需对气室***进行保温，也不需要性能极度稳定的激光器，降低了购置和使用成本。
(4)本实用新型可用在与TDLAS(可调谐半导体激光吸收光谱技术)、NDIR(非色散红外光谱分析)、DOAS(差分吸收光谱法)等技术相关的光学仪器中，应用范围广。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图；
图2为本实用新型利用空间光作光路时的结构示意图；
图3为本实用新型利用光纤作光路时的结构示意图；
其中，1—制冷基板，2—光电探测器一，3—激光器，4—光电探测器二，5—参考气室，6—测量气室，7—光学窗口，8—楔形分光镜，9—反射镜，10—标准气体进口，11—标准气体出口，12—待测气体进口，13—待测气体出口，14—汇聚透镜一，15—汇聚透镜二，16—汇聚透镜三。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案作进一步详细说明。
如图1、图2、图3所示，本实用新型提供的串联式气体光谱分析双气室，包括制冷基板1和垂直于制冷基板1的气室；制冷基板1朝向气室的一面上设有光电探测器一2、光电探测器二4和激光器3；所述气室由互不连通的参考气室5和测量气室6沿垂直于制冷基板1的方向串联组成，气室靠近制冷基板1的一端设有光学窗口7，参考气室5和测量气室6之间设有楔形分光镜8；气室远离制冷基板1的一端设有平行于制冷基板1的反射镜9，参考气室5侧壁两端分别设有标准气体进口10和标准气体出口11，测量气室6侧壁两端分别设有待测气体进口12和待测气体出口13。
参考气室5和测量气室6之间为可拆卸连接。
光电探测器一2和光电探测器二4分别位于激光器3两侧。
气室***设有控温装置。
光电探测器一2与光学窗口7之间设有汇聚透镜一14，激光器3与光学窗口7之间设有汇聚透镜二15，光电探测器二4与光学窗口7之间设有汇聚透镜三16。
光电探测器一2、激光器3、光电探测器二4分别通过光纤与参考气室5连接。
本实用新型中，参考气室5用于封装已知浓度的标准气体；测量气室6用于测量流动的待测气体。由于进入参考气室5和测量气室6的激光来自于同一个激光器，因此激光器3的波长漂移对参考信号和分析信号的影响是同步的；又因为两个气室处于同一个环境温度下，标准气体和待测气体的光谱曲线相对变化程度是一致的，本实用新型能够通过实时变化的参考信号评估不稳定因素的影响从而对分析信号进行精确分析，进一步反演得到待测气体的浓度。测量时，以参考气室5中已知浓度的标准气体产生的光谱信号作为待测气体分析的参考信号，即使激光器波长漂移或者环境温度发生改变，对气体浓度的测量误差都是已知的，对待测气体的浓度反演进行实时修正。
本实用新型提供的串联式气体光谱分析双气室的工作原理如下：
如图2所示，激光器3发出的激光被汇聚透镜二15汇聚透镜汇聚后经由光学窗口7进入到参考气室5中，激光在楔形分光镜8的作用下一部分被反射，反射光经汇聚透镜三16汇聚后被光电探测器二4接收，以激光在参考气室中与已知浓度的标准气作用形成的光谱信号作为参考信号；折射通过楔形分光镜8的剩余光激光进入测量气室6，待测气体在测量气室6中连续流动，激光与待测气体作用形成的信号作为分析信号，激光经过反射镜9反射回参考气室5后，最终分析信号与参考信号的叠加信号被光电探测器一2接收。
下面以可调谐半导体激光吸收光谱法(TDLAS)为例，气体浓度与气体的吸光性质遵循比尔朗博(Beer-Lambert)定律，浓度为C的气体，在压力为P、温度为T的条件下，对频率为v的激光的吸光度A(无单位)为：
A＝PS(T)φvCL (1)
公式(1)中，L表示光程，S(T)表示谱线强度，φv表示线型函数，且∫φv＝1。
该定律的物理意义是：一束特定波长的光通过一段长度的均匀非散射的吸光介质时，吸光度A与其中吸光介质的浓度C及光程L有关。当温度T和压力P等外界条件一定时，吸光介质的浓度C与吸光度A呈线性关系。
为了提高信噪比，实现更高精度的测量A＝PS(T)φvCL，可调谐半导体激光吸收光谱法使用了高频调制技术，并提取光谱信号的二次谐波信号，根据数学计算可以得到在环境条件一定的情况下，二次谐波的高度S与待测气体的浓度C和光程L之积呈正比：
S＝aCL (2)
通常在实际测量中，需要对线性关系系数a进行标定，但是该系数与光谱线型有关，容易受到环境因素的干扰，往往难以保证标定结果的长期准确性。
参考气室5的光程为L1，参考气室5内封装有浓度为C0的标准气体，部分激光经过楔形分光镜8反射后被光电探测器二4接收，信号强度为S1，根据公式(2)有：
S1＝aC0L1 (3)
测量气室6的光程为L2，浓度为C的待测气体在测量气室6中连续流动，激光被测量气室6另一端的反射镜9反射后，再次进入参考气室5，最终被光电探测器一2接收，信号强度为S2，则根据公式(2)有：
S2＝S1+aCL2 (4)
将公式(3)带入公式(4)中可以得到样气浓度为：
公式(5)中没有标定系数a，所有参数均为已知项，因此在反演待测气体浓度时可以消除不稳定因素的影响。
在图2所示装置的基础上，光路部分可以使用空间光，也可以采用光纤以避免光路调节的麻烦，。光电探测器的位置也可以根据实际光路走向发生改变，只要保证接收到的信号一个为参考信号，另一个包含待测气体信息即可。激光在两个气室内的反射次数可以不同，反射镜需要根据实际光路设计进行调整或去除。
此外，参考气室5和测量气室6的位置可互换，若光程为L1的的气室内为待测气体，光程为L2的的气室内是浓度为C0的标准气体，则待测气体的浓度为：
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种串联式气体光谱分析双气室，其特征在于：包括制冷基板（1）和垂直于制冷基板（1）的气室；制冷基板（1）朝向气室的一面上设有光电探测器一（2）、光电探测器二（4）和激光器（3）；所述气室由互不连通的参考气室（5）和测量气室（6）沿垂直于制冷基板（1）的方向串联组成，气室靠近制冷基板（1）的一端设有光学窗口（7），参考气室（5）和测量气室（6）之间设有楔形分光镜（8）；气室远离制冷基板（1）的一端设有平行于制冷基板（1）的反射镜（9），参考气室（5）侧壁两端分别设有标准气体进口（10）和标准气体出口（11），测量气室（6）侧壁两端分别设有待测气体进口（12）和待测气体出口（13）。
2.根据权利要求1所述的串联式气体光谱分析双气室，其特征在于：参考气室（5）和测量气室（6）之间为可拆卸连接。
3.根据权利要求1所述的串联式气体光谱分析双气室，其特征在于：光电探测器一（2）和光电探测器二（4）分别位于激光器（3）两侧。
4.根据权利要求1所述的串联式气体光谱分析双气室，其特征在于：气室***设有控温装置。
5.根据权利要求1所述的串联式气体光谱分析双气室，其特征在于：光电探测器一（2）与光学窗口（7）之间设有汇聚透镜一（14），激光器（3）与光学窗口（7）之间设有汇聚透镜二（15），光电探测器二（4）与光学窗口（7）之间设有汇聚透镜三（16）。
6.根据权利要求1所述的串联式气体光谱分析双气室，其特征在于：光电探测器一（2）、激光器（3）、光电探测器二（4）分别通过光纤与参考气室（5）连接。
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|---|---|---|---|---|
| CN109001154A (zh) * | 2018-06-13 | 2018-12-14 | 贾良权 | 基于激光吸收光谱技术的种子活力高效测量*** |
| CN112147126A (zh) * | 2020-09-23 | 2020-12-29 | 广东电网有限责任公司广州供电局 | 气体检测装置及气体检测方法 |
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| CN109001154B (zh) * | 2018-06-13 | 2021-04-09 | 湖州师范学院 | 基于激光吸收光谱技术的种子活力高效测量*** |
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Effective date of registration: 20211110 Address after: 430205 No. 999, Gaoxin Avenue, Donghu high tech Development Zone, Wuhan City, Hubei Province (Wuhan area of free trade zone) Patentee after: Wuhan Mizi Energy Technology Co., Ltd Address before: 214174 a-303, No. 2, Qingyan Road, Huishan Economic Development Zone, Wuxi City, Jiangsu Province Patentee before: Wuxi Mizi Technology Co., Ltd |
|
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