[發明專利]一種基于非分光紅外原理的開路式CO2/H2O監測裝置

在審

• 申請號: 201410206898.8
• 申請日: 2014-05-15
• 公開（公告）號: CN103969210A
• 公開（公告）日: 2014-08-06
• 發明（設計）人: 余同柱;趙欣;桂華僑;張礁石;王杰;程寅;劉建國;陸亦懷
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: G01N21/3504
• 分類號: G01N21/3504;G01N21/01
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 成金玉;賈玉忠

技術領域

本發明涉及一種基于非分光紅外原理的開路式CO₂/H₂O監測裝置，屬于溫室氣體監測技術領域。

背景技術

近年來，CO₂濃度是許多領域需要實時監測和分析的重要參數。隨著人們對環境保護的日益重視，對大氣中CO₂氣體、H₂O濃度進行定量監測與控制已經成為日益增長的需求。目前，氣體濃度的快速監測技術、監測方法根據被測氣體性質、實際監測條件、監測精度的差別而有所不同，大多數CO₂監測儀都只適合高濃度CO₂氣體的監測，而對環境中CO₂氣體的監測精度卻很低。因此，需要設計一種能夠適應大氣中相對低濃度環境的快速CO₂、H₂O分析儀器，便于在特定環境下進行濃度監測，并保證其工作的精確度。

傳統的非光譜技術在大氣污染成分的監測中曾得到了廣泛的應用，但是它們一般靈敏度不高，測量精度較低，相應速度較慢，穩定性較差，攜帶不方便，并且不能進行實時的大氣氣體監測。紅外氣體分析法的特點是可以同時測定多種氣體，測量范圍寬，精度高，可連續分析和實現自動控制。該方法是當前重要污染氣體監測的主要方法，現有的監測裝置中通常都有一個或多個密閉的氣室，氣室的設計不僅要考慮氣室的長度，理論上氣室越長越好，但是實際上氣室長度受到諸多因素的限制，而且還得考慮待測氣體的性質，來選擇氣室的材料和光潔度。一般地，對于密閉的氣室還必須對待測的氣體進行干燥、恒溫等預處理。專利CN102183482A中提到的分析儀可以測量CO₂和H₂O的濃度，但其采用密閉的氣室，需要對氣室內部噴耐腐蝕材料，增加了制造的成本，為了避免待測氣體中水汽的凝結，需要對待測氣體進行加熱預處理，增加了預處理的難度。

發明內容

本發明的目的是：克服現有技術的不足，提供基于非分光紅外原理的開路式CO₂/H₂O監測裝置，可以用在相對低濃度環境下進行CO₂和H₂O濃度的快速測量，且時間分辨率高。

為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案為：一種基于非分光紅外原理的開路式CO₂/H₂O監測裝置，其特征在于包括：紅外光源1，拋物面反射鏡2、外殼3、電機4、45°反射鏡5、斬波輪6、濾光片7、準直透鏡8、第一窗片9、氣體光路10、第二窗片11、聚焦透鏡12和光探測器13；所述電機4用來驅動斬波輪6；所述斬波輪6沿圓周等間隔均勻分布有四個通孔，通孔中分別安裝有濾光片7，所述濾光片7分別為能透過CO₂能吸收的紅外信號光的帶通濾光片、透過H₂O能吸收的紅外信號光的帶通濾光片和參考氣體能吸收的紅外信號光的2個帶通濾光片；紅外光源1發射的紅外光，經過拋物面反射鏡2聚焦，使能量更加集中，經過45°的反射鏡5反射后，通過斬波輪6上面的濾光片7選擇性透過，經過準直透鏡8準直后通過第一窗片9進入氣體光路10，出射光被待測氣體分子吸收，未吸收部分繼續按照原方向傳播，最后光束通過第二窗片11由聚焦透鏡12聚焦到光探測器13表面，光探測器13將光信號轉換為電信號。

所述紅外光源1為熱輻射型紅外光源，輻射波長范圍從可見光到5μm。

所述斬波輪6為航空鈦材質；所述外殼3為金屬；紅外光源1和電機4處于一個封閉的金屬殼空間內；金屬殼的連接處都采用O型密封圈密封，用來與外界空氣完全隔絕。

所述電機4為直流無刷電機。

所述的濾光片7為硅片材質，均為窄帶濾光片，中心波長分別為4.26μm、2.9μm、3.95μm、3.95μm，分別與CO₂、H₂O和參考氣體的吸收波長相對應。

所述第一窗片9和第二窗片11為藍寶石材質。

所述拋物面反射鏡2和45°反射鏡5材質均為K9玻璃，并鍍有金反射膜，反射率達到98％以上。

所述準直透鏡8和聚焦透鏡12均為氟化鈣材質，并鍍有增透膜，透過率達到90％以上。

所述氣體光路10為一段開放氣體光路。

所述光探測器13為自帶有濾光片的單通道PbSe紅外光探測器。

本發明與現有技術相比具有以下優點：