CN103620377B - 用于光学地检测气体混合物中的目标气体的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及了一种用于光学检测气体混合物中的目标气体的设备，该设备带有运行和评估装置（8）和测量比色计（3），该测量比色计设计为内壁上带有光学反射表面的多反射测量比色计并且具有气体入口（5），该气体入口设计用于与测量环境（6）交换气体和气体混合物，其中在测量比色计（3）上设置有将光射入测量比色计中的辐射源（4）、测量探测器（21）以及参考探测器装置（23，25，27），其中，测量探测器（21）和参考探测器装置（23，25，27）设计用于检测辐射源（4）的光并且将其转换成电信号，该电信号与所检测到的光强度相符，其中在测量探测器（21）之前布置有光学带通滤波件（22），其设计用于允许测量波长的光通过，其中在参考探测器装置（23，25，27）之前布置有光学的双带通滤波装置（24，26，28），其设计用于允许第一参考波长（31）的光和第二参考波长（32）的光通过，并且其中运行和评估装置（8）设计用于运行辐射源（4）并检测测量探测器（21）和参考探测器装置（23，25，27）的电信号。

Description

用于光学地检测气体混合物中的目标气体的设备
技术领域
本发明涉及了一种用于随着对环境影响进行补偿来红外光学地测量气体和气体混合物的测量装置。
背景技术
在工业设备监控方面，尤其是在自动化程度日益提高的背景下对气态混合物进行分析的可能性是无故障和安全运行的重要边界条件。为了例如，能够精确和迅速地发现在较大型的工业设备中、石油化学设备中或海上钻井平台上在故障状况下的逸出的气体，本身值得期待的是，在可能出现故障的位置以高测量灵敏度探测低浓度的危害健康的气体。
光学的气体探测系统尤其适用于以高测量灵敏度检测低浓度。
现有技术中公知了光学的气体探测器系统，这些气体探测器系统作为逐点的测量站点分散地布置在工业设备的限定区域中的多个测量点处或大面积的区域中。
这种带有光学点探测器的光学气体探测器系统由光源、被光射过的测量比色计、窄带的光学滤波器、以及用来测量光强度的探测器构成。被测量的气体对光的吸收导致探测器信号减少，该探测器信号被评估为测量参量。
另外，现有技术中公知了利用其检测较大区域或面积的气体浓度的气体测量系统。这种系统由带有光源的发射器、带有探测器的定向的接收器、 以及其他的用于引导光束的光学元件构成。在此情况下，光束从发射器到接收器经过的距离作为光学测量距离在从很少的几米直至50米、200米或更大的范围内。这种也被称为开路式测量系统(Open-Path-Messsystem)的测量装置在U.S.6,455,854中有所描述。
U.S.5,923,035中描述了带有与环境气体联系的测量比色计的装置。该测量比色计构成了光源和探测器之间的光学测量距离。光束在比色计中平均经过的路程确定出光学测量距离并且由此确定出测量装置的光学路径长度，在此情况下，可以选择其中光源和探测器直接相对布置的装置。在一种具有在结构上布置在其自身一侧的光源和探测器的装置中，可以为了射束转向或为了延长光学路径长度而布置一个或多个镜面，或可以这样反射地设计和布置比色计的壁，即，借此在比色计中提供了延长从光源到探测器的光学路径长度的镜面反射和/或多重反射。以这种类型设计的比色计在现有技术中也可以称为多重反射单元。这种多反射单元在绝大多数实施方式中均在内侧在壁上设计成全反射的，由此在使用具有未定向的光束的辐射源时，未定向地辐射出来的光量的一部分通过在壁上的多重反射以较长的路径到达探测器。光量的仅仅简单地进行反射的另一部分以较短的路径到达探测器。根据U.S.5,923,035的在测量点上位置限定地进行测量的装置与根据U.S.6,455,845的被称为所谓的点探测器的开路式装置不同，其原因在于：利用这种测量装置可以执行局部限定的测量。由此可以例如，通过空间上分散地将大量这种点探测器布置在多个测量点上来有针对性地和特别地监控工业区域。这种点探测器的特殊的形式是用于空间上受限的、也就是说逐点的测量任务的移动手持测量装置，其特殊之处在于可以由使用者变化地和移动地选择测量点。
在探测器上检测的光束的可通过测量装置测量的强度由位于比色计中的气体或气体混合物的吸收特性和光学路径长度的长度来确定。随后从所检测的频谱和频谱中的各个波长的信号强度中可以非常精确地得出测量距离范围内的特定气体成分或气体种类的存在和浓度。
在此情况下根据测量任务通过测量环境的结构情况来确定光学路径长度。在为了测量浓度而局部限定地进行单点测量时所使用的测量装置中，结构情况如壳体尺寸和比色计长度那样预先给定了在几厘米、例如3cm至23cm的范围中的光学路径长度。在多重反射单元中，光从辐射源出发射入到比色计中，在相对的壁上和侧面的壁上进行反射，并且到达布置在辐射源旁的探测器，在具有该多重反射单元的测量装置中，在使用具有未定向的光束的辐射源的条件下除了等于比色计结构长度的两倍的光学路径长度以外，在统计学上还给出了基于所出现的多重反射而产生的其他光学路径。由此提供了大于由实际的结构长度所决定的光学路径长度的平均光学路径长度。由此，例如，在内部尺寸为5cm的比色计结构长度的条件下，根据多反射单元的结构和反射性能给出了7cm至50cm的有效光学路径长度。在空场中借助开路式测量系统来测量浓度的应用方式中，给出了在几米至50米以上，直至200米或更大范围内的光学路径长度。
为了高分辨率和特别地测量特定气体的浓度，从这些结构情况中得出了用来选择适合的测量波长λM的设计标准和选择标准。在此情况下，原则上期望在得知气体混合物中的目标气体的浓度的条件下在整个测量区域上提供尽可能大的灵敏度。
另外，在不需要将准直的光束作为光源的方式中，多反射单元是具有优点的，例如，在根据U.S.6,455,854的开路式空场(Open-Path-Freifeld)装置中，光源(发射器)和探测器(接收器)必须彼此精确定向，且光束本身要例如通过激光光源进行定向，或在使用不需要在光源中本身限定地使射束准直的光源的情况下要存在用于使光束聚焦、转向和偏转的额外的光学件，例如，透镜和/或镜面。对于实际应用而言，多反射单元是尤其具有优点的，其原因在于：在唯一的镜面元件受到污染的情况下，与所具有的镜面元件作为单独反射点的结构不同，比色计中的反射表面在受到部分污染的条件下还能够继续进行测量。这种对于位置受限的局部污染并不敏感的原因在于：在光到达探测器之前，光源的光未定向地耦合到多反射单 元中，在反射表面上出现了在统计学上位置随机和变化的反射，同时还出现了单重、双重以及还有多重的反射。由此，通过这种统计学上的随机的和持续变化的反射，对位置受限的局部的污染起作用，而并不作为对于气体浓度测量的缺点。
在与监测目标气体的爆炸极限的所注意的测量范围的实际转换中，对此有利的是：例如，在测量比色计中以爆炸极限以下的相应浓度存在的目标气体造成光吸收，该光吸收例如对于目标气体甲烷而言导致探测器上的信号在大约10％至15％的范围内减少。另外，尽可能均匀地提升光吸收的特性曲线或减少探测器上的在所注意的测量区域上的信号是值得期待的。这在一方面得出了明显取决于目标气体的测量效果，另一方面可以根据相对于其他气体的横向灵敏度(Querempfindlichkeiten)以及环境条件的影响例如温度波动、空气压力影响以及湿度影响实现进一步的光吸收，而不会例如通过补偿在光学路径长度上几乎完全地吸收光。
由此，可以通过与适合的光学路径长度相结合的地选择专门适用于测量气体的测量波长，由此达到这种关于光吸收的设计标准。
为了能以高灵敏度测量低浓度，要求非常精确地实现测量装置的结构，并且要求测量装置的部件与测量任务、运行测量装置的环境条件相互非常精确地匹配。对于测量的高灵敏度和对于确定的目标气体的具体选择而言，重要的是针对目标气体的测量波长的设计以及针对比色计中的测量距离的光学路径长度的设计。比色计的结构尺寸主要由气体测量装置的可使用的结构空间来预先给定，其中，在可供使用的、与移动应用中的适用性相关的结构空间中为移动测量装置设定边界。比色计内部的测量距离的长度一方面受到测量距离本身上的光损耗的限制，并且通过由目标气体的光吸收限制，其他主要的限制由光学件产生的损耗以及由所使用的探测器的灵敏度所决定的损耗得出。
与测量装置的准确度相关的主要影响参量可能由环境条件，例如，寒冷、炎热、潮湿使测量歪曲。原则上降低比色计在使用在潮湿的测量环境中的湿度可能降低比色计内部的相对湿度并且避免比色计的壁上还有光源和探测器上形成凝聚物。
此外正如例如U.S.7,406,854中所描述的那样，根据现有技术存在公知的和有效的加热光学仪器的方法。
对于在有爆炸危险的区域中使用测量装置而言，这种加热十分危险。为了避免由于测量装置中的可能的电火花或能量放电导致在可能的情况下易爆炸的环境气体出现爆炸，在结构上强制性要求没有会引起点燃测量环境中的气体混合物的电火花或临界量的能量从测量装置进入到测量环境中。另外，一旦测量装置中自身出现爆炸，必须使得爆炸自身受限制地保持在测量装置上，且不允许转入或越入测量环境中。为此，通过保护件特别安全地实施从测量环境朝向和进入到测量比色计中的气体输入。在这种防爆实施方式中，给气体输入配有特殊的保护件。
U.S.7,285,782公知了防爆实施方式中的气体传感器，其中，通过气体交换口来实现气体交换，该气体交换口具有由烧结材料或由金属网构成的、作为保护件的灰尘和湿气过滤器。
在U.S.7,285,782中所描述的气体传感器在一个扩展实施方式中具有红外探测器，该红外探测器带有至少一个由气体特定的测量通道λ1、λ2、λ3，以及一个具有零信号、也就是不受目标气体影响的信号的参考通道λ0。为了将环境影响纳入考虑范围且对其进行补偿，在红外探测器上额外地设有温度传感器、湿度传感器以及压力传感器。
尽管气体交换口上具有保护件，但在防爆实施方式中对于测量装置的加热仍然只能以少量的能量进行，从而实现温度相对于环境升高5℃至10℃。在环境温度为10℃且相对空气湿度为100％的条件下，测量比色计 中的温度升高10℃将导致相对空气湿度降低到大约70％-80％，从而防止形成冷凝物。以原理性的方式，测量比色计中的相对空气湿度每次降低都会促使减少比色计中的冷凝物或小水滴对测量的不良影响。
通过测量实验得知：如果在测量装置运行之前或运行之中曾处于或正处于潮湿的测量环境中，尤其对于设计为带有保护件的防爆的、设计作为多反射单元对气体和气体混合物进行红外光学测量的测量装置而言，尽管进行了加热，测量仍旧会受到影响。
根据一种简单的方法由此实现为非防爆实施方式中的测量装置避免冷凝物的方案，即，明显强化加热并且由此将测量比色计加热到该测量比色计中的相对空气湿度下降到相对空气湿度的5％和10％之间的程度。但在各种情况下这均导致这种测量装置的能量损耗非期望地升高。
对于移动设备而言，无论是在防爆的实施方式中，还是在非防爆的实施方式中，运行过程中加热功率的每次提高固然与以下缺陷紧密相连，即，为此必须额外地以能量存储器(电池、可再充电的电池)的形式携带所需的电能，这可能导致产生对于移动应用而言不便利的多余重量，或在不增大设备重量的情况下缩短移动应用中的可支配的运行时间，但在实际的应用中，在使用移动气体测量设备的情况下这是不可能实现的。
对于防爆实施方式中的测量装置而言，必须极大程度地强化防爆措施，这除了整体地增大重量和结构体积以外，同时还与移动应用的多种缺陷紧密相连，除此以外还对气体入口处的结构和设计产生影响。但在结构上必须如此设计由烧结物、金属烧结物或金属网构成的这种保护件以及测量装置的其余壳体件，以便使得被提供用于进行加热的能量在故障情况下可以保留在测量装置中。由于虽然有条件地为保护件提供了非常坚固的结构，但该结构使得气体输入更为困难并且不利地改变了测量特性，尤其是在气体交换过程中通常以所谓的t10-90时间来表征的响应特性，所以经过保护元件所必需的、更久的气体扩散时间相反不利地产生了以下影响，即， 在浓度改变之后在测量环境中无法尽快足够地实现测量装置的报警功能。对于气体测量装置而言，t10-90时间被理解成检测、给出和显示出从10％的目标气体浓度到90％的目标气体浓度的气体浓度变化的那些时间。由于标准要求对测量装置中的元件的温度和携带的能量进行了限制，所以在实现过程中在防爆区域中使用测量装置还出现了其他困难。
由此，无论是对于非防爆实施方式中的测量装置而言，还是对于防爆实施方式中的测量装置而言，在实际的实现方式中均没有给出在将测量比色计中的空气湿度明显降低到5％和10％之间的值的情况下可以借助提高加热效率几乎完全避免冷凝物的可能。
在U.S.6,455,854中描述了在对于具有从一米到一千米的光学路径长度的开路式测量系统中用于借助两种参考波长补偿环境影响的设备和方法。在此情况下，使用一种适用于从一米到一千米的光学路径长度的、具有一种测量波长和两种参考波长的、从2100nm到2400nm的波长范围来测量烷烃。参考波长的特征在于，它们原则上完全不受到测量气体或测量环境的其他气体的影响。将测量波长选择为基本上在2215nm的第一参考波长λR1和2385nm的第二参考波长λR2之间的中心的2300nm。根据U.S.6,455,854通过使得第一参考波长λR1上的影响和第二参考波长λR2上的影响共同等同于对测量波长的影响，由此来补偿雾和雨对测量波长的吸收影响。
U.S.6,455,854中所选取的波长(2215nm，2300nm，2385nm)根据U.S.6,455,854适用于长度从一米至千米的光学测量距离。有条件地通过这个长度，足够大地经过目标气体的IR光吸收，从而实现了测量技术效果。
由此，U.S.6,455,854所选取的波长(2215nm，2300nm，2385nm)适用于测量技术地监控具有开放的测量距离(开路)的大型区域。在根据U.S.6,455,854的开路测量系统中，在空间上彼此相距很远(1m<l<1000m)， 几米至一千米地布置射出光的光源(发射器)和接收光的探测器(接收器)或多个接收光的探测器(接收器)。
在U.S.6,455,854中所选取的波长(2215nm，2300nm，2385nm)很难适用于明显较短的光学测量距离，例如具有封闭的光学测量距离(l<0.3m)的测量装置的光学测量距离，在该封闭的光学测量距离中辐射光的光源(发射器)和接收光的探测器(接收器)或这些接收光的探测器(接收器)相邻地共同地布置在测量比色计中作为具有小于0.3米的光学测量距离的点探测器，其原因在于：对于这些波长而言，在这个光学测量距离(l<0.3m)上由目标气体吸收的IR光并不多到能实现显著的可测量的且可使用的效果，也就无法获得例如在爆炸极限(UEG)以下所要求的精确度。由此得知：这些波长(2215nm，2300nm，2385nm)均不适合被设计成点探测器测量装置用于借助于在比色计中测量烷烃，比色计的有效光学路径长度取决于结构尺寸被设计成明显小于30cm。
在运行期间、尤其是在海洋环境中，会产生作为特殊的环境影响的湿气影响和盐分影响的组合。例如，在海上钻井平台或船舶上环境空气除了湿气以外还额外地包括细小的盐晶体。这种盐晶体以烟雾的形式进入到测量比色计中，并且在测量比色计的内壁上以及光学件，例如透镜、滤波器和镜面上沉积成非常细微的结晶的盐膜。
这种盐膜具有吸湿作用并且导致出现以下情况，即，在被含盐的烟雾污染一次后，该盐膜将在多年的运行过程中持续地从测量环境中将更多湿气“吸入”到测量比色计中。相对湿度本身由通过辐射源实现的自加热来决定，并且可以通过额外地加热探测器和/或比色计来降低到在80％的范围内的值，借此可以避免在光学部件和比色计内壁上通过构成较大的水滴而出现的冷凝物。由此确保了测量装置不会“光学失明”。在此情况下，根据本发明“光学失明”被理解成：为了进行反射而设置的光学元件在运行中不再提供反射。
根据结晶的盐膜的吸湿特性，测量环境中的湿气被吸入到测量比色计中，这在受到含盐的环境空气的一次污染后几乎表现为在测量比色计中持续的带有空气湿气的运行状况。在历经成年累月的较长的时间段中，这种持续的运行状况将用于测量装置的测量特性的测量条件设定为在测量比色计中始终具有空气湿气的测量条件，其中，通过加热仅仅能够避免在比色计的壁上以及光学部件如，透镜、滤波器和镜面上形成冷凝物和水滴，但无法阻止空气湿气以变化的和无法得知的浓度始终存在。这种空气湿气对测量波长上的光吸收产生影响，并且由此对以测量技术获得目标气体浓度的可能性和其在测量技术方面的精度和可重复性产生影响。
此外在许多应用领域通常存在环境空气中其他的成分，其能随水膜附着在比色计的表面上、探测器上和光学元件上。
化石燃料的燃烧残余物被视作为环境气体，尤其是高空气湿度的环境气体、例如雾的其他组成部分。尤其是对于在例如海上石油钻井或船舶上的应用情况下的防爆实施方式中的测量装置而言，无法单独通过加热来补偿这些环境影响、尤其是由结晶的吸湿盐膜所导致的空气湿气持续地不断进入到比色计中的影响。
即使是对于非防爆实施方式中的测量装置而言，通过改变对探测器和/或比色计的加热，例如，通过增强大热功率或提高加热温度也或者循环地对整个测量装置实施加热，仍旧无法完全补偿由细微的结晶盐膜的吸湿作用所导致的、空气湿气持续进入到比色计中的情况。
通过在比色计中或探测器上使用额外的传感器，如温度传感器、湿度传感器和压力传感器，同样无法完全补偿这些环境影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种随着对环境影响、尤其湿气影响进行补偿来位置限定地红外光学地测量气体和气体混合物的测量装置。
根据本发明，在用于随着对环境影响、尤其是湿气影响进行补偿来光学探测目标气体的设备中，以下部件设置在测量比色计(Messküvette)之中和其上以及存在于测量位置之上或测量位置附近：
-辐射源，其设计用于发出在红外频谱内的光，优选地补偿在从2000nm至5000nm的红外波长范围内的光，更优选地发出在从3000nm至4000nm的波长范围内的光，
-测量探测器，其设计用于检测辐射源的光并且将其转换成与所检测到的光的强度相符的电信号，
-至少一个参考探测器，其设计用于检测辐射源的光并将其转换成与所检测到的光的强度相符的电信号，
-气体入口，其设计用于借助气体和气体混合物的扩散与测量环境进行交换，
-布置在测量探测器之前的光学滤波件，其设计成光学的带通滤波件，并设计用于允许在红外范围内的光、优选地允许在从3200nm至3500nm的波长范围内的光通过；
-布置在至少一个参考探测器之前的光学滤波件，其设计成至少一个光学带通件，并设计用于允许在红外范围内的光、优选地允许在从3000nm至3200nm的波长范围内的光通过的，并设计用于允许在红外范围内的光、优选地允许在从3800nm至4000nm的波长范围内的光通过，以及
-运行和评估装置，其设计用于运行辐射源并且检测测量探测器和至少一个参考探测器的电信号，该运行和评估装置被进一步设计用于：从属于第一参考波长的信号λR1、属于第二参考波长的信号λR2以及属于测量波长的信号λM中，在将测量探测器的频谱测量灵敏度 特性曲线以及至少一个参考探测器的频谱测量灵敏度特性曲线计算在内、优选地将辐射源的频谱辐射特性曲线计算在内、更为优选地将第一光学滤波件的频谱透射特性和至少一个第二光学滤波件的频谱透射特性计算在内的条件下，对空气湿度的影响进行补偿并且测定目标气体浓度，其中，辐射源、测量探测器和至少一个参考探测器布置在测量比色计中，并且其中，测量比色计设计为在内壁上带有光学反射表面的多反射测量比色计，并且其中，由辐射源所射出的光在测量比色计的反射表面上经历至少一次反射之后到达测量探测器和至少一个参考探测器。
这样选择从3200nm至3500nm的范围中的测量波长，即在多反射测量比色计中通过碳氢化合物、尤其是甲烷或丙烷的目标气体在有效的光学路径长度上实现吸收。
这样选择在从3000nm至3200nm的范围内的第一参考波长以及在从3800nm至4000nm的范围内的第二参考波长，即在多反射测量比色计中并不通过碳氢化合物、尤其是甲烷或丙烷的目标气体或通过测量环境的其他气体在有效的光学路径长度上实现吸收。
在可选的和优选的方式中，在测量装置中布置有加热件，该加热件设计用于加热测量探测器和/或至少一个参考探测器和/或测量比色计的壁。更为优选的是将加热件设计用于在环境温度以上的5℃至15℃的温度范围内加热测量探测器和/或至少一个参考探测器和/或测量比色计的壁。更为优选的是将加热件布置在测量探测器背面或其附近，和/或优选地布置在至少一个参考探测器的背面或其附近，以及布置在测量比色计的壁背面或壁上。
在测量装置的一个可选的变体中，将辐射源、测量探测器以及至少一个参考探测器布置在测量比色计中的同一侧上，优选地在测量比色计的端面之一上，更为优选地基本上相邻地布置。
用于红外光学地测量气体和气体混合物的测量装置的其他部件是：控制装置，其设计用于运行加热件；能量供应装置，其设计用于为辐射源、加热件、运行和评估装置以及控制装置提供电能，并且优选地被进一步设计用于通过供应接口从外部供应电能；以及包围着这些部件的外部壳体，其设计用于容纳测量装置的元件，如带有辐射源、气体入口、保护件、测量探测器和至少一个参考探测器的测量比色计和/或优选地还有运行和评估装置以及其他部件，如控制装置和能量供应装置。
在一种优选的方式中，测量波长过滤件和/或至少一个参考波长过滤件设计为光学的干涉滤波器。
在一种优选的方式中，测量波长过滤件和/或至少一个参考波长过滤件设计为衍射的光学件。
在一种优选的方式中，测量波长过滤件和/或至少一个参考波长测量滤波件设计为光学的干涉滤波器或衍射的光学件。
在一种优选的方式中，相对于测量环境地在气体入口处布置有保护件，其设计用于阻止污染物从测量环境中转移进入到测量比色计中。
在另一种可选的方式中，在壳体中布置有显示装置，其设计用于显示测量值、干扰和警报状态。在此情况下，超过下爆炸极限(UEG)被作为典型的警报状态的实例。
在另一种可选的方式中，在壳体中布置有通信装置，其设计用于通过数据接口将测量值、干扰和警报状态传输给中心。
在另一种可选的方式中，壳体中布置有报警装置，其设计用于光学或声学地显示干扰和警报状态。
在一种可选的方式中，防爆实施方式中的测量装置设计用于进行红外光学测量的测量装置，其中，相对于测量装置布置的保护件设计用于阻止从测量比色计到测量环境中的能量传输或火花传送(Funkübergang)。在测量装置的这种可选的防爆实施方式中，这样设计壳体，即阻止从壳体利用包含在壳体中的部件测量比色计、辐射源、气体入口、保护件、测量探测器和至少一个参考探测器、控制装置、运行和评估装置、以及能量供应装置到测量环境中的能量传输或火花传送。
在一种可选的方式中，在测量比色计的壁上和/或在测量探测器和至少一个参考探测器和/或加热件附近或其上布置有至少一个温度传感器，该温度传感器设计用于检测代表了测量探测器和至少一个参考探测器的温度，并且将其作为信号进一步提供给控制装置，其中，该控制装置设计用于并能够使用温度信号用于在预先给定的温度范围中设定、保持、控制或调节加热件的和/或测量比色计的壁的和/或测量探测器的和至少一个参考探测器的温度，或将所述温度设定、保持、控制或调节到预先给定的温度值。
在另一种可选的方式中，将光学件布置在辐射源之前，该光学件设计用于聚焦辐射源的光且在频谱方面在波长范围内将光过滤到红外波长范围内的优选范围中。
根据本发明优选地将测量装置设计为结构单元。这种结构单元在此至少由带有测量探测器、至少一个参考探测器、辐射源、布置在测量探测器和至少一个参考探测器之前且优选地布置在辐射源之前的光学件的测量比色计以及运行和评估装置构成。
但在本发明的范围中还包括在结构上将运行和评估装置设计为与测量装置的其余元件完全地或至少部分地相互分离。
在结构上完全分离的实施方式中，运行和评估装置带有：用于运行和用于信号检测、信号处理、信号评估的装置；还有用于由属于第一参考波长λR1的信号、由属于第二参考波长λR2的信号、由属于测量波长λM的信号随着对空气湿度的影响进行补偿来测定目标气体浓度的装置；以及优选的目标气体浓度的输出器和/或显示器，该运行和评估装置在分离的结构单元中与测量装置的其余元件分离地布置。
一个在结构上至少部分地分离的实施情况可以在第一结构单元中包括辐射源、测量探测器和至少一个参考探测器的运行，以及优选地利用辐射源的、测量探测器的和至少一个参考探测器的特殊特性和性质数据，以及更优选地利用布置在测量探测器和至少一个参考探测器之前的光学滤波件的特性数据对测量探测器和至少一个参考探测器的信号进行信号检测和/或信号处理的至少一个第一阶段，而信号检测、信号处理、信号过滤以及信号评估的其他阶段，以及由属于第一参考波长λR1的信号、由属于第二参考波长λR2的信号和由属于测量波长λM的信号随着对空气湿度的影响进行补偿来最终测定目标气体浓度，以及优选地输出和/或显示目标气体浓度均在第二结构单元中实施。
在第一种实施方式中，根据本发明借助于在运行和评估装置中对测量探测器的信号和第一参考探测器的信号进行评估来实现对环境影响、尤其是湿度影响的补偿。
在测量探测器之前布置有光学的测量波长过滤件，该测量波长过滤件作为第一带通滤波器允许测量波长λM在3200nm至3500nm的范围中的光通向测量探测器。
测量波长过滤件的典型的带宽在关于测量波长λM的位置对称的+/-100nm的范围内。
例如，基于制造误差，测量波长过滤件的透射误差范围是光学测量波长过滤件在名义上根据规定允许测量波长λM的光通过的范围以外的+/-50nm。
特别地，根据在测量比色计中的有效的光学路径长度上有在预先给定的浓度时，通过预先给定的目标气体以使测量探测器上的测量信号信号减小的形式实现的比吸收(spezifische Absorption)来选择和调整测量波长λM。
有效的光学路径长度以测量比色计的长度的形式从可供测量装置使用的结构空间，以及从测量比色计的结构设计和多反射测量比色计的内反射特性中得出。
在将甲烷作为目标气体的应用中，被特别调整的在3200nm至3500nm范围内的测量波长λM在带有多反射单元的技术实施方式中，由于目标气体甲烷出现了在测量探测器上的测量信号示例性地、视吸收情况而定地减少10％至15％的情况。在这个将甲烷作为目标气体的应用中，在测量比色计的内部结构长度为5cm时给出了测量比色计中在12cm至17cm范围内的有效光学路径长度。另外，在这个以甲烷作为目标气体的示例性应用中，在预先给定甲烷体积浓度为5％时得出测量探测器上的测量信号的比吸收为10％至15％。5％的甲烷体积浓度大概与100％的低爆炸极限(UEG)的值相应。
在以丙烷作为目标气体的应用中，得出在3300nm至3500nm范围内的被特别调整的测量波长λM。
在第一参考探测器之前布置有第一光学参考波长过滤件，该第一光学参考波长过滤件被设计成双带通滤波器并且允许在3000nm至3200nm的范围内的第一参考波长λR1的光和在3800nm至4000nm的范围内的第二参考波长λR2的光通至第一参考探测器。
第一参考波长λR1的光和第二参考波长λR2的光两者均被允许通过双带通滤波器并且作为主要以两个频谱部分λR1+λR2累加而成的整体参考光量到达第一参考探测器上。这个参考光量被第一参考探测器检测作为零信号。
第一参考波长过滤件的典型带宽在关于参考波波长λR1，λR2的位置对称的+/-100nm的范围内。
例如，基于制造误差，参考波长过滤件的误差范围是第一光学参考波长过滤件在名义上根据规定允许第一参考波长λR1的光和第二参考波长λR2的光通过的范围以外的+/-50nm。
根据本发明，波长过滤件的带宽被理解成滤波件的一个范围，在该范围中与允许通过波长上的光的透射相比，通过滤波件的光的透射的减少了不小于3dB，其中允许通过波长被理解成测量波长λM，第一和第二参考波长λR1，λR2。
在第一种实施方式的一个变体中，测量波长过滤件和/或第一参考波长过滤件设计为衍射的光学件。
在第一种实施方式的另一个变体中，测量波长过滤件和/或第一参考波长过滤件设计为光学的干涉型滤波器。
环境影响，如温度、空气压力、盐含量，在本发明中尤其是环境空气的湿度，既影响测量波长λM又影响第一参考波长λR1和第二参考波长λR2。
正如之前所描述的那样，一方面这样选择第一和第二参考波长λR1，λR2，即，使得信号不会由于目标气体或测量环境中的另一种气体而减少。此外这样选择第一和第二参考波长λR1，λR2，即，使得环境影响、尤其是空气湿度的直接影响以及还有由盐含量所决定的空气湿度的间接影响产 生了整体上相同的、表现为信号减少的影响，这种影响与表现为测量波长λM上的信号减少的影响相应。
因此，在这个第一种实施方式的第一个变体中，这样选择第一参考波长λR1，即，所显现出来的空气湿度影响小于在测量波长λM下的影响，并且这样选择第二参考波长λR2，即，所显现出的空气湿度的影响大于在测量波长λM下的影响。
在这个第一种实施方式的第二个变体中，这样选择第一参考波长λR1，即，所显现出的空气湿度影响大于在测量波长λM下的影响，并且这样选择第二参考波长λR2，即，所显现出的空气湿度影响小于在测量波长λM下的影响。
在这个第一种实施方式的第一个和第二个变体中，相对于在测量波长λM上的影响，在参考探测器上由空气湿度在参考波长λR1，λR2上的直接和间接影响的较小和较大影响所累加得到的影响在量级方面基本上相应于在测量波长λM下空气湿度的影响。利用这种累加的影响，在湿气影响下在运行和评估装置中还可以使用累加的零信号，对于测量信号而言，该零信号可以被用作为测定气体浓度的参照量。在运行和评估装置中通过参照零信号和将测量信号与零信号相比对，测定出目标气体的气体浓度。在运行和评估装置中通过这种方式排除了湿气对测定出的气体浓度的影响，其原因在于：湿气对与测量波长λM相应的测量信号以及对累加地与第一和第二参考波长相应的累加零信号同一方向地起作用。
在第二种实施方式中，根据本发明借助于在运行和评估装置中对测量探测器的信号和第一参考探测器的信号以及第二参考探测器的信号进行评估来对环境影响、尤其是对湿气影响进行补偿。与第一种实施方式不同，在第二种实施方式中使用了两个分别具有一个附属的参考波长过滤件的参考探测器。
这两个参考探测器在第二种实施方式中被称为第一参考探测器和第二参考探测器。
两个附属的参考波长过滤件在第二种实施方式中被称为第一参考波长过滤件和第二参考波长过滤件。
在测量探测器之前布置有光学的测量波长过滤件，该测量波长过滤件作为第一带通滤波器允许在3200nm至3500nm范围内的测量波长λM的光通向测量探测器。
测量波长过滤件的典型带宽在关于测量波长λM的位置对称的+/-100nm的范围内。
例如，基于制造误差，测量波长过滤件的误差范围是光学测量波长过滤件在名义上根据规定允许测量波长λM的光通过的范围以外的+/-50nm。
正如第一种实施方式中那样，特别地根据在测量比色计中的有效的光学路径长度上通过在预先给定的浓度下的预先给定的目标气体以减少测量探测器上的信号的形式实现的比吸收，选择和调整测量波长λM。
有效的光学路径长度以测量比色计的长度的形式得出，其是由提供用于测量装置的结构空间、以及从测量比色计的结构设计和多反射测量比色计的壁的反射特性中得到的。
在将甲烷作为目标气体的应用中，被特别调整的在3200nm至3500nm范围内的测量波长λM在带有多反射室的技术实施方式中，通过目标气体甲烷出现了在测量探测器上的测量信号示例性地、视吸收情况而定地减少10％至15％的情况。在这个将甲烷作为目标气体的应用中，在测量比色计的内部结构长度为5cm的条件下示例性地给出了在12cm至17cm范围内的、测量比色计中的有效光学路径长度。另外，在这个以甲烷作为目标气体的示例性应用中，在预先给定甲烷体积浓度为5％的条件下得出测量探 测器上的测量信号的比吸收为10％至15％。5％的甲烷体积浓度大概与100％的低爆炸极限(UEG)值相应。
在以丙烷作为目标气体的应用中，得出在3300nm至3500nm范围内的被特别调整的测量波长λM。
在第一参考探测器之前布置有第一光学参考波长过滤件，该第一光学参考波长过滤件作为带通滤波器允许在3000nm至3200nm范围内的第一参考波长λR1的光通向第一参考探测器。
在第二参考探测器之前布置有第二光学参考波长过滤件，该第二光学参考波长过滤件作为带通滤波器允许在3800nm至4000nm范围内的第二参考波长λR2的光通向第二参考探测器。
第一参考波长λR1的光允许通过第一光学参考波长过滤件并且作为主要具有频谱分量λR1的参考光量的第一部分到达第一参考探测器。
第二参考波长λR2的光允许通过第二光学参考波长过滤件并且作为主要具有频谱分量λR2的参考光量的第二部分到达第二参考探测器。
参考光量的第一和第二部分在被第一和第二参考探测器测定之后在运行和评估装置中组合成零信号。
第一参考波长过滤件的典型带宽在关于第一参考波波长λR1的位置对称的+/-100nm的范围内。
第二参考波长过滤件的典型带宽在关于第二参考波波长λR2的位置对称的+/-100nm的范围内。
例如，基于制造误差，第一和第二参考波长过滤件的透射误差范围是第一光学参考波长过滤件在名义上根据规定允许第一参考波长λR1的光通 过的范围以及第二参考波长过滤件在名义上根据规定允许第二参考波长λR2的光通过的范围以外的+/-50nm。
在第二种实施方式的一个变体中，测量波长过滤件和/或第一参考波长过滤件和或第二参考波长过滤件设计为衍射的光学件。
在第二种实施方式的另一个变体中，测量波长过滤件和/或第一参考波长过滤件和或第二参考波长过滤件设计为光学的干涉型滤波器。
环境影响，如，温度、空气压力、盐含量，在本发明中尤其是环境空气的湿度，既影响测量波长λM又影响第一参考波长λR1和第二参考波长λR2。
正如之前所描述的那样，一方面这样选择第一和第二参考波长λR1，λR2，即，使得信号不会由于目标气体或测量环境中的另一种气体而减少。此外这样选择第一和第二参考波长λR1，λR2，即，使得环境影响、尤其是空气湿度的直接影响以及还有由盐含量所决定的空气湿度的间接影响在与运行和评估装置中所获得的零信号相结合的情况下，产生了相同的、表现为信号减少的影响，这种影响与作为测量波长λM上的信号减少的影响相应。
因此，在这个第二种实施方式的第一个变体中，这样选择第一参考波长λR1，即，所显现出来的空气湿度的直接和间接影响小于在测量波长λM下的影响，并且这样选择第二参考波长λR2，即，所显现出的空气湿度的直接和间接影响大于在测量波长λM下的影响。
在这个第二种实施方式的第二个变体中，这样选择第一参考波长λR1，即，所显现出的空气湿度的直接和间接影响大于在测量波长λM下的影响，并且这样选择第二参考波长λR2，即，所显现出的空气湿度的直接和间接影响小于在测量波长λM下的影响。在这个第二种实施方式的二个变体中， 由空气湿度对第一参考探测器上的与第一参考波长λR1相应的信号和第二参考探测器上的与第二参考波长λR2相应的信号的直接和间接的、较小和较大的影响，在运行和评估装置中分别得到一个与在测量波长λM下在测量探测器上的空气湿度影响相应的影响。由此，在这个第二种实施方式中，在湿气影响下也可以在运行和评估装置中使用零信号，对于测量信号而言，该零信号适合作为测定气体浓度的参照量。
也同样如第一种实施方式中那样，在运行和评估装置中通过参考测量探测器上的测量信号以及将其与零信号进行比对来测定目标气体的气体浓度。
通过这种方式，在运行和评估装置中排除了湿气对所测定出的气体浓度的影响，其原因在于：湿气对与测量波长λM相应的测量信号并且对基于在第一和第二参考探测器上的第一和第二参考波长λR1，λR2的信号测定出的零信号同一方向地起作用。
在第一和第二种实施方式的一个优选的变体中，相对于测量波长λM这样选择第一和第二参考波长λR1，λR2，即，将辐射源的频谱辐射特性纳入到考虑范围内。
为了实现上述考虑情况而如此地选择第一参考波长λR1，即，根据视湿气影响而定的对第一参考波长λR1的吸收和视辐射源的频谱辐射特性而定的第一参考波长λR1上的频谱光强累加地得出零信号的第一部分，该第一部分累加地与由视湿气影响而定的对第二参考波长λR2的吸收和视辐射源的频谱辐射特性而定的第二参考波长λR2上的频谱光强得出的零信号的第二部分共同得到零信号，这个零信号与视湿气影响而定的对测量波长λM的吸收和视辐射源的频谱辐射特性而定的在测量波长λM上的频谱光强所产生的影响相应。
在第一和第二种实施方式的一个更为优选的变体中，这样选择第一和第二参考波长λR1和λR2，即，将至少一个参考波长过滤件和测量波长过滤件的透射特性纳入考虑范围之内。
为了实现上述考虑情况而如此地选择第一参考波长λR1，即，由视湿气影响而定的对第一参考波长λR1的吸收和至少一个参考波长过滤件在第一参考波长λR1上的透射特性累加地得出零信号的第一部分，并且由视湿气影响而定的对第二参考波长λR2和至少一个参考波长过滤件在第二参考波长λR2上的透射特性累加地得出零信号的第二部分，从而使得该零信号与由视湿气影响而定的对测量波长λM的吸收和测量波长过滤件在测量波长λM上的透射特性所产生的影响相应。
在第一和第二种实施方式的一个更为优选的变体中，相对于测量波长λM如此选择第一和第二参考波长λR1和λR2，即，将辐射源的频谱辐射特性以及测量波长过滤件和至少一个参考波长过滤件的透射特性纳入到考虑范围之内。
为了实现上述考虑情况而如此地选择第一参考波长λR1，即，由视湿气影响而定的对第一参考波长λR1的吸收和至少一个参考波长过滤件的透射特性以及视辐射源的频谱辐射特性而定的在第一参考波长λR1上的频谱光强累加地得出零信号的第一部分，并且由视湿气影响而定的对第二参考波长λR2和至少一个参考波长过滤件的透射特性以及视辐射源的频谱辐射特性而定的在第二参考波长λR2上的频谱光强累加地得出零信号的第二部分，从而使得该零信号与由视湿气影响而定的对测量波长λM的吸收和测量波长过滤件的透射特性以及视辐射源的频谱辐射特性而定的在测量波长λM上的频谱光强所产生的影响相应。
在另一个优选的、可分别与之前所描述的三个实施方式相结合的实施方式中，根据辐射源的辐射特性、至少一个参考波长过滤件和测量波长过滤件的透射特性、以及由视湿气影响而定的对第一和第二参考波长的吸 收，不仅可以选择第一和第二参考波长相对于测量波长λM在频谱范围内的位置，而且至少一个参考波长过滤件的透射特性还另外与辐射源的辐射特性和/或至少一个参考探测器在第一和第二参考波长上的测量敏感度相匹配。
为此这样不同地且相互区别地选择用于第一和第二参考波长的至少一个参考波长过滤件的带宽，即，同时将辐射源的频谱强度的走向曲线和/或至少一个参考探测器在第一和第二参考波长上的不同的测量敏感度纳入到考虑范围内并且对其进行补偿。
第一和第二种实施方式的所描述的四个优选的变体能够实现在测量波长λM以上和以下的频谱刻度上选择参考波长λR1，λR2，其中，不是仅仅环境影响、尤其是湿气影响能够决定参考波长λR1，λR2在频谱刻度上相对于测量波长λM的准确位置，测量装置的其他部件同样对参考波长λR1，λR2在频谱刻度上的准确选择起决定作用。
第一种实施方式具有双带通滤波器作为参考波长过滤件，其中不考虑测量波长过滤件和参考波长过滤件的透射特性以及辐射源的频谱辐射特性，并且假设在测量波长λM以下的频谱范围内的光学测量距离上视湿气影响而定的光吸收在测量波长λM以上的范围内基本上符合可通过线性下降函数来描述的走向曲线，在根据该第一种实施方式用于确定参考波长λR1，λR2的简化的第一方法中得出：两个参考波长λR1，λR2相对于测量波长λM的距离基本上是对称的。由此例如根据该简化的方法，在测量波长λM为3300nm的情况下，第一参考波长λR1为3100nm而第二参考波长λR2为3900nm。
在考虑了辐射源在第一和第二参考波长λR1，λR2和测量波长λM的波长范围内的频谱强度的变化的走向曲线，考虑了在测量波长λM以上和以下的频谱范围内的光学测量距离上视湿气影响而定的光吸收与线性走向曲线的偏离，以及在考虑了辐射源的频谱辐射特性和测量波长过滤件的透 射特性以及参考波长过滤件的透射特性的情况下，在根据具有设计为双带通滤波器的参考波长过滤件的第一种实施方式的第二个方法中得出：在测量波长λM为3300nm的情况下，第一参考波长λR1被设定为3100nm而第二参考波长λR2被设定为3900nm。
借助下面的公式以简化的形式详细地阐述零信号的形成以及以此为基础的湿气补偿。在此情况下，根据简化的表示，以吸收信号的类型来表示吸收，其中，吸收信号被理解成物理的以及电的参量。
公式符号：
λM：测量波长
λR1：第一参考波长λR1
λR2：第二参考波长λR2
A(λ)：根据波长λ的吸收信号
Z：目标气体
K(Z)：目标气体浓度
H：测量比色计的气体室中的相对空气湿度
T(λ)：波长过滤件在波长λ上的透射特性
SR(λ)：辐射源在波长λ上的辐射特性
A(λR1，λR2)：在第一参考波长λR1和第二参考波长λR2上的累加的参考吸收信号
A(H，λR1)：视空气湿度而定的、第一参考波长λR1上的吸收信号
A(H，λR2)：视空气湿度而定的、第二参考波长λR2上的吸收信号
A(H，λM)：视空气湿度而定的、测量波长λM上的吸收信号
A(Z，λR1)：视目标气体而定的、第一参考波长λR1上的吸收信号
A(Z，λR2)：视目标气体而定的，第二参考波长λR2上的吸收信号
A(Z，λM)：视目标气体而定的、测量波长λM上的吸收信号
A(0，λM)：零信号，在测量波长λM上不被目标气体吸收且没有湿气影响
A(0，H，λM)：零信号，在测量波长λM上不被目标气体吸收但受湿气影响
A(Z，H，λR1，λR2)：在第一参考波长λR1和第二参考波长λR2上视湿度和目标气体而定的累加的吸收信号
A(Z，H，λM)：在测量波长λM上视湿度和目标气体而定的累加的吸收信号
A(Z，H，T，S，λR10，λR20)：在将至少一个测量波长过滤件在适合的参考波长λR10和λR20上的透射特性以及辐射源在适合的参考波长λR10和λR20上的辐射特性计算在内的条件下，在适合的参考波长λR10和λR20上视空气湿度和目标气体而定的累加的吸收信号
A(Z，H，T，S，λM)：在将测量波长λM过滤件在测量波长λM上的透射特性以及辐射源在测量波长λM上的辐射特性计算在内的情况下，在测量波长λM上视空气湿度和目标气体而定的累加的吸收信号
下面的阐述和推论借助简化的方程式描述了湿气影响的补偿。
这样选择参考波长，即，在第一和第二参考波长λR1，λR2上不产生通过目标气体的吸收。这通过公式[1]和公式[2]来说明。
A(Z，λR1)＝0 [1]
A(Z，λR2)＝0 [2]
在没有湿气影响的情况下，在测量波长λM上进行吸收，其具有的效果是通过目标气体的为k1的信号减少。
这样相互调整和选择测量波长λM和有效的光学路径长度，即，在此情况下对于目标气体甲烷而言，相对于零信号A(0，λM)得出k1＝0.85的信号减少。这通过公式[3]来说明。
A(Z，λM)＝k1*A(0，λM) [3]
在具有目标气体的情况下通过湿气影响在测量波长λM上相对于零信号A(0，λM)和测量信号A(Z，λM)出现为k2的额外信号减少。这通过公式[4]来说明。
A(Z，H，λM)＝k2*k1*A(0，λM) [4]
通过湿气在参考波长λR1，λR2上的吸收作为参考吸收信号从视空气湿度和目标气体而定的吸收中累加地得出。这通过公式[5]来说明。
A(Z，H，λR1，λR2)＝A(Z，λR1)+A(Z，λR2)+A(H，λR1)+A(H，λR2) [5]
在考虑[1]和[2]的情况下将公式[5]简化成公式[6]。
A(H，λR1，λR2)＝A(H，λR1)+A(H，λR2) [6]
在将信号减少k2计算在内的情况下，与在没有湿气影响的条件下相关于在参考波长上的吸收地由此得到公式[7]作为累加的参考吸收信号。
A(H，λR1，λR2)＝A(H，λR1)+A(H，λR2)＝k2*(A(λR1)+A(λR2)) [7]
若测量信号A(Z，H，λM)[4]根据累加的参考信号A(H，λR1，λR2)[6]，[7]作为商[8]，由此取决于目标气体在对湿气影响进行补偿的情况下得到了浓度信号。
K(Z，H)＝(k2*k1*A(0，λM))/ (k2*(A(λR1)+A(λR2))) [8]
K(Z，H)＝(k1*A(0，λM))/(A(λR1)+A(λR2)) [9]
由此可以看出：在公式[9]中可以排除湿气影响k2并且由此相对于测量波长λM上的零信号A(0，λM)以及参考波长λR1，λR2上的累加的参考信号A(λR1，λR2)从信号减少k1中得出信号浓度。
在考虑到辐射源的辐射特征和过滤件的透射特性的情况下得出了扩展的、用于测量波长的公式[10]，并且得出用于与辐射源的该辐射特性和参考波长过滤件的透射特性相匹配的参考波长λR10，λR20的扩展的公式[11]。在测量波长λM上的辐射源的辐射特性S(λM)以及在测量波长λM上的测量波长过滤件的透射特性均被包括在匹配的减少因数k10中。
除湿气影响H以外，辐射特性S(λR10，λR20)以及测量波长过滤件的透射特性T(λR10，λR20)也包括在匹配的因数k20中。在测量波长过滤件和参考波长过滤件的透射特性中除了波长上的透射以外还包括了各种带宽，即
A(Z，H，T，S，λM)＝k20*k10*A(0，λM) [10]
A(H，T，S，λR10，λR20)＝A(H，T，S，λR10)+A(H，T，S，λR20)＝k20*(A(λR10)+A(λR20))， [11]
由此，在求商公式[12]中，根据对湿气影响进行补偿的目标气体，在考虑到辐射源的辐射特性和具有与其相匹配的参考波长λR10，λR20的参考波长过滤件的透射特性的情况下得出浓度信号。
K(Z，H，T，S)＝(k20*k10*A(0，λM))/(k2*(A(λR10)+A(λR20))) [12]
K(Z，H，T，S)＝(k10*A(0，λM))/(A(λR1)+A(λR2)) [13]
由此，相对于测量波长λM上的零信号A(0，λM)和匹配的参考波长λR10，λR20上的累加的参考信号A(λR10，λR20)，从信号减少k10中得到目标气体浓度。
附图说明
在本发明的优选的实施方式中借助下面的附图详细地阐述本发明，其中，
图1a示出了用于随着对环境影响进行补偿来红外光学地测量气体和气体混合物的测量装置的第一实施方式；
图1b示出了根据图1a的测量装置的第一实施方式的细节图；
图2a示出了用于随着对环境影响进行补偿来红外光学地测量气体和气体混合物的测量装置的第二实施方式；
图2b示出了根据图2a的测量装置的第二实施方式的细节图；
图3示出了根据图1a、图1b、图2a、图2b的测量装置所使用的波长的频谱图。
具体实施方式
在图1a中示出了用于随着对环境影响进行补偿来红外光学地测量气体和气体混合物的第一测量装置1，其带有壳体2，该壳体带有测量比色计3，还示出了运行和评估装置8、控制装置9、能量供应装置13、通信装置16，在该通信装置上连接有显示装置15、报警装置18以及数据接口17。
运行和评估装置8与控制装置9、能量供应装置13、通信装置16相连接。能量供应装置13为报警装置18、显示装置15、控制装置9、通信装置16以及控制装置9提供电能。
在报警装置18上连接有光学报警器19和声学报警器20。
测量比色计3包括辐射源4，带有相对于测量环境6布置的保护件7的气体入口5、加热件10、第一温度传感器11和第二温度传感器12、测量探测器21、测量波长过滤件22、第一参考探测器23以及第一参考波长过滤件24。第一温度传感器11和第二温度传感器12、测量探测器21、第一参考探测器23与运行和评估装置8相连接。测量比色计3在这个第一测量装置1中设计为多反射测量比色计3。
辐射源4将在红外波长范围λXn 29(图1b)中的光射入到测量比色计3中，该光在测量比色计3中被多次反射，沿着测量比色计3的光学路径距离被目标气体吸收并且作为IR光λXk 29’(图1b)到达测量波长过滤件22和第一参考波长过滤件24上。
测量波长过滤件22允许源于红外波长范围λXk 29’的光的、在IR测量波长λMx 30(图1b)范围内的一部分通向测量探测器21。
第一参考波长过滤件24仅允许源于红外波长范围λXk 29’(图1b)的光的、处在第一IR参考波长λR1 31(图1b)的范围内的一部分通向第一参考探测器23，且允许该光的处在第二IR参考波长λR2 32(图1b)的范围内的部分通向第一参考探测器23。在运行和评估装置8中，测量探测器21的、与第一测量探测器21所检测到的测量波长λMx 30(图1b)的强度相应的信号与第一参考探测器23的、与第一参考探测器23所检测到的第一参考波长λR1 31(图1b)和所检测到的第二参考波长λR2 32(图1b)的总强度相应的信号以一种方式相互组合，即确定目标气体的浓度。运行和评估装置8将该目标气体浓度进一步传送给通信装置16，从此处进一步传 送给显示装置15、报警装置18以及数据接口17。在目标气体浓度超过预设的极限值的情况下，借助报警装置18通过光学报警器19和/或声学报警器20触发警报。
在图1b中示出了根据图1a的测量比色计3的部件3’。在图1a和图1b中的相同的元件具有与图1a中相同的附图标号。
所示出的部件3’示出了布置在测量比色计3(图1a)的一侧上的测量技术件(辐射源4、测量探测器21、测量波长过滤件22、第一参考探测器23、第一参考波长过滤件24)。
辐射源4将沿着光轴50在红外波长范围λXn 29内的、基本上不均匀的光束40形式的光射入到测量比色计3中(图1a)，这种光在多反射测量比色计3(图1a)中被多次反射，沿着测量比色计3(图1a)的光学路径距离被目标气体吸收，并且作为IR光λXk 29’到达测量波长过滤件22和第一参考波长过滤件24上。
测量波长过滤件22仅允许源于红外波长范围λXk 29’的光的、处在IR测量波长λMx30的范围内的一部分通向测量探测器21。
第一参考波长用滤波器24仅允许源于红外波长范围λXk 29’的光的、处在第一IR参考波长λR1 31的范围内的一部分且允许该光的、处于第二IR参考波长λR2 32的范围内的一部分通向第一参考探测器23。
测量探测器22和参考探测器23与运行和评估装置8(图1a)相连接，由此可以在运行和评估装置8(图1a)中评估测量探测器22和参考探测器23的信号，从而在对存在于目标气体中的湿气的影响进行补偿的情况下测定出目标气体的浓度。
在图2a中示出了用于随着对环境影响进行补偿来红外光学地测量气体和气体混合物的第二测量装置100。图2a和图1a中的相同的元件具有与图1a中相同的附图标号。
被示出的是第二测量装置100，其带有壳体2、测量比色计33、运行和评估装置8、控制装置9、带有布置在其上的输入接口14的能量供应装置13、通信装置16，在通信装置上连接有显示装置15、报警装置18和数据接口17。
运行和评估装置8与控制装置9、能量供应装置13、通信装置16相连接。能量供应装置13为报警装置18、显示装置15、控制装置9、通信装置16以及控制装置9提供电能。
在报警装置18上连接有光学报警器19和声学报警器20。测量比色计33在这个第二测量装置100中设计为多反射测量比色计3。
测量比色计33包括辐射源4、带有相对于测量环境6布置的保护件7的气体入口5、加热件10、第一温度传感器11和第二温度传感器12、测量探测器21、测量波长过滤件22、第一参考探测器25、第一参考波长过滤件26、第二参考探测器27和第二参考波长过滤件28。第一温度传感器11和第二温度传感器12、测量探测器21、第一和第二参考探测器25，27与运行和评估装置8相连接。
辐射源4将在红外波长范围λXn 29内的光射入到测量比色计3中，这种光在多反射测量比色计3(图1a)中被多次反射，沿着测量比色计3(图1a)的光学路径距离被目标气体吸收，并且作为IR光λXk 29’到达测量波长过滤件22、以及第一参考波长过滤件26和第二参考波长过滤件28上。测量波长过滤件22仅允许源于红外波长范围λXk 29’(图2b)的光的、处于IR测量波长λMx 30(图2b)的范围内的一部分通向测量探测器21。
第一参考波长过滤件26仅允许源于红外波长范围λXk 29’(图2b)的光的、处在第一IR参考波长λR1 31(图2b)的范围内的一部分通向第一参考探测器25。
第二参考波长过滤件28仅允许源于红外波长范围λXk 29’(图2b)的光的、处在第二IR参考波长λR2 32(图2b)的范围内的一部分通向第二参考探测器27。
在运行和评估装置8中，测量探测器21的、与第一测量探测器21所检测到的测量波长λMx 30(图2b)的强度相应的信号，和第一参考探测器25的、与第一参考探测器25所检测到的第一参考波长λR1 31(图2b)的强度相应的信号，以及第二参考探测器27的、与第二参考探测器27所检测到第二参考波长λR2 32(图2b)的强度相应的信号以一种方式相互组合，即确定目标气体的浓度。运行和评估装置8将该目标气体浓度进一步传送给通信装置16，从此处进一步传送给显示装置15、报警装置18以及数据接口17。在目标气体浓度超过预设的极限值的情况下，借助报警装置18通过光学报警器19和/或声学报警器20触发警报。
在图2b中示出了根据图2a的测量比色计33的部件33’。在图2a和图2b中的相同的元件具有与图2a中相同的附图标号。
所示出的部件33’示出了布置在测量比色计33(图2a)的一侧上的测量技术件(辐射源4、测量探测器21、测量波长过滤件22、第一参考探测器25、第一参考波长过滤件26、第二参考探测器27、第二参考波长过滤件28)。
辐射源4将沿着光轴50在红外波长范围λXn 29内的、基本上不均匀的光束40形式的光射入到测量比色计33(图2a)中。
这种光在多反射测量比色计33(图2a)中被多次反射，沿着测量比色计33(图2a)的光学路径距离被目标气体吸收，并且作为IR光λXk 29’到达测量波长过滤件22和第一参考波长过滤件26以及第二参考波长过滤件28上。
测量波长过滤件22仅允许源于红外波长范围λXK 29’的光的、处在IR测量波长λMx30的范围内的一部分通向测量探测器21。
第一参考波长过滤件26仅允许源于红外波长范围λXk 29’的光的、处在第一IR参考波长λR1 31的范围内的一部分通向第一参考探测器25。
第二参考波长过滤件28仅允许源于红外波长范围λXk 29’的光的、处在第二IR参考波长λR2 32的范围内的一部分通向第二参考探测器27。
测量探测器22和第一以及第二参考探测器25，27与运行和评估装置8(图1a)相连接，由此可以在运行和评估装置8(图1a)中评估测量探测器22和参考探测器25，27的信号，从而在对存在于目标气体中的湿气的影响进行补偿的情况下测定目标气体的浓度。
在图3中示出了根据图1a，图1b的测量装置1以及根据图2a，2b的测量装置100所使用的测量波长、参考波长的视图。
在横坐标(X轴)150上以线性刻度示出了从2800nm至4400nm的波长范围200。
在这个波长范围200中，在纵坐标(Y轴)160上示出了对水和/或测量环境6中的湿气的吸收(图1a，图2a)、第一参考波长过滤件24(图1a，图1b)或第一参考波长过滤件26(图2a，图2b)在第一参考波长上的透射220、第一参考波长过滤件24(图1a，图1b)或第二参考波长过滤件28(图2a，图2b)在第二参考波长上的透射240、第一测量波长过 滤件22(图1a，图1b，图2a，图2b)在测量波长上的、以虚线示出的、透射230、以及辐射源4的辐射260(图1a，1b)。
在图3中，透射220，230，240是在波长范围200中没有通过目标气体吸收的影响下所描绘的。
透射220在3100nm的参考波长λR1 31时表现出具有透射的最大值221。
透射240在3900nm的参考波长λR2 32时表现出具有透射的最大值241。透射230在3300nm的参考波长λMx 30时表现出具有透射的最大值221。另外，在所示出的透射220，230，240之中和其上，根据该图3以示意性地简化的形式描绘出带有所属带宽的相应的平均透射波长。
在第一参考波长λR1 31上的透射220具有关于在第一波长λR1 31上的最大值221对称的、大约90nn的带宽。在第二参考波长λR2 32上的透射240具有关于在第二波长λR2 32上的最大值241对称的、大约120nn的带宽。在测量波长λMx 30上的透射230具有关于在测量波长λMx 30上的最大值231对称的、大约100nn的带宽。
对于根据图1a和图1b的测量装置1而言，对第一参考波长过滤件24(图1a，图1b)在参考波长λR1 31，λR2 32上的透射221，241的带宽和最大值的选择，以这种方式考虑对水和湿气的吸收210在波长范围200上的下降的走向曲线以及辐射源4(图1a，图1b)的辐射在波长范围200上的下降的走向曲线，即，通过对水和湿气的吸收210，在第一参考探测器23(图1a，图1b)上累加的作为信号得出的效果与在和测量波长过滤件22(图2a，图2b)共同起作用的测量探测器21(图1a，图1b)上的效果一样。
对于根据图2a和图2b的测量装置100而言，对参考波长过滤件26，28(图2a，图2b)在参考波长λR1 31，λR2 32上的透射221，241的带宽和最大值的选择，以这种方式考虑对水和湿气的吸收210在波长范围200上的下降的走向曲线以及辐射源4(图2a，图2b)的辐射在波长范围200上的下降的走向曲线，即，通过对水和湿气的吸收210，在第一和第二参考探测器25，27(图2a，图2b)上累加的作为信号得出的效果与在和测量波长过滤件22(图2a，图2b)共同起作用的测量探测器21(图2a，图2b)上的效果一样。
附图标记列表
1 第一测量装置
2 壳体
3 测量比色计
3’ 测量比色计的部件
4 辐射源
5 气体入口
6 测量环境
7 保护件
8 运行和评估装置
9 控制装置
10 加热件
11 第一温度传感器
12 第二温度传感器
13 能量供应装置
14 输入接口
15 显示装置
16 通信装置
17 数据接口
18 报警装置
19 光学警报器
20 声学警报器
21 测量探测器
22 测量波长过滤件
23 第一参考探测器
24 第一参考波长过滤件
25 第一参考探测器
26 第一参考波长过滤件
27 第二参考探测器
28 第二参考波长过滤件
29 IR波长范围λXn
29’ IR波长范围λXk
30 IR测量波长λMx
31 第一IR参考波长λR1
32 第二IR参考波长λR2
33 测量比色计
33’ 测量比色计的部件
40 光束
50 光轴
100 第二测量装置
150 横坐标(X-轴)
160 纵坐标(Y-轴)
200 波长范围
210 对水和/或湿气的吸收
220 第一或第一参考波长过滤件的透射
221 第一或第一参考波长过滤件的透射的最大值
230 测量波长过滤件的透射
231 测量波长过滤件的透射的最大值
240 第一或第二参考波长过滤件的透射
241 第一或第二参考波长过滤件的透射的最大值
260 辐射源的辐射

Claims (39)

1.一种用于光学地检测气体混合物中的目标气体的设备，带有
运行和评估装置(8)和
测量比色计(3)，所述测量比色计设计为内壁上带有光学反射表面的多反射测量比色计并且具有气体入口(5)，所述气体入口设计用于与测量环境(6)交换气体和气体混合物，
其中，在所述测量比色计(3)上设置有将光发射到所述测量比色计中的辐射源(4)、测量探测器(21)以及参考探测器装置(23，25，27)，
其中，所述测量探测器(21)和所述参考探测器装置(23，25，27)设计用于检测所述辐射源(4)的光并且将所述光转换成电信号，所述电信号与所检测到的光的强度相符，
其中，在所述测量探测器(21)之前布置有光学的带通滤波件(22)，所述带通滤波件设计用于允许测量波长(30)的光通过，
其中，在所述参考探测器装置(23，25，27)之前布置有光学的双带通滤波装置(24，26，28)，所述双带通滤波装置设计用于允许第一参考波长(31)的光和第二参考波长(32)的光通过，以及
其中，所述运行和评估装置(8)设计用于运行所述辐射源(4)并且检测所述测量探测器(21)和所述参考探测器装置(23，25，27)的所述电信号。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述运行和评估装置(8)设计用于从属于所述第一参考波长(31)的信号、属于所述第二参考波长(32)的信号以及属于所述测量波长(30)的信号中，在将所述测量探测器(21)的频谱测量敏感度特征曲线计算在内并且将所述参考探测器装置(23，25，27)的频谱测量敏感度特征曲线计算在内的情况下，对空气湿度的影响进行补偿并且测定目标气体浓度。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述辐射源(4)设计用于射出红外波长范围内的光，并且
其中，所述测量波长(30)、所述第一参考波长(31)和所述第二参考波长(32)均处在所述红外光学波长范围内。
4.根据权利要求1或2所述的设备，其中，由所述辐射源(4)射出的光在所述测量比色计(3)的所述反射表面上经历至少一次反射之后到达所述测量探测器(21)和所述参考探测器装置(23，25，27)上。
5.根据权利要求3所述的设备，其中，由所述辐射源(4)射出的光在所述测量比色计(3)的所述反射表面上经历至少一次反射之后到达所述测量探测器(21)和所述参考探测器装置(23，25，27)上。
6.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述测量比色计(3)在内壁方面设计成反射的。
7.根据权利要求5所述的设备，其中，所述测量比色计(3)在内壁方面设计成反射的。
8.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述参考探测器装置设计成参考探测器(23)，并且
其中，光学的所述双带通滤波装置设计为双带通滤波件(24)，所述双带通滤波件允许所述第一参考波长(31)的光和所述第二参考波长(32)的光通过。
9.根据权利要求7所述的设备，其中，所述参考探测器装置设计成参考探测器(23)，并且
其中，光学的所述双带通滤波装置设计为双带通滤波件(24)，所述双带通滤波件允许所述第一参考波长(31)的光和所述第二参考波长(32)的光通过。
10.根据权利要求8所述的设备，其中，所述参考探测器装置具有第一参考探测器(25)和第二参考探测器(27)，
其中，光学的所述双带通滤波装置具有第一参考波长过滤件(26)和第二参考波长过滤件(28)，
其中，所述第一参考波长过滤件(26)允许所述第一参考波长范围内的光通向所述第一参考探测器(25)，以及
其中，所述第二参考波长过滤件(28)允许所述第二参考波长范围内的光通向所述第二参考探测器(27)。
11.根据权利要求9所述的设备，其中，所述参考探测器装置具有第一参考探测器(25)和第二参考探测器(27)，
其中，光学的所述双带通滤波装置具有第一参考波长过滤件(26)和第二参考波长过滤件(28)，
其中，所述第一参考波长过滤件(26)允许所述第一参考波长范围内的光通向所述第一参考探测器(25)，以及
其中，所述第二参考波长过滤件(28)允许所述第二参考波长范围内的光通向所述参考探测器(27)。
12.根据权利要求10所述的设备，其中，光学的所述带通滤波件(22)和/或所述双带通滤波件(24)和/或所述第一参考波长过滤件(26)和/或所述第二参考波长过滤件(28)设计为光学的干涉滤波器或衍射的光学件。
13.根据权利要求11所述的设备，其中，光学的所述带通滤波件(22)和/或所述双带通滤波件(24)和/或所述第一参考波长过滤件(26)和/或所述第二参考波长过滤件(28)设计为光学的干涉滤波器或衍射的光学件。
14.根据权利要求1或2所述的设备，其中，设有温度传感器(11，12)，所述温度传感器设计用于检测所述测量比色计(3)的壁、所述测量探测器(21)以及所述参考探测器装置(23，25，27)的温度。
15.根据权利要求13所述的设备，其中，设有温度传感器(11，12)，所述温度传感器设计用于检测所述测量比色计(3)的壁、所述测量探测器(21)以及所述参考探测器装置(23，25，27)的温度。
16.根据权利要求14所述的设备，其中，设有加热件(10)，所述加热件设计用于加热所述测量比色计(3)的所述壁、所述测量探测器(21)和/或所述参考探测器装置(23，25，27)。
17.根据权利要求15所述的设备，其中，设有加热件(10)，所述加热件设计用于加热所述测量比色计(3)的所述壁、所述测量探测器(21)和/或所述参考探测器装置(23，25，27)。
18.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述运行和评估装置(8)设计为在结构上至少部分地与所述测量比色计(3)相分离。
19.根据权利要求17所述的设备，其中，所述运行和评估装置(8)设计为在结构上至少部分地与所述测量比色计(3)相分离。
20.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述辐射源(4)、所述测量探测器(21)以及所述参考探测器装置(23，25，27)布置在所述测量比色计(3)中的同一侧上。
21.根据权利要求18所述的设备，其中，所述辐射源(4)、所述测量探测器(21)以及所述参考探测器装置(23，25，27)布置在所述测量比色计(3)中的同一侧上。
22.根据权利要求1或2所述的设备，其中，相对于所述测量环境(6)在所述气体入口(5)处布置有保护件(7)，所述保护件设计用于阻止污染物从所述测量环境(6)中转移到所述测量比色计(3)中和/或阻止能量从所述测量比色计(3)中转移到所述测量环境(6)中。
23.根据权利要求21所述的设备，其中，相对于所述测量环境(6)在所述气体入口(5)处布置有保护件(7)，所述保护件设计用于阻止污染物从所述测量环境(6)中转移到所述测量比色计(3)中和/或阻止能量从所述测量比色计(3)中转移到所述测量环境(6)中。
24.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述设备至少部分地布置在壳体(2)中，其中，所述壳体(2)设计为防爆的，从而不可能发生从所述壳体(2)到所述测量环境(6)中的能量传输和火花传送。
25.根据权利要求23所述的设备，其中，所述设备至少部分地布置在壳体(2)中，其中，所述壳体(2)设计为防爆的，从而不可能发生从所述壳体(2)到所述测量环境(6)中的能量传输和火花传送。
26.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述测量波长(30)具有3300nm的波长。
27.根据权利要求25所述的设备，其中，所述测量波长(30)具有3300nm的波长。
28.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述第一参考波长(31)具有3100nm的波长。
29.根据权利要求27所述的设备，其中，所述第一参考波长(31)具有3100nm的波长。
30.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述第二参考波长(32)具有3900nm的波长。
31.根据权利要求29所述的设备，其中，所述第二参考波长(32)具有3900nm的波长。
32.根据权利要求1或2所述的设备，其中，光学的所述带通滤波件(22)允许在3200nm至3500nm的所述波长范围内的光通向所述测量探测器(21)。
33.根据权利要求31所述的设备，其中，光学的所述带通滤波件(22)允许在3200nm至3500nm的所述波长范围内的光通向所述测量探测器(21)。
34.根据权利要求1或2所述的设备，其中，光学的所述双带通滤波装置(24，26，28)允许在3000nm至3200nm的所述波长范围内的光以及在3800nm至4000nm的所述波长范围内的光通向所述参考探测器装置(23，25，27)。
35.根据权利要求33所述的设备，其中，光学的所述双带通滤波装置(24，26，28)允许在3000nm至3200nm的所述波长范围内的光以及在3800nm至4000nm的所述波长范围内的光通向所述参考探测器装置(23，25，27)。
36.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述辐射源(4)射出在2000nm至5000nm的红外范围内的光。
37.根据权利要求35所述的设备，其中，所述辐射源(4)射出在2000nm至5000nm的红外范围内的光。
38.根据权利要求1或2所述的设备，其中，在所述辐射源(4)之前布置有滤波件，所述滤波件设计用于聚焦由所述辐射源(4)射出的光和/或允许在3000nm至4000nm的波长范围内的光通过。
39.根据权利要求36所述的设备，其中，在所述辐射源(4)之前布置有滤波件，所述滤波件设计用于聚焦由所述辐射源(4)射出的光和/或允许在3000nm至4000nm的波长范围内的光通过。
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