專利名稱：測量一氧化碳濃度的儀器及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量一氧化碳濃度的儀器及方法。
技術(shù)背景國內(nèi)外的研究和實踐均證明， 一氧化碳是一種侵害血液、神經(jīng)的有害氣體。長期接觸低 濃度一氧化碳對人體心血管系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)都會產(chǎn)生強烈的毒害作用。而濃度不定的一氧化 碳在環(huán)境空氣中的存在，也會影響著大氣環(huán)境空氣質(zhì)量，因此監(jiān)測環(huán)境空氣中一氧化碳濃度 的含量是保證人體身心健康和控制環(huán)境污染所必需的技術(shù)手段?，F(xiàn)今對環(huán)境中一氧化碳監(jiān)測儀器測定的方法主要有紅外吸收光譜法、定電位電解法、置 換汞法和氣相色譜法等，其中紅外吸收光譜法是現(xiàn)今較先進(jìn)和抗干擾能力較強的技術(shù)。目前 環(huán)境空氣中一氧化碳檢測儀大都是基于紅外吸收光譜法進(jìn)行測量，如文獻(xiàn)"光電子激光， 2002,13(2),133~135"中公開的"新型紅外一氧化碳?xì)怏w分析儀"和文獻(xiàn)"光學(xué)技術(shù)， 2001，27(1),91~94"公開的"利用紅外光譜吸收原理的一氧化碳濃度測量裝置研究"等，均是利 用一氧化碳?xì)怏w對特定波長光能的吸收量與一氧化碳?xì)怏w濃度之間的定量關(guān)系進(jìn)行測量。但 是由于不同氣體之間的特征吸收光譜帶彼此會有重疊，因而除目標(biāo)氣體外的其它氣體也會吸 收測量波長范圍內(nèi)的光能，由此造成測量誤差，這些其它氣體被稱為干擾氣體，在環(huán)境空氣 中常常也會存在，因此現(xiàn)有測量方法由于干擾氣體的存在而導(dǎo)致測量結(jié)果極為不精確，同時 上述文獻(xiàn)中提到的儀器或裝置從測量方法上也無法消除由此造成的誤差，顯然，現(xiàn)有方法得 到的測量結(jié)果并不能實時精確地反映環(huán)境中的一氧化碳濃度。此外，由于環(huán)境空氣在傳送過 程中溫度和壓力都可能發(fā)生改變，濃度也可能發(fā)生改變，因此常常需要對測量結(jié)果進(jìn)行額外 的修正才能精確的得到環(huán)境空氣內(nèi)部的一氧化碳濃度。再有，現(xiàn)有測量裝置中的光電探測器 自身的光電探測特性也會隨溫度變化而變化，這對測量結(jié)果都會產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。因此，如何避免現(xiàn)有一氧化碳濃度測量中存在的諸多問題提高測量精度，實已成為本領(lǐng) 域技術(shù)人員亟待解決的技術(shù)課題。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種具有高精度及高穩(wěn)定性的測量一氧化碳濃度的儀器。 本發(fā)明的另一目的在于提供一種測量一氧化碳濃度的方法，以消除光源波動及光電轉(zhuǎn)換部件的光點轉(zhuǎn)換特性隨溫度變化等所引起的測量誤差。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供測量一氧化碳濃度的儀器，包括用于提供包含一氧化 碳的特征吸收光譜在內(nèi)的紅外光源的發(fā)光部件；具有兩個氣室且使每一氣室都能相對于所述 發(fā)光部件設(shè)置以接收所述發(fā)光部件發(fā)出的紅外光的旋轉(zhuǎn)部件，其中， 一氣室填充有純凈一氧 化碳?xì)怏w，另一氣室填充有與一氧化碳的特征吸收光譜不同的第二氣體；填充包含一氧化碳 的氣體的多次反射腔體，其具有接收入射紅外光線的入光窗、將所述入射紅外光線進(jìn)行多次 反射的反射回路、及與所述反射回路有光路連接的出光窗，其中，所述入光窗相對于所述發(fā) 光部件設(shè)置以便能接收穿過相應(yīng)氣室的入射紅外光；貼設(shè)于所述多次反射腔體的出光窗外側(cè) 且僅能使處于一氧化碳的特征吸收光譜帶的光線通過的濾波部件；貼設(shè)于所述濾波部件表面 且用于將通過所述濾波部件的光線轉(zhuǎn)換為電信號的光電轉(zhuǎn)換部件；用于將所述光電轉(zhuǎn)換部件 送入的電信號進(jìn)行包括放大、及數(shù)學(xué)運算在內(nèi)的各項處理以獲得與所述多次反射腔體內(nèi)填充 的氣體中的一氧化碳濃度相關(guān)的數(shù)據(jù)的模擬數(shù)據(jù)處理器；用于將所述模擬數(shù)據(jù)處理器輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采集部件；用于根據(jù)所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)據(jù)計算所述多次反射 腔體內(nèi)填充的氣體中的一氧化碳濃度的濃度計算部件。其中，所述第二氣體可為氮氣；所述旋轉(zhuǎn)部件可具有電機；所述入光窗和所述出光窗的 材料可為藍(lán)寶石；所述光電轉(zhuǎn)換部件為銻化銦光電探測器。其中，所述反射回路可包括反射由所述入光窗送入的光線的第一平面反射鏡、反射由 所述第一平面反射鏡傳來的光線的第一 1/2拋物面反射鏡、反射由所述第一 1/2拋物面反射 鏡傳來的光線的拋物面反射鏡、反射由所述拋物面反射鏡傳來的光線的第二 1/2拋物面反射 鏡、及反射由所述第二 1/2拋物面反射鏡傳來的光線并將所述光線傳送至所述出光窗的第二 平面反射鏡。其中，所述模擬數(shù)據(jù)處理器可包括用于將所述光電轉(zhuǎn)換部件送入的電信號進(jìn)行放大的 放大器；用于當(dāng)所述旋轉(zhuǎn)部件旋轉(zhuǎn)使相應(yīng)切光片未能阻斷光路時，對光電耦合器形成的氣室 交換脈沖信號進(jìn)行放大的脈沖放大器；用于根據(jù)所述脈沖放大器輸出的氣室交換脈沖信號將 所述放大器輸出的信號分離為與兩氣室分別相關(guān)的信號的信號分離器；用于將所述信號分離 器分離出的信號進(jìn)行減法運算的減法器。所述測量一氧化碳濃度的儀器還可包括相對于所述旋轉(zhuǎn)部件的一側(cè)設(shè)置有光電耦合器； 所述旋轉(zhuǎn)部件的兩側(cè)外緣分別設(shè)置有能阻斷相應(yīng)光電耦合器光路的切光片。所述測量一氧化碳濃度的儀器也可包括與所述數(shù)據(jù)采集部件相連接，且用于采集環(huán)境 溫度的溫度傳感器；與所述數(shù)據(jù)采集部件相連接，且用于采集環(huán)境壓力的壓力傳感器；與所述數(shù)據(jù)采集部件相連接，且用于采集流量的流量傳感器。此外，所述濃度計算部件配置有輸入輸出接口，所述輸入輸出接口可接設(shè)有三通電磁閥、 報警器及氣泵；所述濃度計算部件還可配置有打印機接口、顯示器接口及鍵盤接口；其內(nèi)部 可設(shè)有計時器。本發(fā)明的測量一氧化碳濃度的方法，包括步驟1)旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)動使填充有純凈一氧化碳 氣體的氣室相對于發(fā)光部件，并使所述發(fā)光部件發(fā)出的紅外光線進(jìn)入填充有一氧化碳的氣室； 2)能透過填充有純凈一氧化碳的氣室的光線經(jīng)過入光窗進(jìn)入多次反射腔體，并由所述多次反 射腔體的反射回路將其送至出光窗；3)所述出光窗射出的光線經(jīng)過濾波部件后送入光電轉(zhuǎn)換 部件形成相應(yīng)的與一氧化碳?xì)馐蚁嚓P(guān)的第一電信號；4)旋轉(zhuǎn)部件再次轉(zhuǎn)動使填充有第二氣體 的氣室相對于發(fā)光部件以使所述發(fā)光部件發(fā)出的紅外光線進(jìn)入填充有第二氣體的氣室，其中， 所述第二氣體的特征吸收光譜與一氧化碳的特征吸收光譜不同；5)能透過填充有第二氣體的 氣室的光線經(jīng)過入光窗進(jìn)入多次反射腔體，并由所述多次反射腔體的反射回路將其送至所述 出光窗；6)所述出光窗射出的光線經(jīng)過濾波部件后送入光電轉(zhuǎn)換部件形成相應(yīng)的與第二氣體 氣室相關(guān)的第二電信號7)根據(jù)所述第二電信號及所述第一電信號計算出填充在所述多次反 射腔體內(nèi)的氣體中的一氧化碳濃度。此外，所述測量一氧化碳濃度的方法還可包括一報警步驟，即當(dāng)計算出的一氧化碳濃度 超過預(yù)設(shè)值時報警器報警；也可包括一氣室交換脈沖信號形成步驟，即當(dāng)所述旋轉(zhuǎn)部件旋轉(zhuǎn) 時，設(shè)置在所述旋轉(zhuǎn)部件兩側(cè)的切光片都未能切斷相應(yīng)光電耦合器光路而形成氣室交換脈沖 信號；也可包括一校正步驟，即在對氣體中的一氧化碳濃度進(jìn)行測量前先將多次反射腔體內(nèi) 填充一氧化碳標(biāo)準(zhǔn)氣，并進(jìn)行預(yù)測以校準(zhǔn)測量一氧化碳濃度的儀器。綜上所述，本發(fā)明的測量一氧化碳濃度的儀器及方法采用氣體濾波相關(guān)檢測技術(shù)可精確 測量一氧化碳的濃度，同時可有效消除光源波動及光電轉(zhuǎn)換部件的光點轉(zhuǎn)換特性隨溫度變化 等所引起的測量誤差。


圖1為本發(fā)明的測量一氧化碳濃度的儀器的光學(xué)部分的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的測量一氧化碳濃度的儀器的信號處理部分的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明的測量一氧化碳濃度的方法的流程圖。
具體實施方式
以下將以對環(huán)境空氣中的一氧化碳濃度進(jìn)行測量為例來進(jìn)行詳細(xì)說明。請參閱圖1及圖2，本發(fā)明的測量一氧化碳濃度的儀器主要包括發(fā)光部件l、旋轉(zhuǎn)部件 2、多次反射腔體、濾波部件5、光電轉(zhuǎn)換部件8、模擬數(shù)據(jù)處理器、濃度計算部件等。所述發(fā)光部件1用于提供包含一氧化碳的特征吸收光譜在內(nèi)的紅外光源，其中， 一氧化 碳的特征吸收波長為4. 65 u m。所述旋轉(zhuǎn)部件2具有氣室3和4，且其通過旋轉(zhuǎn)能使每一氣室都能相對于所述發(fā)光部件1 設(shè)置以接收所述發(fā)光部件l發(fā)出的紅外光的，其中，氣室3填充有純凈一氧化碳?xì)怏w，氣室4 填充有與一氧化碳的特征吸收光譜不同的第二氣體，在本實施例中，所述第二氣體為氮氣， 所述旋轉(zhuǎn)部件2設(shè)有電機16，在所述旋轉(zhuǎn)部件兩側(cè)分別設(shè)置有切光片14，且相對于所述旋轉(zhuǎn) 部件的一側(cè)(即左側(cè))設(shè)置有光電耦合器15。所述多次反射腔體填充有環(huán)境空氣，并具有接收入射紅外光線的入光窗6、將所述入射紅 外光線進(jìn)行多次反射的反射回路、及與所述反射回路有光路連接的出光窗7，其中，所述入光 窗6相對于所述發(fā)光部件1設(shè)置以便能接收穿過相應(yīng)氣室的入射紅外光，在本實施例中，所 述反射回路包括反射由所述入光窗6送入的光線的第一平面反射鏡9、反射由所述第一平面 反射鏡9傳來的光線的第一 1/2拋物面反射鏡10、反射由所述第一 1/2拋物面反射鏡10傳來 的光線的拋物面反射鏡11、反射由所述拋物面反射鏡11傳來的光線的第二 1/2拋物面反射鏡 12、及反射由所述第二 1/2拋物面反射鏡12傳來的光線并將所述光線傳送至所述出光窗7的 第二平面反射鏡13，所述入光窗和所述出光窗的材料都為藍(lán)寶石。所述濾波部件5貼設(shè)于所述多次反射腔體的出光窗7外側(cè)且僅能使處于一氧化碳的特征 吸收光譜帶的光線通過，即所述濾波部件5的光譜透光帶的中心波長為一氧化碳的特征吸收 波長4.65um，透光帶半寬為0.2nm，與一氧化碳的光譜吸收峰一致，即所述濾波部件5只允 許透過一氧化碳能夠吸收的那部分波長的光能量，以便能消除雜散光的影響。所述光電轉(zhuǎn)換部件8貼設(shè)于所述濾波部5件表面，用于將通過所述濾波部件5的光線轉(zhuǎn) 換為電信號，在本實施例中，其為銻化銦光電探測器。所述模擬數(shù)據(jù)處理器用于將所述光電轉(zhuǎn)換部件8送入的電信號進(jìn)行包括放大、及數(shù)學(xué)運 算在內(nèi)的各項處理以獲得與所述多次反射腔體內(nèi)填充的環(huán)境空氣中的一氧化碳濃度相關(guān)的數(shù) 據(jù)，其包括用于將所述光電轉(zhuǎn)換部件8送入的電信號進(jìn)行放大的放大器(包括前置放大器 和主放)；用于當(dāng)所述旋轉(zhuǎn)部件2旋轉(zhuǎn)使相應(yīng)切光片14未能阻斷光路時，對光電耦合器15形 成的氣室交換脈沖信號進(jìn)行放大的脈沖放大器；用于根據(jù)所述脈沖放大器輸出的氣室交換脈沖信號將所述放大器輸出的信號分離為與兩氣室分別相關(guān)的信號(即參比信號和分析信號) 的信號分離器；用于將所述信號分離器分離出的信號進(jìn)行減法運算的減法器，此外，所述模 擬數(shù)據(jù)處理器還設(shè)置有增益調(diào)節(jié)器(AGC)，用于根據(jù)分離出的參比信號來調(diào)節(jié)主放增益。所述數(shù)據(jù)采集部件用于將所述模擬數(shù)據(jù)處理器輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，其可為A/D數(shù) 據(jù)采集卡，所述A/D數(shù)據(jù)采集卡可接設(shè)有用于采集環(huán)境溫度的溫度傳感器、用于采集環(huán)境壓 力的壓力傳感器及用于采集環(huán)境空氣流量的流量傳感器等。所述濃度計算部件用于根據(jù)所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)據(jù)計算所述多次反射腔體內(nèi)填充的 環(huán)境空氣中的一氧化碳濃度，其計算方法已為本領(lǐng)域技術(shù)人員所知悉，故在此不再詳述。在 本實施例中，所述濃度計算部件可為PC104工控機，其配置有輸入輸出接口 (即I/0接口)， 且I/0接口接設(shè)有三通電磁閥l和2、報警器及氣泵等，同時，所述PC104工控機還配置有打 印機接口、顯示器接口及鍵盤接口，其內(nèi)部設(shè)置有計時器以提供日歷時鐘等，因此，所述PC104 工控機可與顯示器、打印機及小鍵盤相連接，可完成壓力補償、溫度補償、濃度顯示及自檢 等功能。測量時，先由電機16帶動旋轉(zhuǎn)部件2轉(zhuǎn)動使氣室3相對于所述發(fā)光部件1，所述發(fā)光部 件1發(fā)出的紅外光能進(jìn)入氣室3，再通過藍(lán)寶石入光窗6進(jìn)入多次反射腔體的光束經(jīng)過第一平 面反射鏡9、第一 1/2拋物面反射鏡10、拋物面反射鏡11、第二 1/2拋物面反射鏡12和第二 平面反射鏡13多次反射后通過藍(lán)寶石出光窗7，并經(jīng)過濾光部件5照射在銻化銦光電探測器 上，由于氣室3內(nèi)充有純凈的濃度為100%—氧化碳，因此其幾乎完全吸收了一氧化碳紅外線 吸收譜線上所有的光能，故多次反射腔體內(nèi)填充的環(huán)境空氣所含的一氧化碳對光能的吸收幾 乎可以忽略，因此透過所述濾波器件5到達(dá)所述光電轉(zhuǎn)換器件8的光信號與多次反射腔體內(nèi) 的一氧化碳?xì)怏w濃度無關(guān)，所述光電轉(zhuǎn)換器件8此時形成的電信號為參比信號；接著，電機 16再次帶動旋轉(zhuǎn)部件2轉(zhuǎn)動使氣室4相對于所述發(fā)光部件1，所述發(fā)光部件1發(fā)出的紅外光 能進(jìn)入氣室4，由于氣室4內(nèi)的氮氣不吸收紅外光能，此時光電轉(zhuǎn)換器件8接收到的信號就與 多次反射腔體內(nèi)的環(huán)境空氣所包含的一氧化碳?xì)怏w濃度有關(guān)。在電機16帶動旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)動一 個周期的過程中，氣室3和氣室4交替進(jìn)入光路，這樣銻化銦光電探測器就會按照時間順序 接收到兩個不同的光信號。當(dāng)氣室3通過光路時銻化銦光電探測器接收到的光強為I。，氣室4 通過光路時銻化銦光電探測器接收到的光強為L，銻化銦光電探測器將兩個光信號轉(zhuǎn)換成兩 個電信號后送入模擬數(shù)據(jù)處理器進(jìn)行信號處理，顯然，兩個信號的差值即1「1。與環(huán)境空氣中 的一氧化碳?xì)怏w濃度相關(guān)。此外，由于光路中放有濾光部件5，其只允許一氧化碳能夠吸收的那部分波長的光能量透 過，因而環(huán)境空氣中的干擾氣體自身對光能特定的吸收譜線的那部分紅外波長幾乎無法進(jìn)入 光電轉(zhuǎn)換部件8，即使能有少部分光線進(jìn)入光路，也由于干擾氣體對光能的吸收所造成的兩個 信號(即參比信號和分析信號)的衰減大小相等，故能在L- 1。的差值中被相互抵消，因此' L-I。只由環(huán)境空氣中的一氧化碳?xì)怏w濃度決定，這樣經(jīng)過氣體濾波后，由于干擾氣體與一氧 化碳?xì)怏w的吸收譜線交疊造成的檢測誤差就能得到有效的消除。此外，除干擾氣體以外，發(fā)光部件1發(fā)出的紅外光的光譜特性的變化以及濾光部件5的 濾光特性的變化也會對測量結(jié)果造成影響，然而在測量過程中，除了光線通過的氣室不同， I,和1。都是通過同一個光路得到的，所以這些誤差源對這兩個光信號造成的誤差與光信號自 身的大小成正比，其值只與一氧化碳的濃度有關(guān)。旋轉(zhuǎn)部件2上除了結(jié)構(gòu)對稱的氣室3和4以外，在兩個氣室所在圓周的外緣還設(shè)有兩個 切光片14，在旋轉(zhuǎn)部件2的一側(cè)設(shè)有光電耦合器，其凹槽位于切光片14的圓周。當(dāng)任意一個 切光片14轉(zhuǎn)出光電耦合器中間時，就會產(chǎn)生一個同步脈沖信號。所以在旋轉(zhuǎn)部件2轉(zhuǎn)動的一 周內(nèi)會產(chǎn)生兩個彼此相位差為180度的氣室切換脈沖信號，所述氣室切換脈沖信號可作為信 號分離起分離參比信號和分析信號的同步信號。旋轉(zhuǎn)部件2轉(zhuǎn)動的一個周期內(nèi)，銻化銦光電探測器接收到兩個光信號，旋轉(zhuǎn)部件2不停 地轉(zhuǎn)動，銻化銦光電探測器上就會接收到一系列光信號，光電耦合器15產(chǎn)生一系列的氣室切 換脈沖信號作為同步信號，以使所述信號分離器能正確將接收到的一系列光信號進(jìn)行分離。此外，由于銻化銦光電探測器的光電探測特性會隨環(huán)境溫度的變化而變化，導(dǎo)致在沒有 入射光信號的情況下，模數(shù)轉(zhuǎn)換的結(jié)果也不為零，而是隨溫度的變化而變化，因此需要對儀 器進(jìn)行調(diào)零，調(diào)零可通過兩個電磁三通閥進(jìn)行，由于溫度漂移是比較緩慢的，所以可以認(rèn)為 在每個周期內(nèi)溫度漂移對于信號的影響是一樣的。由上可見，本發(fā)明的測量一氧化碳濃度的儀器可精確測量出環(huán)境空氣中包含的一氧化碳 的濃度，消除發(fā)光部件及濾光部件引起的測量誤差，同時也能有效消除溫度漂移對測量的不 良影響。此外，本發(fā)明的測量一氧化碳濃度的方法主要包括以下步驟首先，在對環(huán)境空氣進(jìn)行測量前先將多次反射腔體內(nèi)填充一氧化碳標(biāo)準(zhǔn)氣，并進(jìn)行預(yù)測 以校準(zhǔn)測量一氧化碳濃度的儀器，此外，也可根據(jù)設(shè)置的溫度及壓力傳感器測出的環(huán)境溫度 及壓力，綜合實驗數(shù)據(jù)公式對得到的一氧化碳的濃度信號進(jìn)行處理，自動消除環(huán)境溫度、壓 力變化引起的測量誤差。接著，旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)動2使填充有一氧化碳?xì)怏w的氣室3相對于發(fā)光部件1以使所述發(fā)光 部件1發(fā)出的紅外光線進(jìn)入填充有一氧化碳的氣室3。接著，能透過填充有一氧化碳的氣室3的光線經(jīng)過入光窗6進(jìn)入填充有環(huán)境空氣的多次 反射腔體，并由所述多次反射腔體的反射回路將所述光線送至出光窗7。接著，所述出光窗7射出的光線經(jīng)過濾波部件5后送入光電轉(zhuǎn)換部件8形成相應(yīng)的與一 氧化碳?xì)馐?相關(guān)的第一電信號(即參比信號)。接著，旋轉(zhuǎn)部件2再次轉(zhuǎn)動使填充有第二氣體(例如氮氣)的氣室4相對于發(fā)光部件1， 以使所述發(fā)光部件1發(fā)出的紅外光線進(jìn)入填充有第二氣體的氣室4，其中，所述第二氣體的特 征吸收光譜與一氧化碳的特征吸收光譜不同。接著，能透過填充有第二氣體的氣室4的光線經(jīng)過入光窗6進(jìn)入多次反射腔體，并由所 述多次反射腔體的反射回路將相應(yīng)光線送至所述出光窗7。接著，所述出光窗7射出的光線經(jīng)過濾波部件5后送入光電轉(zhuǎn)換部件8形成相應(yīng)的與第 二氣體氣室相關(guān)的第二電信號(即分析信號)。接著，根據(jù)所述第二電信號及所述第一電信號計算出填充在所述多次反射腔體內(nèi)的環(huán)境 空氣中的一氧化碳濃度。最后，當(dāng)所計算出的一氧化碳濃度超過預(yù)設(shè)值時報警器報警。此外，為能自動對測量出的信號進(jìn)行分離，可在所述旋轉(zhuǎn)部件旋轉(zhuǎn)時，由于設(shè)置在所述 旋轉(zhuǎn)部件兩側(cè)的切光片未能切斷相應(yīng)光電耦合器光路，而由光電耦合器形成的氣室交換脈沖 信號作為同步信號，以使信號分離器能將參比信號和分析信號正確分離。綜上所述，本發(fā)明的測量一氧化碳濃度的儀器及方法與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點及 突出性進(jìn)步:其采用了氣體濾波相關(guān)檢測方法，消除了千擾氣體對環(huán)境空氣中一氧化碳濃度 測量結(jié)果的影響，因此可以直接對環(huán)境空氣進(jìn)行測量，簡化了測量系統(tǒng)；同時可以廣泛應(yīng)用 于各種復(fù)雜環(huán)境中一氧化碳濃度的檢測，便于推廣；而且測量過程具備真正的在線連續(xù)檢測、 超限報警及檢測周期內(nèi)最高濃度、最低濃度和平均濃度等檢測結(jié)果的自動顯示記錄、并可隨 時查詢和回放的特性；測量結(jié)果能夠真實反映當(dāng)前環(huán)境空氣中一氧化碳的濃度；同時本發(fā)明 能夠自動消除或補償電壓波動、光源波動以及光電轉(zhuǎn)換部件的光電轉(zhuǎn)換特性隨溫度變化引起 的測量誤差，具有高精度、高穩(wěn)定性的特點，能實現(xiàn)儀器故障自動檢測和報警等功能。
權(quán)利要求
1.一種測量一氧化碳濃度的儀器，其特征在于包括用于提供包含一氧化碳的特征吸收光譜在內(nèi)的紅外光源的發(fā)光部件；具有兩個氣室且使每一氣室都能相對于所述發(fā)光部件設(shè)置以接收所述發(fā)光部件發(fā)出的紅外光的旋轉(zhuǎn)部件，其中，一氣室填充有純凈一氧化碳?xì)怏w，另一氣室填充有與一氧化碳的特征吸收光譜不同的第二氣體；填充包含一氧化碳的氣體的多次反射腔體，其具有接收入射紅外光線的入光窗、將所述入射紅外光線進(jìn)行多次反射的反射回路、及與所述反射回路有光路連接的出光窗，其中，所述入光窗相對于所述發(fā)光部件設(shè)置以便能接收穿過相應(yīng)氣室的入射紅外光；貼設(shè)于所述多次反射腔體的出光窗外側(cè)且僅能使處于一氧化碳的特征吸收光譜帶的光線通過的濾波部件；貼設(shè)于所述濾波部件表面且用于將通過所述濾波部件的光線轉(zhuǎn)換為電信號的光電轉(zhuǎn)換部件；用于將所述光電轉(zhuǎn)換部件送入的電信號進(jìn)行包括放大、及數(shù)學(xué)運算在內(nèi)的各項處理以獲得與所述多次反射腔體內(nèi)填充的氣體中的一氧化碳濃度相關(guān)的數(shù)據(jù)的模擬數(shù)據(jù)處理器；用于將所述模擬數(shù)據(jù)處理器輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采集部件；用于根據(jù)所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)據(jù)計算所述多次反射腔體內(nèi)填充的氣體中的一氧化碳濃度的濃度計算部件。
2. 如權(quán)利要求1所述的測量一氧化碳濃度的儀器，其特征在于所述第二氣體為氮氣。
3. 如權(quán)利要求1所述的測量一氧化碳濃度的儀器，其特征在于所述旋轉(zhuǎn)部件具有電機。
4. 如權(quán)利要求1所述的測量一氧化碳濃度的儀器，其特征在于所述入光窗和所述出光 窗的材料都為藍(lán)寶石。
5. 如權(quán)利要求1所述的測量一氧化碳濃度的儀器，其特征在于所述反射回路包括反 射由所述入光窗送入的光線的第一平面反射鏡、反射由所述第一平面反射鏡傳來的光 線的第一 1/2拋物面反射鏡、反射由所述第一 1/2拋物面反射鏡傳來的光線的拋物面 反射鏡、反射由所述拋物面反射鏡傳來的光線的第二 1/2拋物面反射鏡、及反射由所 述第二 1/2拋物面反射鏡傳來的光線并將所述光線傳送至所述出光窗的第二平面反 射鏡。
6. 如權(quán)利要求1所述的測量一氧化碳濃度的儀器，其特征在于還包括相對于所述旋轉(zhuǎn)部件的一側(cè)設(shè)置有光電耦合器；所述旋轉(zhuǎn)部件的兩側(cè)外緣分別設(shè)置有能阻斷相應(yīng)光電耦合器光路的切光片。
7. 如權(quán)利要求1或6所述的測量一氧化碳濃度的儀器，其特征在于所述模擬數(shù)據(jù)處理器 包括用于將所述光電轉(zhuǎn)換部件送入的電信號進(jìn)行放大的放大器；用于當(dāng)所述旋轉(zhuǎn)部件旋轉(zhuǎn)使相應(yīng)切光片未能阻斷光路時，對光電耦合器形成的 氣室交換脈沖信號進(jìn)行放大的脈沖放大器；用于根據(jù)所述脈沖放大器輸出的氣室交換脈沖信號將所述放大器輸出的信號分離為與兩氣室分別相關(guān)的信號的信號分離器；用于將所述信號分離器分離出的信號進(jìn)行減法運算的減法器。
8. 如權(quán)利要求1所述的測量一氧化碳濃度的儀器，其特征在于還包括 與所述數(shù)據(jù)采集部件相連接，且用于采集環(huán)境溫度的溫度傳感器； 與所述數(shù)據(jù)采集部件相連接，且用于采集環(huán)境壓力的壓力傳感器； 與所述數(shù)據(jù)采集部件相連接，且用于采集流量的流量傳感器。
9. 如權(quán)利要求1所述的測量一氧化碳濃度的儀器，其特征在于所述濃度計算部件配置有 輸入輸出接口。
10. 如權(quán)利要求9所述的測量一氧化碳濃度的儀器，其特征在于所述輸入輸出接口接設(shè) 有三通電磁閥、報警器及氣泵。
11. 如權(quán)利要求1所述的測量一氧化碳濃度的儀器，其特征在于所述濃度計算部件還配 置有打印機接口、顯示器接口及鍵盤接口。
12. 如權(quán)利要求1所述的測量一氧化碳濃度的儀器，其特征在于所述濃度計算部件內(nèi)設(shè) 有計時器。
13. 如權(quán)利要求1所述的測量一氧化碳濃度的儀器，其特征在于所述光電轉(zhuǎn)換部件為銻 化銦光電探測器。
14. 一種測量一氧化碳濃度的方法，其特征在于包括步驟1) 旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)動使填充有純凈一氧化碳?xì)怏w的氣室相對于發(fā)光部件，并使所述發(fā)光 部件發(fā)出的紅外光線進(jìn)入填充有一氧化碳的氣室；2) 能透過填充有純凈一氧化碳的氣室的光線經(jīng)過入光窗進(jìn)入多次反射腔體，并由所 述多次反射腔體的反射回路將其送至出光窗；3) 所述出光窗射出的光線經(jīng)過濾波部件后送入光電轉(zhuǎn)換部件形成相應(yīng)的與一氧化碳?xì)馐蚁嚓P(guān)的第一電信號；4) 旋轉(zhuǎn)部件再次轉(zhuǎn)動使填充有第二氣體的氣室相對于發(fā)光部件以使所述發(fā)光部件發(fā) 出的紅外光線進(jìn)入填充有第二氣體的氣室，其中，所述第二氣體的特征吸收光譜 與一氧化碳的特征吸收光譜不同；5) 能透過填充有第二氣體的氣室的光線經(jīng)過入光窗進(jìn)入多次反射腔體，并由所述多 次反射腔體的反射回路將其送至所述出光窗；6) 所述出光窗射出的光線經(jīng)過濾波部件后送入光電轉(zhuǎn)換部件形成相應(yīng)的與第二氣體 氣室相關(guān)的第二電信號；7) 根據(jù)所述第二電信號及所述第一電信號計算出填充在所述多次反射腔體內(nèi)的氣體 中的一氧化碳濃度。
15. 如權(quán)利要求14所述的測量一氧化碳濃度的方法，其特征在于還包括一報警步驟，即 當(dāng)計算出的一氧化碳濃度超過預(yù)設(shè)值時報警器報警。
16. 如權(quán)利要求14所述的測量一氧化碳濃度的方法，其特征在于還包括一氣室交換脈沖 信號形成步驟，即當(dāng)所述旋轉(zhuǎn)部件旋轉(zhuǎn)時，設(shè)置在所述旋轉(zhuǎn)部件兩側(cè)的切光片都未能 切斷相應(yīng)光電耦合器光路而形成氣室交換脈沖信號。
17. 如權(quán)利要求14所述的測量一氧化碳濃度的方法，其特征在于還包括一校正步驟，即 在對氣體中的一氧化碳濃度進(jìn)行測量前先將多次反射腔體內(nèi)填充一氧化碳標(biāo)準(zhǔn)氣，并 進(jìn)行預(yù)測以校準(zhǔn)測量一氧化碳濃度的儀器。
全文摘要
一種測量一氧化碳濃度的儀器及方法，其首先由旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)動使填充有純凈一氧化碳?xì)怏w的氣室相對于發(fā)光部件，并使發(fā)光部件發(fā)出的紅外光線進(jìn)入填充有一氧化碳的氣室，然后透過氣室的光線經(jīng)過入光窗進(jìn)入多次反射腔體，并由多次反射腔體的反射回路將其送至出光窗，并經(jīng)過濾波部件后送入光電轉(zhuǎn)換部件形成相應(yīng)的與一氧化碳?xì)馐蚁嚓P(guān)的第一電信號，接著旋轉(zhuǎn)部件再次轉(zhuǎn)動使填充有第二氣體的氣室相對于發(fā)光部件，使光線依次經(jīng)過相應(yīng)氣室、入光窗、多次反射腔體、出光窗、濾波部件及光電轉(zhuǎn)換部件后形成相應(yīng)的與第二氣體氣室相關(guān)的第二電信號，最后根據(jù)第二電信號及第一電信號計算出填充在多次反射腔體內(nèi)的氣體中的一氧化碳濃度，可實現(xiàn)一氧化碳濃度的精確測量。
文檔編號G01N21/35GK101231240SQ20081003326
公開日2008年7月30日 申請日期2008年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月30日
發(fā)明者徐新宏, 方晶晶, 潘滬湘, 銳 燕, 斌 王, 王云景, 肖存杰, 許林軍, 茜 陳, 魯毅鈞 申請人:中國人民解放軍海軍醫(yī)學(xué)研究所