專利名稱：一種氣體紅外線吸收檢測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于非分光紅外吸收氣體檢測(cè)領(lǐng)域，具體是一種氣體紅外線吸收檢測(cè)
直O(jiān)
背景技術(shù)：
隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，人類接觸有害氣體及可燃易爆氣體的場(chǎng)所越來(lái)越多。一次中毒或爆炸事故，使人們認(rèn)識(shí)到發(fā)展工業(yè)的同時(shí)保護(hù)人類自身安全的重要性。因此各種有害氣體及可燃易爆氣體檢測(cè)傳感器漸漸成為工業(yè)安全生產(chǎn)中不可少的檢測(cè)設(shè)備。甲烷、一氧化碳、硫化氫、氧氣等可燃、易爆碳?xì)錃怏w是石油平臺(tái)勘探和油船、化學(xué)品船運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域中重大安全事故的來(lái)源之一。因此，在這些環(huán)境中對(duì)此類易燃、易爆氣體的檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。目前市場(chǎng)上常用的可燃?xì)怏w傳感器有催化燃燒式和紅外氣體傳感器。催化燃燒式可燃性氣體傳感器采用低功耗高抗干擾型載體催化元件。它與二只固定電阻構(gòu)成檢測(cè)橋路。當(dāng)空氣中含有可燃性氣體擴(kuò)散到檢測(cè)元件表面上，在檢測(cè)元件表面催化劑作用下迅速進(jìn)行無(wú)焰燃燒，產(chǎn)生反應(yīng)使檢測(cè)元件的鉬絲電阻值增大，檢測(cè)橋路輸出一個(gè)差壓信號(hào)。這個(gè)電壓信號(hào)的大小與可燃性氣體濃度成正比例關(guān)系。它經(jīng)過(guò)放大后，進(jìn)行電壓電流轉(zhuǎn)換并把可燃性氣體爆炸下限值以內(nèi)的百分含量(％LEL)轉(zhuǎn)換成4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。此類傳感器有以下幾個(gè)缺點(diǎn)1、測(cè)量精度低，只有士 5% ；2、傳感器使用壽命短，只有M個(gè)月；3、傳感器漂移嚴(yán)重，每個(gè)月需要標(biāo)定一次；4、傳感器需定期清理維護(hù)；5、傳感器遇到某一種氣體容易中毒，失去了對(duì)可燃?xì)怏w的催化作用。紅外氣體傳感器基于比爾定律=
h(^) (1)Α(λ ) = σ (λ ) · C · L (2)其中，IJ λ)為光源的發(fā)光強(qiáng)度，I (λ)為光源的光經(jīng)過(guò)氣體吸收后的透過(guò)部分強(qiáng)度，二者之比定義為透過(guò)率。Α(λ)為吸光度，L表示光程長(zhǎng)度，C是吸收分子的濃度，σ (λ) 是在標(biāo)準(zhǔn)氣體狀態(tài)下，與測(cè)量?jī)x器無(wú)關(guān)的氣體碰撞展寬吸收光譜的分子吸收系數(shù)。式(2) 表示吸光度Α(λ)與光程長(zhǎng)度與濃度的積CL成比例，比例常數(shù)為分子吸收系數(shù)σ (λ)。不同的分子具有不同的特征ο (λ )，因此可以通過(guò)對(duì)吸光度(或透過(guò)率)的測(cè)量獲得吸收分子濃度。紅外氣體傳感器是利用非色散紅外(NDIR)原理對(duì)空氣中存在的碳?xì)錃怏w進(jìn)行探測(cè)，具有很好的選擇性，無(wú)氧氣依賴性，性能穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)。內(nèi)置溫度傳感器，可進(jìn)行溫度補(bǔ)
3償。該傳感器使用方便，可直接用來(lái)替代催化燃燒元件，廣泛應(yīng)用于存在可燃性、爆炸性氣體的各種場(chǎng)合。圖1是非分散紅外氣體傳感器的原理示意圖。1是紅外線源，2是氣體測(cè)量池，3是待測(cè)氣體分子，4是紅外線，5是濾波片，6是透鏡，7是紅外傳感器。紅外光源發(fā)出的輻射穿過(guò)樣品池到達(dá)傳感器，傳感器前面放置了一個(gè)帶通的濾波片，它只允許待測(cè)氣體分子吸收波段范圍內(nèi)的輻射透過(guò)，其他波長(zhǎng)的輻射無(wú)法進(jìn)入傳感器。首先在氣體測(cè)量池中充滿氮?dú)?(氮?dú)鈱?duì)紅外輻射基本不吸收)進(jìn)行測(cè)量，得到光源未經(jīng)吸收時(shí)的光強(qiáng)作為背景，這個(gè)背景相當(dāng)于式(1)中的IoU)。然后再把氣體測(cè)量池中充入待測(cè)氣體再次測(cè)量，這次測(cè)得的光強(qiáng)相當(dāng)于式⑴中的Ι(λ)，由此可以得到吸光度Α(λ)。氣體的分子吸收系數(shù)σ (λ)和光程長(zhǎng)度L都已知，根據(jù)式( 就可以解出氣體的濃度C。顯然濾波片透過(guò)波段越窄，其對(duì)波長(zhǎng)的選擇性就越好，越能有效的過(guò)濾干擾因素， 最理想的狀況是可以用濾波片選擇待測(cè)氣體的單條特征吸收譜線進(jìn)行測(cè)量。但是目前濾光片制作技術(shù)所能達(dá)到的最小透過(guò)帶寬約為200納米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于任何氣體吸收線的線寬，很難完全排除其他氣體的影響?，F(xiàn)有濾光片的透過(guò)特性見(jiàn)圖2。同時(shí)傳感器只能給出濾光片透過(guò)波段內(nèi)輻射的總能量，不包含任何光譜信息，無(wú)法通過(guò)算法處理把干擾成分分離出來(lái)。此類傳感器容易受到不同類型的氣體干擾，測(cè)量不穩(wěn)定，測(cè)量精度不高。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型針對(duì)上述問(wèn)題，提供一種氣體紅外線吸收檢測(cè)裝置，它實(shí)現(xiàn)了更精確的譜帶過(guò)濾，能夠有效的過(guò)濾干擾因素，對(duì)待測(cè)氣體有非常好的選擇性，大大提高氣體紅外線吸收檢測(cè)精度和最低檢出濃度，提高了檢測(cè)裝置的靈敏度和一致性。本實(shí)用新型采用了如下技術(shù)方案一種氣體紅外線吸收檢測(cè)裝置，它包括A、紅外線源，用于產(chǎn)生紅外輻射；B、兩個(gè)微型氣體池，用作濾波片，其中一個(gè)是氮?dú)鈿怏w池，另外一個(gè)是高濃度待測(cè)氣體池，用于吸收待測(cè)氣體所對(duì)應(yīng)的吸收譜線的所有紅外能量；C、氣體測(cè)量池，設(shè)有氣體出入口，用于充入待測(cè)氣體；D、兩個(gè)紅外傳感器，其中一個(gè)用于測(cè)量透過(guò)氮?dú)鈿怏w池和待測(cè)氣體后的紅外能量I ( λ )，另一個(gè)用于測(cè)量透過(guò)待測(cè)氣體池和待測(cè)氣體后的紅外能量10(入)。本實(shí)用新型一種氣體紅外線吸收檢測(cè)裝置，它還包括溫度傳感器，用于探測(cè)紅外傳感器所處溫度，對(duì)待測(cè)氣體濃度進(jìn)行溫度補(bǔ)償。本實(shí)用新型中所述待測(cè)氣體為可燃?xì)怏w，高濃度待測(cè)氣體池為碳?xì)錃怏w池，用于吸收3. 3 3. 4微米處所對(duì)應(yīng)的吸收譜線的所有紅外能量。所述碳?xì)錃怏w池內(nèi)的碳?xì)浠旌蠚怏w主要成分為甲烷和乙烷；本實(shí)用新型優(yōu)選方案是碳?xì)?HC)混合氣體為45%甲烷、45% 乙烷和10%乙烯。所述微型氣體池的厚度為0. 5cm ；所述紅外線源采用鎳鉻電熱合金絲制成，由熔融石英玻璃密封作為輻射窗口。本實(shí)用新型的有益效果與傳統(tǒng)的濾光片相比，傳統(tǒng)的濾光片沒(méi)有良好的選擇性， 在透過(guò)范圍內(nèi)沒(méi)有針對(duì)目標(biāo)氣體做優(yōu)化。本實(shí)用新型是一種全新的濾波技術(shù)，完全排除其他氣體的影響。本實(shí)用新型根據(jù)被測(cè)氣體的紅外吸收特性，采用待測(cè)氣體作為濾光片，對(duì)碳?xì)浔怏w有非常好的選擇性，用于過(guò)濾紅外線源中的對(duì)HC氣體敏感的光譜成分，這樣可
4以得到一個(gè)穩(wěn)定的與碳?xì)?HC)氣體無(wú)關(guān)的背景變化。另外一個(gè)氣體池充入高純氮?dú)?，不過(guò)濾任何光譜信成分，用于測(cè)量紅外光源中對(duì)碳?xì)?HC)氣體敏感的信號(hào)。本實(shí)用新型提供了更精確的譜帶過(guò)濾方法，其對(duì)待測(cè)氣體波長(zhǎng)的選擇性非常好，甚至達(dá)到最理想的狀況用微型氣體池選擇待測(cè)氣體的單條特征吸收譜線進(jìn)行測(cè)量，有效地過(guò)濾了干擾因素，配合相應(yīng)的放大濾波電路，可以更加精確的測(cè)量背景信號(hào)，提高信噪比，大大提高氣體紅外吸收檢測(cè)精度和最低檢出濃度，提高檢測(cè)裝置的靈敏度和一致性。

圖1為現(xiàn)有非分散紅外氣體傳感器的原理示意圖圖2為現(xiàn)有濾光片的透過(guò)特性圖3為本實(shí)用新型檢測(cè)裝置原理示意圖圖4為本實(shí)用新型中高濃度待測(cè)氣體池的透過(guò)特性
具體實(shí)施方式
根據(jù)圖3所示，本實(shí)用新型一種氣體紅外線吸收檢測(cè)裝置，它采用紅外線源1產(chǎn)生紅外輻射，紅外線源1采用由鎳鉻電熱合金，繞成的螺旋柱體電阻，外面用很薄的熔融石英玻璃作為窗口，把合金絲密封起來(lái)，其中充入惰性氣體。這樣處理后的紅外線源1具有輻射率高、使用壽命長(zhǎng)、防爆防塵的特點(diǎn)。合金絲拉制得較細(xì)，熱容量很小，升溫降溫很快，便于頻率較高的電調(diào)制。本實(shí)用新型不再使用傳統(tǒng)的窄帶濾波片或干涉濾波片，而是使用微型氣體池作為濾波片。在傳感器前放置兩個(gè)微型氣體池，一個(gè)是氮?dú)?擬)氣體池8，另外一個(gè)是高濃度待測(cè)氣體池9。所述待測(cè)氣體池9為碳?xì)錃怏w池，所述碳?xì)錃怏w池內(nèi)的碳?xì)浠旌蠚怏w主要成分為甲烷和乙烷。具體方案是所述碳?xì)?HC)混合氣體為45%甲烷、45%乙烷和10%乙烯。 高濃度碳?xì)錃怏w池中的甲烷、乙烷等混合氣體會(huì)把所有在3. 3 3. 4微米處所對(duì)應(yīng)的吸收譜線的紅外能量全部吸收，而通過(guò)隊(duì)池的紅外能量在甲烷(CH4)的特征吸收峰是沒(méi)有任何吸收的。高濃度碳?xì)錃怏w池的透過(guò)特性見(jiàn)圖4。因此兩部分透射紅外能量為In2和Iai，利用高濃度的碳?xì)錃怏w池作為濾波片，可以精確的過(guò)濾掉敏感氣體的吸收譜線，形成一個(gè)“干凈”的背景。氣體池用白寶石片粘合而成，形成0.5cm厚度的氣室，分別充入氮?dú)?N2)和碳?xì)浠旌蠚怏w。碳?xì)浠旌蠚怏w主要成分為甲烷和乙烷，根據(jù)理論計(jì)算，對(duì)于絕大多數(shù)碳?xì)漕惖幕旌蠚怏w，0. 50cm厚氣室就可以吸收掉敏感譜線位置上98%的輻射能量，足以在3. 3 3. 4 微米波段形成非常純凈的背景。這個(gè)背景包括了水汽、CO2、環(huán)境溫度輻射和光源強(qiáng)度變化等信息，但不包括碳?xì)錃怏w的影響。氣體測(cè)量池2，設(shè)有氣體出入口，用于充入待測(cè)氣體。微型氣體池可放置在氣體測(cè)量池2之前，也可放置在氣體測(cè)量池2之后。采用兩個(gè)紅外傳感器7，其中一個(gè)用于測(cè)量透過(guò)氮?dú)鈿怏w池和待測(cè)氣體后的紅外能量，即樣品信號(hào)測(cè)量，得Ι(λ)；另一個(gè)用于測(cè)量透過(guò)碳?xì)錃怏w池和待測(cè)氣體后的紅外能量，即背景信號(hào)測(cè)量，得ItlU)；對(duì)Ι(λ)和Ι。(λ)進(jìn)行信號(hào)處理后獲得待測(cè)氣體濃度。當(dāng)光源使用4Hz、占空比50%的方波信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，背景信號(hào)和樣品信號(hào)都表現(xiàn)為接近正弦波，這兩個(gè)信號(hào)的差別非常小，很難直接區(qū)分。二者信號(hào)經(jīng)過(guò)延時(shí)電路的處理，使相位相差90°，然后利用自相關(guān)算法剔除噪聲和背景等干擾，獲得高信噪比的碳?xì)錃怏w濃度信號(hào)。在獲得了碳?xì)錃怏w(HC)濃度信號(hào)之后，需要對(duì)該信號(hào)進(jìn)行溫度校正。在測(cè)量裝置內(nèi)部有一個(gè)溫度傳感器——熱敏電阻，通過(guò)對(duì)該電阻阻值的測(cè)量能夠獲得氣體紅外線吸收檢測(cè)裝置的熱背景變化。氣體紅外線吸收檢測(cè)裝置的溫度漂移表現(xiàn)為二次函數(shù)曲線，通過(guò)測(cè)量10組以上不同溫度下的飄移，可以準(zhǔn)確的獲得溫漂曲線，進(jìn)而通過(guò)軟件對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行溫度校正。獲得了溫度校正的測(cè)量之后，就可以對(duì)氣體紅外線吸收檢測(cè)裝置進(jìn)行濃度標(biāo)定。 通過(guò)測(cè)量不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體，標(biāo)定出其濃度(％)與光學(xué)密度In(IciUVIU))之間的關(guān)系曲線，因?yàn)闈舛扰c光學(xué)密度關(guān)系不完全線性，需進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，得出多項(xiàng)式的各個(gè)系數(shù)。這些系數(shù)寫入檢測(cè)裝置的EEPROM(可擦寫存儲(chǔ)器)中長(zhǎng)期保存，直到下一次濃度標(biāo)定， 兩次標(biāo)定的時(shí)間間隔大約1年。該檢測(cè)裝置具有氣體濃度百分含量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)同時(shí)輸出的功能， 數(shù)字信號(hào)通過(guò)MODBUS RTU協(xié)議RS485形式傳輸；模擬信號(hào)為4 20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)，抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)，檢測(cè)裝置不會(huì)中毒，性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，不需要維護(hù)。可選加現(xiàn)場(chǎng)顯示器，可現(xiàn)場(chǎng)設(shè)定報(bào)警值。本實(shí)用新型氣體紅外線吸收檢測(cè)裝置的推廣會(huì)產(chǎn)生很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。本實(shí)用新型并不局限于可燃碳?xì)錃怏w濃度的測(cè)量，廣泛用于有害氣體、溫室氣體、污染氣體的工業(yè)在線測(cè)量。
權(quán)利要求1.一種氣體紅外線吸收檢測(cè)裝置，它包括A、紅外線源(1)，用于產(chǎn)生紅外輻射；B、兩個(gè)微型氣體池，用作濾波片，其中一個(gè)是氮?dú)鈿怏w池(8)，另外一個(gè)是高濃度待測(cè)氣體池(9)， 用于吸收待測(cè)氣體所對(duì)應(yīng)的吸收譜線的所有紅外能量；C、氣體測(cè)量池O)，設(shè)有氣體出入口，用于充入待測(cè)氣體；D、兩個(gè)紅外傳感器(7)，其中一個(gè)用于測(cè)量透過(guò)氮?dú)鈿怏w池和待測(cè)氣體后的紅外能量I (λ)，另一個(gè)用于測(cè)量透過(guò)高濃度待測(cè)氣體池(9)和待測(cè)氣體后的紅外能量10(入)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體紅外線吸收檢測(cè)裝置，其特征在于它還包括溫度傳感器，用于探測(cè)紅外傳感器所處溫度，對(duì)待測(cè)氣體濃度進(jìn)行溫度補(bǔ)償。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的氣體紅外線吸收檢測(cè)裝置，其特征在于所述待測(cè)氣體為可燃?xì)怏w，高濃度待測(cè)氣體池為碳?xì)錃怏w池，用于吸收3. 3 3. 4微米處所對(duì)應(yīng)的吸收譜線的所有紅外能量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體紅外線吸收檢測(cè)裝置，其特征在于所述微型氣體池的厚度為0. 5cm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體紅外線吸收檢測(cè)裝置，其特征在于所述紅外線源(1)采用鎳鉻電熱合金絲制成，由熔融石英玻璃密封作為輻射窗口。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種氣體紅外線吸收檢測(cè)裝置，它包括A、紅外線源，用于產(chǎn)生紅外輻射；B、兩個(gè)微型氣體池，用作濾波片，其中一個(gè)是氮?dú)鈿怏w池，另外一個(gè)是高濃度待測(cè)氣體池，用于吸收待測(cè)氣體所對(duì)應(yīng)的吸收譜線的所有紅外能量；C、氣體測(cè)量池，設(shè)有氣體出入口，用于充入待測(cè)氣體；D、兩個(gè)紅外傳感器，其中一個(gè)用于測(cè)量透過(guò)氮?dú)鈿怏w池和待測(cè)氣體后的紅外能量I(λ)，另一個(gè)用于測(cè)量透過(guò)待測(cè)氣體池和待測(cè)氣體后的紅外能量I0(λ)。它實(shí)現(xiàn)了更精確的譜帶過(guò)濾，能夠有效的過(guò)濾干擾因素，對(duì)碳?xì)浔怏w有非常好的選擇性，大大提高氣體紅外線吸收檢測(cè)精度和最低檢出濃度，提高了檢測(cè)裝置的靈敏度和一致性。
文檔編號(hào)G01N21/35GK201993310SQ20112002653
公開(kāi)日2011年9月28日 申請(qǐng)日期2011年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月18日
發(fā)明者張?zhí)焓? 李橋, 路巍 申請(qǐng)人:江蘇遠(yuǎn)望儀器有限公司