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专利名称：一种气体在线光谱分析中的光谱仪气室切换装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及气体成分及浓度的光谱在线分析领域，特别涉及单光路光谱仪的气体成分及浓度的光谱在线分析。
背景技术：
光谱仪可以实现几乎所有气体的定量分析，且光谱仪工作过程中不消耗任何材料，不带来任何污染，称之为“绿色”仪器。随着计算机技术，数据分析处理技术的发展，近年来，光谱仪已开始应用于气体成分及浓度的在线分析领域。但由于光源、探测器等器件在长时间工作过程中会发生一定的特性变化，致使在长时间在线分析过程中，光谱会发生一定的漂移，甚至是畸变。为减小光谱仪某些器件特性漂移给分析结果带来的影响，需要适当进行背景扫描。光谱仪有单光路光谱仪和双光路两种。在进行光谱仪在线气体成分及浓度分析时，前者需要扫描背景光谱，扫描背景前需要用氮气或者标准空气对气室进行清洗，这一方面需要几分钟甚至更长的时间，以至于造成了气体成分与浓度信息的漏测，另一方面，如果测量气室清洗不够干净，则残余气体将给后续分析结果引入系统偏差；后者由于是两路理论上是由两路完全一样的光路构成，只不过一路用于测量，另一路作为参考，理论上可以消除环境变化等因素给分析结果带来的影响，不需要扫描背景。但双光路光谱仪并不能解决长时间在线工作过程中器件特性漂移给分析结果带来的影响。首先，理想的完全一样的光路是不存在的，两路光路上的元器件的漂移特性也不太可能完全一样。因此，长时间的在线工作以后，双光路光谱仪的分析结果也难免会受到光谱仪元器件特性漂移带来的影响，而且这种影响可能会比较大。其次，光谱仪的探测器、分光镜的价格在2万人民币左右，双光路光谱仪的价格比单光路光谱仪高很多，不利于光谱仪的推广应用。如附图1所示，图中给出了石油勘探现场扫描获得的傅立叶变换中红外气体吸收光谱，0.01%浓度甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷、正丁烷光谱，以及0. 浓度二氧化碳标准气光谱。正常情况下，由于获得的傅立叶变换中红外气体吸收光谱是实际吸收光谱与背景光谱的比值，因此，所获得光谱的基线应为纵坐标数值为1的直线，但明显地，附图1中现场扫描光谱的基线明显地发生了倾斜。此外，对于以透射率为输出的傅立叶变换中红外气体吸收光谱，吸收峰的方向均应朝下，而不是朝上。波数3016. 6处为甲烷的吸收峰，而现场扫描光谱在该处有向上凸起。这表明，光谱仪气室清洗不干净，在扫描背景光谱时存在甲烷等残余气体。扫描背景光谱时甲烷残余气体的存在，使得随后的分析结果中甲烷的浓度偏小。

发明内容
本发明的目的在于，提供一种有效节省光谱仪在线气体成分与浓度分析过程中气室清洗时间的装置，提高气体分析的在线实时性，减少漏测数据，避免扫描背景光谱时因测量气室冲洗不干净，残余气体引入系统偏差。为了实现上述目的，本发明采用的光谱气室切换装置技术方案是，在光谱仪中增加一个材料、结构、尺寸完全一样的气室，其中一个气室用于测量，称之为测量气室，另一个气室用于存放纯氮气或标准空气，称之为样气气室。正常测量时，测量气室置于光路中，需要重新扫描背景时，切换装置在计算机控制下，通过电机将样气气室置于光路中。扫描完背景光谱后，切换装置重新把测量气室置于光路中，使得光谱仪恢复正常的光谱扫描与光谱分析。所述的气体在线光谱分析中的光谱仪气室切换装置，包括测量气室、样气气室、直线轴承、垂直移动机构、限位传感器等组成；所述测量气室和样气气室固定安装在气室底座上，气室底座与连接安装板用紧定螺钉进行固定连接；所述直线轴承由导杆和轴承座构成， 导杆固定安装在地板上，轴承座固定安装在连接安装板上；所述垂直移动机构由电机、电机安装座、螺杆、可移动螺组成，电机安装在电机安装座上，可进行连续的正反转，电机安装座通过紧定螺钉固定安装在底板上，螺杆与电机的输出轴固连，可移动螺母固定安装在连接安装板上，连接安装板上安装有气室底座、2个轴承座、一个螺母。当需要扫描背景光谱时， 控制电机正转驱动螺杆转动，进而驱动与螺杆配合的螺母向上移动，从而驱动连接安装板、 气室顺着直线轴承中心向上移动，直至上限位传感器检测到到位信号为止，即将标准气室移至到光路中，完成背景光谱扫描；扫描完背景光谱后，控制电机反转驱动连接安装板、气室顺着直线轴承中心向下移动，直至下限位传感器检测到到位信号为止，即把测量气室重新置于光路中，使得光谱仪恢复正常的光谱扫描与光谱分析，从而达到光谱扫描的目的。所述标准样气气室中的标准样气是纯氮气或者标准空气，所述测量气室和标准样气气室材料、尺寸完全一样。测量气室有一个进气口和一个出气口，分置气室两端，与进气管道和出气管道相连；标准气气室也有一个进气口和一个出气口，正常情况下，这两个口是密闭的，只有在需要更换样气时打开进气口和出气口更换标准样气。所述气室切换方式采用螺杆转动螺母移动的垂直移动方式，也可以采用水平移动方式，或者连续回转方式。移动方式不限于采用直线轴承，也可以采用线性滑轨或者普通导轨；驱动机构不限于电机结合螺母螺杆的运动方式，也可以采用气缸伸缩、磁性伸缩、压电伸缩等机构。所述气室切换的控制由限位传感器实现，限位传感器可采用光电非接触传感器， 也可以采用机械式行程开关，或者微动开关。所述电机可以为交流电机、步进电机或者伺服电机的一种，电机输出转速由实际应用场合的切换速度决定，电机必须能够实现连续正反转运动。本发明为傅里叶变换光谱仪在线气体成分与浓度分析过程中节省了气室清洗时间，提高了气体分析的在线实时性，减少漏测数据，适合应用于气体物质的光谱在线定量分析。


图1 0.01%浓度甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷、正丁烷，0. 浓度二氧化碳标准气光谱与长时间工作后光谱仪器件发生特性漂移后的光谱；图2是气室切换装置结构剖面图；图中1为底座，2为导杆，3为轴承座，导杆和轴承座构成直线轴承，4为下限位传感器，5为上限位传感器，6为标准样气气室，7为进气口，8为测量气室，9为气室安装座，10为出气口，11为连接安装板，12为可移动螺母，13为垂直移动机构，14为电机，15为紧定螺钉。
具体实施例方式光谱仪在线气体成分与浓度分析气室切换装置如图2所示，包括测量气室、标准样气气室、直线轴承、垂直移动机构、限位传感器等组成；导杆和轴承座构成直线轴承，导杆固定安装在地板上，轴承座固定安装在连接安装板上；电机、电机安装座、螺杆、可移动螺母构成垂直移动机构，电机安装在电机安装座上，可进行连续的正反转，电机安装座通过紧定螺钉固定安装在底板上，螺杆与电机的输出轴固联，可移动螺母固定安装在连接安装板上； 测量气室和样气气室固定安装在气室底座上，气室底座与连接安装板通过紧定螺钉进行固定连接，连接安装板上还安装有2个轴承座、一个螺母。上限位传感器、下限位传感器固定安装在底座上，传感器的间距根据所需的垂直移动位移进行调整。当需要扫描背景光谱时， 控制电机正转驱动螺杆转动，进而驱动与螺杆配合的螺母向上移动，从而驱动连接安装板、 气室顺着直线轴承中心向上移动，直至上限位传感器检测到到位信号为止，即将标准气室移至到光路中，可以进行背景光谱扫描；完背景光谱扫描后，控制电机反转驱动连接安装板、气室顺着直线轴承中心向下移动，直至下限位传感器检测到到位信号为止，即把测量气室重新置于光路中，使得光谱仪恢复正常的光谱扫描与光谱分析，从而达到光谱扫描的目的。以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式
仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
权利要求
1.一种气体在线光谱分析中的光谱仪气室切换装置，其特征在于包括测量气室、样气气室、直线轴承、垂直移动机构和限位传感器；所述测量气室和样气气室固定安装在气室底座上，气室底座与连接安装板用紧定螺钉进行固定连接；所述直线轴承由导杆和轴承座构成，导杆固定安装在地板上，轴承座固定安装在连接安装板上；所述垂直移动机构由电机、电机安装座、螺杆和可移动螺组成，电机安装在电机安装座上，电机安装座通过紧定螺钉固定安装在底板上，螺杆与电机的输出轴固连，可移动螺母固定安装在连接安装板上。
2.如权利要求1所述一种气体在线光谱分析中的光谱仪气室切换装置，其特征在于 当需要扫描背景光谱时，控制电机正转驱动螺杆转动，进而驱动与螺杆配合的螺母向上移动，从而驱动连接安装板、气室顺着直线轴承中心向上移动，直至上限位传感器检测到到位信号为止，即将标准气室移至到光路中，完成背景光谱扫描；扫描完背景光谱后，控制电机反转驱动连接安装板、气室顺着直线轴承中心向下移动，直至下限位传感器检测到到位信号为止，即把测量气室重新置于光路中，使得光谱仪恢复正常的光谱扫描与光谱分析，从而达到光谱扫描的目的。
3.如权利要求1所述一种气体在线光谱分析中的光谱仪气室切换装置，其特征在于 所述连接安装板上安装有气室底座、2个轴承座和一个螺母。
4.如权利要求1所述一种气体在线光谱分析中的光谱仪气室切换装置，其特征在于 所述测量气室和标准样气气室材料、形状和尺寸完全一样；测量气室两端各有一个进气口和一个出气口，进气口和出气口分别与进气管道和出气管道相连；标准气气室两端各有一个进气口和一个出气口。
5.如权利要求1所述一种气体在线光谱分析中的光谱仪气室切换装置，其特征在于 所述气室切换方式采用螺杆转动螺母移动的垂直移动方式、或者采用水平移动方式、或者连续回转方式；所述移动方式采用直线轴承、或者采用线性滑轨或者普通导轨；所述驱动机构采用电机结合螺母螺杆的运动方式、或者采用气缸伸缩机构、或者采用磁性伸缩机构、 或者采用压电伸缩机构。
6.如权利要求1所述一种气体在线光谱分析中的光谱仪气室切换装置，其特征在于 所述气室切换的控制由限位传感器实现，限位传感器采用光电非接触传感器、或者采用机械式行程开关、或者采用微动开关。
7.如权利要求1所述一种气体在线光谱分析中的光谱仪气室切换装置，其特征在于 所述电机为交流电机、步进电机或者伺服电机的一种，电机输出转速由实际应用场合的切换速度决定，电机必须能够实现连续正反转运动。
8.如权利要求1所述一种气体在线光谱分析中的光谱仪气室切换装置，其特征在于 所述标准样气气室中的标准样气是纯氮气或者标准空气。
全文摘要
本发明公开了一种气体在线光谱分析中的光谱仪气室切换装置，包括测量气室、样气气室、直线轴承、垂直移动机构和限位传感器；所述测量气室和样气气室固定安装在气室底座上，气室底座与连接安装板用紧定螺钉进行固定连接；所述直线轴承由导杆和轴承座构成，导杆固定安装在地板上，轴承座固定安装在连接安装板上。正常测量时，测量气室置于光路中，需要重新扫描背景时，切换装置在计算机控制下，将相应的标准样气气室置于光路中。扫描完背景光谱后，切换装置重新把测量气室置于光路中，使得光谱仪恢复正常的光谱扫描与光谱分析。这种方法省去了扫描背景时气室的清洗时间，大大减少了光谱在线分析过程中漏测的数据，也避免了因气室清洗不够干净，残余气体引入的系统分析误差。
文档编号G01N21/25GK102230886SQ20111009143
公开日2011年11月2日 申请日期2011年4月12日 优先权日2011年4月12日
发明者刘君华, 张钟华, 朱凌建, 李玉军, 汤晓君 申请人:西安交通大学