CN106164648A - 借助红外线吸收光谱确定试样气流内至少一种气体的浓度的装置 - Google Patents

Abstract

借助红外线吸收光谱确定试样气流内至少一种气体的浓度的装置是已知的，所述装置具有红外线射线源(12)、试样气流、探测器(22)以及加热源(52)，红外线射线源的射线可被导入气室(21)的腔室(20)，试样气流可导入所述腔室(20)和所述射线，从所述腔室(20)出来的射线可引到所述探测器上并且借助该探测器检测所出来的射线的吸收光谱，通过所述加热源将试样气流加热到额定温度。但是常常由于试样气流在经过光测量室的过程中在试样气流内的温度梯度而产生测量不精确性。为了避免该问题，在本申请中建议，所述加热源(52)设置在气室(21)的绝热装置(74)内，其中在该绝热装置中在所述腔室(20)的出口(62)的上游设置由所述加热源(52)加热的试样气体通道(36)。

Description

借助红外线吸收光谱确定试样气流内至少一种气体的浓度的 装置

技术领域

本发明涉及一种借助红外线吸收光谱确定试样气流内至少一种气体的浓度的装置，所述装置具有红外线射线源、试样气流、探测器以及加热源，红外线射线源的射线可被引入气室的腔室，试样气流可被导入所述腔室和所述射线，从所述腔室出来的射线可引到所述探测器上并且借助该探测器检测所出来的射线的吸收光谱，通过所述加热源将试样气流加热到额定温度。

背景技术

红外线光谱用于确定各气体组分的浓度，是公知的。广为传播的方法是傅里叶变换红外线光谱仪或非色散红外线光谱仪。随着结构紧凑的、大功率的半导体激光器的发展逐渐开创了以激光光谱学为基础的气体分析器。新型激光器、如量子级联激光器改革了处于中间红外线区域的激光光谱。

所有这些分析方法的依据在于，在用红外线照射试样气体时确定的频率范围被吸收。在这种情况下红外线处于分子键的振荡水平的区域内，通过吸收而引起分子键振荡。其前提是，存在的或在分子中产生的偶极矩。不同的振荡状态引发不同光频率的红外线的吸收损失。因此传输中的光谱包含各个表征气体的吸收线，由此能够检测到试样气体的具体分子的存在以及确定它们在试样气体中的浓度。

利用量子级联激光器尤其能够检测在内燃机的废气中存在的污染物分子，诸如一氧化二氮，一氧化氮，二氧化氮，二氧化碳，一氧化碳和氨，以及确定它们的浓度。

普通的激光光谱系统具有作为射线源的激光器，其射线通过光路引到气室。在该气室内光束通过合适的反射镜构型被多次反射。同时，将试样气流引入所述气室，激光器的射线穿过该试样气流以及在气室内激励与光频率对应的分子。通过这种激励而吸收相应频率的能量。所发射射线的强度在光谱的这个位置降低。吸收本身不是精确严格的，而是由于温度和压力变化而要有一个扩展。以这种方式在其光谱中改变的光束离开测量室并且投射到检测器上并且通过该检测器分析所述改变的频带以及进而得出所确定物质的存在及其浓度。试样气流通常通过一个在后连接的真空泵输送。

在确定浓度时，对光谱中的吸收特性进行评估和/或分析。这种特性通常被称为所吸收的气体的线光谱。然而，业已证明，在该光谱中的线形状取决于压力和温度。因此这些参数为了评估或者必须保持恒定或者必须按测量技术连续检测和计算。因此为了提高测量精度，要调节气体以及保持压力和温度恒定。为了调温既要加热测量室也要加热测试气体的输入管。因此必须避免在整个取样内产生温度梯度，由此，一方面避免气体夹带效应，另一方面避免热紊流，而热紊流会干扰地影响在通过介质时激光射线的吸收特性。

为了对试样气体进行这样的调节，已知，要提前将气室和试样气体加热到一个特定的温度。为了预热试样气体例如使用加热软管，这一点例如在EP2388570A1中已记载。测量室与供应软管内的试样气体一样被加热到191℃。虽然这种设计有助于改善测量结果，但是存在的问题是，要使用两个不同的温度传感器和温度调节器，因此不能完全排除由于气室和试样气流之间发生的温度梯度而造成的测量误差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种借助红外线吸收确定试样气流内至少一种气体的浓度的装置，利用该装置与已知的设计相比进一步改善测量结果，为此尽可能可靠地避免试样气体与气体室之间的温度梯度。

所述技术问题通过一种具有独立权利要求特征部分特征的借助红外线吸收光谱确定试样气流内至少一种气体的浓度的装置得以解决。

所述加热源设置在气室的绝热装置内，其中在该绝热装置中在所述腔室的出口的上游设置由所述加热源加热的试样气体通道，由此达到：仅利用一个加热源既加热试样气流也加热气室。因此可以确保，在流入到气室内的试样气流与气室之间不会出现温度梯度。这改善了测量结果并且降低了实现加热和温度监控的成本。

优选，所述试样气体通道设计在所述气室的界壁的背对所述腔室的一侧上。所以气室的壁起到由于加热试样气流和气室内部的热导体的作用，由此以简单的方式避免了温差。

在一项对此继续发展的设计中，所述试样气体通道至少局部区段由所述气室界壁内的凹槽构成。这样的凹槽例如通过在界壁上铣削制成。由此不会有过渡损失地在试样气流与气室之间建立直接的热接触。

另外优选，所述试样气体通道朝所述气室的两个轴向端部延伸以及具有两个分别汇入所述腔室的出口。通过这种从两侧导入气体保证气体在气室内均匀分布，这导致，能够获得极为快速精确的结果。

在一项扩展设计中，两个通向所述出口的分通道的流程长度是相同的。这在加热分通道内的试样气流时确保，试样气流以相同的最终温度流入气室内，因为两者具有相同的传热面积。

这种相同的流程长度通过下述措施确保，即，在所述界壁上设计第一试样气体通道部段，该第一试样气体通道部段朝所述气室的两个轴向端部之间的中轴线延伸并且该第一试样气体通道部段在所述两个轴向端部之间的中心的高度上划分成两个通向所述轴向端部的分通道。因此利用设计简单的通道保证了两个分通道具有最大的相同流程长度。通过这样的流程长度确保试样气流在流入气室内时的温度相当于气室内的温度。

在本发明的另一实施形式中，所述试样气体通道设计成蛇曲形，由此可以利用界壁的最大面积来加热试样气体。

在一种扩展的实施方式中，所述试样气体通道设计在所述气室的底部上并且通过底板封闭。相应地，通道通过铣削制成以及简单地通过一个盖子封闭。因此确保一方面非常经济的制造以及另一方面向试样气流良好的热传递。

此外优选，所述试样气体通道一直延伸到所述气室的轴向界壁的近前以及所述出口分别在所述气室的中轴线上汇入所述腔室内。以这种方式，保证从相对的两侧将试样气流非常均匀地分布到气室内，由此提高测量结果的准确性。

优选，所述试样气体通道的出口沿轴向在物镜或场镜与轴向界壁之间汇入所述腔室内，由此在试样气流进入物镜或场镜之间的本身测量区域之前首先分布到该反射镜后面。这同样会导致极佳的测量结果。

另外优选，所述加热源由多个布设在所述气室的侧壁内的电加热棒或加热垫构成。这导致在气室的壁内非常均匀的热分布，从而避免温度梯度。

在一项对此继续发展的设计中，所述加热棒布设在所述侧壁的垂直延伸的孔内。这些加热棒在已装入的状态都很容易够到，因此不仅能方便地连接加热棒而且在需要时也能简便地进行更换。

另外优选，在所述界壁的至少一个中布设温度传感器，通过该温度传感器测量气室的温度。根据此传感器的测量值可调控所要供入的热量。在这种结构中，传感器既用于监测试样气体的温度也用于监测气室的温度，从而与已知的设计方案相比节省了一个传感器。

此外，所述界壁由具有超过12W/mK的导热率的材料制成，由此保证向试样气流足够好的热传导，从而排除气室与试样气流之间的温差。

因此，提供一种借助红外线吸收光谱确定试样气流内气体的浓度的装置，利用该装置能够以极高的精度和再现性确定气体的浓度和是否存在，因为避免了温度梯度。通过对气室温度和试样气体温度的共同调节进一步简化了结构，因为取消了另外的传感器，另外的加热器和它们的控制装置，从而能够成本低廉地制造该装置。

附图说明

在附图示中借助于一个具有量子级联激光器的分析器示出了按照本发明的借助红外线吸收光谱确定试样气流内至少一种气体的浓度的装置并在做如下阐述。

图1示出了量子级联激光器原理示意图；

图2示出了气室内部的立体图；

图3示出了图2所示气室的底部俯视图。

具体实施方式

在本实施例中按照本发明的借助红外线吸收光谱确定试样气流内至少一种气体的浓度的装置设计为量子级联激光器吸收光谱仪。该量子级联激光器吸收光谱仪由壳体10组成，在该壳体10中安置一个由半导体层构成的作为红外线射线源的量子级联激光器12，其或者能够连续地或者能够脉冲式地运行以及尤其在中间红外线区域内发射射线。它通过电流驱动器14控制以及由珀耳帖元件16冷却。

激光器12的光线经由多个反射镜18被导入气室21的腔室20内或者另外通过反射镜18直接导向探测器22，该探测器例如可以是MCT(汞-碲-镉)检测器，该探测器尤其适用于中间红外线区域内的光电检测以及在该探测器中将入射的光量子直接转换成可测量的光电流。在腔室20内这光线多次反射到物镜或场镜24上并且透射输入该腔室20内的试样气体。在所发射的光带的特定频率范围这导致光线的吸收，这表征了特定分子的存在和浓度。光线多次在物镜或场镜24上反射之后又离开气室21并通过随后的反射镜26被再次导向探测器器22。这些物镜中的一个设计为折叠镜28，因此根据其位置，基准激光射线通过基准气体源29达到探测器22，或者是穿过气室21的射线达到探测器22。

由探测器22测得的光频带具有通过吸收的射线形成的间隙，其大小和深度是衡量所述吸收该频率范围内的气体的浓度的一个度量。相应的换算通常通过朗伯-比尔定律实现。激光器12的发射波长在此可以这样调节，使得可以选择性地撇开气体成分的特定吸收线的吸收范围，从而避免对其他气体成分的交叉敏感性。因而在氨存在时在约10微米的波长范围内例如会出现一些间隙。

然而，必须考虑到，可靠的测量可能仅在射线的路径长度与试样气流的待测分子的预期浓度之间适当调谐的情况下实现，因此或者以未稀释的或者以已稀释试样气流工作。此外，测量条件必须保持恒定。尤其要求，试样气流和腔室20或气室21的温度保持恒定，因为激光射线的吸收是由激励分子造成的，这种激励同样随着温度变化而变化。因此，精确的测量结果只能在恒定的温度条件实现。在此，最佳温度也取决于气体的稀释程度。业已证明，在191℃的恒定温度下对于原料气体的测量以及在60℃的温度下对于稀释气体的测量会得出极佳的测量结果。

试样气体借助真空泵30输送，借助真空泵将试样气流抽吸到腔室20内。整个射线路径用一种不含有待测量气体的任何分子的气体(通常用氮气)冲刷，以避免测量结果的失真。

在气室21上设计一个试样气体入口接管34，它通过一个未示出的软管与试样气体源连接，例如与内燃机的废气通道或者与含有已稀释的试样气体的源连接。由此利用真空泵32将试样气体从入口接管34通过试样气体通道36和腔室20抽吸到真空泵32。

气室21基本上具有平行六面体形状，使得腔室20由六个界壁38，40，42，44限定。所述界壁中的两个用作在物镜或场镜24后面的轴向端部处的侧壁38并且通过螺钉固定在构成横边界的侧壁40上。激光射线在所述轴向端部上的这些侧壁38之间反射。朝上方，气室21由用作界壁的旋紧到侧壁38、40上的盖42限定边界，向下由底部44限定边界。除了在侧壁中用于固定盖42所需的孔46外，在两个侧壁内各设计三个另外的孔48、50中，它们垂直于底部44地延伸并且朝上方开口。在每两个这些孔48中安置作为加热源的电加热棒52，这些加热棒分别与轴向侧壁38的距离为侧壁40的总长度的约四分之一。另外，在每个侧壁40中设计有用于容纳温度传感器54的孔50。界壁38、40、42、44由具有至少12W/mK的良好导热性的金属制成，以便能够确保尽可能快速加热所述壁38、40、42、44和腔室20。

在底部44的背对腔室20的一侧在壁表面上铣削有凹槽56的形式的试样气体通道36。所述通道从试样气体入口接管34通过在侧壁40中的孔延伸到底部44上的入口58，所述入口位于所述气室21的第一轴向端部的区域内。从这里所述试样气体通道36在第一试样气体通道部段59内平行于侧壁40延伸，直至其大约在两个轴向侧壁38之间的中心实施一个90°的弯曲，使得其随后走向中在两个横向侧壁40之间平行于轴向侧壁38延伸。在到达相对置的侧壁40之前，该试样气体通道36分划成两个分通道60，这两个分通道以相反的90°弯弧在分通道的按直线继续延伸的且平行于侧壁40延伸的部段内延伸，从而使每个分通道朝沿轴向限界的侧壁38延伸。在即将到达所述侧壁38前，所述分通道60分别弯折，使得它们大约在气室21的中轴线上在侧壁38的近前汇入各一个出口62内。分通道60的宽度大约相当于上游试样气体通道36的一半，通过基于相同的流程长度和横截面造成的相同流动阻力而产生大致相同大小的分气流，两个相同大小的分气流通过所述两个出口62流入测量室20。这种流入在此沿轴向在轴向限界的侧壁与前置的物镜或场镜24之间实现，因此在所述试样气体进入被激光射线透射的区域之前就在测量室20中进行了分配。从而避免了由于试样气流分布不均或流速的差异而造成的不精确性。铣削的试样气体通道由未示出的螺栓连接的底板封闭，由此使试样气体通道36从各侧被限定。当然，围绕试样气体通道36在底板的支承面上以及在盖42的支承面上设置环绕的密封件66。

在与试样气体入口接管34相对置的侧壁40上大约在所述侧壁38之间的中央设置出口接管68，通过该出口接管又将试样气流从腔室20中吸出。一个连接接头70处于该出口接管68旁，在该连接接头70内插入一个温度传感器72，该温度传感器伸入腔室20内，以便测量那里存在的温度。

整个气室21布置在绝热装置74内，通过该绝热装置确保在腔室20内存在的温度与界壁38、40、42、44内的温度相同。对整个气室21的加热以及进而对试样气体通道36和腔室20的加热都是通过相同的加热源实现的，使得可以共同控制试样气流和腔室20中的温度。由于将底部中的试样气体通道选择得足够长，所以也确保了在所抽吸的试样气体进入腔室20之前具有的温度与腔室20内存在的温度相同。因此通过使用唯一一个温度控制器就可靠地避免了所导入的气体与室内部之间的温度梯度，从而可以获得非常精确的测量结果。此外，由于加热过程在后续传导过程中没有损失而节约了能量。

应当理解的是，本发明并不局限于所描述的实施例，而是在本申请独立权利要求的保护范围内的不同变型方案都是可行的。所以所述通道在气室的区域内也可以设计成其他不同的形式或者具有不同的形状，例如蛇曲形形状。对气室进行不同的结构设计也是可行的。这种加热的形式也不仅限于应用在量子级联激光器上，而是也能够适用于红外线吸收光谱仪。

Claims (15)

1.一种借助红外线吸收光谱确定试样气流内至少一种气体的浓度的装置，所述装置具有：

红外线射线源(12)，红外线射线源的射线被引入气室(21)的腔室(20)，

试样气流，试样气流被导入所述腔室(20)和所述射线，

探测器(22)，从所述腔室(20)出来的射线引到所述探测器上并且所出来的射线的吸收光谱被借助该探测器检测，以及

加热源(52)，通过所述加热源将试样气流加热到额定温度，

其特征在于，

所述加热源(52)设置在气室(21)的绝热装置(74)内，其中在该绝热装置(74)内在所述腔室(20)的出口(62)的上游设置由所述加热源(52)加热的试样气体通道(36)。

2.按照权利要求1所述的借助于红外线吸收光谱确定试样气流内至少一种气体的浓度的装置，其特征在于，所述试样气体通道(36)设计在所述气室(21)的界壁(44)的背对所述腔室(20)的一侧上。

3.按照权利要求2所述的借助于红外线吸收光谱确定试样气流内至少一种气体的浓度的装置，其特征在于，所述试样气体通道(36)的至少局部区段由所述气室(21)的界壁(44)内的凹槽(56)构成。

4.按照上述权利要求中任一项所述的借助于红外线吸收光谱确定试样气流内至少一种气体的浓度的装置，其特征在于，所述试样气体通道(36)朝所述气室(21)的两个轴向端部延伸并且具有两个分别汇入所述腔室(20)的出口(62)。

5.按照权利要求4所述的借助于红外线吸收光谱确定试样气流内至少一种气体的浓度的装置，其特征在于，两个通向所述出口(62)的分通道(60)的流程长度是相同的。

6.按照权利要求5所述的借助于红外线吸收光谱确定试样气流内至少一种气体的浓度的装置，其特征在于，在所述界壁(44)上设计第一试样气体通道部段(59)，该第一试样气体通道部段(59)朝所述气室(21)的两个轴向端部之间的中轴线延伸并且该第一试样气体通道部段(59)在所述轴向端部之间的中心的高度上划分成两个通向所述轴向端部的分通道(60)。

7.按照权利要求1至3中任一项所述的借助于红外线吸收光谱确定试样气流内至少一种气体的浓度的装置，其特征在于，所述试样气体通道(36)设计成蛇曲形。

8.按照上述权利要求中任一项所述的借助于红外线吸收光谱确定试样气流内至少一种气体的浓度的装置，其特征在于，所述试样气体通道(36)设计在所述气室(21)的底部(44)上并且通过底板封闭。

9.按照权利要求8所述的借助于红外线吸收光谱确定试样气流内至少一种气体的浓度的装置，其特征在于，所述试样气体通道(36)一直延伸到所述气室(21)的轴向界壁(38)的近前，以及所述出口(62)分别在所述气室(21)的中轴线上汇入所述腔室(20)内。

10.按照权利要求8或9所述的借助于红外线吸收光谱确定试样气流内至少一种气体的浓度的装置，其特征在于，所述试样气体通道(36)的出口(62)沿轴向在物镜或场镜(24)与轴向界壁(38)之间汇入所述腔室(20)内。

11.按照上述权利要求中任一项所述的借助于红外线吸收光谱确定试样气流内至少一种气体的浓度的装置，其特征在于，所述加热源由布设在所述气室(21)的侧壁(40)内的加热垫构成。

12.按照上述权利要求中任一项所述的借助于红外线吸收光谱确定试样气流内至少一种气体的浓度的装置，其特征在于，所述加热源由多个布设在所述气室(21)的侧壁(40)内的电加热棒(52)构成。

13.按照权利要求12所述的借助于红外线吸收光谱确定试样气流内至少一种气体的浓度的装置，其特征在于，所述加热棒(52)布设在所述侧壁(40)中的垂直延伸的孔(48)内。

14.按照上述权利要求中任一项所述的借助于红外线吸收光谱确定试样气流内至少一种气体的浓度的装置，其特征在于，在所述界壁(38，40，42，44)的至少一个中布设温度传感器(54)。

15.按照上述权利要求中任一项所述的借助于红外线吸收光谱确定试样气流内至少一种气体的浓度的装置，其特征在于，所述界壁(38，40，42，44)由具有超过12W/mK的导热率的材料制成。