一种气体浓度检测装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及气体浓度检测技术领域，具体设及一种气体浓度检测装置及方法。
【背景技术】
[0002] 现今，利用非分散红外光谱技术，即红外吸收法，可实现对气体浓度的检测。
[0003] 因为，依据朗伯一比尔定律，气体吸收单色光的程度，即吸光度A与该气体的浓度 C成正比，数学表达式为：
[0004]
阳0化]其中，A为吸光度；I。为入射光强度；I为通过待检测气体后的透射光强度；a为吸 收系数；b为气室的长度，为常数；C为气体的浓度。
[0006] 现有技术的红外气体检测装置原理框图如图1所示，结构示意图如图2所示，包 括：红外光源1、红外池2、滤光片3、检测器4、第一光窗5、第二光窗6、进气口 7和出气口 8,其中红外池2内壁锻金，内部充满有待检测气体。当红外光源1发出的红外光通过红外 池2时，一部分能量被气体中的气体分子如5〇2、0)2、^、側2、邸4等吸收，光的强度会有所减 弱，由于气体分子只吸收特定波长的红外光，未被气体分子吸收的光量透射出去，射入滤波 片3,滤波片3吸收掉特定波长W外的光量后，将剩余的红外光量送入检测器4,检测器4将 根据特定波长的红外光光量的强弱变化转换为电信号，计算出待检测气体的吸光度，由于 待检测气体的吸光度与该气体的浓度成正比，只要测定吸光度就可W确定待检测气体的浓 度。
[0007] 如图3所示，现有技术另一实施例的非分光红外气体检测器，包括：红外光源1、锻 膜气室2、红外传感器3、传感器测控系统4。因为红外光源1为非激光光源，其发散角一般 都较大，能直达红外传感器3的信号强度较小，必须经锻膜气室2的反光膜多次反射后才能 有足够强度的信号到达红外传感器3,锻膜气室2是典型的漫反射红外池。
[0008] 图3所示的装置，需要在气室内锻反光膜，一般为锻金，来达到对红外光高反射的 效果，W使红外光能够顺利到达检测器。气室内壁一旦受到颗粒附着污染，就会导致反射率 减小、检测器信号下降。
[0009] 如图4所示，现有技术另一实施例的红外气体检测器，包括：红外光源1、反射体2、 同步马达3、切光器4、样气室5、前吸收室6、后吸收室7、毛细管8、半导体传感器9、滤光片 10,其中红外光源1为发热灯丝。由于红外光源1为发热灯丝，所发出的光很发散，样气室 5及前吸收室6都需要锻反光膜，使得红外线能够在前吸收室6中各处光强均匀一致。
[0010] 图4所示的装置，也需要在气室内锻反光膜，使红外光的光程增加，进而引起气压 变化。气室内壁一旦受到污染，就会导致信号下降。
[0011] 可见，现有技术中容纳待检测气体的气室为漫反射型红外池，因为各气体吸收的 预设波长多在1. 5μm~15μm波段，属中远红外波段，此波段的激光器种类少而且价格昂 贵，而常用的光源都是发散角度较大的热光源，产生的红外线经对红外光高反射率的内壁 锻金的红外池多次反射，最后到达检测器。由于待检测气体如S02、C02、N0、N02、CH4等，一般 由燃料如煤炭或石油的燃烧产生，燃烧生成或产生多种固体颗粒，虽经过滤装置仍难W完 全清除，时间一长则会附着在锻金层表面，随时间积累，会吸收射到内壁上的部分红外线， 使反射率下降，表现为仪器检测器收到的信号强度逐渐下降，即产生信号漂移，此时再用现 有技术的气体浓度检测装置检测气体浓度，精确度不高。
【发明内容】
[0012] 本发明所要解决的技术问题是，如何降低甚至避免受红外池内壁反射率变化的影 响，提高气体浓度检测的精确度。
[0013] 针对上述问题，本发明提出了一种气体浓度检测装置，包括：
[0014] 光源，用于发出红外光；
[0015] 第一光学元件，位于所述光源的出光侧，用于缩小红外光的发散角；
[0016] 红外池，位于所述第一光学元件的出光侧，内部充满待检测气体，用于吸收红外光 中波长等于预设波长的光；
[0017] 滤光片，位于所述红外池的出光侧，用于吸收红外光中波长不等于预设波长的 光；
[0018] 检测器，位于所述滤光片的出光侧，用于检测剩余的红外光中波长等于预设波长 的红外光光量，并根据所述光量计算待检测气体的浓度。
[0019] 优选地，所述装置还包括：
[0020] 第二光学元件，设置在所述红外池与滤光片之间，用于对射出所述红外池的红外 光进行汇聚。
[0021] 优选地，所述红外池内壁涂覆有吸光物质，用于吸收照射到内壁上的红外光W及 外部环境入射到所述红外池中的光。
[0022] 优选地，第一光学元件缩小所述红外光的发散角，W使所述红外光的光束趋于平 行。
[0023] 优选地，所述第一光学元件包括1个或多个平凸透镜透镜或菲涅尔透镜。
[0024] 优选地，所述第二光学元件包括1个或多个聚光杯或聚光锥。
[00巧]优选地，所述红外池上设置有进气口，用于导入待检测气体；出气口，用于导出待 检测气体。
[00%] 优选地，所述红外池上还设置有第一光窗，用于透射射入所述红外池的红外光；第 二光窗，用于透射通过待检测气体后的红外光。
[0027]另外，本发明还提供了一种基于上述装置的气体浓度检测方法，包括：
[0028]S1、缩小光源发出的红外光的发射角，W使所述红外光的光束趋于平行；
[0029]S2、待检测气体吸收所述红外光中波长等于预设波长的光；
[0030]S3、滤波片吸收所述红外光中波长不等于预设波长的光；
[0031]S4、检测剩余的红外光中波长等于预设波长的红外光光量，并根据所述光量计算 待检测气体的浓度。
[0032] 优选地，在所述步骤S3之前还包括：
[0033] 对通过待检测气体后的红外光进行汇聚，W使所述红外光光信号强度增强。
[0034] 根据上述技术方案，通过缩小红外光的发散角，使红外光被检测器接收前不在红 外池内壁发生漫反射，相比现有技术，降低甚至避免了受红外池内壁反射率变化的影响，相 对提高了气体浓度检测的精确度。
【附图说明】
[0035] 图1为本发明【背景技术】提供的一种红外气体检测装置原理框图；
[0036] 图2为本发明【背景技术】提供的一种红外气体检测装置结构示意图；
[0037] 图3为本发明【背景技术】提供的一种非分光红外气体检测器结构示意图；
[0038] 图4为本发明【背景技术】提供的一种红外气体检测器结构示意图；
[0039]图5为本发明一实施例提供的一种气体浓度检测装置原理框图；
[0040] 图6为本发明另一实施例提供的一种气体浓度检测装置原理框图；
[0041]图7为本发明一实施例提供的一种气体浓度检测装置结构示意图；
[0042] 图8为本发明另一实施例提供的一种气体浓度检测装置结构示意图；
[0043]图9为本发明另一实施例提供的一种气体浓度检测装置结构示意图；
[0044] 图10为本发明一实施例提供的一种气体浓度检测方法流程示意图。
【具体实施方式】
[0045] 为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实 施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施 例及实施例中的特征可W相互组合。
[0046] 在下面的描述中阐述了很多具体细节W便于充分理解本发明，但是，本发明还可 W采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开 的具体实施例的限制。
[0047] 如图5所示，根据本发明一个实施例的一种气体浓度检测装置，包括：
[0048] 光源10,用于发出红外光； W例第一光学元件11，位于光源10的出光侧，用于缩小红外光的发散角；
[0050] 红外池12,位于第一光学元件11的出光侧，内部充满待检测气体，用于吸收红外 光中波长等于预设波长的光；
[0051] 滤光片13,位于红外池12的出光侧，用于吸收红外光中波长不等于预设波长的 光；
[0052] 检测器14,位于滤光片13的出光侧，用于检测剩余的红外光中波长等于预设波长 的红外光光量，并根据所述光量计算待检测气体的浓度。
[0053] 可选择地，光源 10 包括：加热灯丝或MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem, 微机电系统）电调制红外光源。
[0054] 由于加热灯丝和MEMS电调制红外光源都不是激光光源，所W发出的红外光光束 有一定的发散角，一般大于30°，探测器距离光源一定距离后，能收到的光信号很弱，如探 测器在距离光源20mm时信号值为100%，信号强度随着距离增大而下降，在距离40mm时下 降到39%，80mm时下降到4. 8%。为了能够使光线在经过一定距离之后还能有足够的强度 被检测器检测到，本发明提出的一种气体浓度检测装置通过增加第一光学元件将光源发出 的红外光束进行整形，即将光束发散角减小、使光束尽量平行射入红外池。 阳化5] 可选择地，检测器14包括：热释电红外传感器或微音电容。其中，热释电红外传感 器利用红外光对物质的热效应，将红外光转化为电信号，该类检测器的灵敏区尺寸有限，限 于制造工艺，一般为5mmX5mm左右；微音电容通过感受经红外加热之后的待检测气体压力 变化，而确定待检测气体浓度。
[0056] 根据上述技术方案，通过缩小红外光的发散角，使红外光被检测器接收前不在红 外池内壁发生漫反射，相比现有技术，可W降低甚至避免受红外池内壁反射率变化的影响， 相对提高了气体浓度检测的精确度。
[0057] 另外，在采用传统漫反射红外池的现有技术中，若每天正常工作8小时，经过漫发 射的红外线光信号值基准会W8%~10%/月左右的速度下降，因为基准在变，所W需要频 繁地用标准浓度的待检测气体对检测精度进行标定，同时当红外池内壁污染十分明显时， 还需要进行更换或者清洗，从而还需要再次标定。相比现有技术，由于本发明能够降低甚至 避免因红外池内壁反射率变化所引起的信号漂移，使信号能够在长时间内稳定，而不必频 繁标定