一种可更换视窗镜片的便携式激光气体吸收池

1.本发明属于气体参数探测技术领域，具体涉及一套气体吸收池设备及可更换真空窗口密封方法。


背景技术：

2.随着工业的发展，能源的重要性与需求也越来越大，气体燃料作为新兴能源正逐步改变着传统的能源结构。然而可燃气体易燃易爆性也同样给人们的生产生活带来很大的安全隐患，因此可靠地监测检测可燃气体的各项参数是保障生产顺利进行、从业人员的生命财产安全的重要举措。目前对气体的监测主要分为接触式和非接触式两种，非接触式监测中又以可协调半导体激光吸收光谱(tunable diode laser absorption spectroscopy，tdlas)最为高效可靠。
3.tdlas技术监测气体时，通常需要将气体通入吸收池再进行测量。为防止大气中其它气体对待测气体的干扰也为了能控制气体量，需要吸收池能够保持超真空，该类吸收池一般由不锈钢吸收池管体和超真空密封进光窗口构成。目前市面上为保证密封，大多选择将透光晶体与密封法兰焊接在一起，但是由于晶体与法兰的热膨胀系数不同，当不断进行加热
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降温过程时，会因为温度应力而导致微漏，而且一旦焊接后，便不能拆卸，不能实现一池多用；另一方面，利用激光测量某些气体时需要用特殊的透光晶体，而有些晶体并不能够与金属焊接。目前，法兰盘与吸收池管体的连接主要是螺栓连接，这种简单的挤压密封往往不能使吸收池长时间保持超真空状态，同时因为连续的升温
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降温过程，会使接口处出现温度应力，导致微漏发生。
4.此外，当前市面上的吸收池一般都是在加热炉里进行加热，体积大而且不便捷，受工作场地的限制非常大。现有的便携式激光气体吸收池均采用平面镜反射光路来达到增加光程的目的，平面镜通常是在玻璃的后表面镀银而成，平面镜的前表面即玻璃表面也反射光线，玻璃表面成的像会对试验结果有很大的干扰。
5.因此，对与长时间保持超真空状态的、可随监测气体更换视窗镜片的自带温度控制器的便携式激光吸收池，目前尚无可靠的成品。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提供一套能够根据需求自由更换视窗镜片的激光气体吸收池、一套带加热装置的温度控制系统，并提供了一种改善真空窗口密封的方法，能够有效增加密封时间。
7.为实现上述目的，本发明提供的吸收池，由密封进光窗口、吸收池腔体、压力表、温度控制系统和密封反射棱镜窗口构成。
8.所述密封进光窗口由法兰盘和透光镜片组成，其中法兰盘与透光镜片之间是靠弹性密封圈进行密封。同样的，圆形镜片与吸收池之间也用此弹性密封圈密封，
9.所述密封圈采用环状聚四氟乙烯材料制成，与圆形镜片等直径，可在
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200℃～+
350℃范围内正常工作。
10.所述法兰盘与吸收池上分别有对应的楔形环状刀口和凹槽，刀口与凹槽之间又有一层环状聚四氟乙烯密封圈的密封，刀口式的软接触能够最大限度的保证密封效果。
11.所述法兰盘与吸收池之间靠六枚六角螺栓连接，能够有效保证法兰盘与吸收池之间能够紧密挤压，同时保证压力的均布。
12.所述密封反射棱镜窗口的密封方式与密封进光窗口完全一致，有别于密封进光窗口，密封反射棱镜窗口没有透光孔，在窗口的内表面安装有一块二次全反射直角棱镜。
13.所述的二次全反射直角棱镜能够增大探测光程，可以使吸收池的尺寸进一步缩小，同时可令激光发射端和接收端都在吸收池的同一侧，减小了调试光路的难度。不同于传统用平面镜反射光路，全反射棱镜能够最大限度的减少激光能量的损失。
14.所述温度控制系统由热电偶测温探头、加热棒和温控器组成。
15.为了实现便捷控温的目的，所述吸收池外围有三个可插入加热棒的孔洞，通过连接温控器可以实现吸收池的内部加热。
16.所述加热棒采用定制，与加热孔尺寸吻合且温度响应快，能够快速达到目标温度，并且在断电后能够较长时间维持自身温度。
17.为了实现温度响应功能，还需要监测温度的热电偶测温探头与温控器以及加热棒组合使用。所述热电偶采用铂
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铑合金材料，其复制精度和测量准确度较高，可在1300℃以下的范围长期使用。
18.所述感温探头是把热电偶丝用耐燃胶浇筑在螺纹管内制成的，具有良好的密封性。
19.所述温控器是数字式，其精确度高、灵敏度好、直观且操作方便。
20.较佳的，所述压力表为高灵敏压力表，抽真空时可精确到0.0001个大气压，正压时可承受10个大气压。
21.较佳的，在所述吸收池外可包裹一层隔热保温的外膜，可减小由于吸收池金属外壳的热导率大而造成热量的大量流失。
22.较佳的，所述保温膜采用无尘石棉布，防火隔热效果好，且易裁剪。
23.进一步的，在所述吸收池的进出口处安装双气嘴阀，其中一个阀门用来抽真空，另一个阀门用来进气。
24.进一步的，所述压力表、感温探头及阀门与吸收池罐体采用螺纹加胶水连接，能够最大程度上保证吸收池的密封性。
25.本发明具有如下有益效果：
26.本发明提供的气体吸收池能够根据需要进行视窗玻璃可更换，同时保证吸收池的密封性，理论上能够进行各种气体的光谱吸收实验；该吸收池采用了一种全新的窗口密封方式，刀锋式的软接触能够有效消除温度应力对密封性的影响；该吸收池安装有全反射棱镜，能够增大光程来减小设备尺寸，并且减弱了激光能量的消耗。该吸收池腔体为纵向结构，占据空间小，并且自带加热装置，可脱离外加热装置，吸收池系统的温控和压力响应速度快，简单易控精度高，装置全部都是耐高温的，可测温度范围广。此外，该吸收池全部采用防爆材质，安全性大大提高。
附图说明
27.图1是本发明种可更换视窗镜片的便携式激光气体吸收池的拆分图。
28.图2是本发明密封进光窗口的剖视详图。
29.图3是密封反射棱镜窗口细节图。
30.图4是吸收池腔体剖视详图。
31.图5是热电偶探头细节图。
32.图6是全反射棱镜原理示意图。
33.图7是控温系统实现流程图。
34.其中：1
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密封进光窗口，2
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大密封圈，3
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窗口镜片，4
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镜片密封圈，5
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小密封圈，6
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热电偶测温探头，7
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吸收池腔体，8
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压力表，9
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进出气孔，10
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加热棒，11
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温度控制器，12
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加热孔，13
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密封反射棱镜窗口，14
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窗口侧楔形环状刀口槽，15
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六角螺纹孔，16
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窗口侧楔形环状刀口，17
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镜片放置平台，18
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反射棱镜窗口侧楔形环状刀口槽，19
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全反射棱镜，20
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反射棱镜窗口侧楔形环状刀口，21
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六角螺纹孔，22
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吸收池侧楔形环状刀口，23
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吸收池侧楔形环状刀口槽，24
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热电偶螺纹金属外壳，25
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耐高温套管，26
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热电偶丝探头，27
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入射光线，28
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反射光线，29
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入射平面，30
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反射平面(1)，31
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反射平面(2)。
具体实施方式
35.下面结合附图和具体实施方式，对本发明进行详细描述。
36.本发明主要解决的技术问题是提供一种能够可更换视窗镜片的便携式激光气体吸收池，可以通过自加热装置来改变实验温度，可为工程中测定气体参数提供技术支持。
37.本发明实例提供的吸收池结构，如图1所示，包括依次连接的密封进光窗口1，大密封圈2，窗口镜片3，镜片密封圈4，小密封圈5，吸收池腔体7，以及在反射棱镜窗口侧的小密封圈5，大密封圈2和密封反射棱镜窗口13。在吸收池腔体上安装有热电偶测温探头6、压力表8，吸收池腔体7上的进出气孔9可根据需求安装双气嘴阀门，一个阀门用来抽真空，另一个阀门用来进气。另外在吸收池腔体7上均布有三个加热孔12，可插入加热棒10用来给吸收池加热。进一步的，三根加热棒10是并联的，由温度控制器11控制其加热状态，同时热电偶测温探头6也与温度控制器11连接，用以输出吸收池内温度。密封反射棱镜窗口13是不透光的窗口，安装有全反射棱镜，用以反射探测激光光线。
38.所述压力表8，热电偶测温探头6和进出气阀与吸收池腔体7的连接在依靠本身的螺纹连接外，还在螺纹上涂了一层耐高温的密封胶水，可大大加强吸收池的密封性。
39.所述密封进光窗口1有一个通光孔，外围均布有六个六角螺纹孔15，可保证放置在镜片放置平台17上的窗口镜片3均匀受压。所述窗口镜片3前后分别有一个镜片密封圈4，一方面该密封圈在窗口密封压紧的过程中可以保护镜片免受应力破坏，另一方面通过挤压导致的镜片密封圈4弹性形变能很好的保证窗口的密封性。
40.所述窗口侧楔形环状刀口槽14与吸收池侧楔形环状刀口槽23的形状是相互匹配的，窗口侧楔形环状刀口槽14的长度略小于吸收池侧楔形环状刀口槽23的深度，二者之间放置大密封圈2，当通过挤压密封时，大密封圈2会弹性变形从而填充满空隙空间，达到密封效果。同理，吸收池侧楔形环状刀口槽23、小密封圈5和窗口侧楔形环状刀口16之间也时同样的连接方式。
41.所述的热电偶测温探头6由热电偶螺纹金属外壳24、耐高温套管25和热电偶丝探头26组成。耐高温套管25和热电偶螺纹金属外壳24之间填充满耐热胶水，即固定了热电偶丝又保证了整体的密封。
42.如图3所示，所述的密封反射棱镜窗口13的刀口、刀口槽以及螺纹孔的位置大小与密封进光窗口1是完全一致的，所不同的是密封反射棱镜窗口13没有窗口和放置平台，在内平面上固定有一全反射棱镜19。全反射棱镜19与窗口内平面用耐高温的玻璃胶固定，大小略小于吸收池腔体7的内径。全反射棱镜19的入射平面29与吸收池腔体7的轴线是垂直的，即与反射棱镜窗口的内平面是平行的。
43.进一步的如图6所示，密封反射棱镜窗口13的反射平面(1)30和反射平面(2)31呈90
°
夹角，与入射平面29一起构成一个等腰直角三角形。当入射光线27垂直射入入射平面29时就会沿原来的方向射入棱镜，继而接连在反射平面(1)30和反射平面(2)31发生全反射，最后反射光线28将与入射光线27平行且方向相反射出。
44.所述的吸收池腔体7如图4所示，两端有对称的吸收池侧楔形环状刀口22和23，可分别与密封进光窗口1和密封反射棱镜窗口13配对，在吸收池腔体7的正上方有三个螺纹孔，左端两个分别用来安装热电偶测温探头6、压力表8，右端的进出气孔9可根据需求安装不同的阀门。在吸收池腔体7的左端均布有三个加热孔13，用来放置加热棒10，加热孔13的深度未贯穿腔体，腔体内壁经过抛光处理，可防止气体残留，便于清洗。
45.所述的控温系统如图7所示，在试验开始前要设置试验的目标温度范围，设置好后热电偶测温探头6开始工作，实时探测吸收池内的温度，加热棒10开始通电加热。在加热的过程中，热电偶测温探头6不断将探测到的温度输入到温度控制器11中与设定的温度上限作比较，直到吸收池内的温度高于设定的温度上限，此时加热棒10会断电，吸收池会在保温套膜的作用下非常缓慢的降温，此时已经可以开始经行试验操作了。同时热电偶测温探头6仍不断将探测到的温度输入到温度控制器11中，与设定的温度下限作比较，当温度小于预设温度下限时，加热棒10会重新加热，这样吸收池内的温度就能很好的控制在预设的范围。
46.综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。