CN100595566C - 利用扩散作用的光声气体传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及利用扩散作用的光声气体传感器，该光声气体传感器具有检测容积和包含一声压传感器的声压传感器容积，使得检测容积和声压传感器容积之间的流动联通限制分析气体流动通过，但不限制光声信号传输通过。
Description
发明领域
本发明一般涉及利用扩散作用的光声气体传感器，尤其涉及在利用扩散作用的光声气体传感器中减少初始响应时间并提高信噪比的装置与方法。
发明背景
气体传感器利用光声效应检测气态分析物(即有关物质)的浓度的用法已经众所周知，如美国专利No.4,740,086描述了在光激发气态分析物时用光声气体传感器把调幅光源的光能转换成声能的情况。当光入射检测室的光能被分析气体吸收后，就生成强度对应于检测容积或检测室内分析气体浓度的声/压波，转换成提高的分析气体能级，造成分析气体的热/机激发。这些声/压波被压力传感器或话筒等声学检测器检测。通常这类器件的工作频率为2～100Hz，较佳为8～15Hz。
需要一种让分析气体进入检测室的装置。在一种已知的光声检测器中(如图1所示)，气体交换器包括泵10和可轮流关闭的阀11与12。这是一种应用被泵运或强制的分析气体从分析气体入口13流到分析气体出口14的光声检测器，若使用可轮流关闭的阀11与12，就可用位于检测容积16里的话筒15实现最快的响应时间。通常，话筒15形成检测容积16的一部分壁。这类光声检测器的初始响应时间一般受制于泵运的分析气体的流速和检测容积16的尺寸。然而，把话筒15设置在检测容积16的壁上有一缺点，即话筒15会吸收部分光源17入射检测室16的光，在没有任何分析气体时产生光声信号。
在图2的另一种已知的光声检测器中，气体交换器仍包括泵10和可轮流关闭的阀11与12，但话筒15置于独立的话筒容积18里，以减少落在话筒15上的入射光量。这种检测器的初始响应时间比图1的检测器更慢，因为分析气体不能自由地从检测容积16移动到话筒容积18。为促进检测容积16与独立的话筒容积18之间的气体交换，把连接孔19尽量做大，使分析气体尽量快地进入独立的话筒容积18。连接孔19的尺寸在两个矛盾的目标之间要实现平衡：为快速传递分析气体，要求大尺寸；但尺寸不能大得使太多入射光到达话筒15。
在还有一种已知的光声检测器中，气体交换器在包括分析气体的气体可连续透过的气体收集点有一声学衰减元件20。这是一种应用扩散作用的光声检测器，如图3所示。但这种光声检测器的输出信号写受噪声影响，而噪声由来自外界的声/压波源诸如风、大楼通风系统和其它振动与声学现象的干扰造成。例如，通常在扩散的光声气体传感器入口设置多孔构件，诸如气体较容易扩散通过的烧结型金属烧结物，但会衰减外部的声/压波作用。然而，引入这种减噪的声压衰减元件一般导致对变化的信号电平的响应性的相应损失，人们必须针对造成的初始响应时间的增大平衡这一衰减作用及其相应的噪声减小。例如，美国仪表学会(ISA)对可燃气体检测器制订的规程要求在每秒5米(m/s)风速下有一气体浓度测量稳定性，相应的初始响应时间(满度指示的60％)小于12秒。一种减噪法是配用某种衰减外部生成的声压波的装置，如Moeckli等人在2000年7月7日提交的美国专利申请USSN 09/611,384所描述的那样，其内容通过引用包括在这里。
然而，若使用扩散型光声检测器，则初始响应时间通常受制于分析气体通过声压衰减元件20的扩散速率，而该扩散速率一般比泵式光声检测器中出现的分析气体流速慢得多。因此，在有大型连接孔19(如用于带阀的泵式检测器)的独立话筒容积18中使用话筒15，实际上在扩散型光声检测器中造成甚至更慢的初始响应时间，因为在能得到准确的读数之前，检测容积16和独立的话筒容积18都必须充填分析气体。
然而，非常希望开发出既可提高应用扩散作用的光声检测器的信噪比，又能对这类检测器保持满意的初始响应时间的装置与方法；同时希望开发出既可减少初始响应时间，又能在应用扩散作用的光声检测器中保持合格的信噪比的装置与方法，通过信号处理，可对每种应用优化气体传感器的特性。
发明内容
总之，为改善传感器的响应时间，本发明提供一种控制分析气体在扩散型光声气体传感器内扩散的方法与装置。本发明的光声气体传感器或检测器包括检测容积和声压传感器容积，前者通过一声压衰减元件与环境流动联通，使分析气体通通过声压衰减元件扩散入检测容积。声压传感器与检测容积流动联通，使光声压力信号在其间的传递或传输不受负面影响或明显限制，同时可控制分析气体扩散入声压传感器容积的速率，例如被限制、受阻碍、被减慢和/或受阻塞，使之小于分析气体从环境扩散入检测容积的速率。结果，光声传感器的初始响应时间(上升或下降)将只基于分析气体扩散入或扩散出检测容积的时间，并不基于分析气体扩散入或扩散出检测容积与声压传感器容积组合的容积的时间，因而光声传感器的响应时间与声压传感器容积相对于检测容积的尺寸无关。较佳地，通过约束、限制、阻碍或控制对声压传感器容积的分析物扩散，可对T50和T90实现更快的初始上升时间。
在本发明一优选实施例中，检测容积与声压传感器容积之间的分析气体扩散出现于贴近和较佳的邻近分析气体从环境扩散入检测容积的源。较佳地，检测容积与声压传感器容积之间的连接位于或靠近检测容积邻近分析气体从环境扩散入检测容积的源的一角或边缘，使通过该连接出现的少量气体扩散的光声效应最小。
通过以下描述的目前优选的实施例，本发明的其它细节、目的与优点就更容易明白了。
附图简介
附图中仅以举例方式示出本发明一优选的实施例，其中：
图1示出带形成检测容积一部分壁的话筒的已知泵式光声气体检测器。
图2示出话筒与检测容积分开的已知泵式光声气体检测器。
图3示出话筒与检测容积分开的应用扩散作用的已知光声气体检测器。
图4示出本发明应用毛细管的光声气体检测器。
图5示出本发明应用软隔膜的光声检测器。
图6示出本发明在软支承中应用硬隔膜的光声检测器。
优选实施例的描述
图4示出本发明扩散型光声气体检测器30的一优选实施例。光声传感器/检测器的工作原理与结构参照美国专利No.4,740,086，其内容通过引用包括在这里。在图4的实施例中，分析气体可连续透过的声压衰减元件32构成检测容积34的一部分壁。如本领域所知，声压衰减元件32的作用是减少外部的声/压波源进入检测容积34，保证得出的光声压力信号不被该信号离开检测容积34而削弱，并对分析气体扩散入检测容积34只产生最小阻力。较佳地，光源36的光能通过检测容积34的另一部分壁进入。
声学传感器38(通常为话筒)设置在独立的声压传感器容积40内，以减少落在其上的光量。声压传感器容积40包括声压传感器内外两部分容积，并通过连接器42与检测容积34流动联通，从而把检测容积34内撞击分析气体的光生成的光声信号发送到声压传感器38，信号损失极少(有的话)。因此，连接器42基本上不约束、阻碍、阻塞或有害地影响光声压力信号。
然而，声压传感器容积40与检测容积34间的连接器42限制了分析气体扩散入声压传感器容积40的速率。较佳地，该速率被限成远远小于分析气体从环境扩散入检测容积34的速率。在控制和限制分析气体扩散方面，这些容积间的连接器42的截面积与长度都很重要，应被选成具有毛细作用，这一作用通常在直径一般小于1mm而长度与直径之比大于10时发生。连接器42的一优选实施例是第一管接第二管；第一管的直径为0.5mm，长4mm，第二管的直径为1mm，长7mm。另一种优先的连接器是空心金属针或管或导管，具有产生毛细扩散作用的尺寸。较佳地，声压传感器容积40与检测容积34间的连接器42可用作毛细管，能约束、限制、阻碍和/或控制分析气体的流动/扩散。美国专利No.4,132,616和4,324,632都讨论了通过毛细管的扩散，其内容通过引用包括在这里。
图5示出本发明扩散型光声气体检测器30的中一优选实施例。图5中，用隔膜45约束、限制、阻碍、阻塞或控制检测容积34与声压传感器容积40之间的分析气体扩散。较佳地，隔膜45呈软性，不明显影响光声信号传输通过，也不让光穿过。一例这样的隔膜由聚四氟乙烯制作，以GORTEX品牌出售。应用这种隔膜，连接器44就不必小得像毛细管一样，尺寸可类似于孔19。
图6示出本发明扩散型光声气体检测器30的另一优选实施例。图6中，用硬隔膜47(较佳地用薄金属制作)约束、限制、阻碍、阻塞或控制检测容积34与声压传感器容积40之间的分析气体扩散。硬隔膜47装在允许隔膜47移动的软支承49内，不明显影响光声信号传输通过。较佳地，支承49是两个软得足以让硬隔膜47移动的的O型环，从而发射光声信号。较佳地，隔膜47里面有一微孔(20微米量级)，实现稳态压力平衡。运用这种隔膜，连接器46不必小得像毛细管一样，尺寸类似于孔19。
本发明的一个优点是初始响应时间(上升或下降)与声压传感器容积40相对于检测容积34的尺寸无关，因而能减小检测容积34，因为声压衰减元件32与检测容积34的表面积之比增大了，故初始响应时间相应减少，不会减慢或减弱一般由声压传感器容积40造成的作用。一优先实施例的检测容积34在尺寸上与声压传感器容积40相似或甚至更小。初始响应时间更快，光声检测器30就有更多的信号求均，实现更高的信噪比。
较佳地，检测容积34与声压传感器容积40之间的流通连接器(421、44或46)贴近或较佳地邻近从环境扩散入检测容积(即声压衰减元件32)的分析气体源，从而在与通过声压衰减元件32的扩散比较时，通过该连接器发生的少量气体扩散的作用最小。
更佳地，检测容积34与声压传感器容积40之间的连接器(42、44或46)设置在检测容积34邻近声压衰减元件32的一角或边缘内或附近，使通过连接器发生的少量分析气体扩散具有最小的光声效应。检测容积34的壁、角或边缘附近的光声效应早已被一部分抬高的分析气体能态减小，而这部分分析气体能态通过与检测容积碰撞而不是与其它气体或空气分子碰撞将其某些能量直接传给了检测容积，因而能量选作为热能再作为压力或声能传递。
虽然已图示并结合附图描述了实施本发明的一目前优选的实施例，但是本发明可用其它方法实施且落在以下权利要求的范围内。
Claims (15)
1.一种测量环境中的分析气体的光声检测器，所述光声检测器包括：
光能源；
检测容积，所述检测容积通过声压衰减元件与环境流动联通，使分析气体能通过声压衰减元件扩散入检测容积；和
包括声压传感器的声压传感器容积，所述声压传感器容积通过毛细管与检测容积流动联通，使光声检测器的初始响应时间与声压传感器容积相对于检测容积的尺寸无关。
2.如权利要求1所述的光声检测器，其特征在于，所述声压传感器容积与检测容积间的流动联通贴近声压衰减元件。
3.如权利要求1所述的光声检测器，其特征在于，所述声压传感器容积与检测容积间的流动联通位于检测容积贴近声压衰减元件的一角附近。
4.如权利要求1所述的光声检测器，其特征在于，所述声压传感器容积与检测容积间的流动联通位于检测容积贴近声压衰减元件的边缘附近。
5.如权利要求1所述的光声检测器，其特征在于，所述分析气体从检测容积通过流动联通进入声压传感器容积的扩散速率小于分析气体从环境通过声压衰减元件进入检测容积的扩散速率。
6.如权利要求1所述的光声检测器，其特征在于，所述检测容积与声压传感器容积的尺寸相近。
7.如权利要求1所述的光声检测器，其特征在于，检测容积小于声压传感器容积。
8.如权利要求1所述的光声检测器，其特征在于，所述检测容积大于声压传感器容积。
9.一种测量环境中分析气体的光声检测器，所述光声检测器包括：
光能源；
检测容积，所述检测容积通过声压衰减元件与环境流动联通，使分析气体能通过声压衰减元件扩散入检测容积；
与所述检测容积的尺寸相近且包括声压传感器的声压传感器容积；和
位于声压传感器容积与检测容积之间的毛细管，使分析气体从检测容积向声压传感器容积的扩散得到控制而不有害地影响光声压力信号在检测容积与声压传感器容积之间的传输。
10.如权利要求9所述的光声检测器，其特征在于，所述声压传感器容积与检测容积间的毛细管贴近声压衰减元件。
11.如权利要求9所述的光声检测器，其特征在于，所述声压传感器容积与检测容积间的毛细管位于检测容积贴近声压衰减元件的一角附近。
12.如权利要求9所述的光声检测器，其特征在于，所述声压传感器容积与检测容积间的毛细管位于检测容积贴近声压衰减元件的边缘附近。
13.如权利要求9所述的光声检测器，其特征在于，所述分析气体从检测容积通过毛细管进入声压传感器容积的扩散速率小于分析气体从环境通过声压衰减元件进入检测容积的扩散速率。
14.如权利要求9所述的光声检测器，其特征在于，所述声压传感器容积与检测容积间的毛细管包括一块可透过气体的软隔膜。
15.如权利要求9所述的光声检测器，其特征在于，所述声压传感器容积与检测容积间的毛细管包括一块装在软支承内的硬隔膜，该硬隔膜内具有一20微米量级的微孔以实现稳态压力平衡。
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