CN102980871A - 光学气体分析装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学气体分析装置，其包括至少一个在管形测量样品池(1)中形成的、由被测气体流过的测量腔(M)，所述至少一个测量腔被至少一个设置在输入侧的红外射线源(2)纵向照射，所述红外射线源的通过吸收损失而减弱的光束用至少一个设置在输出侧的、用于按照NDIR光谱原理进行气体浓度分析的光-气动检测器(5)测量，设有用于改进在气体混合物分析时的选择性的光学装置，用于改进选择性的光学装置包括一个带有前置的光学干涉滤光片(7)的宽带接收器(6)，该光学干涉滤光片附加于光-气动检测器(5)地使用，用以抑制在被测气体中的杂质成分造成的干扰影响。

Description

光学气体分析装置

技术领域

本发明涉及一种光学气体分析装置，其包括至少一个在至少一个管形测量样品池中形成的由被测气体流过的测量腔，所述至少一个测量腔被至少一个设置在输入侧的红外射线源纵向照射，至少一个设置在输出侧的用于按照NDIR光谱测量原理工作的分析气体浓度的光-气动(opto-pneumatisch)检测器测量所述红外射线源的因吸收损失而减弱的光束，设有用于在气体混合物分析时改善选择性的光学装置。

背景技术

这种按照NDIR光谱学原理工作的气体分析装置的应用范围从气体——例如一氧化碳或者二氧化碳——的浓度分析至空气监控直至复杂气体混合物的微量分析。就在这方面，NDIR光谱测量，与其他分析方法诸如FTIR光谱法或者气体色谱分析法相比，用测量技术上较少的消耗提供小的指示极限，因此提供小的灵敏度。

借助于按照非发散性红外光谱(NDIR)原理工作的气体分析装置的气体分析被广泛采周。气体分析装置的原理结构总是相同的。从红外射线源发射的光束透射包含被测气体的测量样品池，并在光线的输出侧上照在光电转换器上，该转换器主要形成为光-气动检测器。以足够的信噪比产生检测信号主要要求对射线源发出的光束进行调制。在通过测量样品池的路径上，从射线源发射的原始强度被吸收过程被减弱。这种减弱按Lambert-Beer定律取决于被吸收的气体的浓度。

这里感兴趣的采用光-气动检测器的NDIR光谱学与其他NDIR气体分析装置相比达到特别高的灵敏度和选择性。在测量技术上这个有利的特性归功于气体分析装置的用待检测的被测气体组分填充的专用检测器。在周期地用红外线进行照射时，包含在检测器中的分子吸收特定的能量成分，这些能量成分通过振动松弛导致气体的温度和压力上升。因此该光-气动检测器只在与贮存在接收器中的气体的吸收频带准确一致的光谱范围内敏感。因而这种NDIR气体分析装置还被认为是“相关光谱仪”，它在原理上就已经决定了，对于包含在被测气体中的不同于检测器填充物的其他气体，横向灵敏度非常小。

DE3937141A1提出一种同类的按照NDIR光谱学原理工作的光学气体分析装置。这里为了同时测量被测气体多个组分的浓度，使用两个彼此相邻的测量样品池，它们被供给被测气体或对比气体，并让调制过的红外线光束透射。在测量样品池中被部分地吸收之后，光束到达设置在样品池后面的第一光-气动检测器，该第一光-气动检测器带有两个在照射方向上彼此相继地设置的腔，在腔中包括气体试样的第一组分。这两个腔被一个对红外线光束透明的窗隔开。在上述第一检测器后面设置结构相同的第二光-气动检测器，它用气体试样的第二组分填充。第一和第二检测器之间使用一个专用辐射滤光片，该辐射滤光片对光束的透明度处于该气体试样第二组分较弱的射线吸收范围内。

因此可以通过第二检测器同时测量干扰成分，并接着对横向灵敏度进行计算修正。然而为了把第二光-气动检测器包括在内，造成相应较高的制造费用。此外由于附加的测量通道需要维护，运行费用上升。此外还有其他限制：检测器的最大数目限于四个，由于在检测器前面需要光学干涉滤光片，所以不可能结合许多检测器。

从DE 10 2004 031 643Al已知另一种具有相同基本结构的光学气体分析装置。这里也用气体试样的第一组分填充第一光-气动检测器，并在其后面设置的第二光-气动检测器用该气体试样的第二组分填充。为了减小这种检测器结构的横向灵敏度，建议通过在该检测器装置前面安装气体过滤器，预先吸收可能被干扰成分吸收的辐射成分。

DE 197 35 716A1公开了采用按照NDIR光谱学原理工作的气体分析装置的多组分测量信号处理的另一种技术解决方案，它只用一个光-气动检测器就行。为此该气体分析装置通过如下方式调整得对测量的至少两个不同的气体成分敏感，即选择或调整检测器的腔比例和填充浓度，使得在各个气体成分信号之间出现相移，所述相移这样确定大小，使得在信号处理所使用的时间窗上对于各自一个待测的气体成分方面交变信号的积分达到最大值，而其它气体成分的积分为零或接近于零。以此使测量成分和干扰成分的信号相位达到正交化。

为了在用光-气动检测器进行测量时降低横向灵敏度，从一般现有技术已知其它解决方案，它们基于通过在光-气动检测器前面安装光学干涉滤光片而屏蔽重叠吸收的光谱范围。此外已知，光-气动检测器作为所谓双层接收器，其带有彼此相继地设置的两个用气体填充的接收器腔室，它们两个被相同的辐射透射，但是对检测器中的敏感元件起相反作用，它可以形成为薄膜电容或微电流传感器。另外作为替代方案，还有在检测器后面使用一个或多或少反射的反射镜，在这样的双层接收器上对后检测器腔进行所谓光学延长，以便减小横向灵敏度。

然而，通过上面提及的解决方案总是只能时一种干扰成分达到选择性的优化。此外只对各干就成分的特定一种浓度才能做到完全排除横向灵敏度的影响。因此总还有剩余误差，影响测量的干扰成分越多，剩余误差越大。

发明内容

因此本发明的任务是，实现一种带有用于在气体混合物分析时改善选择性的装置的光学气体分析装置，它构造简单，可以用来分析带有多种导致接收器信号横向灵敏度的杂质成分的气体混合物。

该任务用按照权利要求1前序部分与其特征部分的特征结合的光学气体分析装置解决。后续从属权利要求给出本发明的有利改进方案。

本发明包含这样的技术教导，即用于改善选择性的光学装置包括一个附加的宽带接收器，该宽带接收器带有前置的光学干涉滤光片，用来补充光-气动检测器，用以抑制在被测气体中的杂质成分的主要干状影响。

换句话说，在本发明中，除了至今一般使用的光-气动检测器以外，在同类的气体分析装置中使用复合的光学干涉滤光片连同光谱宽带敏感的检测器。在这里该光-气动检测器保证在测量成分方面高的灵敏度；设置附加的光学组件，用来高度抑制被测气体中的杂质成分造成的干扰影响。

按照本发明设置的光学干涉滤光片优选构造为具有多个透射范围的所谓多变量光学元件(MOE)。因此，光学干涉滤光片不只限于一个唯一的透射范围。干涉滤光片的多个透射范围各自有目的地这样优化，使得可能按照预先确定的样本对辐射成分进行加权。这种样本可以与例如要求的透射曲线一致。

作为宽带接收器优选采用热电检测器。然而作为其替代方案，还可能使用通过特定的气体填充人为地造成光谱宽带敏感的光-气动检测器。然而还可以是基于热电效应的其他热电检测器，这些检测器由铁电晶体或者是带有不对称晶体结构的陶瓷构成。由于这种不对称性，这样的材料具有电偶极矩并从而永久地偏振化。这种材料通过红外线辐射而升温时，晶格中的距离改变，从而使偶极矩和偏振化改变。以此在表面上出现电荷，可以将其作为电信号截取。这个电信号与辐射引入量的改变成正比。特别重要的是作为热电检测器的基本材料使用掺杂的硫酸三甘氨酸(DTGS)。这样的DTGS检测器可以以一个非常大的频率范围使用，构造简便，并具有快速的响应时间，从而它特别适用于本发明对象的宽带接收器。然而作为其替代方案，还可以使用通过特定的气体填充人为地造成光谱宽带敏感的光-气动检测器。

按照本发明的另一个改进描施，涉及按照本发明的气体分析装置的特殊的信号处理，在此建议，由光-气动检测器给出的、用于检测待测气体成分的的第一信号S₁以及由宽带接收器给出的、形成得与在光-气动检测器上的横向灵敏度成正比的第二信号S₂引入电子分析单元的输入侧，用于借助于第二信号S₂修正第一信号S₁。在原理上这种修正可以通过从第一信号S₁减去第二信号S₂进行。例如若光-气动检测器测量被测气体一氧化碳作为第一信号S₁，则通过用前置的光学的干扰滤波器而具有光谱选择性的宽带接收器产生第二信号S₂，用这样的方法进行修正。通过测试可以证明，这个信号处理即使在高度复杂的气体混合物上也能得出高质量的测量结果。信号S₁和S₂的要求的信号处理在此能相对简单地执行。

在实践中要考虑，在应用被测气体的测量踪迹需要的长测量样品池时，干扰成分的特性吸收变得这样强烈，以致于基于数学关系出现非线性吸收效应，使测量结果严重失真。为了排除这些误差，按照光学气体分析装置的一种具体的实施形式，带有前置光学干涉滤光片的宽带接收器构造在第二条射线上，其设置在与光-气动检测器相配的第一条射线旁边。这时，该第二条射线可以配备一个相对较短的测量样品池。因此，带有前置光学干涉滤光片的宽带接收器在空间上设置在光-气动检测器旁边。

按照光学气体分析装置的另一个优选的实施形式，设置一个唯一的测量样品池，在该测量样品池的光输出侧的端部上设置带有前置光学干涉滤光片的宽带接收器，它在光辐射方向上跟在光-气动检测器后面。宽带接收器和光-气动检测器因此彼此相继地设置在同一光轴上。

在上述两个优选的实施方式中，测量样品池优选具有多个腔。就这方面来说，在由被测气体流过的测量腔M旁边，沿着该测量腔设置一个填充基准气体的用于校准的基准腔R。

上述信号处理优选可以用软件技术实现，其中，该电子分析单元以信号处理算法运行，用以借助于宽带接收器的第二信号S₂修正光-气动检测器的第一信号S₁。这时信号处理算法的程序通过保存在该软件中的控制指令进行实施。

附图说明

通过借助于附图对本发明的两个优选实施例的描述进一步说明其他改进本发明的措施。附图中：

图1是带有一个唯一的测量样品池的光学气体分析装置的第一实施形式的示意图；

图2是带有两个测量样品池的光学气体分析装置的第二实施形式的示意图；

图3是所测量的信号S₁和S₂的信号处理方框示意图。

具体实施方式

按图1，在光学气体分析单元的一个管形测量样品池1中，一方面设置一个由被测气体流过的测量腔M和另一方面设置一个用基准气体填充的基准腔R。测量样品池1受到设置在其光输入侧的红外射线源2纵向照射。在红外线到达测量样品池1之前，它经过一个带有旋转斩光盘4的调制单元3进行相位翻转。

在测量样品池1的光输出侧放置一个光-气动检测器5，它测量由于吸收损失而减弱的光束，以便产生电信号S₁，用以接着按照原理NDIR光谱学分析出气体浓度。为了改进气体混合物分析时的选择性，在光-气动检测器5下游设置宽带接收器6。在宽带接收器6上游设置一个光学干涉滤光片7。备有光学干涉滤光片7的宽带接收器6用来产生第二信号S₂，用以消除被测气体中的杂质成分造成的干扰影响。

按照图2所示的第二实施形式，设置两个平行的测量样品池1a和1b。在其中一个测量样品池1a的光输出侧设置光-气动检测器5。在另一个测量样品池1b的光输出侧设置宽带接收器6和设置在上游的光学干涉滤光片7。由此得出，设置两个红外射线源2a和2b，它们各自分配给其中一个测量样品池1a或1b。

按照图3，由光-气动检测器5给出的、用于探测待测气体成分的信号S₁以及由宽带接收器6给出的、与在光-气动检测器5上所测量的横向灵敏度成正比的信号S₂施加于电子分析单元8的输入侧。电子分析单元8通过从第一信号S₁减去第二信号S₂在按照本发明的意义上在包含于被测气体的干状成分方面对第一信号S₁进行修正，以便消除包含在被测气体中的干扰成分。详细地说，这根据下面解释的工作方法进行：

从被测气体出发，它是由一个浓度为c₁的被测成分和n个浓度为c₂......c_1+n的干扰成分组成的混合物。各气体的光谱吸收系数标为α_i(v)。按照Lambert-Beer定律，包含在被测气体中的干扰成分T_Gas(v)的光谱的光学的透射率为：

$T_{\mathrm{Gas}}\left(v\right)=\exp (-l\·\underset{i=2}{\overset{1+n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i\left(v\right)\·c_i)---\left(1\right)$

其中，1是NDIR气体分析装置中的测量样品池1的长度。现在各干扰成分在光-气动检测器5上引起横向灵敏度QE：

$\mathrm{QE}~\underset{v_1}{\overset{v_2}{\∫}}{S}_{\mathrm{OE}}\left(v\right)\·[1-T_{\mathrm{Gas}}\left(v\right)]\mathrm{dv}---\left(2\right)$

这里S_OE是光-气动检测器5的光谱灵敏度函数。这是填充气体的光学和热力学特性、检测器5的几何尺寸和敏感元件传递特性的复合函数，并且无法用分析方法描述。但是，QE和各气体浓度之间的相互关系由测量求出。

附加的宽带接收器6能够测量气体混合物的积分的吸收：

$A=\underset{v_1}{\overset{v_2}{\∫}}[1-T_{\mathrm{Gas}}\left(v\right)]\mathrm{dv}---\left(3\right)$

若在宽带接收器6上游使用带有透射曲线T_ol(v)的光学干涉滤光片7，则所测量的积分的吸收为：

$A^{\′}=\underset{v_1}{\overset{v_2}{\∫}}[1-T_{\mathrm{Gas}}\left(v\right)]\·T_{\mathrm{ol}}\left(v\right)\mathrm{dv}---\left(4\right)$

现在目的是把T_ol定义得使A′＝QE。通过多变量的数据分析专门设计干涉滤光片7达到这个目的。

为此，包含在测量和干扰成分的m种不同混合物的长度n的透射光谱T_Gas(可以表示为n*m矩阵T_Gas)中的光谱信息，通过主成分分析，在较少的k个主成分的方向上缩减信息(可以表示为k*n矩阵P)，这些主成分构成新坐标系的轴。矩阵P一般还称作“加载矩阵(loadingmatrix)”。QE(对于m种不同的混合物是长度m的矢量)和在主成分方向上的坐标之间的关系通过回归分析(主成分回归，PCR)获得。这里k个回归系数(在矢量b中)是使误差矢量e的振幅减到最小值的权重。

QE＝(1-T_Gas)·P·b+e                            (5)

作为带有与气体混合物的光谱相同的长度n的矢量，T_0l由下式给出：

T_ol＝P·b                                       (6)

本发明不限于上述优选的实施例。也还可以它们的变型，这些变型包含在权利要求书的保护范围内。这样例如还可能使用没有基准腔R的测量样品池，只要气体分析装置的校准用其它方式进行。

附图标记列表

1    测量样品池

2    射线源

3    调制单元

4    斩光盘

5    光-气动检测器

6    宽带接收器

7    光学干涉滤光片

8    电子分析单元

Claims (11)

1.光学气体分析装置，其包括在管形测量样品池(1，1a、1b)中形成的、由被测气体流过的至少一个测量腔(M)，所述至少一个测量腔被至少一个设置在输入侧的红外射线源(2，2a、2b)纵向照射，所述红外射线源的通过吸收损失而减弱的光束用至少一个设置在输出侧的、用于按照NDIR光谱原理进行气体浓度分析的光-气动检测器(5)测量，设有在气体混合物分析时用于改进选择性的光学装置，其特征在于，用于改进选择性的光学装置包括一个带有前置的光学干涉滤光片(7)的宽带接收器(6)，该光学干涉滤光片附加于光-气动检测器(5)地使用，用以抑制在被测气体中的杂质成分造成的干扰影响。

2.按照权利要求1的光学气体分析装置，其特征在于，所述光学干涉滤光片(7)形成为具有多个透射范围的多变量的光学元件(MOE)。

3.按照权利要求1的光学气体分析装置，其特征在于，所述宽带接收器(6)形成为热电检测器。

4.按照权利要求1的光学气体分析装置，其特征在于，由光-气动检测器(5)给出的、用于探测待测气体成分的第一信号(S₁)以及由宽带接收器(6)给出的、与在光-气动检测器(5)上测量的横向灵敏度成正比的第二信号(S₂)引导到电子分析单元(8)的输入侧，用以借助于第二信号(S₂)修正第一信号(S₁)。

5.按照权利要求1的光学气体分析装置，其特征在于，在由被测气体流过的测量腔(M)旁边，沿着该测量腔，所述至少一个测量样品池(1，1a、1b)具有用基准气体填充的用于校准的基准腔(R)。

6.按照权利要求5的光学气体分析装置，其特征在于，设有一个唯一的测量样品池(1)，在该测量样品池的光输出侧的端部上设置光-气动检测器(5)，在光辐射方向上在光-气动检测器后面跟随带有前置的光学干涉滤光片(7)的宽带接收器(6)。

7.按照权利要求5的光学气体分析装置，其特征在于，设有两个平行的测量样品池(1a、1b)，在其中一个测量样品池(1a)的光输出侧上设置光-气动检测器(5)，相反在在另一个测量样品池(1b)的光输出侧上设置带有前置的光学干扰滤光片(7)的宽带接收器(6)。

8.按照权利要求1的光学气体分析装置，其特征在于，其中一个测量样品池(1a)构造得比另一个测量样品池(1b)长。

9.按照权利要求1的光学气体分析装置，其特征在于，设置在所述至少一个测量样品池(1，1a、1b)的光输出侧上的红外射线源(2)具有调制单元(3)，该调制单元带有旋转的斩光盘(4)，用于相位翻转。

10.用于按照权利要求1至9中任一项的气体分析装置的计算机程序产品，该气体分析装置的电子分析单元(8)能用信号处理算法工作，用于借助于宽带接收器(6)的第二信号(S₂)修正光-气动检测器(5)的第一信号(S₁)，该信号处理算法的程序通过保存在软件中的相应控制指令进行实施。

11.载有按照权利要求10的计算机程序产品的数据载体。

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