一种光路系统稳定的气室及其测量仪的制作方法

本实用新型属于烟气检测技术领域，具体涉及一种光路系统稳定的气室及其测量仪。

背景技术：

目前烟气排放监测需要测量烟气中的so2、no、no2等污染物浓度，可以采用紫外吸收法进行测量。通常紫外吸收法测量烟气中污染物浓度有热湿法和冷干法。其中热湿法无需除湿，能够避免冷凝过程中so2、nh3等易溶于水的组分溶解损失，并且可以将气室置于采样管内部，设计成采样管和主机一体的结构，便于携带，因而更加适合便携式烟气分析仪。但是热湿法测量烟气组分的过程中，气室经常处于从环境温度到超过120℃反复交替变化过程中，对于气室光路的稳定性提出了更高的要求。当前热湿法烟气分析仪的气室结构普遍存在稳定性较差的缺点，光电传感器接收到的光信号较大程度上受到气室结构的影响，当气室结构有轻微变形，就会造成接收到的光能量发生较大变化，严重影响了热湿法烟气测量方式的可靠性。除此之外，气室位于采样管内，还存在维护过程难度大的缺点，需要将气室从采样管内拆卸下来后，方可对光系统进行擦拭和维护，完成后还需要重新调校光路。因此，当前的热湿法烟气分析仪普遍存在维护周期短、维护难度大的缺点。

中国专利号：201621006601.4，专利名称为“一种测量气室及安装有该气室的紫外烟气分析仪”的专利文献提供了一种采用热湿法方式测量烟气污染物浓度的气室和装有该气室的紫外烟气分析仪。该测量气室采用y型分叉式光纤，其中一根光纤连接光源称为发射光纤，另一根连接光谱仪称为接收光纤，公共端连接气室。连接气室的光纤中的发射光纤发射出紫外光，经过透镜后进入气室，投射到气室另外一端的反射镜上后反射回到透镜上，被透镜会聚后到达另外一根光纤端部，通过接收光纤到达光谱仪。该结构的透镜和反射镜角度发生轻微变化，就会导致回到接收光纤端部的光能量发生很大变化。而气室经常高低温交替变化，仪器也经常搬运，尤其是搬到几十米高的采样监测平台上，气室的机械结构的稳定性很难得到保证，因此该方案无法满足便携式紫外烟气采样的需要。

中国专利号：201220570891.0，专利名称为“基于角锥棱镜的烟气分析仪”的专利文献也提供了一种采用热湿法方式测量烟气污染物浓度的烟气分析仪。该烟气分析仪包括光源、光谱仪、y型光纤、气室，y型光纤的三个分支分别与光源、光谱仪和气室的一端连接，所述的气室内与y型光纤分支连接的一端安装有准直透镜，气室内另一端安装有角锥棱镜，气室中部的外壁上设置有进气口和出气口。角锥棱镜的轴线和准直透镜的轴线位于同一条直线上。该结构的光路按原光路返回，因此，只有少量的光能达到接收端，也就是光谱仪，实际应用的价值不大，也无法满足便携式紫外烟气采样的需要。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本实用新型的目的是提供一种光路系统稳定的气室及其测量仪，克服现有热湿法烟气分析仪存在的光路系统不稳定影响测量可靠性，以及分析仪维护困难等问题。

本实用新型提供了一种气室，包括真空隔热管，设置在真空隔热管内部的内管，内管两端焊接的内管前端法兰、内管后端法兰，内管前端法兰里安装角锥棱镜，内管后端法兰里安装准直透镜，在现有技术的基础上，本实用新型进一步作出改进：所述内管前端法兰里还安装楔形镜，且楔形镜靠近内管一侧，所述楔形镜为中间厚两边薄的双楔形。

光纤装在准直透镜一端的气室上，发射光纤端部发出的入射光经由准直透镜后成为与准直透镜主光轴呈夹角的平行光，由于发射光纤和接收光纤的光纤头并列且关于主光轴对称，所以发射光纤偏离主光轴，入射光经过准直透镜后的平行光与主光轴形成夹角。

所述入射光经由准直透镜后形成的平行光经由楔形镜后成为与准直透镜主光轴平行的光，楔形镜为中间厚，两边薄关于中心对称的双楔形透明熔石英，平行光入射后出射光会向主光轴偏转，偏转的角度与楔形镜的顶角以及折射率有关，本实用新型设计的楔形镜正好使得平行光入射后出射光成为与主光轴平行的光。

所述经由楔形镜出射的平行的光经由角锥棱镜反射后，出射光与入射光偏转180°，再依次经过楔形镜、准直透镜会聚到接收光纤端部。根据角锥棱镜的特性，入射光经过角锥棱镜三个反射面反射后的出射光与入射光呈180°，出射光与入射光平行，由于楔形镜为双楔形，平行的出射光经过楔形镜后会向主光轴偏转，也就是回程的光线依然可以保持一个与主光轴的夹角，该夹角与发射光纤端部发出的入射光经过准直透镜后与主光轴形成的夹角同角度，接收光纤端部正好会聚反射回来的光能量。

由于楔形镜的偏转角在入射角稍有变化时基本不变，并且角锥棱镜始终使入射光线偏转180°，因此，该气室对楔形镜、角锥棱镜的安装角度不敏感，气室结构稍有变形，造成楔形镜、角锥棱镜的角度发生一定变化时，接收光纤接收到的光能量基本保持不变，具有极高的稳定性。

优选的，还包括用以调节角锥棱镜、楔形镜的调节组件，所述调节组件设置在内管前端法兰内部，包括固定筒、筒盖、胶垫，所述固定筒为两端有开口的圆筒结构，所述楔形镜顶角一侧顶在固定筒内部的一端，所述角锥棱镜的入射面紧邻楔形镜另一侧，所述角锥棱镜的反射面一端顶住胶垫，所述筒盖顶住胶垫与固定筒连接。维护时，比如需要擦拭角锥棱镜和楔形镜，只需拧开筒盖即可，整个调节组件也可以拆除，调整角锥棱镜和楔形镜的角度时，只需要转动调节组件即可。本实用新型所述的角锥棱镜的反射面是指三个相互垂直的面，入射面是指本实用新型用作光线入射和出射的面，也可以叫做出射面。

优选的，所述内管前端法兰另一端焊接外管前端法兰。

优选的，还包括用以过滤烟气的一级滤芯、二级滤芯，所述二级滤芯设置在内管前端法兰内，所述一级滤芯紧邻二级滤芯设置在外观前端法兰内。二级过滤，保证测量精度。

优选的，还包括滤芯压帽，所述滤芯压帽顶住一级滤芯和二级滤芯与外管前端法兰固定。当角锥棱镜、楔形镜需要维护时，只需卸下滤芯压帽，取出一级滤芯和二级滤芯即可。

优选的，所述准直透镜在内管后端法兰被透镜固定筒固定。

优选的，还包括光纤接头，所述光纤接头一端套设在透镜固定筒外部，一端伸出真空隔热管。

优选的，还包括出气嘴，所述出气嘴固定在内管后端法兰上，并且与内管内部连通。

优选的，所述内管前端法兰内壁上设置有导气槽，所述导气槽与内管内部连通。

本实用新型还提供了一种测量仪，所述测量仪安装有上述的气室。

本实用新型的有益效果：

1、本实用新型的方法发射光纤端部发出的光通过准直透镜变成平行光后，只要能照射到角锥棱镜上，就能够保证返回的光回到接收光纤端部，极大的提高了热湿法光路系统的稳定性，基于该方法原理设计的气室、测量仪的光路对采样管变形不敏感，稳定性非常高，降低了光路故障率；

2、安装或调试、维护时取下两个滤芯即可通过旋转调节组件来调整进入到光谱仪的光能量，无需拆下气室，完全解决了热湿法紫外烟气分析仪器维护困难的问题。

3、当光学零件表面由于接触烟气而变得脏污需要擦拭时，只需从前端取下两个滤芯和调节组件，即可擦拭角锥入射面；准直透镜可以采用前端带有脱脂棉或者镜头纸的长杆，利用酒精进行擦拭，擦拭完后按照原样装配，仅需通过旋转调节组件将接收到的光信号调整到所需强度即可。

附图说明

图1为本实用新型气室光路系统的原理图，

图2为本实用新型气室的结构示意图，

图3为本实用新型楔形镜的结构示意图，

图4为本实用新型内管前端法兰的结构示意图，

图5为本实用新型内管后端法兰的结构示意图，

图6为本实用新型调节组件的爆炸图，

图7为本实用新型测量仪外部结构示意图，

图8为本实用新型测量仪内部结构示意图。

附图标注：

1、真空隔热管，2、内管，3、内管前端法兰，31、导气槽，4、内管后端法兰，41、紧定螺钉孔，42、出气孔，5、角锥棱镜，6、准直透镜，7、楔形镜，8、y型光纤，9、调节组件，91、固定筒，92、筒盖，93、胶垫，94、第一o型圈，95、第二o型圈，96、第三o型圈，10、外管前端法兰，11、一级滤芯，12、二级过滤，13、滤芯压帽，14、一级滤芯胶垫，15、透镜固定筒，16、光纤接头，17、出气嘴，18、气室，19、胶圈，20、主机箱，21、气室转接管，22、把手，23、显示屏，24、电源接口，25、数据接口，26、采样泵，27、光谱仪，28、工控机，29、脉冲氙灯，30、电化学传感器组件，31、蠕动泵，32、冷凝除水组件，33、下位机电路板。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，不能理解为对本实用新型具体保护范围的限定。

实施例

参照图1，本实施例的气室包括真空隔热管1，设置在真空隔热管1内部的内管2，内管2两端焊接的内管前端法兰3、内管后端法兰4，内管前端法兰3里安装角锥棱镜5，内管后端法兰4里安装准直透镜6，所述内管前端法兰3里还安装楔形镜7，且楔形镜7靠近内管2一侧，参照图3，所述楔形镜7为中间厚两边薄的圆形双楔形透明熔石英材质。y型光纤8装在准直透镜6一端的气室上。所述内管前端法兰3如图4所示，内管前端法兰3具有导气槽31，所述内管后端法兰4如图5所示，内管后端法兰4具有紧定螺钉孔41，出气孔42。

本实施例用的y型光纤8的发射光纤和接收光纤中心距离为0.4mm,准直透镜6的焦距为20mm,楔形镜7的折射率为1.5，根据楔形镜7顶角公式计算本实施例的楔形镜顶角为1.15°。

楔形镜顶角的推导过程为：

发射光纤端部发出的入射光经由准直透镜6后成为与准直透镜6主光轴呈夹角的平行光，所述平行光与准直透镜6主光轴的夹角为其中，发射光纤和接收光纤中心距离为l纤，准直透镜6焦距为f′；

所述楔形镜7偏向角近似公式为：θ＝(n-1)α，其中，n为光楔介质的折射率，α为光楔顶角，

光线经楔形镜7变为与准直透镜6主光轴平行的光线，偏向角等于

则

则楔形镜7顶角为：

参照图2，y型光纤8发射光纤端部发出的入射光经由准直透镜6后成为与准直透镜6主光轴呈夹角的平行光，也就是光组a和光组b的光线是相互平行的，图中光组a和光组b分别有两条光线，由于光线的间距非常小，所以图示存在重合，所述平行光经由楔形镜7后成为与准直透镜6主光轴平行的光，所述的准直透镜6、楔形镜7和角锥棱镜5的主光轴同轴，所述平行的光经由角锥棱镜5反射后，出射光与入射光偏转180°，再依次经过楔形镜7、准直透镜5会聚到接收光纤端部，也就是光组c是光组a反射回来的光，光组d是光组b反射回来的光，光组c和光组d的光最后会聚到接收光纤。

采用本实施例设计的气室，光路不会受气室结构轻微变形的影响，接收光纤几乎会聚全部发射出去的光能量，测量的精度非常高，不易出现故障。

为了方便光学部件的安装和维护，作为本实施例的一个优选实施方式，所述气室还包括用以调节角锥棱镜5、楔形镜7的调节组件9，参照图6，所述调节组件9设置在内管前端法兰3内部，包括固定筒91、筒盖92、胶垫93，所述固定筒91为两端有开口的圆筒结构，所述楔形镜7顶角一侧顶在固定筒91内部的一端，所述角锥棱镜5的入射面紧邻楔形镜7另一侧，所述角锥棱镜5的反射面一端顶住胶垫93，所述筒盖92顶住胶垫93与固定筒91连接。

进一步为了增加调节组件9的气密性，参照图6，所述筒盖92上套有第一o型圈94，保证筒盖92与固定筒91更紧密结合。为了保护角锥棱镜5、楔形镜7，在角锥棱镜5和楔形镜7的接触面以及楔形镜7与固定筒91的接触面分别设置第二o型圈95和第三o型圈96。

参照图2，本实施例气室的内管前端法兰3另一端焊接外管前端法兰10。为了保证烟气被有效过滤，保证测量精度，作为本实施例的一个优选实施方式，所述气室还包括一级滤芯11、二级滤芯12，所述二级滤芯12设置在内管前端法兰3内，所述一级滤芯11紧邻二级滤芯12设置在外管前端法兰10内。所述一级滤芯11为不锈钢烧结滤芯片，所述二级过滤12为聚四氟乙烯材质滤芯。

为了方便拆卸一级滤芯11和二级滤芯12，作为本实施例的一个优选实施方式，所述气室还包括滤芯压帽13，所述滤芯压帽13顶住一级滤芯11和二级滤芯12与外管前端法兰10固定。为了增加气室的气密性，所述一级滤芯11和滤芯压帽之间可以设置一级滤芯胶垫14。当角锥棱,5、楔形镜7需要维护时，只需卸下滤芯压帽13，取出一级滤芯11和二级滤芯12即可，无需将整个气室拆卸。

本实施例准直透镜6在内管后端法兰4被透镜固定筒15固定。本实施例气室还包括光纤接头16，所述光纤接头16一端套设在透镜固定筒15外部，一端伸出真空隔热管1。所述内管后端法兰4上还设置有出气嘴17，所述出气嘴17与内管后端法兰4的出气孔42连通。所述光纤接头16被穿过内管后端法兰4紧定螺钉孔41的紧定螺钉固定。

参照图7、8，本实施例还提供了一种测量仪，所述测量仪具有主机箱20，主机箱20上安装有气室转接管21，气室转接管21连接本实施例的气室18，所述主机箱20上设置有把手22、显示屏23、电源接口24、数据接口25。主机箱内部设置有采样泵26、光谱仪27、工控机28、脉冲氙灯29、电化学传感器组件30、蠕动泵31、冷凝除水组件32、下位机电路板33。测量仪除气室外的其他结构均为现有技术，不再赘述其连接关系。

本实施例的测量仪工作时，采样泵26工作，使烟气从气室端部的滤芯压帽13经过一级滤芯11、二级滤芯12两级过滤后，从内管前端法兰3的导气槽31进入到内管2内，并经过内管后端法兰4的出气孔42从出气嘴17排出气室，出气嘴17通过软管和主机箱20中的冷凝除水组件32连接，冷凝除水组件产生的泠凝水，通过软管进入到蠕动泵31排出，除水后的烟气进入到采样泵后，再通过软管进入到电化学传感器组件30，最后通过与电化学传感器组件30连通的导气管排出。