CN116660166B - 一种用于腔辅助气体浓度测量的气体腔结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于腔辅助气体浓度测量的气体腔结构，包括进气阀、导流部件、腔镜、出气阀，进气阀和出气阀设置在所述气体腔的侧面；在所述气体腔内填充设置导流部件，该导流部件为圆柱形；样品气体通过所述进气阀进入到气体腔中，在所述导流部件的引导下，将样品气体引导至腔镜的表面附近，然后样品气体通过所述导流部件调头进入所述气体腔的管道组件，在管道组件内进行气体吸收。该结构简单易用，仅通过极小的改变即可实现气体腔优化，无需增加复杂的高压、真空气体回路，同时能够实现高效的气体腔清洗功能。
Description
技术领域
本发明涉及气体腔技术领域，尤其涉及一种用于腔辅助气体浓度测量的气体腔结构。
背景技术
目前痕量气体测量技术有可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）、光腔衰荡光谱（CRDS）、噪声免疫腔增强光外差分子光谱（NICE-OHMS）等，相关技术在线原位检测中，采用气体腔作为气体富集、采样、吸收的主要载体，在低浓度探测时，由于吸收信号较弱，通常结合长光程、谐波检测、腔增强等手段来提高探测的灵敏度，是一类具有灵敏度高、选择性好、响应速度快、精度高等的气体光谱检测技术，广泛应用在石化、煤炭、冶金、化工、市政燃气、环境监测、农业等多种场所现场检测。气体腔是以上痕量气体测量设备的核心结构单元，是一种具有精密结构的密封腔体，往往具有高刚性、密封性、固定流动逻辑等特点，用于提供光谱吸收场所、增加吸收光程、控制流动逻辑等，其特性直接影响仪器的性能表现。一般地，一套完整的痕量气体测量光谱仪由连续可调谐激光器、气体腔、光电探以及辅助控制系统组成。检测过程一般由充气、目标波长吸收、信号测量、拟合数据，最终换算得到气体成分与组分含量。作为痕量气体的检测手段，痕量气体的特点就是目标气分的组成比例极低、含量极低，因此待测样品从某种程度来说，是一类精度较高的标准气体，任何异种气体的混合都会直接影响测量结果的准确程度，因此在气体测量过程中，充气进样的过程在整个测量当中尤为重要。一般来说，仪器在一次检测结束后，新的进样过程中会残留一部分上次检测的气体，干扰下一次检测的结果，需长时间通入待检气体，来尽量稀释残留气体的比率，这就使得样品气体消耗量巨大，充气准备耗时较长，降低了测量精度与效率。在一些特殊气体测量应用中，大气量的消耗也带来了安全与废弃污染等问题。
传统气体腔一般采用直通或者回路的设计，样品气流通过进气阀门、三通等进入到腔内，在气泵的驱动下进行气体交换，无论是否采用多路回路设计，三通或进气阀门对应的出口在布局上会在气体腔中出现一定的盲区，气流由于气泵的负压作用，导致这一部分盲区的残留气体很难被充分“清洗”。因而这一盲区的气体会在进样过程完成后，参与到新的采样流程当中，对新的测量结果产生干扰。一般来说，由于进气结构（阀门等的尺寸限制）的尺寸基本固定，再小的仪器其标准阀门结构也不可能太小，就算定制的阀门也需要占用一定的体积，致使气流的“清洗盲区”的范围在所有气体腔仪器的结构中相对不变，这就使得气体腔长越短，盲区所占腔长的比例就越大，对于某些精度、分辨率要求不高的或仪器体积要求比较严格的场景，本应通过减少腔长、减小体积，维持一定精度，然而盲区比例的增加，增加了仪器的测量误差，其实也变相降低了仪器气体腔长减小的空间，阻碍了仪器小型化。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于腔辅助气体浓度测量的气体腔结构，该结构简单易用，仅通过极小的改变即可实现气体腔优化，无需增加复杂的高压、真空气体回路，同时能够实现高效的气体腔清洗功能。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种用于腔辅助气体浓度测量的气体腔结构，所述气体腔结构包括进气阀、导流部件、腔镜、出气阀，其中：
所述进气阀和出气阀设置在所述气体腔侧面靠近腔镜的位置；
在所述气体腔内填充设置导流部件，根据气体腔的形状将导流部件设置为圆柱形，导流部件的外径与所述气体腔的管道组件内径接近，在嵌套时所述导流部件的外径与管道组件的内径形成狭小的环形通道；其中，所述所述导流部件位于进出气阀体之间，靠近阀体的地方，用于将阀体气体导引至腔镜；
样品气体通过所述进气阀进入到气体腔中，在所述导流部件的引导下，将样品气体引导至腔镜的表面附近，所述导流部件的外径与所述气体腔的管道组件的内径形成环形流动通道，导流部件的端部具有一定密封结构，使得样品气体在进出阀体气压的作用下，从进气口流向出气口，形成回路，同时样品气体在管道组件内进行气体吸收；
气体吸收完成后，再通过所述导流部件的引导将吸收后的气体通过出气阀排出所述气体腔；具体来说，吸收后的气体流向远端的腔镜，在导流部件的作用下流向出气阀，气体排出，完成测试；
通过上述气体腔结构，使得样品气体能够流过进气阀与出气阀中间以外的部分，扩展气体腔有效吸收长度d，使气体腔有效吸收长度d更接近实际腔长L，从而增加气体填充比RL的数值，实现更加精确的测量；
其中，气体填充比RL是指在气体腔辅助测量的激光光谱气体检测技术中，气体腔有效吸收长度d与实际腔长L之间的比例，即气体填充比RL=d/L，RL∈(0,1)。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述结构简单易用，仅通过极小的改变即可实现气体腔优化，无需增加复杂的高压、真空气体回路，同时能够实现高效的气体腔清洗功能，为优化激光光谱痕量气体检测的精度、灵敏度、读出误差提供更好的硬件保障，并为仪器设备的小型化奠定一定基础。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的用于腔辅助气体浓度测量的气体腔结构结构示意图；
图2为本发明实施例所述气体腔结构的局部放大示意图；
图3为本发明实施例所述导流部件的结构示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1为本发明实施例提供的用于腔辅助气体浓度测量的气体腔结构结构示意图，所述气体腔结构包括进气阀1、导流部件2、腔镜3、出气阀4，其中：
所述进气阀1和出气阀4设置在所述气体腔侧面靠近腔镜的位置；具体实现中，进出气阀的体积和气流量有关，一般越小越好，气体残留小，容易集成；
在所述气体腔内填充设置导流部件2，根据气体腔的形状将导流部件2设置为圆柱形，导流部件2的外径与所述气体腔的管道组件5内径接近，在嵌套时所述导流部件2的外径与管道组件5的内径形成狭小的环形通道；其中，所述导流部件2位于进出气阀体之间，靠近阀体的地方，用于将阀体气体导引至腔镜；
样品气体通过所述进气阀1进入到气体腔中，在所述导流部件2的引导下，将样品气体引导至腔镜3的表面附近，所述导流部件2的外径与所述气体腔的管道组件5的内径形成环形流动通道，导流部件2的端部具有一定密封结构，使得样品气体在进出阀体气压的作用下，从进气口流向出气口，形成回路，同时样品气体在管道组件5内进行气体吸收；
其中，由于引导气流的动力是系统的负压（进出端的压差），而导流部件2的端部除具有密封能力，也需要具有一定的锥度，使得导流部件2的端部外径逐步接近管道部件内径，从而减少这部分空间的气体残留比例；
气体吸收完成后，再通过所述导流部件2的引导将吸收后的气体通过出气阀4排出所述气体腔；具体来说，吸收后的气体流向远端的腔镜，在导流部件2的作用下流向出气阀4，气体排出，完成测试。
通过上述气体腔结构，使得样品气体能够流过进气阀与出气阀中间以外的部分，扩展气体腔有效吸收长度d，使气体腔有效吸收长度d更接近实际腔长L，从而增加气体填充比RL的数值，实现更加精确的测量；
其中，气体填充比RL是指在气体腔辅助测量的激光光谱气体检测技术中，气体腔有效吸收长度d与实际腔长L之间的比例，即气体填充比RL=d/L，RL∈(0,1)，其数据越大则代表有效气体吸收长度越大，越小的话，不仅代表有效气体吸收长度越短，同时气体腔的“清洗盲区”则越大；增加RL的数值，即增加d的数值，使其接近或等于L可显著增加系统的读出精度、灵敏度，减小系统的测量误差。
如图2所示为本发明实施例所述气体腔结构的局部放大示意图，虚线代表气流方向，可以明显的看到气流通过腔镜3的表面，然后“调头”进入到吸收区间，参与气体浓度测量中。这不仅能够提升RL，同时能够“清洗”气体腔内的样品“死角”，在新样品气体进样的过程中，实现自动清洗。
具体实现中，如图3所示为本发明实施例所述导流部件的结构示意图，该导流部件与气体腔管道组件的内壁形状一致，外径与管道组件的内径接近，形成狭窄的环形流动通道，导流部件的端部设置有一个密封法兰，采用密封垫或密封胶将出口与其他结构件密封，便于形成有效回路。
另外，针对气体腔的各种腔形，包括直线（两镜）、三镜、四镜腔，该方案均能够通过改变气流的流动路径，对每个镜片表面附近的样品气体进行“清洗”，并增加d的长度。具体来说，针对具有多于两片以上腔镜的腔形，在腔镜附近势必存在气体流动的盲区或者难以清洗的盲区，因而可以在多个镜片表面沿法向设置流体回路，通过安装导流部件，将气流引至各个镜片的表面附近。
值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
综上所述，本发明实施例所述结构简单易用，仅通过极小的改变即可实现气体腔优化，无需增加复杂的高压、真空气体回路；该结构能够实现接近理论腔长的有效气体吸收长度，使得RL接近1，同时基于气流控制的策略快速导引气流方向，将传统方案中气体腔“清洗盲区”的残留气体有效清除、更新，并显著减小气体体积，对小型化的痕量气体检测仪器具有重要价值。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
Claims (3)
1.一种用于腔辅助气体浓度测量的气体腔结构，其特征在于，所述气体腔结构包括进气阀、导流部件、腔镜、出气阀，其中：
所述进气阀和出气阀设置在所述气体腔侧面靠近腔镜的位置；
在所述气体腔内填充设置导流部件，根据气体腔的形状将导流部件设置为圆柱形，导流部件的外径与所述气体腔的管道组件内径接近，在嵌套时所述导流部件的外径与管道组件的内径形成狭小的环形通道；其中，所述导流部件位于进出气阀体之间，靠近阀体的地方，用于将阀体气体导引至腔镜；
样品气体通过所述进气阀进入到气体腔中，在所述导流部件的引导下，将样品气体引导至腔镜的表面附近，所述导流部件的外径与所述气体腔的管道组件的内径形成环形流动通道，导流部件的端部具有一定密封结构，使得样品气体在进出阀体气压的作用下，从进气口流向出气口，形成回路，同时样品气体在管道组件内进行气体吸收；
气体吸收完成后，再通过所述导流部件的引导将吸收后的气体通过出气阀排出所述气体腔；具体来说，吸收后的气体流向远端的腔镜，在导流部件的作用下流向出气阀，气体排出，完成测试；
通过上述气体腔结构，使得样品气体能够流过进气阀与出气阀中间以外的部分，扩展气体腔有效吸收长度d，使气体腔有效吸收长度d更接近实际腔长L，从而增加气体填充比RL的数值，实现更加精确的测量；
其中，气体填充比RL是指在气体腔辅助测量的激光光谱气体检测技术中，气体腔有效吸收长度d与实际腔长L之间的比例，即气体填充比RL=d/L，RL∈(0,1)。
2.如权利要求1所述用于腔辅助气体浓度测量的气体腔结构，其特征在于，
所述导流部件与气体腔管道组件的内壁形状一致，外径与管道组件的内径接近，形成狭窄的环形流动通道；
导流部件的端部设置有一个密封法兰，采用密封垫或密封胶将出口与其他结构件密封，便于形成有效回路。
3.如权利要求1所述用于腔辅助气体浓度测量的气体腔结构，其特征在于，
针对具有多于两片以上腔镜的腔形，由于腔镜附近存在气体流动的盲区或者难以清洗的盲区，因而在多个镜片表面沿法向设置流体回路，通过安装导流部件，将气流引至各个镜片的表面附近。
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Non-Patent Citations (2)
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| 单光束多组分温室气体的腔衰荡光谱同步检测;王金舵等;光谱学与光谱分析;第39卷(第7期);全文 * |
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