一种气体检测设备的制作方法

1.本技术涉及在线监测的技术领域，具体而言，涉及一种气体检测设备。


背景技术：

2.测量变压器油中气体组分通常采用光声光谱法，即基于各种特征气体的红外吸收特性将气体封闭在一个腔体(例如光声池)中，特定波长的红外光照射到检测腔体内时气体吸收红外光，检测腔体内无光照时气体恢复常态，在上述两种情况之间气体释放热量、检测腔体内部压强发生变化。因此，只需要让红外光强周期性变化，嵌入检测腔体内的微音器就能识别到周期变化的声压信号，进而根据声压信号的大小定量分析、获得变压油中各个气体组分的浓度。
3.但现有技术中，通过光源发射的红外光在直接进入检测腔体之前，光线在传导过程中的损失会使进入检测腔体的特定波长的红外光强度降低，最终造成光声池对气体浓度检测的分辨率降低；而仅通过聚光罩聚焦的红外光很难聚集于检测腔体的中央，照射到检测腔体内侧壁附近的红外光，容易使紧邻内侧壁的边界气体层周期性膨胀收缩，产生影响气体组分测量的干扰信号。


技术实现要素：

4.本技术的目的在于提供一种气体检测设备，其能够通过聚光罩与透镜模组的配合将检测所用光线汇聚于气体检测装置的内部中央，以持续稳定、准确地检测气体组分。
5.本技术的实施例是这样实现的：
6.本技术实施例第一方面提供了一种气体检测设备，包括气体检测装置以及聚光装置。其中，聚光装置包括聚光罩以及透镜模组，透镜模组包括至少一个透镜，透镜设于聚光罩与气体检测装置之间；检测所用光线由聚光罩汇集后、经由透镜改变传播方向，以汇聚于气体检测装置的内部中央。
7.于一实施例中，透镜模组包括凸透镜与凹透镜，凸透镜与凹透镜的主光轴重合，且凸透镜位于聚光罩与凹透镜之间。
8.于一实施例中，聚光装置还包括滤光片，滤光片设于气体检测装置与透镜模组之间，用于筛选固定波长的光。
9.于一实施例中，聚光装置还包括至少一个挡光片，一个挡光片设于滤光片的入射面。
10.于一实施例中，聚光装置还包括进光座，进光座设于透镜模组与气体检测装置之间，进光座用于收束光线。
11.于一实施例中，进光座为侧壁倾斜的圆台状壳体或棱台状壳体；进光座具有进光口与出光口，且进光口的面积大于出光口的面积。
12.于一实施例中，聚光装置还包括聚焦窗口片，聚焦窗口片设于气体检测装置的进光面的一侧，且聚焦窗口片的焦距为气体检测装置长度的一半。
13.于一实施例中，聚光装置还包括光源，光源设于聚光罩内、或设于聚光罩与透镜模组之间。
14.于一实施例中，聚光罩为半椭球形状的壳体；聚光罩的内壁为反射面、且聚光罩的内壁朝向透镜模组。
15.于一实施例中，聚光装置还包括散热件，散热件设于聚光罩的开口一侧。
16.本技术与现有技术相比的有益效果是：本技术通过聚光罩与透镜模组的配合，将检测所用光线汇聚、并适当调整其汇聚后的传播方向，以使检测所用光线最终大量汇集于气体检测装置的内部中央，实现气体组分的精准、稳定测量。本技术还通过挡光片减少外界光线对气体检测的干扰；通过进光座收束光线，以提高检测所用光线的利用率。本技术有效提高气体检测装置内部中央的检测用光强度，以提高气体检测的分辨率。
附图说明
17.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，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相关的附图。
18.图1为本技术一实施例示出的气体检测设备的结构示意图；
19.图2为本技术一实施例示出的检测所用光线在气体检测设备中的光路示意图。
20.图标：1-气体检测设备；10-气体检测装置；101-进光面；20-聚光装置；21-聚光罩；210-开口；211-反射面；22-透镜模组；221-凸透镜；222-凹透镜；23-滤光片；231-入射面；24-挡光片；25-进光座；251-进光口；252-出光口；26-聚焦窗口片；27-光源；28-散热件。
具体实施方式
21.术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，并不表示排列序号，也不能理解为指示或暗示相对重要性。
22.此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
23.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“左”、“右”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
24.在本技术的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。
25.下面将结合附图对本技术的技术方案进行清楚、完整地描述。
26.请参照图1，图1为本技术一实施例示出的气体检测设备1的结构示意图。如图1所示，本技术实施例第一方面提供了一种气体检测设备1，包括气体检测装置10以及聚光装置
20。聚光装置20设于气体检测装置10的入射面231一侧，将气体检测装置10在检测变压油中气体组分时、所需要的检测光线(例如红外光)汇聚于气体检测装置10的内部检测腔体的中央。
27.聚光装置20包括光源27、聚光罩21以及透镜模组22。光源27设于聚光罩21内、或设于聚光罩21与透镜模组22之间，且光源27发出的光主要由聚光罩21汇聚。透镜模组22包括至少一个透镜，透镜设于聚光罩21与气体检测装置10之间，以调整经过聚光罩21汇聚后光线的传播方向，使光线进一步汇集于气体检测装置10的内部中央。
28.如图1所示，于一实施例中，聚光罩21为半椭球形状的壳体，聚光罩21的内壁为反射面211、且聚光罩21的内壁(反射面211)朝向透镜模组22。光源27设于聚光罩21的内部，光源27发出的红外光经过聚光罩21的反射面211反射后，朝远离聚光罩21的中轴线方向汇聚。
29.聚光罩21的曲率半径与圆锥系数，是基于聚光罩21的开口半径、光源27距离聚光罩21顶点o的距离以及预设的聚焦位置或焦距计算得到的。聚光罩21的椭球面参数z(x)的计算公式如下:
[0030][0031]
其中，c为聚光罩21的曲率，k为聚光罩21的圆锥系数，x为聚光罩21沿中轴线方向延伸的距离。
[0032]
于一实施例中，透镜模组22包括凸透镜221与凹透镜222，且凸透镜221与凹透镜222的主光轴重合，凸透镜221位于聚光罩21与凹透镜222之间。凸透镜221用于将经过聚光罩21反射汇聚的光进一步折射汇聚，以形成光线分布较密集的光束；凹透镜222用于将凸透镜221汇聚的光线折射，以延长光束中多个光线在主光轴汇聚时与凸透镜221之间的距离。
[0033]
为使光源27发出的红外光尽量利用于气体检测，聚光罩21的开口210的直径要远大于气体检测装置10(如光声池)的进光面101的最大外径。因此，为使更多红外光线尽可能从尺寸较小的进光面101进入气体检测装置10，本技术实施例采用凸透镜221与凹透镜222配合调整光路的方法，使经由光源27发射、聚光罩21汇聚的光线可以通过凸透镜221进一步集中以通过气体检测装置10的进光面101；另外，凹透镜222的设置可以使经由凸透镜221进一步集中的大量光线在较远处聚焦，以实现气体检测装置10与聚光罩21之间的距离较远时，光源27发出的红外光也可以汇聚于气体检测装置10的内部检测空腔的中央，提高气体检测装置10对气体组分检测的准确性与分辨率。
[0034]
于一实施例中，在采用光声光谱法检测变压油中气体组分时，气体检测设备1的总体尺寸受限，气体检测设备1中各部件之间的间隔通常较小，此时透镜模组22包括的两个透镜，通常采用厚度较薄的菲涅尔透镜。操作人员基于两片菲涅尔透镜的焦距以及气体检测装置10(通常为光声池)的位置，将菲涅尔凸透镜221与菲涅尔凹透镜222摆放在合适位置，以收束光线并将其聚焦在气体检测装置10的内部空腔的中央，避免红外光与气体检测装置10的内侧壁接触，对气体组分的测量产生干扰。
[0035]
现有光源27通常为不规则形状且难以忽略其体积，为使大体积光源27能够在聚光罩21的作用下聚光，通常需要让光源27远离半椭球形聚光罩21的长轴顶点o，且需要让半椭球形聚光罩21的焦距与其长轴长度的差值尽可能大，但如此又会使光线无法在远处聚焦。因此，本技术所提供的聚光装置20采用聚光罩21、凸透镜221与凹透镜222配合聚焦的方式，
既能够减小甚至忽略光源27体积与形状的影响，又能够实现光源27发出的红外光在远处聚焦的效果。
[0036]
于一实施例中，聚光装置20还包括滤光片23，滤光片23设于气体检测装置10与透镜模组22之间，用于筛选固定波长的红外光。经由凹透镜222折射后导出的红外光首先通过滤光片23、筛选出特定波长的红外光，为防止外界其他光线与红外光一起射入滤光片23的入射面231，对后续气体检测装置10测量气体组分造成干扰，滤光片23的入射面231边缘处，设有向外延伸的挡光片24，以阻挡外界光线进入滤光片23。
[0037]
于一实施例中，聚光装置20还包括进光座25，进光座25设于透镜模组22与气体检测装置10之间，用于收束光线。进光座25为侧壁倾斜的圆台状壳体或棱台状壳体，两端分别具有进光口251与出光口252，且进光口251的面积大于出光口252的面积。进光座25的内壁光滑，用于反射接触到进光座内壁的光线，经由滤光片23筛选出的固定波长的红外光从进光座25的进光口251射入，部分光线接触到进光座25的内壁发生反射，改变原有的传播方向后，与未发生反射的红外光线一起从面积较小的出光口252导出，由此进光座25起到收束光线的作用。
[0038]
进光座25的侧壁斜率如果过大，部分红外光可能会反向射出进光口251；进光座25的侧壁斜率如果过小，进光口251的口径也会减小，进光座25能够捕获的光量变少，经过滤光片23筛选出的红外光线利用率降低。因此，进光座25的侧壁斜率需要基于气体检测装置10的进光面101尺寸(如最大外径、直径或外径平均值)、与相邻的滤光片23的光线导出面尺寸设置，以使滤光片23筛选出的红外光，通过进光座25内壁的反射尽可能多的收束、且进一步导入气体检测装置10。
[0039]
于一实施例中，进光座25的进光口251边缘处，同样设有向外延伸的挡光片24，以阻挡外界光线进入进光座25，干扰后续气体组分检测。
[0040]
于一实施例中，聚光装置20还包括聚焦窗口片26，聚焦窗口片26设于气体检测装置10的进光面101的一侧，聚焦窗口片26具有高红外透过率且其焦距为气体检测装置10长度的一半，以保证进入聚焦窗口片26的红外光线经过折射，尽量汇聚在气体检测装置10的内部检测空腔的中央，且尽量避免进入气体检测装置10的红外光线大量照射在气体检测装置10的内壁上。
[0041]
除了气体、液体、固体也会产生光声效应。气体检测装置10(如光声池)的内壁被调制的红外光照射后，会向紧邻内壁的边界层气体传导周期性热流，造成边界层气体温度的周期性变化，进而引起边界层的气体周期性膨胀、收缩，这同样会产生干扰性的声压信号。本技术设置聚焦窗口片26、且将其焦距设置为气体检测装置10的长度的一半，可尽量避免红外光直接照射到气体检测装置10的内壁的情况发生、进而有效较少噪声干扰。
[0042]
于一实施例中，聚光装置20还包括散热件28，散热件28设于聚光罩21的开口210一侧，以降低聚光装置20的温度。
[0043]
请参见图2，图2为本技术一实施例示出的检测所用光线在气体检测设备1中的光路示意图。如图2所示，设于聚光罩21内的光源27所发出的检测所用光线为红外光光线，光线通过半椭球形状的聚光罩21的反射面211反射并初步聚合，再经由透镜模组22中的凸透镜221折射，进一步聚合成分布较密集的光束后，通过凹透镜222折射以使红外光线聚焦的位置变远。然后，红外光线导入滤光片23，通过滤光片23筛选出固定波长的红外光，再通过
进光座25内壁的反射作用进一步收束导出后，特定波长的红外光光线最终通过聚焦窗口片26聚焦至气体检测装置10的内部检测空腔的中央，以使气体检测装置可以准确检测变压油中气体组分。
[0044]
本技术通过聚光罩21与透镜模组22的配合，将检测所用光线汇聚、并适当调整其汇聚后的传播方向，以使检测所用光线最终大量汇集于气体检测装置10的内部中央，实现气体组分的精准、稳定测量。本技术还通过挡光片24减少外界光线对气体检测的干扰；通过进光座25收束光线，以提高检测所用光线的利用率。本技术有效提高气体检测装置10内部空腔中央的检测用光强度，以提高气体检测的分辨率。
[0045]
以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种气体检测设备，其特征在于，包括：气体检测装置；聚光装置，包括聚光罩以及透镜模组，所述透镜模组包括至少一个透镜，所述透镜设于所述聚光罩与所述气体检测装置之间；检测所用光线由所述聚光罩汇集后、经由所述透镜改变传播方向，以汇聚于所述气体检测装置的内部中央。2.根据权利要求1所述的气体检测设备，其特征在于，所述透镜模组包括凸透镜与凹透镜，所述凸透镜与所述凹透镜的主光轴重合，且所述凸透镜位于所述聚光罩与所述凹透镜之间。3.根据权利要求1所述的气体检测设备，其特征在于，所述聚光装置还包括滤光片，所述滤光片设于所述气体检测装置与所述透镜模组之间，用于筛选固定波长的光。4.根据权利要求3所述的气体检测设备，其特征在于，所述聚光装置还包括至少一个挡光片，一个所述挡光片设于所述滤光片的入射面。5.根据权利要求1-4任一项所述的气体检测设备，其特征在于，所述聚光装置还包括进光座，所述进光座设于所述透镜模组与所述气体检测装置之间，所述进光座用于收束光线。6.根据权利要求5所述的气体检测设备，其特征在于，所述进光座为侧壁倾斜的圆台状壳体或棱台状壳体；所述进光座具有进光口与出光口，且所述进光口的面积大于所述出光口的面积。7.根据权利要求1所述的气体检测设备，其特征在于，所述聚光装置还包括聚焦窗口片，所述聚焦窗口片设于所述气体检测装置的进光面的一侧，且所述聚焦窗口片的焦距为所述气体检测装置长度的一半。8.根据权利要求1所述的气体检测设备，其特征在于，所述聚光装置还包括光源，所述光源设于所述聚光罩内、或设于所述聚光罩与所述透镜模组之间。9.根据权利要求1所述的气体检测设备，其特征在于，所述聚光罩为半椭球形状的壳体；所述聚光罩的内壁为反射面、且所述聚光罩的内壁朝向所述透镜模组。10.根据权利要求1所述的气体检测设备，其特征在于，所述聚光装置还包括散热件，所述散热件设于所述聚光罩的开口一侧。

技术总结
本申请公开了一种气体检测设备，涉及在线监测的技术领域，以解决现有技术中光线难以在气体检测装置内部中央聚焦、气体检测装置难以准确检测气体组分的技术问题。本申请的气体检测设备包括气体检测装置以及聚光装置。其中，聚光装置包括聚光罩以及透镜模组，透镜模组包括至少一个透镜，透镜设于聚光罩与气体检测装置之间；检测所用光线由聚光罩汇集后、经由透镜改变传播方向，以汇聚于气体检测装置的内部中央。故本申请具有聚焦效果好、气体检测稳定、准确的优点。准确的优点。准确的优点。


技术研发人员：支柯 刘帅涛 李旭 王丛丛
受保护的技术使用者：杭州晟冠科技有限公司
技术研发日：2023.02.24
技术公布日：2023/7/17