CN101251480B - 气体传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及组合的气体传感器装置，通过在一个壳体内的可调谐二极管激光器光谱测定和谐振光声而允许测量气体浓度。本发明的核心是将用于激光器光谱测定的激光光束传送越过测量单元的开口，该测量单元通常用于谐振光声确定。因此，两个测量原理均使用具有最小空间占用的相同的气体感测模块，使得装置可以用最小尺寸生产。而且，可以使用普通的光电子平台和电子平台，其减少了这种组合的气体传感器的综合成本。

Description

气体传感器
技术领域
本发明涉及红外线(IR)气体传感器装置，用于通过使用可调谐二极管激光器光谱测定(TDLS)或者光声(PA)探测来测量目标气体的浓度。
背景技术
两种测量技术已知于现有技术中。例如，在EP1 549 932 B1中公开了TDLS。在多件专利申请中公开了光声传感器。
两种测量技术有它们的应用领域，及均用特定的样本单元(samplecell)设计进行工作。TDLS需要吸收路径，通过光敏传感器例如光敏二极管来测量被吸收光的强度。可以在样本单元中关闭或开启吸收路径，而没有任何壳体限定待探测的气体的吸收容积。吸收路径的长度较大程度地确定达到的灵敏度，且环境影响散射速率，其意味着，较长的散射周期造成系统的较慢的反应时间。然而，开放的环境承受较大的外部影响。
PA要求声音上关闭的测量单元，其中通过目标气体的光吸收导致声压的产生，声音通过麦克风采集。二极管激光器用作PA的光源，允许在高频(kHz到MHz)上调制光束，这使用传统的热光源是不可行的。该kHz调制可以使用谐振PA(RPA)，其中，调节调制频率，以匹配测量单元内的样本容积的声音谐振频率。测量单元的设计影响样本容积的谐振频率。在这样的谐振测量单元中，精确地定位声压的最大值(波腹)和最小值(波节)。在波腹上采集声音，且可以在波节的位置处开启测量单元。取决于测量单元的设计，声压的波腹是不同的。
因此，TDLS和RPA技术各自具有它们自己的目标气体组。TDLS高度选择性地且以很高的灵敏度测量单一成分气体(即，在百万分率ppm的范围内的有毒气体)，然而RPA以其广泛的吸收特征而更适合测量大分子，其中，要求的探测界限大约为更高的数量级(即，在百万分之一百100ppm的范围内的碳氢化合物)。然而，在一些情况下，一组气体传感器要求容置于一个仪器中，其既要求TDLS技术又要求RPA技术(即，用于有毒气体和易燃气体的组合传感器)。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种组合传感器，根据待探测的相应的气体，组合传感器可以容置于使用TDLS技术或使用RPA技术的单个仪器中。
如权利要求所要求保护的气体传感器解决了该目的。另外的有益的实施方式于各自的从属权利要求中要求保护。
根据本发明，红外线气体传感器装置包括至少一个第一可调谐激光源和至少一个第二可调谐激光源，均分别产生第一已调制的激光束和第二已调制的激光束，第一已调制的激光束和第二已调制的激光束分别提供第一测量路径和第二测量路径。气体传感器装置还包括第一探测装置和第二探测装置，分别与第一测量路径和第二测量路径相关联，其中第一探测装置为光学传感器，接收第一激光束，且第二探测装置为声音传感器。另外，气体传感器装置包括至少一个测量室，用于为待探测的气体提供吸收容积，其中，测量室包括用于第一测量路径和第二测量路径的不同开口及至少第二探测装置。另外包括的是电子处理装置，用于控制激光源并提供产生的测量信号。
本发明利用在RPA单元中的波节和波腹的几何分布，以形成组合的TDLS-RPA测量室。校准TDLS激光器的激光束并穿过测量室的开口槽发送，通过提供相应的气体容积、用于第二激光束的指定开口和相应的声音传感器，例如麦克风，测量室设计成用于RPA测量。依赖于对TDLS的要求，具有通过测量室的激光束可以通过相应的光敏传感器探测，例如光敏二极管，或通过适当的反射镜穿过测量室向回反射至接近第一激光源设置的光敏二极管。而且，可能提供穿过测量室的更多路的第一激光束。例如，在测量室中的开口可以是圆形的或以槽口的形式。多路槽口的形式是优选的。通过第二激光源(例如二极管激光)提供的第二激光束用于RPA，其进入测量室的相应开口，并在室的声音谐振处激励测量室的气体容积。如果适当地选择声音的固有模式，测量室可以开启或可以包括用于TDLS的相应开口。
通常的设计是圆柱形的测量室具有低频的基本纵向谐振。例如，还可能的是设计的测量室具有相较于圆柱形测量室的较短长度和较大直径。在后者中，在室的上半部和下半部将声压波腹组织为波瓣。这种设计的谐振频率高于相较于直径具有更大长度的圆柱形测量室设计的谐振频率。然而，在纵向、径向、轴向或其它方向上的样本容积中，所有的设计可能提供波节和波腹。
在气体探测的特别应用的另一个实施例中，仅有一个共同的二极管激光源用于不同种类的激光束，用于提供穿过一个共同开口的第一测量路径和第二测量路径。二极管激光器在两个条件之间转换(多路复用的)，两个条件对于分别产生用于TDLS路径或RPA路径的激光束是必要的。可能在第一激光束已行进穿过气体容积之后，从室的各自侧壁向回穿过入口而将其反射，或使用光敏传感器代替。该设置对于气体的测量是优选的，其可以相同的顺序在路径长度上探测，例如，用TDLS测量甲烷和用RPA探测测量碳氢化合物。
在优选的实施例中，测量室的尺寸适用于提供声压波腹，声压波腹在室的上半部和下半部组织为波瓣。另外，第一路径的开口设置在波瓣之间的环线处。
总之，可将多于一个的测量室引入用于TDLS的第一测量路径，或用于RPA探测的测量室可以引入更大的用于TDLS的第二测量室。
本发明的优点是，TDLS和RPA探测可以在共同的外壳内执行，并具有共同的光电子平台和电子平台。用于RPA探测的测量室可以沿TDLS吸收路径(第一测量路径)自由地放置，而在TDLS和RPA测量之间没有任何干扰。相同外壳(即，用于暴露保护或环境保护)的使用和相同的电子平台急剧地减少了这种组合气体传感器的综合成本。
本发明的新颖的设计理念是将TDLS激光束(第一激光束)越过用于RPA探测的测量室的开口发送，进而在相同的气体感应模块中以最小的尺寸利用TDLS和RPA探测。
根据本发明的另一个实施例，第二已调制的激光束的调制频率与测量室容积的声音谐振频率相匹配。
在另一个实施例中，测量室是圆柱形的，具有用于在前侧的第一测量路径和第二测量路径的开口。
从与权利要求和附图相关的优选实施例的下面的描述，可以获得本发明的另外的特征和优点。单一的特征可以单独实现或与本发明的实施例相结合实现。
附图说明
图1为用于RPA的基本呈圆柱形的样本单元的设置；
图2为将目标气体快速扩散于用于RPA的样本单元中的目的的设置；
图3为根据图2的测量室设计中的开口的设置；
图4为红外线气体传感器装置的原理表示；及
图5为仅具有一个二极管激光源的红外线气体传感器装置的另一原理表示。
具体实施方式
在图1的示例中，激光源1提供穿过圆柱形测量室的激光束2，例如，圆柱形测量室的长为4厘米，直径为0.5厘米，由此提供基本纵向的谐振。室还包括通用的麦克风4。声压的振幅由虚线5表示。这种设置的谐振频率大约为4kHz。
在如示于图2的方位设计中，例如，室的长度为0.6厘米，直径为2厘米。该设计提供的声压波腹(anti-node)作为室3’的上半部和下半部中的波瓣(lobe)6’和6”。该设计的谐振频率大约为10kHz。
图3示出了根据图2的探测室3’的前视图，其中前侧和后侧是相同的。如该图所示，上波瓣6’和下波瓣6”使测量室3’的环线处形成开口。沿环线的开口7用作气体的入口和出口，并用于如图4所示的用于TDLS测量路径8的激光束。开口9用于示于图4的RPA测量路径10。
图4示出了具有壳体11的红外线气体传感器的原理设置，壳体11仅由虚线表示，并包括电路板12，电路板12上设置有第一可调谐激光二极管13、第二可调谐激光二极管14、麦克风21和其它用于装置功能的电子元件。另外示出的是在前侧19和后侧20(未示出)上的具有槽口7的测量室15。室15还包括在前侧19上面向第二激光器14的开口9。参考标号16表示邻近于室15的内部容积的用于麦克风的端口。在本实施例中，远离室15处有反射镜17，用于反射由第一激光源13发射的激光束8’。被反射的激光束8’再次行进穿过槽口7而返回设置于第一激光源13之上的激光二极管18。
第二激光源14提供激光束10’，激光束10’通过开口9进入测量室15，用于激励室15内的气体量。
图5示出了仅具有一个可调谐二极管激光源22的设置，可调谐二极管激光源22在两个不同光束之间复用，不同光束的产生条件是，用于提供用于TDLS测量路径或者RPA测量路径的激光束。两个激光束通过相同的开口23进入测量室15’。而用于TDLS的已调制的激光束8’通过壳体15’内的反射镜17’反射回来，用于RPA探测的已调制的另一激光束10’仅进入开口23并激励室15’内的气体量。在本实施例中，由于RPA光束通过偏离中心的开口23进入壳体15’，RPA光束还产生图3的上波瓣6’和下波瓣6”。
如上所述，由于该装置具有共同的壳体11，具有共同的光电子和电子平台12，可以在壳体11内的相同位置上执行TDLS和RPA探测。示出的该实施例仅为举例说明的目的，而不限制于特别的设计。

Claims (7)

1.一种组合的红外线气体传感器装置，用于通过使用可调谐二极管激光器光谱测定或者光声探测来测量不同目标气体的浓度，包括：
至少一个第一可调谐激光源(13)，其产生提供第一测量路径(8)的第一已调制的激光束(8’)；
至少一个第二可调谐激光源(14)，其产生提供第二测量路径(10)的第二已调制的激光束(10’)；
第一和第二探测装置(18；4)分别与所述第一和第二测量路径(8；10)相关联，其中，所述第一探测装置(18)是接收所述第一已调制的激光束(8’)的光学传感器，且所述第二探测装置(4)是声音传感器；
至少一个测量室(15)，用于为待探测的目标气体提供吸收容积，所述测量室(15)包括用于所述第一和第二测量路径(8；10)的不同开口(7，9)及至少第二探测装置(4)；及
电子处理装置，用于控制所述第一可调谐激光源(13)和第二可调谐激光源(14)并提供产生的测量信号。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述第一可调谐激光源(13)和所述第二可调谐激光源(14)仅为一个二极管激光器，所述二极管激光器产生提供所述第一测量路径(8)的所述第一已调制的激光束(8’)，且产生提供所述第二测量路径(10)的所述第二已调制的激光束(10’)，以一个相同的开口代替所述的不同开口(7，9)，两个激光束通过所述相同的开口进入测量室。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述测量室(15)包括设置于所述第一测量路径(8)中的相对的开口(7)，从而允许所述第一已调制的激光束(8’)至少一次行进穿过所述测量室(15)。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于：所述第一探测装置(18)远离所述至少一个测量室(15)而设置。
5.如权利要求3所述的装置，其特征在于：所述测量室(15)为圆柱形，具有在前侧(19)用于第一和第二测量路径(8；10)的开口(7，9)，并具有在后侧(20)用于所述第一测量路径的至少一个开口(7)。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于：将声压波腹在所述测量室(15)的上半部和下半部中组织为波瓣(6’，6”)。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述第二已调制的激光束(10’)的调制频率与所述测量室(15)的声音谐振频率相匹配。
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