一種煙氣監(jiān)測儀的光學(xué)系統(tǒng)及檢測裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種煙氣監(jiān)測儀的光學(xué)系統(tǒng)和檢測裝置，光學(xué)系統(tǒng)主要由凸透鏡與角錐棱鏡組成，優(yōu)點在于反射率高同時當(dāng)光線從底面入射時，不論角錐棱鏡以頂點為中心向任意方向轉(zhuǎn)動，出射光線始終與入射光線平行，這大大降低了安裝要求和校準(zhǔn)難度，同時也降低了在使用過程中因振動而產(chǎn)生的誤差；應(yīng)用了該光學(xué)系統(tǒng)的檢測裝置，具有易校準(zhǔn)、精度高的優(yōu)點，同時，本發(fā)明的檢測裝置采用插入式的檢測探管，結(jié)構(gòu)簡單，方便安裝拆卸，在氣體檢測方面具有良好的應(yīng)用前景。
【專利說明】一種煙氣監(jiān)測儀的光學(xué)系統(tǒng)及檢測裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種煙氣檢測裝置，具體涉及一種利用光譜技術(shù)的煙氣監(jiān)測儀的光學(xué)系統(tǒng)和檢測裝置；屬于氣體檢測【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著人類生活的不斷改善和科技的不斷進步，我們對自身生存的環(huán)境也越來越重視，各種燃料燃燒所排放的大量有害物質(zhì)已成為當(dāng)今世界主要的大氣污染源。為了保護環(huán)境，必須限制各種污染物的排放，因此對排放煙氣的監(jiān)測尤為重要，煙氣主要由so2、co、co2、碳氫化合物以及氮氧化合物等組成，由于不同的氣體成分在不同的波長處有不同的吸收，所以，可以利用光譜分光法來檢測氣體的吸收光譜，再根據(jù)朗伯比爾定律確定煙氣中各個氣體的濃度。
[0003]近些年來，隨著光散射技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外對吸收光譜技術(shù)為基礎(chǔ)的檢測方法儀器的研宄越來越深入，也越來越多地采用插入式的檢測設(shè)備，該檢測設(shè)備可直接安裝在煙道上進行在線監(jiān)測，所以其安裝及維護方便快捷。但目前市場上現(xiàn)有的在線煙道氣體分析儀的檢測裝置的光學(xué)系統(tǒng)大多采用普通反射鏡來傳遞采集接收光信號，安裝精度要求很高或者需要極其復(fù)雜的接收光路，存在光學(xué)校準(zhǔn)難、機械安裝過程復(fù)雜、價格昂貴等缺陷，亟需改進。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種透鏡與角錐棱鏡組成的光學(xué)系統(tǒng)以及應(yīng)用了該光學(xué)系統(tǒng)的檢測裝置，對于安裝的精度要求不高也不需要復(fù)雜的接收光路，且不影響光路的反射效果，檢測裝置具有易校準(zhǔn)、精度高、結(jié)構(gòu)新穎、制造成本低、便于拆卸和安裝等眾多優(yōu)點。
[0005]為了實現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:
一種煙氣監(jiān)測儀的光學(xué)系統(tǒng)，包括:紅外光源、第一凸透鏡、角錐棱鏡、第二凸透鏡和光電探測器；第一凸透鏡、第二凸透鏡和角錐棱鏡之間構(gòu)成檢測區(qū)域；紅外光源發(fā)出的紅外光經(jīng)第一凸透鏡產(chǎn)生紅外平行光束射入檢測區(qū)域中，射入角錐棱鏡的底面后再經(jīng)角錐棱鏡反射至第二凸透鏡并聚焦至光電探測器。
[0006]進一步地，前述紅外光源位于第一凸透鏡的焦點處，所述光電探測器位于第二凸透鏡的焦點處。
[0007]優(yōu)選地，前述紅外光源為可調(diào)諧DFB激光器。
[0008]再優(yōu)選地，前述第一凸透鏡和第二凸透鏡均為平凸透鏡。
[0009]此外，本發(fā)明還公開了一種煙氣監(jiān)測儀的檢測裝置，除了包括前述的光學(xué)系統(tǒng)外，還包括:允許煙道氣體擴散至其內(nèi)腔中的檢測探管、定標(biāo)氣室及隔氣系統(tǒng)；紅外光源、第一凸透鏡、第二凸透鏡及光電探測器安裝于一防水盒內(nèi)，所述角錐棱鏡安裝于檢測探管內(nèi)遠離防水盒的一端；定標(biāo)氣室位于檢測探管和防水盒之間，所述定標(biāo)氣室包括:溫度傳感器、壓力傳感器、標(biāo)準(zhǔn)氣體入口和反吹氣體入口 ；所述隔氣系統(tǒng)位于檢測探管和定標(biāo)氣室之間以防止紅外光直接反射并隔開定標(biāo)氣室和檢測探管。
[0010]進一步地，前述防水盒內(nèi)還設(shè)有用于調(diào)節(jié)第一凸透鏡和第二凸透鏡位置角度的微調(diào)機構(gòu)。
[0011]優(yōu)選地，前述檢測探管的壁體上設(shè)有多個不銹鋼燒結(jié)過濾器。
[0012]更進一步地，前述檢測探管的外壁上還纏繞有參考氣體通道，所述參考氣體通道與標(biāo)準(zhǔn)氣體入口連通。
[0013]具體地，前述反吹氣體入口與檢測探管的內(nèi)腔連通。
[0014]再進一步地，前述檢測探管長度為lm，紅外光源的輸出中心波長經(jīng)溫度傳感器和壓力傳感器鎖定在目標(biāo)波長處，第一凸透鏡的直徑為12.7_，焦距匕為11.53_，紅外平行光束的直徑為4臟，第二凸透鏡的直徑為25mm，焦距&為46.75mm，第一凸透鏡和第二凸透鏡的邊緣距離為6.4mm，角錐棱鏡的有效口徑為45.72mm，該結(jié)構(gòu)的檢測裝置適用于對煙道氨氣濃度進行檢測。
[0015]本發(fā)明的有益之處在于:本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)主要由凸透鏡與角錐棱鏡組成，優(yōu)點在于反射率高同時當(dāng)光線從底面入射時，不論角錐棱鏡以頂點為中心向任意方向轉(zhuǎn)動，出射光線始終與入射光線平行，這大大降低了安裝要求和校準(zhǔn)難度，同時也降低了在使用過程中因振動而產(chǎn)生的誤差；應(yīng)用了該光學(xué)系統(tǒng)的檢測裝置，具有易校準(zhǔn)、精度高的優(yōu)點，同時，本發(fā)明的檢測裝置采用插入式的檢測探管，結(jié)構(gòu)簡單，方便安裝拆卸，在氣體檢測方面具有良好的應(yīng)用前景。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明的一種煙氣監(jiān)測儀的光學(xué)系統(tǒng)的光路圖；
圖2是本發(fā)明的一種煙氣監(jiān)測儀的檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖中附圖標(biāo)記的含義:1、第一凸透鏡，2、第二凸透鏡，3、角錐棱鏡，4、紅外光源，5、光電探測器，6、檢測探管，7、過濾器，8、隔氣斜玻璃，9、壓力傳感器，10、溫度傳感器，11、防水盒，12、微調(diào)機構(gòu)，13、標(biāo)準(zhǔn)氣體入口，14、反吹氣體入口，15、參考氣體通道。

【具體實施方式】
[0018]以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作具體的介紹。
[0019]本發(fā)明的煙氣監(jiān)測儀的光學(xué)系統(tǒng)，包括:紅外光源4、第一凸透鏡1、角錐棱鏡3、第二凸透鏡2和光電探測器5。其光路如圖1所示，第一凸透鏡I和第二凸透鏡2可以并排設(shè)置，第一凸透鏡1、第二凸透鏡2和角錐棱鏡3之間構(gòu)成了檢測區(qū)域；紅外光源4發(fā)出的紅外光經(jīng)第一凸透鏡I產(chǎn)生紅外平行光束進入檢測區(qū)域中，射入角錐棱鏡3的底面后再經(jīng)角錐棱鏡3反射至第二凸透鏡2并聚焦至光電探測器5。為了獲得精確的測量結(jié)果，紅外光源4最好位于第一凸透鏡I的焦點處，而光電探測器5最好位于第二凸透鏡2的焦點處，第一凸透鏡I和第二凸透鏡2優(yōu)選為平凸透鏡，第一凸透鏡1、第二凸透鏡2和角錐棱鏡3均采用可耐高溫的K9玻璃。
[0020]為了使得本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)能夠適用于不同波長的氣體檢測，紅外光源4優(yōu)選采用可調(diào)諧DFB激光器，通過調(diào)節(jié)激光器溫度改變輸出波長，以掃描的方式找到吸收峰，再將激光器的輸出波長鎖定在吸收峰位置。
[0021]此外，本發(fā)明還公開了一種煙氣監(jiān)測儀的檢測裝置，除了包括上面所述的光學(xué)系統(tǒng)外，還包括:檢測探管6、定標(biāo)氣室及隔氣系統(tǒng)。
[0022]檢測探管6插入煙道內(nèi)進行檢測，而煙道內(nèi)的環(huán)境相當(dāng)惡劣，故檢測探管6最好采用耐高溫、耐點腐蝕的316L不銹鋼制成，檢測探管6的內(nèi)腔即為檢測區(qū)域，因而檢測探管6必須是允許煙道氣體擴散至其內(nèi)腔中的。如圖2所示，優(yōu)選在檢測探管6的壁體上設(shè)置多個不銹鋼燒結(jié)過濾器7，煙道中的煙氣分子不間斷地通過過濾器7擴散到檢測探管6的內(nèi)腔中，進入檢測區(qū)域進行測量，而煙氣中的粉塵浮在過濾器7表面，以確保測量氣體中無固體顆粒干擾，同時保證測量室內(nèi)的光學(xué)組件不被灰塵污染，進而提高了測量精度和裝置的使用壽命。
[0023]為了減少日常維護，如圖2所示，紅外光源4、第一凸透鏡1、第二凸透鏡2及光電探測器5均安裝于一防水盒11內(nèi)。定標(biāo)氣室位于檢測探管6和防水盒11之間，具體包括:溫度傳感器10、壓力傳感器9、標(biāo)準(zhǔn)氣體入口 13和反吹氣體入口 14，角錐棱鏡3安裝于檢測探管6內(nèi)遠離防水盒11的一端。本發(fā)明的檢測基于紅外吸收光譜技術(shù)原理，激光從紅外光源4發(fā)出，經(jīng)過定標(biāo)氣室進入檢測探管6內(nèi)，激光由檢測探管6端部的角錐棱鏡3經(jīng)過三次發(fā)射傳回光電探測器5。
[0024]同時，本發(fā)明還實現(xiàn)了溫度和壓力的在線監(jiān)測，其中，溫度傳感器10采用K性電偶用于檢測氣室的溫度，壓力傳感器9用于檢測氣室的壓力。
[0025]進一步地，在防水盒11內(nèi)的接收端還設(shè)有微調(diào)機構(gòu)12，確保接受盡可能多的光束，保證被測氣體分析的精度。此外，在檢測探管6和定標(biāo)氣室之間安裝有將兩者隔開的隔氣系統(tǒng)，以防止激光直接反射，優(yōu)選的隔氣系統(tǒng)為一隔氣斜玻璃8。
[0026]由于煙道內(nèi)的粉塵會吸附于過濾器7上，因此，需要定期對檢測探管6進行反吹，反吹氣體入口 14與檢測探管6的內(nèi)腔連通，向檢測探管6的內(nèi)腔反吹壓縮空氣即可將粉塵吹回?zé)煹溃苊舛氯^濾器7，從而確保正常測量。
[0027]前面我們說過，定標(biāo)氣室包括個標(biāo)準(zhǔn)氣體入口 13，所謂標(biāo)準(zhǔn)氣體，即是確知其濃度的樣本氣體，是為了實現(xiàn)對裝置校準(zhǔn)進而提高測量精度的，為了均勻輸送標(biāo)準(zhǔn)氣體，將參考氣體通道15彎曲纏繞在檢測探管6的外壁上，并且參考氣體通道15與標(biāo)準(zhǔn)氣體入口 13連通，由此即可實現(xiàn)儀器標(biāo)定。
[0028]為了更好地理解本發(fā)明，我們以測量煙道氨氣為例，通過溫度調(diào)節(jié)電路將激光器輸出中心波長鎖定在目標(biāo)波長處，此處所謂的“目標(biāo)波長”即是待檢測氣體的特征吸收峰所在的波長位置，對于氨氣來說其吸收峰位于1500nm附近，此波長可以有效地避開!120、0)2等氣體的干擾，激光器發(fā)出的光經(jīng)過焦距F1=Il.53_第一凸透鏡I發(fā)散為直徑約為4_的光束，進入約Im長的插入式檢測探管6，經(jīng)過探管另一端有效口徑45.72mm的角錐棱鏡3的三次全反射后返回通過F2=46.75mm第二凸透鏡2聚焦到光電探測器5上。其中，第一凸透鏡I的直徑為12.7mm，第二凸透鏡2的直徑為25mm，兩個透鏡之間的距離S為6.4mm。測量其他氣體時，只需對激光器的中心波長進行調(diào)整，同時適當(dāng)調(diào)節(jié)上述各距離即可，通用性強。
[0029]綜上，本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)安裝精度要求不高并且光路結(jié)構(gòu)簡單，檢測裝置易校準(zhǔn)、精度高且便于拆卸和安裝。
[0030]以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，上述實施例不以任何形式限制本發(fā)明，凡采用等同替換或等效變換的方式所獲得的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種煙氣監(jiān)測儀的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，包括:紅外光源、第一凸透鏡、角錐棱鏡、第二凸透鏡和光電探測器；第一凸透鏡、第二凸透鏡和角錐棱鏡之間構(gòu)成檢測區(qū)域；紅外光源發(fā)出的紅外光經(jīng)第一凸透鏡產(chǎn)生紅外平行光束射入檢測區(qū)域中，射入角錐棱鏡的底面后再經(jīng)角錐棱鏡反射至第二凸透鏡并聚焦至光電探測器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種煙氣監(jiān)測儀的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述紅外光源位于第一凸透鏡的焦點處，所述光電探測器位于第二凸透鏡的焦點處。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種煙氣監(jiān)測儀的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述紅外光源為可調(diào)諧DFB激光器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種煙氣監(jiān)測儀的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一凸透鏡和第二凸透鏡均為平凸透鏡。
5.—種煙氣監(jiān)測儀的檢測裝置，其特征在于，包括如權(quán)利要求1-4任一項所述的光學(xué)系統(tǒng)，還包括:允許煙道氣體擴散至其內(nèi)腔中的檢測探管、定標(biāo)氣室及隔氣系統(tǒng)；紅外光源、第一凸透鏡、第二凸透鏡及光電探測器安裝于一防水盒內(nèi)，所述角錐棱鏡安裝于檢測探管內(nèi)遠離防水盒的一端；定標(biāo)氣室位于檢測探管和防水盒之間，所述定標(biāo)氣室包括:溫度傳感器、壓力傳感器、標(biāo)準(zhǔn)氣體入口和反吹氣體入口 ；所述隔氣系統(tǒng)位于檢測探管和定標(biāo)氣室之間以防止紅外光直接反射并隔開定標(biāo)氣室和檢測探管。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種煙氣監(jiān)測儀的檢測裝置，其特征在于，所述防水盒內(nèi)還設(shè)有用于調(diào)節(jié)第一凸透鏡和第二凸透鏡位置角度的微調(diào)機構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種煙氣監(jiān)測儀的檢測裝置，其特征在于，所述檢測探管的壁體上設(shè)有多個不銹鋼燒結(jié)過濾器。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種煙氣監(jiān)測儀的檢測裝置，其特征在于，所述檢測探管的外壁上還纏繞有參考氣體通道，所述參考氣體通道與標(biāo)準(zhǔn)氣體入口連通。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種煙氣監(jiān)測儀的檢測裝置，其特征在于，所述反吹氣體入口與檢測探管的內(nèi)腔連通。
10.根據(jù)權(quán)利要求5-9任一項所述的一種煙氣監(jiān)測儀的檢測裝置，其特征在于，所述檢測探管長度為lm，紅外光源的輸出中心波長經(jīng)溫度傳感器和壓力傳感器鎖定在目標(biāo)波長處，第一凸透鏡的直徑為12.7mm,焦距匕為11.53mm,紅外平行光束的直徑為4_，第二凸透鏡的直徑為25mm，焦距匕為46.75mm，第一凸透鏡和第二凸透鏡的邊緣距離為6.4mm，角錐棱鏡的有效口徑為45.72mm。
【文檔編號】G01N21/3504GK104483284SQ201410846107
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月31日
【發(fā)明者】姚軍, 李偉, 張亞偉, 溫強, 趙亞亭, 李文忠, 閆瑩 申請人:蘇州奧德克光電有限公司