專利名稱：氣體濃度測量儀的制作方法
技術領域：
本發明屬于光學傳感技術領域，涉及一種氣體濃度測量儀。
背景技術：
無論是大氣污染(如N0、 N02、 S02等)還是人體健康診斷(02, C02， CO 等)，還是采礦安全(C0、 CH4等)都涉及到氣體含量及存在與否的測量問題， 特別是現代工業化帶來的全球臭氧層破壞、溫室效應、光化學煙霧等嚴重后果， 對國家發展和人類健康具有深遠的影響，環境領域的關鍵技術創新是《國家"十 一五"科學技術發展規劃》所提出的戰略目標之一，基本控制環境污染，初步 遏制生態惡化的趨勢是"十一五"期間國家對科技界的一個殷切希望。另外， 通過分析巖石圈、水圈和大氣圈中的氣體樣品，發現異常氣體，還可以達到礦 產勘察以及地球化學勘察的目的。如人們在金屬礦床上方發現0、 C02、 S02、 HS、 Rn和Hg蒸氣等氣體異常。另外，地震還會產生Hg蒸汽。
目前，氣體傳感的方法非常多，可大致分為物理和化學兩大類。物理的方 法可以通過電流、電導、超聲、光折射率、光強度等物理量的變化來檢測氣體 的成分及濃度；而化學的方法則是通過化學反應、電化學反映引起物理量的變 化(如溫度變化)來檢測的。在眾多的測量方法中，激光光譜法具有最高的靈 敏度，是目前研究的熱點。由于每一種氣體都有其特定的吸收波長，通過用不 同波長的激光就可以精確地確定氣體的種類及濃度。
不論何種氣體的實驗研究或在線檢測，都需要給予被測氣體一定的測量空 間，稱為氣室。 一般通用的氣室具有入氣口和出氣口，對于光學測量方法還應 包括通光窗口。隨著應用場合的不同，氣室的形狀也大不相同。
如申請專利號為CN200810246800. 6的發明專利，涉及一種多次反射氣室， 包括一個兩端通透的中空長方體光學池，兩通透端上分別固定連接一主反射鏡 板和一 1/2反射鏡板，與光學池一體的另兩側板上分別開設有一進光口和一與 其對應設置的出光口 ，光學池內的進光口和出光口處分別設置有一入射反射鏡 和一輸出反射鏡，且入射反射鏡和輸出反射鏡分別與進光、出光方向成45。角。 又如申請專利號為CN01808691.8的發明專利，設計的是用于C02的氣室，包括光源及光束接納單元，氣室形狀是橢圓，光源及光束接納單元分別放置于橢圓 的兩個焦點上。
氣體光譜檢測方法所用的氣室，主要特點在于必須有兩個通光窗口，雖然 激光光譜法靈敏度高，但被測氣體的主要吸收峰一般在中紅外或遠紅外波段， 其光源及探測器以及窗口透光材料都非常昂貴， 一般都采用氣體在近紅外或可 見波段的泛頻進行檢測，但其吸收系數顯著降低，為了彌補其不足，氣室要求 長度較長或具有多次反射的功能以增加光程，因此應用受到限制。
多次反射氣體池， 一般采用兩個具有楔角的反射平面，入射光經多次反射 后經耦合入光束接納單元中，通過調節楔角大小調節光的反射次數。或者采用
如專利CN200810246800. 6的方法。但多次反射氣室對于加工要求精度高，造價
昂貴，并且總的光程不易控制。
發明內容
本發明的目的是針對現有技術的不足，提供了一種氣體濃度測量儀。 本發明包括氣室、激光器、分路器、探測器、光纖準直器、廢氣處理器、 信號處理器和流量計。
氣室為圓柱形全封閉結構的玻璃氣室，氣室的內側壁鍍有全反膜，氣室的 頂蓋設置有進氣口，進氣閥門的一端與進氣口連接，進氣閥門的另一端與流量 計出口連接，流量計進口與氣瓶連接；氣室的底蓋設置有出氣口，出氣閥門的 一端與出氣口連接，出氣閥門的另一端與真空泵的進口連接，真空泵的出口與 廢棄處理器連接；
氣室內側壁上的全反膜沿氣室的軸向開有入射通光槽，與入射通光槽對應 的氣室外側壁上等距離設置多個入射光纖準直器，多個入射光纖準直器構成入 射光纖準直器陣列，每個入射光纖準直器的輸入端與分路器輸出端光連接，分 路器輸入端與激光器連接。
氣室內側壁上的全反膜開有出射通光槽，出射通光槽與入射通光槽在圓周 上相對應，出射通光槽為圓柱形全反膜上被兩平行平面所截形成的弧線槽，出 射通光槽的兩端與入射通光槽對應的兩端位于圓柱形全反膜的同一圓周；與出 射通光槽對應的氣室外側壁上等距離設置多個出射光纖準直器，多個出射光纖 準直器構成出射光纖準直器陣列，每個出射光纖準直器的輸出端與探測器輸入 端光連接，探測器輸出端與信號處理器連接。
所述的入射光纖準直器陣列中的入射光纖準直器與出射光纖準直器陣列中的出射光纖準直器個數相等，高度對應。本發明所具有的優點是
(1) 由于工業及化學中一般都用圓柱形結構作為各種容器或試管，因此本發明可以直接采取這些容器，只需增加入出氣口、通光槽，并進行相應的鍍膜即可，加工及結構簡單，成本低；
(2) 本發明的應用極為簡單，在工業圓周形玻璃通氣管道的內壁上，可以直接安裝鍍有全反膜的薄膜，而無需專門進行鍍膜，安裝及調試簡單；
(3) 本發明可以對圓柱的圓度要求不高，因為有許多光線輸出，利用多個輸出同時檢測的方法，完全可以將圓度帶來的誤差去除。
圖l為本發明的結構示意圖2圓柱壁反射光束在底面的投影圖。
具體實施例方式
如圖1所示，氣體濃度測量儀包括氣室11、激光器12、分路器13、探測器6、入射光纖準直器14、出射光纖準直器5、廢氣處理器8、信號處理器7和流量計2。
氣室11為圓柱形全封閉結構的玻璃氣室，氣室11的內側壁鍍有全反膜16;氣室的頂蓋設置有進氣口，進氣口通過進氣管路與氣瓶l連接，進氣管路上設置有流量計2和進氣閥門3;氣室ll的底蓋設置有出氣口，出氣口通過出氣管路與廢氣回收裝置8連接，出氣管路上設置有出氣閥門10和真空泵9;進氣口和出氣口處都安裝有密封墊以增加氣室的氣密性。
氣室11內側壁上的全反膜沿氣室11的軸向開有入射通光槽15，與入射通光槽15對應的氣室11外側壁上等距離設置八個入射光纖準直器14，八個入射光纖準直器14構成入射光纖準直器陣列，每個入射光纖準直器14的輸入端與分路器13輸出端光連接，分路器13輸入端與激光器12連接。該通光槽實際上是刮去內側壁上全反射膜形成的，以便激光透射進入氣室。
氣室ll內側壁上的全反膜開有出射通光槽4，出射通光槽4與入射通光槽15在圓周上相對應，出射通光槽4為圓柱形全反膜上被兩平行平面所截形成的弧線槽，出射通光槽4的兩端與入射通光槽15對應的兩端位于圓柱形全反膜的同一圓周。與出射通光槽4對應的氣室11外側壁上等距離設置八個出射光纖準直器5，八個出射光纖準直器5構成出射光纖準直器陣列，每個出射光纖準直器的輸出端與探測器6輸入端光連接，探測器6輸出端與信號處理器7連接。
入射光纖準直器陣列中的第一個入射光纖準直器14與出射光纖準直器中的第一個出射光纖準直器5處在同一高度，由于光纖準直器都是等距離排布，所以的入射光纖準直器14都與出射光纖準直器5 —一對應，且都處于同一高度上。
本發明中用于氣體濃度測量分析時，所依據的原理是
首先考慮光在圓周上反射的情況，當入射光束在圓周上的第一個反射點的角度為ft時(ft為第一個反射點的角度極坐標)，其后續的反射點的角度分別為(7t + 3G) 、 (2兀+ 5^)等等，因此第n個反射點的極坐標角度位置的為
^ =( -1> + (2 -1)^ (1)其中n為自然數。由公式(l),光在圓內的反射規律直接取決于入射角6，當(兀一2^)可以被27u整除時，光在圓內的反射將形成一個正多邊形；當(7i:—2(90可以被2tc除盡，但不能被整除時，光在圓內的反射將形成一個正多角形；除過上面兩種情況外，光將在圓內無窮次反射，而不會有一點重合。如果入射光束有一定的寬度，則所有反射位置都是一個有一定尺度的光斑，如果忽略光斑的高度，則所有反射點都為同樣寬度的光斑，光斑之間有一定的間隔相分離。利用公式(l)，可計算出相鄰點構成的圓內弦的方程為
f《+
/7COS
一0
=a
(2)
其中，p為圓的半徑，ft和汰分別為弦的兩個端點的極坐標角度位置，a為弦離圓點的距離，因此第n個反射點與第n+l個反射點之間的弦的方程為-
.(2w-l) r
/ cos
+ 2w《一P
每一條弦都是等長的，其長度為:
</ = -？
因此第n個反射點在圓柱內所走的光程為:
</ "(#i + l)=2( + lX// 2 - fl2 (5)
由公式(4)和(5)可知，在圓半徑確定的情況下，可以通過調節入射光的位置，即入射光在圓周上形成的弦離原點的距離來調節弦的長度，以及出射點的光程。若被測氣體的吸收截面為cr，濃度為C，若入射光強度為/。，當不考慮光
6第一次透射損耗、玻璃壁的吸收及折射等光損耗時，第n個反射點處的光強度
為
利用公式(6)，若測量得到第m個和第n個反射點(歷〈/7)處的光強A和
入則濃度C可以根據比色法算出
乙= [,。 exp(- oCV/ )]/[/。 exp(— oC《)] ,"、
由上面討論，由于2tt即360。的因子只有有限數目，它們是360、 180、 120、 90、 72、 60、 45、 40、 36、 30、 24、 20、 18、 15、 12、 10、 9、 8、 6、 5、 4、 3、 2、 1，而360、 180是沒有意義的，而被2tc除盡但不能整除的數也是有限的， 所以，前兩者情況只能得到有限的光程，如果在某一整除角度上(如30°)稍 微偏離一點(如偏離兀/100)，本來沒有偏差時，光在圓內反射是一個閉合的正 三角形，當有偏差時，光將在這三個標準反射點上，每次反射都偏差一個同樣 的角度(如t:/50)，這樣，在每個標準反射點周圍形成一系列的等角度差的反 射點，每個反射點經過的光程差具有確定的關系，利用這個特點，可以測量多 個點的輸出進行比較，可去除背景噪聲、光源波動等因素，提高信噪比和靈敏 度。
如果光在同一圓環內反射時，對第m反射點的測量必然會影響對第n個反 射點的測量。在此我們將采用多個平面光束同時測量的方法，將不同反射次數 的光在與圓柱底面平行的不同截面上反映出來，每一個光探測器接收的光信號 所經過的光程不同，但相互之間有某種確定的關系，由這些光電信號就可以計 算出氣室中氣體的濃度。
假設入射通光槽(對應于出射通光槽)相鄰光纖準直器之間的間距為L， 入射通光槽與出射通光槽之間的夾角為cp，若第一個反射點的角極坐標為6u e, 二兀/6+A，其中，A為一很小的偏差(例如兀/100)，則在每一層中，光的反射 為如圖2所示，有三個反射區，每一個反射區的相鄰反射點的光程差為3d，其 中d為第n個反射點與第n+l個反射點之間弦的長度，由公式(4)定義。每一 個反射區的相鄰反射點之間的弧長為pA，設第一個光探測器接收到的光信號在 氣室中所經過的光程為Z,，則第m個光探測器所接收到的光信號所在氣室中所經過的光程為:
<formula>formula see original document page 8</formula>
(9)
相鄰光探測器所接收到的信號森fl^^的光程差Z為
(10)<formula>formula see original document page 8</formula>
假設氣室壁對光的反射系數為Y，由公式(6),第m個光探測器接收的光 強L為，其中L。為入射光纖準直器中發出的光強
<formula>formula see original document page 8</formula>(11)
其中，f(m)為m的函數，T為未鍍全反射模的圓柱壁對光的透射系數，
々
P光探測器光強之比可W<formula>formula see original document page 8</formula>
由公式(4)和(11)，相鄰光探測器所接收到的光信號在氣室中反射次數
"/(挑+ 1)-/(附)+ ^^ (13)
的差為 則公式(12)可以改寫為
(14)<formula>formula see original document page 8</formula>
上式兩邊取對數，則可以得到氣體的濃度為<formula>formula see original document page 8</formula>
由于光在圓周上反射，其入射角和反射角相等，因此不同探; 號通過圓柱時的透射系數T應當相等，因此，上式可以簡化為
<formula>formula see original document page 8</formula>l器接收的光信
(16)
權利要求
1、氣體濃度測量儀，包括氣室、激光器、分路器、探測器、光纖準直器、廢氣處理器、信號處理器和流量計，其特征在于氣室為圓柱形全封閉結構的玻璃氣室，氣室的內側壁鍍有全反膜，氣室的頂蓋設置有進氣口，進氣閥門的一端與進氣口連接，進氣閥門的另一端與流量計出口連接，流量計進口與氣瓶連接；氣室的底蓋設置有出氣口，出氣閥門的一端與出氣口連接，出氣閥門的另一端與真空泵的進口連接，真空泵的出口與廢棄處理器連接；氣室內側壁上的全反膜沿氣室的軸向開有入射通光槽，與入射通光槽對應的氣室外側壁上等距離設置多個入射光纖準直器，多個入射光纖準直器構成入射光纖準直器陣列，每個入射光纖準直器的輸入端與分路器輸出端光連接，分路器輸入端與激光器連接；氣室內側壁上的全反膜開有出射通光槽，出射通光槽與入射通光槽在圓周上相對應，出射通光槽為圓柱形全反膜上被兩平行平面所截形成的弧線槽，出射通光槽的兩端與入射通光槽對應的兩端位于圓柱形全反膜的同一圓周；與出射通光槽對應的氣室外側壁上等距離設置多個出射光纖準直器，多個出射光纖準直器構成出射光纖準直器陣列，每個出射光纖準直器的輸出端與探測器輸入端光連接，探測器輸出端與信號處理器連接；所述的入射光纖準直器陣列中的入射光纖準直器與出射光纖準直器陣列中的出射光纖準直器個數相等，高度對應。
全文摘要
本發明涉及一種氣體濃度測量儀。現有的氣室長度較長或加工要求精度高、造價昂貴、光程不易控制。本發明包括氣室。氣室的內側壁鍍有全反膜，氣室頂蓋和底蓋分別設有進、出氣口，進氣口依次連有進氣閥門、流量計和氣瓶；出氣口依次連有出氣閥門、真空泵和與廢棄處理器；全反膜沿氣室的軸向開有入射通光槽，與入射通光槽對應的氣室外側壁上等距離設置多個入射光纖準直器，全反膜開有出射通光槽，出射通光槽與入射通光槽在圓周上相對應，與出射通光槽對應的氣室外側壁上等距離設置多個出射光纖準直器，每個出射光纖準直器的輸出端與探測器輸入端光連接，探測器輸出端與信號處理器連接。本發明裝置加工簡單、成本低，信噪比和檢測靈敏度高。
文檔編號G01N21/17GK101672769SQ20091015352
公開日2010年3月17日 申請日期2009年9月30日 優先權日2009年9月30日
發明者王斌浩, 瑞小川, 閻春生 申請人:浙江大學