无气室红外气体分析仪

无气室红外气体分析仪

本实用新型涉及一种气体检测装置，特别是涉及一种红外气 体分析仪。

通常的红外气体分析仪的基本结构包括时间双光路和几何双 光路等多种形式，它们都含有气室。气室的两端装有封闭窗口， 侧面开有待测气体的进气口和排气口。用气泵将待测气体泵入一 个气室。红外辐射(平行红外光)透射气室内的待测气体或参比气 体，经检测器、放大器，对待测气体进行检测并测定其浓度。具 体的一种红外气体分析仪可参见图1。

图1是通常的一种几何双光路红外气体分析仪的示意图。图1 中，由光源1发出的红外光经反射镜2形成平行光，透过光源窗口3 和调制盘4上开有的分析光孔5与参比光孔6分为两束，分别射入两 个气室。其中一个气室为分析气室7，其内泵入待测气体。另一个 气室为参比气室8，内装对红外光无吸收的固定气体，如氮气。分 析气室7和参比气室8的长度与横截面积分别相同。分析气室7上 开有气体入口9和气体出口10，待测气体由外接气泵通过气体入 口9送入分析气室7。气室的两端分别由气室窗口11密封。调制盘 4为圆盘形，由电动机16带动转动。在调制盘4转动过程中，其上 的距轴较远的分析光孔5转到如图1的正上方位置时，恰好对准分 析气室7的一端，红外平行光通过分析光孔5进入分析气室7；而 当距调制盘4轴较近的参比光孔6转到如图1的正上方位置时，恰 好对准参比气室8的一端，红外平行光通过参比光孔6进入参比气 室8。由于调制盘4的周期性转动，使同一个光源1发出的红外平 行光分别通过两个气室并进行调制。经过两个气室的红外平行光 再通过滤光片12，经过光锥13会聚到检测器14上。若分析气室7 内无待测气体时，则不同时刻通过两个气室后的红外光能量相等， 使得检测器14输出信号为零；当分析气室7内有待测气体时，通过 两个气室地两路红外光能量被吸收的程度不同，检测器14接收到 的两个光信号大小不同，故输出的信号不为零。该信号被送入放 大器15中，放大后由表头显示出来。由于光信号很弱，放大器15 通常使用锁相放大器，由检测器14输出的不为零的信号与待测气 体的浓度成正比，从而在表头上直接显示出气体的浓度值。

已有的这种带有气室的几何双光路结构，可以减小信号漂移 和变化，具有较高的测量精确度。但正是因为双光路，并且有气 室和气泵，使其结构繁杂体积较大；红外平行光需要较强的光源； 同时由于反射镜2为金属材料镀金制作，并采用复杂的锁相放大器 以及光源和气室均有窗口，使得仪器昂贵，使用也不方便。

本实用新型的目的就在于改进已有的红外气体分析仪双光路 结构，设计无气室、单光路并采用会聚光线的气体分析仪。在满 足测量精度的前提下，使红外气体分析仪结构简单，体积小，造 价低廉，更为适用。

本实用新型的无气室红外气体分析仪，其结构按光路的前后 顺序，包括有反射镜，安装在反射镜内的能发射红外光的光源， 开有光孔的调制盘，滤光片，检测器，放大器，表头以及带动调 制盘转动的电动机等。因为本实用新型是单光路形式的，所以调 制盘上只开有一组光孔。在反射镜与滤光片之间留有一段开放的 空间，该空间内红外光线透过待测气体。换句话说，本实用新型 没有气室，不使用气泵，而是将仪器放在待测气体的环境中进行 检测。所说的反射镜是椭球或抛物面型的凹面镜，光源不一定放 置在反射镜的焦点上，而是使反射镜反射光源发出的红外光，通 过调制盘上的光孔和滤光片后，聚焦在检测器上。所说的放大器 采用有源滤波带通放大电路，在该放大电路中还设置有参比信号 发生器。这里所说的带通放大电路是较简单的放大电路，参比信 号发生器也是如此，如利用分压原理，产生一个稳定的固定电位， 作为参比电位。

这样，本实用新型没有了气室，是单光路的，红外光线亦不 是平行光，而是聚焦在检测器上。检测器接收到的红外光线的能 量与红外光线透过的待测气体的存在和浓度有关，并将红外光线 的能量信号转变为电信号，称之为检测信号。当光路中(开放空 间)无待测气体时，检测信号与放大器中的参比信号相等，放大 器输出信号为零；当光路中(开放空间)有待测气体时，检测信号 随气体浓度不同而不同，从而参比信号跟检测信号的差值不为零， 并与待测气体的浓度成比例。两个信号的差值输出到表头，如电 压表，被显示出来，于是测出待测气体的存在和浓度。

图1给出已有技术的几何双光路红外气体分析仪的示意图。

图2给出本实用新型的无气室红外气体分析仪的剖面示意图。

图2中1为光源，通电后使光源1发出红外辐射。2为反射镜， 是在玻璃上镀金属膜构成的半个椭球或半支抛物面的凹面镜。经 反射镜2反射后，红外线会聚照射在检测器14上。图2中带有箭头 的直线段给出了红外辐射的光路。调制盘4只开有一组光孔5，并 由电动机16通过传动装置19带动调制盘4旋转。安装在检测器14 端头上的滤光片12可以有多种，选择不同种类滤光片12，可以检 测不同种类气体的存在和其浓度。检测器14可以是热电探测器， 也可以是光电(半导体)型探测器。例如使用硫酸三甘肽(TGS)、 钽酸锂(LT)、铌酸锂(LN)、铌酸锶钡(SBN)、钛酸铅(PT)、钛锆 酸铅(PZT)或聚合物等探测器；例如使用碲镉汞(HgCdTe)、硒化 铅(PbSe)等探测器。检测器14在会聚的红外辐射作用下，产生一 个检测信号。放大器15采用有源滤波带通放大电路，它同时具有 滤波(选频)和放大功能，例如高通和低通组合电路。此外还设置 了参比信号发生电路。参比信号与检测信号的差值经放大器15放 大后在表头18上显示出来。

当选用中心波长4.64μm滤光片12时，可测一氧化碳(CO)的 浓度；当选用中心波长4.26μm滤光片12时可测二氧化碳(CO₂)的 浓度；当选用中心波长3.31μm滤光片12时，可测甲烷(CH₄)的浓 度；当选用中心波长3.1μm滤光片12时，可测乙炔(C₂H₂)的浓度 等。

使用本实用新型时，只要将无气室红外气体分析仪放入待测 气体的环境中，选取并调整对应待测气体的滤光片12，打开电源 开关，使光源1发出红外辐射和使检测器14、放大器15工作，表头 即可指示该种气体的浓度。

本实用新型具有如下特点：(1)由于无气室单光路，不使用气 泵，直接放在气体环境中检测，因而结构简单体积小，使用方便 成本低。(2)由于单光路可以不采用平行光而是利用椭球或抛物面 型反射镜将红外辐射会聚到检测器上，增强了检测信号，提高了 信噪比，从而可以采用有源滤波带通放大器，进一步使结构简单 降低成本。(3)由于采用热电型、光电(半导体)型探测器，而具有 探测率高、光谱响应范围宽且平坦和温度系数小等优点。(4)反射 镜采取在玻璃上镀金属膜而不是金属内表面磨光镀金，从而既便 于加工又降低成本。(5)可采用多种滤光片，同一分析仪进行多组 份气体的检测。(6)本仪器还设置了温度传感器，例如热敏电阻； 湿度传感器，例如湿敏电阻；光传感器，例如光电池。所以同时 还具备了测量环境温度、湿度和光的强度功能，这样可以更方便 用户使用。