多波段多气体检测装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种多波段多气体检测装置及方法，所述方法包括步骤：(A1)第一测量光和第二测量光射入检测池内；(A2)入射进检测池的第一测量光、第二测量光在第二凹面反射镜、第一凹面反射镜和第三凹面反射镜之间来回反射，并被待测气体选择性吸收；(A3)探测器将射出所述检测池的第一测量光、第二测量光分别转换为第一电信号、第二电信号，并传送到分析单元；(A4)分析单元根据吸收光谱技术分别处理所述第一电信号、第二电信号，从而分别获得待测气体中至少三种气体的含量。本发明具有结构简单、成本低等优点。
【专利说明】
多波段多气体检测装置及方法
技术领域
[0001]本发明涉及气体检测，尤其涉及多波段多气体检测装置及方法。【背景技术】
[0002]随着我国工业化进程的加速，有害气体和烟尘的排放对环境空气造成了严重污染，空气污染严重威胁着人类健康，环境空气气态污染物(S02、N02、〇3、C0)监测已刻不容缓。 传统的烟气分析紫外差分吸收光谱(D0AS)系统能够同时检测S02、N02、03等在紫外波段有特征吸收谱的气体，但是对于特征吸收处于红外波段的C0气体，D0AS技术有了局限性，不能够检测C0X0检测通常使用可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术实现，现有的分析仪大多不能实现两种技术同时进行气体检测，而是需要两台以上的仪器来实现多组分气体的检测，成本高而监测效率低。
【发明内容】
[0003]为了解决现有技术中存在的不足，本发明提供了一种结构简单、低成本的多波段多气体检测装置。
[0004]本发明的发明目的通过以下技术方案得以实现:
[0005] —种多波段多气体检测装置，所述检测装置包括检测池;所述多波段多气体检测装置进一步包括:
[0006]第一光源，所述第一光源发出的第一测量光的波长覆盖待测气体中至少一种气体的吸收谱线;所述第一测量光的波长处于可见或红外波段；
[0007]第二光源，所述第二光源发出的第二测量光的波长同时覆盖待测气体中至少二种气体的吸收谱线;所述第二测量光的波长处于紫外波段；
[0008]第一凹面反射镜，所述第一凹面反射镜设置在所述检测池内的一侧；
[0009]第二凹面反射镜，所述第二凹面反射镜与所述第一凹面反射镜相对地设置在所述检测池内的另一侧；
[0010]第三凹面反射镜，所述第三凹面反射镜与所述第一凹面反射镜相对地设置在所述检测池内的另一侧;所述第二凹面反射镜和第三凹面反射镜关于所述第一凹面反射镜的中心轴线对称设置，所述第一凹面反射镜、第二凹面反射镜和第三凹面反射镜的反射面的曲率半径相等;所述第二凹面反射镜和第三凹面反射镜的凹面的焦点处于所述第一凹面反射镜的凹面的中心;所述中心到第一凹面反射镜的焦点的距离为所述半径的三倍；
[0011]第一探测器，所述第一探测器用于将射入所述检测池内且在所述第二凹面反射镜、第一凹面反射镜和第三凹面反射镜之间来回反射的被待测气体吸收后的第一测量光转换为第一电信号，并传送到分析单元；
[0012]分光器件，所述分光器件用于将射入所述检测池内且在所述第三凹面反射镜、第一凹面反射镜和第二凹面反射镜之间来回反射的被待测气体吸收后的第二测量光在空间上分开；
[0013]第二探测器，所述第二探测器将分光器件分开的光转换为第二电信号，并传送到分析单元；
[0014]分析单元，所述分析单元用于根据吸收光谱技术分别处理所述第一电信号，利用差分吸收光谱技术处理所述第二电信号，从而获得待测气体中至少三种气体的含量。
[0015]根据上述的多气体检测装置，优选地，所述第一光源和第二光源处于所述检测池外相对的两侧。
[0016]根据上述的多气体检测装置，优选地，所述第一光源是激光器，所述第二光源是氙灯或氘灯。
[0017]根据上述的多气体检测装置，可选地，所述多气体检测装置进一步包括:
[0018]至少二个反射镜，所述第一测量光和/或第二测量光经过所述至少二个反射镜后射入或射出所述检测池。[〇〇19]根据上述的多气体检测装置，优选地，所述第一光源和第一探测器处于所述检测池外相对的两侧。
[0020]根据上述的多气体检测装置，优选地，所述第二光源和第二探测器处于所述检测池外相对的两侧。[0021 ]根据上述的多气体检测装置，可选地，所述多气体检测装置进一步包括:
[0022]第一光学窗口，所述第一光学窗口设置在所述检测池的壁上，所述第一测量光倾斜地穿过所述第一光学窗口而射入所述检测池；
[0023]第二光学窗口，所述第二光学窗口设置在所述检测池的壁上，被吸收后的第一测量光倾斜地穿过所述第二光学窗口而射出所述检测池。
[0024]本发明的目的还在于提供了一种多波段多气体检测方法，也即上述多气体检测装置的工作方法，所述多气体检测方法包括以下步骤:
[0025](A1)第一测量光和第二测量光射入检测池内；[〇〇26](A2)入射进检测池的第一测量光依次被第二凹面反射镜、第一凹面反射镜和第三凹面反射镜反射，且在三个凹面反射镜之间来回反射，并被待测气体选择性吸收；[〇〇27]入射进检测池的第二测量光依次被第三凹面反射镜、第一凹面反射镜和第二凹面反射镜反射，且在三个凹面反射镜之间来回反射，并被待测气体选择性吸收；
[0028](A3)探测器将射出所述检测池的第一测量光、第二测量光分别转换为第一电信号、第二电信号，并传送到分析单元；
[0029](A4)分析单元根据吸收光谱技术分别处理所述第一电信号、第二电信号，从而分别获得待测气体中至少三种气体的含量。
[0030]根据上述的多气体检测方法，优选地，所述至少三种气体包括:二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳。
[0031]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
[0032] 1.三个凹面反射镜组成的光路增加了光程，能够测量较低浓度的气体；
[0033]2.将紫外光源与激光光源联合在一个气体室进行气体分析，紫外光源与激光光源分别位于检测池的两侧，两路光交错，接收端位置设计为交错式，避免光路相互遮挡；
[0034]3.激光光源射入和射出检测池时与通光窗片均有一定的角度，能够有效避免干涉噪声，提高测量精度。【附图说明】
[0035]参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是:这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。 图中:
[0036]图1为本发明实施例的多气体检测方法的流程图。【具体实施方式】
[0037]图1和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将在本发明的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。[〇〇38] 实施例1:
[0039]本发明实施例的多波段多气体气体检测装置，所述多波段多气体检测装置包括:
[0040]检测池，所述检测池具有进气口和出气口；[0041 ]第一光源，如可调谐半导体激光器，所述第一光源发出的第一测量光的波长覆盖待测气体中至少一种气体如C0的吸收谱线;所述第一测量光的波长处于可见或红外波段；
[0042]第二光源，如氙灯、氘灯，所述第二光源发出的第二测量光的波长同时覆盖待测气体中至少二种气体如S〇2、N〇2、〇3的吸收谱线;所述第二测量光的波长处于紫外波段；
[0043]第一凹面反射镜，所述第一凹面反射镜设置在所述检测池内的一侧；
[0044]第二凹面反射镜，所述第二凹面反射镜与所述第一凹面反射镜相对地设置在所述检测池内的另一侧；[〇〇45]第三凹面反射镜，所述第三凹面反射镜与所述第一凹面反射镜相对地设置在所述检测池内的另一侧;所述第二凹面反射镜和第三凹面反射镜关于所述第一凹面反射镜的中心轴线对称设置，所述第一凹面反射镜、第二凹面反射镜和第三凹面反射镜的反射面的曲率半径相等;所述第二凹面反射镜和第三凹面反射镜的凹面的焦点处于所述第一凹面反射镜的凹面的中心;所述中心到第一凹面反射镜的焦点的距离为所述半径的三倍；
[0046]第一探测器，所述第一探测器用于将射入所述检测池内且在所述第二凹面反射镜、第一凹面反射镜和第三凹面反射镜之间来回反射的被待测气体吸收后的第一测量光转换为第一电信号，并传送到分析单元；[0〇47]分光器件，如分光光栅或分光棱镜，所述分光器件用于将射入所述检测池内且在所述第三凹面反射镜、第一凹面反射镜和第二凹面反射镜之间来回反射的被待测气体吸收后的第二测量光在空间上分开；
[0048]第二探测器，如线阵CCD、线阵CMOS，所述第二探测器将分光器件分开的光转换为第二电信号，并传送到分析单元；
[0049]分析单元，所述分析单元用于根据吸收光谱技术分别处理所述第一电信号，利用差分吸收光谱技术处理所述第二电信号，从而获得待测气体中至少三种气体的含量。
[0050]为了避免第一测量光和第二测量光在检测池内相互阻挡，进一步地，所述第一光源和第二光源处于所述检测池外相对的两侧。[0051 ]为了降低装置的装配难度，进一步地，所述多气体检测装置进一步包括:
[0052]至少二个反射镜，所述第一测量光和/或第二测量光经过所述至少二个反射镜后射入或射出所述检测池。
[0053]为了降低光学噪声以提高检测精度，进一步地，所述多气体检测装置进一步包括: [〇〇54]第一光学窗口，所述第一光学窗口设置在所述检测池的壁上，所述第一测量光倾斜地穿过所述第一光学窗口而射入所述检测池；
[0055]第二光学窗口，所述第二光学窗口设置在所述检测池的壁上，被吸收后的第一测量光倾斜地穿过所述第二光学窗口而射出所述检测池。
[0056]图1示意性地给出了本发明实施例的多波段多气体检测方法的流程图，也即根据上述的多气体检测装置的工作方法，如图1所示，所述多气体检测方法包括以下步骤:
[0057](A1)第一测量光和第二测量光射入检测池内；[〇〇58](A2)入射进检测池的第一测量光依次被第二凹面反射镜、第一凹面反射镜和第三凹面反射镜反射，且在三个凹面反射镜之间来回反射，并被待测气体选择性吸收；[〇〇59]入射进检测池的第二测量光依次被第三凹面反射镜、第一凹面反射镜和第二凹面反射镜反射，且在三个凹面反射镜之间来回反射，并被待测气体选择性吸收；
[0060](A3)探测器将射出所述检测池的第一测量光、第二测量光分别转换为第一电信号、第二电信号，并传送到分析单元；[0061 ](A4)分析单元根据吸收光谱技术分别处理所述第一电信号、第二电信号，从而分别获得待测气体中至少三种气体的含量。[〇〇62] 实施例2:
[0063]根据本发明实施例1的多气体检测装置及方法的应用例。
[0064]在该应用例中，第一光源采用可调谐半导体激光器，第一测量光的波长覆盖C0的在红外波段的吸收谱线;第二光源采用脉冲氙灯，第二测量光的波长覆盖s〇2、n〇2、〇3的吸收谱线;第一光源与第二光源分别处于所述检测池外相对的两侧，检测池上相对的两侧分别具有第一、第二、第三、第四透明窗口片，第一测量光倾斜地穿过第一透明窗口片后被反射镜反射后依次被第二凹面反射镜、第一凹面反射镜和第三凹面反射镜反射，并在三个凹面反射镜之间来回反射，最后经反射镜反射后倾斜地穿过第二透明窗口片，被第一探测器接收;第二测量光穿过第三透明窗口片后被反射镜反射后依次被第三凹面反射镜、第一凹面反射镜和第二凹面反射镜反射，并在三个凹面反射镜之间来回反射，最后经反射镜反射后穿过第四透明窗口片，被光栅分光;所述第一光源和光栅处于检测池的同一侧，第二光源和第一探测器处于检测池的同一侧;分析单元利用激光吸收光谱技术处理第一探测器输出的第一电信号，从而获知C0的浓度;利用差分吸收光谱技术处理第二探测器输出的第二电信号，从而同时获知S02、N02、03的浓度。
【主权项】
1.一种多波段多气体检测装置，所述检测装置包括检测池;其特征在于:所述多波段多 气体检测装置进一步包括:第一光源，所述第一光源发出的第一测量光的波长覆盖待测气体中至少一种气体的吸 收谱线;所述第一测量光的波长处于可见或红外波段；第二光源，所述第二光源发出的第二测量光的波长同时覆盖待测气体中至少二种气体 的吸收谱线;所述第二测量光的波长处于紫外波段；第一凹面反射镜，所述第一凹面反射镜设置在所述检测池内的一侧；第二凹面反射镜，所述第二凹面反射镜与所述第一凹面反射镜相对地设置在所述检测 池内的另一侧；第三凹面反射镜，所述第三凹面反射镜与所述第一凹面反射镜相对地设置在所述检测 池内的另一侧;所述第二凹面反射镜和第三凹面反射镜关于所述第一凹面反射镜的中心轴 线对称设置，所述第一凹面反射镜、第二凹面反射镜和第三凹面反射镜的反射面的曲率半 径相等;所述第二凹面反射镜和第三凹面反射镜的凹面的焦点处于所述第一凹面反射镜的 凹面的中心;所述中心到第一凹面反射镜的焦点的距离为所述半径的三倍；第一探测器，所述第一探测器用于将射入所述检测池内且在所述第二凹面反射镜、第 一凹面反射镜和第三凹面反射镜之间来回反射的被待测气体吸收后的第一测量光转换为 第一电信号，并传送到分析单元；分光器件，所述分光器件用于将射入所述检测池内且在所述第三凹面反射镜、第一凹 面反射镜和第二凹面反射镜之间来回反射的被待测气体吸收后的第二测量光在空间上分 开；第二探测器，所述第二探测器将分光器件分开的光转换为第二电信号，并传送到分析 单元；分析单元，所述分析单元用于根据吸收光谱技术分别处理所述第一电信号，利用差分 吸收光谱技术处理所述第二电信号，从而获得待测气体中至少三种气体的含量。2.根据权利要求1所述的多气体检测装置，其特征在于:所述第一光源和第二光源处于 所述检测池外相对的两侧。3.根据权利要求2所述的多气体检测装置，其特征在于:所述第一光源是激光器，所述 第二光源是氙灯或氘灯。4.根据权利要求1所述的多气体检测装置，其特征在于:所述多气体检测装置进一步包 括:至少二个反射镜，所述第一测量光和/或第二测量光经过所述至少二个反射镜后射入 或射出所述检测池。5.根据权利要求1所述的多气体检测装置，其特征在于:所述第一光源和第一探测器处 于所述检测池外相对的两侧。6.根据权利要求1所述的多气体检测装置，其特征在于:所述第二光源和第二探测器处 于所述检测池外相对的两侧。7.根据权利要求1所述的多气体检测装置，其特征在于:所述多气体检测装置进一步包 括:第一光学窗口，所述第一光学窗口设置在所述检测池的壁上，所述第一测量光倾斜地穿过所述第一光学窗口而射入所述检测池；第二光学窗口，所述第二光学窗口设置在所述检测池的壁上，被吸收后的第一测量光 倾斜地穿过所述第二光学窗口而射出所述检测池。8.根据权利要求1-7任一所述的多气体检测装置的多气体检测方法，所述多气体检测 方法包括以下步骤:(A1)第一测量光和第二测量光射入检测池内；(A2)入射进检测池的第一测量光依次被第二凹面反射镜、第一凹面反射镜和第三凹面 反射镜反射，且在三个凹面反射镜之间来回反射，并被待测气体选择性吸收；入射进检测池的第二测量光依次被第三凹面反射镜、第一凹面反射镜和第二凹面反射 镜反射，且在三个凹面反射镜之间来回反射，并被待测气体选择性吸收；(A3)探测器将射出所述检测池的第一测量光、第二测量光分别转换为第一电信号、第 二电信号，并传送到分析单元；(A4)分析单元根据吸收光谱技术分别处理所述第一电信号、第二电信号，从而分别获 得待测气体中至少三种气体的含量。9.根据权利要求8所述的多气体检测方法，其特征在于:所述至少三种气体包括:二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳。
【文档编号】G01N21/01GK106018314SQ201610528903
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月30日
【发明人】韩叶星, 盛润坤, 刘立富, 于志伟, 张涵
【申请人】杭州泽天科技有限公司