CN102171548A - 适于对高浓度气体进行光谱分析的设备 - Google Patents
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Abstract
本发明包括一种适于进行光谱分析的设备(“A”)，所述设备具有：适用于电磁辐射(“S”)的传送装置(10)；采用腔的形式并用作测量池的有限空间(11)，其意在能够限定光学测量距离(T”)；从所述传送装置(10)通过所述光学测量距离(“L”)的所述电磁辐射(“S”、“Sa1”、“Sa2”)的检测装置(12)；以及执行光谱分析并至少连接到所述检测装置(12)的单元(13)。电磁辐射的所述检测装置(12)以光电方式适于对预期落入一光谱范围内的电磁辐射(“Sb”、4a)具有灵敏性，所选取的该光谱范围的波长分量或谱元将成为执行光谱分析的单元(13)中的分析对象，以便在该单元中通过计算确定谱元的相对辐射强度。所述电磁辐射(“S”、“SaT1、“Sa2”)适于通过存在气体样品(G)的空间(11)。空间(11)内的所述光学测量距离(“L”)被选取为很短，至少短于15毫米，因此样品气体(G)必须相对于被评估的气体部分而呈现出高浓度。
Description
技术领域
本发明总体涉及适用于电磁辐射且主要适于对高浓度的一种或多种气体或气体混合物进行评估的设备。
以下将结合通过借助于气量计确定气体存在的适用于气体的设备或气量计来更具体地描述本发明的实际应用，那时的所述气体以高浓度气体或气体混合物的形式出现在适于被评估且被装入或穿过测量池的气体样品中。
因此，这种适用于气体的设备呈现出：适用于电磁辐射的发射装置或传送装置，其具有用作气体样品的测量池并且意在能够限定应用于测量本身的光学测量距离的腔；从所述传送装置穿过所述光学测量距离的所述电磁辐射的探测或检测装置或探测器；以及执行光谱分析并在任何情况下连接到所述检测装置或探测器的单元。
用于检测或探测电磁辐射的所述装置适于对预期落入一光谱区域的电磁辐射具有光电灵敏性，所选取的该电磁辐射的波长分量或谱元将成为执行光谱分析的单元中的分析对象，以便在该单元中确定谱元的辐射的相对强度。
在该技术领域中，在此处指示并利用的传送装置和检测装置或探测器在现有技术中是已知的，并且执行光谱分析的单元和例如连接到该单元并呈现结果的显示单元或类似装置也是已知的，因此这些装置、单元和显示单元的结构组成不是本申请中更具体研究和图示的对象。
背景技术
与技术领域有关的方法、设备和结构以及以上提及的特点在多个不同的实施例中早就已知。
作为本发明所涉及的背景技术和技术领域的第一示例，可能提及适于对气体和/或气体混合物的样品进行光谱分析的设备，其具有：适用于电磁辐射的传送装置；采用腔的形式并用作测量池的诸如有限空间之类的空间，其意在能够限定光学测量距离；从所述传送装置经过所述光学测量距离的所述电磁辐射的检测或探测装置；以及连接到与所述检测装置相关的一个或多个光电探测器的、对气体样品执行光谱分析的单元，所述一个或多个光电探测器具有相关联的光接收和/或光敏部分，例如芯片。
检测电磁辐射的所述装置以光电方式适于对预期落入一光谱区域内的电磁辐射具有灵敏性，所选择的该光谱区域的波长分量或谱元将成为执行光谱分析的所述单元中的分析对象，用于在该单元中确定谱元的相关波长部分和所选波长部分的相对辐射强度。
参考美国专利公开US-A-5 009 493、德国专利公开DE-A1-4 110 653、美国专利公开US-A-5 268 782以及美国专利公开US-A-4 029 521。
作为此处所指示的用于分析气体样品的设备的更具体的第一示例，参考已公布的国际专利申请No.PCT/SE99/00145(WO 99/41 592-A1)的内容，其包括：用于制造与气体传感器相关的探测器的方法以及采用该方式制造的探测器。
作为此处所指示的设备的更具体的第二示例，参考已公布的公开号为WO 97/18460-A1的国际专利申请。
作为此处所指示的设备的第三具体示例，参考已公布的公开号为WO98/09152 A1的国际专利申请的内容。
另外，参考公开号为WO 01/81 901 A1的国际专利申请的内容。
关于与本发明相关的特性，可以提及：已知在小且非常小浓度的气体中相关波段的谱元的相对辐射强度较低，并且得到的结果显示出呈现较大的误差幅度。
在已知的用于光谱分析的单元中，通常需要最小(高)浓度的气体，一方面用于确定相关气体，另一方面用于评估其中的气体的相关浓度。
已知：以直角向带通滤波器供应具有大的波长范围的电磁或光学辐射，并且在该滤波器内创建先决条件，用于使所选择的小波长范围通过，并到达光电探测器，以便在具有诸如芯片之类的、其光接收和光敏部分的该探测器和所连接的用于执行光谱分析的单元中评估窄或小波长范围的强度和/或其相对强度。
通常，在通过所选波长范围的光谱分析进行的气体测试分析中已知，不同的标准会提供精度有所变化的不同的测量结果。
因此，早先就已知：
a、选择给传送装置提供高功率通常能提高测量结果的精度，
b、当利用脉冲技术时，能够周期性地激励传送装置，从而创造用于允许探测器的芯片在激励脉冲之间冷却的先决条件，
c、在低浓度的应用中，通过在传送装置与探测器的芯片之间增大通过气体样品的测量距离，来提高测量结果的精确性，
d、气体样品中的不同气体提供处于不同频率和/或频段的不同的明显吸收谱，
e、气体样品中的不同气体在不同频率和/或频段处提供多个明显的吸收谱，
f、可以将处于过压之下的气体样品校正为大气压，以提高测量结果的精度，
g、可以制作越来越精密的测量单元来提供更精确的测量结果，并且
h、对同一气体浓度，具有最优的测量距离。
考虑本发明的先决条件以及此时所指派和使用的测量距离，现有技术中已知极短的测量距离会具有缺点，并暴露出以下缺陷：
i、从传送装置传递到探测器芯片的热能引起恼人的背景光和/或背景噪声以及热量，这使得测量结果的精度下降，
i、需要通过将产生的热量导到测量池的材料中来最大可能地减少探测器及其芯片的热量产生，
k、需要通过同步探测来最大可能地减少条件的影响，以便去除传送机对探测器的响应产生的影响，
l、需要创建用于从探测器及其芯片的探测信号中最大可能地减去噪声的先决条件，
m、需要创建用于使探测器及其芯片有效冷却的良好的机械先决条件，
n、需要创建用于例如通过将热量引导到测量池腔中的气体样品上来额外降低辐射热量对探测器的影响的先决条件。
考虑与本发明明显相关的特征，提及以下现有技术的公开文件。
欧洲专利公开EP-1 659 390-A1涉及一种微芯片测试器件(10)，其具有：吸收率测量室(25)，用于测量吸收率；传送光接收单元(15)，用于接收从光源(13)发射并传送通过吸收率测量室(25)的光；在吸收率测量室的光轴方向上沿直线延伸的孔，其一端有光源所发射的光的入口，相对端有光出口，光通过该孔进入吸收率测量室；入射光分束器，位于孔的光出口与吸收率测量室之间的光学路径上，并且透射入射光的一部分，反射入射光的另一部分；以及反射光接收单元，用于接收分束器反射的光。
如此描述的设备适于测试液体，具体是对血液测试进行评估。
专利公开WO 2004/048 929-A2描述使用平行振动光谱学的高吞吐量筛分。
已知并描述了可以增大总的光吞吐量的使用红外光对多个样品进行快速光谱鉴定的器件和方法。
使用傅立叶分析的多波长扫描在这里与位于与红外光相容的固体材料内的大数目样品井相结合。
针对其应用的超大量程测量器件和系统根据光刻和用于半导体处理的其它技术制造而成。
图1示出光从光源(105)穿过分束器(110)并由干涉仪镜面(115)反射到光谱滤波器(120)中。
来自光谱滤波器(120)的光经由聚焦和束转向光学器件(125)而聚焦到样品支持器(130)的底部。
然后，光在一个或多个通道中与各个样品相互作用，然后被反射出样品支持器(130)，并由光学器件(135)聚焦到红外摄像机(140)上。
该系统的实施例包括五个部件：1)红外辐射源；2)对辐射进行调节的器件；3)样品支持器；4)红外探测器；和5)采集、处理并呈现光谱数据的计算机。
专利公开EP-0 557 655-A1公开了用于采集弱散射光学信号的系统(100)，并且采用激光器(102)，其照射具有高反射涂层(106或111)的长中空室内所容纳的未知气体(107)。
从激光器照射的电磁辐射(103)沿着该室的整个长度(“L”)指向，并且与容纳管内的未知气体的振动分子相碰撞。
碰撞导致发射与入射光分离的偏移电磁辐射(112)，然后通过管的孔(108)之一采集偏移电磁辐射(112)。
然后，散射的光子被引导到光学采集组件(116)和光子探测器(124)。
专利公开US-2006/119 851-A1公开了一种用于测量在气体样品中预选择的气体的浓度的方法和器件。
该器件包括“Harriott”型多通道池(10)，其具有中心轴(74)和围绕该轴并与该轴隔开以提供管状样品腔(84)的壳体(80A、80B)。
气体样品经由提供在轴的相对端中的孔(154、156)被泵浦通过样品腔。
第一镜面(44)和第二镜面(46)被支撑在轴的相对端处。
例如激光器或LED的光源被提供用于将光束经由第一镜面中的入口孔(30)发射到样品腔中，光束具有预选择的气体强烈吸收的波长。
该束在镜面之间经过多次反射后，从第二镜面中的出口孔(48)退出该池并发射到探测器(52)上。
该器件进一步包括用于监测未衰减光束的强度的基准探测器(32)和用于探测在通过池的单通道之后透过第二镜面的光的强度的探测器。
发明内容
技术问题
如果考虑以下条件：相关技术领域的普通技术人员为了提供一个或多个技术问题的解决方案必须实施的技术考虑，一方面首先是必须理解待实施的措施和/或措施的顺序，另一方面是对所需的一种或多种手段的必要选取，则以下技术问题因此而应当在呈现和形成本发明的主题时相关。
考虑到如以上所述的技术的较早状态，因此应当将能够理解在适用于光谱分析的设备中提供对电磁辐射或光辐射的强度进行分析的简单且成本有效的方式，以在有限空间或与测量池相关的腔及其测量距离内对例如具有相对高浓度气体的样品之类的气体和/或气体混合物样品进行分析的意义、相关优点和/或所需的技术措施和考虑因素当作技术问题。
技术问题在于，能够理解主要通过减小测量距离的长度并减小测量池相对于其外壳的长度，创建能够实际实现高测量精度所必须的先决条件，例如以上“i”至“n”段所公开的一个或多个条件的意义、相关优点和/或所需的技术措施和考虑因素。
技术问题在于，能够理解创建用于降低从所使用的吸收滤波器发出的间接辐射热量的影响的先决条件的意义、相关优点和/或所需要的技术措施和考虑因素。
技术问题在于，能够理解将传送装置与检测装置或探测器之间的所述测量距离的长度选择为很短，例如小于15毫米，并且用于使传送装置所产生的光线通过的窄缝或孔被适配为仅使或至少主要使从传送装置直接导向检测装置或探测器的光线通过的意义、相关优点和/或所需要的技术措施和考虑因素。
技术问题在于，能够理解使测量距离的长度被选取在只1到6毫米之间，例如2到4毫米左右的意义、相关优点和/或所需的技术措施和考虑因素。
技术问题在于，能够理解使所述缝或孔适于窄和/或限制到使与所述传送装置相关联的光接收部分能够投向与检测装置相关联的光接收或光敏部分，例如芯片的意义、相关优点和/或所需的技术措施和考虑因素。
技术问题在于，能够理解所述缝或孔被分配有限的尺寸，使得诸如针孔相机之类的光产生部分投到光接收部分或区域上的意义、相关优点和/或所需的技术措施和考虑因素。
技术问题在于，能够理解使所述检测装置或结合所述检测装置被布置为与一个或多个光学滤波器相邻或接近的意义、相关优点和/或所需的技术措施和考虑因素。
技术问题在于，能够理解所述光学滤波器被细分为两个局部部分，用于通过这些部分来允许互相不同的波长分量或谱元通过并到达所述接收装置，该光接收或光敏部分成形为两部分，第一部分适用于第一波长分量，而第二部分适用于第二波长分量的意义、相关优点和/或所需的技术措施和考虑因素。
技术问题在于，能够理解使与检测装置相关联的传送装置和附着基体以直角或至少基本以直角面向所述测量池和所述腔的外壳的意义、相关优点和/或所需的技术措施和考虑因素。
技术问题在于，能够理解使所述缝或孔被形成为两部分，第一部分适用于第一波长分量，并且第二部分适用于第二波长分量的意义、相关优点和/或所需的技术措施和考虑因素。
技术问题在于，能够理解使传送装置和检测装置的附件安装以直角或至少基本以直角面向所述测量池和所述腔的外壳的意义、相关优点和/或所需的技术措施和考虑因素。
技术问题在于，能够理解使所述缝或孔被形成在圆盘中或形成为腔的整体部分的意义、相关优点和/或所需的技术措施和考虑因素，其中圆盘或腔的整体部分相对于光线的方向面向并邻近所述检测装置和与该检测装置相关的光学滤波器、但是距所述检测装置和与该检测装置相关的光学滤波器一小段距离。
技术问题在于，能够理解使所述腔或测量池中的所述气体样品由流动的气体构成，其中所述气体适于通过邻近所述光学滤波器的所述圆盘和/或壁部分的意义、相关优点和/或所需的技术措施和考虑因素。
技术问题在于，能够理解使所述腔或测量池及所述测量池中其周围的壁部分被处理成光吸收表面层和/或由光吸收表面层构成的意义、相关优点和/或所需的技术措施和考虑因素。
技术问题在于，能够理解使所述测量池的腔由固体相关但可容易移动的壁部分或盖限制的意义、相关优点和/或所需的技术措施和考虑因素。
技术问题在于，能够理解使所述测量池的壁部分或盖适于借助于例如弹性“O”形环等的衬垫与所述测量池的其余部分配合的意义、相关优点和/或所需的技术措施和考虑因素。
技术问题在于，能够理解使所述壁部分或盖具有适用于测量序列的气体样品扩散的可透过气体的滤波器的形式的意义、相关优点和/或所需的技术措施和考虑因素。
技术问题在于，能够理解使所述壁部分或盖呈现出用于测量池和/或其腔中的气体样品的入口端口和/或出口端口的意义、相关优点和/或所需的技术措施和考虑因素。
技术问题在于，能够理解使所述气体样品适于以过压供应并去除，以便增大浓缩率的意义、相关优点和/或所需的技术措施和考虑因素。
技术问题在于，能够理解使光线的第一部分从所述传送装置直接导向所述检测装置，且使光线的第二部分以反射方式导向各个独立的光接收部分的检测装置的意义、相关优点和/或所需的技术措施和考虑因素。
技术问题在于，能够理解使所执行的测量由适于压缩测量气体的外部系统来修改，从而利用增大的浓度创建更加明显的幅度衰减的意义、相关优点和/或所需的技术措施和考虑因素。
技术问题在于，能够理解能够在吸收的计算过程中限制放大因子从而能够限制噪声因子之影响的意义、相关优点和/或所需的技术措施和考虑因素。
技术问题在于，能够理解为阐明零点和/或零点误差而创建先决条件的意义、相关优点和/或所需的技术措施和考虑因素。
技术问题在于，能够理解建立以下设备的意义、相关优点和/或所需的技术措施和考虑因素，其中该设备具有：适用于电磁辐射的传送装置；采用围绕并密封气体样品的腔的形式并用作具有测量路径的测量池的空间，其意在能够限定通过气体样品的光学测量距离；从所述传送装置穿过所述光学测量距离的所述电磁辐射的探测器形式的检测装置；以及执行光谱分析并连接到所述检测装置的至少一个单元，其中检测所述电磁辐射的所述装置以光电方式适于对预期落入(波长分量或)一光谱区域的电磁辐射具有灵敏性，所选取的所述光谱区域的谱元将成为执行光谱分析的单元内的分析对象，以便在该单元中确定所述谱元的(相对)辐射强度，并将后者呈现在显示单元或屏幕或相应的装置上，其中可以以简单而成本有效的方式根据波长对高浓度的气体处不同波长的组合光或电磁光束的、紧密相邻的分量或谱元的强度进行光谱分析。
技术问题在于，能够理解在以上提及的先决条件下并仅仅针对特定且紧密相关的波长分量和/或谱元测量信号强度彼此之间的相互关系的意义、相关优点和/或所需的技术措施和考虑因素。
技术问题在于，能够理解使有限的光谱分析适用于气体分析和气体浓度测量中的测量技术的意义、相关优点和/或所需的技术措施和考虑因素，其中需要特定的“光谱标记(spectral signature)”或“信号抑制或放大(signal depression or inpression)”使其成为至少在高浓度气体和诸如3毫米左右的短测量距离下识别独特物质和/或确定含量的基础。
技术问题在于，能够理解使每种物质有小数目的特定波长测量点或谱元(每种物质至少一个波长点)成为识别和/或监测的对象的意义、相关优点和/或所需的技术措施和考虑因素。
技术问题在于，能够理解利用能够根据无色散红外技术(Non-Dispersive InfraRed或“NDIR”技术)的原理创建固定且预定波长的测量信号的电磁带通滤波器的意义、相关优点和/或所需的技术措施和考虑因素。
技术问题在于，能够理解使所述测量腔中的所述气体样品承受选取的过压的意义、相关优点和/或所需的技术措施和考虑因素。
技术问题在于，能够理解其意义、与其相关的优点和/或所需的技术措施和考虑因素：通过适配的校正电路针对所选取的过压以及所选取的气体或气体混合物对依赖于测量腔或池内吸收的一个或多个波长的传递结果进行补偿，以便传递与大气压下的相关气体或气体混合物的浓度相对应的信号。
技术问题在于，能够理解其意义、与其相关的优点和/或所需的技术措施和考虑因素：使预先选取的过压能够由机械装置产生的意义、相关优点和/或所需的技术措施和考虑因素。
技术问题在于，能够理解使所述机械装置包括活塞-汽缸设备，其中所述活塞可移动地位于汽缸单元中的关联转向点之间的意义、相关优点和/或所需的技术措施和考虑因素。
技术问题在于，能够理解使所述电磁辐射适于通过位于所述传送装置与所述检测装置之间的特别适配的光学滤波器的意义、相关优点和/或所需的技术措施和考虑因素。
技术问题在于，能够理解将这种带通滤波器构造和/或构建为能够提供依赖于在所述传送装置中产生并传送的大波长范围的电磁辐射的入射角的传送波长的意义、相关优点和/或所需的技术措施和考虑因素。
技术问题在于，能够理解使该带通滤波器适于借助于其结构并通过选取入射角或类似物，将传送的同一电磁辐射中的第一所选谱元和/或第一波长分量与第二所选谱元和/或第二波长分量分离的意义、相关优点和/或所需的技术措施和考虑因素。
技术问题在于，能够理解使所述单元适于能够借助于光电探测器探测应用于一个以上波长分量和/或一个以上谱元的当前辐射强度的意义、相关优点和/或所需的技术措施和考虑因素。
技术问题在于，能够理解使光学(电磁)带通滤波器适于能够使进入并发射的光学或电磁辐射偏转到至少两个不同的光学预定偏转角或出射角的意义、相关优点和/或所需的技术措施和考虑因素，其中每个偏转角或出射角可应用于窄的波长分量和/或谱元。
技术问题在于，能够理解使所选取的辐射的每个偏转角或出射角都指示光电探测器的存在的意义、相关优点和/或所需的技术措施和考虑因素，这样适于在所关联的执行光谱分析的单元中对其电关联的波长分量或其所关联的谱元进行分析。
技术问题在于，能够理解选择以光学干涉为基础而起作用的滤波器作为所述带通滤波器的意义、相关优点和/或所需的技术措施和考虑因素。
技术问题在于，能够理解确定例如二氧化碳(CO2)的瞬间出现的浓度的意义、与其相关的优点和/或所需的技术措施和考虑因素。
方案
因此，本发明将通过介绍方式提及的已知技术作为起点，并且以根据权利要求1的前序部分的适于对气体浓度进行光谱分析的具有适于传送电磁辐射的装置的设备为基础。
除了所提及的传送装置之外，为了对气体进行测试分析，所述设备还需要：例如采用腔的形式并用作气体样品的测量池的空间，其意在能够限定光学测量距离；从所述传送装置经过所述光学测量距离的所述电磁辐射的检测装置或探测器；以及至少连接到所述检测装置并执行光谱分析的单元，其中检测电磁辐射的所述装置或探测器适于对预期落入一光谱区域内的电磁辐射具有灵敏性，所选取的所述光谱区域的波长分量和/或谱元将通过光学滤波器成为执行光谱分析的单元中的分析对象，以便在该单元中能够确定与相对较高浓度的气体相关的波长分量或谱元的相对辐射强度。
为了能够解决以上提及的一个或多个技术问题，本发明更具体地指示通过以下方式对已知技术进行补充：使所述传送装置与所述检测装置或探测器之间的所述测量距离的长度被选取为短至例如小于15毫米，并且用于使光线通过的窄缝或孔通过传送介质使光线通过，并且适于仅使或至少主要使从所述传送装置直接导向所述检测装置或探测器的那些光线通过。
所提议的以下实施例落入本发明构思的构架内，其指示所述测量距离的长度实际上应当选取在1到6毫米之间，例如2到4毫米左右
然后，所述缝或孔适于窄或被限制到使与所述传送装置相关联的光产生部分能够投到分配给检测装置的光接收或光敏部分，例如芯片上。
然后，所述缝或孔被分配有限的尺寸，使得诸如针孔相机之类的光产生部分投向光接收部分或区域。
所述光学滤波器适于与所述检测装置相邻布置或与所述检测装置结合布置。
所述光学滤波器可以被细分为两部分，用于借助于这些部分来允许互相不同的波长分量或谱元通过，所述接收装置和这些光接收或光敏部分被成形为两部分，一部分适用于第一波长分量，而第二个部分适用于第二波长分量。
用于所述传送装置和所述检测装置的安装基体应当以直角或至少基本以直角面向所述测量池和所述腔的外壳。
所述缝或孔被形成在圆盘或壁部分中，所述圆盘或壁部分相对于光线的方向面向并邻近所述检测装置和与该检测装置相关的光学滤波器，但是距所述检测装置和与该检测装置相关的光学滤波器一短距离。
所述腔或测量池及所述测量池中其周围的壁部分被处理成吸收光线的层和/或由吸收光线的层构成。
所述测量池的腔被提议为由固体相关但可容易移动的壁部分或盖限制。
所述测量池的壁部分或盖适于通过例如弹性“O”形环等的衬垫与所述测量池配合。
所述壁部分或盖被分配为可透过气体的滤波器的形式，用于创建使气体或气体混合物样品扩散的先决条件。
所述壁部分或盖呈现出用于腔中的所述气体样品的入口端口和/或出口端口。
所述气体样品适于能够以过压供应。
光线的第一部分从所述传送装置直接导向所述检测装置，并且光线的第二部分以反射方式导向各个独立的光接收部分的检测装置。
此外，还指示所提及的测量室中的所述气体可以承受预先选取的过压，并且其中依赖于所述测量室中吸收的一个或多个波长的传递结果通过校正电路针对所选取的相对于大气压的过压被补偿。
所提议的以下实施例落入本发明构思的构架内，其另外还指示响应于所选取的气体和/或气体混合物在所选取的过压下存在的吸收能力而适配和选取过压。
校正电路与具有吸收/压力关系能力的校正单元合作，所述吸收/压力关系用于使一电路确定所选取的气体或气体混合物。
预先选取的过压可以由机械装置产生，其中所述装置可以由活塞和气缸的布置组成，所述活塞可移动地位于相关联的转向点之间，替代地所述机械装置包括面向测量池的磁体，所述磁体能够通过周围的电路执行振荡运动。
根据本发明进一步指示所述传送装置与所述检测装置之间的所述电磁辐射适于通过频率和/或波长适配的光学带通滤波器，所述带通滤波器被构造和/或设计为能够提供依赖于所述传送装置所产生的电磁辐射的传送入射角的波长。
然后，该带通滤波器适于将传送的电磁辐射中第一所选波长分量或窄区域或第一所选谱元与第二所选波长分量或窄区域或第二所选谱元进行波长分离，并且所述单元适于能够借助于一个或多个光电探测器探测一个或一个以上这种谱元的当前辐射强度。
这里，所述光学带通滤波器使入射的电磁辐射以至少两个不同的电磁辐射的预定偏转角或出射角偏转。
更具体地指示同一带通滤波器适于接收在任何情况下至少有两个不同波长分量或谱元落入其中的同一电磁辐射。
有利的是，所述带通滤波器被选取为以光学干涉为基础起作用的滤波器。
在本发明的构架中，包括评估二氧化碳(CO2)在例如空气或呼气中的存在和浓度。
光线(以窄的电磁辐射束的形式)或光线的所选部分有利地被适配为直接以直角从传送装置导向光电探测器。
优点
主要必须考虑为本发明特征部分从而指示特别重要的特点的优点在于，针对适用于光谱分析的设备创建先决条件，该设备具有适用于电磁辐射的传送装置、空间以及来自所述传送装置的所述电磁辐射的检测装置或探测器，以及至少连接到所述检测装置并执行光谱分析的单元，其中所提及的检测电磁辐射的装置(或探测器)适于对通过滤波器并预期落入一光谱区域内的电磁辐射具有灵敏性，所选取的该光谱区域的波长分量和/或谱元通过光学滤波器成为执行光谱分析的单元中的分析对象，用于在该单元内通过各种计算确定高浓度气体的谱元的相对辐射强度，其中指示所述传送装置与所述检测装置或探测器之间的所述测量距离的长度被选取为短至例如小于15毫米。
使经由传送装置产生的光线形式的光线通过的窄缝或孔适于仅使或至少主要使从所述传送装置直接导向所述检测装置或探测器的光线通过。
所述测量距离的长度优选被选取在1到6毫米之间，例如2到4毫米左右。
主要可以考虑为本发明特征的主题在所附的专利权利要求1的特征部分中公开。
附图说明
现在将参照附图作为示例更具体地描述目前提议的呈现出与本发明相关的重要特点的实施例，附图中：
图1示出对高气体浓度的气体进行测量同时利用NDIR技术的原理，所述NDIR技术具有光传送装置、诸如测量池中的腔之类的适用于气体测试的空间、光检测装置或探测器、适于执行光谱分析的光计算单元和与其相关联的显示单元等，以及用于补偿依赖于主导压力的吸收能力的校正电路。
图2以放大尺寸示出第一实施例中用于传送光线的装置和用于检测光线的装置或探测器，在用于传送光线的装置与用于检测光线的装置或探测器之间具有测量距离“L”。
图3示出第二实施例中的这一方面。
图4示出具有直接作用的光线以及间接或反射作用的光线的第三实施例。
图5示出测量池的平面图，其具有外壳和腔，并具有用于安装传送装置和检测装置的开口。
图6示出图5的侧视图，其具有壁部分，或可透过气体的滤波器的入口端口和出口端口的盖。
图7示出图5的测量池的另一侧视图，并且
图8以两个不同的透视图示出根据图5至图7的测量池，其中一个透视图对应于图5中的图示，另一个公开了所述测量池的放大的下部。
具体实施方式
通过介绍的方式，应当指出，在呈现出与本发明相关的重要特点并且由附图中所示的图阐明的目前提议的实施例的以下描述中，我们选取了术语和专用名词，以便主要阐明发明基本思想。
然而，就此而言，应当注意，此处选取的术语不应当视为仅仅限于此处利用和选取的术语，因此，应当理解，以此方式选取的每个术语应当被解释为使得其另外可以包括以相同或基本相同的方式发挥作用的所有技术等同物，从而实现相同或基本上相同的目的和/或技术效果。
因此，参照示意性地并详细地示出本发明的基本先决条件的附图，其中与本发明相关联的重要特点或特征由现在提议的并且在以下更具体描述的实施例中具体实现。
因此，图1示意性地示出适于进行光谱分析的设备“A”的原理，设备“A”具有适用于具有大波长范围的电磁辐射“S”的光传送装置10以及限定的空间11，其中限定的空间11采用腔的形式、用作适用于气体样品“G”的测量池1、并意在能够限定光学测量距离，其中光学测量距离由“L”表示(参见图2)。
图1中还示出从所述传送装置10经过所述光学测量距离“L”的所述电磁辐射“S”的光检测装置12或探测器(3b)，以及执行光谱分析的单元13，该单元13通过导线121至少连接到所述检测装置12和其中包括的光电探测器。
此外，应当提及用于检测电磁辐射“S”的装置12，并且属于装置12的探测器和/或多个探测器3b应当适于对预期落入一光谱区域内的电磁辐射具有灵敏性，所选取的该光谱区域的波长分量或谱元将成为执行光谱分析的单元13中的分析对象，以便在该单元13中主要计算并确定所选谱元的相对辐射强度。
在所述传送装置10与所述检测装置12之间传送的所述电磁辐射“S”适于朝带通滤波器传递，并选择性地穿过带通滤波器，例如光学带通滤波器14(参见图2)。
根据图4，构造和/或设计这种带通滤波器14:3，以便能够提供依赖于所述传送装置10所产生的电磁辐射“Sa1”和“Sa2”的传送入射角的波长。
图4中的带通滤波器14:3适于使用所选取的入射角将选取的第一谱元4a与选取的第二谱元4b分离，并且两个光电探测器3b和3b′都连接到所述单元13，该单元13适于具有用于探测多于一个这种谱元的当前辐射强度的模块。
执行光谱分析的单元13呈现出：传送器模块13a，其通过线路101用于电磁辐射“S”，并由中央单元13b控制和激励；并且用作探测器的多个信号接收模块13c、13d和13e也连接到中央单元13b。
通过电路13g，源于电磁辐射“Sa”的信号可以在单元13中与通过传送装置10接收的选择性电磁辐射“Sb”(4a、4b)进行比较。
然后，在中央单元13b中评估并计算的结果可以作为图表15a或类似物通过电路13k传递到显示单元15。
更具体地说，图1示出利用吸收试管的应用，在该试管内部，在电磁辐射“Sa”(或被认为是辐射束)的帮助下，通过使辐射“S”或“Sa”由发射器单元10发射并由诸如探测器3b之类的光电探测器接收，而对气体样品“G”进行分析。
该发射器单元10a可以由辐射源和准直仪组成，准直仪对光线进行调整，其目的在于尽可能有效地将发射的辐射“Sa”收集为辐射束，并将其引导通过吸收试管的长度到达探测器12或3b。
发射器单元10a在此处可以采用以下形式：填充有气体或抽空气体的玻璃灯泡中的灼热丝，即白炽灯，或者位于陶瓷衬底或通过硅技术和微机械制作的薄膜上的加热电阻，或者具有精确限定的发射光谱的发光二极管。
根据本发明的教导，发射器单元10a发出辐射束的发射“S”和“Sa”，其至少必须包括强度能在它们的探测器3b或各个探测器3b、3b′中被光电探测到并在单元13中被评估的所有波长。
然后，根据所选应用、所选测量精度、预期能够采集测量气体或气体样品“G”的方式(例如过压)等，以不同的方式设计吸收试管。
在某些应用中，可以允许吸收试管1的空间11同时是稳固安装发射器单元10和接收器12的机械主体。
接收器单元或装置12的探测器3b适于创建依赖于光电波长的电信号，其随后将成为执行光谱分析的单元13中的计算分析的对象。
这种单元13在本技术领域中是公知的，因此不再进行详细描述。
所述单元13用于计算示出相关气体浓度和/或气体和/或气体混合物的结果。
重要的是，光电探测器3b具有产生某些类型或某些形式的电信号的能力，电信号的大小和形状取决于并且对应于频率范围中穿过开口或孔15a和滤波器14的辐射4a的强度。
借助于未示出的电连接器，这些电信号被传递到接收器单元或装置12的两个测量分支3d和3e，从这些分支处，单元13中的后续放大器级(未示出)和/或其它电子/计算机处理会将测量信号提炼成最终结果，该最终结果可以被评估，例如在显示单元15a上作为图表15a’可视。
如果气体的测量根据NDIR技术进行，则滤波器传送的波长4a被选取为与吸收波长一致，该吸收波长是其气体浓度待测量的物质的特征。
从电磁辐射“S”或光束或射线“Sa”内部辐射的强度的瞬时变化有使导线121上的测量信号的精确评估失真的风险，但如果将测量通道之一用作信号中立波长的强度基准，则其可以被完全中和并校准。
参考图6，更具体地说，其示出用于压缩气体样品“G”并将评估气体浓度的值增大到可被更精确评估的值的设备“M”。
利用自然发生的或者以被压缩气体的形式发生的高气体浓度值来例证本发明。
仅示意性地示出校正电路13g，但是校正电路13g与具有确定各气体或气体混合物的吸收能力/压力的电路的校正单元13h配合，其中吸收能力与所选取的压力的关系在“Pa”-图表(压力校正图表)中示出。
因此，校正电路13g适于利用存储的或评估的值来减小评估后的伪气体浓度。
预先选取的过压(Pa)可以由机械装置或设备(未示出)产生。
机械装置可以由活塞-汽缸设备构成，其活塞可移动地位于相关联的转向点之间。
机械装置可以由面向测量池11或与测量池相关的磁体组成，所述磁体能够由周围的电路(未示出)给予振荡运动。
经由装置所选取的过压改变的频率可以选在1到50赫兹之间，例如25-35赫兹左右。
测量室11可以适于0.5到3.0立方厘米之间例如0.8-1.2立方厘米左右的容积。
压力的增加依赖于预期的气体浓度，并且在正常情况下应当被选在1∶2到1∶10之间，例如1∶4到1∶6左右。
校正电路13g适于向显示单元15产生与大气压相关的减小的气体浓度值。
因此，存在设备“A”及其变体的多个可能的方案，一方面，可以产生接收器单元12必需的入射角，另一方面，可以指派用于产生不同压力的其它装置和不同的校正电路13g，从而提供与本发明相关联的设备“A”的方案。
在对图1所示的本发明进行具体描述的情况下，尤其着重强调高气体浓度的测量。
因此，图2(放大图)示出将传送装置10与检测装置12或探测器3b之间的所述测量距离的长度“L”选取为较短，例如小于15毫米。
使经由传送装置10产生的光线通过的窄缝或孔15a适于仅使或至少主要使从传送装置10直接导向检测装置12或其探测器3b、3b’的光束“Sa”通过。
测量距离的长度事实上被选取为尽可能的短，例如在1到6毫米之间，例如2-4毫米左右。
该实施例示出大约3毫米的长度。
圆盘15中的所述缝或孔15a适于窄和/或限制到使得与传送装置10相关联的光产生部分10a，“Sb”能够投射到与检测装置12相关联的光接收或光敏部分12a、3b，例如检测芯片3b、3b’。
此外，圆盘15中的所述缝或孔15a被分配有限制到光产生部分10a“Sb”，例如针孔摄像机，能够投射到光接收部分12a、3b的尺寸。
图2、3和4分别示出所述光学滤波器布置到所述检测装置12或与所述检测装置12结合布置，其中光学滤波器在图2中由附图标记14表示，在图3中由附图标记14:1和14:2表示，并且在图4中由14:3表示。
因此，所述光学滤波器14可以再细分为两个局部部分14:1和14:2，以便借助于这些部分来允许将通过的波长分量或谱元4a’和4b’(图3中)互相分离，然后到达所述接收装置12，其光接收或光敏部分12a被形成为两个部分12a1和12a2，一部分适用于第一波长分量，而第二部分适用于第二波长分量。
属于传送装置10(或接收装置12)的安装基体或凹进110、112(图5中)以直角或在任何情况下至少基本以直角面向测量池11和腔的外壳1，图5具有示出这种情况的目的。
所述缝或孔15a形成在圆盘15中或者形成为相对于光线的方向面向腔的壁部分，并与所述检测装置12和与所述检测装置相关的光学滤波器14相邻但有一小段距离。
所述腔或测量池11中的所述气体样品“G”由流动的气体构成，其中气体样品适于沿所述圆盘15和所述光学滤波器14穿过。
更具体地，对所述腔11或测量池1及测量池中其周围的壁部分被处理成光吸收层和/或由光吸收层构成。
然而，测量池的腔由固体相关但可容易移动的壁部分或盖16来限制。
测量池1的壁部分或盖16适于经由例如弹性“O”形环17的衬垫与测量池的其余部分配合。
壁部分或盖16可以被指派为支撑的可透过气体的滤波器18的形式，用于使气体样品扩散。
壁部分或盖16呈现出用于腔11内的所述气体样品“G”的入口端口16a和/或出口端口16b。
因此，图4示出第一部分光线“Sa1”从传送装置10直接导向检测装置3b’，并且第二部分光线“Sa2”以在镜面19上进行反射的方式导向各个光接收部分的检测装置3b。
参见图8，以3维设计示出并图示设备的特定部件和细节。
因此，本发明意在能够提供对包括一种或多种气体的混合物中所包括的高浓度气体的评估。
对于CO2气体，指出可以在对排放气体进行测量时探测并确定5％或更高的浓度，例如6-30％。
对于甲烷气体，提议对0-4体积百分比之间的气体浓度进行评估。在LEL系统(较低爆炸极限)中，提及气体浓度的体积百分比在0到100％之间。因此，这与煤气灶相关。
如果考虑以上所述的实施例，则应当注意，图2的实施例可以使用两个或多个平行光束很好地进行补充，其中每个光束与其缝或孔相关联，各处光学滤波器适于同一个或不同的频率范围。
尽管实施例示出圆盘15与壁部分之间有小的分隔，但是将光学滤波器粘合到探测器上，并且将盖粘合到该探测器上，使缝或孔15a与光敏芯片相邻也位于本发明的范围内。
然而，图5至图8分别示出腔11的壁部分15具有缝或孔15a，并且具有光学滤波器的探测器作为一单元被引入，以便啮合到或位于距缝或孔15a的小距离处。
在图6中，盖16可以由扩散滤波器(19)来替代，用于使周围的气体扩散到测量池1的腔中。
这里，盖16可容易移动，并且可容易地布置为例如测量池1的倾斜的壁部分。
当然，本发明并不限于以上公开的作为示例的实施例，并且在所附权利要求中示出的发明构思的框架内，可以对本发明进行改进。
应当特别注意，示出的每个单元和/或电路可以彼此组合，示出的单元和/或电路位于能够实现所期望的技术功能的范围内。
Claims (25)
1.一种适于对高浓度气体进行光谱分析的设备(“A”)，具有：适用于电磁辐射(“S”、“Sa”、“Sb”)的光传送装置(10)；采用腔的形式的空间(11)，用作适用于气体的测量池，并且意在能够限定光学测量距离(“L”)；从所述光传送装置(10)经过所述光学测量距离的所述电磁辐射的检测装置(12)或探测器(3b、3b’)；以及执行光谱分析并至少连接到所述检测装置(12)的单元(13)，其中检测电磁辐射的所述装置(12)以光电方式适于对预期落入一光谱区域内的电磁辐射具有灵敏性，所选取的所述光谱区域的波长分量或谱元通过光学滤波器(14)成为执行光谱分析的单元(13)中的分析对象，以便在该单元中借助于计算来确定所述谱元的辐射强度，其特征在于，所述光传送装置(10)与所述光检测装置(12)或探测器(3b、3b’)之间的所述测量距离的长度(“L”)被选取为短至例如小于15毫米，并且透过圆盘(15)中的缝或孔(15a)等的光线适于仅使或至少主要使从所述传送装置(10)直接导向所述检测装置(12)或探测器(3b、3b’)的光线(“Sa”、“Sa1”)通过。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述测量距离的长度被选取在1到6毫米之间，例如2到4毫米左右。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述缝或孔适于窄或紧到使被分配给所述传送装置的光产生部分能够投到与检测装置相关联的光接收或光敏部分，例如芯片上。
4.根据权利要求1、2或3所述的设备，其特征在于，所述缝或孔被分配有限的尺寸，使得诸如针孔相机之类的光产生部分投向光接收部分或区域。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述光学滤波器被布置到所述检测装置或与所述检测装置结合布置。
6.根据权利要求3或5所述的设备，其特征在于，所述光学滤波器被细分为两个局部部分，用于通过这些部分来允许互相不同的波长分量或谱元通过并到达所述接收装置，所述接收装置的光接收或光敏部分或区域被形成为两部分，第一部分适用于第一波长分量，而第二部分适用于第二波长分量。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，属于所述传送装置和所述检测装置的安装基体以直角或至少基本以直角面向所述测量池和所述腔的外壳。
8.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述缝或孔被提供在圆盘或所述腔的壁部分中，并且相对于光线的方向面向并邻近所述检测装置和与该检测装置相关的光学滤波器，但是距所述检测装置和与该检测装置相关的光学滤波器一短距离。
9.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述腔或测量池及所述测量池中其周围的壁部分被处理成光吸收表面层和/或由光吸收表面层构成。
10.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述测量池的腔由固体相关但可容易移动的壁部分或盖限制。
11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述测量池的壁部分或盖适于经由例如弹性“O”形环等的衬垫与所述测量池的其余部分配合。
12.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述壁部分或盖借用可透过气体的滤波器的形式。
13.分别根据权利要求1、10、11或12所述的设备，其特征在于，所述壁部分或盖呈现出用于腔中的所述气体样品的入口端口和/或出口端口。
14.根据权利要求1或13所述的设备，其特征在于，所述气体样品适于由一装置以过压供应。
15.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，光线的第一部分从所述传送装置直接导向所述检测装置，并且光线的第二部分以反射方式导向针对各个独立的光接收部分的检测装置。
16.根据权利要求15所述的设备，其特征在于，所述第二部分在镜面部分上反射。
17.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述测量池中的所述气体样品被置于预定的过压下，并且依赖于所述测量池中吸收的一个或多个波长的传递结果通过校正电路针对所选取的过压被向下例如向大气压补偿。
18.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，针对经历过压的所述气体浓度使用外部系统部分。
19.根据权利要求1、17或18所述的设备，其特征在于，利用用于计算吸收的有限放大因子来降低噪声因子的影响。
20.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，所述预定的过压能够由机械装置产生。
21.根据权利要求20所述的设备，其特征在于，所述机械装置由活塞和汽缸构成，所述活塞可移动地位于所分配的转向点之间。
22.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述传送装置与所述检测装置之间的所述电磁辐射适于被允许通过适配的光学带通滤波器，所述带通滤波器被构造和/或构建为能够提供依赖于所述传送装置所产生的电磁辐射的传送入射角的波长，其中所述带通滤波器适于将第一所选波长分量和/或第一所选谱元与第二所选波长分量和/或第二所选谱元分离，以便在独立的光电装置或探测器相关部分中接收，并且所述单元适于能够探测并计算接收到的多于一个的波长分量和/或谱元的当前辐射强度。
23.根据权利要求22所述的设备，其特征在于，所述带通滤波器适于响应于相关入射角，使进入的电磁辐射以至少两个不同的电磁和光学和预定出射角偏转。
24.根据前述权利要求中任一项尤其是根据权利要求23所述的设备，其特征在于，以光学干涉而起作用的滤波器被选取为所述带通滤波器。
25.根据权利要求1或23中任一项所述的设备，其特征在于，二氧化碳(CO2)的气体浓度被评估并在显示单元上被呈现为图表。
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