专利名称：便携式通用红外线气体分析器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于分析仪器。
利用气体对红外辐射有选择性的吸收原理制成的不分光的红外线气体分析器有多种，大多采用薄膜微音器为探测器，按其光路有双光束、串联式、单边交叉式等不同，机械结构异常复杂，典型的双光束红外线气体分析器如图5所示，由电机51、光源52、切光片53、分析室54、参比室55、和薄膜微音器56几部分组成。
另一种采用半导体探测器的红外线气体分析器，如用锑化铟或硒化铅等组成的时间双光路红外线气体分析器如图6所示，也有一套电机带动的调制系统，包括电机61、光源62、参比滤光片63、分析滤光片66、分析室64和锑化铟探测器65等，结构复杂，可靠性差。
还有一种采用光声光谱法的红外线气体分析器，虽然灵敏度高并可进行多组分测量，但也是结构复杂，体积较大，不便携带作实地测量。再一种电化学式的红外线气体分析器，可以做到小型化便于携带，又有寿命短，精度差等缺点。
总之，现有技术的上述仪器大多数机械结构复杂，可靠性差，虽然大多数采用微型计算机控制，提高了自动化水平，但是因为体积和重量都比较大，不便于携带和现场测量使用。
本实用新型的目的是提供一种结构简单、可靠性高、通用性好、全自动操作而又便于携带的红外线气体分析器。
本实用新型是通过下述方案实现的，全部分析器包括光路和检测器，以及包括微型计算机的控制和显示部分，电源等。其特点是光路和检测部分没有电机等运动部件，其光路由红外光源、气室、红外透光片、光谱选择器组成，红外线探测器采用可直接检测红外线而输出电压信号的热电堆矩阵红外线探测器，在气室的进气管之前，有一个由三通阀和碱石棉过滤器组成的测量校正转换气路；电气部分主要有为适应探测器设计的由二只运算放大器组成的前级放大器、微型计算机、显示器、测量校正转换开关、光源电源、免维修固态电池及充电电路，组成由微型计算机控制的自动化测量系统。
表示本实用新型发明内容和实施例有以下附图。
图1、便携式通用红外线气体分析器的检测部分(光路及测量校正转换气路)图2、本实用新型红外光源结构图3、本仪器的电气部分方框图图4、本仪器电气部分中的前级放大器图5、双光束红外线气体分析器(已有技术)图6、半导体探测器双光路红外线气体分析器(已有技术)如图1所示，本实用新型红外线气体分析器的光路由红外光源1、气室2、光谱选择器3、红外透光片6、热电堆矩阵红外探测器4组成，光路十分简单，并且没有如电机等运动部件，使本仪器的可靠性大为提高，本仪器的特点还在于在气室2的进气管21之前，有一个由碱石棉过滤器8和三通阀7连通组成的测量校正转换气路5。测量校正转换气路5和进气管21之间还装有毛细管9。
气室2为圆筒状，用黄铜或纯铝制成，内表面精细抛光，若用黄铜制造抛光后再镀金，气室内壁红外线反射率达95％以上。气室2两端装有进气管21和出气管22，两端面上密封粘接红外透光片6，红外透光片为直径12毫米，厚1毫米的氟化钙晶片，红外线透过率达96％以上。
光谱选择器3为一片状圆环，位于气室2和热电堆矩阵红外探测器4之间的气隙中，该圆环上装有不同规格的窄带滤光片，当测量不同气体时，只需要更换光谱选择器3上的滤光片改变调谐波长。
由三通阀7和碱石棉过滤器8连通接成环形的测量校正转换气路5中，被检测气体从三通阀7的进口进入气路，该气路从三通阀7与过滤器8之间引出被检测气体的引出管，然后通过毛细管9与气室2的进气管21相连接。操纵三通阀7，进入测量校正转换气路5的被检测气体可以通过过滤器8和毛细管9进入气室2，也可以不经过过滤器8而直接通过毛细管9进入气室2，实现校正与测量的转换。毛细管9在气路中的作用是节流和恒流。
本实施例采用的热电堆矩阵红外线探测器4为100点矩阵，灵敏元尺寸为2毫米×2毫米。
本实用新型的红外光源1是特殊设计的，如图2所示，反射面11为半球形凹面，表面镀金，球直径D约8－12毫米，灯丝12用镍铬丝绕制成螺旋状，螺旋直径d约2毫米，长度S约6毫米。本红外光源1的体积小，效率高，当电源电压为5伏，电流200毫安时，功率约1瓦。
为了说明本实用新型的设计特点，先介绍仪器的构成和工作原理。图3表示了本实用新型整机组成原理方框图，光路101包括红外光源1、装有红外透光片6的气室2，光谱选择器3，测量和校正转换气路107接在气室2的进气管21之前。检测器102即热电堆矩阵红外线探测器4将光的信号转变为电压信号，该电压信号经前级放大器103放大后送入微型计算机104，微型计算机104将测量结果在显示器105上显示，与微型计算机104相联的转换器106也与测量和校正转换气路107联接，用以实现零点校正，满度的二次校正和正常测量的转换，实现全自动操作。
由于本仪器中使用热电堆矩阵红外线探测器4直接输出电压信号，前级放大器103也较之已有技术线路简单，制作方便。前级放大器103如图4所示，它由二级低噪音低漂移的运算放大器AD1和AD2组成，(例如可以采用7650型)。运算放大器AD1的反相输入端通过电阻R1接地，同相输入端通过电容C1接地，通过电阻R2接输入信号；输出端通过电阻R3接反相输入端，电容C2、C3防止自激，输出端与AD2的同相输入端相联接；AD2的反相输入端通过电阻R4接地；输出端通过可变电阻R5与反相输入端联接，电容C4、C5防止自激，最后，AD2输出端与微型计算机104的输入端联接。
本实用新型仪器可以用交流和直流二种电源，自带充电电池作直流电源，可以连续工作8小时，电池电压不足有报警装置。
红外线气体分析器测量工作原理是基于贝尔定律I＝I0e－KCL
式中I－检测器测出的红外辐射能量；I0－红外光源发出的红外辐射能量；K－被测气体的吸收系数；C－被测气体的浓度；L－气室的长度。
从贝尔定律可知，对某一气体而言，吸收系数K是固定的，红外光源的红外辐射能量I0是控制了的，气室长度L也是设计而固定的，所以只要从红外检测器测出红外辐射能量I，也就测出了被检测气体的浓度C。实际上，测出一种气体不同浓度时的辐射强度并由红外探测器转换为电压信号，又确定某一标准浓度，据此制出浓度和电压关系的一组曲线并贮存在微型计算机中，实际测量时，测出不同的电压，微型计算机就可根据内存读出被测气体的浓度，并且自动显示出来。
本实用新型的一个重要特点是，在正式测量之前，本仪器能够自动地完成零点(0％)和满度(100％)的校正，而且这种校正无需使用标准气。这种自动校正是这样实现的在本仪器中，气室2的进气管21之前有一个碱石棉过滤器8，操纵转换三通阀7，过滤器8能自动接入到气路中去，造成气体样品中CO2完全被吸收，而认为是零点，红外辐射没有被吸收，是100％，是1V；如果诸如温度、光源能量变化等因素造成1V的变化，微型计算机能够自动地将其调整为1V，然后碱石棉过滤器8从气路中切换出来，被测气体样品直接进入气室2进行测量，因为微型计算机每次都自动地控制电压为1V开始进行气体吸收的比较，而吸收又符合贝尔定律，从而实现了二次自动校正，消除了漂移误差的影响，使本仪器具有并保持了高精度和高稳定度。
本实用新型红外线气体分析器具有如下显著的特点(1)光路简单、无运动部件，可靠性大大提高，体积小，重量轻，便于携带。例如本实施例，仪器体积为长178毫米×宽150毫米×高50毫米，仪器可以用交直流两种电源工作，既可以用单相交流电，又可以用仪器自带的充电电池工作。
(2)仪器具有自动校正零点和满度的功能，而且不用标准气，消除了漂移，所以仪器精度高，稳定性好。
(3)是一种广谱检测仪器，使用范围宽，通用性好，当改变被测气体时，只要更换光谱选择器中的滤光片，改变调谐波长即可，并且仪器是全自动操作，一次操作就实现自动校正直至显示出测量结果。
本实用新型特别适用于二氧化碳、一氧化碳、甲烷、二氧化硫等气体的测量，特别是环境保护、卫生防疫、工业流程等各种条件的现场监测。
权利要求1.一种便携式通用红外线气体分析器，包括光路和检测器、以及包括微型计算机的控制和显示部分，电源等，其特征是光路中没有电机等运动部件，由红外光源1、气室2、红外透光片6、光谱选择器3组成；红外探测器采用可直接检测红外线而输出电压信号的热电堆矩阵红外线探测器4；在气室2的进气管21之前，有一个测量校正转换气路5；包括微型计算机的控制和显示部分中有测量校正转换开关103，在红外线探测器4和微型计算机107之间有由二只运算放大器AD1和AD2构成的前级放大器106。
2.如权利要求1所述的便携式通用红外线气体分析器，其特征是测量校正转换气路5由三通阀7和碱石棉过滤器8组成，从三通阀7和碱石棉过滤器8之间的引出管，再通过毛细血管9与气室2的进气管21相连接。
3.如权利要求1所述的便携式通用红外线气体分析器，其特征是气室2用黄铜或纯铝制成，内表面精细抛光，若用黄铜制造则抛光后再镀金，气室2两端面密封粘接的红外透光片6用氟化钙晶片制成。
4.如权利要求1所述的便携式通用红外线气体分析器，其特征是位于气室2和热电堆矩阵红外探测器4之间的光谱选择器3为片状圆环，其上装有不同规格的窄带滤光片。
5.如权利要求1所述的便携式通用红外线气体分析器，其特征是红外光源1的半球形凹面反射面11表面镀金，球直径D约8－12毫米，灯丝12的螺旋直径d约2毫米，长度S约6毫米。
6.如权利要求1所述的便携式通用红外线气体分析器，其特征是仪器可以用交流和直流二种电源，自带直流充电电池和电压不足报警装置。
专利摘要便携式通用红外线气体分析器是为环境保护、卫生防疫、工业流程监控等检测CO
文档编号G01N21/35GK2213335SQ94247430
公开日1995年11月22日 申请日期1994年12月16日 优先权日1994年12月16日
发明者张尧海, 蔡正华 申请人:张尧海