一種多光程單氣室的光譜采樣氣室裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型具體涉及一種多光程單氣室的光譜采樣氣室裝置。包括兩個端鏡采用多重環形設計，各環之間環環相套，每個環形具有不同的曲率半徑。每個環帶結合氣室腔長，均有適合光程需求的傳播模式。各個模式的光程范圍差別大，有利于實現不同目標分析物和測量范圍的需求。本專利多光程單氣室的光譜采樣氣室應用在吸收光譜技術的氣體分析儀上，主要優點：將幾個分析通道集成到一個氣室，使整個分析儀外殼的體積成功降至20%?30%；溫度穩定性提高，單氣室熱負荷小，分析儀的能源功耗降低至30%左右；測試準確性提高；降低測量時的氣體采樣量，節省70%以上的氣體使用；本設計的反應時間加快的現有設計的反應時間的30%。
【專利說明】
一種多光程單氣室的光譜采樣氣室裝置
[0001](— )
技術領域
[0002]本實用新型涉及光學系統，具體涉及一種多光程單氣室的光譜采樣氣室裝置，主要應用在基于光學、光譜學特別是吸收光譜技術的分析儀儀器上，可以測量氣體成份含量和其它物理化學特性。
[0003](二)
【背景技術】
[0004]現有成熟測量技術測量氣體成份包括:催化燃燒傳感器、電化學傳感器、金屬氧化物半導體傳感器等。在要求比較苛刻的在線分析應用，上述技術的劣勢集中表現為:廣譜反應，選擇性差，易受干擾，傳感單元屬于消耗型，壽命短。氣相液相色譜儀也可用于測量氣體成份含量，但一般只用于試驗室分析。它價格昂貴，步驟繁瑣，操作復雜，使用載氣，檢測時間長，不適于在線應用。
[0005]光譜技術可選擇特定波段檢測目標分析物，能有效處理其它物質的光譜干擾。光譜分析具有速度快、非接觸性、非消耗性等優勢特點。可實現快速、精準、穩定的檢測。由于可調制激光吸收光譜具有極高的靈敏度，現國際大公司開發競相開發用于石化領域的氣體在線分析儀。對于選定的目標分析物，首先根據半導體激光管的市場供應和生產工藝，選擇合適波長的半導體激光管作為吸收光源。之后，對于分析物的測量靈敏度起決定作用的就是吸收光程了。再根據測量范圍的大小，選擇不同的光程。
[0006]吸收光譜技術可以實時在線監測石油化工過程、石油天然氣管道儲運、環保環境監測、農牧業等應用場合的氣體，為控制決策提供可靠的數據支撐。現在工業上分析儀器使用的采樣氣室設計尤其是多次反射的長光程氣室，都是一個測量物的一個量程采用一個通道、一個氣室。即使只是量程發生變化，采用不同光程，不得不使用另外一個氣室。更不用說多種分析物的同步測量，這使得基于吸收光譜技術的氣體分析吸引力大打折扣。基于航空航天技術的特別需求，美國空氣動力推進實驗室(JPL)的科學家們設計制造了一個四通道的吸收光譜分析儀，用于搭載航空飛行器在火星上對甲烷和水等痕量成份進行分析。
[0007]本專利針對工業應用環境，設計一個具有集成多個不同光程的單氣室的光譜采用氣室，可以實現采用多個光源對多個目標成份的準確測量。由于多路復用，氣室數目減少，體積和重量減少，制造成本降低。正常使用所消耗的過程氣體和校驗氣體減少。熱負載小，維持溫度穩定消耗的能源減少，穩定性提高。所使用的附件如流路控制的閥門，管路，過濾器減少。所使用的電子器件如溫度變送器和壓力變送器減少，對應的分析儀接口減少，提高分析儀的資源利用率。對比多氣室無論是并聯還是串聯，本實用新型設計是在同一時間測量氣體的同一狀態，可提高修正模型的準確性。
[0008](三)【實用新型內容】
[0009]本實用新型為了提高采樣氣室的使用效率，提供了一種應用在吸收光譜技術的氣體分析儀上的多光程單氣室的光譜采樣氣室的設計方法與裝置，本裝置主要包括:兩個端鏡，氣室腔體和狀態傳感器(溫度，壓力和流量等)。
[0010]本實用新型是通過如下技術方案實現的:
[0011 ] 一種多光程單氣室的光譜采樣氣室裝置，其特殊之處在于:包括采樣氣室、兩個反射端鏡和狀態傳感器，多個分析通道集成于一個采樣氣室之內，采樣氣室兩側設置端鏡，氣室上分別設置溫度傳感器、壓力傳感器、流量計、出氣孔、進氣孔。
[0012]—種多光程單氣室的光譜采樣氣室裝置，其特殊之處在于:包括兩個端鏡采用多重環形設計，各環之間環環相套，每個環形具有不同的曲率半徑。
[0013]本實用新型的多光程單氣室的光譜采樣氣室裝置，每個環帶結合氣室腔長，均有適合光程需求的傳播模式。
[0014]本實用新型的多光程單氣室的光譜采樣氣室裝置，各個模式的光程范圍差別大，有利于實現不同目標分析物和測量范圍的需求。
[0015]本實用新型的多光程單氣室的光譜采樣氣室裝置，端鏡上環帶數目可以是一個，兩個，三個等任何整數。端鏡可以采用環狀設計，外環、中環和內心環環相套。
[0016]本實用新型的多光程單氣室的光譜采樣氣室裝置，端鏡中心部分可以是圓形也可以是矩形等任何形狀，環形部分可以是圓環形也可以是橢圓環形。
[0017]本實用新型的多光程單氣室的光譜采樣氣室裝置，每個通道的進光孔與出光孔在端鏡表面分布，可設計在一個端鏡上也可設計在兩個端鏡上，可以平均分布，也可集中分布。
[0018]本實用新型的多光程單氣室的光譜采樣氣室裝置，每個通道進光孔與出光孔可以是開放空間耦合，也可以是光纖耦合。
[0019]本實用新型的多光程單氣室的光譜采樣氣室裝置，每個通道進光孔與出光孔對采樣氣室的親合，可以帶角度調節，也可以不帶角度調節。
[0020]本實用新型的多光程單氣室的光譜采樣氣室裝置，氣室可以是密閉的，也可以是開放空間的。
[0021]本實用新型的多光程單氣室的光譜采樣氣室裝置，對于密閉氣室，氣室腔體與兩個端鏡密封連接。
[0022]本實用新型的多光程單氣室的光譜采樣氣室裝置，適用于不同波長的各種光源，適用直測和調制解調等不同吸收光譜技術，適用不同分析氣體。
[0023]本實用新型的多光程單氣室的光譜采樣氣室裝置，根據所選波長的范圍，對于不同曲率半徑的反射鏡采用統一的增反鍍膜或采用專門配置的鏡面鍍膜。對于不同曲率半徑的反射端鏡采用的增反鍍膜。
[0024]本實用新型的多光程單氣室的光譜采樣氣室裝置，氣室腔體表面采用專門的防腐防吸附鍍膜。
[0025]以下是本實用新型通用型設計步驟，即有η個相套環帶的端鏡的氣室設計步驟。
[0026]因本實用新型的設計方案有利于對多種目標氣體的同步測量、同一目標氣體的不同量程范圍自動切換。在選擇器件的關鍵參數時，應該采用如下的操作流程。
[0027]端鏡的設計是本實用新型的核心部分，主要是進一步確定端鏡的各個參數。根據光線傳輸的幾何光學或矩陣光學理論，都可以得到Herr1t氣室的同光孔進出耦合的計算公式。
[0028](I)確定氣室容積需求:容積越大所消耗的氣體就越多；如果采用的氣體流速一定，那勢必就會犧牲反應的靈敏度。據此可以得出腔體長度和腔體半徑的約束關系。
[0029](2)確定光程:分析測量需求，根據分子吸收光譜的數據庫和可供選擇的半導體激光器，選定光源的發射波長和掃描范圍。進而可以確定每個分析通道的光程需求即N*d的值。
[0030](3)確定光源的質量:通過實驗測量獲得傳播距離為d的空間內光源的準直性，根據高斯光束的性質進一步確定光斑在Z=O和d處的尺寸。確認該光程模式分布，即每個環帶的直徑最小允許值和環帶的寬度。
[0031](4)根據N，d的值，就可以求出端鏡各環帶部分對應的曲率半徑。
[0032](5)綜合以上信息，計算進出光孔的分布和入射角。
[0033]其中，N代表光線的反射次數，d代表氣室的長度，z代表氣室在長度方向上的坐標z軸。
[0034]通過步驟(3)(4)(5)計算端鏡的環帶結構和進出光孔的分布和入射角。使用相關環帶、腔體的全部或部分參數確定一個或多個和值、差值、比值、均方誤差、決定系數、互相關函數、三角函數值、回歸系數、方程邊界值。
[0035]本實用新型的多光程單氣室的光譜采樣氣室裝置，根據測量氣體和精度要求，采用或不采用鍍膜、防腐的腔體表面處理。
[0036]本實用新型有益效果:
[0037](I)將幾個分析通道集成到一個氣室，充分利用傳統Herr1t氣室被浪費的中部空間，使整個分析儀外殼的體積成功降至20%-30%，實現分析儀的小型化，智能化；
[0038](2)溫度穩定性提高，單氣室熱負荷小，利于有效的溫度控制，分析儀的能源功耗降低至30%左右；
[0039](3)測試準確性提高，由于所有通道都是在同一氣室采集的光譜信息，擁有同樣的物理狀態，利于全局補償模型的修正；
[0040](4)降低測量時的氣體采樣量，節省70%以上的氣體使用;尤其是在使用價格昂貴的符合國家計量標準的混合氣罐時；
[0041](5)提高分析儀的測量反應時間，傳統分析儀使用多個氣室串聯時，氣體逐級流通，遲滯了時間。本設計的反應時間加快的現有設計的反應時間的30%。
[0042]本實用新型的創新之處在于:
[0043](I)在單一氣室里實現了不同量級光程范圍的多個光路。
[0044](2)同一光程在同一鏡面的不同光斑均勻分布，高斯光斑在空間重合并因此而造成干涉條紋的幾率相比橢圓非均勻分布降低90%。
[0045](3)使用單氣室設計，帶來一系列的優勢，具有極高的市場價值。
[0046](四)
【附圖說明】
[0047]下面結合附圖對本實用新型作進一步的說明。
[0048]附圖1為本實用新型多光程單氣室的光譜采樣氣室結構示意圖；
[0049]圖中，1-端鏡;2-氣室;3-出氣孔;4-進氣孔;5-溫度傳感器;6_壓力傳感器;7_流量
i+o
[0050](五)
【具體實施方式】
[0051]附圖為本實用新型的一種具體實施例。附圖1所示，該實施例包括氣室2兩側設置端鏡I，氣室2上分別設置溫度傳感器5、壓力傳感器6、流量計7、出氣孔3、進氣孔4。
[0052]該實例在單氣室內實現了四個不同的光程:29.6米，9.6米，0.8米及0.4米。兩個端鏡I同軸固定在0.4米的距離上，分別對應的反射次數為74次，24次，2次和I次。
[0053]端鏡I包括三個同心部分，外圓環、中圓環和內圓。其中內圓為平面鏡，曲率半徑和焦距無窮大。外圓環、中圓環為球面鏡的環形部分，遠端鏡對應的曲率半徑分別為Rlf、R2f，近端鏡對應的曲率半徑分別為Rln、R2n ；遠端鏡對應的球心為Olf、C>2f，近端鏡對應的球心為01η、02η。環形的寬度為光斑典型尺寸的5-10倍;環形部分的直徑分別為近端鏡Aln、A2n，遠端鏡八&^。保證相鄰光斑的間距為光斑典型尺寸的至少3倍。每個端鏡的外圓環、中圓環對應的弧頂和內圓的圓心為同一點，在近端鏡該點位于z=d(Cn)處，在遠端鏡該點位于Z=O(Cf)處。根據實際應用情況，兩個端鏡1(包括各個環形部分)的曲率半徑和尺寸可能完全一樣，可能完全不一樣或者部分相同。
[0054]通過在方法部分確定入射角和進光孔的位置分布之后，就可以確定光斑在端鏡I的分布，并以此計算出的光線傳播路徑。圖中光斑附近的數字標號表示反射的序列，最小數字I對應入射光斑，最大的數字對應出射光斑。出光孔的位置進一步根據空間限制和光程的綜合考慮選定。如果是自由空間耦合，氣室的尺寸限制就會寬松，但對于光學附件的要求比較高。如果采用光纖耦合，耦合頭的尺寸就成為考慮光孔分布的一個重要因素。
[0055]如果光孔處的空間受限，那么進出光孔盡量在遠近端鏡平均分配。
[0056]因為Herr1t氣室的端鏡距離對于腔內所允許的傳播模式比較敏感，因此腔體選擇熱漲系數小的材料，如鋁合金、InVar鋼或其它合金。同時采取溫度控制措施，維持整個腔體溫度穩定，波動性少于0.05C。
[0057]4設計方法和流程
[0058]因本實用新型的設計方案有利于對多種目標氣體的同步測量、同一目標氣體的不同量程范圍自動切換。在選擇器件的關鍵參數時，應該采用如下的操作流程。
[0059]端鏡I的設計是本實用新型的核心部分，主要是進一步確定端鏡I的各個參數。根據光線傳輸的幾何光學或矩陣光學理論，都可以得到Herr1t氣室的同光孔進出耦合的計算公式。
[0060](I)確定氣室2容積需求:容積越大所消耗的氣體就越多；如果采用的氣體流速一定，那勢必就會犧牲反應的靈敏度。據此可以得出腔體長度和腔體半徑的約束關系。
[0061](2)確定光程:分析測量需求，根據分子吸收光譜的數據庫和可供選擇的半導體激光器，選定光源的發射波長和掃描范圍。進而可以確定每個分析通道的光程需求即N*d的值。
[0062](3)確定光源的質量:通過實驗測量獲得傳播距離為d的空間內光源的準直性，根據高斯光束的性質進一步確定光斑在Z=O和d處的尺寸。確認該光程模式分布，即外圓環、中圓環的直徑最小允許值和環帶的寬度。
[0063](4)根據N，d的值，就可以求出端鏡各環帶部分對應的曲率半徑。
[0064](5)綜合以上信息，計算進出光孔的分布和入射角。
[0065]5.技術優勢
[0066]本專利多光程單氣室的光譜采樣氣室應用在吸收光譜技術的氣體分析儀上，主要有以下幾個優點:
[0067](I)將幾個分析通道集成到一個氣室，充分利用傳統Herr1t氣室被浪費的中部空間，使整個分析儀外殼的體積成功降至20%-30%，實現分析儀的小型化，智能化；
[0068](2)溫度穩定性提高，單氣室熱負荷小，利于有效的溫度控制，分析儀的能源功耗降低至30%;
[0069](3)測試準確性提高，由于所有通道都是在同一氣室采集的光譜信息，擁有同樣的物理狀態，利于全局補償模型的修正；
[0070](4)降低測量時的氣體采樣量，節省70%以上的氣體使用;尤其是在使用價格昂貴的符合國家計量標準的混合氣罐時；
[0071](5)提高分析儀的測量反應時間，傳統分析儀使用多個氣室3串聯，氣體逐級流通，遲滯了測量時間。本設計的反應時間加快到現有設計的反應時間的30%。
[0072]本專利的創新之處在于:
[0073]1.在單一氣室里實現了不同量級光程范圍的多個光路。
[0074]2.同一光程在同一鏡面的不同光斑均勻分布，高斯光斑在空間重合并因此而造成干涉條紋的幾率相比橢圓非均勻分布降低90%。
[0075]使用單氣室設計，帶來一系列的優勢，具有極高的市場價值。
【主權項】
1.一種多光程單氣室的光譜采樣氣室裝置，其特征在于:包括采樣氣室、兩個反射端鏡和狀態傳感器，多個分析通道集成于一個采樣氣室之內，采樣氣室兩側設置端鏡，氣室上分別設置溫度傳感器、壓力傳感器、流量計、出氣孔、進氣孔。2.根據權利要求1所述的多光程單氣室的光譜采樣氣室裝置，其特征在于:兩個端鏡采用多重環形設計，各環之間環環相套，每個環形具有不同的曲率半徑。3.根據權利要求1或2所述的多光程單氣室的光譜采樣氣室裝置，其特征在于:端鏡上環帶數目為至少一個。4.根據權利要求1或2所述的多光程單氣室的光譜采樣氣室裝置，其特征在于:端鏡中心部分為圓形或矩形，環形部分為圓環形或橢圓環形。5.根據權利要求1或2所述的多光程單氣室的光譜采樣氣室裝置，其特征在于:每個分析通道的進光孔與出光孔在端鏡表面分布。6.根據權利要求1或2所述的多光程單氣室的光譜采樣氣室裝置，其特征在于:分析通道的進光孔與出光孔在一個端鏡或兩個端鏡表面分布。7.根據權利要求1或2所述的多光程單氣室的光譜采樣氣室裝置，其特征在于:每個通道進光孔與出光孔為開放空間耦合或光纖耦合。
【文檔編號】G01N21/01GK205643147SQ201521115170
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2015年12月29日
【發明人】劉運席, 王文龍
【申請人】山東羅納德分析儀器有限公司