可调四量程折返吸收池的检测单元

技术领域

本发明属于检测仪器技术领域，尤其涉及自动调节吸收池有效吸收层厚度从而实现待测物质宽浓度范围的检测技术领域。

背景技术

现有检测仪器中通常采用的是固定长度的吸收池，即设备制造好后吸收层厚度就无法调节了，这将导致仪器无法同时兼顾同种待测物质在高浓度和低浓度条件下的测量需求，或者多种吸光度差异较大的待测混合物质的同时测量。

针对这一问题，现有技术中公开了一些能够调节光程(吸收厚度)的吸收池方案，这其中大致可分为三类：第一类是具有运动机构，通过控制腔镜、腔体的相对位置变化实现光程调节，如专利CN103163641B公开了一种通过旋转角镜实现多光程变化的装置；专利CN111982817B公开了一种通过旋转腔体实现光程调整的装置；第二类是没有运动机构，通过增加光源、探测器数量或采用晶体光学技术，通过复用部分气体池或使用电致或偏振原理改变光路传播方向实现光程调整，如专利CN108732130B公开了一种采用偏振器件增加光程的方法；第三类是串联多个气体池，通过手动或自动的气路或光路切换实现光程的调整，如专利CN111077083A公开了一种多气体池检测结构，并通过换向阀切换对气体池进行选择从而实现光程调整。第一类存在运动机构，调节过程中带来的振动、磨损以及每次调节中光学元件姿态的微小差异都会导致光学检测结果的偏差，同时这类运动机构存在使用寿命以及切换速度的问题，难以满足许多工业现场快速且频繁的切换需求。第二类虽没有运动机构，但增加的各类光学元器件成本较高且结构复杂，调试难度相对较大；更为重要的是，测量精度与光源强度和探测器响应的稳定性有关，多路光源和探测器之间的一致性及其随外部环境的变化趋势的一致性将直接影响仪器性能，因此这类方案在增加硬件部件的同时，也增加了很多测试、标定和控制工作。第三类方案在结构上较前两种更为简单，无运动机构也没有增加复杂的光路结构，但多个气体池的使用增大了装配和调试的难度，同时也成倍增加了检测路径上窗片的数量。而窗片数量的增加会大幅度降低检测光的透过率，尤其当待测物质存在污染性或腐蚀性时，其对光路的影响将会成倍上升。此外，此类方法能够实现的光程长度调节比例在结构固定后即已确定，实际应用过程中无法做到灵活调整。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种可调四量程折返吸收池的检测单元，包括：光源、探测器、吸收池、待测物质入口、基底物质入口、第一排出物质出口、第一二通阀、第二排出物质出口、第三排出物质出口、第三二通阀、第四排出物质出口、第四二通阀、三通阀、基底物质管；所述吸收池为具有一次或多次折返光路的吸收池；所述光源和探测器设置在吸收池附近，所述探测器设置在检测光线射出吸收池处，以便最有效率地探测射出的检测光线；所述待测物质入口和基底物质出口分别设置在吸收池的两端且尽可能不留死体积；所述第一排出物质出口设置在待测物质入口和基底物质出口之间；所述第一排出物质出口设置有第一二通阀；所述基底物质入口设置有三通阀，所述基底物质入口与三通阀第一接口相连通；所述三通阀第二接口与基底物质管相连通；所述三通阀第三接口与第二排出物质出口相连通。

在本发明的具体实施例中，所述的光源和探测器的位置可以互换。

在本发明的具体实施例中，所述第一排出物质出口设置在距待测物质入口四分之一的吸收池物理长度的距离处。

在本发明的具体实施例中，所述吸收池的待测物质流动方向与检测光传播方向一致或相反。

在本发明的具体实施例中，所述第三排出物质出口设置在距待测物质入口二分之一的吸收池物理长度的距离处。

在本发明的具体实施例中，所述第四排出物质出口设置在距待测物质入口四分之三的吸收池物理长度的距离处。

在本发明的具体实施例中，所述的可调四量程折返吸收池的检测单元，还包括：控制模块，所述控制模块分别与二通阀、三通阀和探测器通过线路或信号相连。

本发明还提供了所述的可调四量程折返吸收池的检测单元测量待测物质浓度的方法，包括如下步骤：依据待测物质浓度确定低灵敏度量程、第一中灵敏度量程、第二中灵敏度量程或高灵敏度量程的测量方法；

所述低灵敏度量程的测量方法，包括如下步骤：第一二通阀打开，第三、第四二通阀关闭，三通阀第一接口和第二接口导通；待测物质从待测物质入口进入吸收池，基底物质经过三通阀第二接口、第一接口后进入吸收池；待测物质和基底物质都从第一排出物质出口排出；探测器探测吸收池内光信号，计算待测物质浓度；

所述第一中灵敏度量程的测量方法，包括如下步骤：第三二通阀打开，第一、第四二通阀关闭，三通阀第一接口和第二接口导通；待测物质从待测物质入口进入吸收池，基底物质经过三通阀第二接口、第一接口后进入吸收池；待测物质和基底物质都从第三排出物质出口排出；探测器探测吸收池内光信号，计算待测物质浓度；

所述第二中灵敏度量程的测量方法，包括如下步骤：第四二通阀打开，第一、第三二通阀关闭，三通阀第一接口和第二接口导通；待测物质从待测物质入口进入吸收池，基底物质经过三通阀第二接口、第一接口后进入吸收池；待测物质和基底物质都从第四排出物质出口排出；探测器探测吸收池内光信号强度信号，计算待测物质浓度；

所述高灵敏度量程的测量方法，包括如下步骤：二通阀全部关闭，三通阀第一接口和第三接口导通；待测物质从待测物质入口进入吸收池，并从基底物质入口进入后经过三通阀第一接口、第三接口、第二排出物质出口后排出吸收池；探测器探测吸收池内光信号，计算待测物质浓度。

本发明提供的检测单元具有结构简单、重复性好，可靠性强、成本低、多光程自由快速切换等优点。

附图说明

图1是可调四量程同端折返吸收池的检测单元结构图。

图2是可调四量程两端内部折返吸收池的检测单元结构图。

图3是可调四量程同端内部折返吸收池的检测单元结构图。

其中，1是光源、2是探测器、3是吸收池、4是待测物质入口、5是基底物质入口、6是三通阀、7是第一排出物质出口、8是第一二通阀、9是第二排出物质出口、10是基底物质管、11是改变检测光线的传播方向的部件、12是第三排出物质出口、13是第三二通阀、14是第四排出物质出口、15是是第四二通阀。

具体实施方式

朗伯比尔定律：又称比尔定律、比耳定律、比尔-朗伯定律、布格-朗伯-比尔定律，是光吸收的基本定律，适用于所有的电磁辐射和所有的吸光物质，包括气体、固体、液体、分子、原子和离子。朗伯比尔定律是指光被吸收的量正比于光程中产生光吸收的分子数目。物理意义是当一束平行单色光垂直通过某一均匀非散射的吸光物质时,其吸光度A与吸光物质的浓度c及吸收层厚度b成正比，而与透光度T成反相关。

待测物质：指进入检测分析单元的物质中，需要被测量的目标待测物质。其形态包括但不限于气体、液体以及多形态混合，其物质成分包括但不限于单一物质、混合物质。

基底物质：指在探测器测量范围内无响应或对待测物质检测不产生干扰的背景物质。其形态包括但不限于气体、液体以及多形态混合，其物质成分包括但不限于单一物质、混合物质。

吸收池：指在检测分析单元中用于承载物质并进行检测分析的部分，两端通常设有窗片、透镜等通光部件，能够允许检测光通过。为实现宽范围检测，本专利中的吸收池特指在结构上能够满足待测物质流动路径与检测光传播路径一致或相反的吸收池；即吸收池可以是直通池扩展也可以是多次折返池。

光程：本专利中光程表征的是光源出射的检测光线在吸收池内的传播距离。对于直通式吸收池，光程基本等同于吸收池内部的物理长度L；对于折返式吸收池，若折返次数为n，则光程约等于(n+1)*L。

有效光程：表征的是光源出射的检测光线在吸收池内传播时与待测物质发生交互的距离。该距离与吸收池中有效的排出物质出口位置有关。

量程：基于当前有效光程进行检测时，所能测得的待测物质浓度范围。通过切换不同排出物质出口，能够实现吸收池有效光程的改变，从而实现检测单元的量程切换。

实施例

本发明提出了一种更为简单的调整吸收池光程的检测单元，该单元中的吸收池没有运动部件、无需复杂光学结构，光源和探测器唯一、吸收池唯一，装配方便、调试简单、维护难度较低。同时，该吸收池可设置多种光程调节比例，且比值可任意选择，配合检测分析单元中的信号监测和阀门控制功能，能够实现待测物质浓度的自适应宽范围检测和分析。

本发明提供的自动调节吸收池有效吸收层厚度从而实现待测物质宽浓度范围的检测单元是通过在吸收池不同位置设置待测物质通路，并通过阀门控制待测物质流向及待测物质和基底物质在吸收池内所占比例，实现吸收层厚度的调整，进而在不改变检测分析单元，尤其是吸收池结构的前提下，实现待测物质宽浓度范围的检测和分析。

本发明提供了一种可调节吸收池光程的检测单元，包括光源、探测器、吸收池、待测物质入口、基底物质入口、三通阀、第一排出物质出口、第一二通阀、第二排出物质出口、基底物质管、第三排出物质出口、第三二通阀、第四排出物质出口、第四二通阀。

所述吸收池为具有一次或多次折返光路的吸收池。所述具有一次或多次折返光路的吸收池中的检测光线的传播方向受到改变检测光线的传播方向的部件的一次或多次改变。所述光源出射的检测光线的传播方向受到改变的吸收池包含有改变检测光线的传播方向的部件，所述改变检测光线的传播方向的部件优选为光的反射镜；所述检测光线的传播方向改变是检测光线的传播方向经过改变检测光线的传播方向的部件时与原检测光线的传播方向不一致，可以是任意角度的发生变化，例如可以是90度角的变化，也可以是180度角的变化。

所述光源和探测器设置在吸收池附近，所述探测器设置在检测光线射出吸收池处；所述光源和探测器的位置可以互换。所述吸收池从左至右依次设有待测物质入口、第一排出物质出口、第三排出物质入口、第四排出物质出口和基底物质入口。

所述待测物质入口和基底物质出口分别设置在吸收池的两端且尽可能不留死体积，以便实现充分利用吸收池的长度，实现最大的光程。

所述第一排出物质出口、第三排出物质出口和第四排出物质出口分别设置在待测物质入口和基底物质出口之间，以便将吸收池的光程分成四个不同的量程；第一个量程是第一排出物质出口与待测物质入口的距离；第二个量程是待测物质入口和第三排出物质出口的距离；第三个量程是待测物质入口和第四排出物质出口的距离；第四个量程是待测物质入口和基底物质入口的距离。所述第一排出物质出口设置有第一二通阀，实现管道的导通和关闭；所述第三排出物质出口设置有第三二通阀，实现管道的导通和关闭；所述第四排出物质出口设置有第四二通阀，实现管道的导通和关闭。

所述第一排出物质出口可以设置在距待测物质入口和第三排出物质出口之间，优选在距待测物质入口四分之一吸收池物理长度的距离处。

所述第三排出物质出口可以设置在距待测物质入口四分之二吸收池物理长度的距离处。

所述第四排出物质出口可以设置在距待测物质入口四分之三吸收池物理长度的距离处。

所述基底物质入口设置有三通阀，所述基底物质入口与三通阀第一接口相连通；所述三通阀第二接口与基底物质管相连通；所述三通阀第三接口与第二排出物质出口相连通。

所述第一二通阀、第三二通阀和第四二通阀可以选择能通过电路控制开关的二通阀。

所述三通阀可以选择能通过电路控制开关的三通阀。

所述可调四量程折返吸收池的检测单元，还包括控制模块，所述控制模块分别与第一二通阀、第三二通阀、第四二通阀和三通阀通过线路或信号相连；所述控制模块与探测器通过线路或信号相连。

所述吸收池为待测物质流动方向与检测光传播方向一致或相反的吸收池；也可以为以反射镜、道威棱镜等具有折返功能的光学元件搭建的具有一次或多次折返光路的气体池。

进一步，通过对探测器信号的监测，经由程序实现阀门及通路的自动控制，从而实现待测物质浓度的自适应宽范围检测和分析。

本发明提出的一种可调四量程折返吸收池的检测单元，其结构如图1所示。光源发出的检测光经过吸收池，与吸收池内的待测物质相互作用后进入探测器，探测器通过对比吸收池内无待测物和有待测物时的光信号变化情况，可对待测物质种类和浓度进行分析。控制模块实时分析探测器信号强度，并根据仪器测量需求自适应的对第一二通阀、第三二通阀、第四二通阀和三通阀分别进行控制，调整待测物质与基底物质在吸收池中的比例，改变最大吸收层厚度，以实现第一量程、第二量程、第三量程和第四量程的切换，进而实现测量浓度范围的改变。

测量待测物质浓度的方法，包括如下步骤：

依据待测物质浓度确定低灵敏度量程、第一中灵敏度量程、第二中灵敏度量程或高灵敏度量程的测量方法；

所述低灵敏度量程的测量方法，包括如下步骤：

第一二通阀打开，第三二通阀和第四二通阀关闭，三通阀第一接口和第二接口导通。

待测物质从待测物质入口进入吸收池，基底物质经过三通阀第二接口、第一接口后进入吸收池；

待测物质和基底物质都从第一排出物质出口排出；

探测器探测吸收池内光信号，计算待测物质浓度。

所述第一中灵敏度量程的测量方法，包括如下步骤：

第一二通阀和第四二通阀关闭，第三二通阀打开，三通阀第一接口和第二接口导通。

待测物质从待测物质入口进入吸收池，基底物质经过三通阀第二接口、第一接口后进入吸收池；

待测物质和基底物质都从第三排出物质出口排出；

探测器探测吸收池内光信号，计算待测物质浓度。

所述第二中灵敏度量程的测量方法，包括如下步骤：

第一二通阀和第三二通阀关闭，第四二通阀打开，三通阀第一接口和第二接口导通。

待测物质从待测物质入口进入吸收池，基底物质经过三通阀第二接口、第一接口后进入吸收池；

待测物质和基底物质都从第四排出物质出口排出；

探测器探测吸收池内光信号，计算待测物质浓度。

所述高灵敏度量程的测量方法，包括如下步骤：

第一二通阀、第三二通阀和第四二通阀关闭，三通阀第一接口和第三接口导通。

待测物质从待测物质入口进入吸收池，并从基底物质入口进入后经过三通阀第一接口、第三接口、第二排出物质出口后排出吸收池；

探测器探测吸收池内光信号，计算待测物质浓度。

例如，当待测物质浓度较低时，需要提升仪器灵敏度时，可通过控制模块将阀门F1的a、b口导通，c口关闭，同时将三个阀门F2关闭，使检测分析单元处于最大光程。这样待测物质进入吸收池后经阀门F1的b口排出设备，待测物质充满整个吸收池，此时吸收层厚度最大，设备灵明度最高。当待测物质浓度较高导致吸收饱和无法正常测量时，可通过控制模块将阀门F1的a、c口导通，b口关闭，同时将第一、第二或第三阀门F2打开，使检测分析单元处于最小光程、第一中等光程或第二中等光程。这样待测物质进入吸收池后经第一阀门F2、第二阀门F2或第三阀门F2排出分析检测单元，同时基底物质经阀门F1的a口进入吸收池后也经同一阀门F2排出分析检测单元，此时待测物质和基底物质分别充满了以第一阀门F2、第二阀门F2或第三阀门F2为界限的吸收池左半部份和右半部份，由于基底物质对待测物质无影响，吸收层厚度为第一阀门F2、第二阀门F2或第三阀门F2的左侧部分，因此分析检测单元可测量的物质浓度得到提升，提升比例与吸收池总体积和第一阀门F2、第二阀门F2或第三阀门F2左侧体积之比正相关。

本发明提出的一种自适应宽范围的检测分析单元能够通过吸收池上不同位置阀门的开闭对光程进行调节，进而实现待测物质的宽范围测量，同时在控制模块的作用下，实现检测范围的自动调整，从而充分满足待测物质在大范围浓度变化条件下的快速准确测量。

本发明具有以下几个特点：检测分析单元的光机结构无任何运动部件，重复性好，可靠性强；检测分析单元结构简单，无复杂或昂贵的光学部件，且针对不同光程测量时，采用的是同一套光源和探测器，成本低，稳定性好，光程切换过程中无需考虑变换光源或探测器所带来的标定问题；检测分析单元采用单一吸收池，检测路径中不增加额外窗片或光学元件，检测光通量大，抗污染能力强。同时，最小光程或中等光程长度可通过预留阀门的位置进行调节，并可通过进一步增加排气口和阀门数量实现更多光程长度的集成，在控制模块的作用下实现多光程自由快速切换。

本发明提出的检测分析单元可测量的待测物质形态包括但不限于气体、液体以及多形态混合，其组成成分包括但不限于单一物质、混合物质(可用于单一物质的宽量程范围测量，也可用于不同吸收系数的混合物质的同时测量)，进样方式包括但不限于正压进样、负压进样。