阅读说明：本技术 一种多档可变气体吸收池 (Multi-gear variable gas absorption pool ) 是由 张子辉 王淑荣 林冠宇 黄煜 杨小虎 李占峰 于 2019-12-19 设计创作，主要内容包括：一种多档可变气体吸收池涉及气体吸收池技术领域,解决了现有结构复杂、受温度影响较大的问题,包括准直系统、第一调节机构、第二调节机构、第一道威棱镜、第二道威棱镜、气室空腔、耦合系统和多模光纤；当第一调节机构和第二调节机构均为安装状态时,光束依次经准直系统、第一调节机构、第一气室空腔、第一道威棱镜、第二气室空腔、第一调节机构、第三气室空腔、第二调节机构、第四气室空腔、第二道威棱镜、第五气室空腔、第二调节机构、耦合系统、多模光纤；当均为拆卸状态时,光束依次经准直系统、第三气室空腔、耦合系统后进入到多模光纤。本发明结构紧凑,形式简单,成本低；对温度变化不敏感,具有系统精度要求低,应用广泛,能量利用率高。(A multi-gear variable gas absorption cell relates to the technical field of gas absorption cells, solves the problems of complex structure and large influence of temperature in the prior art, and comprises a collimation system, a first adjusting mechanism, a second adjusting mechanism, a first dove prism, a second dove prism, a gas chamber cavity, a coupling system and a multimode fiber; when the first adjusting mechanism and the second adjusting mechanism are both in an installation state, the light beams sequentially pass through the collimating system, the first adjusting mechanism, the first air chamber cavity, the first dove prism, the second air chamber cavity, the first adjusting mechanism, the third air chamber cavity, the second adjusting mechanism, the fourth air chamber cavity, the second dove prism, the fifth air chamber cavity, the second adjusting mechanism, the coupling system and the multimode optical fiber; when the optical fiber is in a disassembly state, the light beam enters the multimode optical fiber after sequentially passing through the collimation system, the third air chamber cavity and the coupling system. The invention has compact structure, simple form and low cost; the device is insensitive to temperature change, and has the advantages of low system precision requirement, wide application and high energy utilization rate.)

一种多档可变气体吸收池

技术领域

本发明涉及气体吸收池技术领域，具体涉及一种多档可变气体吸收池。

背景技术

随着我国工业的发展，烟气中的硫化物、氮氧化物等作为工业污染源排放的重要组成部分，不仅会破坏大气环境、危害人类健康，也是城市雾霾的重要成因之一，降低城市能见度，破坏地球辐射平衡，影响全球气候。由于这些有害排放物对环境的危害，需要对固定污染源的烟气排放实施在线监测，以便进行有效控制和治理。近年来紫外差分吸收光谱测烟气法(DOAS)因具有无需采样、易于操作、多组分实时分析、灵敏度高、价格低廉等优点，受到越来越多的重视。根据朗伯-比尔定律，待测气体对光的吸收程度与气体所经过的光程和气体的浓度成一种线性的关系。但在实际测量过程中，线性关系只在待测气体浓度较低时才会成立，当待测气体浓度较高时，测量的浓度值与吸光度之间便不再呈现线性关系。DOAS仪器的探测量程和光程两者负相关，而DOAS仪器的分辨率和探测下限又与光程正相关。所以在同一光程下，大量程和高探测分辨率、低探测下限无法同时实现，这也是现有DOAS烟气探测仪器普遍存在的问题。为解决这一问题，提出一种小型化可变光程紫外差分光谱探测技术，同时降低烟气大量程高精度低探测下限。

目前，吸收气池的研究大多关注了增加吸收光程方面，对气池的光程可调研究不多。目前可调吸收气池多采用White型结构，结构复杂、对温度等因素影响较大。

发明内容

为了解决现有可调光程吸收气池的结构复杂、受温度影响较大的问题，本发明提供一种多档可变气体吸收池。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种多档可变气体吸收池，包括准直系统、第一调节机构、第二调节机构、第一道威棱镜、第二道威棱镜、第一气室空腔、第二气室空腔、第三气室空腔、第四气室空腔、第五气室空腔、耦合系统和多模光纤；

当第一调节机构和第二调节机构均为安装状态时，入射光束依次经准直系统准直、第一调节机构反射、第一气室空腔、第一道威棱镜反射、第二气室空腔、第一调节机构反射、第三气室空腔、第二调节机构反射、第四气室空腔、第二道威棱镜反射、第五气室空腔、第二调节机构反射、耦合系统聚焦后进入到多模光纤；当第一调节机构和第二调节机构均为拆卸状态时，入射光束依次经准直系统准直、第三气室空腔、耦合系统聚焦后进入到多模光纤。

本发明的有益效果是：

1、通过可拆卸的第一调节机构和第二调节机构快速实现气体吸收池光程的调节，还可以通过模块化设计，实现气池光程长度的调节，调节档位的增加减少。

2、通过采用道威棱镜能在增大光程的同时，缩小结构尺寸。

3、通过采用准直系统，光线在气室传播过程中为平行光，温度造成的热胀冷缩不会造成传输路径的变化，保证了能力利用率不变。同时该气池不仅可以光纤光源输入，还可以发散性光源直接输入，提高了光源利用率。

4、本发明的一种多档可变气体吸收池同时实现了烟气大量程和低探测下限，实现小型化多档可调气体吸收池。本发明不仅结构紧凑，形式简单，成本低；而且对温度变化不敏感，具有系统精度要求低，应用广泛，能量利用率高。

附图说明

图1为本发明的一种多档可变气体吸收池的实施方式一的结构示意图。

图2为本发明的一种多档可变气体吸收池的实施方式二的结构示意图。

图中：1、准直系统，2、第一调节机构，2.1、第一反射镜，2.2、第二反射镜，3、第二调节机构，3.1、第三反射镜，3.2、第四反射镜，4、第一道威棱镜，5、第二道威棱镜，6、第三道威棱镜，7、耦合系统，8、多模光纤，9、第一气室空腔，10、第二气室空腔，11、第三气室空腔，12、第四气室空腔，13、第五气室空腔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

一种多档可变气体吸收池，包括准直系统1、气室、第一调节机构2、第二调节机构3、第一道威棱镜4、第二道威棱镜5、耦合系统7和多模光纤8。气体吸收池还可包括第三道威棱镜6。其中气室包括第一气室空腔9、第二气室空腔10、第三气室空腔11、第四气室空腔12和第五气室空腔13。

第一调节机构2对应准直系统1设置，第二调节机构3对应耦合系统7设置；耦合系统7对应多模光纤8设置，第一气室空腔9和第二气室空腔10对应第一调节机构2设置，第一道威棱镜4同时对应第一气室空腔9和第二气室空腔10设置，即第一道威棱镜4对应第一调节机构2设置；第三气室空腔11同时对应第一调节机构2和第二调节机构3，即一端设置有第一调节机构2另一端设置有第二调节机构3；第四气室空腔12和第五气室空腔13对应第二调节机构3设置，第二道威棱镜5同时对应第四气室空腔12和第五气室空腔13设置，即第二道威棱镜5均对应第二调节机构3设置；第一调节机构2位于准直系统1和第三气室空腔11之间且第一调节机构2可拆卸，第二调节机构3位于耦合系统7和第三气室空腔11之间且第二调节机构3可拆卸。

第一调节机构2可位于光路中也可拆卸使其自身不位于光路中，第二调节机构3可位于光路中也可拆卸使其自身不位于光路中，均可***或拔出光路系统，***即为安装状态，拔出即为拆卸状态，第一调节机构2安装状态为第一调节机构2位于准直系统1和第三气室空腔11之间，第一调节机构2拆卸状态为第一调节机构2从光路中拆下，光束不经过第一调节机构2；第二调节机构3安装状态为第二调节机构3位于耦合系统7和第三气室空腔11之间，第二调节机构3拆卸状态为第二调节机构3从光路中拆下，光束不经过第二调节机构3。当第一调节机构2和第二调节机构3均为安装状态时，入射光束依次经准直系统1准直、第一调节机构2反射、第一气室空腔9、第一道威棱镜4反射、第二气室空腔10、第一调节机构2反射、第三气室空腔11、第二调节机构3反射、第四气室空腔12、第二道威棱镜5反射、第五气室空腔13、第二调节机构3反射、耦合系统7聚焦后进入到多模光纤8。当第一调节机构2为安装状态、第二调节机构3为拆卸状态时，入射光束依次经准直系统1准直、第一调节机构2反射、第一气室空腔9、第一道威棱镜4反射、第二气室空腔10、第一调节机构2反射、第三气室空腔11、耦合系统7聚焦后进入到多模光纤8。当第一调节机构2为拆卸状态、第二调节机构3为安装状态时，入射光束依次经准直系统1准直、第三气室空腔11、第二调节机构3反射、第四气室空腔12、第二道威棱镜5反射、第五气室空腔13、第二调节机构3反射、耦合系统7聚焦后进入到多模光纤8。当第一调节机构2和第二调节机构3均为拆卸状态时，入射光束依次经准直系统1准直、第三气室空腔11、耦合系统7聚焦后进入到多模光纤8。

第一调节机构2包括第一反射镜2.1和第二反射镜2.2，第二调节机构3包括第三反射镜3.1和第四反射镜3.2，第一反射镜2.1、第二反射镜2.2、第三反射镜3.1和第四反射镜3.2均采用三角反射镜。第一反射镜2.1对应准直系统1和第一气室空腔9设置，位于两者之间，第一反射镜2.1能将从准直系统1出射的光束反射至第一气室空腔9；第二反射镜2.2对应第二气室空腔10和第三气室空腔11设置，位于两者之间，能将从第二气室空腔10出射的光束反射至第三气室空腔11；第三反射镜3.1对应第三气室空腔11和第四气室空腔12设置，位于两者之间，能将从第三气室空腔11出射的光束反射至第四气室空腔12；第四反射镜3.2对应第五气室空腔13和耦合系统7设置，位于两者之间，能将从第五气室空腔13出射的光束反射至耦合系统7。准直系统1和耦合系统7均采用离轴抛物反射镜。

本发明的实施方式一如图1所示：图1中准直系统1、第一反射镜2.1、第二反射镜2.2、第三气室空腔11、第三反射镜3.1、第四反射镜3.2和耦合系统7沿直线顺次设置。第一反射镜2.1、第二反射镜2.2、第三反射镜3.1和第四反射镜3.2均可拆卸，均可沿垂直于纸面方向***拔出，第一反射镜2.1和第二反射镜2.2同时安装或拆卸，第三反射镜3.1和第四反射镜3.2同时安装或拆卸。

当第一调节机构2和第二调节机构3均为安装状态时，入射光束依次经准直系统1准直、第一反射镜2.1反射、第一气室空腔9、第一道威棱镜4反射将光束传播方向改变180°、第二气室空腔10、第二反射镜2.2反射、第三气室空腔11、第三反射镜3.1反射、第四气室空腔12、第二道威棱镜5反射将光束传播方向改变180°、第五气室空腔13、第四反射镜3.2反射、耦合系统7耦合聚焦后进入到多模光纤8。当第一调节机构2为拆卸状态时，光束不经过第一气室空腔9和第二气室空腔10，直接进入第三气室空腔11。当第二调节机构3为拆卸状态时，光束经过第三气室空腔11后不经过第四气室空腔12和第五气室空腔13，直接进入耦合系统7。经过第一气室空腔9、第二气室空腔10、第四气室空腔12和第五气室空腔13的光束均垂直于入射到第三气室空腔11的光束。图1中所示的气体吸收池，L1、L2、L3、L4和L5分别表示第一气室空腔9、第二气室空腔10、第三气室空腔11、第四气室空腔12和第五气室空腔13的吸收光程，气体吸收池总吸收光程长度为L1+L2+L3+L4+L5；若将第一调节机构2中沿垂直于纸面方向拔出，准直系统1出射的平行光直接照射到第三反射镜3.1上，吸收池的总吸收光程长度为L3+L4+L5；同理若将第二调节结构沿垂直于纸面的方向拔出，吸收池的光程长度为L1+L2+L3；若将两个调节机构都沿垂直于纸面的方向拔出，则吸收池的光程长度等于L3，通过上述方法实现气池吸收光程多档可调。

本发明的实施方式二如图2所示，和实施方式一不同的是气体吸收池包括了第三道威棱镜6。第三道威棱镜6位于第二反射镜2.2和第三反射镜3.1之间，即设置在第三气室空腔11内。入射到第三气室空腔11的光束经第三道威棱镜6将光束传播方向改变180°后出射。通过第三道威棱镜6的设置，进一步缩小气体吸收池的体积和结构，在第三气室空腔11的中间位置放置一个第三道威棱镜6，将光线折转叠加，形成如图2所示的结构。改进后，将两个第一调节机构2和第二调节机构3合并集成为一个总调节机构。将总调节机构沿图2中X轴方向调节插拔调节结构，第一档为图2限制的位置，第二档为将第二调节机构3拔到第一调节机构2原来的位置，原来的位置指第一调节机构2和第二调节机构3均处于安装状态时第一调节机构2的位置，或者第二档为将第一调节机构2拔到第二调节机构3原来的位置(原来的位置指第一调节机构2和第二调节机构3均处于安装状态时第而调节机构的位置)，第三档位是第一调节机构2和第二调节机构3全部拔出。采用上述方法，可以实现气体吸收池光程的多档可调。若将图2中的第三道威棱镜6更换为图2中的另外一套第一调节机构2、第二调节机构3、第一道威棱镜4和第二道威棱镜5构成的整体结构，可实现光程的再加长，档位再增加，最终实现吸收池系统的模块化设计。

本发明一种多档可变气体吸收池，其中，第一道威棱镜4、第二道威棱镜5和第三道威棱镜6分别为可设置在气室内也可设置在气室外，优选的是设置在气室内。第一调节机构2、第二调节机构3分别为可设置在气室内也可设置在气室外，优选的是设置在气室外。准直系统1通常设置在气室外，耦合系统7可设置在气室内。本实施方式中气室内设有第一道威棱镜4、第二道威棱镜5、第三道威棱镜6和耦合系统7，多模光纤8对应耦合系统7、连接气室外壳，准直系统1设置在气室外且连接气室外壳。气室内、第一反射镜2.1与第一道威棱镜4之间为第一气室空腔9；气室内、第二反射镜2.2与第一道威棱镜4之间为第二气室空腔10；气室内、第三反射镜3.1与第二道威棱镜5之间为第四气室空腔12；气室内、第四反射镜3.2与第二道威棱镜5之间为第五气室空腔13；实施方式一中气室内、第二反射镜2.2与第三反射镜3.1之间为第三气室空腔11；实施方式二中气室内、第二反射镜2.2与第三道威棱镜6之间，以及气室内、第三反射镜3.1与第三道威棱镜6之间共同构成第三气室空腔11。

本发明的一种多档可变气体吸收池采用简单的结构，通过可拆卸的第一调节机构2和第二调节机构3(插拔三角反射镜)，快速实现气体吸收池光程的调节，还可以通过模块化设计，实现气池光程长度的调节，调节档位的增加减少。本发明具有系统精度要求低，生产价格低廉，对环境温度不敏感等优点。同时该气池不仅可以光纤光源输入，还可以发散性光源直接输入，提高了光源利用率。

准直系统1和耦合系统7采用离轴抛物反射镜，能消除色差和球差，保证系统像差最小，结构最简单。采用道威棱镜能在增大光程的同时，缩小结构尺寸。光线在气室传播过程中为平行光，温度造成的热胀冷缩不会造成传输路径的变化，保证了能力利用率不变。

本发明的一种多档可变气体吸收池同时实现了烟气大量程和低探测下限，实现小型化多档可调气体吸收池。本发明不仅结构紧凑，形式简单，成本低；而且对温度变化不敏感，应用广泛，能量利用率高。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。