CN102265139A - 结合有相变材料的分析设备外罩 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可用于气体分析器的热控外罩。所述外罩结合有一种或多种相变材料，所述相变材料缓冲周围和内部热负荷，以减小机械或电子加热设备的功耗需求。为了获得稳定和可再现的结果，将气体分析器设备保持在恒定温度是非常重要的。本发明还描述了相关的系统、设备、方法和/或物品。

Description

结合有相变材料的分析设备外罩

优先权文件的交叉引用

本申请要求2008年12月31日申请的共同待决的美国专利申请第12/347,368号根据美国法典第35章第119条(e)款(35U.S.C.§119(e))的优先权。据此要求上述申请日的优先权，上述申请的公开的全部内容以引用的方式并入本文。

技术领域

本文所描述的主题涉及可用于分析设备的外罩，所述分析设备包括但不限于气体分析器，例如基于可调谐二极管激光光谱的气体分析器。

背景技术

气体分析器，例如运用可调谐二极管激光光谱的气体分析器，通常需要在热沉或热电致冷器(TEC)上安装激光源，以获得并保持选定的痕量气体分析所需的激光发射频率。通常使用热敏电阻和电子反馈控制环将激光器温度稳定在所需的精度水平。但是，环境温度条件，特别是变化的环境温度条件，可能会影响激光器温度的稳定。在某些情况下，变化的温度条件可能会超出控制电路在所需水平保持激光器温度和频率的能力。如果无法实现稳定，则激光器可能会偏离其预先设置的频率，从而产生无法接受的测量误差。

目前可用的基于TDL的气体分析器通常使用连接到加热器的绝缘外罩，以将外罩温度保持在高于通常所遇到的环境条件的相对恒定的值。这些被加热的外罩可能需要很大的能耗。另外，如果气体分析器被安装在可能会暴露于危险和/或易燃化合物的场所，则由于需要使用危险场所许可的加热器和恒温器，会增加额外的成本。在农村的安装中，供电可能受到限制，提供200瓦或更高瓦来运行加热器外罩装置可能是成问题的。越来越多地将基于TDL的气体分析器用于天然气管道。这种管道通常延伸很长的距离，在这段距离中，便于获得的交流电源是受限的或者是不存在的。可以采用太阳能电池板或者热电发电机。但是，在可接受的成本水平下通过这些发电源来提供高于50W的功率可能是非常困难的。

发明内容

在一个方面中，一种设备包括：具有能够抵御和适应工作环境的外壳的外罩、设置在所述外壳内的一个或多个气体分析器元件以及设置在所述外壳内的某一质量的相变材料。所述相变材料具有相变温度，所述相变材料在相变温度从第一相转变到第二相，同时吸收或释放潜热能ΔH_L。该相变温度处于所述一个或多个气体分析器元件的期望工作温度范围内。所述相变材料的质量M由下式给出：

$M\≥\frac{F_T}{\mathrm{\Δ}{H}_L}---\left(1\right)$

其中F_T为在所述外罩外的环境温度超过所述相变温度的工作日的周期中从所述工作环境流入所述外罩的预期净热能通量。

在一个相关方面中，提供一种方法，包括接收气体分析器的样品室中的气体样品，使激光源所产生的光通过所述样品室中的气体样品并入射到探测器上，量化所述探测器接收到的光的强度，以及基于所述强度计算所述气体样品中的至少一种目标分析物的浓度。通过操作包括能够抵御和适应工作环境的外壳的外罩内的光源将所述激光源的温度控制在工作温度范围内。所述外壳内还容纳某一质量的相变材料，所述相变材料具有相变温度，所述相变材料在所述相变温度从第一相转变到第二相，同时吸收或释放潜热能ΔH_L。该相变温度处于所述工作温度范围内。所述相变材料的质量M由式1给出。

在另一相关方面中，提供一种方法，包括选择具有相变温度的相变材料，所述相变材料在所述相变温度从第一相转变到第二相，同时吸收或释放潜热能ΔH_L。所述相变温度处于一个或多个气体分析器元件的工作温度范围内。该方法还包括使用式1来计算为将所述一个或多个气体分析器元件保持在工作温度范围内所需要的相变材料的必要质量M，装配所述外罩以使所述外罩包括在内层和外层之间具有空隙体积的外罩内层和外罩外层，以及将所述相变材料转移到外罩结构的内层和外层之间的空隙体积中。

在一种可选变形中，相变材料可以包括诸如蜡和脂肪酸的有机材料、诸如水合盐的无机材料以及共晶材料中的一种或多种材料。所述相变材料可以被封装在膜中，或者被容纳在某种隔离物中。所述外罩可以进一步包括设置在所述外壳内的内壳，使得所述外壳和所述內壳之间存在空隙体积。所述一个或多个气体分析器元件可以设置在所述內壳内，该某一质量的相变材料可以置于所述空隙体积内。

可以使用各具不同目标温度的多于一种相变材料来在更宽的温度范围内提供额外的温度稳定性。第一相变材料和第二相变材料可以如下设置布置：第一相变材料被置于较靠近所述外罩的外壳的第一层中，第二相变材料被置于较靠近一个或多个气体分析器元件的第二层中。或者，第一相变材料和第二相变材料可以随机混合。所述外罩可包括加热器和/或冷却器单元以及温度传感器和/或在与相变材料的相变关联的潜热不足以将外罩内容纳的分析器的温度稳定在优选温度的情况下提供备用温度控制的温度控制器电路或子程序。如果来自温度传感器的信号显示外罩内的内部温度偏离相变材料的相变温度的偏离量高于阈值，则可以通过控制器来启动加热器或冷却器装置。可以进一步包括额外质量的所述相变材料，以吸收所述一个或多个气体分析器元件在所述外罩内产生的热。所述一个或多个气体分析器元件可以包括可调谐激光头、探测器和样品室中的一个或多个。

可以包括处理器，所述处理器从所述探测器接收信号并且控制可调谐二极管激光器以产生波长范围内的光，所述光被引入所述样品室以通过装在所述样品室中的气体样品且在通过所述气体样品之后在所述探测器处被接收，所述探测器量化通过所述气体样品后所接收到的光的强度，所述处理器从所述探测器接收到的信号包含关于强度的数据，所述处理器基于所述信号计算所述气体样品中的至少一种目标分析物的浓度。

本文所描述的主题的各种实施方式和/或方面可以提供一个或多个优点或益处，其可以包括但不限于下列优点或益处。对于一条或多条选定的痕量气体吸收线，以相变材料(PCM)作为可调谐二极管激光器(TDL)气体分析器的绝缘可以被动提高激光频率稳定性和精度。光谱仪室(spectrometer cell)、激光源和/或其他元件的提高的温度和频率稳定性直接转化为增强的灵敏度、测量稳定性和精度。通过消除对于昂贵的、耗能的加热和/或冷却系统的需要，或者至少通过减小这种系统所需要的电负荷，使用PCM材料可以使TDL和其他痕量气体分析器系统的能耗最小化。当分析器需要诸如CSA、ATEX或IECEx的危险场所认证时，用于TDL痕量气体分析器的加热器系统可能是特别昂贵的。诸如本文所公开的基于PCM的系统和方法还可以是可靠性高且本质安全的，例如因为PCM中没有机械或电子部件。被动操作安全可能是NG管道和石油化工厂所使用的所有痕量气体分析器必备的危险场所认证的重要考量。另外，通常很少需要或者不需要维护。

附图和下面的描述中阐明了本文所描述的主题的一种或多种变形的细节。本文所描述的主题的其他特征和优点将通过该描述和附图以及权利要求显现。

附图说明

本说明书所结合的构成本说明书的一部分的附图显示了本文所公开的主题的某些方面，并且连同说明来帮助解释关于所公开的实施例的一些原理。在图中，

图1是显示具有以相变材料为特征的外罩的气体分析器的示意图；

图2是显示具有容装分析器的光学头(optical head)的以相变材料为特征的外罩的气体分析器的示意图；

图3是显示用于确定气体样品中的目标分析物浓度的方法的过程流程图；

图4是显示用于制造具有相变材料的气体分析器的方法的过程流程图；

图5是显示用于示范根据本发明的主题的外罩的性能的温度斜坡曲线的图表；以及

图6是显示在气体分析器外罩中使用PCM的可能有益效果的两个图表。

具体实施方式

本发明所公开的主题提供了为分析器(例如基于可调谐二极管激光器的气体分析器)保持稳定温度的方法、系统、技术、装置和制品。用于分析器的外罩的设计中结合了某一质量的相变材料(PCM)。由于在PCM转变成熵较高的状态(即气体或液体)时吸收潜热或者在PCM转变成熵较低的状态(即液体或固体)时释放潜热，该PCM质量在相变温度提供热缓冲。由于相变发生在固定的相变温度，与周围环境进行大潜热缓冲热交换，因此将外罩内的分析器元件与外罩所暴露于的环境温度的变化隔离。这将有助于确保分析器读数的精度和可重复性。本文所描述的主题可以提高将分析设备保持在等于或低于在分析设备的安装地点所经历的最大环境温度的温度的可能性。在冷却时间周期中(例如在夜间)，PCM的热缓冲能力可以被重蓄。还可以在外罩中安装一个或多个冷却装置和/或温度监测设备以及控制器，以协助将内部温度保持在期望值。在许多市售的分析设备外罩中，通常通过以下方式来保持恒定的温度：将外罩的内部体积加热到高于在周围环境中可能经历的温度，然后，如必要的话，向内部增加热量以补偿净热流出，从而保持恒定或近似恒定的温度。该过程从上文所述的能量观点来看是昂贵的，并且还会限制分析设备可以工作的可用温度范围。

术语“相变材料”通常指的是在相变温度改变其物理相(physicalphase)的材料。在本发明中，PCM指的是具有接近系统的期望工作温度的相变温度的材料。在相变过程中，PCM的两个相共存。物理相可以在液相和固相之间、液相和气相之间或者固相和气相(升华)之间变化。如果在相变温度(即凝固点、沸点或升华点)经受热输入或输出，则全部或者近乎全部的材料经历这样的相变。当PCM发生相变时，PCM在单一的相变温度吸收(或释放)潜热，只要PCM的两个相都存在，就保持该单一的相变温度。

作为示例，包括含冰块的蒸馏水的系统精确保持在0℃，直到系统吸收足够的热量以将全部的冰熔化为止，或者直到系统放出足够的热量以使全部的液态水结冰为止。一旦任一条件出现，则系统的温度可以开始偏离0℃。PCM在从固体转变成液体时吸热，并且在凝固时再次放热。通过这种方式，PCM可以减小温度变化，并且对于给定质量的PCM，可以在引起100％的相变所需的总热量所限定的环境温度范围内保持恒定温度。根据本主题，适当选择的PCM可以将气体分析器系统或设备的温度保持在稳定的值或者接近稳定的值，而系统或设备与环境或一些其他的热源或热沉(例如内热源)发生净正或净负的热交换。

可用的PCM包括但不限于诸如蜡和脂肪酸的有机材料、诸如水合盐的无机材料以及共晶材料。有机PCM的示例包括但不限于石蜡(即C_nH_2n+2)和脂肪酸(即CH₃(CH₂)_2nCOOH)。无机PCM可以包括但不限于水合盐(即M_nH₂O)。共晶PCM系统可以包括诸如有机-有机、有机-无机以及无机-无机化合物的材料的混合物。有机材料通常在大范围的相变温度内可用，凝固时不会很大程度地过冷，往往同成分熔化且具有自成核特性，并且是化学稳定的。但是，有机材料的体积蓄潜热能力可能相对较低，其往往是易燃的或可燃的。无机材料通常具有高的体积蓄热能力、低成本和易得性，并且是不可燃的。但是，过冷可能会在从固体向液体的转变过程中带来问题，在转变温度下可能需要成核剂来促进相变，而不发生滞后现象。如果共晶材料是基于无机材料的，则可以是不可燃的。由于这些材料是相对较新的，因此缺乏与其热物理性能相关的其他数据。根据本主题，PCM的封装是可选的。在一些设计当中，可以在密封的系统中使用PCM，从而在相变过程中可以有足够的空间来改变PCM的密度。在本主题的一些实施方式中，可以使用的C₁₈H₃₈颗粒作为PCM。如下文所述，可以在封装配置中使用颗粒。

例如，尽管在全部的冰融化或者全部的液态水结冰之前有流入或流出系统的净能流，但容纳液态水和固态水(冰)的系统将保持在0℃或0℃附近。只有在相变的潜热被吸收或释放之后，系统的温度才开始偏离相变温度。对于要在给定时间周期内保持稳定温度的给定质量的PCM，PCM材料的潜热必须大于或等于该周期内输入到系统中或者从系统中排放的净热。系统的这种净热输入或排放可以是由于与周围环境的热交换，或者是由于外罩内的热沉或热源，或者是与分析设备或被取样的气体有关。用数学式来表示：

ρ·c·V≥h·A·t·ΔT    (2)

其中ρ为PCM的密度(kg·m^-3)，其在一些示例中可以是大约0.9x10³·kg^-1m^-3；c为PCM的潜热(kJ·kg^-1)，其在一些示例中可以是大约180kJ·kg^-1；V为PCM的体积(m³)；h为系统的传热系数(W·m^-2·K^-1)，其对于空气中的自然对流而言是大约5W·m^-2·K^-1；A为发生散热的表面面积(m²)；t为热输入或热排放的周期的时间长度(h)，其在一天当中可以是大约12h；ΔT为平均温差(K)，其对于大约-20℃到60℃环境温度范围而言可以是大约20K。

对于完全由PCM制成的边长为L的立方体结构，PCM的体积由下式给出

V＝L³    (3)

横截面面积A为

A＝6·L²   (4)。

因此，给定上文所述的参数，为了保持恒温，立方体的L的最小值为

$L\≥\frac{6\·h\·t\·\mathrm{\ΔT}}{\mathrm{\ρ}\·c}=\frac{6\·(5W\·m^{-2}\·K^{-1})(12h\×3600s\·h^{-1})\left(20K\right)}{(900\mathrm{kg}\·m^{-3})(180\mathrm{kJ}\·{\mathrm{kg}}^{-1}\×1000J\·{\mathrm{kg}}^{-1})}=0.16m---\left(5\right)$

其对应于大于或等于0.0041m³的立方体体积以及3.7kg或大约8.1磅的PCM质量，假定PCM密度为900kg·m^-3。

气体分析器元件和外部环境之间所设置的缓冲层中的PCM的存在可以帮助将气体分析器保持在稳定的温度。由于相变发生在固定的温度，与周围环境进行大潜热缓冲热交换，因此环境温度变化可以最小地影响外罩内的分析器元件。由于室外温度通常遵循昼夜循环，适当选择的质量足够大且相变温度处于预期环境温度范围内的PCM可以充当某种“可再充”热缓冲。例如，在来自环境的热通量很可能为净正的白天，PCM发生从凝聚相(即固体或液体)向较高熵的相(即液体或气体)的净变化。在环境温度通常较凉的夜间，净热通量将从分析器回到环境当中。此时PCM应发生从较高熵的相向较凝聚的相的净变化。当下一白天周期开始时，该循环继续。

在一种实施方式中，相变材料被结合到如图1所示的使用双壁式外罩设计的气体分析器外罩100当中。外罩外层102限定气体分析器的尺寸和外观，并且可以包括一个或多个例如用于将分析器固定到支撑物上的特征。如果易燃性或危险材料暴露是在特殊的气体分析器的安装中所关心的，该外层102可以具有防爆特性。外罩内层104隔开PCM层106与分析器的元件，例如为了使维护通路保持干净等等。在一些示例中，气体分析器的元件可以包括产生光束或脉冲形式的光112的光源110，光112通过一个或多个样品室114，可能是通过第一窗口116再从第二窗口120出射到向处理器124提供数据的光电探测器122上。气体可以通过入口126流入样品室114，并且通过出口130流出样品室114。

在气体分析器用于差分吸收光谱法的示例中，气体分析器可包括净气器132或者其他用于降低待分析的气体混合物的一种或多种成分的浓度的装置。可以设有一个或多个阀或者其他管道和/或气体选路元件134，从而例如直接或通过净气器132向一个或多个样品室144轮流提供气体。还可以使用多个样品室设置，其中净气室132与第一样品室串联连接，而第二样品室接收未洗涤的气体，其中光源110在两个样品室之间被分开。如果样品室具有基本相似的路径长度，则可以并行采集用于差分吸收分析的两个光谱。本文所描述的外罩还可以容装用于直接吸收光谱法和许多其他应用的气体分析器。在一种可能的变形中，可以配置具有两个或更多个样品室的分析器系统，使一个或多个样品室如上文所述通过PCM来热缓冲，一个或多个样品室暴露于环境条件中。在环境气体分析或者希望使取样的气体保持在其原始温度和压强的其他应用中，可以采用这种设置。

在另一种实施方式中(系统200中显示了其示例)，PCM可以被结合到只容装一部分气体分析器元件(例如包括光源206和光电探测器210的光学头204)的外罩202中。如图12所示，外罩202包括限定气体分析器的尺寸和外观的外罩外层102以及将PCM层106与所包围的元件(在该示例中为光学头204)隔开的外罩内层104。光学头204可以进一步包括温度受热电致冷器(TEC)214控制的基板212。为了更好的热控制，光源206(例如激光器，例如，可调谐二极管激光器)以及光电探测器210可以安装在基板212上。在该示例中，将光源206所产生的光216从光学头204通过窗口220引入容纳待分析的气体样品的样品室222中。如图2所示，由于在样品室222的远端被平面镜224反射，光216在样品室222的长度中传播两次。反射光向回传输通过窗口220，并且入射到光电探测器210上。气体可以通过如图2所示的端口进入或离开样品室222。

对于仅包围密封光学头204的外罩，可以可选地省去外罩内层104，从而光学头204的密封外表面形成将PCM保持在其适当位置上的阻挡。如上文在图1的示例中所述，PCM可以单独封装，例如封装在柔性密封袋或者刚性或半刚性的密封容器中，以避免PCM的泄露或者其他问题，例如允许液体材料接触分析器200的元件所带来的腐蚀或者污染问题。假设PCM的立方形质量具有边长L，包围光学头体积V_head，可以实现该示例所需的PCM的质量的估算。样品室222封闭的横截面面积用A_cell表示。为了简化起见，假设通过该面积的传热为零，并且假设光学头204具有边长为L_head的立方体形状。通过该假设以及进一步假设样品室的横截面面积(A_cell)与立方体形光学头204的侧面的面积相同，光学头体积由V_head＝L_head ³给出，样品室222封闭的传热面积由A_cell＝L_head ²给出。代入式1得到：

$\mathrm{\ρ}\·c\·(L^3-L_{\mathrm{head}}^3)\≥h\·(6\·L^2-L_{\mathrm{head}}^2)\·t\·\mathrm{\ΔT}---\left(6\right)$

对于具有大约10cm²的横截面面积(边长为0.1m)的样品室222，使用上文在式5中所用的值，

$\mathrm{\ρ}\·c\·L^3-6\·h\·t\·\mathrm{\ΔT}\·L^2=\mathrm{\ρ}\·c\·L_{\mathrm{head}}^3-h\·t\·\mathrm{\ΔT}\·L_{\mathrm{head}}^2---\left(7\right)$

得出三次方程，求解得到的L的值为大约0.18m或18cm。使用该值，立方体形外罩的总体积将是0.006m³或大约6000cm³。所需的PCM的总体积为该体积减去光学头204的体积，其中光学头204的体积为0.001m³或大约1000cm³。因此，假设PCM密度为900kg·m³，所需的总的PCM质量大约为4.5kg或9.9磅。在该示例中应注意的是，不考虑内部热负荷，例如可以通过被采样的气体对流到样品室中的热量或者电路、激光源等等的发热。通常可以将这种热负荷假设成相对不变的。

在另一种实施方式中，可以根据图3所示的方法300来确定气体样品中的目标分析物的浓度。在步骤302中，气体分析器的样品室接收包含目标分析物的气体样品。在步骤304中，激光源产生通过样品室中的气体样品并入射到探测器上的光。在步骤306中量化探测器所接收到的光的强度，在步骤310中基于该强度计算气体样品中的至少一种目标分析物的浓度。在步骤312中，通过操作包括能够抵御和适应工作环境的外壳的外罩内的光源将激光源的温度控制在工作温度范围内。外壳容纳某一质量的相变材料，其具有相变温度，相变材料在相变温度从第一相转变到第二相，同时吸收或释放潜热能ΔH_L。相变温度处于工作温度范围内。基于ΔH_L和进入外罩的净热通量F_T，通过式1给出相变材料的质量M。

如果预期气体分析器元件中的一个或多个为重要热源，则还包括额外质量的PCM。在该示例中，PCM必须具有足够的潜热容(latent heatcapacity)以吸收上文所讨论的进入外罩的净热通量F_T以及外罩内的元件所产生的热量H_C。在一天当中经历很大温度范围的工作环境中，例如夜间相对于白天的温度而言非常的冷，不需要额外的加热或冷却装置就可以操作这种系统。为了在每日循环中保持热平衡，较低环境温度周期中(即夜间)从外罩流出的净热通量F_T，out应该大约等于分析器元件在外罩中所产生的热量(H_C)加上较高温度周期中进入外罩的净热通量(F_T)。用数学式表示，

F_T，Out≈F_T+H_C       (8)。

通过在外罩内使用例如冷却装置(例如热电致冷器)，或者使用热泵或者外部热沉来将内部产生的热量散发到外罩的外部，可以改变H_C的大小。上文所讨论的PCM的使用充当热缓冲，以在高正热通量周期中吸收多余的热量以及在高负热通量周期中保持热量。

在另一种实施方式中，可以根据图4所示的方法400来制备气体分析器外罩。在步骤402中，选择相变材料，使得相变材料的相变温度处于气体分析器的一个或多个元件的工作温度范围内。可以基于工作温度范围以及气体分析器预期所处的预期环境温度条件来选择一种或多种相变材料。在步骤404中使用式1来计算为将气体分析器系统或个别元件保持在期望的恒定温度所需要的相变材料的质量。该计算可以基于对从气体分析器的工作环境传热的速度、(例如由于泵、激光源、探测器、一个或多个电子子系统等等的运行)气体分析器中的内部发热速度以及气体发生器预期所处的温度循环的时间长度中的一个或多个的估计。通常可以通过自然对流、传导和辐射传热中的一种或多种方式来从周围环境传热。在某些示例中，可以假设在温度循环中暴露的时间长度为半天或12小时。

在步骤406中，安装包括外罩内层和外罩外层的外罩结构，内层和外层之间具有空隙以放置PCM。内外层之间的空隙有利地包括足以容纳在步骤404中确定的全部质量的PCM的空隙体积。可以可选地设置至少一个开口，以允许在内外层装配成外罩结构之后将PCM置于空隙内。有利地，外罩的内层所包围的体积足够大，以容装气体分析器的全部温度敏感元件。在步骤410中，将PCM转移到外罩结构的内层和外层之间的空隙体积中。可以可选地将PCM封装在一个或多个柔性或刚性结构中，以便将PCM保持在空隙体积内，气体分析器元件在该处需要管道和/或其他贯通装置或特征以与外罩结构的外部连通。

在一些实施方式中，具有不同相变温度的两种或更多种相变材料可以被结合到单一的外罩中。在一个示例中，每个单独的PCM可以被分隔成一个或多个密封的子外罩，以避免由于具有不同特性的两种材料混合而对相变温度可能产生的依数效应。在一种可能的变形中，具有第一相变温度的第一PCM的第一层设置在较靠近外罩的外壳处，具有第二相变温度的第二PCM的第二层设置在PCM的第一层以内并且较靠近一个或多个气体分析器元件。第一相变温度可以低于第二相变温度，从而当设备处于从周围环境流入外罩的净正热通量时，第一PCM在第一相变温度对温度进行缓冲，第二PCM层保持在较低熵的(即固体)状态。当第一PCM层由于从周围环境中吸收了足够的热量来克服其潜热容而完全转变成较高熵的状态时，第一PCM层的温度可能上升。当第一PCM层温度达到第二相变温度时，第二PCM层开始从较低熵的状态向较高熵的状态转变，同时吸收额外的潜热能，其不会导致第二PCM层内容装的气体分析器元件的温度增加到高于第二相变温度。

气体分析器设计中还可以包括相变材料，其中PCM被置于热电致冷器(TEC)的“热”侧，以吸收当TEC将半导体激光器冷却到其所需温度时所产生的余热。

示例

在根据本主题使用PCM与气体分析器的示意性示例中，希望可调谐二极管激光器在完全预热操作之后的激光峰值折射率漂移(laserpeak index shift)小于5个计数(5counts)。激光峰值折射率漂移是激光器的频率漂移的直接显现。在该示例中，激光器每毫安注入电流产生16个计数。这些计算中所用到的分析器使用具有1590nm激光器的28m室，例如可从SpectraSensors，Inc(Rancho Cucamonga)购得的型号2100的H₂S分析器。气体分析器在根据图5所示的温度斜坡曲线500的温度范围内工作。在具有55℃和-5℃的中间温度的25℃的起始温度和终止温度之间，温度设定点之间的温度变化率为1℃。在不使用根据本主题的PCM外罩和使用根据本主题的PCM外罩这两种情况下，监测激光器工作时的峰值折射率，作为基线。该示例中所使用的PCM为10磅封装C₁₈H₃₈颗粒。图5的图表600中显示了该示范的结果，在602中显示了无PCM的操作的结果，在604中显示了有PCM的操作的结果。如502所示，图5所示的温度曲线中的峰值折射率在基线335上方或下方偏移10个计数或更多。相反在604中，即使是在温度斜坡曲线结束之后的两小时内，峰值折射率仍然稳定得多。

上文的描述中所阐明的实施方式不代表符合本文所描述的主题的全部实施方式。相反，其仅仅是符合所描述的主题的相关方面的一些示例。在全部附图中尽可能使用相同的附图标记来表示相同或相似的部件。尽管上文中详细描述了一些变形，但其他的修改或增加也是可能的。特别地，除了本文所阐明的那些特征和/或变形以外，还可以提供其他特征和/或变形。例如，上文所描述的实施方式可以针对所公开的特征的各种组合和子组合和/或上文所述的几个其他特征的组合和子组合。另外，附图中所显示和/或本文所描述的逻辑流程不需要按照所显示的特定次序或者按照顺序来获得所需的结果。其他实施例也在权利要求的范围内。

Claims (21)

1.一种设备，包括：

包括抵御和适应工作环境的外壳的外罩；

设置在所述外壳内的一个或多个气体分析器元件；以及

设置在所述外壳内的某一质量的相变材料，所述相变材料具有相变温度，所述相变材料在所述相变温度从第一相转变到第二相，同时吸收或释放潜热能ΔH_L，所述相变温度处于所述一个或多个气体分析器元件的期望工作温度范围内，所述相变材料的质量M由下式给出：

$M\≥\frac{F_T}{\mathrm{\Δ}{H}_L}$

其中F_T为在所述外罩外的环境温度超过所述相变温度的工作日的周期中从所述工作环境流入所述外罩的预期净热能通量。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述一个或多个气体分析器元件包括可调谐二极管激光器、探测器和样品室中的一个或多个。

3.根据权利要求2所述的设备，进一步包括处理器，所述处理器从所述探测器接收信号并且控制可调谐二极管激光器以产生波长范围内的光，所述光被引入样品室中以通过装在所述样品室中的气体样品，且在通过所述气体样品之后在所述探测器处被接收，所述探测器量化通过所述气体样品后所接收到的光的强度，所述处理器从所述探测器接收到的信号包含关于所述强度的数据，所述处理器基于所述信号计算所述气体样品中的至少一种目标分析物的浓度。

4.根据权利要求1所述的设备，进一步包括额外质量的所述相变材料，该额外质量足以吸收所述一个或多个气体分析器元件在所述外罩内产生的热。

5.根据权利要求1所述的设备，其中所述相变材料包括蜡、脂肪酸、水合盐和共晶材料中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的设备，其中所述相变材料为CH₃(CH₂)_2nCOOH。

7.根据权利要求1所述的设备，其中所述相变材料为C_nH_2n+2。

8.根据权利要求1所述的设备，其中所述相变材料为M_nH₂O。

9.根据权利要求1所述的设备，进一步包括容纳所述相变材料的密封外罩。

10.根据权利要求1所述的设备，进一步包括至少一个第二质量的第二相变材料，其具有不同于所述相变温度的第二相变温度，所述第二质量的第二相变材料置于所述某一质量的相变材料的第一层以外的第二层中，并且更靠近所述外罩的外壳，所述第二相变材料具有低于所述第一层中的相变材料的相变温度的第二相变温度。

11.根据权利要求1所述的设备，进一步包括：

设置在所述外罩的外层内的温度传感器；

加热装置和冷却装置中的一个或多个；以及

控制器，所述控制器从所述温度传感器接收信号，如果来自于所述温度传感器的信号显示所述外罩内的内部温度偏离所述相变材料的相变温度的偏离量高于阈值，则控制所述加热装置和冷却装置中的一个或多个来提供备用温度控制。

12.根据权利要求1所述的设备，其中所述外罩进一步包括设置在所述外壳内的内壳，使得所述外壳和所述內壳之间存在空隙体积，所述一个或多个气体分析器元件设置在所述內壳内，所述某一质量的相变材料置于所述空隙体积内。

13.一种方法，包括：

接收气体分析器的样品室中的气体样品；

使激光源所产生的光通过所述样品室中的气体样品并入射到探测器上；

量化所述探测器接收到的光的强度；

基于所述强度计算所述气体样品中的至少一种目标分析物的浓度；

将所述激光源的温度控制在工作温度范围内，该控制包括操作包括抵御和适应工作环境的外壳的外罩内的光源，所述外壳容纳某一质量的相变材料，所述相变材料具有相变温度，所述相变材料在所述相变温度从第一相转变到第二相，同时吸收或释放潜热能ΔH_L，所述相变温度处于所述工作温度范围内，所述相变材料的质量M由下式给出：

$M\≥\frac{F_T}{\mathrm{\Δ}{H}_L}$

其中F_T为在所述外罩外的环境温度超过所述相变温度的工作日的周期中从所述工作环境流入所述外罩的预期净热能通量。

14.根据权利要求13所述的方法，其中除了所述激光源之外，所述外罩还容装样品室和探测器中的一个或多个。

15.根据权利要求13所述的方法，其中通过从所述探测器接收信号并控制所述激光源的处理器来基于所述强度计算所述气体样品中的至少一种目标分析物的浓度。

16.根据权利要求13所述的方法，其中该控制进一步包括监测所述外罩内的内部温度以及如果所述内部温度偏离到所述工作温度范围以外则操作所述外罩内的加热或冷却装置。

17.一种方法，包括：

选择具有相变温度的相变材料，所述相变材料在所述相变温度从第一相转变到第二相，同时吸收或释放潜热能ΔH_L，所述相变温度处于一个或多个气体分析器元件的工作温度范围内；

计算为将所述一个或多个气体分析器元件保持在工作温度范围内所需要的相变材料的必要质量M，其中

$M\≥\frac{F_T}{\mathrm{\Δ}{H}_L}$

其中F_T为在容装所述一个或多个气体分析器元件和相变材料的外罩外的环境温度超过所述相变温度的工作日的周期中，从工作环境流入所述外罩的预期净热能通量；

装配所述外罩，所述外罩包括外罩内层和外罩外层，所述内层和外层之间具有空隙体积；以及

将所述相变材料转移到外罩结构的内层和外层之间的空隙体积中。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述外罩包括至少一个开口，在装配所述外罩之后，所述相变材料通过所述开口被放置到所述空隙体积内。

19.根据权利要求17所述的方法，其中所述相变材料被封装在一个或多个柔性或刚性结构中，以将所述相变材料保持在所述空隙体积内并且防止所述相变材料在液相下泄露到所述空隙体积以外，其中所述一个或多个气体分析器元件的管道和/或其他贯通装置或特征穿过所述空隙体积。

20.根据权利要求17所述的方法，其中计算所述必要质量进一步包括估计从所述气体分析器的工作环境传热的速度、所述气体分析器中的内部发热速度、以及所述气体发生器预期所处的温度循环的时间长度中的一个或多个。

21.根据权利要求17所述的方法，进一步包括在所述外罩内安装可控热源或热沉，以便如果激光源经历所述工作温度范围外的温度则提供或去除额外的热量。

Images