專利名稱：光纖氣體化學傳感器的制作方法
技術領域：
本發明屬于光纖傳感器，是一種測定氣體含量的光纖傳感器。該傳感器尤其適用于二氧化硫氣體的測定。
二氧化硫是重要的大氣污染物，是造成當今酸雨嚴重的根本原因，為此，世界各國都十分重視二氧化硫的監測和治理。
二氧化硫主要來源于以煤、重油為燃料的各種工業鍋爐、室爐排放的煙道氣。監測這些工業鍋爐、窯爐煙道氣中的二氧化硫含量，是制定治理措施、調整控制工藝參數的基礎依據。目前，對于煙道氣中二氧化硫的監測手段有兩種一種是采用自動分析儀器監測。這種儀器雖然測量迅速準確，對于實際生產中控制指導意義也較大，但其不僅本身價格昂貴，而且還要求有復雜的采樣和樣品予處理系統與之配套，投資甚大;另一種是使用人工化學分析法監測。這種方法是先進行人工采樣，然后將樣品送交實驗室作具體的化學分析。很顯然，這種監測手段的缺點是工作量大，需耗費大量的時間和人力，且對實際生產控制的指導意義不大。
傳感器技術是現代自動監測技術發展的方向，但目前對于測定氣體含量性能好的傳感器為數甚少，尤其是光導纖維類的傳感器。經檢索，只有CA109141724V文摘中介紹了一篇JP62，209，357號公開專利。該專利涉及一種測定氨氣的光纖傳感器，它是一個兩端開口的中空管，管底端裝有一片透氣膜，管內裝有含PH指示劑的電解質溶液。氨氣通過透氣膜擴散溶入該溶液后，引起溶液PH改變，光纖傳輸PH變化信息作為氨含量的量度。因而該傳感器除了只適用于測定對其配套溶液PH有影響的氣體外，還有一個致命弱點，即敏感元件體系無選擇性，檢測時不能排斥有共存組份氣體中的干擾組份的影響，適用面窄，而且尤其不能作為煙道氣中二氧化硫的測定。因為工業上排放的含二氧化硫的煙道廢氣中，均含有二氧化碳，而且二氧化碳的濃度比二氧化硫的濃度大數十倍，檢測時，由二氧化碳引起的PH的改變將大大超過二氧化硫。嚴重干擾二氧化硫的測定。
鑒于已有技術存在的問題，本發明的任務是提供一種新型的光纖氣體化學傳感器。該傳感器結構簡單，價格低廉，使用方便，在測定二氧化硫氣體含量時，檢測靈敏、響應速度快，選擇性高，具有良好的重現性。
為了完成上述任務，本發明根據某些被測氣體參與化學反應后，體系能產生光學特性變化的性質，提出了這樣一種光纖氣體化學傳感器的技術解決方案該技術方案主要包括傳感器體、光導纖維和敏感元件。傳感器體內有圓柱形空腔，器壁一側開有進氣通道，進氣通道相鄰的另一側器壁上有一個光導纖維插入口，光導纖維插入口與器體內圓柱形空腔相通。在光導纖維插入口相對的空腔里裝有帶光線反射鏡的敏感元件，該敏感元件與被測氣體化學反應后能產生光學特性的變化。光導纖維采用“y”型雙枝光纖，裝在傳感器體的插入口中。
測定時，將傳感器置于測試區域，被測氣體立刻經進氣通道擴散進入傳感器體空腔內，與空腔內的敏感元件迅速反應，使敏感元件的光學特性發生變化，并通過其上的光線反射鏡將光學特性變化的信息反饋給光導纖維傳輸出去。根據體系吸光度變化與被測氣體之間的比例關系，即可得出被測氣體含量。
圖一是本發明的一個實施例-間歇測定式光纖氣體化學傳感器的剖面結構示意圖;
圖二是本發明的另一個實施例-連續測定式光纖氣體化學傳感器的剖面結構示意圖;
附圖一、二所揭示的兩種傳感器，當需測定不同種類的氣體時，只要更換合適的敏感元件，即可完成檢測傳感任務。
下面以測定二氧化硫氣體含量的傳感器為例，結合附圖用實施例對本發明作進一步說明。
實施例一本例是測定二氧化硫氣體含量的間歇式光纖化學傳感器，結構如圖一所示。它主要包括傳感器體(1)、光導纖維(2)和敏感元件(3)。傳感器體(1)由器體底蓋(4)和器體本體(5)構成，它們之間用螺紋連接。器體底蓋(4)中部有一個圓形凸臺，凸臺上開有凹槽(6)，凹槽(6)可為圓柱形，螺紋開在凸臺四周。檢測時，帶光線反射鏡的敏感元件(3)就置放在凹槽(6)中，不僅可使敏感元件(3)在水平方向上被相對固定，還因器體底蓋(4)可旋下，而使敏感元件(3)的換取十分方便。器體本體(5)內有一個一端開口的圓柱形空腔，空腔端口開有內螺紋與器體底蓋(4)連接。在器體底蓋(4)和器體本體(5)構成的傳感器體(1)內的空腔下半部器壁一側開有進氣通道(7)。進氣通道(7)上用螺紋連接了一個進氣短管(8)，短管(8)的端口上裝有能夠調節進氣量大小的孔蓋(9)，以適應測定不同濃度的二氧化硫和對響應速度要求不同的需要。該孔蓋(9)可做成孔徑大小不一的系列孔蓋，也可做成與照相機光圈結構相同的孔蓋。
在器體底蓋(4)凹槽(6)正對的上方壁，即進氣通道(7)相鄰的另一側器壁上開有一個有螺紋的光導纖維插入口(10)，“y”型雙枝光纖(2)可用一節端口帶螺紋的塑料管或金屬管套上，固定在其中。“y”型光纖一束為入射光纖，一束為檢測光纖。
敏感元件是由一個試劑皿(11)和盛放在其中的試劑組成。試劑皿(11)的外表面鍍有金屬膜，使試劑皿(11)同時又成為光線反射鏡。試劑根據二氧化硫的氧化還原反應可選用某些氧化還原指示劑，如麗絲胺綠
(Lissamine green
)，夜蘭(Night blue)，鄰菲啰啉(Phenanthlorine)絡合物，但其中以選用鄰菲啰啉的雙核絡合物〔Fe(Ⅲ)2(鄰菲啰啉)4(OH)2〕4+為最好。因為該試劑與二氧化硫氣體一作用，立刻被還原成鄰菲啰啉的單核絡合物〔Fe(Ⅱ)(鄰菲啰啉)3〕2+，這兩種絡合物，對于510nm的單色光說來，前者的吸光度很小，而后者的吸光度則很大，檢測靈敏度較之其它的指示劑高;其次，還由于鄰菲啰啉的雙核絡合物對混合氣體中的二氧化硫有極好的選擇性，可避免其它共存組份的干擾。
為了減少光線在傳感器內傳播的損失，提高檢測的準確性，在進氣通道(7)最高水平線以上、光導纖維插入口(10)下方的傳感器空腔內用螺紋壓緊環(14)支撐安放有一透鏡(12)。由于該透鏡(12)是雙凸透鏡，故在透鏡(12)的上方放有一墊圈(13)，以免鏡面直接與光導纖維端面接觸產生磨損，影響測定結果。
檢測時，首先將敏感元件(3)放入器體底座(4)的凹槽(6)中，旋入傳感器體(1)內;其次接通光源，使510nm的單色光通過入射光纖射在敏感元件(3)上。這時獲得一個吸光度;然后將傳感器放入監測區域，氣體立刻從孔蓋(9)的擴散口向傳感器體(1)中的空腔擴散，迅速與裸露在空腔內的敏感元件(3)中的試劑反應，使鄰菲啰啉的雙核絡合物被還原成單核絡合物，吸光度增加，敏感元件(3)上的光線反射鏡反射給檢測光纖的光量減少。由于二氧化硫的含量與生成的鄰菲啰啉的單核絡合物濃度有關系，進而也與吸光度有關系，故可根據吸光度的多少知道二氧化硫的含量。
間歇測定式光纖氣體化學傳感器主要用于每天測試次數不多又不需要連續監測的場合，其優點在于可以節省試劑。
實施例二本例是測定二氧化硫氣體含量的連續式光纖化學傳感器，結構如圖二所示。它主要包括傳感器體(1)、光導纖維(2)和敏感元件(3)。傳感器體(1)由反應器體(15)和傳感本體(16)兩部份構成。反應器體(15)內有一個空腔，該空腔的下壁為斜面，斜面底部器壁上有一個螺紋孔(17)。斜面上方的器壁上依次并排開有試劑入口(18)和氣體出口(19)。進氣通道(7)位于靠試劑入口(18)相鄰的另一側的器壁上，其上也與實施例一一樣用螺紋連接了一個進氣短管(8)，短管(8)的端口上裝有能調節進氣量大小的孔蓋(9)。孔蓋采用的結構方式和其作用與實施例一相同。
傳感本體(16)內有一個圓柱形空腔，空腔下壁是一個中空柱塞體(20)，該柱塞體內外表面均有螺紋，當與傳感本體(16)螺紋連接壓緊后，可使敏感元件檢測池定位。柱塞體(20)的內孔即為光導纖維插入口(10)。靠近柱塞體(20)的另一側器壁上有一螺紋孔(21)，該螺紋孔(21)與反應器體(15)空腔斜面底部上的螺紋孔(17)直徑相同，且在同一水平線上。反應器體(15)和傳感本體(16)通過這兩個螺紋孔(17、21)，用一個通孔連接螺釘(22)連接為一體。為了防止通孔連接螺釘(22)滑出，保證反應器體(15)和傳感本體(16)空腔連通，本例中傳感本體(16)上的螺紋孔(21)不是通孔，但在該螺紋孔(21)的底部開了一個同心小孔(31)。傳感本體(16)柱塞體(20)相對的空腔壁中部還開有一個廢液出口(23)。
敏感元件(3)是由檢測池和試劑組成。檢測池是一個底部有孔的圓管，外表面鍍有金屬膜，使該圓管同時又成為光線反射鏡。該圓管管口還有一圓形缺口，缺口與通孔連接螺釘(22)中的通孔用一節細管(32)經螺紋孔(21)底部的同心小孔(31)將其連通。本例的檢測池由三部份組成一個兩端開口的中空反射管(24)、帶凹球面的反射鏡(25)和一塊平面透鏡(26)。反射鏡(25)帶凹球面的一面和平面透鏡(26)分別粘接在中空反射管(24)兩端。反射鏡(25)凹球面底部有一通孔，當檢測池置放在傳感本體(16)的空腔時，該通孔與廢液出口(23)連通。試劑根據二氧化硫的氧化還原反應可選用某些氧化還原指示劑，這些指示劑參加反應后有光學特性變化，如麗絲胺綠 (Lissamine green )，夜蘭(Night blue)，鄰菲啰啉(Phenanthlorine)絡合物，其中以選用鄰菲啰啉的雙核絡合物〔Fe(Ⅲ)2(鄰菲啰啉)4(OH)2〕4+為最好。其原因與實施例一相同。試劑由安裝在試劑入口(18)上的試劑管流入，進入懸在反應器體(15)空腔內的界面反應器(27)與被測氣體反應。界面反應器(27)是由微孔材料制成封閉環狀管或長條管。微孔材料可用微孔陶瓷、玻璃纖維或濾紙，其中以微孔陶瓷制成的封閉圓環管為最好。
為了提高本例中傳感器的整體穩定性，在傳感器體(1)的下端裝有一個帶凹槽的支撐夾持件(28)，該支撐夾持件(28)將已由通孔連接螺釘(22)連為一體的反應器體(15)和傳感本體(16)又用鎖緊螺釘(29)固定在凹槽中。支持夾持件(28)凹槽底開有一個通孔，與傳感本體(16)上的光導纖維插入口(10)對應。“y”型雙枝光導纖維(2)可用一節端口帶螺紋的塑料管或金屬管套上，穿過凹槽底上的通孔，旋入固定在傳感本體(16)的光導纖維插入口(10)中。“y”型光纖一束為入射光纖，一束為檢測光纖。
此外，位于試劑入口(18)、氣體出口(19)和廢液出口(23)中的管道都分別用壓緊螺帽(30)固定在反應器體(15)和傳感本體(16)上，以增加其穩固性和密封性。
檢測時，首先接通光源，使510nm的單色光通過入射光纖射在敏感元件(3)的檢測池上，讓試劑從試劑入口(18)管中流入并充滿界面反應器(27)管后逐漸滲出，在重力作用下，順著界面反應器(27)向下滴在反應器體(15)空腔的斜面上，然后順斜面流向底部螺釘(22)的通孔中，經孔與連接細管(32)進入置放在傳感本體(16)空腔的檢測池中，這時獲得一個吸光度。然后將傳感器放入監測區域，氣體立刻從孔蓋(9)的擴散口向反應器體(15)中的空腔擴散，迅速與懸在空腔內的界面反應器(27)表面上的試劑反應，由于新鮮試劑的不斷滲出，反應后的生成物及未反應完的試劑混合物在重力作用下，也順著界面反應器(27)表面向下滴在反應器體(15)空腔的斜面上，然后順斜面經螺釘(22)通孔、細管(32)進入檢測池，這時，吸光度增加，檢測池反射給檢測光纖的光量減少。隨著新鮮試劑的不斷滲出和氣體的不斷擴散、反應，即可連續不斷地測定氣體中二氧化硫含量的變化。檢測后的廢液由檢測池底部的孔，從傳感本體(16)空腔壁上的廢液出口(23)管排出。未參加反應的氣體共存組份，如氧、氮、二氧化碳等可從反應器體(15)上的氣體出口(19)管排出。
為了節省試劑，新鮮試劑可控制以50μl/min的速體連續通過傳感器。
連續測定式光纖氣體化學傳感器主要用于生產過程自動控制的實時測量、連續測定。
本發明的實施例不限于以上兩種。
本發明與已有技術相比，具有以下一些優點
1.由于本發明采用的是現代傳感技術，較之復雜而價昂的二氧化硫自動分析儀來說，結構簡單，價格低廉，而且所需的配套儀器也很簡易，故可大大降低二氧化硫監測的設備費用。
2.本發明是光纖化學傳感器，不受任何外界電磁場的干擾，工作穩定性高。
3.在測定二氧化硫氣體含量時，檢測靈敏、響應速度快、選擇性高，具有良好的重現性，能滿足自動控制系統作一次信號源的要求。
4.使用方便，測試不需耗費大量時間和人力，還可根據實際生產控制的需要選擇間歇測定式或連續測定式，而且換取十分簡便。
5.適用面廣。不僅可用于煙道氣及其他體系的二氧化硫氣體監測，還可在選擇合適的敏感元件試劑條件下，用于能產生光學特性變化的其他氣體含量的測定。
6.本發明可根據需要，制成長度和直徑為20～40毫米的小型傳感器或制成長度和直徑為5～10毫米的微型傳感器，以滿足不同測試場合的要求。
權利要求
1.一種光纖氣體化學傳感器，包括傳感器體(1)、光導纖維(2)和敏感元件(3)，其特征在于傳感器體(1)內有圓柱形空腔，器壁一側開有進氣通道(7)，進氣通道(7)相鄰的另一側器壁上有一個光導纖維插入口(10)，光導纖維插入口(10)與器體內圓柱形空腔相通；在光導纖維插入口(10)相對的空腔里裝有帶光線反射鏡的敏感元件(3)，該敏感元件(3)與被測氣體化學反應后能產生光學特性變化；光導纖維(2)采用“y”型雙枝光纖，裝在傳感器體的插入口(10)中。
2.根據權利要求1所述的光纖氣體化學傳感器，其特征在于傳感器體(1)由器體底蓋(4)和器體本體(5)構成，它們之間用螺紋連接，器體底蓋(4)中部圓形凸臺上開有一個凹槽(6);傳感器器壁上的進氣通道(7)開在空腔下半部，其上用螺紋連接一進氣短管(8)，短管(8)的端口上裝有調節進氣量大小的孔蓋(9)。
3.根據權利要求1或2所述的光纖氣體化學傳感器，其特征在于敏感元件(3)由試劑皿(11)和盛裝在其中的試劑組成，試劑皿(11)的外表面鍍有金屬膜，試劑為能產生光學特性變化的氧化還原指示劑，如麗絲胺綠
、夜蘭、鄰菲啰啉絡合物等，其中以鄰菲啰啉的雙核絡合物為最好。
4.根據權利要求1或2所述的光纖氣體化學傳感器，其特征在于在進氣通道(7)最高水平線以上，光導纖維插入口(10)下方的傳感器空腔內安放有一透鏡(12)，該透鏡(12)用螺紋壓緊環(14)支撐緊固。
5.根據權利要求3所述的光纖氣體化學傳感器，其特征在于進氣通道(7)最高水平線以上，光導纖維插入口(10)下方的傳感器空腔內安放有一透鏡(12)，該透鏡(12)用螺紋壓緊環(14)緊固。
6.根據權利要求1所述的光纖氣體化學傳感器，其特殊在于傳感器器體(1)由反應器體(15)和傳感本體(16)構成。反應器體(15)內空腔下壁為斜面，斜面底部器壁上有一螺紋孔(17)，斜面上方器壁依次并排開有試劑入口(18)和氣體出口(19)，進氣通道(7)位于靠試劑入口(18)相鄰的另一側的器壁上，其上用螺紋連接一進氣短管(8)，短管(8)的端口上裝有調節進氣量大小的孔蓋(9);傳感本體(16)空腔下壁是一個中空柱塞體(20)，該柱塞體(20)內外表面均有螺紋，柱塞體(20)的內孔為光導纖維插入口(10)，靠近柱塞體(20)另一側的器壁上有一螺紋孔(21)與反應器體(15)內空腔斜面底部上的螺紋孔(17)直徑相同，且在同一水平線上，反應器體(15)和傳感本體(16)通過這兩個螺紋孔(17、21)，用一個通孔連接螺釘(22)連接，傳感本體柱塞體(20)相對的器壁中部還開有一廢液出口(23)。
7.根據權利要求6所述的光纖氣體化學傳感器，其特征在于敏感元件(3)由檢測池和試劑組成，檢測池是一個底部有孔的圓管，外表面鍍有金屬膜，管口有一圓形缺口，該缺口與傳感本體(16)內通孔連接螺釘(22)中的通孔連通;試劑為能產生光學特性變化的氧化還原指示劑，如麗絲胺綠
、夜蘭、鄰菲啰啉絡合物等，其中以鄰菲啰啉雙核絡合物為最好，它通過反應器體(15)上的試劑入口(18)進入界面反應器(27)與氣體反應。
8.根據權利要求7所述的光纖氣體化學傳感器，其特征在于檢測池可由兩端開口的中空反射管(24)、帶凹球面的反射鏡(25)和一塊平面透鏡(26)組成，反射鏡(25)凹球面底部上有一通孔，反射鏡(25)帶凹球面的一面和平面透鏡(26)分別粘接在中空反射管(24)兩端。
9.根據權利要求6或7或8所述的光纖氣體化學傳感器，其特征在于在傳感器體(1)的下端安有一帶凹槽的支撐夾持件(28)，將反應器體(15)和傳感本體(16)用鎖緊螺釘(29)固定在凹槽中，支撐夾持件(28)凹槽底部開有一個通孔，與傳感本體(16)上的光導纖維插入口(10)對應。
10.根據權利要求9所述的光纖氣體化學傳感器，其特征在于界面反應器(27)是由微孔材料制成的封閉環狀管或長條管。
全文摘要
光纖氣體化學傳感器是一種測定氣體含量的光纖化學傳感器，尤其適用于二氧化硫氣體的測定，它主要包括傳感器體、光導纖維和敏感元件。被測氣體擴散進入傳感器與敏感元件中的化學試劑進行化學反應后，敏感元件的光學特性發生變化，光導纖維傳輸變化量信息。本發明結構簡單、價格低廉、使用方便；在測定二氧化硫氣體時，檢測靈敏，響應速度快，選擇性高。不僅可用于煙道氣及其他體系的二氧化硫氣體監測，還可在選擇合適的敏感元件條件下，用于其他氣體含量的測定。
文檔編號G01D5/26GK1069575SQ9110727
公開日1993年3月3日 申請日期1991年8月20日 優先權日1991年8月20日
發明者金吉祥 申請人:成都科技大學