CN100501393C - 用于气体分析的电池结构、设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于离子的迁移率的气体分析。本发明涉及一种分析设备的电池结构，该电池结构包括参考电池(201)、电离部分(202)和用于识别离子的电迁移率的分析电池(203)。本发明还涉及一种识别离子的方法。此外，本发明涉及一种识别离子的系统。

Description

用于气体分析的电池结构、设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于基于离子迁移率的测谱学的分析技术。本发明尤其涉及用于气体分析技术的电池结构(cell structure)。本发明还涉及识别流动的气体中的物质的设备。本发明还涉及识别样品气体中的物质的系统。此外，本发明还涉及识别流动的样品气体中的物质的方法。本发明还涉及用于测量样品气体速率的方法。
背景技术
关于气体的结构单元，可能提及原子和/或由原子形成的分子以及离子。气体中单个离子或一些其它的结构单元可以以一偏移速度和/或朝向偏离流动方向的一方向和/或以气体本身的速度瞬间地移动，但是平均来看，气体中离子或一些其它结构单元是与气体一起移动。而且，在气体中也会出现寿命短暂的原子团。气体的一些分子由于极性分子也会形成松散的簇，从而使得它们之间的键比化学键的强度小。
气体样品是从气体中采取的样品，该样品被评估(estimate)以便以一定的精度表征(present)该样品所采自的气体。样品气体是一种气体，该气体的气态成分的组成表征该气体样品。该气体样本也可以是一种气溶胶(aerosol)颗粒，在此情况下，除了气相的实际样品气体之外，还可能存在包括其他相的一些颗粒体，即肉眼可见的小片、粒子。
根据气体的结构单元的某些特性识别气体是可以使用电学方法完成的，只是要有足够数量的处于电离状态的气体的结构单元。已知用于使用电学的方法从气体流中识别离子的技术至少有两种，即IMS技术和漂移管(Drift tube)，漂移管也叫做漂移技术。在IMS技术中，从气流中分析离子，气流在形成开放吸气冷凝器(open aspiration condenser)的测量电极之间流动。吸气冷凝器具有一电场，其方向垂直于流动的方向。电场使离子从气流偏移到吸气冷凝器的极板上。测量离子的移动时间(flighttime)和/或移动范围(flight range)，使得可以将离子的迁移率区分开。
在漂移技术中，离子在电场中从采集栅格(collection lattice)移动到测量电极，其电流强度作为时间的函数被测量。将每次测量的零点设置为将加到采集栅格上的的栅格脉冲的零点，并且将要被测量的离子通常通过具有适当性质的载气移动到测量电极。由于此原理，在漂移技术的实际实施中，对于样品和载气通常需要单独的环路，使得电池不可避免的是封闭结构，也和使用气体环路的情况一样。
已知一种IMS技术，其中根据图1所示的简化示意图的开放电池被用于样品气体迁移率的测量。该电池在分析室106的第一端具有一输入端，气体样品流100按照箭头所示方向流动。室106本身由极板102和108限制。该电池具有由电极103和104构成的电极对，用于在气体样品流100中检测离子101。电极103连接到极板102上，电极104连接到极板108上。电极103具有一一定的电位，电极104具有一一定的第二电位。电极104的电位通常接近于地电位，用于在电极103和104之间产生电场105，另一方面，用于生成将相对地电位产生的电压信号。如图1所示的电池工作，使得在气体离子101与气体样品流100一起到达电极之间的空间时，电场105与离子101相互作用，在此情况下相互作用的力导致离子101的传播方向改变，在某些情况下，其聚集到极板104上，使得聚集离子导致的电荷变化(the change of charge)可作为电流来检测，并且可变换为例如电压信号。在按照图1的根据其离子迁移率谱识别气体的电池方案中，名义上恒定值的一交流电压用于提供与其一起改变的电场105。在此情况下，电场105的强度可以改变，例如正弦地改变，和/或如由电极103和104形成的电极对那样的几个电极对被用于分析带电粒子，使得这些电极对也被连接到由极板102和108限定的电池上，并且在流动的方向上逐个顺序的安装，使得在样品气体流100的平均速度矢量和电场105的方向矢量之间存在一个角，通常为直角。例如，具有一定迁移率的离子被拾取到极板104上，稍稍不同的离子可以被拾取到一个类似的第二极板上，用于形成迁移率谱，在其帮助下能够识别样品气体。
电池的几何结构也是已知的，其中由离子引起的电流由位于电池室的相对端的电极检测，使得气流与离子传播的平均方向之间的夹角大约为180度。可以让处在电池的漂移室中的气体通过该漂移室漂移，例如，借助于该气流；然而，在一些方案中，在电场产生的力的作用下，也会朝向与离子平均移动相反的方向漂移。
在已知的技术中，引入的样品基本上被立即充电，但是另一方面，按照由电场确定(determine)的方向，使离子与通过该室的样品流一起漂移；在一些情况下，离子也会偏离该方向，朝向电流靶(current target)或例如，用于收集离子的各个电极104，该电极也可以设置在与为取样而设置的样品输入端相对的分析室的相对端。当撞击如电极104的电流靶时，离子导致其内的电荷变化，电荷改变被解释(interpreted as)成电流信号并使用信号处理装置被处理成为一种适当的形式。
能够以多种不同的方式对气体样本进行充电。放射源、光和电晕放电是最常见的充电技术，因而使得充电通常考虑的因素取决于将要使用的充电机构和/或被充电材料的使用目的，如涉及现有技术的公开出版物中所解释的那样。
然而，已知现有技术的(state-of-the-art)电池结构具有缺陷。其中一种电池结构连接到由电极形成的冷凝器的结构上。在冷凝器中，在从极板104所做的测量中，可以看到极板103上的电位的变化。此外，空气湿度和温度的变化对冷凝器的性质产生不利的影响，这使得由离子所产生的电流信号的处理更困难，并因此在形成迁移率谱时产生不确定性，这使得识别更加困难。
在US 5,455,417的专利公开中说明了已知的IMS技术，根据上述专利公开的设备用图1B中的剖视图说明：从输入端128进入的气体借助于铝部件119以恒定温度被加热，铝部件119包括用于控制其温度的加热器127。借助于放射源129气体被充电，充电后气体前进到分析电池125，分析电池125具有平板电极121、前电极122和收集电极123，用于逐步调整电极121、122和123之间的一一定的电压和由此产生的电场，如专利公开中所述。通过以上述方式使用该电场，已经尝试使图1B所示的传统的吸气冷凝器以更有效的方式工作。其中，图1B画出了用于调节温度的温度传感器、气体输出端120以及电路板124和126，电子元件业已被画在后电路板126的表面上。
该专利公开还公开了一种与该技术相关的方法，其中首先收集包括待分析物质，即被分析物，的样品，并对其充电。但是，在此情况下，专利说明书中提到样品中的被分析物的浓度必须足够高，以便在充电中到达饱和状态。从被充电的气体样品测定离子的迁移率。基于迁移率测定样品中被分析物的浓度。
该技术具有它的缺陷。前进到储存器(accumulator)之后的分析电池125的大量的气溶胶颗粒可以通过由电极121和122形成的电场，并且最不利地是在分析电极123上导致明显的信号失真，当它们携带大量电荷时尤为明显。此外，储存器中气溶胶颗粒的可能存在会对后一级产生有害影响，例如下一级分析室的机械和/或电的阻塞，在此情况下操作会更加困难，并损害分析结果的可靠性。可能的再次悬浮和/或相关接触充电也能够有害的将电荷传输到错误位置。另一个问题是与加热相关的。即，当从加热段传输到冷却段时，温度的改变能够导致从气相到液相和/或固相的相变。在此情况下，问题的现象是形成粒子、成核现象，根据粒子形成的起始点其具有几种子类型。特别是由辐射触发的离子诱导成核现象，例如发生在表面的结构缺陷中的异相成核在一些情况下能够导致颗粒形状的材料及其聚集体的形成，对离子迁移率的识别产生有害的影响。
现有技术的方案进一步受到电压改变中一定延迟的限制，使得在单次测量期间样品气体中发生的改变也可能影响最终结果。
发明内容
本发明的目的是避免现有技术中的缺陷。此外，本发明的目的是消除气体湿度和温度变化导致离子识别产生的缺陷。此外，本发明的目的是获得一种可以使测量结果的报告有效的系统。本发明的目的还在于提供具有根据本发明结构的气体测量设备。此外，本发明的一个目的是提供一种在离子的迁移率分析中使用本发明结构的方法。
本发明的目的是使用这样结构的气体测量设备实现的，该设备具有一电池结构，该电池结构包括用于控制气流的流动通道、被设置形成参考信号的参考部分、用于使电离作用达到样品气体中的电离部分和被设置形成分析信号的分析部分，使得所述参考部分、所述电离部分和所述分析部分按所述顺序被设置在所述流动通道中所述样品气体的流动方向上。
根据本发明的气体测量设备的特征在于其具有一电池结构，所述电池结构包括用于控制气流的流动通道、被设置形成参考信号的参考电池、用于使电离作用达到样品气体中的电离部分、以及被设置形成分析信号的分析电池，所述参考电池、所述电离部分和所述分析电池按照所述顺序被设置在所述流动通道中的所述样品气体的流动方向上。
根据本发明的在流动气体中根据离子的电迁移率识别物质的方法的特征在于包括以下步骤：
(a)在参考电极对中的电极之间设置第一电场；
(b)在分析电极对中的电极之间设置第二电场；
(c)采取气体样品，使所述气体样品按照所述顺序被输送通过所述参考电极对、所述电离部分和所述分析电极对；
(d)分析所述气体样品；
(e)形成离子的迁移率谱；和
(f)基于所述迁移率谱从所述气体样品中识别离子。
根据本发明的根据电迁移率以离子形式从流动气体中识别物质的系统的特征在于所述系统具有一气体测量设备，所述气体测量设备包括一电池结构，所述电池结构具有用于控制气流的流动通道、被设置用于形成参考信号的参考电池、被设置使电离作用达到所述样品气体中的电离部分、和被设置形成分析信号的分析电池，所述参考电池、所述电离部分和所述分析电池按照所述顺序被设置在所述流动通道中的样品气体的流动方向上，并且所述系统还包括发射器-接收器装置，所述发射器-接收器装置用于在所述气体测量设备与无线终端设备之间传输数据。
根据本发明的用于用电学方法测定吸气冷凝器中的流速的方法的特征在于包括以下步骤，在其中，在一吸气冷凝器中：
(a1)在包括一第一电极的一第一电极对中的电极之间设置一第一电场；
(a2)在包括一第二电极的一第二电极对中的电极之间设置一第二电场；
(a3)在包括一第三电极的一第三电极对中的电极之间设置一第三电场；
(a4)观测所述第一、第二和第三电场中所述第一、第二和第三电极的电荷变化；
(a5)基于在所述第一电极上检测到的电荷变化，校正借助于所述第二和第三电极检测到的电荷变化；
(a6)测定在所述第二电极上出现某种电荷改变与在第三电极上出现某种电荷变化之间的时间；
(a7)计算气体速度。
根据本发明的电池结构被设置用于根据对表征一物质的迁移率谱的气态的分析识别载气中的该物质。为了产生该迁移率谱，一样品，即一气体样品，取自该载气，被送往根据本发明的电池结构；基于该样品产生一参考信号；电离气体样品；分析被电离的气体样品；在分析中生成一分析信号，基于参考信号和分析信号从样品气体中测定离子的迁移率谱。
根据本发明设备的电池结构以某种方式开口，并且其包括处在气体样品的输入端与被分析后的样品气体的输出端之间的一个漂移室(driftingchamber)，漂移室包含在样品传播方向上以以下顺序排列的一个参考部分、一个电离部分和一个分析部分。
该参考部分被设置在根据本发明的电池结构中，用于生成参考信号。该参考部分具有参考电池和处在其中的一个电极对，即一个参考电极对，该参考电极对具有一某种参考电极，用于根据到达该参考电极的离子电荷生成一参考信号。在此情况下，打算形成参考信号旨在从离子的最终迁移率谱并因此从分析结果中消除取决于未电离样品的环境因素的因素以及这样的电容现象，这些因素和现象可以对分析信号本身，并因此对结果产生某种有害的影响。
电离部分具有一个电离器(ionisator)，即充电器，用于产生离子和使它们与待充电的气体部分接触。打算输进电离部分的仍未电离的样品以用于形成离子的某种方式被加入到样品中(is charged into the sample)。
该分析部分具有一个分析电池和处在其中的、包含一个分析电极的一对电极，即一对分析电极，该分析电极被设置成借助于一个电场可以将离子收集于其上，使得按照由离子的迁移率决定的一种方法形成到一个分析电极上的电荷中的变化可以被理解为一个一定的电流信号。根据所述的电流信号，以及另一方面，借助于该参考信号，能够形成样品中的离子迁移率分布，使得可以根据它的离子迁移率分布识别样品中的物质。在迁移率分布的形成中使用参考电极对于消除环境因素的影响是有利的，使得从气体中识别物质是可靠的。此外，通过使用参考电极对，能够消除冷凝器结构所导致的对迁移率谱精度的不利影响的缺陷。
根据本发明的分析设备具有根据本发明的电池结构。本发明的分析设备最好还包括用于从气体样品中去除颗粒材料的过滤装置；换言之，用于净化作为样品气体的气体。例如，过滤装置包括HEPA型过滤器、隔膜或纤维过滤器、电过滤器、冲击取样器(impactor)、或其它用于收集粒子的过滤器、或其组合，它们特别用于从气体样品中去除重的气溶胶微粒，该微粒本身能够携带多个电荷，或者对于分析结果产生有害的影响。
根据本发明的分析设备还包括例如用于控制电离器的操作的控制装置。根据本发明的分析设备可以具有用于控制为参比电极对和/或分析电极对提供工作电压(operating voltage)的装置。根据本发明的分析设备还包括用于处理打算从参考电极发送的信号的某种第一信号处理装置。根据本发明的分析设备还包括用于处理打算从分析电极发送的信号的第二信号处理装置。第一和第二信号处理装置可功能性的连接到比较装置，在此连接中还可以提供存储装置。
在比较装置的连接中，最好具有用于控制比较装置的微处理器。可以将微处理器与比较装置物理隔离。也可以具有几个用于不同任务中的微处理器，以便实现一定的独立性。一个微处理器还可以被设置成使得它可以用于形成一个控制信号，该控制信号用于控制该电离器、用于形成参考电压的装置和/或用于形成分析电压的装置，例如这种控制是经由具体的控制装置，间接地或直接地通过控制所述装置和/或电离器的方式完成的。
在根据本发明的一个有利的实施例的一个系统中，具有一种分析设备，该设备具有功能控制装置，该功能控制装置用于通过遥控来控制设备的分析操作，所述遥控优选是无线方式，例如，基于借助于电磁辐射实现的数据传输，但是也可通过电缆和/或光缆。在此情况下，所提及的根据本发明的一个实施例的分析设备，即一个远程设备，最优选地是包含发射器装置和接收器装置，例如组合成发射器-接收器装置，被设置接收控制分析设备操作的控制信号和/或将描述测量结果和远程设备状态的数据传输到与远程设备通信连通的一个第二设备。
所以，例如，可以通过无线方式和/或借助于电缆从设备外部控制本发明的设备，例如以某种方式将电池结构放置到与环境隔开的通风橱或类似的地方。当应用时，能够通过无线方式或部分地通过电缆实现控制。
附图说明
图1A和图1B给出了如下的已知技术：
图1A示出了现有技术的一个单元；和
图1B示出了现有技术的另一个单元；
接下来将参照作为例子示出的有利的实施例和图2至图5更详细地描述本发明，其中：
图2示出了根据本发明优选实施方式的电池结构；
图3A示出了根据本发明优选实施方式的第一序列电池结构；
图3B示出了根据本发明优选实施方式的第二序列电池结构；
图4A示出了根据本发明优选实施方式的气体测量设备；
图4B示出了根据本发明第二优选实施方式的另一种气体测量设备；和
图5示出了根据本发明识别流动的气体中的物质的方法。
在附图中对应的部分使用相同的参考数字和标记。
具体实施方式
A.第一有利的实施例
图2非常粗略地示出了根据本发明的一个有利的实施例的电池结构200A的一幅示范性的视图。电池结构200A具有用于样品气体的漂移室(shifting chamber)200和一个已经画在图中的结构单元(structuralunit)210。电池结构200A的漂移室200具有参考部分201、电离部分202和分析部分203。为说明起见，参考部分201通过垂直的虚线220与电离部分202隔开。为说明起见，电离部分202通过垂直的虚线221与分析部分203隔开。用于气体样品流100的电池结构200A的输入端204和用于被分析的样品气的输出端205按照功能被设置在电池结构200A的不同的端部，使得电池结构的参考部分201、电离部分202和分析部分203以所述顺序被设置在样品的传播方向上，而不考虑漂移室200的可能的弯曲。根据图2中所绘视图，电池结构200A具有基本上直线形的漂移室200，但是根据本发明所示，对于本领域技术人员来说，显而易见漂移室200的各个部分也可以设置成弯曲的，例如，为了节省空间，在此情形下可以将电池结构200A的各个端部实际上设置得彼此非常靠近。
一般认为，基本上根据图3A中的例子，根据本发明的一个有利的实施例的电池结构可以是第一序列(first order)的开口电池结构。基本上根据图3B中的例子，根据本发明的另一个有利的实施例的电池结构可以是第二序列(second order)的电池结构。图3A给出了比图2更多的细节，给出了根据本发明的一个有利的实施例的电池结构的内部结构。图3A中的电池结构是第一序列电池结构的例子。在图3A中，为说明起见，在电池结构200A的漂移室200中还标记了用于隔开参考部分201和电离部分202的垂直虚线220以及用于隔开电离部分202和分析部分的垂直虚线221。一般认为，虚线220和221所指示的分割并不打算限制本发明。如果电离部分202具有辐射源，则最好将202与参考部分201和分析部分203隔开。在此情况下，在漂移室200中还可以存在虚线220和/或221的机械等效物(physical equivalent)，以防止对电离部分施加的电离辐射影响与电离部分隔开的其他部分。在此情况下，对应虚线220的隔离壁可以是弯曲的几何形状，一方面允许气体的传播，另一方面同时防止辐射传播到漂移室200的其他部分。对应虚线221的隔离壁也可以是弯曲或局部打孔的几何形状，一方面允许气体的传播，另一方面同时防止辐射传播到漂移室200的其他部分。
在图3A中，漂移室200具有与参考部分201对应的部分，即参考电池，其基本位于由参考电极303和304构成的参考电极对结构的位置上。为了将图3A中某些电极与极板(plate)302隔离开，在图中画了绝缘材料的电极支撑物309和311。它们也可以一体形成为极板302结构的一部分。例如，打算经过图4A中所示的电压源405连接电极303，以便将电场305设置在电极303和304之间。图3A中没有显示电压源。而后，电极304基本上处在接近地电位的恒定的电位。随着离子到达电极304，电极304的电位发生变化。每个到达离子的电荷略微改变电极304的电位，使得对于每个到达离子的电荷电极电位的改变相对较小。当离子到达电极304时，可以以电流形式检测其电荷的变化。最为可取的是可以使用静电计或类似物，例如使用适当的电流-电压变换器，进行电荷变化的检测。在此情况下，为了检测电荷的变化，电极304可以用作静电计的传感器，其电荷的变化可以被检测。借助于电流-电压变换器，根据它，即一个参考信号，直接地或者通过处理例如相对于该地电位的一个电压信号，于是可以形成该静电计的一个输出信号。
在分析状态下，参考电池的电极303和304之间的电场是随时间变化的，在此情况下，描述时间相关性的波形最好是正弦波、三角波或斜波，以便提供一个扫描电场。在本发明中不打算将所述电场的波形限制在任何具体的一种形式，而是该波形可以是所谓的自由波形，使得其可以呈现为借助于指数函数形成的一个系列项。还有一些本领域技术人员熟知的其它的装置可用于检测微弱的电荷变化和它们转换成的电流和/或电压信号。所述的基于电荷变化的电流和/或电压信号的检测还可以设置对不是相对地电位的某些其他参考电位来进行测量。它也可以被自然地设置，使得可以从电极303以电位的形式检测到电荷的变化，其具有相对于地的高绝对值，但是考虑到在形成实际要求的信号时参考电极303和304之间的电压，于是可以要求特定的装置。在本发明中，不想将电场305的方向限制在图中所示的瞬间情况，但是在其它一些情况下，可以使用静态的电场，也可以使用具有瞬间方向、振幅(amplitude)、频率和/或波形的交流电场。
在图3A中，漂移室200还具有如图2所示的电离部分202。在图3A所示的图中，用虚线220和221将电离部分与漂移室200的其他部分隔开。电离部分202基本上被限制在由电极307和308所限制的区域内。图中画出了电极307和308，例如在它们之间能通过电压源405(图4A)提供电晕放电，所以在电极307和308之间的区域其可能通过电场充电，产生离子301，进入在电极307和308之间的区域传播的气体。为了产生离子301，还可以使用电离场306，例如其可以是由放射性产生的辐射提供的辐射场、基于紫外线辐射的辐射场和/或电场。一个例子示出用箭头表示的电离场306的方向，例如是传播辐射的方向；但是也可以使用这样的电离场，其分量具有几个方向，或者其方向是不同于箭头所示的其它方向。当可使用时，那么电极307和/或308可以用产生辐射的材料或部件(piece)，例如含有放射性物质的条带，替代。通过组合使用放射性充电器和电场，还可以将由放射性所导致的所谓的反冲原子(recoil atoms)的接近限制在位于电池结构中的电离部分之后的部分，并因此改善自身的测量。
图3A给出了支撑电极307的支撑物310。由于采用了支撑物310和电极307的几何结构，也可能影响进入漂移室其它部分的辐射范围。也可以将支撑物310成形为使其进一步包括用于，例如，相应于虚线220和221所示的分隔，将电离部分与漂移室200的其它部分分隔的限制，以便限制充电器对漂移室的一定的部分的电离影响。然而，使用支撑物310并不是必须的。
放射源可以设置在与作为例子列出的电极304、314、303和313当中的某些同一水平面上。在第一序列电池结构中也可以将放射源308放置在不同于图3A的极板302的另一侧，使得放射源可以在结构上设置得易于替换。在此情况下，极板302本身和/或将连接于其上的隔离辐射控制板具有一组孔，其中至少一个孔相对于其它的孔具有一定的形状、至少一个直径和长度以及位置，用于形成一定的图案。孔的形状可以是有角形的、矩形的或圆形的，用于引导来自放射源的辐射通过所述至少一个孔到达气体在其中传播的电离部分，用于优化导致气体处于最适于为气体充电的模式的剂量率。由于这些孔的形状，尤其是它们的长度和垂直于纵向方向的剖面以及形状，可能影响辐射在电离部分中的分布。还可以将同样的原理应用于第二序列电池结构中，使得放射源可以设置成模块化并且可替换，例如，通过用于将放射源和辐射引导板连接到充电部分的牢固连接。在此情况下，可能以类似于第一序列电池结构中说明的方式影响辐射的方向图案(directional pattern)。
在图3A中，漂移室200具有对应分析部分203的部分，即分析电池，其基本上与由分析电极313和314构成的分析电极对共处一处。打算将电极313，例如，通过电压源413(图4A)，连接电压，所述电压源413用于将电场315设置在电极313和314之间。图3A中没有示出电压源。在此情况下，电极314基本上是处于接近于地电位的恒定电位。随同每个到达的离子到达的电荷稍稍改变电极314的电位，使得按照每个到达的离子计算的电极314的电位的变化相对较小。随着离子到达电极314，其电荷的变化可以作为电流被检测。电荷变化的检测最好使用静电计或类似的装置，例如适当的电流-电压变换器，来进行的。在此情况下，电极314能够作为其电荷变化可被检测的静电计的传感器用于检测电荷的变化。因此，借助于电流-电压变换器，并基于其直接地或通过改善分析信号，例如相对于地电位的电压信号，可以形成该静电计的输出信号。此外，本领域技术人员公知的一些其它的装置也可用于检测电荷的微弱变化，并将其转换成电流和/或电压信号。基于所述这种电荷的变化的电流和/或电压信号的检测也可以被设置用于不是相对于地电位的其它的参考电位。
在分析情况下，那么电极313和314之间的电场可以是随时间变化的，在此情况下，描述时间相关性的波形最好是正弦波、三角波或斜波，以提供一个扫描电场。在本发明中，并不打算限将电场的波形限制为任何具体的形式，而是电场的波形还可以是所谓的自由波形，使得其可以呈现为可从指数函数导出的一个系列项。它也可以被自然的设置，使得可以从电极313以电位的形式检测到电荷的变化，其具有相对于地的高绝对值，但是在形成实际要求的信号时，在考虑到参考电极313和314之间的电压的情况下，可以要求一些特定的装置。在这样的情况下，通过使用参考电池获得的一些优点在迁移率测定精度方面会有部分损失。本发明并不限于此，图中所示的电场315的方向仅是瞬间情况，但是其它一些情况下，可以使用静态的电场，也可以使用具有瞬间方向、振幅、频率和/或波形的交流电场。
在根据本发明的一些实施例中，在第一序列电池结构以及第二序列电池结构中，对于分析电池和参考电池来说，都将离子的收集效率对电池电极之间的电极电压的依赖关系考虑进去。关于离子的识别，离子的收集效率对电池的电极之间的电压的依赖关系也可以被考虑在其它的电池，例如前电池和/或后电池之中，以及具有前电池和/或后电池的第一序列电池结构中。
关于参考电极和分析电极，一般认为，通过使用一个这样的电极能够直接根据所述电极相对于地电位的电位变化形成一个电压信号，但是在此情况下，必须考虑所述电位变化对于在所述电极上离子的收集效率的可能的影响。
基于气体流速，应该考虑时间瞬间(the moment of time)，在该瞬间，借助于该参考电极，业已形成参考信号的瞬时值。在这样的情况下，能够从用于分析离子迁移率的信号中以正确的相位(in a right phase)消除与气体一起进入分析电池的一电位干扰，以便改善测量精度。
通过几个物理量可以说明流到参比电极对区域的气体的状态。在图3A中，通过一个第一状态矢量
Figure C03810979D0018104810QIETU
，说明当气体到达电池结构的参比部分时气体样品中样品气体的物理状态，第一状态矢量具有有限的分量。而后，可以将一组状态矢量的分量说明如下：T＝气体或类似物的温度，RH＝相对湿度，Si＝气体中分量i的饱和度，μxi＝关于气体中分量i的辐射类型x的质量吸收系数(mass-absorptioncoefficient for the radiation type x with a component I in the gas)，r＝气体密度，Ni＝气体中分量i的结构单元的摩尔份数。最为优选的是，由所述状态矢量的分量形成的顺序是自由的，即，状态矢量的分量彼此不互相依赖。但是，实际上，由于测量技术的原因，可能还必须选择这样的关于顺序的分量，以至于人们不得不对顺序的自由度折衷。除了提到的这些，第一状态矢量的分量可以是气体分量i的电阻率、粘度、压力、分压、气体分量i在某种压力和温度下以及具有一小部分某种气体成分的气体分子的平均自由程、扩散系数和/或气体分子的类型i的机械导纳，和流场的紊乱/分层(laminarity)。但是，本发明不打算限制为所述那些量的任何一定的组合(to restrict into any certain combination)。
在分析部分中样品气体的流动状态业已在图3A中由第二状态矢量
Figure C03810979D0019105107QIETU
说明，第二状态矢量与
Figure C03810979D0019105133QIETU
以一定的精度与
Figure C03810979D0019105138QIETU
相同。通过假设第一和第二状态矢量根据它们的参考分量是相同的，在分析电极314上检测到的电流可以用根据在参考电极304上检测到的电流形成的一修正值校正，例如该修正值可以根据参考信号形成。如果第一和第二状态矢量由于精度不够而不完全相同，那么可以通过校准将该差值考虑进去。
最优选地是，业已按照与分析电极对之间的电场相同的方式设置参考电极对之间的电场305，如图所示，它们两者都与振幅(amplitude)、强度以及频率和相位有关。尽管如此，只要知道偏差将如何影响参考信号并因此影响分析状态下的离子的迁移率谱，使得可以在识别样品中的物质的过程中将该偏差考虑在内，则可以由此偏离。在此情况下也可以重复地考虑在识别进行时对状态矢量
Figure C03810979D0019105143QIETU
的可能的影响。例如，通过使用这样的电压源也可以补偿由结构的制造精度导致的结构不确定性，在该电压源中能够分开单独调整提供给单元电池的电压的相位和振幅，最好它们彼此独立。除了连续调整之外，那么该调整也可以被理解为意味着设置对调整区域的限制和非循环的设置，非循环的设置出现在使用电池结构将该装置设置为功能状态的连接中和出现在循环性能的校正的连接中。
在根据本发明的一个实施例中，状态矢量和/或
Figure C03810979D0019105154QIETU
业已被存储到存储器中，使得它们能够根据实际校准之后所完成的测量工作(measuringaction)的测量结果被使用和/或更新。在本发明的另一个实施例中，在测量工作期间，根据该结果，状态矢量被反复提及(iterate)，以便详细说明分析结果。
当来自电离部分的离子301沿着离子301的平均路线312进入漂移室200到达分析部分并在其中可达到(within the reach of)电场315，电场315使离子301的传播从路线312偏离，使得离子301到达电极314，在此处离子301将停留以将其电荷传递给电极314，因为较早通过此处的第二离子311还没有足够的时间将它的所有的电荷传递给电极314。因为电荷已经被传递，所以前面的离子现在可以做为中性分子或类似物离开电极314，或通过与表面键合的化学方式与表面发生反应，或者由于黏附型力而停留在表面结构的一些空位处。前面的离子的另一种选择是可以与其它气体粒子一起离开漂移室200和/或像其它气体粒子一样离开漂移室200。
在图3A中，离子301业已被标记带有负电荷。按照一瞬时状态，在图3A中画出了离子在电场315中的路线312，如从电极313离开所引导的那样。该电场是通过在电极313和314之间连接适当极性的电压在它们之间获得的。如果离子301的电荷与图中标记的离子相反，尽管如此，电极313比电极314处于更负的电位，那么离子301将移向电极313。如果电场315的方向再次变到图中箭头所指的方向，并重新回到相反方向，分析部分中离子的路径发生改变，跟随是该电场按照取决于离子301的电迁移率的一种方式改变。
电场315可以由一恒定值的电场和/或这样的一交变电场(alternatingelectric field)构成，该交变电场具有适用于适当目的一定的方向、振幅和频率，例如使得具有一定的迁移率的离子可以在电极314上被拾取。
在这样的情况下，也可以给电场设置一个一定的短暂时段(acertaintemporal duration)，并改变它的短暂时段，使得可以实现将不同种类的控制条件用于测定离子迁移率。参考电极对中电极之间的电压必须以某种方式跟随分析电极对中电极之间的电压。参考电池和分析电池的电场最好具有相同的相位、频率和振幅，因为这些电极具有类似的机械尺寸。那么相似性必须理解为具有一定制造技术精度和相同相位的相似性，使得气流和/或电子功能导致的延迟被整体考虑。
根据本发明，一个实施例包括一个参考电极，该参考电极业已被分解成若干子电极。在这种情况下，子电极在相同的控制下工作，使得对每个子电极的所述控制依赖于与某些其它被分解的参考电极的子电极的控制相同的控制，但是不是必须如此。独立的子信号可以从所述子电极形成，这些子信号可以单独地加以处理和/或以适当的方式在适当的相位被加在一起，用于提供一个总的信号，最终用于改善迁移率分析的精度。
根据本发明，一个实施例包含像由参考电极303和304构成的电极对那样的电极对，即参考电极对，在漂移室的参考部分中的样品流动的方向上顺序排列。在此情况下，用于接收离子电荷的参考电极对的电极，例如电极304，在样品的传播方向上不必彼此等长，它们可以是不同的长度和/或不同的形状，甚至不同的宽度。于是优点可以通过改变用于测定迁移率的电学条件来获得。
根据本发明的一个有利的实施例包含像由分析电极313和314构成的电极对那样的电极对，即分析电极对，在漂移室的分析部分中的样品流动的方向上顺序排列。在此情况下，用于接收离子电荷的分析电极对的电极，例如电极314，在样品的传播方向上不必彼此等长，它们可以是不同的长度和/或不同的形状，甚至不同的宽度。
但是，一般可以认为，参考电极对和分析电极对的电特性必须是以一定的精度相同，以便获得使用参考电极对的最大可能的益处。然而，根据本发明的创意(idea)，也可以使用不相同的参考电极对和分析电极对，但是在此情况下，当形成参考和/或分析电极对时，由不一致性所导致的它们的电特性中的差别具有这样的一个特性，即这些差别在形成参考电极对和分析电极对是可以以一定的精度被考虑进去。作为电极对之间所述可能的差别的一个例子，给出了电极对中电极之间的差别，它们的形状和尺寸以及材料，尤其是表面材料。当以长的时间间隔评估不同电极的电特性时，表面材料具有重要的作用。例如，当电极表面由金属制成时，它们容易与气体样品的某种成分形成化合物，使得在电极表面上导电性能随时间而变化。此外，在一些特别不利的使用条件中，微粒物质能够找到以一种形式或另一种形式到达一些电极表面的路径，使得当沉积到这些电极表面时，这些微粒物质可以改变它们沉降于其上的电极表面的导电性能。
B.第二有利实施例
图3B公开了根据本发明的第二有利实施例的第二序列电池结构300的例子。在图3B中，具有用封闭的虚线描绘出轮廓的区域，该区域其主要部分基本上包含根据图3A的第一序列电池结构200A，然而，该电池结构在其几何结构上偏离图3A所示的电池结构，关于电离的设置，尽管如此，电离部分仍然基本上处在参考部分和分析部分之间，如图2中那样。一般还可以认为，图3A中的电池结构200A关于分流器板(divider plate)不同于图3B中的电池结构300，分流器板由附图标记344和343表示，在其中，部分344是指所述分流器板的均匀封闭部分，部分343是指同一个分流器板上具有一个孔或几个孔的这样的一部分。分流器板具有孔的部分343最好被设置在电极对处，该电极对包含第一电极303、313、323、333和第二电极304、314、324、334。分流器板用于在第二序列电池结构中将气流分布到各部分、电离作用被导向这些部分之一，并没有将电离作用导向这些部分中的另一部分。由于设计了分流器板，所以可以影响气流的轮廓。分流器板可以是平的，但它也可以在某部分中具有某种设计，用于形成气流的流动轮廓；然而最终用于优化迁移率分析。在此情况下，优点的获得可以通过设计，尤其是在输入孔的位置处和/或在电离部分的输入端，或在几何结构的其它位置处，因此能够改变气流的轮廓。例如，分流器板可以具有用于电离部分的适当的设计，以便获得足够的输入气流。一般还可以认为，可以使用分流器板的不同设计来影响气体的混合，或以平衡方式，或以促进的方式。分流器板的设计也可以用于影响分流器板形成部分的附近的流量，或者是以湍流的形式、以分层的形式或者是以其间的过渡形式。
分流器板的封闭部分344最好设置在电离部分，以防止电离作用对沿着其部分342穿过电离部分通过漂移室200的样品气体部分的影响。如果辐射场306被用于实现电离，那么分流器板的材料和/或材料强度应当最好按照辐射场306的分量来选择，使得电离作用在面对漂移室200的分流器板的部分344中被最小化，并因此被限制至部分341到它的一定的值。
为了使通过入口204进入电池结构的与气体样品流100一起移动的气体结构单元210在适当的过程中能够变为离子301，在到达由虚线220和221限定的电离部分时，气体结构单元210必须在漂移室200中分流器板的部分344的由附图标记231表示的那一侧移动，至少在电离器处。分流器板的部分344可以具有与其结构形成一体的电极308，或基板部分344本身可以作为电极用于产生电场。电离基于电晕放电。在此情况下，为了借助于电场维持电晕放电，电离部分最好具有至少两个电极307和308，在电极307和308之间足够的电位差产生所述电场的强度时，由于它们之间的电场在所述电极之间出现电晕放电。
在图3B所示的电池结构中，漂移室200由平面的部分322和平面302限定。部分302可以根据图形成，在此情况下它可以具有一些孔，用于实现流动通道的某种设计。支撑物318连接到图中所示的平面的部分322，用于支撑包括部分323和344的分流器板。为了将所述分流器板与图3B的电池结构中属于电池结构的部分302分隔，设置了支撑部分317。最好将该部分成形，用于为气流100的输入端204和输出端205提供气流，使得通道的壁部分354能够被用于成形。为了固定图3B中的电极，在选择材料时使用绝缘材料，其电阻率，尤其是表面电阻率是稳定的，最好是尽可能的高，以便在电极的电工作范围内消除漏电流。
例如，具有部分343和344的分流器板可以用不锈钢、硬纸板(capton)或PTFE制成。一种可能的绝缘材料是涂覆有一氮化钛涂层的不锈钢。这种材料特别适用于空间技术(suitable for space-technical application)，因为它是惰性的且在电学上稳定。该电场在电离部分202中的使用可以要求电极308与分流器板绝缘。当在分流器板中使用绝缘材料时，电极308就可以直接连接到其上。图3B示出了一电极对，即包括用于形成特定前场的电极323和324的前场电极对。前场电极对区域中的电极属于前电池。前电池的前场的功能是从气体样品中去除不适合用于离子迁移率分析的携带电荷的粒子和/或离子，使得它们不会在流动方向上到达更深处，以致于阻碍充电并因此阻碍形成迁移率谱。此外，前场的反电极(counter-electrode)324可以用作测量电极，从它直接获得的信号或基于其形成的信息可以被用在实际的气体测量和离子识别中。
图3B还给出了第二电极对，即后场电极对，包括电极333和电极334，它们属于后电池。后电池的后场电极对的目的是在分析电极之后提供一电场，即后电场，并在此后，可以借助于电场使气体速率的实时测量成为可能。因为分析电极对的收集效率取决于其电极之间的电压，可能部分离子将不会聚集到分析电极对上。当电压连接到后场电极对的电极之间时，借助于后场电极对可以收集没有聚集到分析电极对上的离子。由实际分析电极对产生的电场可以变化，例如，按正弦方式变化。在此情况下，最为优选地是，后场的电场强度和/或频率可以在分析电压的各个量的范围内，最为优选地是，参考信号也可以被用于形成从后场获得的信号，即后场信号。离子聚集在后场电极对上在其上产生电荷的变化，使得后场信号可以类似地按照类似于从分析电极314形成分析信号的方式从后场信号电极344形成。例如，由于变形和/或相移，后场信号的形式(shape)可以不同于分析信号。根据相移，那么通过将分析信号与后场信号的一定的波形彼此加以比较可以测定气体速率。在此情况下，在一定时间之后在可以从后电池中的后场电极观察相应的波形之前，以一定的时间间隔出现的分析信号的波形具有一定延迟，这取决于气体流速。例如，于是可以使用基于自相关函数的延迟测定。在此情况下，可以与离子测量一起实时地测量气流100的流速。此外，例如可以使用测量放大器处理后场信号，但是图3B中没有画出该放大器。图中既没有给出其它的放大器(放大器或放大和/或处理分析信号和参考信号所需要的类似的设备)和/或电压源，也没有给出其它装置，例如用于对信号滤波的装置。
在根据本发明的一个实施例的电池结构中，最好基于分析电极对的收集效率、相位差和允许的测量误差来选择后场电极对的几何结构和尺寸。
在根据本发明的一个有利的实施例的电池结构中，后场电极是分开的(disintegrated)分析电极的一部分，使得后场也可用于识别。
在借助于后场电极完成的气体速率的测量中，获得相对于以压力差和流量测量为基础的技术的优点，例如，在其中，使用后场电极的方法不依赖于样品气体的密度和湿度和/或样品气体的浓度，如在基于质量流量和压力差测量的方法中那样。
在下一个例子中，检查根据图3B的电池的工作。沿着漂移室200，在参考电极对所能达到的范围内、并因此至所述电极对的电极之间的电场，采取样品气体。气流进一步通过电离部分(在被限制在虚线220和221的范围之间的部分341中漂移室200的那部分)，使得气体以某种方式被电离，该方式由电离源，即充电器的性质确定。当气流前进到分析电极对的位置直到该电极对中电极之间的电场时，借助于由分析电极对形成的电场可以分析生成的离子。
由于分流器板带有部分343和344，根据第二系列电池结构可以实现根据本发明的一个有利的实施例的电池结构，但是这是一种简单的机械结构。在此情况下，通过分流器板341面对电离部分的充电部分的那一侧的气流被充电，而通过分流器板的另一侧342的气流没有被充电。通过将分流器板放置到极板302和322之间一适合的距离，同时基本上在它们的方向上，可以相对于未充电的气体的体积流量优化被充电的气体的体积流量部分，将对测量精度最为有利。在此情况下，图3B的部分317和318可相应于具有不同的充电气体的体积与未充电气体的体积之比的不同的测量几何结构设置。那么，还可以使室200A的尺寸是可设置的并因此是可调整的。部分317和318还可以包括几个部分，这些部分形成用于优化用于某种气体测量的电池结构尺寸的某种调整设置。由于使用了分流器板，所以也可以使气流中流体动力学干扰减少到最小的程度。
根据本发明的一个有利的实施例，具有部分343和344的分流器板可以配备有用于连接处在分流器板和参考电位部分之间的电压-例如地电位-的装置，类似三极管型电子管的栅极，在此情况下，连接到分流器板的电压可以用于控制离子按照类似于电子管的栅极电压控制阳极和阴极之间的电子流的方式通过分流器板的孔到一个分析电极的移动。
C.几个其它的有利的实施例
图4A中给出了一幅图，做为一个例子，图中示出根据本发明的一个实施例的设备400，即气体测量设备400。该设备具有图3A中所示的电池结构200A。气体测量设备400还可以具有根据图3B所示的电池结构300。图4B中给出了这样的气体测量设备。气体测量设备400还可以具有几个电池结构，其中每个电池结构被优化以便检测处在最小迁移率和最大迁移率之间的一定的迁移率范围内的离子迁移率。于是，通过使用几个并联的电池结构，可以比使用单个电池结构覆盖更宽的迁移率范围。然而将要付出的代价是控制数量和其他设备增加了，和/或控制变得更加复杂。在此情况下，设备也可以具有两种类型当中的一种或两种类型的电池结构，以便优化迁移率范围。例如，被并联使用的电池结构中的一个可以用于识别正离子，而其中的第二个用于识别负离子。一般还可以认为，通过使用在测量设备中并联的几个电池结构，可以增加测量设备的冗余度(redundancy)，这对于防备失败情况是有用的。此外，可以采用具有几个电池结构的设备进行测量，其中必须分阶段地进行识别某种物质的离子的迁移率的分析，例如在两次分析之间不需要冲洗漂移室，而这在相应的状态下对于具有单个电池结构的设备是必要的。也可以在基本相同的环境中同时测量正和负离子。
在根据本发明的一个有利的实施例的气体测量设备400中，绘制于图4A中的标记图(markings)具有根据图3A的由吸气冷凝器形成的第一序列电池结构200A。在此情况下，电离部分410和分析部分409沿着分析室在气体样品前进的方向上的所述顺序排列。
作为本发明一个有利的实施例的一个例子，具有图4B中所示标记图的设备400具有按照图3B所示的由吸气冷凝器形成的第二序列电池结构300，因此电池结构也具有分流器板。在此情况下，按照图的标记，具有参考单元411、电离部分410和分析电池409，沿着分析室在气体样本前进的方向上按照所述顺序设置。但是，图4B中设备400的电池结构在参考电池之前具有前电池414。前电池最好借助于包括电极323和电极324的前场电极对实现，如图3B中在电池结构300的连接中所示。在图4B的例子中，后电池415已经由该电池结构示出，其被放置在样品气体流动方向上的分析电池409之后。后电池最好借助于后场电极对实现，后场电极对包括电极333和电极334，如图3B中电池结构300的连接中所示。可以借助于后场电极测定气体流100的平均速率。
前电池和/或后电池也可以从图3B所示的这样的第二序列电池结构中去除。在这样的情况下，不能获得由从电池结构、并因此从设备被省去的电池所提供的优点，但是，这一缺陷由于以下情况而被抵消，这就是另一方面电池结构更加简单，使得可以从设备400中节省空间。
根据本发明的一个有利的实施例的气体测量设备400具有微处理器406，该微处理器用于维持以及控制设备400的分析和其它的功能，并用于处理从参考和分析电极获得的信号。此外，设备400具有专用装置，用于处理借助于在电池结构300中的前和/或后场电极对中的一个电极所获得的信号，该装置最好是程序设计的。
在图4A和4B中，显示了用于放大来自参考电池411的信号的放大器412；在这些附图中的这些例子中，该放大器可以由微处理器406控制。在附图中，放大器422也已经连接到分析电池409上。但是，也可以将一个放大器连接到图4B中所示的前单元414和/或后单元415上，用于放大信号和/或用于处理可得到的信号，尽管这在图4B中没有显示。在此情况下，所述放大器最好由微处理器406控制，至少是部分地控制。
放大器412和422已经被画出是连接到比较器装置407上，该比较器装置也连接到微处理器406上。比较器装置407可以具有几个输入端，例如可从一个电池的电极获得的每个信号对应一个输入端。比较器装置407还包括用于处理输入信号的信号处理装置，其最好最终用于优化离子的识别。比较器装置407与微处理器406连接，将通过比较器装置而来的分析信号提供给微处理器，用于将要由它来完成的行动(action)。
在图4A和4B中画出了连接到比较器装置407的放大器412，并通过与微处理器406的双向连接，使得能够直接从放大器412获得参考信号，送到微处理器406适当地放大并形成数字形式，因为放大器412的一个输出端具有必要的模拟-数字转换器。参考信号也可以通过比较器装置407得到，送到微处理器406。分别从一些其它的电池409、410、414、415的电极产生的信号也能被放大，并在必要时以数字形式直接输送到微处理器406，或者该信号通过比较器装置407输送，例如用于以特殊方式将该信号连接到其它信号或这些信号的一些部分。
从每个放大器可以提供一个与比较器装置407中的一个独立的输入端的连接，借助于该放大器放大将要从电池409、410、411、414、415获得的信号，但是图4A和4B中只画出了放大器412和422。例如，比较器装置407可以具有一个模拟输入端和一个数字输出端。在此情况下，微处理器406可以用于控制比较器装置407处理信号的功能，在应用时，这也可以在微处理器中可编程地完成，以节省空间和/或元件。
微处理器406和在其中运行的一些软件装置可以用于分析该分析信号，例如通过滤波来处理它，以形成离子的迁移率谱。基于该迁移率谱，能够识别包含在迁移率谱中的离子的类型。最为优选地是，微处理器406还与一些用于保存必须的程序、控制参数和/或在识别中所使用的其他数据的存储装置相连接，尽管图4A和4B中的例子没有单独示出设备400中的存储器。最为优选地是，离子的识别是基于数据库化的数据(librarised data)，该数据可以形成一个数据库，例如关系数据库。
在设备400中，根据本发明的一个有利的实施例，还提供发射器-接收器装置404，用于控制分析操作，最好还具有天线或类似装置，用于维持设备400与控制设备400的设备401和/或操作者之间的功能性控制。在此情况下，微处理器406最好连接到发射器-接收器装置404，使得在它们之间可以传输数据。
在图4A和4B中，作为控制设备401画出了移动工作站，但是也可能是其它的无线设备，例如空间技术应用中的无线电话，或红外线发射器。在此情况下，打算在气体测量设备400和它的控制设备401之间传输的信息402可以包括用于控制气体测量装置400的脉冲，或作为对脉冲的响应的，例如由设备401接收的关于测量结果和/或气体测量设备400的状态的报告。脉冲可以用于指示设备400设定做为对所述脉冲响应影响分析操作的参数的某些值。做为一个例子，可以给出象某个电池的电极对中电极之间的电压这样的参数、它的波形和/或频率。
在图4A中业已示出微处理器406与电压源405和/或413中的控制装置接触，而在图4B中与电压源423和/或425中的控制装置接触。在此情况下，根据微处理器406的控制，最好作为电压源405、413、423、425的部分处在其中的一控制装置可以被设置用于控制电池结构的一个或几个部分，例如参考电池411、电离部分410、分析电池409、前电池411和/或后电池415。用在电池和/或电离部分中用于形成必要电压的电压源405、413、423、425最好包括所述控制装置。每个控制装置具有必要数量的输入端，用于控制某电压源的输出电压。根据电池结构中每个电池的需要，某电压源的输出电压的极性、额定电压、振幅、波形和/或频率最好是可以以单独方式控制，以便使离子识别可以具有一定水平的稳定性。
在图4B中，电压源423被绘出具有不同于图4A中电压源413的数量的输出端，被提供用于为电池结构的一些部分提供电压。在图4B中显示的电压源425具有不同于图4A中电压源的数量的输出端，被提供用于为电池结构的一些部分提供电压。因此，图4A和4B之间电压源的附图标记不同，尽管电压源之间没有其它区别。
气体测量设备400还可以被设置用于报告关于其自身状态和/或分析结果的数据，并使用某种形式的通信发送这些数据。设备可以是打算固定安装在实验室中的设备、适于野外的设备和/或便携式设备，打算用于在陆地上识别某种气体物质。设备还可用于在矿山、隧道、宇宙飞船、潜艇或一些在其它空间条件下识别气体，例如在实验室或通风橱中，在这些地方，气体的组成具有重要意义。
图5给出了根据本发明的一个有利的实施例的方法，该方法用于借助于电场识别载气的离子的电迁移率。在此情况下，在第一参考电极和第二参考电极之间形成第一电场(500A)，在第一分析电极于第二分析电极之间形成第二电场(500B)。
在形成电场之后，按照该方法采集气体样品(501)，处理该气体样品(502)，例如去除微粒，但是也能够去除重的或轻的离子，这样对分析精度和/或这样的电池结构产生有害影响。将要被去除的微粒可以是固体和/或液体物质。电场的形成也可以理解为电场从第一状态变为不同于第一状态的第二状态。此外，作为一个连续的方法，在程序中，它可以具有几个阶段，至少部分上同时是这样(in part simultaneously)。AAA
按照该方法，样品气体首先被引导通过参考电池以便产生参考信号，该样品气体在所述电离部分被充电而带电，以便使该样品气体的许多结构单元的某个相对部分带有某种电荷，并且当该样品气体进一步流到电离部分之后的分析电池时，该样品气体中的离子基于离子的电迁移率被分析。
根据参考电极和分析电极上的电荷变化，分析样品气体(503)，一方面，用于在参考电极上产生第一信号，另一方面，用于在分析电极上形成第二信号。在电离部分中对样品气体充电与分析有关，该电离部分被设置在参考部分与分析部分之间。所提到的第一和第二信号被处理(504)，以便产生一个处理信号，根据该处理信号提供迁移率谱，该迁移率谱用于离子的识别(505)。例如，在识别中可以使用适当的消卷积算法(deconvolution algorithm)。识别也可以迁移率谱的资料库化数据和类似的迁移率谱数据库为基础。此外，基于函数数据传输连接，例如通过无线方式，准备以处理的信号为基础形成的迁移率谱可以在识别之前和之后被迅速报告。也可以仅发送处理的信号，以分离的方式，例如，在该装置或类似处理信号的设备的外部，完成识别本身。分离的分析可以是有利的，例如，在空间技术应用中或在为了分析危险物质电池结构本身远离和/或处于封闭空间那样的情况下。
在根据本发明的一个有利的实施例的方法中，微粒形状的固体和/或液体物质能够通过汽化被去除。在此情况下，电池结构的温度必须保持恒定，使得到达电池结构的分析电池的所有物质最好是气相的。为了减小电极表面上微粒导致的变化，例如，至少分析电池要用无粒子的不带电的气体冲洗，例如在循环测量中，在所述循环测量中，部分时间测量样品气体，部分时间冲洗。
作为根据本发明一个实施例的电池结构的优选尺寸的例子，一般可以认为，对于具有根据本发明的第一或第二序列电池结构的漂移室，电池结构的漂移室的高度大约是0.1-10mm，该高度是指电极对(例如，313、314)电极之间的距离。对于第二序列的漂移室，分布极板最好处在距离分析电极0.05-9.95mm的距离范围内。在根据本发明优选实施例的电池结构中，气流速率大约是0.1-10 l/min。流动速率的详细选择取决于离子流量、电池结构和/或设备通常的几何尺寸、以及维持流量所需的泵。表1给出了本发明一些有利的实施例中使用参数的例子。表没有提到自由波形，该波形能够借助于基于信号的指数函数通过组合它们来表示。
表1、用于第一和/或第二序列电池结构的根据本发明一些有利的实施例的使用参数的一些例子。
Figure C03810979D00301

Claims (28)

1.一种用于基于离子迁移率识别流动的样品气体中的物质的电池结构，其特征在于，所述电池结构(200A，300)具有用于控制所述气流的一流动通道(200)、被设置形成一参考信号的一参考电池(201、411)、用于使电离作用达到样品气体中的一电离部分(202、410)、和被设置形成分析信号的一分析电池(203、409)，使得所述参考电池(201、411)、所述电离部分(202、410)和所述分析电池(203、409)按照所述顺序被设置在所述流动通道(200)中所述样品气体的流动方向上。
2.如权利要求1所述的电池结构(300)，其特征在于，所述电池结构还具有在所述气体流动方向上，处在所述参考电池(411)之前的一前电池(414)，和/或处在所述分析电池(409)之后的一后电池(415)。
3.如权利要求1所述的电池结构(200A、300)，其特征在于，所述电池结构具有一参考电池(211、411)，所述参考电池带有与所述分析电池(203、409)中的电极结构相同的一电极结构。
4.如权利要求1所述的电池结构(200A，300)，其特征在于，所述电池结构具有处在一电池中的一电极对，所述电极对具有第一电极(303、313、323、333)和第二电极(304、314、324、334)。
5.如权利要求4所述的电池结构(200A、300)，其特征在于，至少一个电极(303、313、323、333、304、314、324、334)是由两部分构成的的，使得所述电极具有一第一电极部分和一第二电极部分。
6.如权利要求5所述的电池结构，其特征在于，所述第一电极部分被设置提供具有一重复峰值、方向和/或频率的一第一电场。
7.如权利要求6所述的电池结构，其特征在于，所述第二电极部分被设置提供与所述第一电场不同的一第二电场。
8.如权利要求1所述的电池结构，其特征在于，所述电池结构具有处在所述流动通道中的一分流器板，所述分流器板用于将所述流动通道(200)分隔成与所述流动通道(200)平行的两部分，所述两部分是一第一部分(341)和一第二部分(342)。
9.如权利要求8所述的电池结构(300)，其特征在于，所述电离部分处在所述流动通道的所述第一部分(341)中，用于将所述电离作用限制在所述流动通道的所述部分(314)中的一容积部分内。
10.如权利要求8所述的电池结构(300)，其特征在于，在一第一电极(303、313、323、333)与一第二电极(304、314、324、334)之间有一分流器板的一部分(343)。
11.一种气体测量设备(400)，用于基于离子迁移率识别流动气体中的物质，其特征在于，所述气体测量设备(400)具有一电池结构(200A、300)，所述电池结构包括用于控制一气流的一流动通道(200)、被设置形成一参考信号的一参考电池(201、411)、用于使电离作用达到所述样品气体中的电离部分(202、410)、和被设置形成一分析信号的一分析电池(203、409)，所述参考电池(201、411)、所述电离部分(202、410)和所述分析电池(203、409)按照所述顺序被设置在所述流动通道(200)中的所述样品气体的流动方向上。
12.如权利要求11所述的气体测量设备(400)，其特征在于，所述气体测量设备具有信号处理装置(407、412、422)，用于基于所述参考信号和所述分析信号产生和/或形成一第三信号。
13.如权利要求12所述的气体测量设备(400)，其特征在于，所述参考电池和/或所述分析电池具有一装置，该装置用于测定所述载气的一性质，以便使所述载气的性质是下面中的至少一个：
(a)一局部剂量速率，被接纳到一定体积的气体中，由产生一放射性核素的一辐射场产生；
(b)气体湿度；
(c)气体温度；
(d)气体成分；
(e)气体粘度；
(f)气体密度；
(g)用于辐射的气体的质量吸收系数。
14.如权利要求12所述的气体测量设备(400)，其特征在于，所述的气体测量设备具有用于测定气流(100)的这样的一电池结构(300)，所述电池结构包括一后场电极对，并且所述后场电极对具有一第一后场电极(333)和一第二后场电极(334)。
15.如权利要求12所述的气体测量设备(400)，其特征在于，所述的气体测量设备具有用于从所述气流中收集离子和/或粒子的一电池结构(300)，所述电池结构包括一前场电极对，所述前场电极对具有一第一前场电极(323)和一第二前场电极(324)。
16.如权利要求11所述的气体测量设备(400)，其特征在于，所述的气体测量设备具有发射器-接收器装置(404)，用于通过遥控维持和控制设备(400)的功能。
17.如权利要求16所述的气体测量设备(400)，其特征在于，所述发射器-接收器装置(404)被设置接收用于控制所述气体测量设备(400)的一部分(409、410、411、414、415)的一脉冲。
18.如权利要求16所述的气体测量设备(400)，其特征在于，所述发射器-接收器装置(404)被设置在所述气体测量设备(400)与被设置用于与气体测量设备通信连通的设备(401)之间传递一一定的分析结果、状态和/或控制值。
19.如权利要求11所述的气体测量设备(400)，其特征在于，所述的气体测量设备具有一微处理器(406)，用于维持和/或控制所述气体测量设备(400)的功能。
20.一种基于离子的电迁移率识别流动的气体中的物质的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
(a)在一参考电极对中的电极之间设置一第一电场(500A)；
(b)在一分析电极对中的电极之间设置一第二电场(500B)；
(c)采取一气体样品(501)，使所述气体样品按照所述顺序被输送通过所述参考电极对、所述电离部分和所述分析电极对；
(d)分析所述气体样品(503)；
(e)形成一离子的迁移率谱(504)；和
(f)基于所述迁移率谱从所述气体样品中识别一离子(505)。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，步骤(d)具有一些子步骤，其中包括观测所述参考电极对中的电极上电荷的变化，以便形成一参考信号，对样品气体进行充电以便产生离子，观测所述分析电极对中的电极上电荷的变化以便形成一分析信号。
22.如权利要求20或21所述的方法，其特征在于，在步骤(e)中基于所述参考信号和分析信号形成所述迁移率谱。
23.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述方法具有一步骤，其中在所述样品气体到达所述参考电极对之前预处理所述气体样品(502)，用于去除微粒固体和/或液体物质。
24.如权利要求20所述的方法，其特征在于，在步骤(f)中识别是基于一迁移率数据库或一相应的数据库。
25.一种基于离子的电迁移率以离子形式识别流动气体中的物质的系统，其特征在于，所述系统具有一气体测量设备(400)，所述气体测量设备包括一电池结构(200A、300)，所述电池结构具有用于控制一气流的一流动通道(200)、被设置用于形成一参考信号的一参考电池(201、411)、被设置使电离作用达到所述样品气体中的一电离部分(202、410)、和被设置形成一分析信号的一分析电池(203、409)，所述参考电池(201、411)、所述电离部分(202、410)和所述分析电池(203、409)按照所述顺序被设置在所述流动通道(200)中的样品气体的流动方向上，并且所述系统还包括一发射器-接收器装置(404)，所述发射器-接收器装置用于在所述气体测量设备(400)与一无线终端设备(401)之间传输数据。
26.如权利要求25所述的系统，其特征在于，所述电池结构还包括一前电池(414)和/或一后电池(415)。
27.一种用于用电学方法测定一吸气冷凝器中的气体流速的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤，在其中，在一吸气冷凝器中：
(a1)在包括一第一电极的一第一电极对中的电极之间设置一第一电场；
(a2)在包括一第二电极的一第二电极对中的电极之间设置一第二电场；
(a3)在包括一第三电极的一第三电极对中的电极之间设置一第三电场；
(a4)观测所述第一、第二和第三电场中所述第一、第二和第三电极的电荷变化；
(a5)基于在所述第一电极上检测到的电荷变化，校正借助于所述第二和第三电极检测到的电荷变化；
(a6)测定在所述第二电极上出现某种电荷改变与在第三电极上出现某种电荷变化之间的时间；
(a7)计算气体速度。
28.如权利要求27所述的测定气流速度的方法，其特征在于，步骤(a6)中形成一自相关函数，用于确定在所述和第三电极上检测到的电荷变化之间的时间。
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