專利名稱：多組分紅外在線氣體分析儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種應用于煙氣，窖氣，工業煙道的可同時在線測量CO，NO，NO2，SO2，H2O，HF，HCL，CO2等多組分氣體中的一種或多種的紅外氣體分析儀。在該裝置中采用了紅外線濾光技術，紅外線氣體吸收技術，光電轉換技術，電子信號處理技術等最新的現代高科技技術。該裝置可以廣泛應用于電力、環保、石油、化工、冶金、垃圾焚燒等工業部門。
背景技術：
目前，國際國內應用的氣體分析儀主要采用電化學與光學兩種分析技術。電化學的分析儀產品性能不穩定，一致性比較差。為了準確測量，每一次測量前都需要重新標定，在使用過程中維護量比較大，工作成本比較高。而且電化學分析儀工作壽命有限，不能長期工作在工業現場。光學的氣體分析儀主要是采樣式裝置。采樣式氣體分析儀需要有采樣器，采樣管路和分析儀主控單元，成本比較高。采樣器的作用是把粉塵濾掉，所以在長期的運行過程中容易堵塞，經常需要更換，增加了應用成本。對于SO2這類溶于水的氣體測量誤差很大，對于HCL這類極易溶于水的氣體基本無法測量，對于水蒸氣的濃度更是無法測量。酸性氣體溶于水形成酸，對采樣管道腐蝕很大。而且采樣式系統的相應速度很慢，不利于工業現場中的實時控制。
發明內容
本發明針對上述不足之處提供了一種紅外氣體分析儀，采用紅外線濾光技術，紅外線氣體吸收技術，光電轉換技術和電子信號處理技術可以在線實時的測量電力、環保、石油、化工、冶金、垃圾焚燒等工業部門的工業煙道或排放的CO，NO，NO2，SO2，H2O，HF，HCL，CO2等多組分氣體中的一種或多種氣體。
多組分紅外在線氣體分析儀是通過以下方案實現的本裝置采用非發散紅外的測試原理。根據朗伯特—比爾紅外光譜吸收定律(Beer-Lambert Law)，氣體的吸收遵守如下的公式Ax＝log(I0/I)＝a·b·c其中Ax氣體在波長x處被紅外線的吸收量；I0紅外光在被吸收前的光強；I紅外光在被吸收后的光強；a該種氣體的吸收系數；b光程，即被吸收的光路長度；c樣氣濃度。
由以上公式，通過標定的方法就可以得到被測氣體的濃度。
本分析儀包括氣體透射儀、原程反射器、接線控制箱、標準氣標定單元、空氣吹掃裝置和工控機單元六部分。
本分析儀在結構上采用開路式結構。由于是采用單光束的測量方法，所以我們采用一個步進電機帶動一個裝有窄帶濾光片的轉輪，轉輪上裝有六組濾光片。每一組濾光片有兩片，分別是測量濾光片和參比濾光片，對應一種被測氣體。
對于CO，NO，HCL這樣的易被其它氣體的吸收光譜干擾的氣體，采用單光束，單波長的氣室法，即轉輪上的濾光片應用相同的對應于特定氣體吸收的窄帶濾光片，一片為測量濾光片，一片濾光片后面安裝一個濃度為99.9％以上的被測氣體的氣室，作為參比濾光片。對于其它的不容易被其它氣體吸收光譜干擾的測量氣體，采用單光束，雙波長的濾光片法。即轉輪上的濾光片應用不同的窄帶濾光片。一片濾光片為對應于被測氣體吸收的窄帶濾光片，作為測量濾光片。另一片濾光片選擇盡量靠近被測氣體的吸收波長的沒有任何氣體吸收的波長的窄帶濾光片，作為參比濾光片。
光路部分位于氣體透射儀和原程反射儀中，電路部分位于氣體透射儀和控制接線箱中。
光路部分由紅外光源、斬波輪、自標定轉輪、直角棱鏡、凸面鏡、凹面鏡、光學窗口、角錐棱鏡、內部角錐棱鏡、濾光片、氣室、光電傳感器組成。紅外光源發出的紅外光經過斬波電機所帶的斬波輪和自標定轉輪進入到光路系統，經光路系統反射后經濾光片、氣室進入到光電傳感器。完成由光信號到電信號的轉變。
電路部分由電源、光電傳感器、放大部分、濾波部分、信號轉換部分、分析儀箱溫度控制部分、步進電機控制部分組成。電源的功能是給各個電路部分供電。光電傳感器的功能是把光強轉變成相應的電壓信號。放大部分是將傳感器輸出的毫伏信號轉變成1-5伏的電壓信號。濾波部分將電信號中的雜波濾掉。信號轉換部分是采用的特定模塊將1-5伏的電壓信號轉換成RS485通訊信號，用于將測得的電壓信號傳輸到計算機上完成軟件計算。
標準氣標定單元和空氣吹掃裝置構成了氣路部分。自動標定單元通過軟件的控制自動完成標定；空氣吹掃裝置一般采用帶過濾裝置的鼓風機，鼓風機通過空氣吹掃管吹掃氣體透射儀和原程反射儀的光學窗口，保證光學窗口的清潔。
工控機單元通過軟件完成通訊、數據處理、計算、顯示、存儲、報表、打印、標定功能。軟件運行于Windows XP平臺下。
多組分紅外在線氣體分析儀的主要特點是1、依據經典的朗伯特—比爾紅外光譜吸收定律(Beer-Lambert Law)，采用物理方法分析；2、用濾光片實現非發散紅外吸收分析方法；3、光路設計獨特，可適應各種工業現場的需要；4、采用非接觸的紅外開路式，耐腐蝕性強；5、在線實時監測，響應時間小于1秒；6、針對不同的氣體特性，采用不同的分析方法，CO，NO，HCL這樣的易被其它氣體的吸收光譜干擾的氣體，采用采用單光束，單波長的氣室法。對于其它的不容易被其它氣體吸收光譜干擾的測量氣體，采用單光束，雙波長的濾光片法。消除了水蒸氣等其它干擾氣體的影響；7、通過軟件的控制，實現零點的自動檢定和氣體的自動標定功能；8、測量精度高，可達±1％；9、無采樣系統，維護量低；10、適應工業現場的需要，可連續24小時運行；11、開放性好，與其它系統組網方便；12、軟件具有實時顯示、存儲、打印報表等功能。
下面結合附圖對本發明做進一步說明。
圖1是多組分紅外在線氣體分析儀的系統配置圖。
圖2是多組分紅外在線氣體分析儀的光路系統圖。
1紅外光源；2斬波電機；3步進電機；4電源開關；5自標定轉輪；6凹面鏡；7直角棱鏡；8凸面鏡；9角錐棱鏡；10光學窗口；11濾光片轉輪；12步進電機13光電傳感器；14信號處理電路板；15斬波輪。
具體實施例方式紅外光源1發出的紅外線，經過斬波電機2帶動的斬波輪3進入到自標定轉輪5。自標定轉輪5的作用是在一定的時間間隔內進行自標定一次，以確定系統是否工作正常。紅外線經過自標定轉輪5后，打到角錐棱鏡9上，然后光束反射到凸面鏡8上，經過凸面鏡8的反射，光束到達凹面鏡6上，凹面鏡6反射后的光束經過測量氣體到達角錐棱鏡9，反射回凹面鏡6。所以實際上紅外線是被測量氣體兩次吸收。然后，凹面鏡6把紅外線反射回凸面鏡8上，凸面鏡8把紅外線反射到角錐棱鏡9上，經過步進電機12所帶的濾光片轉輪11達到光電傳感器13。在測量不同的氣體的時候，步進電機12會帶動濾光片轉輪，把相應的濾光片轉進紅外光束。
由于我們是采用單光束的測量方法，所以在測量任何一種氣體的時候，步進電機12都會分別把測量濾光片和參比濾光片分別轉入紅外光束。測量濾光片就是對應于被測量的氣體吸收的波長的窄帶濾光片。
針對不同的氣體特性，本裝置采用不同的分析方法，CO，NO，HCL這樣的易被其它氣體的吸收光譜干擾的氣體，采用采用單光束，單波長的氣室法。對于其它的不容易被其它氣體吸收光譜干擾的測量氣體，采用單光束，雙波長的濾光片法。消除了水蒸氣等其它干擾氣體的影響。
這兩種不同的測量方法，本質上的區別是參比濾光片部分的不同。對于單光束，單波長的氣室法，參比濾光片部分是由一片和測量濾光片相同的窄帶濾光片和一個裝滿濃度為99.9以上純度的被測氣體的氣室組成。氣室放在窄帶濾光片的后面，目的是將它們同時置入光路。對于單光束，雙波長的濾光片法，參比濾光片是盡量靠近測量濾光片的波長的沒有任何干擾氣體吸收的窄帶濾光片。通過這兩種測試技術，消除了其它氣體的干擾，提高了測試的精度。
光電傳感器的作用是將光強轉換成相應的mV電壓信號，然后經過放大部分，將傳感器輸出的毫伏信號轉變成1-5伏的電壓信號。信號轉換部分是采用的特定模塊將1-5伏的電壓信號轉換成RS485通訊信號，用于將測得的電壓信號傳輸到計算機上完成軟件計算。
計算機的軟件是在Windows XP的環境下運行的。計算機的軟件完成數據處理、計算、顯示、存儲、報表、打印、自動標定功能。
為了保證系統的運行，系統還有一些附加的組件。氣體透射儀需要在恒溫的情況下運行，所以我們設置了溫控器控制氣體透射儀的溫度在25±1℃。為了保證光學窗口的清潔，我們設計了空氣吹掃裝置。
權利要求
1.多組分紅外在線氣體分析儀，其特征在于結構包括氣體透射儀、原程反射器、接線控制箱、標準氣標定單元、空氣吹掃裝置和工控機單元六部分。光路部分位于氣體透射儀和原程反射儀中，電路部分位于氣體透射儀和控制接線箱中。光路部分由紅外光源、斬波輪、自標定轉輪、直角棱鏡、凸面鏡、凹面鏡、光學窗口、角錐棱鏡、內部角錐棱鏡、濾光片、氣室、光電傳感器組成。紅外光源發出的紅外光經過斬波電機所帶的斬波輪和自標定轉輪進入到光路系統，經光路系統反射后經濾光片、氣室進入到光電傳感器，完成由光信號到電信號的轉變。電路部分由電源、光電傳感器、放大部分、濾波部分、信號轉換部分、分析儀箱溫度控制部分、步進電機控制部分組成。電源的功能是給各個電路部分供電。光電傳感器的功能是把光強轉變成相應的電壓信號。放大部分是將傳感器輸出的毫伏信號轉變成1-5伏的電壓信號。濾波部分將電信號中的雜波濾掉。信號轉換部分是采用的特定模塊將1-5伏的電壓信號轉換成RS485通訊信號，用于將測得的電壓信號傳輸到計算機上完成軟件計算。標準氣標定單元和空氣吹掃裝置構成了氣路部分。自動標定單元通過軟件的控制完自動標定；空氣吹掃裝置一般采用帶過濾裝置的鼓風機，鼓風機通過空氣吹掃管吹掃氣體透射儀和原程反射儀的光學窗口，保證光學窗口的清潔。工控機單元通過軟件完成通訊、數據處理、計算、顯示、存儲、報表、打印、標定功能。軟件運行于Windows XP平臺下。
2.根據權利要求1所述的多組分紅外在線氣體分析儀，其特征在于本裝置在結構上采用開路式結構；
3.根據權利要求1所述的多組分紅外在線氣體分析儀，其特征在于其光路保證了測量時的穩定性和重復精度；
4.根據權利要求1所述的多組分紅外在線氣體分析儀，其特征在于對于CO，NO，HCL這樣的易被其它氣體的吸收光譜干擾的氣體，采用采用單光束，單波長的氣室法；對于其它的不容易被其它氣體吸收光譜干擾的測量氣體，采用單光束，雙波長的濾光片法；
5.根據權利要求1所述的多組分紅外在線氣體分析儀，其特征在于有空氣吹掃裝置保持光學窗口的清潔；
6.根據權利要求1所述的多組分紅外在線氣體分析儀，其特征在于控制接線箱內有溫控裝置保證氣體透射儀內的光路和電路的恒定工作溫度；
7.根據權利要求1所述的多組分紅外在線氣體分析儀，其特征在于可以自動進行零點和氣體的標定。
全文摘要
本發明涉及的是一種在線檢測氣體濃度的紅外氣體分析儀。其結構包括氣體透射儀、原程反射器、接線控制箱、標準氣標定單元、空氣吹掃裝置和工控機單元六部分。本發明的特點是在結構上采用開路式結構。針對不同的氣體吸收特性，分別采用單光束，單波長的氣室法和單光束，雙波長的濾光片法。空氣吹掃裝置保證了光學窗口的潔凈；控制接線箱內有溫控裝置保證氣體透射儀內的光路和電路的恒定工作溫度；獨特可靠的光路設計保證了測量時的穩定性和重復精度。因而本發明具有運行穩定，測量準確，響應速度快，維護量低，能夠24小時在線連續運行等優點。
文檔編號G01N21/15GK1908623SQ20051008835
公開日2007年2月7日 申請日期2005年8月2日 優先權日2005年8月2日
發明者王沖, 劉洪國, 宋晶, 黃冠亞 申請人:德菲電氣(北京)有限公司