專利名稱：一種氣體濃度檢測儀及其氣體吸收室的制作方法
技術領域：
本發明涉及光電檢測領域，特別涉及ー種氣體濃度檢測儀及其氣體吸收室。
背景技術：
隨著經濟的飛速發展，人們的生活不斷改善的同時，環境污染也已經成為現代社會面臨的重大問題之一。其中，大氣污染尤為嚴重，隨著大氣中的污染物不斷增加，對自然環境和人體健康造成了很大的破壞性。因此，為了防止大氣污染的加劇，必須對大氣中污染物成分及含量進行檢測，現以檢測大氣中汞的含量為例來闡述具體的檢測方法和裝置。汞是大氣中危害健康的污染物之一，其主要來源包括自然過程和人為因素，如火山爆發、土壤排放、礦石燃料的燃燒、汞冶煉和電器エ業中的使用汞等。在中國，燃煤電廠成為最大汞排放污染源之一，因此必須對汞排放量進行監測，尤其是煙氣中汞的含量。在現有 的各種測汞的方法中，比較常用的是冷原子吸收光譜法。冷原子吸收光譜法是基于汞在常溫下以原子態汞存在，而原子態汞又易蒸發，汞蒸氣對253. 7nm波長有特征吸收等特點，根據朗伯-比爾定律建立起來。目前，主要采用單光程氣體吸收室的測汞儀，其典型結構如圖I所示，發射253. 7nm譜線的汞燈01置于氣體吸收室02的一端，光電檢測器03置于其另一端，進入吸收室的氣體樣品，如含有微跡的汞，則通過吸收室的光線會因部分被汞吸收而減弱，最后光電檢測器根據光線減弱的程度可以測出氣體中的汞含量。為了提高測汞儀氣體吸收室內氣體的置換率，其體積不宜過大，因此，汞吸收光程長受儀器體積的限制，通常不超過35cm。根據朗伯-比爾定律氣體吸收室的吸光度和其光程長成正比，因此，上述結構測汞儀光程短、吸光度弱的缺點，從而影響了其檢測靈敏度和最低檢測極限。為了增大測汞儀氣體吸收室有限空間內的吸光度，人們發明了懷特氣體吸收室，其光學系統的結構如圖2所不，將三個曲率相同的凹面鏡相向安裝于氣體吸收室內，次凹面鏡A和次凹面鏡B的球心位于主凹面鏡O的球面上，主凹面鏡O的球心位于兩個次凹面鏡所在的球面內，且次凹面鏡A和次凹面鏡B的球心相對于主凹面鏡的主軸左右對稱。光源經由位于氣體吸收室一端面的入射ロ射入，根據幾何光學原理，該光束在三個凹面鏡之間多次反射，最后由與入射ロ平行且位于同側的出射ロ射出并進入光電檢測器。在此過程中，被測氣體經由位于氣體吸收室側面的進氣ロ進入，然后吸收多次反射的光束，最終由位于進氣ロ相對側的出氣ロ排出。由圖可知，本方案通過上述結構達到了光線在氣體吸收室內多次反射增長光程的目的。但是，由于本方案采用同軸反射的方式，即由入射ロ射入的光束的入射方向位于三個凹面鏡球心所在平面內，由幾何光學原理可知，各次反射的光線都位于同一平面內，該光束反射后在主凹面鏡上形成的光斑示意圖請參見圖3。因此，這種結構的氣體吸收室存在因空間利用率差而造成反射次數少，光程短的問題。有鑒于此，亟待針對現有測汞儀的結構優化設計，以解決現有技術中懷特氣體吸收室存在因空間利用率差而造成反射次數少，光程短的問題，從而提高測汞儀的吸光度，進而提高其檢測的靈敏度，降低其最低檢測極限。
發明內容
針對上述缺陷，本發明的目的在于提供一種長光程的氣體吸收室，以解決現有技術中懷特氣體吸收室因空間利用率低而造成反射次數少，光程短的問題，從而提高氣體吸收室的吸光度，進而提高其檢測的靈敏度，降低其最低檢測極限。本發明提供的氣體吸收室，包括箱體，開設有入射ロ、出射ロ、進氣口和排氣ロ ；光學系統，具體包括三個曲率半徑相同的凹面鏡，主凹面鏡固定于所述箱體內，兩個次凹面鏡固定于所述箱體內與所述主凹面鏡相對側，且兩個所述次凹面鏡的球面分別與所述主凹面鏡的球面相向；并配置成兩個所述次凹面鏡的球心位于所述主凹面鏡的球面上，且相對于所述主凹面鏡的主軸左右對稱；所述入射口和所述出射ロ，設置于所述箱體上靠近所述主凹面鏡的ー側，且兩者 相對于所述主凹面鏡的主軸左右對稱布置；所述進氣口和所述排氣ロ，設置于箱體上三個所述凹面鏡的球心所在平面內；所述主凹面鏡的主軸與所述入射口和所述出射ロ所在平面平行。優選地，所述主凹面鏡的兩端相對于其主軸左右對稱設有兩個開ロ，所述入射ロ和所述出射ロ分別與兩個所述開ロ相對設置。優選地，三個所述凹面鏡的鏡面均設置有窄帶介質膜。優選地，所述進氣口和所述排氣ロ左右對稱設置于所述箱體上，且所述進氣ロ靠近所述主凹面鏡，所述排氣ロ靠近ー個所述次凹面鏡。本發明還提供ー種氣體濃度檢測儀，包括氣體吸收室，用于存放被測氣體物質；單波長光源，置于所述入射ロ ；光電檢測器，置于所述出射ロ ；所述氣體吸收室具體為上述的氣體吸收室。優選地，所述凹面鏡具體為在波長為253. 7nm處的鍍介質膜，所述光源具體為紫外線，以檢測汞的含量。優選地，所述凹面鏡具體為在波長為760nm處的鍍介質膜，所述光源具體為近紅外激光光源，以檢測氧氣的含量。優選地，所述凹面鏡具體為在波長為1531nm處的鍍介質膜，所述光源具體為近紅外激光光源，以檢測氨氣的含量。優選地，所述凹面鏡具體為在波長為1653. 7nm處的鍍介質膜，所述光源具體為近紅外激光光源，以檢測甲烷的含量。本發明提供ー種氣體吸收室，包括箱體和光學系統，其中，光學系統具體包括三個曲率半徑相同的凹面鏡，主凹面鏡固定于箱體內，兩個次凹面鏡固定于箱體內與主凹面鏡相對側，且兩個次凹面鏡的球面分別于主凹面鏡的球面相向。此外，兩個次凹面鏡的球心位于主凹面鏡的球面上，且相對于主凹面鏡的主軸左右對稱。另外，在箱體靠近主凹面鏡的ー側設置了入射口和出射ロ，且兩者相對于主凹面鏡的主軸左右對稱，并且，在箱體上三個凹面鏡的球心所在的平面內設置了進氣口和排氣ロ，其中，主凹面鏡的主軸與入射口和出射ロ所在的平面平行。
本發明中主凹面鏡的主軸與箱體上入射口和出射ロ所在平面平行，因此當光束由入射ロ射入氣體吸收室后，根據幾何光學，反射光線將會相對于三個凹面鏡球心所在平面對稱反射，在主凹面鏡上將會形成兩組相對于兩個次凹面鏡球心連線左右対稱的光斑，因此，較之于現有技術，采用本發明的結構后，氣體吸收室的光程長增加了一倍，從而增加了其吸光度，進而提高了測汞儀的檢測靈敏度，降低了其最低檢測極限。本方案的一個優選方案中，本發明中的主凹面鏡的兩端相對于其主軸左右對稱設置了兩個開ロ，箱體上的入射口和出射ロ分別與兩個開ロ對應設置。通常為了増大測汞儀的氣體置換率，使其體積盡可能的小，因此本方案的主凹面鏡通過采用獨特的階梯型結構設計，有效地利用了箱體內空間，在増加光程的同時減小了箱體的體積。本發明的又一優選方案中，光學系統的三個凹面鏡均涂有窄帶介質膜，可以大大提高反射次數的限值。比如，測汞儀中采用的傳統的鍍紫外鋁反射鏡，反射率為70%左右，而在波長為253. 7nm處的鍍介質膜的反射率可以在9 9. 5%以上，經生產實驗數據表明，在相同的紫外線入射光強下，發射次數的最大限值可提高71倍。
圖I示出了單光程測汞儀的結構示意圖；圖2示出了懷特氣體吸收室中光學系統的反射原理示意圖；圖3示出了圖2中光學系統中主凹面鏡光斑分布示意圖；圖4示出了具體實施方式
中氣體吸收室的結構示意圖；圖5不出了圖4中光學系統的反射原理不意圖；圖6不出了圖5所不光學系統中主凹面鏡的光斑分布不意圖；圖7不出了圖5中所不光學系統中兩個次凹面鏡的光斑分布不意圖；圖8示出了圖5中所示光學系統中主凹面鏡的主視圖；圖9示出了圖5中所示光學系統中主凹面鏡的俯視圖。圖中I主凹面鏡、11主軸、12第一開ロ、13第二開ロ、14球心、2第一次凹面鏡、21球心、3第二次凹面鏡、31球心、4箱體、41入射ロ、42出射ロ、43進氣ロ、44出氣ロ。
具體實施例方式本發明的核心是提供一種氣體吸收室，以解決現有技術中懷特氣體吸收室中光學系統中凹面鏡空間利用率低而導致的光程短的問題，從而通過增長其內光學系統反射光程、增多反射次數的方式，最終實現提高測汞儀檢測靈敏度和降低其檢測極限的目的。不失一般性，下面結合說明書附圖以測汞用的氣體吸收室為例進行詳細說明。請參見圖4、圖5、圖6和圖7，其中，圖4示出了具體實施方式
中氣體吸收室的結構示意圖，圖5示出了圖4中光學系統的反射原理示意圖，圖6示出了圖5所示光學系統中主凹面鏡的光斑分布不意圖，圖7不出了圖5中所不光學系統中兩個次凹面鏡的光斑分布不意圖。如圖4所示，本方案中的氣體吸收室包括光學系統及容置該光學系統的箱體4，該箱體上開設有導通光源的入射ロ 41和出射ロ 42，以及輸送被測氣體的進氣ロ 43和排氣ロ 44。其光學系統具體包括三個曲率半徑相同的凹面鏡，主凹面鏡I固定于箱體4的左側壁上，第一次凹面鏡2和第二次凹面鏡3固定于箱體4內與主凹面鏡I相對側壁上，且兩者的球面分別與主凹面鏡的球面相向設置；并配置成第一次凹面鏡2和第二次凹面鏡3的球心21和31位于主凹面鏡I的球面上，且相對于主凹面鏡I的主軸45左右對稱。進氣ロ43和排氣ロ 44，設置于箱體上三個凹面鏡的球心14、21和31所在平面內，且兩者相對于主凹面鏡I的主軸11左右對稱布置。其中，主凹面鏡的主軸11與入射ロ 41和出射ロ 42所在平面平行。如圖5所示，當光斑①由入射ロ射入氣體吸收室后，通過入射光路I’凹面鏡2上形成光斑②，根據幾何光學入射角等于反射角的反射原理，光斑②通過反射光路2’射至主凹面鏡I上形成光斑③，光斑③再由主凹面鏡反射通過反射光路3’形成在第二次凹面鏡3上形成光斑④，光斑④由第二次凹面鏡3經由反射光路4’反射至主凹面鏡I形成光斑⑤，光斑⑤經反射光路5’由主凹面鏡I反射至第一次凹面鏡2上形成光斑⑥，同理，根據幾何光學，經由反射光路6’、7’和8’將形成光斑⑦、⑧和⑨。經過多次反射后入射光線最終從出射ロ 42射入光電檢測器，在主凹面鏡I上形成了如圖6所示的兩層反射光斑。在此過程 中，由進氣ロ 43進入氣體吸收室的被測氣體吸收多次反射的光束，使射出光線光強減弱，被測氣體最后經由排氣ロ流出，光學檢測器根據入射光束和出射光束光強的變化來測定被測氣體中被測物質的含量。采用本發明的結構后，入射光線在光學系統內反射過程中在主凹面鏡I上形成雙層光斑，比相同尺寸方式下的傳統氣體吸收室反射次數増加了一倍，從而提高了其吸光度，進而提高了測汞儀的檢測靈敏度，降低了其最低檢測極限。進ー步，請參見圖8和圖9，其中，圖8示出了圖5中所示光學系統中主凹面鏡的主視圖，圖9示出了圖5中所示光學系統中主凹面鏡的俯視圖。本方案中的主凹面鏡I的基本形狀具體為矩形，其兩端相對于主軸11左右對稱開設有第一開ロ 12和第二開ロ 13，且分別于開設于箱體上的入射ロ 41和出射ロ 42相對設置，這種設計在限制箱體體積的同時避免了裝配過程中主凹面鏡I和入射ロ的位置干渉，從而增大了氣體吸收室的被測氣體置換率，進而提高測汞儀的檢測靈敏度，降低其最低檢測極限。當然，本發明中氣體吸收室中主凹面鏡的基本形狀除了矩形外，還可以為圓形和正方形等形狀，在此基礎上設計為階梯狀，同樣能達到本方案中所述的技術效果。另外，本方案中為了能盡可能多次的反射入射光束，以提高檢測結果的準確性，氣體吸收室的三個凹面鏡的鏡面上均設置有窄帶介質膜。傳統測汞儀的氣體吸收室中光學系統采用的凹面鏡是鍍紫外鋁反射膜，經生產實驗數據表明，這種鍍膜方式的反射率較低，基本在70%左右，因此造成大量的光強損失，也限制了最高的反射次數。而本方案中采用的在波長為253. 7nm處設置窄帶介質膜的凹面鏡，其反射率可達99. 5%以上。因此，與傳統凹面鏡相比，在相同的紫外線入射光強下，設有窄帶介質膜的凹面鏡反射次數的最大限值可提高71倍。顯然，本方案中通過采用窄帶介質膜進一步的增長了氣體吸收室光程長，從而大大提高了檢測系統的靈敏度，降低了最低檢測極限，最終提高檢測結果的準確性。當然，本方案中的凹面鏡上設置窄帶介質膜的エ藝，除了電鍍、涂抹和熱壓之外，還可以才本領域內技術人員公知的任何其他的エ藝方式。另外，如圖4所示，本方案中的進氣ロ 43和排氣ロ 44相對于主凹面鏡I的主軸11左右對稱設置于箱體4上主凹面鏡I和兩個次凹面鏡之間，且進氣ロ 43靠近主凹面鏡1，排氣ロ 44靠近第二次凹面鏡3。這樣，在檢測過程中，被測氣體由進氣ロ流入氣體吸收室后充分吸收反射光線后，再經由排氣ロ排出箱體4，從而提高了測量結構的準確性。當然，保證其功能的基礎上，該進氣口和排氣ロ也可以設置在其他位置。基于上述長光程氣體吸收室，本發明還提供ー種氣體濃度檢測儀，包括用于存放被測氣體的氣體吸收室、置于氣體吸收室箱體上入射ロ處的單波長光源和置于出射ロ的光電檢測器(圖中未示出)。檢測過程中，單波長光源經由入射ロ射入氣體吸收室內，再經由光學系統內的三個凹面鏡多次反射后，最后由出射ロ射出再進入光電檢測器中進行處理。此過程中，由進氣ロ流入的被測氣體吸收經由光學系統內凹面鏡多次反射的光束，最后經由排氣ロ流出。實際檢測時，該氣體濃度檢測儀通過檢測由入射ロ射入光束和由出射ロ射出光束的光強變化，從而得出被測物質的濃度。需要說明的是，構成該氣體濃度檢測儀的氣體吸收室、光源和光電檢測器的功能及三者之間的位置關系與現有技術基本相同，本領域 的技術人員基于現有技術完全可以實現，故本文不再贅述。本方案中所述氣體濃度檢測儀，依據被測物質的特性，來確定具體所采用的光源以及光學系統中凹面鏡的鍍介質膜。通過以下幾個具體物質濃度檢測儀實施例來說明，例如I.檢測氧氣含量吋，所采用光源具體為近紅外激光光源，而凹面鏡具體為在波長760nm處鍍介質膜；2.檢測氨氣含量吋，所采用光源具體為近紅外激光光源，而凹面鏡具體為在波長153 Inm處鍍介質膜；3.檢測甲烷含量吋，所采用光源具體為近紅外激光光源，而凹面鏡具體為在波長1653. Ixm處鍍介質膜。以上所述僅為本發明的優選實施方式，并不構成對本發明保護范圍的限定。任何在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的權利要求保護范圍之內。
權利要求
1.一種氣體吸收室，包括 箱體，開設有入射口、出射口、進氣口和排氣口 ； 光學系統，具體包括三個曲率半徑相同的凹面鏡，主凹面鏡固定于所述箱體內，兩個次凹面鏡固定于所述箱體內與所述主凹面鏡相對側，且兩個所述次凹面鏡的球面分別與所述主凹面鏡的球面相向；并配置成兩個所述次凹面鏡的球心位于所述主凹面鏡的球面上，且相對于所述主凹面鏡的主軸左右對稱； 所述入射口和所述出射口，設置于所述箱體上靠近所述主凹面鏡的一側，且兩者相對于所述主凹面鏡的主軸左右對稱布置； 所述進氣口和所述排氣口，設置于箱體上三個所述凹面鏡的球心所在平面內；其特征在于，所述主凹面鏡的主軸與所述入射口和所述出射口所在平面平行。
2.根據權利要求I所述的氣體吸收室，其特征在于，所述主凹面鏡的兩端相對于其主軸左右對稱設有兩個開口，所述入射口和所述出射口分別與兩個所述開口相對設置。
3.根據權利要求2所述的氣體吸收室，其特征在于，三個所述凹面鏡的鏡面均設置有窄帶介質膜。
4.根據權利要求I至3中任一項所述的氣體吸收室，其特征在于，所述進氣口和所述排氣口相對于所述主凹面鏡主軸左右對稱設置于所述箱體上，且所述進氣口靠近所述主凹面鏡，所述排氣口靠近一個所述次凹面鏡。
5.一種氣體濃度檢測儀，包括 氣體吸收室,用于存放被測氣體物質； 單波長光源，置于所述入射口 ； 光電檢測器，置于所述出射口 ；其特征在于，所述氣體吸收室具體為如權利要求1-4中任一項所述的氣體吸收室。
6.根據權利要求5所述的氣體濃度檢測儀，其特征在于，所述凹面鏡具體為在波長為.253. 7nm處的鍍介質膜，所述光源具體為紫外線，以檢測汞的含量。
7.根據權利要求5所述的氣體濃度檢測儀，其特征在于，所述凹面鏡具體為在波長為.760nm處的鍍介質膜，所述光源具體為近紅外激光光源，以檢測氧氣的含量。
8.根據權利要求5所述的氣體濃度檢測儀，其特征在于，所述凹面鏡具體為在波長為.1531nm處的鍍介質膜，所述光源具體為近紅外激光光源，以檢測氨氣的含量。
9.根據權利要求5所述的氣體濃度檢測儀，其特征在于，所述凹面鏡具體為在波長為.1653. 7nm處的鍍介質膜，所述光源具體為近紅外激光光源，以檢測甲烷的含量。
全文摘要
本發明公開一種氣體吸收室，包括箱體和三個曲率半徑相同的凹面鏡，其中，主凹面鏡固定于箱體內，兩個次凹面鏡固定于箱體內與主凹面鏡相對側，且兩個次凹面鏡的球面分別于主凹面鏡的球面相向，兩個次凹面鏡的球心位于主凹面鏡的球面上，且相對于主凹面鏡的主軸左右對稱。此外，在箱體靠近主凹面鏡的一側設置了入射口和出射口，且兩者相對于主凹面鏡的主軸左右對稱，并且，在箱體上三個凹面鏡的球心所在的平面內設置了進氣口和排氣口，其中，主凹面鏡的主軸與入射口和出射口所在的平面平行。較之于現有技術，采用本發明提供的氣體吸收室后，相對于單光程氣室其有效光程可以增加數十倍，相對于傳統的懷特氣體吸收室其有效光程也可增加一倍。
文檔編號G01N21/35GK102809534SQ20121028447
公開日2012年12月5日 申請日期2012年8月6日 優先權日2012年8月6日
發明者崔厚欣, 敖小強 申請人:北京雪迪龍科技股份有限公司