专利名称：基于气体相关滤波的非分散红外法多组份气体分析仪的制作方法
技术领域：
本发明属于一种环境检测、环境分析、空气质量检测设备，具体是一种基于气体相关滤波的非分散红外法多组份气体分析仪。
背景技术：
多组份气体的定性、定量检测在环境保护、化工控制、家用报警、食品保鲜、温室环境控制、航空航天等领域有着广泛的应用。使用气体传感器进行多组份气体的定性定量研究，可以极大的降低测量成本，减小测量周期，并可实现在线的实时测量。但由于当前气体传感器普遍存在着交叉敏感和选择性差等缺点，使用单一传感器很难实现多组份气体的检测分析。
采用红外法进行多组份气体的分析，则存在精确度差、分辨率低等缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于气体相关滤波的非分散红外法多组份气体分析仪，是利用非分散红外的方法，采用一个光源，在一个怀特池中，同时检测CO、CH4两种气体的浓度。
本发明的技术方案如下基于气体相关滤波的非分散红外法多组份气体分析仪，其特征在于有一个怀特池，在怀特池的入射窗片处安装有电源底座，怀特池的出射窗片处安装有探测器座；在电源底座上有一个开孔，开孔内安装有能斯特灯，电源底座外侧固定安装有电机，电机转轴穿过电源底座，电机转轴上安装有相关轮，位于底座与怀特池入射窗片之间，相关轮上的同一圆周位置安放有三个玻璃腔，腔内分别装有纯N2，高浓度CH4，和高浓度CO气体，能斯特灯与玻璃腔、怀特池的入射窗片在入射光路上；探测器座上安装有红外探测器，探测器外侧固定安装有电机，电机转轴穿过探测器座，电机转轴上安装有滤光片轮，位于探测器座与怀特池出射窗片之间，滤光片轮上安装有CO滤光片与CH4滤光片，怀特池的出射窗片、滤光片、探测器位于出射光路上；探测器的信号接到前置放大器与数据处理装置。
红外探测器是PbS材料做成，相应的波段在2-5个微米之间。
本发明装置大致可分为光源、相关轮、怀特池、滤光片、探测器、前置放大器、数据处理板等几部分。
光源采用镍铬合金的能斯特灯，该灯在红外的2-5个微米处有很好的辐射，完全可以用来作为近红外部分的光源。并且光强大，性能稳定。
相关轮相关轮的作用一是可以把连续的光辐射调制成脉冲辐射；二是在相关轮上安放三个小的玻璃气体腔，分别放纯N2，高浓度CH4，高浓度CO气体。这样的话，通过N2的光辐射就是进行探测气体的光量，而通过CH4和Co的光辐射就作为参考量在后续的计算中应用。
怀特池密封的怀特池内充满待测气体，光源发出的辐射光从入射窗片进来，经过装在怀特池两端的反射镜来回反射一定的之后，从出射窗片射出被探测器接收。在这个过程中，待测气体将吸收辐射光强，滤光片轮在滤光片轮上装两个滤光片，一个是中心波长为4.65微米的CO气体滤光片，一个是中心波长为3.3微米的CH4气体滤光片。
因为光源辐射的光谱范围很宽，所以在探测器探测之前，用这两个滤光片把其它波段的干扰光滤掉。这个滤光片轮是可以转动的，当需要测CO气体时，转动滤光片轮将把CO的滤光片调整到探测器前面；当需要测CH4气体时，转动滤光片轮将把CH4的滤光片调整到探测器前面。
探测器采用的红外探测器是PbS材料做成的。相应的波段在2-5个微米之间。探测器在分析仪中的作用非常重要，它的性能将直接决定测量的稳定性和准确性。
前置放大器前置放大器是用来将探测器出来的微弱信号放大、整形，从而变成可以满足后续计算需要的信号。
数据处理板从前置放大器输出的模拟电信号被送到数据处理板，在数据处理板中进行相关算法，得到的结果进行AD转换，并在液晶屏上显示。
测量原理第一点各种分子具有不同的能级，不论是吸收外来的辐射能还是向外放射能发生跃迁，都有各自特定的频率。也就是说，当有外来辐射能的频率符合某种分子所规定的频率才有可能被该种分子所吸收，并产生所谓有选择性的吸收能量的跃迁。而且产生此跃迁时，辐射电磁波的频率必然与吸收所要求的频率数值相同。这就是各种分子吸收辐射或辐射电磁波的能量的选择性，这种选择性是对频率而言。这种频率就叫做各种分子的特征频率，或特征波长。在4.65微米处，CO有特征吸收，即，CO在4.65微米处有特征吸收波长。而CH4在3.3微米处有特征吸收波长。
第二点在0.76微米-25微米范围的红外线区域的特点是它对热能的辐射能力很强，因此利用分子对红外线热效应进行成分分析的另一个基础。
第三点根据比尔定律。气体对红外光的吸收作用在一定的范围之内遵循朗伯-比尔定律，即I1＝L0E-KCL式中I0——红外辐射的初始能量；I1——红外辐射被气体吸收后的能量；K——气体的红外线吸收系数；L——光程，即红外光通过气体层的厚度；C——被测气体的浓度。
K是气体的一个吸收特性系数，不同的气体，该值不一样。定律表明，吸收作用的大小与气体的性质、光程及气体浓度直接有关。所以，当气室长度L一定时，从上式看出，I1的大小仅与气体浓度有关，测量出I1的大小就等于测量出气体浓度的变化。
基于以上原理，工作过程如下1.能斯特灯通电之后，经过加热，发出稳定的红外辐射。
2.电机带动相关轮发生转动，转动一周的过程中，连续光被调制成三束光进入怀特池，即，连续光通过N2玻璃腔体时的一束，连续光通过高浓度CO玻璃腔体时的一束，连续光通过高浓度CH4玻璃腔体时的一束。
3.因为在2-5个微米范围，N2没有吸收，所以这束光在后续的过程中是作为CO和CH4的测量信号，暂时称为信号1。经过高浓度CO玻璃腔体的这一束，在CO的特征吸收部分4.65微米处的能量被完全吸收，所以这束光在后续的过程中是作为CO的参比信号，暂时称为信号2。经过高浓度玻CH4璃腔体的这一束，在CH4的特征吸收部分3.3微米处的能量被完全吸收，所以这束光在后续的过程中是作为CH4的参比信号，暂时称为信号3。
4.信号2和信号3进入怀特池中，经过一定的光程之后，光强并不发生改变，而信号1进入怀特池，经过一定的光程之后，在3.3和4.65微米处会被CH4和CO吸收掉一部分红外能量，吸收程度与气体的浓度有关，，这样信号1中就是包含了CO和CH4的浓度信息。
5.在怀特池中来回反射N次之后，辐射光经过小孔射出怀特池，反射的次数是事先设定好的，反射次数定了，光程长也就确定了。
6.在出射小孔处有可自动调整的两个滤光片，精密滤光片只分别容许CO和CH4吸收特征波长的光通过，所以这样就排除了其它气体的干扰。
7.当辐射光经过CO滤光片时，信号1中CH4部分的吸收信号将被排除，而探测器所获得的就是单纯和CO浓度有关的信号，相当于朗伯-比尔定律中的I1，信号2就相当于I0，而信号3对于CO浓度的计算来说就变得毫无意义。所以通过这两个信号值就可以计算出来CO的浓度值。
8.同样，当辐射光经过CH4滤光片时，信号1中CO部分的吸收信号将被排除，而探测器所获得的就是单纯和CH4浓度有关的信号，相当于朗伯-比尔定律中的I1，信号2就相当于I0，而信号2对于CH4浓度的计算来说就变得毫无意义。所以通过这两个信号值就可以计算出来CH4的浓度值。
9.经过滤光片之后的辐射光被红外探测器检测。
10.再由前置放大器将其转换成电压值。
11.电压值送给数据处理板进行相关运算。
12.运算之后就得出了CO和CH4的浓度。
本发明装置的精确度、分辨率均较已有技术有了显著提高。
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明相关轮结构示意图。
图3为本发明滤光片轮结构示意图。
具体实施例方式
基于气体相关滤波的非分散红外法多组份气体分析仪，其特征在于有一个怀特池1，在怀特池1的入射窗片2处安装有电源底座3固定安装在怀特池1左侧壁，怀特池1的出射窗片12处安装有探测器座4固定安装在怀特池1右侧壁；在电源底座3上有一个开孔9，开孔9内安装有能斯特灯，电源底座3外侧固定安装有电机8，电机8转轴穿过电源底座3，电机8转轴上安装有相关轮7，位于底座3与怀特池入射窗片2之间，相关轮7上的同一圆周位置安放有三个玻璃腔13，腔内分别装有纯N2，高浓度CH4，和高浓度CO气体，能斯特灯与玻璃腔3、怀特池的入射窗片2在入射光路上；探测器座4上安装有红外探测器14，探测器14外侧固定安装有电机5，电机5转轴穿过探测器座4，电机5转轴上安装有滤光片轮6，位于探测器座4与怀特池出射窗片12之间，滤光片轮6上安装有CO滤光片15与CH4滤光片16，怀特池1的出射窗片12、滤光片15、16、探测器14位于出射光路上；探测器14的信号接到前置放大器10与数据处理装置11。
红外探测器14是PbS材料做成，相应的波段在2-5个微米之间。
权利要求
1.基于气体相关滤波的非分散红外法多组份气体分析仪，其特征在于有一个怀特池，在怀特池的入射窗片处安装有电源底座，怀特池的出射窗片处安装有探测器座；在电源底座上有一个开孔，开孔内安装有能斯特灯，电源底座外侧固定安装有电机，电机转轴穿过电源底座，电机转轴上安装有相关轮，位于底座与怀特池入射窗片之间，相关轮上的同一圆周位置安放有三个玻璃腔，腔内分别装有纯N2，高浓度CH4，和高浓度CO气体，能斯特灯与玻璃腔、怀特池的入射窗片在入射光路上；探测器座上安装有红外探测器，探测器外侧固定安装有电机，电机转轴穿过探测器座，电机转轴上安装有滤光片轮，位于探测器座与怀特池出射窗片之间，滤光片轮上安装有CO滤光片与CH4滤光片，怀特池的出射窗片、滤光片、探测器位于出射光路上；探测器的信号接到前置放大器与数据处理装置。
2.根据权利要求1所述的分析仪，其特征在于红外探测器是PbS材料做成，相应的波段在2-5个微米之间。
全文摘要
本发明公开了一种基于气体相关滤波的非分散红外法多组份气体分析仪，大致可分为光源、相关轮、怀特池、滤光片、探测器、前置放大器、数据处理板等几部分。利用非分散红外的方法，采用一个光源，在一个怀特池中，同时检测CO、CH
文档编号G01N21/25GK1758051SQ200510041139
公开日2006年4月12日 申请日期2005年7月19日 优先权日2005年7月19日
发明者陈晓宁, 刘建国, 王 锋, 黄书华, 司福祺, 王亚萍, 方武, 陈军, 刘文清, 魏庆农 申请人:中国科学院安徽光学精密机械研究所