CN102713566A - Ndir-双束-气体分析仪和借助于这种气体分析仪来确定气体混合物中的测量气体成分的浓度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气体分析仪，该气体分析仪的调制轮（10）在其遮蔽部件中具有开口，该开口在气体分析仪的测量信号（Sa，Sb）中，除了通过对射线（2）进行交替地遮蔽和导通而产生的具有调制频率（f）的信号分量（Sa_1f，Sb_1f）之外，还产生具有双倍调制频率（f）的另外的信号分量（Sa_2f，Sb_2f）。该另外的信号分量（Sa_2f，Sb_2f）用于识别红外射线源（1）或检测装置（12）上的因污染、老化或温度而造成的变化，并对其带给测量结果（M）的影响进行补偿。

Description

NDIR-双束-气体分析仪和借助于这种气体分析仪来确定气体混合物中的测量气体成分的浓度的方法

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的、用于借助于非分散红外（NDIR）双束气体分析仪来确定气体混合物中的测量气体成分的浓度的方法。

本发明还涉及一种根据权利要求10的前序部分所述的NDIR双束气体分析仪。

背景技术

这种方法和这种气体分析仪已在WO 2008/135416 A1中公开，并用于确定气体混合物中的测量气体成分的浓度。为此，由红外射线源产生的红外射线交替地通过容纳气体混合物的测量管和含有参考气体的参考管输送。借助于检测装置来检测从这两个管中逸出的射线，其中产生测量信号，并且随后在评估单元中被评估。其余检测装置含有一个或多个以单层或双层接收器形式存在的光气动检测器。射线在测量管与参考管之间的转换借助于调制器来完成，这个调制器通常是叶轮或斩光器（Blendenrad）。如果为达到零点平衡而使用同一种气体，特别是中性气体（Nullgas）如氮气或空气，来填充两个管，并且气体分析仪经过光学平衡处理，则在进入检测装置的总是相同强度的射线，从而不产生任何测量信号（交变信号）。如果使用待检验的气体混合物来填充测量管，则此时会出现与其中含有的测量气体成分的浓度和可能存在的二次气体（Quergase）相关的预吸收现象，从而使测量管和参考管中逸出的不同射线强度随调制的进行按照时间先后顺序进入检测装置，该检测装置可以产生具有调制频率并且大小取决于各种射线强度差异的交变信号作为测量信号。

但是，进入检测装置的射线强度不仅取决于不同气体的吸收，还与其它作用在红外射线强度上的影响因素有关。这些影响红外射线源或检测装置的因素，如由于污染、老化或温度而导致的变化，不易识别，并且可能会导致测量结果错误。

因此，定期校准气体分析仪是必要的，其中，例如将中性气体和最终气体、即已知浓度的测量气体顺次充入测量管。

从DE 195 47 787 C1中可知，为了校准NDIR双束气体分析仪，要用中性气体填充测量管，并借助于遮光装置截断穿过参考管的射线。于是，可以实现气体分析仪的照射功能，凭借这一功能可以实现例如与红外射线源强度的关联，而不必使用校准气体或标准气体来填充测量管。

在本文开头提到的EP 1 640 708 A1中公开的NDIR双束气体分析仪在一个调制周期内产生至少两个遮蔽阶段，在这两个阶段中，穿过测量管和参考管的射线都会被截断。这样一来，就可以使用双倍频率为测量信号的固有震动调制谐波。在对测量信号进行傅里叶分析之后，通过两个第一傅里叶分量确定标准测量值，并通过标准测量值的坐标变换来确定测量气体成分的浓度。

在前文所述的WO 2008/135416 A1中公开的NDIR双束气体分析仪中，检测装置具有至少两个单层接收器，二者分别提供测量信号，并且顺次位于气体分析仪的光路中。第一单层接收器包含例如测量气体成分，而至少一个下游的单层接收器含有二次气体。评估单元含有一个与单层接收器的数量n相应的n维校准矩阵，在该矩阵中，当测量气体成分的已知浓度不同时，在存在不同的已知二次气体浓度的情况下获得的测量信号值被保存为n元组。在存在未知二次气体浓度的情况下对测量气体成分的未知浓度进行测量时，通过对此时获得的信号值n元组与保存在校准矩阵中的信号值n-元组进行比较，求出测量气体成分的浓度。除此之外，例如在二次气体浓度保持恒定的过程中，所产生射线的强度可以变化，以便于求出因红外线发射器老化或测量管污染而引起的输送变化对测量结果的影响。

发明内容

本发明的目的在于，简化对错误影响（如因污染、老化或温度导致红外射线源或检测装置上发生的变化）的识别和补偿。

根据本发明，该目的通过权利要求1中定义的方法以及权利要求7中描述的NDIR双束气体分析仪来实现。

根据本发明的方法和气体分析仪的有利的改进方案是从属权利要求的主题。

附图说明

以下借助附图对本发明作进一步阐述；分别以实施例的形式详细示出：

图1示出NDIR双束气体分析仪，其具有一个由两个按先后顺序排列的单层接收器组成的并提供两种测量信号的检测装置，

图2-4分别以俯视图示出气体分析仪的调制轮、测量管和参考管的三种不同的布置方式，

图5示出采用单倍调制频率和双倍调制频率时，由检测装置产生的测量信号及其信号分量的示例，

图6示出采用单倍调制频率和双倍调制频率时，在对气体分析仪进行校准时获得的信号分量的示例，

图7示出结果矩阵，在该矩阵中，（采用单倍调制频率和双倍调制频率时的信号分量分开，）在测量气体成分的已知浓度不同时，在存在不同的已知二次气体浓度的情况下获得的测量信号值被保存为值对。

具体实施方式

图1示出NDIR双束气体分析仪，其中，借助于分束器3（所谓的叉形室（Hosenkammer））将红外射线源1产生的红外射线2分为穿过测量管5的测量光路4和穿过参考管7的比较光路6。具有测量气体成分的气体混合物8可以进入测量管5，这种测量气体成分的浓度需要加以测定。参考管7中充有参考气体9。借助于布置在分束器3与管5和7之间的调制器10，以旋转的斩光器或叶轮的形式交替地导通或阻断射线2穿过测量管5和参考管7，从而使得两个管5和7交替地被透射或被遮蔽。从测量管5和参考管7中交替逸出的射线借助于射线收集器11导入检测装置12，在示出的实施例中，该检测装置由第一单层接收器13和下游的另外的单层接收器14组成。两个单层接收器13，14中的每个分别具有一个接收从管5和7中逸出的射线2的有源检测室15或16以及布置在射线2之外的无源补偿室17或18，这些检测室和补偿室通过具有布置在其中的对压力或电流敏感的传感器21或22的连接导线19或20相互连接。传感器21和22产生测量信号Sa，Sb，根据这些测量信号在评估单元23中求出气体混合物8中测量气体成分的浓度作为测量结果M。

除了由于射线吸收而在其有源检测室16中产生的主要信号分量之外，第二单层接收器14的测量信号Sb还含有来自第一单层接收器13的较小信号分量。因此，两个单层接收器13和14的测量信号Sa和Sb就形成二维结果矩阵。如果检测装置12由n个（n ≥1）按先后顺序排列的单层接收器组成，就会得到n个测量信号Sa，Sb，……，从而构成n维结果矩阵。如果第一单层接收器13包含测量气体成分，并且下游的n-1个单层接收器由不同的二次气体填充，就也可以在存在这些不同浓度的二次气体时求出该测量气体成分的浓度。

图2示出调制轮10的第一示例，该调制轮具有一个半圆形部分的遮蔽部件24，并且其旋转轴25布置在测量管5和参考管7之间。在调制轮10的每次旋转过程中，红外射线2都会被两个管5，7阻断一次并导通一次，其中，当其中一个管、例如5穿过射线2时，另外的管7被遮蔽，并且反之亦然。通过对称的布局可以使首先是管7的遮蔽程度与射线2穿过其中一个管、例如5的程度相同，从而使在调制轮10旋转过程期间导通的射线与同时遮蔽的射线2总量保持恒定。这种对称性根据本发明被遮蔽部件24中的开口26所干扰，这个开口在遮蔽阶段的一个时间段内额外导通一部分射线2，使得在这一时间段期间所导通的射线与同时遮蔽的射线2的总量大于在遮蔽阶段的其余时间段中的射线总量。

图3示出调制轮10的第二示例，与图2所示实施例的不同之处在于，遮蔽部件24分为三个叶片24a，24b，24c，形式分别为六分之一圆形部分，其中，每个叶片24a，24b，24c分别具有一个开口26。所以，调制轮10每旋转一次，图2中描述的过程都会进行三次。

图4示出调制轮10的第三示例，与图3所示实施例的不同之处在于，测量管5与参考管7一起布置在旋转轴25的一侧，这形成一种非常紧凑的结构。其它性能和工作原理与图3所示实施例完全相同。

作为各种已示出实施方式的可替换方式，调制轮10还可以设计为斩光器，而开口26例如可以设计为缝隙。

图5示例性地示出由检测装置12的第一单层接收器13产生的测量信号Sa，其中，在左上方示出从穿过测量管5（测量光路4）的射线中得出的信号分量SaM，并且在右上方示出从穿过参考管7（比较光路6）的射线中得出的信号分量SaR。两种信号分量SaM和SaR分别由一种通过交替地遮蔽和导通射线2产生的具有调制频率f的信号分量SaM_1f或SaR_1f以及一种通过调制轮10的遮蔽部件24中的开口26产生的具有双倍调制频率2f的信号分量SaM_2f或SaR_2f组合而成。因此对于测量信号有效的是：Sa=SaM+SaR =(SaM_1f+SaM_2f)+(SaR_1f+SaR_2f)。

图5在中间偏左的位置示出在使用中性气体对气体分析仪进行校准的过程中获取的测量信号Sa，并且在下面（左下方）示出其频率分量。此时，测量管5由参考气体或另一种非红外激活的气体（中性气体）填充。如果气体分析仪已达到视觉平衡，则通过交替遮蔽和导通射线2产生的具有调制频率f的信号分量Sa_1f=SaM_1f+SaR_1f等于零，也就是说Sa=Sa_2f。利用信号分量Sa_1f也就可以检测出气体分析仪在测量光路4与比较光路6之间的不平衡。通过调制轮10遮蔽部件24中的开口26产生的具有双倍调制频率2f的信号分量Sa_2f=SaM_2f+SaR_2f是衡量检测到的红外射线2的强度的标准，并且因此使得能够识别因污染、老化或温度造成的变化而导致红外射线源1或检测装置12产生的强度变化。

图5在中间偏右的位置示出在使用最终气体（终值气体）对气体分析仪进行校准的过程中获取的测量信号Sa，并在下面（右下方）示出其频率分量。同时，测量管5由最终气体，即浓度已知（通常为最大浓度）的测量气体成分填充。通过测量管5中最终气体进行的预吸收，来自测量管5和参考管7的不同射线强度随着调制轮10的调制按时间顺序顺次到达检测装置12，从而使第一单层接收器13产生具有调制频率为f的信号分量Sa_1f和大小与射线强度的差异相关的测量信号Sa。这种信号分量Sa_1f的大小还取决于所产生红外射线的强度以及可能因污染、老化或温度造成的变化而对红外射线源1或检测装置12产生影响的红外射线2。由调制轮10的遮蔽部件24中的开口26产生的具有双倍调制频率2f的其它信号分量Sa_2f主要取决于红外射线2的强度，并在较小程度上与通过测量管5中的最终气体进行的预吸收有关。

图6在左侧示出在以中性气体至最终气体的10个校准等级对气体分析仪进行校准的过程中得到的具有频率f的信号分量Sa_1f的示例，右侧示出具有频率2f的信号分量Sa_2f。信号分量Sa_1f在双束气体分析仪中具有典型的测量信号变化曲线，该气体分析仪在值为零或接近于零时启动，并随着测量气体成分的浓度的升高而值增加。与之相反，信号分量Sa_2f在单束气体分析仪中具有典型的测量信号变化曲线，该气体分析仪在中性气体情况下以最大值启动并随着测量气体成分的浓度的升高而减小。通过信号分量Sa_2f，还可以在中性气体情况下参照已产生的红外射线2的强度，从而可以对信号分量Sa_1f的增长进行修正。也就是说，如果信号分量Sa_2f在两个使用中性气体进行校准的过程之间有变化，则要对信号分量Sa_1f的增长进行相应的修正。信号分量Sa_1f本身可以用于调节测量管5与参考管7之间的失衡。也就是说，当使用只具有一个单层接收器13的NDIR双束气体分析仪时，在中性气体情况下可以进行两点校准。

如果气体分析仪，如图1所示，具有两个单层接收器13和14，则两个单层接收器13和14的测量信号Sa和Sb构成一个二维结果矩阵。

图7在附图上部示出一个这样的带有频率f的信号分量Sa_1f和Sb_1f的结果矩阵27，并在附图下部示出一个带有频率2f的信号分量Sa_2f和Sb_2f的结果矩阵28。在结果矩阵27，28中，（在单倍调制频率和双倍调制频率情况下的信号分量Sa_1f，Sb_1f，Sa_2f和Sb_2f分开）当测量气体成分已知浓度不同时，在存在不同已知二次气体浓度的情况下得到的信号分量值保存为值对29（Sa_1f，Sb_1f）或30（Sa_2f，Sb_2f）。其中，可以通过内插已记录的或已知的基值构成中间值，从而可以减少产生结果矩阵27，28所需的测量批量。

在实际测量情况中，二次气体及其可以预期的浓度波动范围通常是已知的，从而可以在结果矩阵27，28中分别确定一个通道31，32，在此通道内，与测量气体成分和已知二次气体的浓度相关的值对29或30将处于正常状态。当测量气体成分浓度不稳定时，值对29在结果矩阵27中沿特征曲线33向图中34所示方向运动，并在二次气体浓度出现可预期的不稳定时，沿图中35所示方向与特征曲线33偏离。当值对29在顺次进行的测量过程中沿着一个既含有沿方向34的分量又含有沿方向35的分量的方向运动时，二次气体对测量结果的影响可以通过求出方向分量35并在计算中重新移回关于这个分量35的值对29而得到补偿。根据以这种方式修正的值对，可以从结果矩阵27中得出测量气体成分浓度的准确值。

在结果矩阵27中，红外射线1的性能波动或测量管5的污染无法与测量气体成分浓度的变化区分开，并且会导致值对29沿特征曲线33运动。

在结果矩阵28中，当测量气体成分浓度不稳定时，值对30沿特征曲线36向图中37所示方向运动，并在二次气体浓度出现可预期的不稳定时，沿图中38所示方向偏离特征曲线36。但是，红外射线1的性能波动或测量管5的污染也会额外导致值对30沿图中39所示方向偏离特征曲线36。在两个结果矩阵27，28中，红外射线2的强度波动也就具有不同的方向矢量，并且因此可以在测量结果方面得到补偿。这样一来，就可以省去对气体分析仪做定期校准。

为了根据测量信号Sa和Sb求出信号分量Sa_1f，Sb_1f，Sa_2f和Sb_2f，图2中示出的评估单元23具有鉴频器40，两个结果矩阵27和28位于这个鉴频器的下游。将值对29，30评估为测量结果M及其补偿过程在图中41所示的单元中进行。

Claims (8)

1.一种用于借助于非分散红外（NDIR）双束气体分析仪来确定气体混合物（8）中的测量气体成分的浓度的方法，其中，红外射线（2）在测量光路（4）中通过容纳所述气体混合物（8）的测量管（5）输送并且在比较光路（6）中通过含有参考气体（7）的参考管（7）输送，并且随后在产生测量信号（Sa，Sb）的情况下被检测到，其中，在两条光路（4，6）中以预定的调制频率（f）这样交替地遮蔽和导通所述红外射线（2），即同时遮蔽和导通的红外射线（2）的总量相等，和其中，通过对所述测量信号（Sa，Sb）进行评估来确定所述测量气体成分的浓度，

其特征在于，

-在遮蔽阶段的一个时间段内，额外导通一部分所述红外射线（2），使得在所述时间段期间两条光路（4，6）中同时遮蔽和导通的红外射线（2）总量大于在所述遮蔽阶段的其余时间段内的红外射线总量，

-根据所述测量信号（Sa，Sb）求出具有双倍调制频率（2f）的信号分量（Sa_2f，Sb_2f），以及

-将所述信号分量（Sa_2f，Sb_2f）用于在所述测量管（5）和所述参考管（7）之外对所述红外射线（2）的强度产生的影响方面校准所述气体分析仪和/或用于识别所述影响。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用所述测量管（5）中的中性气体进行校准。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据所述测量信号（Sa，Sb）求出具有所述调制频率（f）的另外的信号分量（Sa_1f，Sb_1f），并且在利用中性气体（9）填充所述测量管（5）时利用所述另外的信号分量（Sa_1f，Sb_1f）来检测所述气体分析仪的在所述测量光路（4）与所述比较光路（6）之间的不平衡。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据所述另外的信号分量（Sa_1f，Sb_1f）来确定所述测量气体成分的浓度。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据在不同已知的测量气体成分浓度的情况下获得的另外的所述信号分量（Sa_1f，Sb_1f）的值，生成特征曲线，所述特征曲线的斜率在利用中性气体对所述气体分析仪进行校准时通过所述测量信号（Sa_2f，Sb_2f）的在此获得的值得到修正。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

-利用两个顺次连接的单层接收器（13，14）来检测从所述测量管（5）和所述参考管（7）中逸出的所述红外射线（2），

-根据两个单层接收器（13，14）的所述测量信号（Sa，Sb），分别求出具有所述双倍调制频率（2f）的所述信号分量（Sa_2f，Sb_2f），以及求出具有单倍调制频率（f）的另外的信号分量（Sa_1f，Sb_1f），以及

-在对结果矩阵（27，28）中的值对（Sa_2f，Sb_2f；Sa_1f，Sb_1f）的运动方向（34，35，37，38，39）进行评估的情况下，对第一个二维校准矩阵（28）中的所述信号分量（Sa_2f，Sb_2f）和第二个二维校准矩阵（27）中的另外的所述信号分量（Sa_1f，Sb_1f）进行再处理。

7.一种用于确定气体混合物（8）中的测量气体成分的浓度的非分散红外（NDIR）双束气体分析仪，具有：

-用于产生红外射线（2）的红外线射线源（1），

-容纳所述气体混合物（8）并且能够被测量光路（4）中的所述红外射线（2）透射的测量管（5），

-含有参考气体（9）并且能够被比较光路（6）中的所述红外射线（2）透射的参考管（7），

-具有遮蔽部件（24）的调制轮（10），所述遮蔽部件以预定的调制频率（f）这样交替地遮蔽和导通两条光路（4，6）中的所述红外射线（2），即同时遮蔽和导通的红外射线（2）的总量相等，

-检测从所述测量管（4）和参考管（5）中逸出的所述射线（2）并且产生测量信号（Sa，Sb）的检测装置（12），和

-用于根据所述测量信号（Sa，Sb）确定所述测量气体成分的浓度的评估单元（23），

其特征在于，

-所述调制轮（10）在所述遮蔽部件（24）中具有开口（26），以便于在遮蔽阶段的一个时间段内，额外导通一部分所述红外射线（2），并使得在所述时间段期间两条光路（4，6）中同时遮蔽和导通的红外射线（2）总量大于在所述遮蔽阶段的其余时间段内的红外射线总量，

-所述评估单元（23）具有鉴频器（40），所述鉴频器根据所述测量信号（Sa，Sb）求出具有双倍调制频率（2f）的信号分量（Sa_2f，Sb_2f）。

8.根据权利要求7所述的非分散红外（NDIR）双束气体分析仪，其特征在于，所述鉴频器（40）根据所述测量信号（Sa，Sb）求出具有所述调制频率（f）的另外的信号分量（Sa_1f，Sb_1f）。

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