CN120064176A - 一种基于高温型光学原理的气体浓度分析装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高温型光学原理的气体浓度分析装置，包括装置本体，所述装置本体包括：光源、光学分束器、测量光池、耐高温导光柱、测量端检测器、参比端检测器；所述耐高温导光柱包括第一导光柱和第二导光柱，所述第一导光柱和第二导光柱分别位于测量光池的两侧；所述光源与光源分束器相接，并通过光源分束器分成第一束光线和第二束光线。本发明将测量光池与电子器件进行隔离，可以将光池加热至高于样气露点的温度，就可以不需要对样气进行脱水处理就可以将样气送入光池进行分析；避免了脱水过程中的组分丢失；本发明的光学结构简单，成本几乎不增加的情况下提高了性能，适用的工况更多，维护量小。

Description

一种基于高温型光学原理的气体浓度分析装置

技术领域

本发明涉及气体浓度分析技术领域，尤其涉及一种基于高温型光学原理的气体浓度分析装置。

背景技术

气体浓度分析是环境监测、工业生产、安全防护等领域中不可或缺的重要环节。气体浓度分析方法包括的详细介绍：

气体浓度分析方法

气体比色法：通过比较气体样品与标准气样的颜色深浅来判断气体中某种组分的含量，适用于浓度较低的气体分析5。

气体传感器法：利用气体传感器对特定气体分子的敏感性，将气体浓度转换为电信号，适用于便携式、在线监测气体分析5。

气相色谱法：利用气态载体将样品组分分离，并结合检测器测定各组分浓度，适用于复杂气体样品中多种组分的分离和测定5。

质谱法：利用质量分析器对样品离子进行分离，根据离子峰的强度或面积计算气体中某种组分的浓度，适用于痕量和超痕量气体分析5。

红外光谱分析法：通过测量气体分子对红外光的吸收，确定气体的种类和浓度，具有快速、非破坏性和高灵敏度的特点7。

电化学传感器分析法：通过电化学反应来检测气体成分和浓度，具有体积小、灵敏度高、响应快的特点

气体浓度分析是环境监测、工业生产、安全防护等领域中不可或缺的重要环节。以下是对气体浓度分析方法的详细介绍：

气体浓度分析方法

气体比色法：通过比较气体样品与标准气样的颜色深浅来判断气体中某种组分的含量，适用于浓度较低的气体分析5。

气体传感器法：利用气体传感器对特定气体分子的敏感性，将气体浓度转换为电信号，适用于便携式、在线监测气体分析5。

气相色谱法：利用气态载体将样品组分分离，并结合检测器测定各组分浓度，适用于复杂气体样品中多种组分的分离和测定5。

质谱法：利用质量分析器对样品离子进行分离，根据离子峰的强度或面积计算气体中某种组分的浓度，适用于痕量和超痕量气体分析5。

红外光谱分析法：通过测量气体分子对红外光的吸收，确定气体的种类和浓度，具有快速、非破坏性和高灵敏度的特点7。

目前，常规的非分散红外或非分散紫外光学分析仪表光池气室的加热温度一般较低不超过60℃，所以在样气进入光池前，须对样气进行脱水处理，否则样气可能会在光池内冷凝结露，污染光池及光学镜片。单纯的提供光池加热温度会导致光池两端的电子机器温度过高，仪器电气特性的变化甚至器件损坏。

由上所述，为此我们设计出了一种基于高温型光学原理的气体浓度分析装置来解决以上问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种基于高温型光学原理的气体浓度分析装置。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于高温型光学原理的气体浓度分析装置，包括装置本体，所述装置本体包括：光源、光学分束器、测量光池、耐高温导光柱、测量端检测器、参比端检测器；

所述耐高温导光柱包括第一导光柱和第二导光柱，所述第一导光柱和第二导光柱分别位于测量光池的两侧；

所述光源与光源分束器相接，并通过光源分束器分成第一束光线和第二束光线，所述第一束光线的终端依次穿过第一导光柱、测量光池和第二导光柱，并与测量端检测器相接；所述第二束光线的终端与参比端检测器相接；

所述第一导光柱和第二导光柱采用透光洁净石英玻璃材质；

所述测量光池为存放待测气体的小气室，且配置有进气口和出气口，所述测量光池的两端使用光学玻璃密封。

优选的，所述装置本体还包括压力传感器和温湿度传感器、信号控制电路板，所述压力传感器和温湿度传感器与信号控制电路板之间通过线路信号连接；

所述光源、光学分束器、测量端检测器和参比端检测器均通过有线信号与信号控制电路板连接。

优选的，所述信号控制电路板用以对装置本体的电信号进行控制，包括：光源高频调制，系统恒温控制，测量端检测器信号的采集处理，参比端检测器信号的采集处理，压力传感器信号的采集处理，温湿度传感器信号的采集处理，光强与浓度模型算法的运行以及系统的校准操作的一种或多种。

优选的，所述第二导光柱与测量端检测器之间放置有窄带滤光片。

优选的，所述第一导光柱和第二导光柱的外侧还放置有用于对第一导光柱和第二导光柱降温的恒温吹扫风扇。

优选的，所述测量端检测器用于测量光源发出的光束经过光学分束器形成的第一光束后，并穿过测量光池的第一光束强度；所述参比端检测器用于测量所述光源发出的光束经过所述光学分束器形成的第二光束的第二光强度。

优选的，所述第二导光柱和测量端检测器之间放置有与测量光池对应的窄带滤光片。

优选的，所述浓度模型算法的运行包括：通过朗伯比尔定律计算出第一光束强度在不同气体浓度下的光强变化对气体浓度进行模型建立，根据光强得出进入测量气室的气体浓度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明将测量光池与电子器件进行隔离，可以将光池加热至高于样气露点的温度，就可以不需要对样气进行脱水处理就可以将样气送入光池进行分析；避免了脱水过程中的组分丢失。

2、本发明的光学结构简单，成本几乎不增加的情况下提高了性能，适用的工况更多，维护量小。

附图说明

图1为本发明提出的一种基于高温型光学原理的气体浓度分析装置的结构示意图；

图2为本发明提出的一种基于高温型光学原理的气体浓度分析装置的工作流程图。

图中：1光源、101第一束光线、102第二束光线、2光学分束器、3测量光池、4耐高温导光柱、401第一导光柱、402第二导光柱、5测量端检测器、6参比端检测器、7压力传感器和温湿度传感器、8信号控制电路板。

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。

参照图1，一种基于高温型光学原理的气体浓度分析装置，包括装置本体，装置本体包括：光源1、光学分束器2、测量光池3、耐高温导光柱4、测量端检测器5、参比端检测器6；

本实施例中，耐高温导光柱4包括第一导光柱401和第二导光柱402，第一导光柱401和第二导光柱402分别位于测量光池3的两侧；通过在测量光池3两侧增加第一导光柱401和第二导光柱402，整个测量光池可以放置在高温区域大于80℃，可有效避免待测样气中水蒸气的冷凝结露。

光源1与光源分束器2相接，并通过光源分束器2分成第一束光线101和第二束光线102，第一束光线101的终端依次穿过第一导光柱401、测量光池3和第二导光柱402，并与测量端检测器5相接；第二束光线102的终端与参比端检测器6相接。

配置光学分束器2对光源1的光进行半透半反分光，分出的第二光束相对条件稳定，可用于对第一光束的强度进行归一化处理，可有效避免光源衰减对测量值造成的影响。

其中，归一化目的实际上是为了处理数据方便，即以第二光强数据作为基准点或者将第一光强减去第二光强后除以第二光强。

第一导光柱401和第二导光柱402采用透光洁净石英玻璃材质；测量光池3为存放待测气体的小气室，且配置有进气口10和出气口11，测量光池3的两端使用光学玻璃密封，且第二导光柱402与测量端检测器5之间放置有窄带滤光片，将与待测组分对应的窄带滤光片放置在第二导光柱402和测量端检测器5之间，滤除非待测组分吸收频率的光线，测量端检测器5可以检测到待测组分浓度相关的光线的光强变化情况；

由于高温导光柱的存在，整个测量光池3可以放置在高温区域大于80℃，可有效避免待测样气中水蒸气的冷凝结露。

上述实施例中，测量端检测器5用于测量光源1发出的光束经过光学分束器2形成的第一光束经过测量光池3后的第一光束强度；参比端检测器6用于测量光源1发出的光束经过光学分束器形成的第二光束的第二光强度。

其中，装置本体还包括压力传感器和温湿度传感器7、信号控制电路板8，压力传感器和温湿度传感器7与信号控制电路板8之间通过线路信号连接；光源1、光学分束器2、测量端检测器5和参比端检测器6均通过有线信号与信号控制电路板8连接。

更加具体的是，测量光池3是存放待测气体小气室，配置进出气口，两端使用光学玻璃密封，以便于光线通过测量光池3；耐高温导光柱，通常采用透光洁净石英玻璃材质，用以连接光源1与测量光池3，以及测量光池3和测量端检测器5；压力传感器用以测量光池内部的气体压力，压力信号用以对不同压力或流量下光强与气体浓度模型进行补偿；温湿度传感器用以测量光池内部的气体温湿度，温湿度信号用以对不同温湿度条件下光强与气体浓度模型进行补偿；

信号控制电路板8用以对装置本体的电信号进行控制，包括：光源高频调制，系统恒温控制，测量端检测器信号的采集处理，参比端检测器信号的采集处理，压力传感器信号的采集处理，温湿度传感器信号的采集处理，光强与浓度模型算法的运行以及系统的校准操作的一种或多种。

其中，第一导光柱401和第二导光柱402的外侧还放置有用于对第一导光柱401和第二导光柱402降温的恒温吹扫风扇，使得高温不会沿着导光柱向着光源1和测量端检测器5传导，减少了电子元器件在高温下老化。

本实施例中，第二导光柱402和测量端检测器5之间放置有与测量光池3对应的窄带滤光片，滤除非待测组分吸收频率的光线，测量端检测器可以检测到待测组分浓度相关的光线的光强变化情况。

其中，浓度模型算法的运行包括：通过朗伯比尔定律计算出第一光束强度在不同气体浓度下的光强变化对气体浓度进行模型建立，根据光强得出进入测量气室的气体浓度。

更加具体的是，模型建立是在整体硬件架构搭好之后，就是一个数据的拟合过程，使用一组标准气（覆盖仪表的测试量程，不少于10个点，如量程时0-100ppm，选11个点，可以均匀分布，也可以根据需要分布，选取不同标气点0，10，20，…，90，100），通入光池内部，待测量端检测器输出稳定时，读取并记录与标气浓度相对应的光强值，就会读到11个光强值，根据光强和标气浓度的数据拟合成高次多项式。

需要说明的是，如图2所示，本实施例中，具体的工作步骤为：

步骤S1、光源发射光束：装置中的光源发出一束光。

步骤S2、光学分束器2分光：光束通过光学分束器2被分为两束：第一光束进入测量光池3，第二光束直接进入参比端检测器6。

步骤S3、光束穿过待测气体：

第一光束穿过测量光池3中的待测气体，气体分子会吸收特定波长的光，导致光强减弱。

耐高温导光柱4的作用：

导光柱确保光束能稳定地从光源1传输到测量光池3，并从测量光池3传输到测量端检测器5，其耐高温特性保证了在高温环境下也能正常工作。

步骤S4、检测器测量光强：包括测量端检测器5：测量经过气体吸收后的第一光束强度，记录的数据反映了光在特定气体浓度下的衰减情况。参比端检测器测量未经气体吸收的第二光束强度。提供一个基准值，用于校正系统误差和环境因素影响。

步骤S5、环境参数监测与补偿：包括压力传感器和温湿度传感器7：实时监测光池内的气体压力和温湿度，这些参数会影响光的传播效率和吸收特性，收集到的信号用于对测量结果进行实时补偿，以提高准确性。

更加具体的是，增加光池内部压力测量传感器，可以测量光池的压力变化，可以对光强-浓度模型进行压力修正补偿，解决实际应用中不同样气流量对最终浓度值的影响。补偿温度压力变化对测量值的影响，压力温度的变化会对测量端检测器的光强检测值产生影响，所以实测不同温度压力下，同一浓度气体的光强变化，增加修正因子，对光强和浓度多项式进行模型修正。

中国的环保标准的标况是101325Pa，0℃条件，但光池内的温度压力条件无法达到此条件，采用增加温度和压力传感器，实测实际温度和压力，根据热力学方程进行标况折算修正，输出标况值。

增加光池内部温湿度测量传感器，可以测量光池的温湿度变化，并对光强-浓度模型进行温度和湿度参数的修正补偿，解决实际应用中非冷凝条件下，温度和湿度对样气浓度值的影响问题。

更加具体的是，同上，国标气体浓度时干基，及标气中湿度要求≤4℃露点，实际中不一定能够达到干基要求，实测湿度进行1/（1-x）,其中x是实测湿度值，对测量值进行干基转换。如果湿度对样气测量值有干扰，也可以根据，同一浓度下不同湿度对光强的影响进行模型湿度因子的修正。

步骤S6、数据处理与浓度计算：包括信号控制电路板操作：

（1）对所有传感器收集到的电信号进行处理和分析。

（2）执行朗伯-比尔定律相关的算法，建立光强与气体浓度之间的数学模型，根据朗伯比尔定律，光强与气体浓度成正比关系。通过建立第一光束强度在不同气体浓度下的光强变化模型，可以计算出进入测量气室的气体浓度。

通过第二光强度之间的函数关系或曲线关系，进而得到样气中目标待测气体的浓度，其中，第二光强不受到气体浓度的影响，所以理论上第二光强的值是稳定不变的，但由于使用环境或光源漂移衰减等因素，会出现独立于气体浓度变化外的系统性的光强漂移变化，利用第二光强的变化量消除光源漂移对测量端检测器测量值的影响，让测量端检测器更准确的反映气体浓度与光强对应关系，并为仪表整体做零点校准和量程校准提供基准点信号。比如光池内部通入高纯氮时，记录第二光强和第一光强的信号强度，并记录两者的光强差值，即为零点值，整体分析仪表的零点光强基准点；通入量程标气时，记录第二光强和第一光强的信号强度，并记录两者的光强差值，即为满点时，整体分析仪表的满点光强基准点；这样就拉开了不同标气在分析仪表中的量程，并避免光源漂移衰减影响。

浓度计算：根据测量端和参比端检测到的光强度差异，结合已知的环境条件和气体特性，运用算法计算出待测气体的浓度。

公式表达为：，其中A是吸光度，ε是摩尔吸光系数，l是光程长度，c是气体浓度。通过反演该公式可以得到气体的浓度c。

步骤S5、系统校准与维护：定期进行系统校准，以确保长期使用的准确性和可靠性，校准过程可能涉及使用已知浓度的气体标准样品来调整检测器的读数。

综上，本发明装置通过精确控制和测量光束在穿过待测气体后的强度变化，并结合环境参数的实时监测与补偿，能够有效地计算出样气中目标待测气体的浓度，这种方法具有高灵敏度和良好的准确性，广泛应用于环境监测、工业生产等领域。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、 “右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“ 顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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。

此外，术语“第一”、 “第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本发明要求保护的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种基于高温型光学原理的气体浓度分析装置，包括装置本体，其特征在于，所述装置本体包括：光源（1）、光学分束器（2）、测量光池（3）、耐高温导光柱（4）、测量端检测器（5）、参比端检测器（6）；

所述耐高温导光柱（4）包括第一导光柱（401）和第二导光柱（402），所述第一导光柱（401）和第二导光柱（402）分别位于测量光池（3）的两侧；

所述光源（1）与光源分束器（2）相接，并通过光源分束器（2）分成第一束光线（101）和第二束光线（102），所述第一束光线（101）的终端依次穿过第一导光柱（401）、测量光池（3）和第二导光柱（402），并与测量端检测器（5）相接；所述第二束光线（102）的终端与参比端检测器（6）相接；

所述第一导光柱（401）和第二导光柱（402）采用透光洁净石英玻璃材质；

所述测量光池（3）为存放待测气体的小气室，且配置有进气口（10）和出气口（11），所述测量光池（3）的两端使用光学玻璃密封。

2.根据权利要求1所述的一种基于高温型光学原理的气体浓度分析装置，其特征在于，所述装置本体还包括压力传感器和温湿度传感器（7）、信号控制电路板（8），所述压力传感器和温湿度传感器（7）与信号控制电路板（8）之间通过线路信号连接；

所述光源（1）、光学分束器（2）、测量端检测器（5）和参比端检测器（6）均通过有线信号与信号控制电路板（8）连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于高温型光学原理的气体浓度分析装置，其特征在于，所述信号控制电路板（8）用以对装置本体的电信号进行控制，包括：光源高频调制，系统恒温控制，测量端检测器信号的采集处理，参比端检测器信号的采集处理，压力传感器信号的采集处理，温湿度传感器信号的采集处理，光强与浓度模型算法的运行以及系统的校准操作的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的一种基于高温型光学原理的气体浓度分析装置，其特征在于，所述第二导光柱（402）与测量端检测器（5）之间放置有窄带滤光片。

5.根据权利要求1所述的一种基于高温型光学原理的气体浓度分析装置，其特征在于，所述第一导光柱（401）和第二导光柱（402）的外侧还放置有用于对第一导光柱（401）和第二导光柱（402）降温的恒温吹扫风扇。

6.根据权利要求1所述的一种基于高温型光学原理的气体浓度分析装置，其特征在于，所述测量端检测器（5）用于测量光源（1）发出的光束经过光学分束器（2）形成的第一光束后，并穿过测量光池（3）的第一光束强度；所述参比端检测器（6）用于测量所述光源（1）发出的光束经过所述光学分束器（2）形成的第二光束的第二光强度。

7.根据权利要求1所述的一种基于高温型光学原理的气体浓度分析装置，其特征在于，所述第二导光柱（402）和测量端检测器（5）之间放置有与测量光池（3）对应的窄带滤光片。

8.根据权利要求3所述的一种基于高温型光学原理的气体浓度分析装置，其特征在于，所述浓度模型算法的运行包括：通过比较测量端和参比端的光强信号，得到两者之间的函数关系或曲线关系；以及结合朗伯比尔定律和补偿后的光强数据，计算出样气中目标待测气体的浓度。