一種氣體濃度檢測裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及氣體濃度檢測技術領域，具體設及一種氣體濃度檢測裝置及方法。
【背景技術】
[0002] 現今，利用非分散紅外光譜技術，即紅外吸收法，可實現對氣體濃度的檢測。
[0003] 因為，依據朗伯一比爾定律，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，數學表達式為：
[0004]
陽0化]其中，A為吸光度；I。為入射光強度；I為通過待檢測氣體后的透射光強度；a為吸 收系數；b為氣室的長度，為常數；C為氣體的濃度。
[0006] 現有技術的紅外氣體檢測裝置原理框圖如圖1所示，結構示意圖如圖2所示，包 括：紅外光源1、紅外池2、濾光片3、檢測器4、第一光窗5、第二光窗6、進氣口 7和出氣口 8,其中紅外池2內壁鍛金，內部充滿有待檢測氣體。當紅外光源1發出的紅外光通過紅外 池2時，一部分能量被氣體中的氣體分子如5〇2、0)2、^、側2、邸4等吸收，光的強度會有所減 弱，由于氣體分子只吸收特定波長的紅外光，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W外的光量后，將剩余的紅外光量送入檢測器4,檢測器4將 根據特定波長的紅外光光量的強弱變化轉換為電信號，計算出待檢測氣體的吸光度，由于 待檢測氣體的吸光度與該氣體的濃度成正比，只要測定吸光度就可W確定待檢測氣體的濃 度。
[0007] 如圖3所示，現有技術另一實施例的非分光紅外氣體檢測器，包括：紅外光源1、鍛 膜氣室2、紅外傳感器3、傳感器測控系統4。因為紅外光源1為非激光光源，其發散角一般 都較大，能直達紅外傳感器3的信號強度較小，必須經鍛膜氣室2的反光膜多次反射后才能 有足夠強度的信號到達紅外傳感器3,鍛膜氣室2是典型的漫反射紅外池。
[0008] 圖3所示的裝置，需要在氣室內鍛反光膜，一般為鍛金，來達到對紅外光高反射的 效果，W使紅外光能夠順利到達檢測器。氣室內壁一旦受到顆粒附著污染，就會導致反射率 減小、檢測器信號下降。
[0009] 如圖4所示，現有技術另一實施例的紅外氣體檢測器，包括：紅外光源1、反射體2、 同步馬達3、切光器4、樣氣室5、前吸收室6、后吸收室7、毛細管8、半導體傳感器9、濾光片 10,其中紅外光源1為發熱燈絲。由于紅外光源1為發熱燈絲，所發出的光很發散，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中各處光強均勻一致。
[0010] 圖4所示的裝置，也需要在氣室內鍛反光膜，使紅外光的光程增加，進而引起氣壓 變化。氣室內壁一旦受到污染，就會導致信號下降。
[0011] 可見，現有技術中容納待檢測氣體的氣室為漫反射型紅外池，因為各氣體吸收的 預設波長多在1. 5μm~15μm波段，屬中遠紅外波段，此波段的激光器種類少而且價格昂 貴，而常用的光源都是發散角度較大的熱光源，產生的紅外線經對紅外光高反射率的內壁 鍛金的紅外池多次反射，最后到達檢測器。由于待檢測氣體如S02、C02、N0、N02、CH4等，一般 由燃料如煤炭或石油的燃燒產生，燃燒生成或產生多種固體顆粒，雖經過濾裝置仍難W完 全清除，時間一長則會附著在鍛金層表面，隨時間積累，會吸收射到內壁上的部分紅外線， 使反射率下降，表現為儀器檢測器收到的信號強度逐漸下降，即產生信號漂移，此時再用現 有技術的氣體濃度檢測裝置檢測氣體濃度，精確度不高。
【發明內容】
[0012] 本發明所要解決的技術問題是，如何降低甚至避免受紅外池內壁反射率變化的影 響，提高氣體濃度檢測的精確度。
[0013] 針對上述問題，本發明提出了一種氣體濃度檢測裝置，包括：
[0014] 光源，用于發出紅外光；
[0015] 第一光學元件，位于所述光源的出光側，用于縮小紅外光的發散角；
[0016] 紅外池，位于所述第一光學元件的出光側，內部充滿待檢測氣體，用于吸收紅外光 中波長等于預設波長的光；
[0017] 濾光片，位于所述紅外池的出光側，用于吸收紅外光中波長不等于預設波長的 光；
[0018] 檢測器，位于所述濾光片的出光側，用于檢測剩余的紅外光中波長等于預設波長 的紅外光光量，并根據所述光量計算待檢測氣體的濃度。
[0019] 優選地，所述裝置還包括：
[0020] 第二光學元件，設置在所述紅外池與濾光片之間，用于對射出所述紅外池的紅外 光進行匯聚。
[0021] 優選地，所述紅外池內壁涂覆有吸光物質，用于吸收照射到內壁上的紅外光W及 外部環境入射到所述紅外池中的光。
[0022] 優選地，第一光學元件縮小所述紅外光的發散角，W使所述紅外光的光束趨于平 行。
[0023] 優選地，所述第一光學元件包括1個或多個平凸透鏡透鏡或菲涅爾透鏡。
[0024] 優選地，所述第二光學元件包括1個或多個聚光杯或聚光錐。
[00巧]優選地，所述紅外池上設置有進氣口，用于導入待檢測氣體；出氣口，用于導出待 檢測氣體。
[00%] 優選地，所述紅外池上還設置有第一光窗，用于透射射入所述紅外池的紅外光；第 二光窗，用于透射通過待檢測氣體后的紅外光。
[0027]另外，本發明還提供了一種基于上述裝置的氣體濃度檢測方法，包括：
[0028]S1、縮小光源發出的紅外光的發射角，W使所述紅外光的光束趨于平行；
[0029]S2、待檢測氣體吸收所述紅外光中波長等于預設波長的光；
[0030]S3、濾波片吸收所述紅外光中波長不等于預設波長的光；
[0031]S4、檢測剩余的紅外光中波長等于預設波長的紅外光光量，并根據所述光量計算 待檢測氣體的濃度。
[0032] 優選地，在所述步驟S3之前還包括：
[0033] 對通過待檢測氣體后的紅外光進行匯聚，W使所述紅外光光信號強度增強。
[0034] 根據上述技術方案，通過縮小紅外光的發散角，使紅外光被檢測器接收前不在紅 外池內壁發生漫反射，相比現有技術，降低甚至避免了受紅外池內壁反射率變化的影響，相 對提高了氣體濃度檢測的精確度。
【附圖說明】
[0035] 圖1為本發明【背景技術】提供的一種紅外氣體檢測裝置原理框圖；
[0036] 圖2為本發明【背景技術】提供的一種紅外氣體檢測裝置結構示意圖；
[0037] 圖3為本發明【背景技術】提供的一種非分光紅外氣體檢測器結構示意圖；
[0038] 圖4為本發明【背景技術】提供的一種紅外氣體檢測器結構示意圖；
[0039]圖5為本發明一實施例提供的一種氣體濃度檢測裝置原理框圖；
[0040] 圖6為本發明另一實施例提供的一種氣體濃度檢測裝置原理框圖；
[0041]圖7為本發明一實施例提供的一種氣體濃度檢測裝置結構示意圖；
[0042] 圖8為本發明另一實施例提供的一種氣體濃度檢測裝置結構示意圖；
[0043]圖9為本發明另一實施例提供的一種氣體濃度檢測裝置結構示意圖；
[0044] 圖10為本發明一實施例提供的一種氣體濃度檢測方法流程示意圖。
【具體實施方式】
[0045] 為了能夠更清楚地理解本發明的上述目的、特征和優點，下面結合附圖和具體實 施方式對本發明進行進一步的詳細描述。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請的實施 例及實施例中的特征可W相互組合。
[0046] 在下面的描述中闡述了很多具體細節W便于充分理解本發明，但是，本發明還可 W采用其他不同于在此描述的其他方式來實施，因此，本發明的保護范圍并不受下面公開 的具體實施例的限制。
[0047] 如圖5所示，根據本發明一個實施例的一種氣體濃度檢測裝置，包括：
[0048] 光源10,用于發出紅外光； W例第一光學元件11，位于光源10的出光側，用于縮小紅外光的發散角；
[0050] 紅外池12,位于第一光學元件11的出光側，內部充滿待檢測氣體，用于吸收紅外 光中波長等于預設波長的光；
[0051] 濾光片13,位于紅外池12的出光側，用于吸收紅外光中波長不等于預設波長的 光；
[0052] 檢測器14,位于濾光片13的出光側，用于檢測剩余的紅外光中波長等于預設波長 的紅外光光量，并根據所述光量計算待檢測氣體的濃度。
[0053] 可選擇地，光源 10 包括：加熱燈絲或MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem, 微機電系統）電調制紅外光源。
[0054] 由于加熱燈絲和MEMS電調制紅外光源都不是激光光源，所W發出的紅外光光束 有一定的發散角，一般大于30°，探測器距離光源一定距離后，能收到的光信號很弱，如探 測器在距離光源20mm時信號值為100%，信號強度隨著距離增大而下降，在距離40mm時下 降到39%，80mm時下降到4. 8%。為了能夠使光線在經過一定距離之后還能有足夠的強度 被檢測器檢測到，本發明提出的一種氣體濃度檢測裝置通過增加第一光學元件將光源發出 的紅外光束進行整形，即將光束發散角減小、使光束盡量平行射入紅外池。 陽化5] 可選擇地，檢測器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 器利用紅外光對物質的熱效應，將紅外光轉化為電信號，該類檢測器的靈敏區尺寸有限，限 于制造工藝，一般為5mmX5mm左右；微音電容通過感受經紅外加熱之后的待檢測氣體壓力 變化，而確定待檢測氣體濃度。
[0056] 根據上述技術方案，通過縮小紅外光的發散角，使紅外光被檢測器接收前不在紅 外池內壁發生漫反射，相比現有技術，可W降低甚至避免受紅外池內壁反射率變化的影響， 相對提高了氣體濃度檢測的精確度。
[0057] 另外，在采用傳統漫反射紅外池的現有技術中，若每天正常工作8小時，經過漫發 射的紅外線光信號值基準會W8%~10%/月左右的速度下降，因為基準在變，所W需要頻 繁地用標準濃度的待檢測氣體對檢測精度進行標定，同時當紅外池內壁污染十分明顯時， 還需要進行更換或者清洗，從而還需要再次標定。相比現有技術，由于本發明能夠降低甚至 避免因紅外池內壁反射率變化所引起的信號漂移，使信號能夠在長時間內穩定，而不必頻 繁標定