一种气体氮氧化物含量检测装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种气体氮氧化物含量检测装置，用于对气体中所含氮氧化物的浓度进行检测，所述检测装置包括：处理器、程控电流源、激光器、气体吸收池、探测器和信号调理器。应用本发明，不需要高温转化过程，因此降低了功耗和能耗，而且，由于是直接测量气体中氮氧化物的含量，避免了其他物质的存在对待测气体含量检测的影响，使得检查结果更准确。再有，由于不需要使用ZrO2传感器，因此，也不存在P，S，Si的化合物，例如H2S，会导致ZrO2传感器中毒的问题。同时，由于ZrO2传感器技术是被国外公司垄断的技术，而本发明不需要使用ZrO2传感器，因此打破了现有技术壁垒。
【专利说明】一种气体氮氧化物含量检测装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及气体含量检测【技术领域】，特别涉及一种气体氮氧化物含量检测装置。 【背景技术】
[0002]我国汽车行业的高速发展，需求量将突破1000万辆。在方便人民出行、拉动GDP 增长等方面取得了显著效果的同时，也导致了严重的环保问题。机动车尾气排放已经成为重要的大气污染源，对人民群众身体健康和国家社会的可持续发展产生严重影响。因此，世界各国对机动车尾气处理不断提出越来越高的要求。我国已经强制执行国3(欧3)标准， 预计2012年7月I日将强制执行国IV(欧IV)标准，这意味着将强制安装氮氧化物(NOx) 检测装置以控制排放含量。 [0003]目前，通常的做法是使用氧化锆(ZrO2)制的氧传感器进行氮氧化物检测，其检测原理具体为:在第一气室内将氧气泵到Ippb —下，再通过催化反应将氮氧化物NOx转化为 N2和02，转化后N2和O2进入第二气室，在第二气室内再通过ZrO2氧传感器测量生成的氧气含量，从而间接测量氮氧化物NOx的含量。
[0004]上述方法虽然可以测得氮氧化物的含量，但至少存在以下问题:
[0005]1、在通过催化反应将NO转化为O2的过程中需要使转化环境的温度达到300摄氏度的高温，功耗高，能耗大；
[0006]2、由于转化环境的温度需要达到300摄氏度的高温，因而受到可燃性气体如H2, CH4, CO等含量的影响，使得检测结果受可燃性气体含量的影响很大，检测结果的准确性低；
[0007]3、P，S，Si的化合物，例如H2S,会导致ZrO2传感器中毒，致使ZrO2传感器失效。
【发明内容】
[0008]本发明实施例提供一种气体氮氧化物含量检测装置，既可以使得检测结果不受可燃性气体含量的影响，避免传感器因某些化合物中毒，还降低了功耗。
[0009]本发明公开了一种气体氮氧化物含量检测装置，用于对气体中所含氮氧化物的浓度进行检测，所述检测装置包括:处理器(100)、程控电流源(200)、激光器(300)、气体吸收池(400)、探测器(500)和信号调理器(600)，其中，所述的气体吸收池(400)具有折线型气室，所述折线型气室上具有进气孔(415)和出气孔(416)，待测气体从所述进气孔(415)进入所述折线型气室，沿折线形气室流动，从出气孔(416)流出所述折线型气室；所述折线型气室上还具有光入射孔和光出射孔；入射激光从所述光入射孔进入所述折线型气室，沿折线型气室反射，从光出射孔射出；
[0010]所述程控电流源(200)，在处理器的控制下对激光器进行直调，使得激光器(300) 输出一路光强和波长均为正弦波动的激光；所述一路激光通过所述光入射孔进入气体吸收池400内的折线型气室，从光出射孔射出，进入探测器；
[0011]所述探测器(500)，将所述一路光信号转换为电信号，将转换后的电信号传送给信号调理电路；[0012]信号调理电路(600)，对所述电信号调理后传送给处理器；
[0013]处理器(100)，根据接收到的指令，从接收到的调理后的信号中检测出出射激光中二次谐波和基波的强度，根据所述两种谐波的强度获得待测气体的中氮氧化物的浓度。
[0014]其中，所述信号调理电路包括:
[0015]滤波器，将来自探测器的电信号进行滤波处理；
[0016]AD转换器，将所述滤波后的模拟电信号转换为数字信号后传送给处理器。
[0017]其中，所述处理器包括:
[0018]存储装置，保存在包含氮氧化物的气体中氮氧化物气体的浓度超过第一预设值时，测量得到的氮氧化物吸收峰和参比吸收峰中心位置分别对应的激光器电流值的差值AD ;保存在无氮氧化物气体的气体中测量得到的参比吸收峰中心位置所对应电流值D2tl，并保存电流值D2tl处的参比吸收峰的一次谐波的幅值Atl，以及同等条件下电流值为(D20-AD)处的二次谐波值I2ftl ；
[0019]谐波强度获取装置，首先测量待测气体中参比吸收峰中心位置所对应的电流值D2,并测量电流值D2处的一次谐波幅值A ;再测量激光器电流值为D1 = D2-AD位置的二次谐波值I2f? ;从所述存储装置获得在无待测气体的条件下测量得到的参比吸收峰的一次谐波的幅值A。，以及电流为(D2tl-AD)处的二次谐波值I2fQ，计算本底f(A) = I2fQXA/AQ，令激光器电流为D1的氮氧化物吸收峰二次谐波强度I2f = I2fil-f (A)；
[0020]浓度计算装置，根据所述氮氧化物吸收峰所对应电流值处的二次谐波的强度I2f和参比吸收峰所对应电流值处的基波的强度A获得待测气体的中氮氧化物的浓度。
[0021]其中，所述信号调理电路包括:
[0022]滤波器，将来自探测器的电信号进行滤波处理；
[0023]锁相放大电路，检测所述滤波后信号中出射激光的二次谐波的强度I2f ?。
[0024]其中，所述处理器包括:
[0025]存储装置，保存在包含氮氧化物的气体中氮氧化物气体的浓度超过第一预设值时，测量得到的氮氧化物吸收峰和参比吸收峰中心位置分别对应的激光器电流值的差值AD ;保存在无氮氧化物气体的气体中测量得到的参比吸收峰中心位置所对应电流值D2tl，并保存电流值D2tl处的参比吸收峰的一次谐波的幅值Atl，以及同等条件下电流值为(D20-AD)处的二次谐波值I2ftl ；
[0026]谐波强度获取装置，首先测量待测气体中参比吸收峰中心位置所对应的电流值D2，并测量电流值D2处的一次谐波幅值A ;从所述存储装置获得在无待测气体的条件下测量得到的参比吸收峰的一次谐波的幅值Atl，以及电流为(D2tl-AD)处的二次谐波值I2ftl，计算本底f (A) = I2ftlXAAtl，令激光器电流为D1的氮氧化物吸收峰二次谐波强度I2f = I2f
测-f (A)；
[0027]浓度计算装置，根据所述氮氧化物吸收峰所对应电流值处的二次谐波的强度I2f和参比吸收峰所对应电流值处的基波的强度A获得待测气体的中氮氧化物的浓度。
[0028]其中，所述待测气体为汽车尾气；所述参比气体为水气。
[0029]其中，所述的气体吸收池(400)包括:池体(401)、第一平面反射镜(402)、第二平面反射镜(403)和平面盖板(404)，所述第一平面反射镜(402)和第二平面反射镜(403)分别紧贴所述池体(401)池体第一侧壁(406)和池体第二侧壁(407)，其中，所述池体第一侧壁(406)和池体第二侧壁(407)与池体上表面(405)垂直，且所述池体第一侧壁(406)和 池体第二侧壁(407)相互平行；所述池体上表面(405)上设置有折线型沟道(410)，所述平 面盖板(404)覆盖在所述池体(401)的折线型沟道上形成折线型气室，所述折线型气室位 于所述第一平面反射镜(402)和所述第二平面反射镜(403)之间，在池体第一侧壁(406) 和池体第二侧壁(407)上沿垂直于池体第一侧壁(406)和池体第二侧壁(407)的方向开有 多个光反射孔(412)，光反射孔(412)与折线形沟道(410)相通；
[0030]在所述池体上表面(405)上开设有进气孔(415)和出气孔(416)，待测气体从所述 进气孔(415)进入所述折线型气室，沿折线形沟道(410)流动，从出气孔(416)流出所述折
线型气室；
[0031]所述气体吸收池(400)还具有池体第三侧壁(408)和池体第四侧壁(409)，其中， 所述池体第三侧壁(408)和池体第四侧壁(409)分别与池体第二侧壁(407)成预设度数 的加角；在池体第三侧壁(408)上沿垂直于池体第三侧壁的方向开有光入射孔(411)，所述 光入射孔(411)与折线形沟道(410)相通:在池体第四侧壁(409)上沿垂直于池体第四侧 壁(409)的方向开有光出射孔(413)，所述光出射孔(413)与折线形沟道(410)相通；入射 激光从所述光入射孔(411)进入所述折线型气室，沿折线型气室反射，从光出射孔(413)射 出。
[0032]其中，所述检测装置还包括:冷却管路，连接在待测气体的排放出口与所述气体吸 收池的折线型气室的进气孔(415)之间，以将冷却后的待测传送至所述气体吸收池内。
[0033]其中，所述检测装置还包括:过滤器及气液分离器，连接在冷却管路的末端和所述 气体吸收池的折线型气室的进气孔(415)之间，以过滤待测气体中的杂质及液体。
[0034]应用本发明实施例提供的检测装置，使用光谱测试法，不需要高温转化过程，因此 降低了功耗和能耗，而且，由于是直接测量气体中氮氧化物的含量，避免了其他物质的存在 对待测气体含量检测的影响，使得检查结果更准确。再有，由于不需要使用ZrO2传感器，因 此,也不存在P, S，Si的化合物，例如H2S,会导致ZrO2传感器中毒的问题。同时，由于ZrO2 传感器技术是被国外公司垄断的技术，而本申请不需要使用ZrO2传感器，因此打破了现有 技术壁垒。
[0035]再有，申请的方案中，只需要激光器输出一路探测光束，通过最终出射激光的二次 谐波的强度来待测气体的中氮氧化物的浓度，不需要标准气室，也不需要参考支路，因而避 免了现有双路平衡的光谱测试法不能应用于工业现场的问题，可在任何需要的工业现场应 用。
[0036]再有，应用本申请实施例中的气体吸收池，使得待测气体的浓度在气体吸收池内 均衡分布，不仅可以在一个较小的空间区域内延长有效光程，而且可以实现待测气体在气 体吸收池内的快速周转。
【专利附图】
【附图说明】
[0037]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以 根据这些附图获得其他的附图。[0038]图1是根据本发明一实施例的气体氮氧化物含量检测装置的结构图；
[0039]图2是根据本发明实施例的一种气体吸收池的结构示意图，其中图2A是主视图，图2B是左视图，图2C是俯视图；
[0040]图3是根据图2所示实施例的气体吸收池的池体内部结构及光传输路径示意图；
[0041]图4是根据本发明实施例的一具体应用实例示意图。
【具体实施方式】
[0042]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0043]参见图1，其是根据本发明一实施例的气体氮氧化物含量检测装置的结构图，本实施例中，该检测装置用于对气体中所含氮氧化物的浓度进行检测，其具体包括:处理器100、程控电流源200、激光器300、气体吸收池400、探测器500和信号调理器600，其中，气体吸收池400具有折线型气室，所述折线型气室上具有进气孔415和出气孔416，待测气体从所述进气孔415进入所述折线型气室，沿折线形气室流动，从出气孔416流出所述折线型气室；所述折线型气室上还具有光入射孔和光出射孔；入射激光从所述光入射孔进入所述折线型气室，沿折线型气室反射，从光出射孔射出；
[0044]程控电流源200，在处理器100的控制下对激光器进行直调，使得激光器输出一路光强和波长均为正弦波动的激光；所述一路激光通过所述光入射孔进入气体吸收池400内的折线型气室，从光出射孔射出，进入探测器；
[0045]探测器500,将所述一路光信号转换为电信号,将转换后的电信号传送给信号调理电路；
[0046]信号调理电路600，对所述电信号调理后传送给处理器；
[0047]处理器100，根据接收到的指令，从接收到的调理后的信号中检测出出射激光中二次谐波和基波的强度，根据所述两种谐波的强度获得待测气体的中氮氧化物的浓度。
[0048]在一种可能的实施例中，上述信号调理电路600可以包括:
[0049]滤波器(图未示)，将来自探测器的电信号进行滤波处理；以及
[0050]模数(AD)转换器(图未示)，将所述滤波后的模拟电信号转换为数字信号后传送给处理器。
[0051]此时，所述处理器100，根据接收到的指令，检测出射激光中的二次谐波及基波的强度，根据所述二次谐波及基波的强度获得待测气体中氮氧化物的浓度。该实施例中，出射激光的二次谐波和基波的强度是由处理器检测出的。
[0052]具体的，所述处理器100可以包括:
[0053]存储装置，保存在包含氮氧化物的气体中氮氧化物气体的浓度超过第一预设值如10%时，测量得到的氮氧化物吸收峰和参比吸收峰中心位置分别对应的激光器电流值的差值AD ;保存在无氮氧化物气体的气体中测量得到的参比吸收峰中心位置所对应电流值D2tl,并保存电流值D2tl处的参比吸收峰的一次谐波的幅值Atl,以及同等条件下电流值为(D20-AD)处的二次谐波值I2ftl ；[0054]谐波强度获取装置，首先测量待测气体中参比吸收峰中心位置所对应的电流值 D2,并测量电流值D2处的一次谐波幅值A ;再测量激光器电流值为D1 = D2-AD位置的二次谐波值I2f? ;从所述存储装置获得在无待测气体的条件下测量得到的参比吸收峰的一次谐波的幅值A。，以及电流为(D2tl-AD)处的二次谐波值I2fQ，计算本底f(A) = I2fQXA/AQ，令激光器电流为D1的氮氧化物吸收峰二次谐波强度I2f = I2f*-f (A)；
[0055]浓度计算装置，根据氮氧化物吸收峰所对应电流值处的二次谐波的强度I2f和参比吸收峰所对应电流值处的基波的强度A获得待测气体的中氮氧化物的浓度。
[0056]这里，对上述涉及的概念做一简单说明。
[0057]本底，由于激光器的P-1曲线的非线性，以及存在的其他系统非线性，即使在没有待测气体的情况下，测量得到的待测气体的二次谐波值也不会为0，这个非0值称为本底；
[0058]氮氧化物气体，通常认为其是弱吸收气体，即氮氧化物气体的吸收峰由于吸收造成的二次谐波强度值与本底基本相当。
[0059]参比吸收峰:如果某种气体的吸收峰由于吸收造成的二次谐波强度值远大于本底，则该吸收峰被称为强吸收峰，该强吸收峰通常作为参比吸收峰，该参比吸收峰所对应的气体称为参比气体。例如，某个吸收峰由于吸收造成的二次谐波强度值大于10倍的本底值，则该吸收峰可以作为参比吸收峰；这里，如果吸收强度与浓度的乘积值较大，一种可能的情况是吸收强度较低但是待测环境下该气体的浓度很高，另一种可能的情况是浓度较低但是吸收强度高。
[0060]通常，氮氧化物吸收峰和参比吸收峰之间的距离范围，是电流调制可以达到的范围，一般在零点几个纳米，然而又不能过于接近，以免吸收截面重合相互影响。
[0061 ] 其中，浓度计算的原理与现有技术相同，这里仅做简单说明。
[0062]首先，当光线通过某种气体后，它将受到气体的吸收，其出射光强由比尔-兰伯特 (Beer-Lambert)公式决定
[0063]I(u) = 10 ( u ) exp [-a ( u ) CL](4.1)
[0064]其中，I( u)是出射光光强，u是该光的频率；I。是通过气室之前的初始光强;C为气体的浓度；L为所通过的气体腔长；a为气体的吸收系数，不同气体对应的吸收频率也不同；对于同一种气体，也存在复数个吸收峰。
[0065]利用这个性质，选择入射激光的波长，使之处于待测气体的某个吸收峰的中心位置。然后让该激光通过待测气体。通过检测出出射光的强度，可以得到其通过气体的吸收强度，从而间接得到待测气体的浓度。具体的，
[0066]对光源的驱动电流加上一个低频(k赫兹级别)小信号调制，对激光器进行直调， 从而对激光器输出波长产生一个调制，同时附加一个光强调制
[0067]o-O +a sin cot
[0068](4.2)
[0069]10 (t) = 10 (1+ rI sin cot)
[0070]其中，u是光的波长，10 (t)激光器输出的光强随时间变化的光强值，CO为所加调制的角频率，为激光的中心频率，a为频率调制幅度，为由于频率调制造成的光强调制深度，t是时间参数。
[0071]由于此时气体浓度很低，所以有-a (u)CL<< I[0072]那么(4.1)式可以改写为:
[0073]
【权利要求】
1.一种气体氮氧化物含量检测装置，用于对气体中所含氮氧化物的浓度进行检测，其特征在于，所述检测装置包括:处理器(100)、程控电流源(200)、激光器(300)、气体吸收池(400)、探测器(500)和信号调理器(600)，其中，所述的气体吸收池(400)具有折线型气室，所述折线型气室上具有进气孔(415)和出气孔(416)，待测气体从所述进气孔(415)进入所述折线型气室，沿折线形气室流动，从出气孔(416)流出所述折线型气室；所述折线型气室上还具有光入射孔和光出射孔；入射激光从所述光入射孔进入所述折线型气室，沿折线型气室反射，从光出射孔射出； 所述程控电流源(200)，在处理器的控制下对激光器进行直调，使得激光器(300)输出一路光强和波长均为正弦波动的激光；所述一路激光通过所述光入射孔进入气体吸收池400内的折线型气室，从光出射孔射出，进入探测器； 所述探测器(500)，将所述一路光信号转换为电信号，将转换后的电信号传送给信号调理电路； 信号调理电路(600)，对所述电信号调理后传送给处理器； 处理器(100)，根据接收到的指令，从接收到的调理后的信号中检测出出射激光中二次谐波和基波的强度，根据所述两种谐波的强度获得待测气体的中氮氧化物的浓度。
2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述信号调理电路包括: 滤波器，将来自探测器的电信号进行滤波处理； AD转换器，将所述滤波后的模拟电信号转换为数字信号后传送给处理器。
3.根据权利要求2所述的检测装置，其特征在于，所述处理器包括: 存储装置，保存在包含氮氧化物的气体中氮氧化物气体的浓度超过第一预设值时，测量得到的氮氧化物吸收峰和参比吸收峰中心位置分别对应的激光器电流值的差值AD ;保存在无氮氧化物气体的气体中测量得到的参比吸收峰中心位置所对应电流值D2tl，并保存电流值D2tl处的参比吸收峰的一次谐波的幅值Atl，以及同等条件下电流值为(D2tl-AD)处的二次谐波值I2ftl ; 谐波强度获取装置，首先测量待测气体中参比吸收峰中心位置所对应的电流值D2，并测量电流值D2处的一次谐波幅值A ;再测量激光器电流值为D1 = D2-AD位置的二次谐波值I2f? ;从所述存储装置获得在无待测气体的条件下测量得到的参比吸收峰的一次谐波的幅值A。，以及电流为(D2tl-AD)处的二次谐波值I2ftl，计算本底f (A) = I2ftl X A/A。，令激光器电流为D1的氮氧化物吸收峰二次谐波强度I2f = I2fil-f (A)； 浓度计算装置，根据所述氮氧化物吸收峰所对应电流值处的二次谐波的强度I2f和参比吸收峰所对应电流值处的基波的强度A获得待测气体的中氮氧化物的浓度。
4.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述信号调理电路包括: 滤波器，将来自探测器的电信号进行滤波处理； 锁相放大电路，检测所述滤波后信号中出射激光的二次谐波的强度I2f?。
5.根据权利要求4所述的检测装置，其特征在于，所述处理器包括: 存储装置，保存在包含氮氧化物的气体中氮氧化物气体的浓度超过第一预设值时，测量得到的氮氧化物吸收峰和参比吸收峰中心位置分别对应的激光器电流值的差值AD ;保存在无氮氧化物气体的气体中测量得到的参比吸收峰中心位置所对应电流值D2tl，并保存电流值D2tl处的参比吸收峰的一次谐波的幅值Atl，以及同等条件下电流值为(D2tl-AD)处的二次谐波值I2ftl;谐波强度获取装置，首先测量待测气体中参比吸收峰中心位置所对应的电流值D2，并测量电流值D2处的一次谐波幅值A ;从所述存储装置获得在无待测气体的条件下测量得到的参比吸收峰的一次谐波的幅值Atl,以及电流为(D2tl-AD)处的二次谐波值I2ftl，计算本底 f(A) = I2ftl XAAtl，令激光器电流为D1的氮氧化物吸收峰二次谐波强度I2f = I2f*-f (A)； 浓度计算装置，根据所述氮氧化物吸收峰所对应电流值处的二次谐波的强度I2f和参比吸收峰所对应电流值处的基波的强度A获得待测气体的中氮氧化物的浓度。
6.根据权利要求3或5所述的检测装置，其特征在于，所述待测气体为汽车尾气；所述参比气体为水气。
7.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述的气体吸收池(400)包括:池体(401)、第一平面反射镜(402)、第二平面反射镜(403)和平面盖板(404)，所述第一平面反射镜(402)和第二平面反射镜(403)分别紧贴所述池体(401)池体第一侧壁(406)和池体第二侧壁(407)，其中，所述池体第一侧壁(406)和池体第二侧壁(407)与池体上表面 (405)垂直,且所述池体第一侧壁(406)和池体第二侧壁(407)相互平行；所述池体上表面(405)上设置有折线型沟道(410)，所述平面盖板(404)覆盖在所述池体(401)的折线型沟道上形成折线型气室，所述折线型气室位于所述第一平面反射镜(402)和所述第二平面反射镜(403)之间，在池体第一侧壁(406)和池体第二侧壁(407)上沿垂直于池体第一侧壁(406)和池体第二侧壁(407)的方向开有多个光反射孔(412)，光反射孔(412)与折线形沟道(410)相通；在所述池体上表面(405)上开设有进气孔(415)和出气孔(416)，待测气体从所述进气孔(415)进入所述折线型气室，沿折线形沟道(410)流动，从出气孔(416)流出所述折线型气室；所述气体吸收池(400)还具有池体第三侧壁(408)和池体第四侧壁(409)，其中，所述池体第三侧壁(408)和池体第四侧壁(409)分别与池体第二侧壁(407)成预设度数的加角；在池体第三侧壁(408)上沿垂直于池体第三侧壁的方向开有光入射孔(411)，所述光入射孔(411)与折线形沟道(410)相通；在池体第四侧壁(409)上沿垂直于池体第四侧壁 (409)的方向开有光出射孔(413)，所述光出射孔(413)与折线形沟道(410)相通；入射激光从所述光入射孔(411)进入所述折线型气室，沿折线型气室反射，从光出射孔(413)射出。
8.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述检测装置还包括:冷却管路，连接在待测气体的排放出口与所述气体吸收池的折线型气室的进气孔(415)之间，以将冷却后的待测传送至所述气体吸收池内。
9.根据权利要求8所述的检测装置，其特征在于，所述检测装置还包括:过滤器及气液分离器，连接在冷却管路的末端和所述气体吸收池的折线型气室的进气孔(415)之间，以过滤待测气体中的杂质及液体。
【文档编号】G01N21/39GK103575695SQ201210254545
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2012年7月20日 优先权日:2012年7月20日
【发明者】鞠昱, 韩立, 谢亮, 臧志成 申请人:无锡凯睿传感技术有限公司