專利名稱：光學(xué)氣體分析裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)氣體分析裝置，其包括至少一個在至少一個管形測量樣品池中形成的由被測氣體流過的測量腔，所述至少一個測量腔被至少一個設(shè)置在輸入側(cè)的紅外射線源縱向照射，至少一個設(shè)置在輸出側(cè)的用于按照NDIR光譜測量原理工作的分析氣體濃度的光-氣動(opto-pneumatisch)檢測器測量所述紅外射線源的因吸收損失而減弱的光束，設(shè)有用于在氣體混合物分析時改善選擇性的光學(xué)裝置。
背景技術(shù)：
這種按照NDIR光譜學(xué)原理工作的氣體分析裝置的應(yīng)用范圍從氣體——例如一氧化碳或者二氧化碳——的濃度分析至空氣監(jiān)控直至復(fù)雜氣體混合物的微量分析。就在這方面，NDIR光譜測量，與其他分析方法諸如FTIR光譜法或者氣體色譜分析法相比，用測量技術(shù)上較少的消耗提供小的指示極限，因此提供小的靈敏度。
借助于按照非發(fā)散性紅外光譜(NDIR)原理工作的氣體分析裝置的氣體分析被廣泛采周。氣體分析裝置的原理結(jié)構(gòu)總是相同的。從紅外射線源發(fā)射的光束透射包含被測氣體的測量樣品池，并在光線的輸出側(cè)上照在光電轉(zhuǎn)換器上，該轉(zhuǎn)換器主要形成為光-氣動檢測器。以足夠的信噪比產(chǎn)生檢測信號主要要求對射線源發(fā)出的光束進(jìn)行調(diào)制。 在通過測量樣品池的路徑上，從射線源發(fā)射的原始強(qiáng)度被吸收過程被減弱。這種減弱按 Lambert-Beer定律取決于被吸收的氣體的濃度。
這里感興趣的采用光-氣動檢測器的NDIR光譜學(xué)與其他NDIR氣體分析裝置相比達(dá)到特別高的靈敏度和選擇性。在測量技術(shù)上這個有利的特性歸功于氣體分析裝置的用待檢測的被測氣體組分填充的專用檢測器。在周期地用紅外線進(jìn)行照射時，包含在檢測器中的分子吸收特定的能量成分，這些能量成分通過振動松弛導(dǎo)致氣體的溫度和壓力上升。因此該光-氣動檢測器只在與貯存在接收器中的氣體的吸收頻帶準(zhǔn)確一致的光譜范圍內(nèi)敏感。因而這種NDIR氣體分析裝置還被認(rèn)為是“相關(guān)光譜儀”，它在原理上就已經(jīng)決定了，對于包含在被測氣體中的不同于檢測器填充物的其他氣體，橫向靈敏度非常小。
DE3937141A1提出一種同類的按照NDIR光譜學(xué)原理工作的光學(xué)氣體分析裝置。這里為了同時測量被測氣體多個組分的濃度，使用兩個彼此相鄰的測量樣品池，它們被供給被測氣體或?qū)Ρ葰怏w，并讓調(diào)制過的紅外線光束透射。在測量樣品池中被部分地吸收之后， 光束到達(dá)設(shè)置在樣品池后面的第一光-氣動檢測器，該第一光-氣動檢測器帶有兩個在照射方向上彼此相繼地設(shè)置的腔，在腔中包括氣體試樣的第一組分。這兩個腔被一個對紅外線光束透明的窗隔開。在上述第一檢測器后面設(shè)置結(jié)構(gòu)相同的第二光-氣動檢測器，它用氣體試樣的第二組分填充。第一和第二檢測器之間使用一個專用輻射濾光片，該輻射濾光片對光束的透明度處于該氣體試樣第二組分較弱的射線吸收范圍內(nèi)。
因此可以通過第二檢測器同時測量干擾成分，并接著對橫向靈敏度進(jìn)行計算修正。然而為了把第二光-氣動檢測器包括在內(nèi)，造成相應(yīng)較高的制造費(fèi)用。此外由于附加的測量通道需要維護(hù)，運(yùn)行費(fèi)用上升。此外還有其他限制檢測器的最大數(shù)目限于四個，由于在檢測器前面需要光學(xué)干涉濾光片，所以不可能結(jié)合許多檢測器。
從DE 10 2004 031 643A1已知另一種具有相同基本結(jié)構(gòu)的光學(xué)氣體分析裝置。 這里也用氣體試樣的第一組分填充第一光-氣動檢測器，并在其后面設(shè)置的第二光-氣動檢測器用該氣體試樣的第二組分填充。為了減小這種檢測器結(jié)構(gòu)的橫向靈敏度，建議通過在該檢測器裝置前面安裝氣體過濾器，預(yù)先吸收可能被干擾成分吸收的輻射成分。
DE 197 35 716A1公開了采用按照NDIR光譜學(xué)原理工作的氣體分析裝置的多組分測量信號處理的另一種技術(shù)解決方案，它只用一個光-氣動檢測器就行。為此該氣體分析裝置通過如下方式調(diào)整得對測量的至少兩個不同的氣體成分敏感，即選擇或調(diào)整檢測器的腔比例和填充濃度，使得在各個氣體成分信號之間出現(xiàn)相移，所述相移這樣確定大小，使得在信號處理所使用的時間窗上對于各自一個待測的氣體成分方面交變信號的積分達(dá)到最大值，而其它氣體成分的積分為零或接近于零。以此使測量成分和干擾成分的信號相位達(dá)到正交化。
為了在用光-氣動檢測器進(jìn)行測量時降低橫向靈敏度，從一般現(xiàn)有技術(shù)已知其它解決方案，它們基于通過在光-氣動檢測器前面安裝光學(xué)干涉濾光片而屏蔽重疊吸收的光譜范圍。此外已知，光-氣動檢測器作為所謂雙層接收器，其帶有彼此相繼地設(shè)置的兩個用氣體填充的接收器腔室，它們兩個被相同的輻射透射，但是對檢測器中的敏感元件起相反作用，它可以形成為薄膜電容或微電流傳感器。另外作為替代方案，還有在檢測器后面使用一個或多或少反射的反射鏡，在這樣的雙層接收器上對后檢測器腔進(jìn)行所謂光學(xué)延長，以便減小橫向靈敏度。
然而，通過上面提及的解決方案總是只能時一種干擾成分達(dá)到選擇性的優(yōu)化。此外只對各干就成分的特定一種濃度才能做到完全排除橫向靈敏度的影響。因此總還有剩余誤差，影響測量的干擾成分越多，剩余誤差越大。發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的任務(wù)是，實(shí)現(xiàn)一種帶有用于在氣體混合物分析時改善選擇性的裝置的光學(xué)氣體分析裝置，它構(gòu)造簡單，可以用來分析帶有多種導(dǎo)致接收器信號橫向靈敏度的雜質(zhì)成分的氣體混合物。
該任務(wù)用按照權(quán)利要求I前序部分與其特征部分的特征結(jié)合的光學(xué)氣體分析裝置解決。后續(xù)從屬權(quán)利要求給出本發(fā)明的有利改進(jìn)方案。
本發(fā)明包含這樣的技術(shù)教導(dǎo)，即用于改善選擇性的光學(xué)裝置包括一個附加的寬帶接收器，該寬帶接收器帶有前置的光學(xué)干涉濾光片，用來補(bǔ)充光-氣動檢測器，用以抑制在被測氣體中的雜質(zhì)成分的主要干狀影響。
換句話說，在本發(fā)明中，除了至今一般使用的光-氣動檢測器以外，在同類的氣體分析裝置中使用復(fù)合的光學(xué)干涉濾光片連同光譜寬帶敏感的檢測器。在這里該光-氣動檢測器保證在測量成分方面高的靈敏度；設(shè)置附加的光學(xué)組件，用來高度抑制被測氣體中的雜質(zhì)成分造成的干擾影響。
按照本發(fā)明設(shè)置的光學(xué)干涉濾光片優(yōu)選構(gòu)造為具有多個透射范圍的所謂多變量光學(xué)元件(MOE)。因此，光學(xué)干涉濾光片不只限于一個唯一的透射范圍。干涉濾光片的多個透射范圍各自有目的地這樣優(yōu)化，使得可能按照預(yù)先確定的樣本對輻射成分進(jìn)行加權(quán)。這種樣本可以與例如要求的透射曲線一致。
作為寬帶接收器優(yōu)選采用熱電檢測器。然而作為其替代方案，還可能使用通過特定的氣體填充人為地造成光譜寬帶敏感的光-氣動檢測器。然而還可以是基于熱電效應(yīng)的其他熱電檢測器，這些檢測器由鐵電晶體或者是帶有不對稱晶體結(jié)構(gòu)的陶瓷構(gòu)成。由于這種不對稱性，這樣的材料具有電偶極矩并從而永久地偏振化。這種材料通過紅外線輻射而升溫時，晶格中的距離改變，從而使偶極矩和偏振化改變。以此在表面上出現(xiàn)電荷，可以將其作為電信號截取。這個電信號與輻射引入量的改變成正比。特別重要的是作為熱電檢測器的基本材料使用摻雜的硫酸三甘氨酸(DTGS)。這樣的DTGS檢測器可以以一個非常大的頻率范圍使用，構(gòu)造簡便，并具有快速的響應(yīng)時間，從而它特別適用于本發(fā)明對象的寬帶接收器。然而作為其替代方案，還可以使用通過特定的氣體填充人為地造成光譜寬帶敏感的光-氣動檢測器。
按照本發(fā)明的另一個改進(jìn)描施，涉及按照本發(fā)明的氣體分析裝置的特殊的信號處理，在此建議，由光-氣動檢測器給出的、用于檢測待測氣體成分的的第一信號S1以及由寬帶接收器給出的、形成得與在光-氣動檢測器上的橫向靈敏度成正比的第二信號S2引入電子分析單元的輸入側(cè)，用于借助于第二信號S2修正第一信號Si。在原理上這種修正可以通過從第一信號S1減去第二信號S2進(jìn)行。例如若光-氣動檢測器測量被測氣體一氧化碳作為第一信號S1，則通過用前置的光學(xué)的干擾濾波器而具有光譜選擇性的寬帶接收器產(chǎn)生第二信號S2，用這樣的方法進(jìn)行修正。通過測試可以證明，這個信號處理即使在高度復(fù)雜的氣體混合物上也能得出高質(zhì)量的測量結(jié)果。信號S1和S2的要求的信號處理在此能相對簡單地執(zhí)行。
在實(shí)踐中要考慮，在應(yīng)用被測氣體的測量蹤跡需要的長測量樣品池時，干擾成分的特性吸收變得這樣強(qiáng)烈，以致于基于數(shù)學(xué)關(guān)系出現(xiàn)非線性吸收效應(yīng)，使測量結(jié)果嚴(yán)重失真。為了排除這些誤差，按照光學(xué)氣體分析裝置的一種具體的實(shí)施形式，帶有前置光學(xué)干涉濾光片的寬帶接收器構(gòu)造在第二條射線上，其設(shè)置在與光-氣動檢測器相配的第一條射線旁邊。這時，該第二條射線可以配備一個相對較短的測量樣品池。因此，帶有前置光學(xué)干涉濾光片的寬帶接收器在空間上設(shè)置在光-氣動檢測器旁邊。
按照光學(xué)氣體分析裝置的另一個優(yōu)選的實(shí)施形式，設(shè)置一個唯一的測量樣品池， 在該測量樣品池的光輸出側(cè)的端部上設(shè)置帶有前置光學(xué)干涉濾光片的寬帶接收器，它在光輻射方向上跟在光-氣動檢測器后面。寬帶接收器和光-氣動檢測器因此彼此相繼地設(shè)置在同一光軸上。
在上述兩個優(yōu)選的實(shí)施方式中，測量樣品池優(yōu)選具有多個腔。就這方面來說，在由被測氣體流過的測量腔M旁邊，沿著該測量腔設(shè)置一個填充基準(zhǔn)氣體的用于校準(zhǔn)的基準(zhǔn)腔 R0
上述信號處理優(yōu)選可以用軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)，其中，該電子分析單元以信號處理算法運(yùn)行，用以借助于寬帶接收器的第二信號S2修正光-氣動檢測器的第一信號Si。這時信號處理算法的程序通過保存在該軟件中的控制指令進(jìn)行實(shí)施。


通過借助于附圖對本發(fā)明的兩個優(yōu)選實(shí)施例的描述進(jìn)一步說明其他改進(jìn)本發(fā)明的措施。附圖中
圖1是帶有一個唯一的測量樣品池的光學(xué)氣體分析裝置的第一實(shí)施形式的示意圖2是帶有兩個測量樣品池的光學(xué)氣體分析裝置的第二實(shí)施形式的示意圖3是所測量的信號S1和S2的信號處理方框示意圖。
具體實(shí)施方式
按圖1，在光學(xué)氣體分析單元的一個管形測量樣品池I中，一方面設(shè)置一個由被測氣體流過的測量腔M和另一方面設(shè)置一個用基準(zhǔn)氣體填充的基準(zhǔn)腔R。測量樣品池I受到設(shè)置在其光輸入側(cè)的紅外射線源2縱向照射。在紅外線到達(dá)測量樣品池I之前，它經(jīng)過一個帶有旋轉(zhuǎn)斬光盤4的調(diào)制單元3進(jìn)行相位翻轉(zhuǎn)。
在測量樣品池I的光輸出側(cè)放置一個光-氣動檢測器5，它測量由于吸收損失而減弱的光束，以便產(chǎn)生電信號S1，用以接著按照原理NDIR光譜學(xué)分析出氣體濃度。為了改進(jìn)氣體混合物分析時的選擇性，在光-氣動檢測器5下游設(shè)置寬帶接收器6。在寬帶接收器6 上游設(shè)置一個光學(xué)干涉濾光片7。備有光學(xué)干涉濾光片7的寬帶接收器6用來產(chǎn)生第二信號S2，用以消除被測氣體中的雜質(zhì)成分造成的干擾影響。
按照圖2所示的第二實(shí)施形式，設(shè)置兩個平行的測量樣品池Ia和lb。在其中一個測量樣品池Ia的光輸出側(cè)設(shè)置光-氣動檢測器5。在另一個測量樣品池Ib的光輸出側(cè)設(shè)置寬帶接收器6和設(shè)置在上游的光學(xué)干涉濾光片7。由此得出，設(shè)置兩個紅外射線源2a和 2b，它們各自分配給其中一個測量樣品池Ia或lb。
按照圖3，由光-氣動檢測器5給出的、用于探測待測氣體成分的信號S1以及由寬帶接收器6給出的、與在光-氣動檢測器5上所測量的橫向靈敏度成正比的信號S2施加于電子分析單元8的輸入側(cè)。電子分析單元8通過從第一信號S1減去第二信號S2在按照本發(fā)明的意義上在包含于被測氣體的干狀成分方面對第一信號S1進(jìn)行修正，以便消除包含在被測氣體中的干擾成分。詳細(xì)地說，這根據(jù)下面解釋的工作方法進(jìn)行
從被測氣體出發(fā)，它是由一個濃度為C1的被測成分和η個濃度為C2......c1+n的干擾成分組成的混合物。各氣體的光譜吸收系數(shù)標(biāo)為Qi (V)。按照Lambert-Beer定律，包含在被測氣體中的干擾成分Teas(V)的光譜的光學(xué)的透射率為f1 + M、
TGas (V) = exp - / · [ , (ν) -Ci(I)V/=2J
其中，I是NDIR氣體分析裝置中的測量樣品池I的長度。現(xiàn)在各干擾成分在光-氣動檢測器5上引起橫向靈敏度QE
QE ~[1- rGai(v)>/v( 2 )
這里Sre是光-氣動檢測器5的光譜靈敏度函數(shù)。這是填充氣體的光學(xué)和熱力學(xué)特性、檢測器5的幾何尺寸和敏感元件傳遞特性的復(fù)合函數(shù)，并且無法用分析方法描述。但是，QE和各氣體濃度之間的相互關(guān)系由測量求出。
附加的寬帶接收器6能夠測量氣體混合物的積分的吸收
權(quán)利要求
1.光學(xué)氣體分析裝置，其包括在管形測量樣品池(l，la、lb)中形成的、由被測氣體流過的至少一個測量腔(M)，所述至少一個測量腔被至少一個設(shè)置在輸入側(cè)的紅外射線源(2，2a、2b)縱向照射，所述紅外射線源的通過吸收損失而減弱的光束用至少一個設(shè)置在輸出側(cè)的、用于按照NDIR光譜原理進(jìn)行氣體濃度分析的光-氣動檢測器(5)測量，設(shè)有在氣體混合物分析時用于改進(jìn)選擇性的光學(xué)裝置，其特征在于，用于改進(jìn)選擇性的光學(xué)裝置包括一個帶有前置的光學(xué)干涉濾光片(7)的寬帶接收器￠)，該光學(xué)干涉濾光片附加于光-氣動檢測器(5)地使用，用以抑制在被測氣體中的雜質(zhì)成分造成的干擾影響。
2.按照權(quán)利要求I的光學(xué)氣體分析裝置，其特征在于，所述光學(xué)干涉濾光片(7)形成為具有多個透射范圍的多變量的光學(xué)元件(MOE)。
3.按照權(quán)利要求I的光學(xué)氣體分析裝置，其特征在于，所述寬帶接收器(6)形成為熱電檢測器。
4.按照權(quán)利要求I的光學(xué)氣體分析裝置，其特征在于，由光-氣動檢測器(5)給出的、用于探測待測氣體成分的第一信號(S1)以及由寬帶接收器(6)給出的、與在光-氣動檢測器(5)上測量的橫向靈敏度成正比的第二信號(S2)引導(dǎo)到電子分析單元(8)的輸入側(cè)，用以借助于第二信號(S2)修正第一信號(S1)。
5.按照權(quán)利要求I的光學(xué)氣體分析裝置，其特征在于，在由被測氣體流過的測量腔(M)旁邊，沿著該測量腔，所述至少一個測量樣品池(l，la、lb)具有用基準(zhǔn)氣體填充的用于校準(zhǔn)的基準(zhǔn)腔(R)。
6.按照權(quán)利要求5的光學(xué)氣體分析裝置，其特征在于，設(shè)有一個唯一的測量樣品池(I)，在該測量樣品池的光輸出側(cè)的端部上設(shè)置光-氣動檢測器(5)，在光輻射方向上在光-氣動檢測器后面跟隨帶有前置的光學(xué)干涉濾光片(7)的寬帶接收器(6)。
7.按照權(quán)利要求5的光學(xué)氣體分析裝置，其特征在于，設(shè)有兩個平行的測量樣品池(la、lb),在其中一個測量樣品池(Ia)的光輸出側(cè)上設(shè)置光-氣動檢測器(5),相反在在另一個測量樣品池(Ib)的光輸出側(cè)上設(shè)置帶有前置的光學(xué)干擾濾光片(7)的寬帶接收器(6)。
8.按照權(quán)利要求I的光學(xué)氣體分析裝置，其特征在于，其中一個測量樣品池(Ia)構(gòu)造得比另一個測量樣品池(Ib)長。
9.按照權(quán)利要求I的光學(xué)氣體分析裝置，其特征在于，設(shè)置在所述至少一個測量樣品池(1，IaUb)的光輸出側(cè)上的紅外射線源(2)具有調(diào)制單元(3)，該調(diào)制單元帶有旋轉(zhuǎn)的斬光盤(4)，用于相位翻轉(zhuǎn)。
10.用于按照權(quán)利要求I至9中任一項(xiàng)的氣體分析裝置的計算機(jī)程序產(chǎn)品，該氣體分析裝置的電子分析單元(8)能用信號處理算法工作，用于借助于寬帶接收器(6)的第二信號(S2)修正光-氣動檢測器(5)的第一信號(S1),該信號處理算法的程序通過保存在軟件中的相應(yīng)控制指令進(jìn)行實(shí)施。
11.載有按照權(quán)利要求10的計算機(jī)程序產(chǎn)品的數(shù)據(jù)載體。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光學(xué)氣體分析裝置，其包括至少一個在管形測量樣品池(1)中形成的、由被測氣體流過的測量腔(M)，所述至少一個測量腔被至少一個設(shè)置在輸入側(cè)的紅外射線源(2)縱向照射，所述紅外射線源的通過吸收損失而減弱的光束用至少一個設(shè)置在輸出側(cè)的、用于按照NDIR光譜原理進(jìn)行氣體濃度分析的光-氣動檢測器(5)測量，設(shè)有用于改進(jìn)在氣體混合物分析時的選擇性的光學(xué)裝置，用于改進(jìn)選擇性的光學(xué)裝置包括一個帶有前置的光學(xué)干涉濾光片(7)的寬帶接收器(6)，該光學(xué)干涉濾光片附加于光-氣動檢測器(5)地使用，用以抑制在被測氣體中的雜質(zhì)成分造成的干擾影響。
文檔編號G01N21/37GK102980871SQ20121043445
公開日2013年3月20日 申請日期2012年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月29日
發(fā)明者C·拉特克, J·卡普勒 申請人:Abb技術(shù)股份公司