一種氣體濃度檢測(cè)裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及氣體濃度檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種氣體濃度檢測(cè)裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)今，利用非分散紅外光譜技術(shù)，即紅外吸收法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體濃度的檢測(cè)。
[0003] 因?yàn)椋罁?jù)朗伯一比爾定律，氣體吸收單色光的程度，即吸光度A與該氣體的濃度 C成正比，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
[0004]
陽(yáng)0化]其中，A為吸光度；I。為入射光強(qiáng)度；I為通過(guò)待檢測(cè)氣體后的透射光強(qiáng)度；a為吸 收系數(shù)；b為氣室的長(zhǎng)度，為常數(shù)；C為氣體的濃度。
[0006] 現(xiàn)有技術(shù)的紅外氣體檢測(cè)裝置原理框圖如圖1所示，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，包 括：紅外光源1、紅外池2、濾光片3、檢測(cè)器4、第一光窗5、第二光窗6、進(jìn)氣口 7和出氣口 8,其中紅外池2內(nèi)壁鍛金，內(nèi)部充滿有待檢測(cè)氣體。當(dāng)紅外光源1發(fā)出的紅外光通過(guò)紅外 池2時(shí)，一部分能量被氣體中的氣體分子如5〇2、0)2、^、側(cè)2、邸4等吸收，光的強(qiáng)度會(huì)有所減 弱，由于氣體分子只吸收特定波長(zhǎng)的紅外光，未被氣體分子吸收的光量透射出去，射入濾波 片3,濾波片3吸收掉特定波長(zhǎng)W外的光量后，將剩余的紅外光量送入檢測(cè)器4,檢測(cè)器4將 根據(jù)特定波長(zhǎng)的紅外光光量的強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，計(jì)算出待檢測(cè)氣體的吸光度，由于 待檢測(cè)氣體的吸光度與該氣體的濃度成正比，只要測(cè)定吸光度就可W確定待檢測(cè)氣體的濃 度。
[0007] 如圖3所示，現(xiàn)有技術(shù)另一實(shí)施例的非分光紅外氣體檢測(cè)器，包括：紅外光源1、鍛 膜氣室2、紅外傳感器3、傳感器測(cè)控系統(tǒng)4。因?yàn)榧t外光源1為非激光光源，其發(fā)散角一般 都較大，能直達(dá)紅外傳感器3的信號(hào)強(qiáng)度較小，必須經(jīng)鍛膜氣室2的反光膜多次反射后才能 有足夠強(qiáng)度的信號(hào)到達(dá)紅外傳感器3,鍛膜氣室2是典型的漫反射紅外池。
[0008] 圖3所示的裝置，需要在氣室內(nèi)鍛反光膜，一般為鍛金，來(lái)達(dá)到對(duì)紅外光高反射的 效果，W使紅外光能夠順利到達(dá)檢測(cè)器。氣室內(nèi)壁一旦受到顆粒附著污染，就會(huì)導(dǎo)致反射率 減小、檢測(cè)器信號(hào)下降。
[0009] 如圖4所示，現(xiàn)有技術(shù)另一實(shí)施例的紅外氣體檢測(cè)器，包括：紅外光源1、反射體2、 同步馬達(dá)3、切光器4、樣氣室5、前吸收室6、后吸收室7、毛細(xì)管8、半導(dǎo)體傳感器9、濾光片 10,其中紅外光源1為發(fā)熱燈絲。由于紅外光源1為發(fā)熱燈絲，所發(fā)出的光很發(fā)散，樣氣室 5及前吸收室6都需要鍛反光膜，使得紅外線能夠在前吸收室6中各處光強(qiáng)均勻一致。
[0010] 圖4所示的裝置，也需要在氣室內(nèi)鍛反光膜，使紅外光的光程增加，進(jìn)而引起氣壓 變化。氣室內(nèi)壁一旦受到污染，就會(huì)導(dǎo)致信號(hào)下降。
[0011] 可見(jiàn)，現(xiàn)有技術(shù)中容納待檢測(cè)氣體的氣室為漫反射型紅外池，因?yàn)楦鳉怏w吸收的 預(yù)設(shè)波長(zhǎng)多在1. 5μm~15μm波段，屬中遠(yuǎn)紅外波段，此波段的激光器種類(lèi)少而且價(jià)格昂 貴，而常用的光源都是發(fā)散角度較大的熱光源，產(chǎn)生的紅外線經(jīng)對(duì)紅外光高反射率的內(nèi)壁 鍛金的紅外池多次反射，最后到達(dá)檢測(cè)器。由于待檢測(cè)氣體如S02、C02、N0、N02、CH4等，一般 由燃料如煤炭或石油的燃燒產(chǎn)生，燃燒生成或產(chǎn)生多種固體顆粒，雖經(jīng)過(guò)濾裝置仍難W完 全清除，時(shí)間一長(zhǎng)則會(huì)附著在鍛金層表面，隨時(shí)間積累，會(huì)吸收射到內(nèi)壁上的部分紅外線， 使反射率下降，表現(xiàn)為儀器檢測(cè)器收到的信號(hào)強(qiáng)度逐漸下降，即產(chǎn)生信號(hào)漂移，此時(shí)再用現(xiàn) 有技術(shù)的氣體濃度檢測(cè)裝置檢測(cè)氣體濃度，精確度不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，如何降低甚至避免受紅外池內(nèi)壁反射率變化的影 響，提高氣體濃度檢測(cè)的精確度。
[0013] 針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種氣體濃度檢測(cè)裝置，包括：
[0014] 光源，用于發(fā)出紅外光；
[0015] 第一光學(xué)元件，位于所述光源的出光側(cè)，用于縮小紅外光的發(fā)散角；
[0016] 紅外池，位于所述第一光學(xué)元件的出光側(cè)，內(nèi)部充滿待檢測(cè)氣體，用于吸收紅外光 中波長(zhǎng)等于預(yù)設(shè)波長(zhǎng)的光；
[0017] 濾光片，位于所述紅外池的出光側(cè)，用于吸收紅外光中波長(zhǎng)不等于預(yù)設(shè)波長(zhǎng)的 光；
[0018] 檢測(cè)器，位于所述濾光片的出光側(cè)，用于檢測(cè)剩余的紅外光中波長(zhǎng)等于預(yù)設(shè)波長(zhǎng) 的紅外光光量，并根據(jù)所述光量計(jì)算待檢測(cè)氣體的濃度。
[0019] 優(yōu)選地，所述裝置還包括：
[0020] 第二光學(xué)元件，設(shè)置在所述紅外池與濾光片之間，用于對(duì)射出所述紅外池的紅外 光進(jìn)行匯聚。
[0021] 優(yōu)選地，所述紅外池內(nèi)壁涂覆有吸光物質(zhì)，用于吸收照射到內(nèi)壁上的紅外光W及 外部環(huán)境入射到所述紅外池中的光。
[0022] 優(yōu)選地，第一光學(xué)元件縮小所述紅外光的發(fā)散角，W使所述紅外光的光束趨于平 行。
[0023] 優(yōu)選地，所述第一光學(xué)元件包括1個(gè)或多個(gè)平凸透鏡透鏡或菲涅爾透鏡。
[0024] 優(yōu)選地，所述第二光學(xué)元件包括1個(gè)或多個(gè)聚光杯或聚光錐。
[00巧]優(yōu)選地，所述紅外池上設(shè)置有進(jìn)氣口，用于導(dǎo)入待檢測(cè)氣體；出氣口，用于導(dǎo)出待 檢測(cè)氣體。
[00%] 優(yōu)選地，所述紅外池上還設(shè)置有第一光窗，用于透射射入所述紅外池的紅外光；第 二光窗，用于透射通過(guò)待檢測(cè)氣體后的紅外光。
[0027]另外，本發(fā)明還提供了一種基于上述裝置的氣體濃度檢測(cè)方法，包括：
[0028]S1、縮小光源發(fā)出的紅外光的發(fā)射角，W使所述紅外光的光束趨于平行；
[0029]S2、待檢測(cè)氣體吸收所述紅外光中波長(zhǎng)等于預(yù)設(shè)波長(zhǎng)的光；
[0030]S3、濾波片吸收所述紅外光中波長(zhǎng)不等于預(yù)設(shè)波長(zhǎng)的光；
[0031]S4、檢測(cè)剩余的紅外光中波長(zhǎng)等于預(yù)設(shè)波長(zhǎng)的紅外光光量，并根據(jù)所述光量計(jì)算 待檢測(cè)氣體的濃度。
[0032] 優(yōu)選地，在所述步驟S3之前還包括：
[0033] 對(duì)通過(guò)待檢測(cè)氣體后的紅外光進(jìn)行匯聚，W使所述紅外光光信號(hào)強(qiáng)度增強(qiáng)。
[0034] 根據(jù)上述技術(shù)方案，通過(guò)縮小紅外光的發(fā)散角，使紅外光被檢測(cè)器接收前不在紅 外池內(nèi)壁發(fā)生漫反射，相比現(xiàn)有技術(shù)，降低甚至避免了受紅外池內(nèi)壁反射率變化的影響，相 對(duì)提高了氣體濃度檢測(cè)的精確度。
【附圖說(shuō)明】
[0035] 圖1為本發(fā)明【背景技術(shù)】提供的一種紅外氣體檢測(cè)裝置原理框圖；
[0036] 圖2為本發(fā)明【背景技術(shù)】提供的一種紅外氣體檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037] 圖3為本發(fā)明【背景技術(shù)】提供的一種非分光紅外氣體檢測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038] 圖4為本發(fā)明【背景技術(shù)】提供的一種紅外氣體檢測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039]圖5為本發(fā)明一實(shí)施例提供的一種氣體濃度檢測(cè)裝置原理框圖；
[0040] 圖6為本發(fā)明另一實(shí)施例提供的一種氣體濃度檢測(cè)裝置原理框圖；
[0041]圖7為本發(fā)明一實(shí)施例提供的一種氣體濃度檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0042] 圖8為本發(fā)明另一實(shí)施例提供的一種氣體濃度檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0043]圖9為本發(fā)明另一實(shí)施例提供的一種氣體濃度檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0044] 圖10為本發(fā)明一實(shí)施例提供的一種氣體濃度檢測(cè)方法流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0045] 為了能夠更清楚地理解本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)，下面結(jié)合附圖和具體實(shí) 施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)描述。需要說(shuō)明的是，在不沖突的情況下，本申請(qǐng)的實(shí)施 例及實(shí)施例中的特征可W相互組合。
[0046] 在下面的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)W便于充分理解本發(fā)明，但是，本發(fā)明還可 W采用其他不同于在此描述的其他方式來(lái)實(shí)施，因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不受下面公開(kāi) 的具體實(shí)施例的限制。
[0047] 如圖5所示，根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的一種氣體濃度檢測(cè)裝置，包括：
[0048] 光源10,用于發(fā)出紅外光； W例第一光學(xué)元件11，位于光源10的出光側(cè)，用于縮小紅外光的發(fā)散角；
[0050] 紅外池12,位于第一光學(xué)元件11的出光側(cè)，內(nèi)部充滿待檢測(cè)氣體，用于吸收紅外 光中波長(zhǎng)等于預(yù)設(shè)波長(zhǎng)的光；
[0051] 濾光片13,位于紅外池12的出光側(cè)，用于吸收紅外光中波長(zhǎng)不等于預(yù)設(shè)波長(zhǎng)的 光；
[0052] 檢測(cè)器14,位于濾光片13的出光側(cè)，用于檢測(cè)剩余的紅外光中波長(zhǎng)等于預(yù)設(shè)波長(zhǎng) 的紅外光光量，并根據(jù)所述光量計(jì)算待檢測(cè)氣體的濃度。
[0053] 可選擇地，光源 10 包括：加熱燈絲或MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem, 微機(jī)電系統(tǒng)）電調(diào)制紅外光源。
[0054] 由于加熱燈絲和MEMS電調(diào)制紅外光源都不是激光光源，所W發(fā)出的紅外光光束 有一定的發(fā)散角，一般大于30°，探測(cè)器距離光源一定距離后，能收到的光信號(hào)很弱，如探 測(cè)器在距離光源20mm時(shí)信號(hào)值為100%，信號(hào)強(qiáng)度隨著距離增大而下降，在距離40mm時(shí)下 降到39%，80mm時(shí)下降到4. 8%。為了能夠使光線在經(jīng)過(guò)一定距離之后還能有足夠的強(qiáng)度 被檢測(cè)器檢測(cè)到，本發(fā)明提出的一種氣體濃度檢測(cè)裝置通過(guò)增加第一光學(xué)元件將光源發(fā)出 的紅外光束進(jìn)行整形，即將光束發(fā)散角減小、使光束盡量平行射入紅外池。 陽(yáng)化5] 可選擇地，檢測(cè)器14包括：熱釋電紅外傳感器或微音電容。其中，熱釋電紅外傳感 器利用紅外光對(duì)物質(zhì)的熱效應(yīng)，將紅外光轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，該類(lèi)檢測(cè)器的靈敏區(qū)尺寸有限，限 于制造工藝，一般為5mmX5mm左右；微音電容通過(guò)感受經(jīng)紅外加熱之后的待檢測(cè)氣體壓力 變化，而確定待檢測(cè)氣體濃度。
[0056] 根據(jù)上述技術(shù)方案，通過(guò)縮小紅外光的發(fā)散角，使紅外光被檢測(cè)器接收前不在紅 外池內(nèi)壁發(fā)生漫反射，相比現(xiàn)有技術(shù)，可W降低甚至避免受紅外池內(nèi)壁反射率變化的影響， 相對(duì)提高了氣體濃度檢測(cè)的精確度。
[0057] 另外，在采用傳統(tǒng)漫反射紅外池的現(xiàn)有技術(shù)中，若每天正常工作8小時(shí)，經(jīng)過(guò)漫發(fā) 射的紅外線光信號(hào)值基準(zhǔn)會(huì)W8%~10%/月左右的速度下降，因?yàn)榛鶞?zhǔn)在變，所W需要頻 繁地用標(biāo)準(zhǔn)濃度的待檢測(cè)氣體對(duì)檢測(cè)精度進(jìn)行標(biāo)定，同時(shí)當(dāng)紅外池內(nèi)壁污染十分明顯時(shí)， 還需要進(jìn)行更換或者清洗，從而還需要再次標(biāo)定。相比現(xiàn)有技術(shù)，由于本發(fā)明能夠降低甚至 避免因紅外池內(nèi)壁反射率變化所引起的信號(hào)漂移，使信號(hào)能夠在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定，而不必頻 繁標(biāo)定