一種多光程單氣室的光譜采樣氣室設(shè)計(jì)方法與裝置的制造方法
【專利說明】
[0001 ](一)
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及光學(xué)系統(tǒng)，具體涉及一種多光程單氣室的光譜采樣氣室的設(shè)計(jì)方法與裝置，主要應(yīng)用在基于光學(xué)、光譜學(xué)特別是吸收光譜技術(shù)的分析儀儀器上，可以測量氣體成份含量和其它物理化學(xué)特性。
[0002](二)
【背景技術(shù)】
現(xiàn)有成熟測量技術(shù)測量氣體成份包括:催化燃燒傳感器、電化學(xué)傳感器、金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器等。在要求比較苛刻的在線分析應(yīng)用，上述技術(shù)的劣勢集中表現(xiàn)為:廣譜反應(yīng)，選擇性差，易受干擾，傳感單元屬于消耗型，壽命短。氣相液相色譜儀也可用于測量氣體成份含量，但一般只用于試驗(yàn)室分析。它價(jià)格昂貴，步驟繁瑣，操作復(fù)雜，使用載氣，檢測時(shí)間長，不適于在線應(yīng)用。
[0003]光譜技術(shù)可選擇特定波段檢測目標(biāo)分析物，能有效處理其它物質(zhì)的光譜干擾。光譜分析具有速度快、非接觸性、非消耗性等優(yōu)勢特點(diǎn)。可實(shí)現(xiàn)快速、精準(zhǔn)、穩(wěn)定的檢測。由于可調(diào)制激光吸收光譜具有極高的靈敏度，現(xiàn)國際大公司開發(fā)競相開發(fā)用于石化領(lǐng)域的氣體在線分析儀。對于選定的目標(biāo)分析物，首先根據(jù)半導(dǎo)體激光管的市場供應(yīng)和生產(chǎn)工藝，選擇合適波長的半導(dǎo)體激光管作為吸收光源。之后，對于分析物的測量靈敏度起決定作用的就是吸收光程了。再根據(jù)測量范圍的大小，選擇不同的光程。
[0004]吸收光譜技術(shù)可以實(shí)時(shí)在線監(jiān)測石油化工過程、石油天然氣管道儲運(yùn)、環(huán)保環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)牧業(yè)等應(yīng)用場合的氣體，為控制決策提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。現(xiàn)在工業(yè)上分析儀器使用的采樣氣室設(shè)計(jì)尤其是多次反射的長光程氣室，都是一個測量物的一個量程采用一個通道、一個氣室。即使只是量程發(fā)生變化，采用不同光程，不得不使用另外一個氣室。更不用說多種分析物的同步測量，這使得基于吸收光譜技術(shù)的氣體分析吸引力大打折扣。基于航空航天技術(shù)的特別需求，美國空氣動力推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)的科學(xué)家們設(shè)計(jì)制造了一個四通道的吸收光譜分析儀，用于搭載航空飛行器在火星上對甲烷和水等痕量成份進(jìn)行分析。
[0005]本專利針對工業(yè)應(yīng)用環(huán)境，設(shè)計(jì)一個具有集成多個不同光程的單氣室的光譜采用氣室，可以實(shí)現(xiàn)采用多個光源對多個目標(biāo)成份的準(zhǔn)確測量。由于多路復(fù)用，氣室數(shù)目減少，體積和重量減少，制造成本降低。正常使用所消耗的過程氣體和校驗(yàn)氣體減少。熱負(fù)載小，維持溫度穩(wěn)定消耗的能源減少，穩(wěn)定性提高。所使用的附件如流路控制的閥門，管路，過濾器減少。所使用的電子器件如溫度變送器和壓力變送器減少，對應(yīng)的分析儀接口減少，提高分析儀的資源利用率。對比多氣室無論是并聯(lián)還是串聯(lián)，本發(fā)明設(shè)計(jì)是在同一時(shí)間測量氣體的同一狀態(tài)，可提高修正模型的準(zhǔn)確性。
[0006](三)

【發(fā)明內(nèi)容】

本發(fā)明為了提高采樣氣室的使用效率，提供了一種應(yīng)用在吸收光譜技術(shù)的氣體分析儀上的多光程單氣室的光譜采樣氣室的設(shè)計(jì)方法與裝置，本裝置主要包括:兩個端鏡，氣室腔體和狀態(tài)傳感器(溫度，壓力和流量等)。
[0007]本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
一種多光程單氣室的光譜采樣氣室裝置，其特殊之處在于:包括兩個端鏡采用多重環(huán)形設(shè)計(jì)，各環(huán)之間環(huán)環(huán)相套，每個環(huán)形具有不同的曲率半徑。
[0008]本發(fā)明的多光程單氣室的光譜采樣氣室裝置，每個環(huán)帶結(jié)合氣室腔長，均有適合光程需求的傳播模式。
[0009]本發(fā)明的多光程單氣室的光譜采樣氣室裝置，各個模式的光程范圍差別大，有利于實(shí)現(xiàn)不同目標(biāo)分析物和測量范圍的需求。
[0010]本發(fā)明的多光程單氣室的光譜采樣氣室裝置，端鏡上環(huán)帶數(shù)目可以是一個，兩個，三個等任何整數(shù)。端鏡可以采用環(huán)狀設(shè)計(jì)，外環(huán)、中環(huán)和內(nèi)心環(huán)環(huán)相套。
[0011]本發(fā)明的多光程單氣室的光譜采樣氣室裝置，端鏡中心部分可以是圓形也可以是矩形等任何形狀，環(huán)形部分可以是圓環(huán)形也可以是橢圓環(huán)形。
[0012]本發(fā)明的多光程單氣室的光譜采樣氣室裝置，每個通道的進(jìn)光孔與出光孔在端鏡表面分布，可設(shè)計(jì)在一個端鏡上也可設(shè)計(jì)在兩個端鏡上，可以平均分布，也可集中分布。
[0013]本發(fā)明的多光程單氣室的光譜采樣氣室裝置，每個通道進(jìn)光孔與出光孔可以是開放空間耦合，也可以是光纖耦合。
[0014]本發(fā)明的多光程單氣室的光譜采樣氣室裝置，每個通道進(jìn)光孔與出光孔對采樣氣室的耦合，可以帶角度調(diào)節(jié)，也可以不帶角度調(diào)節(jié)。
[0015]本發(fā)明的多光程單氣室的光譜采樣氣室裝置，在氣室腔體上或者氣體的進(jìn)口出口處安裝狀態(tài)測量部件，包括但不限于壓力變送器、溫度變送器和流量計(jì)。
[0016]本發(fā)明的多光程單氣室的光譜采樣氣室裝置，氣室可以是密閉的，也可以是開放空間的。
[0017]本發(fā)明的多光程單氣室的光譜采樣氣室裝置，對于密閉氣室，氣室腔體與兩個端鏡密封連接。
[0018]本發(fā)明的多光程單氣室的光譜采樣氣室裝置，適用于不同波長的各種光源，適用直測和調(diào)制解調(diào)等不同吸收光譜技術(shù)，適用不同分析氣體。
[0019]本發(fā)明的多光程單氣室的光譜采樣氣室裝置，根據(jù)所選波長的范圍，對于不同曲率半徑的反射鏡采用統(tǒng)一的增反鍍膜或采用專門配置的鏡面鍍膜。對于不同曲率半徑的反射端鏡采用的增反鍍膜。
[0020]本發(fā)明的多光程單氣室的光譜采樣氣室裝置，氣室腔體表面采用專門的防腐防吸附鍍膜。
[0021]以下是本發(fā)明通用型設(shè)計(jì)步驟，即有η個相套環(huán)帶的端鏡的氣室設(shè)計(jì)步驟。
[0022]因本發(fā)明的設(shè)計(jì)方案有利于對多種目標(biāo)氣體的同步測量、同一目標(biāo)氣體的不同量程范圍自動切換。在選擇器件的關(guān)鍵參數(shù)時(shí)，應(yīng)該采用如下的操作流程(附圖10)。
[0023]端鏡的設(shè)計(jì)是本發(fā)明的核心部分，主要是進(jìn)一步確定端鏡的各個參數(shù)，如附圖1所示。根據(jù)光線傳輸?shù)膸缀喂鈱W(xué)或矩陣光學(xué)理論，都可以得到Herr1t氣室的同光孔進(jìn)出耦合的計(jì)算公式。
[0024](I)確定氣室容積需求:容積越大所消耗的氣體就越多；如果采用的氣體流速一定，那勢必就會犧牲反應(yīng)的靈敏度。據(jù)此可以得出腔體長度和腔體半徑的約束關(guān)系。
[0025](2)確定光程:分析測量需求，根據(jù)分子吸收光譜的數(shù)據(jù)庫和可供選擇的半導(dǎo)體激光器，選定光源的發(fā)射波長和掃描范圍。進(jìn)而可以確定每個分析通道的光程需求即N*d的值。
[0026](3)確定光源的質(zhì)量:通過實(shí)驗(yàn)測量獲得傳播距離為d的空間內(nèi)光源的準(zhǔn)直性，根據(jù)高斯光束的性質(zhì)進(jìn)一步確定光斑在Z=O和d處的尺寸。確認(rèn)該光程模式分布，即每個環(huán)帶的直徑最小允許值和環(huán)帶的寬度。
[0027](4)根據(jù)N，d的值，就可以求出端鏡各環(huán)帶部分對應(yīng)的曲率半徑。
[0028](5)綜合以上信息，計(jì)算進(jìn)出光孔的分布和入射角。
[0029]其中，N代表光線的反射次數(shù)，d代表氣室的長度，z代表氣室在長度方向上的坐標(biāo)z軸。
[0030]通過步驟(3)(4)(5)計(jì)算端鏡的環(huán)帶結(jié)構(gòu)和進(jìn)出光孔的分布和入射角。使用相關(guān)環(huán)帶、腔體的全部或部分參數(shù)確定一個或多個和值、差值、比值、均方誤差、決定系數(shù)、互相關(guān)函數(shù)、三角函數(shù)值、回歸系數(shù)、方程邊界值。
[0031]本發(fā)明的多光程單氣室的光譜采樣氣室裝置，根據(jù)測量氣體和精度要求，采用或不采用鍍膜、防腐的腔體表面處理。
[0032]本發(fā)明有益效果:
(1)將幾個分析通道集成到一個氣室，充分利用傳統(tǒng)Herr1t氣室被浪費(fèi)的中部空間，使整個分析儀外殼的體積成功降至20%-30%，實(shí)現(xiàn)分析儀的小型化，智能化；
(2)溫度穩(wěn)定性提高，單氣室熱負(fù)荷小，利于有效的溫度控制，分析儀的能源功耗降低至30%左右；
(3)測試準(zhǔn)確性提高，由于所有通道都是在同一氣室采集的光譜信息，擁有同樣的物理狀態(tài)，利于全局補(bǔ)償模型的修正；
(4)降低測量時(shí)的氣體采樣量，節(jié)省70%以上的氣體使用;尤其是在使用價(jià)格昂貴的符合國家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的混合氣罐時(shí)；
(5)提高分析儀的測量反應(yīng)時(shí)間，傳統(tǒng)分析儀使用多個氣室串聯(lián)時(shí)，氣體逐級流通，遲滯了時(shí)間。本設(shè)計(jì)的反應(yīng)時(shí)間加快的現(xiàn)有設(shè)計(jì)的反應(yīng)時(shí)間的30%。
[0033]本發(fā)明的創(chuàng)新之處在于:
(I)在單一氣室里實(shí)現(xiàn)了不同量級光程范圍的多個光路。
[0034](2)同一光程在同一鏡面的不同光斑均勻分布，高斯光斑在空間重合并因此而造成干涉條紋的幾率相比橢圓非均勻分布降低90%。
[0035]( 3)使用單氣室設(shè)計(jì)，帶來一系列的優(yōu)勢，具有極高的市場價(jià)值。
[0036](四)
【附圖說明】
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0037]附圖1為本發(fā)明多光程單氣室的光譜采樣氣室結(jié)構(gòu)示意圖；
附圖2為本發(fā)明多光程單氣室的光譜采樣氣室原理圖；
附圖3為本發(fā)明端鏡結(jié)構(gòu)圖；
附圖4為本發(fā)明多光程氣室的光斑分布與空間傳播模式；
附圖5為本發(fā)明進(jìn)光孔和出光孔盡量在近端鏡的