CN103403529B - 包括频谱校准装置的光学气体分析装置 - Google Patents

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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的测量试管(3)中构成的、由被测气体通流的测量室(2)，在入口侧设置的辐射源(1)沿着纵向透射该测量室，至少一个在出口侧设置的用于气体浓度分析的探测器(7)检测该辐射源的通过吸收损失而被衰减的光束，其中，设有用来借助参考频谱校准测量通路的校准装置，作为校准装置，至少一个聚合物薄膜代替测量试管(3)被设置到测量通路中，所述聚合物薄膜产生在测量光谱的整个波长范围上的多个强吸收，以便引起多个衰减(A1…An)，所述衰减在相应的频谱位置中对应于大浓度的气态被测介质的衰减。

Description

包括频谱校准装置的光学气体分析装置
技术领域
本发明涉及一种光学气体分析装置，包括至少一个在管形的测量试管中构成的由被测气体通流的测量室，在入口侧设置的辐射源沿着纵向透射该测量室，至少一个在出口侧设置的用于气体浓度分析的探测器检测该辐射源的通过吸收损失而被衰减的光束，其中，设有用来借助参考频谱校准测量通路的校准装置。
背景技术
本发明的应用范围延伸到以下工业应用上，其中，要确定气体混合物中的一种气体的浓度。在这里，借助电磁辐射的吸收来被测气体浓度。在这里感兴趣的光学气体分析装置优选是按照用于氮氧化物分析的紫外线谐振-吸收-光谱学的原理进行工作，但是也可以按照用于二氧化硫或二氧化氮气体浓度测定的非扩散紫外线吸收的测量原理在200至600纳米的优选光谱范围内进行应用。此外也可以设想，本发明应用于红外线光度计，其按照非扩散的红外线吸收的测量原理在2.5至8微米的波范围内工作。
辐射吸收在此是作为实现吸收的待测量被测介质或其成分的浓度的尺度。为此，被测介质按照长度流过测量室，其中，在大多数圆筒形构成的测量室的端侧设有用于光束的测定光度的测量通路的窗口。
为了准确地调节光学气体分析装置的零点和灵敏度，通常使用已知浓度的所谓的零气或检验气体，该气体在校准期间通流测量室。由此，在探测器单元上出现测量值，该测量值为了校准被置于与期待的额定值一致。通过这种方法可以实施尽可能精确的灵敏度调节，该灵敏度调节消除例如由于透射特性而引起的漂移。只有这样才能长期地保证测量结果的可靠性。在简单可操作的气体成分、如一氧化碳或二氧化碳情况下，这种处理方法可以简单地实施，通常比较困难地对于其他气体如氮氧化物、盐酸、水蒸气校准气体分析装置。
另一方面，光学气体分析装置的一般优点在于，可以同时测量多种气体成分。由此这种仪器特别是也适用于排放物测量。通常定期地进行气体分析装置的复查。在此校准数据的复查实际上按两个步骤进行。以短的间隔、大多数是每天定期地用零气例如环境空气记录参考光谱。通过该参考光谱补偿测量系统的透射特性的变化。透射特性的变化例如可以通过辐射源或探测器的改变或者通过测量室的污染而引起。零点的补偿按照波长进行，由此同时对于所有的成分修正零点。
在通常要每周至每年实施的另一个步骤中，定期地用检验气体复查和必要时也校准所有成分的参考点。简单可操作的气体可以无需附加的添加剂地用检验气体在检验气体瓶中进行校准。代替检验气体瓶，在难以操作的气体情况下使用检验气体发生器，该检验气体发生器构造很耗费并且在气体分析装置的一些使用场地难以运行。
由DE3522949A1已知一种光学气体分析装置，借助检验气体进行该气体分析装置的校准。按照NDIR方法工作的气体分析装置基本上包括用于红外线的辐射源，它穿过包围测量室的测量试管的端侧的窗口并且穿过另一端侧的窗口进入平行地设置的比较用试管。测量试管由被测气体穿流，为此在其上设有进入和排出接管。测量试管与比较用试管在空间上分开，使得气体分析装置拥有两个光路。进入测量试管的光束和进入比较用试管的光束通过旋转的中断轮反相地进行调制。测量光束通过在出口侧设置的窗口离开测量试管而比较光束通过与其相邻地设置的另一在出口侧设置的窗口离开。测量光束和比较光束由光度测量的探测器接收。探测器的前侧借助透红外线的窗口封闭。
因为气体分析装置即使在较长的时间之后也必须提供可靠的测量值，需要进行校准意义上的再调整。这是借助校正装置进行的，该校正装置具有导轨结构，该导轨结构接纳两对标定试管。一对标定试管完全填满惰性气体，在另一对标定试管中一个标定试管填充惰性气体而该对标准试管中的另一个标定试管填充被测成分。如果要借助气体分析装置分析二氧化碳，则该标定试管填装二氧化碳。所述的导轨结构可以往复运动。在终端位置中，两个填充惰性气体的标定试管处于测量通路中。在该位置中校准零点。当导轨结构处于另一终端位置中时，另一对不同的测量试管处于测量通路中。借此可以校正测量装置的端点或灵敏度。这种用于校准测量通路的解决方案特别是适用于清洁过的无二氧化碳的和无水蒸气的检验气体。但是这种用于校准测量通路的技术手段、特别是不同的测量试管看起是很耗费的。
由DE102007065345B3已知另一种气体分析装置，它按照FTIR光谱学工作。从辐射源出发，借助第一光学系统通过扩张而产生平行的射线束，该射线束射到作为分束器的半透的镜子上。具有固定波长和频率位置的-亦即单色和相干的-光的一部分现在射到位置固定的镜子上并且在那里被反射。另一分光束直线地通过半透的镜子并且被可运动的向后的镜子向着半透的镜子方向反射回来，在这里现在两个分光束彼此干涉。在这里经由沿着光轴调整向后的镜子能受控地检查相干性。从那里出发，干涉的光穿过测量试管，引导通过被测气体。借助干涉仪实现非常精确地调谐光束的有效频率位置，该光束碰到测量试管和由此被测气体。这样可以在探测器上检测复杂的光谱，并且不仅是在固定频率下的吸收率。为了光学照亮探测器，经由第二光学系统重新聚焦被划分的光束，而且是聚焦到探测器的尺寸上。
为了校准测量系统，可以引导校准气体通过测量试管，以便在校准步骤之后通过阀门控制重新导入被测气体。对此备选地建议，借助校准试管有选择地在测量通路中在探测器前面限制校准气体，而且是这么长时间地限制，直到校准或验证持续。此后，使校准试管重新从光路中偏转出来。校准试管用代表被测气体光谱的替代气体或替代气体混合物填充。这样，在光谱范围上使用二氧化硫、二氧化碳等等作为代表物，代替难以操作的气体成分盐酸、水蒸气等等。
气体分析装置的参考点的验证或校准特别是当其涉及所述难以操作的气体时只能通过高的技术和时间花费来实施。因为通常必须安装附加的技术装备、如检验气体发生器并且难以操作的气体要求长的调节时间。参考点的校准或验证因此只可以通过受过训练的专家来实施。参考点因此只可以以长的间隔复查，也就是说对于较长的测量间隔没有参考点的验证。这导致对测得气体浓度的错误分析的提高风险。
通过这种方式可以放弃在难以操作气体的情况下耗费的检验发生器，但是需要提供填满替代气体的校准试管。
对于其制造过程提出了高的质量要求，以便保证精确的校准。此外要注意气体彼此间以及与校准试管材料的化学相容性。此外形成以非常高的分压力进行填充的必要性，以便达到浓度与吸收路径长度的乘积等于FTIR光谱计的长路径单元中的乘积。
发明内容
因此本发明的目的在于，实现一种光学气体分析装置，其测量通路校准装置结构简单并且允许精确的校正。
该目的由一种光学气体分析装置达到，其包括至少一个在管形的测量试管中构成的、由被测气体通流的测量室，在入口侧设置的辐射源沿着纵向透射该测量室，至少一个在出口侧设置的用于气体浓度分析的探测器检测该辐射源的通过吸收损失而被衰减的光束，其中，设有用来借助参考频谱校准测量通路的校准装置，作为校准装置，至少一个聚合物薄膜能代替测量试管被设置到测量通路中，所述聚合物薄膜产生在测量光谱的整个波长范围上的多个强吸收，以便引起多个衰减，所述衰减在相应的频谱位置中对应于足够浓度的气态被测介质的衰减。
本发明包含这样的技术教导，作为用于校准测量通路的校准装置，滤光器能被设置到测量通路中来代替测量试管，该滤光器的滤光材料产生在测量光谱的整个波长范围上的多个强吸收，以便引起多个衰减，这些衰减在相应的频谱位置中对应于大浓度的气态被测介质的衰减。
本发明的解决方案的优点特别是在于，可以完全放弃校准试管或者还更贵的用于校准的检验气体发生器。校准或验证不是借助于总是产生的比较气体进行，而是借助于固体即滤光器构成，即构成为一种部分透明的盘片。
按本发明的一种优选实施形式建议，具有复合的吸收光谱的特殊的滤光器由聚苯乙烯薄膜制成。这种薄膜作为大批量商品以不同的厚度和直径可得到。优选地，可使用的聚苯乙烯薄膜的厚度在10微米至100微米的范围内、更优选为50微米。在红外线光谱范围内这种薄膜具有许多的突出的吸收带，其强烈地与二氧化氮、盐酸、水蒸气等的吸收相联系。正是这些气体分子大多不能长时间稳定地存储在校准试管中。由此通过聚苯乙烯薄膜摆入到测量光路中实现对测量系统的简单和可靠的验证可能性。
为了应用在其他的波长中或者应用于其他的气体成分，在滤光器中应该应用的滤光材料由聚合物薄膜构成，其优选地选自于一个材料组，该材料组包括：聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚氟乙烯(PVF)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚酰亚胺(PI)、聚异丁烯(PIB)、双酚A(BPA)、表氯醇、聚丙烯酸脂、聚酰胺(PA)、聚碳酸酯、聚氯丁二烯、聚异戊二烯、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯醇、聚氯乙烯、硅酮和苯乙烯-丁二烯。
原则上也可以考虑特殊开发的光学干涉过滤器，以便实现具有在测量光谱波长范围上强烈吸收的用于校准目的的滤光器。
按照改进本发明的措施而建议，薄膜固定在基底上。由此可以使该薄膜相对于测量通路的位置和取向稳定。作为基底可以考虑例如氟石。也可以设想，把多个薄膜依次地安装在作为薄膜载体的一个共同的基底上和同时送入到测量通路中，以便产生该形成滤光器的各单个薄膜的总光谱。
这样滤光器可以包括多个彼此接连的薄膜，这些薄膜具有不同的光谱透过性曲线。通过这种组合，可以按照简单的方式产生复合的吸收光谱。也可以设想，把由多个薄膜构成的滤光器与充有气体的传统类型的校正试管组合。这种备选方案特别是在以下的情况中考虑：通过薄膜不能构成测量光谱的特征吸收带。
按照改进本发明的另一措施而建议，使用在测量通路的侧面设置的摆入装置，用于可替换地摆入滤光器来代替测量试管。通过这种摆入装置可以精确和顺利地实施测量试管对滤光器的更换。在最简单的情况下，摆入装置由转动地支承的接纳滚筒构成，该接纳滚筒在一侧支承滤光器和在另一侧支承测量试管。摆入本身可以手工地或者机动地进行。最后，应该有用于滤光器或测量试管定位用的传感器装置。
按照另一改进本发明的措施建议，气体分析装置包括电子分析单元，该电子分析单元在摆入滤光器到测量通路中来代替测量试管以后实施用于校准测量系统的分析算法，以代替用于计算气体浓度的测量算法。该分析算法以及测量算法在此可以以软件的形式在微处理器控制的分析单元中运行。因为该分析算法不同于本来的测量算法，通过简单的算法转换，形成在短时间内进行测量系统高精度校准的可能性。
按本发明的光学气体分析装置适合于基于FTIR、NDUV或NDIR光谱学进行气体分析并且就此而言可通用地应用于气体分析。
附图说明
下面借助附图与对本发明优选实施例的描述一起详细地描述其他改进本发明的措施。附图中：
图1为具有特殊的滤光器作为用于校准测量光路的校准装置的光学气体分析装置的示意图；
图2A为滤光器的第一实施形式；
图2B为滤光器的第二实施形式；
图2C为滤光器的第三实施形式；
图3为滤光器在波长范围上的透射率的曲线视图。
具体实施方式
按照图1，在该实施例中实施为NDIR光谱计的气体分析装置包括红外线的光学的辐射源1，该红外线按长度透射测量室2，该测量室由测量试管3构成。该测量试管3具有用于流入的被测气体的入口4以及用于流出的被测气体的出口5。
进入测量试管3中的红外线光束引导通过设置在辐射源1与测量试管3之间的预滤器6。在测量室2的内部，光束通过吸收损失而经受衰减，该衰减由在测量试管3的出口侧设置的光学探测器7检测。探测器7提供与测量值对应的电信号，该电信号在入口侧提供给电子分析单元8使用。该电子分析单元8借助用于计算气体浓度的实施的测量算法对测量信号进行分析。这样测定的气体浓度值可以按传统的方式输出。
光学气体分析装置还包括摆入装置9，该摆入装置按照滑板结构的类型构成并且可替换地摆入滤光器10用来代替测量试管3。该摆入装置9为此目的在本实施例中可手工操纵，以便引起所描述的在测量试管3与滤光器10之间的转换。
按照图2A，滤光器10包括由唯一的聚苯乙烯薄膜11构成的滤光器10，其厚度为50微米。为了相对由虚线表示的测量通路稳定聚苯乙烯薄膜11，设有红外线能完全透过的基底12，在该基底上固定聚苯乙烯薄膜11。此外，滤光器10由金属制的保持环13包围，该保持环建立与未进一步示出的摆入装置9的机械连接。
按照在图2B中示出的实施例，滤光器10’包括总共三个单个的彼此接连的聚合物薄膜14a至14c，这些薄膜在这里同样通过基底12固定并且具有不同的光谱透过性曲线，这些曲线的组合对应于所期望的测量光谱。
按照图2C，包括唯一的薄膜15、优选聚苯乙烯薄膜的滤光器10”与传统的填充有气体的校正试管16组合，以便覆盖用于校准目的的特殊测量光谱。
在图3中示出厚度为50微米的聚苯乙烯薄膜作为滤光器的吸收光谱，它覆盖每厘米600至4000个之间的波数。通过这种滤光材料引起多个衰减A1至A8，这些衰减在相应的光谱位置中对应于足够大浓度的气体被测介质的衰减。
本发明不限于上述的优选的实施例。而是也可以设想变型方案，这些变型方案一起包括在权利要求书的保护范围内。这样例如也可能的是，为用于校准气体分析装置的滤光器配设其他的滤光材料，只要借此可覆盖所期望的测量光谱。
附图标记列表
1  辐射源
2  测量室
3  测量试管
4  入口
5  出口
6  预滤器
7  探测器
8  电子分析单元
9  摆入装置
10 滤光器
11 聚苯乙烯薄膜
12 基底
13 保持环
14 彼此接连的薄膜
15 单个薄膜
16 校正试管
An 第n个衰减

Claims (11)

1.光学气体分析装置，其包括至少一个在管形的测量试管(3)中构成的、由被测气体通流的测量室(2)，在入口侧设置的辐射源(1)沿着纵向透射该测量室，至少一个在出口侧设置的用于气体浓度分析的探测器(7)检测该辐射源的通过吸收损失而被衰减的光束，其中，设有用来借助参考频谱校准测量通路的校准装置，其特征在于，作为校准装置，至少一个聚合物薄膜能代替测量试管(3)被设置到测量通路中，所述聚合物薄膜产生在测量光谱的整个波长范围上的多个强吸收，以便引起多个衰减(A1…An)，所述衰减在相应的频谱位置中对应于足够浓度的气态被测介质的衰减。
2.按照权利要求1所述的光学气体分析装置，其特征在于，校准装置由聚苯乙烯薄膜(11)构成。
3.按照权利要求2所述的光学气体分析装置，其特征在于，聚苯乙烯薄膜的厚度在10微米至100微米的范围内。
4.按照权利要求1所述的光学气体分析装置，其特征在于，校准装置是聚合物薄膜，选自于一个材料组，该材料组包括：聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚氟乙烯(PVF)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚酰亚胺(PI)、聚异丁烯(PIB)、双酚A(BPA)、表氯醇、聚丙烯酸脂、聚酰胺(PA)、聚碳酸酯、聚氯丁二烯、聚异戊二烯、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯醇、聚氯乙烯、硅酮和苯乙烯-丁二烯。
5.按照权利要求1至4之一所述的光学气体分析装置，其特征在于，由薄膜构成的校准装置为了稳定而固定在基底(12)上。
6.按照权利要求1至4之一所述的光学气体分析装置，其特征在于，校准装置包括多个单个的彼此接连的薄膜(14a至14c)，这些薄膜具有不同的光谱透过性曲线。
7.按照权利要求1至4之一所述的光学气体分析装置，其特征在于，校准装置除了至少一个薄膜(15)之外还包括至少一个充有气体的校正试管(16)。
8.按照权利要求1所述的光学气体分析装置，其特征在于，在测量通路的侧面设有摆入装置(9)，用于可替换地摆入校准装置来代替测量试管(3)。
9.按照权利要求1所述的光学气体分析装置，其特征在于，设有电子分析单元(8)，该电子分析单元在摆入校准装置到测量通路中来代替测量试管(3)以后实施用于校准测量系统的分析算法，以代替用于计算气体浓度的测量算法。
10.按照权利要求1至4和8至9之一所述的光学气体分析装置，其特征在于，气体分析基于FTIR、NDUV或NDIR光谱学。
11.按照权利要求3所述的光学气体分析装置，其特征在于，聚苯乙烯薄膜的厚度为50微米。
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