CN106030286A - 用于确定透明容器内的气体组分的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于非侵入性地确定玻璃单元的确定空间(113)内的感兴趣的气体组分的存在的装置(100)，包括激光束发射单元(101)和探测单元(102)，激光束发射单元(101)包括用于朝向所述测量空间发射激光束的激光源，探测单元(102)包括用于探测经过所述空间的所发射激光束的传输的探测器。装置被配置为在校准模式中测量与确定空间内的要被确定的气体组分至少相同的气体组分的至少一个参考峰的位置。所发射激光束被配置为经过具有至少感兴趣的气体组分的校准空间，以及探测部件被配置为基本上探测或成像经由所述校准空间传输的所述光束。所述装置也被配置为被移动以容纳激光束发射单元(101)和探测单元(102)之间的确定空间(113)，以用于所述确定空间内的感兴趣气体组分的存在的确定目的。
Description
技术领域
本发明涉及用于确定特别地在诸如绝缘玻璃单元IGU的一个或几个单独腔体的玻璃单元或任何其他类似的透明容器内的感兴趣气体组分的方法和装置。
背景技术
在玻璃制造过程中，玻璃片(被称为浮法玻璃)可以与诸如涂布或回火层的不同种类的元件组合以产生具有特定性质的用于不同目的的玻璃板。例如，绝缘玻璃单元IGU典型地构造为具有两个或多个玻璃片的构造，在片之间具有密闭空间，其中密闭空间被填充有具有低热导率的气体，诸如，氩、氙、氪氮或它们的混合物。在工业中需要检查玻璃单元的质量并确保没有泄漏，以使得填充的气体没有漏掉。
从现有技术已知不同种类的解决方案来用于确定包含在空间中的气体混合物的质量和可能的泄漏。通常，这些解决方案基于测量包含在空间中的气体混合物的气体组分的浓度，诸如测量填充气体的吸收峰，以及由此填充气体的浓度。然而，填充气体的浓度测量具有一些缺点，即，针对不同类型的填充气体，必须使用不同的激光源，这对于测量明显是昂贵的和耗时的方式。另一缺点是典型的玻璃单元内的气体体积非常小，因此要测量的气体的量很小，并且由此对于测量光束由所述气体组分导致的吸收峰(峰的振幅)也非常弱。另外，因此，要测量的气体组分的吸收峰的位置可能由于环境噪声而非常难以从所测量信号发现，环境噪声容易覆盖要确定的吸收峰并由此使得分析非常繁琐和费力。
发明内容
本发明的目标是减少和消除与已知的现有技术有关的问题。特别地，本发明的目标是提供用于进行玻璃单元的质量、或玻璃单元的空间或其他透明容器或空间内包含的气体组分的泄漏的非侵入性确定的方法。
本发明的目标可以通过独立权利要求的特征来实现。
本发明涉及根据权利要求1的用于非侵入性地确定空间内的感兴趣的存在气体组分以及由此空间的任何泄漏的装置。另外，本发明涉及相应的方法权利要求11。
根据实施例，用于非侵入性地确定玻璃单元的确定空间内的感兴趣的气体组分的存在的装置包括激光束发射单元和探测单元。激光束发射单元有利地包括用于朝向所述确定空间发射激光束的激光源。探测单元包括用于探测所发射激光束经过所述确定空间的传输的探测器。另外，装置还包括校准模式。
装置被配置为在校准模式中测量与确定空间内的要被确定的气体组分至少相同的气体组分以及有利地该相同的气体组分的至少一个参考峰的位置。在校准模式中，所发射激光束被配置为经过具有至少感兴趣的气体组分的校准空间。探测部件被配置为探测或成像经由所述校准空间传输的所述光束。要注意的是，即使装置和方法包括校准模式，也不需要在感兴趣的存在气体组分的每次单一确定测量之前执行所述校准。有利地，仅在必要时执行校准模式，其可以在例如当装置被开启时或一天一次等，但是当然，也可以利用每次确定和测量来执行校准模式。
另外，为了确定目的，装置被移动以容纳激光束发射单元和探测单元之间的确定空间，以用于确定所述确定空间内的感兴趣气体组分的存在。
气体组分要被确定的确定空间通常是绝缘玻璃单元IGU的空间，其中，空间由单元的玻璃板封闭。无论如何，确定空间也可以是任何其他确定空间或透明容器。
用于校准的校准空间可以包括具有相同的感兴趣的气体组分(例如O2)的校准室。根据实施例，校准室有利地配置在发射单元和探测单元之间，以使得所发射光束在由探测器接收到之前经过所述校准室。根据实施例，装置可以包括单元之一内的校准室，由此校准室被配置为被移动以使得所发射光束在由探测器接收到之前经过所述校准室。仍根据实施例，校准空间可以是发射单元和探测单元之间的自由空气，特别地在感兴趣的气体组分是包括在自由空气中的气体组分(例如O2)的情况下。
要注意的是，在校准模式中使用的气体组分可以例如与确定空间的填充气体相同(如果填充气体被测量的话)。然而，要注意，在许多情况下，另一气体比填充气体更容易确定为泄漏。特别地，要注意，如果玻璃单元具有任何泄漏，则填充气体将漏掉，但同时，周围空气的气体组分将扩散或流进玻璃单元的空间中。由此，要测量的和也包含在校准室或自由空气中的气体组分可能是例如O2或CO2，作为示例，并且不必是填充气体的气体组分，诸如氩、氙、氪氮或它们的混合物。如果测量表明玻璃单元内的例如氧气的存在，则可以确定泄漏。根据实施例，校准室可以填充有具有例如21％的氧气的普通空气，或者可以使用单元之间的自由空气。再次要注意，可以使用具有不同气体组分的多个不同的室。
根据有利实施例，探测部件被配置为确定或成像所述传输光束以用于分析。探测部件有利地提供对应于所测量光束的强度的电信号。
在校准过程中，激光源的馈送电流被改变(WMS技术)以扫描要确定的气体组分的峰位置。当开始校准过程时，电流被增大以改变所发射激光束的波长。同时，电流可以通过正弦信号调制以增强并使得要确定的信号更可靠。电流被增大至特定限度以使得由要测量的气体组分的吸收引起的峰位置被确定。之后，电流再次减小，从而重叠要确定的峰附近的激光源的所发射波长。由此，可以根据激光源的波长和/或馈送电流来检测峰位置。因此，实现了峰对。
要注意，即使仅知道峰的位置并且不需要校准装置以获得感兴趣气体的绝对浓度，也可以进行感兴趣的气体组分的存在的测量或确定。由此，校准应当被理解为寻找感兴趣的气体组分的参考峰的位置。通常，确定峰的位置是足够的，特别是在确定是否存在任何泄漏以及是否任何环境气体进入空间内的情况下。如果存在泄漏，则在所述峰的位置处的仅仅小的信号就显示了泄漏，并且由此不需要知道所测量气体组分的绝对浓度。无论如何，也要注意，如果需要，也可以执行校准以使得可以测量绝对浓度。为此，测量这些容器内具有不同浓度的气体组分的不同的透明容器以实现针对不同浓度的不同响应。再次，校准室内的气体组分的绝对浓度不重要，而是仅确定要测量的气体的峰的位置被应用。
根据实施例，激光束发射单元和探测单元单独地由气密密封的外壳封装。外壳有利地填充有保护气体，例如氮气或氩气，其被选择为针对所用的激光波长是惰性的。外壳另外地基本上不含要测量的气体以使得其不干扰测量。
根据实施例，装置被配置为有利地在测量之前执行自我检查。在自我检查中，装置被配置为测量装置外壳内的体积。在自我检查中，发射和探测单元相互接口以使得不包括确定空间或校准空间。由此，如果在外壳中存在任何泄漏，其将被注意到。
根据实施例，装置被配置为改变激光发射部件的温度以在扫描要测量的气体组分的峰位置附近的波长时调节所测量曲线中的峰的距离。由此，峰的距离可以在有利的位置被改变以使得峰不覆盖彼此并且实现最好的分辨率。作为示例，装置可以包括加热部件，有利地可控制的加热部件，诸如珀耳帖元件。加热部件有利地被配置为管理装置的温度以及特别地诸如可调谐二极管激光器的激光发射部件的温度。
另外，根据实施例，装置还可以包括接口部件，诸如密封构件，例如硅胶密封，其被配置为引进在感兴趣的确定空间的表面上。另外，装置可以包括负压提供部件，其被配置为在所述装置和由所述接口部件限定的确定空间的表面之间的体积中提供负压以移除装置和空间之间的空气，并且将所述装置固定至所述表面，并由此便于例如与所述表面基本垂直地定位装置，并由此最小化由于偏离的定位所导致的测量误差。装置还可以包括保护气体提供部件，其被配置为在所述装置和由所述接口部件限定的空间的表面之间的体积中提供保护气体，并由此移除任何干扰的气体组分。由于移除空气，任何可能的接口气体组分被移除，由此可以实现更准确的测量结果。
此外，根据实施例，装置还可以被配置为确定确定空间的不同层的厚度或位置和/或激光束的所述确定空间路径长度内的激光束的路径长度。这有利地通过也测量来自与要测量的空间有关的界面的反射以及反射光束在诸如行探测器的反射探测部件上的不同位置上的反射位置来实现，或者反射位置可以通过可移动探测器来确定。反射位置揭露了光束被反射的层或界面的位置，并且基于已知的光学三角法，厚度可以被确定。
确定空间中的气体组分吸收每个气体组分的非常窄线宽的特性，并且由于吸收引起的强度变化的大小与气体的浓度成比例。在感兴趣气体组分的吸收线附近或之上的强度变化是非常非线性的。在本发明中，在感兴趣气体组分的吸收线附近或之上的反射或传输光束的强度的这些非线性变化之后被确定以用于确定气体组分的浓度。
要在测量和校准中探测的吸收信号有利地通过WMS或FMS技术操作，诸如通过在要确定的气体组分的吸收特征上扫描正弦频率调制的二极管激光器以加强拟合至表示探测光束的强度和要探测的气体组分的浓度的变化的非线性曲线的二阶多项式和/或最小化所引起的低频噪声。
直接吸收的性能通常通过1/f噪声的发生降低。避免系统组件的这种低频噪声、例如1/f激光过量噪声的通常的方式是将吸收信号转移至较高的频率。在TDLAS技术中，这可以通过二极管激光器工作电流的调制来实现。这种调制导致瞬时激光器频率的调制。在与吸收线的非线性反射强度曲线相互作用时，这将导致所探测强度的周期性调制。这允许探测在基本调制频率或其泛频处的吸收信号。
例如，二极管激光器工作电流的正弦调制导致激光器输出的正弦波长(和振幅)调制。与波长相关和非线性反射信号(例如，吸收线型)的相互作用导致周期性但非正弦的反射信号，其由调制频率本身及其泛音组成。这可以在实施例中用于将探测频率移动至很少受低频噪声(例如，1/f噪声)影响的高频区域，并由此改进灵敏度。这通常通过使得锁定放大器随着激光器在感兴趣的吸收线上调谐而测量谐波分量(最通常地，二次谐波分量)的振幅来实现。
本发明提供优于已知的现有技术方法的许多有利特征，诸如甚至在每次测量之前的容易的内部或外部校准过程。另外，根据本发明，可以补偿由于激光源的温度调整引起的不精确度，影响激光器发射光束的波长和测量数据。另外，本发明能够甚至在不准确知道在校准中使用的气体组分的浓度的情况下实现确定和测量，因为本质上仅与要测量的峰的位置有关。此外，本发明的装置由于自我检查而非常可靠。校准过程以及自我检查可以甚至在每次测量之前自动和快速执行。
附图说明
接下来将根据附图参考示例性实施例更详细地描述本发明，其中：
图1A-1D示出根据本发明的有利实施例的示例性装置在校准和确定模式中的原理，
图2示出根据本发明的有利实施例的校准和测量方法的示例性原理，以及
图3示出根据本发明的有利实施例的示例性测量曲线。
具体实施方式
图1A-1D示出根据本发明的有利实施例的示例性装置100的原理，其中，装置包括发射单元101和探测单元102。激光束发射单元有利地包括用于朝向探测单元102以及在执行确定时也朝向所述确定空间113发射激光束的激光源105。探测单元102包括用于例如探测经过所述确定空间的所发射激光束的传输的探测器106。另外，装置还包括校准模式，由此所发射的激光束被配置为经过校准空间。
要注意的是，装置或单元101、102有利地还包括合适的光学部件(未示出)，其发射和准直所发射光束101a至确定或校准空间，以及将来自确定或校准空间的光束采集至所述探测器106。
用于校准的校准空间可以包括具有相同的感兴趣的气体组分的校准室。图1B描绘了以下配置，其中校准室108a被配置在发射和探测单元101、102之间，以使得所发射光束101a在被探测器106接收到之前经过所述校准室108a。图1C描绘了以下配置，其中校准室108b被配置在发射单元101内，以使得为了校准，校准室108b被配置为被移动以使得所发射光束101a在被探测器106接收到之前经过所述校准室108b。要注意的是，校准室108b也可以分别位于探测单元102中。在该实施例中，单元101、102有利地倚靠彼此接口，以使得它们不探测任何外部信号。另外，图1A描绘了以下配置，其中，所使用的校准空间是单元101、102之间的自由空气的空间108c。
为了确定目的，装置100被移动以容纳激光束发射单元101和探测单元102之间的确定空间113，以用于确定确定空间113内的感兴趣气体组分的存在，如图1D所示。
而且，可以进行自我检查，其中当校准室108b被移走以使得其不参与测量时，测量装置外壳103、104内的体积，如图1C所示。如果从所述体积没有探测到信号，则不存在泄漏并且外壳和外壳内的保护气体适当地工作。有利地，外壳是封装发射和探测单元101、102的气密密封的外壳。
装置还可以包括接口部件109，诸如密封构件，诸如硅胶密封，其被配置为在使用的情况下，被引进在感兴趣的确定空间113的表面上，或者校准室108a的表面上。另外，装置可以包括负压提供部件107，诸如真空泵，被配置为在所述装置100和所述确定或校准空间的表面之间的体积115中提供负压以从体积中移除干扰空气，以及将装置固定到所述表面，并由此便于装置例如实质上垂直于所述表面的定位，并由此最小化由于偏离的定位所造成的测量误差。装置还可以包括保护气体提供部件110，其被配置为在体积115中提供保护气体，并由此移除任何干扰的气体组分。
另外，装置可以包括控制部件112，用于控制装置的操作，诸如校准室108b的移动，以及激光束发射部件105的操作。作为示例，控制部件112可以控制激光源105的电流以扫描感兴趣气体周围的波长区域。在校准过程中以及也在确定过程中，电流被改变，如可以在图2的曲率中看到的，其中所发射光束的波长根据激光源的馈送电流而改变。图3示出测量曲线，其中由感兴趣的气体引起的峰可以基本上在同一波长处找到。峰(波长，或实际上实现所述波长的激光源的电流)的这些位置之后用于确定所述空间113中的感兴趣的气体。
此外，装置还可以包括温度管理部件111，诸如珀耳帖元件，其被配置为改变激光发射部件105的温度。通过改变温度，可以在扫描峰位置附近的波长时调节测量曲线中的峰的距离117。
发射光束被反射的部分的反射点的距离(位移)114可以容易地被确定用于厚度测量。针对厚度测量，来自与要测量的空间有关的界面的反射以及在反射探测部件、诸如在行探测器118上的不同位置上的反射光束的反射位置116可以被确定。如可以在图1D中看到的，反射位置揭露光束被反射的层或界面的位置，并且基于已知的光学三角法，厚度或其他距离可以被确定。
装置有利地也包括数据处理单元119，其被配置为执行所测量强度以及厚度、距离以及光束的路径长度、以及由光束的反射所引起的界面或表面的位次的任何计算和确定。另外，数据处理单元119可以被配置为确定所测量空间内的感兴趣气体的可能存在，以及由此任何可能的泄漏，以及相应地执行泄漏的任何指示，诸如警报。
以上参考前述实施例说明了本发明，并且展示了本发明的几个优点。清楚的是，本发明不仅限于这些实施例，而是包括在本发明的思想和以下专利权利要求的精神和范围内的所有可能实施例。即使以上仅描述了一个玻璃单元，但要注意的是，可以确定不同种类的反射透明物体，例如玻璃或塑料，诸如浮法玻璃、夹层玻璃、钢化或回火玻璃，特别是绝缘玻璃或涂布有例如导电涂层的涂层的玻璃，以及其他透明容器。要注意的是，激光束有利地以特定角度朝向空间以及界面或表面发射，以最小化干扰测量的可能的干涉，即使这由于清晰度而未在图中清楚地示出。
Claims (16)
1.一种用于非侵入性地确定玻璃单元的确定空间(113)内的感兴趣的气体组分的存在的装置(100)，其中所述装置包括激光束发射单元(101)和探测单元(102)以及校准模式，所述激光束发射单元(101)包括用于朝向所述测量空间发射激光束的激光源，所述探测单元(102)包括用于探测所发射激光束经过所述空间的传输的探测器，其特征在于
-所述装置被配置为在所述校准模式中测量与所述确定空间内的要被确定的气体组分至少相同的气体组分的至少一个参考峰的位置，其中，所述所发射激光束被配置为经过具有至少所述感兴趣的气体组分的校准空间，以及其中，所述探测部件被配置为基本上探测或成像经由所述校准空间传输的所述光束，以及
-所述装置被配置为被移动以容纳所述激光束发射单元(101)和探测单元(102)之间的所述确定空间(113)，以用于所述确定空间内的所述感兴趣气体组分的存在的确定目的。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述激光束发射单元(101)和探测单元(102)包括单独地封装两个所述单元的气密密封的外壳(103，104)，所述外壳填充有对于激光波长是惰性的保护气体并且基本上不含所述感兴趣的气体。
3.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述装置被配置为进行自我检查，其中所述探测单元(102)被配置为测量所述装置外壳内的体积，因而所述单元(101，102)被配置为相互接口以使得不包括确定空间或校准空间。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述校准空间包括a)自由空气或校准室，包括所述感兴趣的气体组分，诸如O2，并且配置在所述单元(101，102)之间，或者c)其中所述装置包括所述单元(101，102)之一内的校准室，以及所述校准室被配置为被移动以使得所发射光束在由所述探测器接收到之前经过所述校准室。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述装置被配置为改变所述激光源的电流以在校准过程中扫描要确定的气体组分的假定峰附近的波长，从而根据激光发射部件的馈送电流来确定所述峰的准确位置，由此所述装置被配置为也在测量过程中使用所述波长或峰位置以用于确定所述确定空间内的气体组分。
6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述装置被配置为改变所述激光发射部件的温度以在扫描要测量的气体组分的峰位置附近的波长时调节所测量曲线中的峰的距离。
7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述装置包括被配置为引进在要测量的确定空间的表面上的接口部件(106)，以及被配置为在所述装置和由所述接口部件限定的确定空间的表面之间的体积中提供负压的负压提供部件。
8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述装置包括被配置为引进在要测量的确定空间的表面上的接口部件，以及被配置为在所述装置和由所述接口部件限定的确定空间的表面之间的体积中提供保护气体的保护气体提供部件。
9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述装置还包括反射测量探测器，其被配置为确定所发射光束从所述确定空间的界面的反射的位置，并由此被配置为确定所述确定空间的不同层的厚度和/或所述确定空间内的激光束的路径长度。
10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述装置包括加热部件，诸如珀耳帖元件，被配置为管理所述装置的温度以及特别地诸如可调谐二极管激光器的激光发射部件的温度。
11.一种用于非侵入性地确定玻璃单元的确定空间(113)内的感兴趣的气体组分的存在的方法，其中由包括激光源的发射单元(101)朝向测量空间发射激光束，由包括探测器的探测单元(102)探测所发射激光束经过所述空间的传输，其特征在于
-关于所述确定执行的校准模式，其中，与所述确定空间内的要确定的气体组分至少相同气体组分的至少一个参考峰的位置被测量以使得所述所发射激光束经过具有至少所述感兴趣的气体组分的校准空间，以及其中，探测部件被配置为基本上探测或成像经由所述校准空间传输的所述光束，以及
-所述确定空间被容纳在所述激光束发射单元(101)和探测单元(102)之间，以用于所述确定空间内的所述感兴趣气体组分的存在的确定目的。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，进行自我检查，其中所述发射单元(101)和探测单元(102)的外壳(103，104)内的体积被测量，因而所述单元被配置为相互接口以使得不包括确定空间或校准空间。
13.根据前述方法权利要求11-11中任一项所述的方法，其中，所述校准空间包括a)自由空气或校准室，包括所述感兴趣的气体组分，诸如O2，并且配置在所述单元(101，102)之间，或者c)其中所述单元(101，102)之一内的校准室被提供和移动，以使得所发射光束在由所述探测器接收到之前经过所述校准室。
14.根据前述方法权利要求11-13中任一项所述的方法，其中，所述激光源的电流被改变以在校准过程中扫描要确定的气体组分的假定峰附近的波长，从而根据激光发射部件的馈送电流来确定所述峰的准确位置，并且由此也在确定过程中使用所述波长或峰位置以用于确定所述确定空间内的气体组分。
15.根据前述方法权利要求11-14中任一项所述的方法，其中，所述激光发射部件的温度被操纵以在扫描要测量的气体组分的峰位置附近的波长时调节所测量曲线中的所述峰的距离。
16.根据前述方法权利要求11-15中任一项所述的方法，其中，所述单元的接口部件被引进在要测量的确定空间的表面上，以及负压被提供至所述单元和由所述接口部件限定的确定空间的表面之间的体积中，和/或其中，保护气体被提供至所述装置和由所述接口部件限定的确定空间的表面之间的体积中。
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