CN106415240A - 借助红外吸收光谱法确定样品气流中至少一种气体的浓度的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于借助红外吸收光谱法确定样品气流中至少一种气体的浓度的装置，该装置具有红外射线源(12)，该红外射线源的光线被引导通过分析室(16)，该装置具有样品气体流，其被导入分析室(16)，该装置具有探测器(22)，通过其能够测量在分析室(16)中产生的吸收光谱，该装置具有带有热侧(68)和冷侧(70)的珀耳帖冷却元件(66)，其中，所述冷侧(70)与红外射线源(12)或探测器(22)导热地接触并且热侧与冷却体(46)导热地接触。但是由于红外射线源的热交换常常出现测量不准确性。为了避免这种测量不准确性推荐，冷却体(46)借助转速调节的通风机(38)冷却。
Description
本发明涉及一种用于借助红外吸收光谱法确定样品气流中至少一种气体的浓度的装置，该装置具有红外射线源，该红外射线源的射线通过分析室引导，该装置具有样品气体流，所述样品气体流被导入分析室，该装置具有探测器，通过所述探测器能够测量在分析室中产生的吸收光谱，该装置具有带有热侧和冷侧的珀耳帖冷却元件，其中，所述冷侧与红外射线源或探测器导热地接触并且热侧与冷却体导热地接触，本发明还涉及一种借助这种装置利用红外吸收光谱法确定样品气流中至少一种气体浓度的方法，其中，红外射线源的射线被导入分析室中，所述射线被样品气流流过，其中，借助探测器确定从分析室发出的射线的吸收光谱，并且在计算单元中由该吸收光谱计算样品气流中气体的浓度，其中，红外射线源或探测器借助珀耳帖冷却元件冷却。
红外吸收光谱法已知用于确定单独气体组分的浓度。最为普及的方法是傅里叶变换红外光谱仪或非色散的红外光谱仪。随着紧凑式、功率强大的半导体激光的发展，基于激光光谱法的气体分析设备越来越多地产生。新型激光类型如量子级联激光使得在中部红外范围中的激光光谱法发生变革。
所有这些分析方法基于的是，在利用红外光线照射样品气体时特定频域被吸收。红外光线在此位于分子键的振荡级的范围中，其通过吸收激励振荡。对此的前提是既有的或在分子中可产生的偶极矩。不同的振荡状态引起了不同光学频率的红外光线的吸收损失。在透射中的光谱因此获得了单独的针对气体特有的吸收区线，因此样品气体在具体分子的存在性方面被检测并且确定其在样品气体中的浓度。
借助量子级联激光尤其在检测在内燃机的废气中存在的有害物质分子、如笑气、一氧化氮、二氧化氮、二氧化碳、一样化碳和氨气以及确定它们的浓度。
常用的激光光谱的系统具有激光作为射线源，射线源的射线通过光学路径导入分析室。在该分析中射线通过合适的镜片配置被多重反射。同时在分析室中导入样品气流，激光的射线穿过样品气流并且在那被用于激励与光学频率对应的分子。通过这种激励，各个频率的能量被吸收。穿过的射线的强度在光谱的这个位置上下降。所述吸收自身不能非常清晰地进行，而是由于温度和压力改变而变得宽泛。通过这种方式在其光谱中改变的射线离开测量室并且到达探测器，通过探测器评估改变的频带并且推断出特定物质的存在以及其浓度。样品气流的输送通常通过后接的真空泵进行。
在确定浓度时可以评估或分析光谱中的吸收特性。该特性通常以吸收气体的谱线方式被示出。长期以来量子级联激光器仅能在低于0℃的温度范围中可靠地工作。在新一代的量子级联激光器中，激光晶体的设计被改变，并且其设计为高温量子级联激光器，其虽然能够在正常的环境温度15至40℃中工作，但是已经显示的是，由半导体层构成的量子级联激光器产生了很高的损失热并且因此在测量过程中受热。作为用于可靠地冷却量子级联激光器的最简单的方法，设置了珀耳帖元件，通过其可以尝试将激光保持在确定的温度范围中。若生成的热不能被排出，则在测量中激光的运行温度发生改变，因此这导致了所需的调谐波长的改变，并且由此由于载流子随着温度升高的移动而导致不精确的测量结果。由于这种原因量子级联激光器的温度波动理想地被降低至+-5mK。
因此在US2011/0173870A1描述了一种量子级联激光器的构造，其安装在用作散热器的金属板上，其对置侧与珀耳帖冷却元件的冷侧相连，因此通过金属板能够将热量从激光器排出。为了调节，在激光器的加强介质上设置温度传感器，通过其测量和调节激光器的温度。所述调节通过改变激光功率或电功率进行，所述功率被导入珀耳帖元件中。
但是这种调节的缺点在于，不能达成静态状态，因为珀耳帖冷却元件的热侧承受环境温度的波动，因此需要持续的再调节。这导致了温度波动常常大于所要求的，并且因此在探测器信号中存在噪声。
因此所要解决的技术问题在于，提供借助红外吸收光谱法确定样品气流中至少一种气体的浓度的装置和方法，借助它们可以相对已知的实施形式进一步改善测量结果，方法是使得在量子级联激光器上的温度波动最小化。所述调节和测量子在此应该尽可能简单和廉价地制造。
所述技术问题通过具有独立权利要求1的特征的借助红外吸收光谱法确定样品气流中至少一种气体的浓度的装置解决，以及通过按照独立权利要求14的利用这种装置的方法解决。
通过借助转速调节的通风机冷却所述冷却体，在珀耳帖冷却元件的热侧上的温度以及在珀耳帖冷却元件的冷侧上的温度在激光器的损失功率恒定时保持不变，因为相对环境温度(即珀耳帖冷却元件的热量排出时所具有的温度)的独立性被实现。通过通风机的冷却效果因此基本上保持恒定，其方法在于当环境温度提高时提高转速。
由此，关于按照本发明的方法，珀耳帖冷却元件的热侧借助转速可调的通风机至少间接地被冷却。所述冷却理论上可以直接进行，但是通常通过导热连接的冷却体实施。重要的是，通过通风机的转速调节可以调节热排放、而无需改变珀耳帖冷却元件的功率。
在此通风机的转速调节优选借助脉冲宽度调制进行。通风机的转速相应地通过脉冲宽度调制信号的改变进行。所述调节可以简单地在控制器中实施并且减小电流消耗。
在一种有利的实施形式中，红外射线源设置在金属板上，所述金属板与珀耳帖冷却元件的冷侧相连。因此保证了较好的热传递，其中同时实现激光器可靠的固定，例如通过螺栓连接在金属板上。所述板也可以借助相应的用于激光器的保持件实施。此外保证了在珀耳帖冷却元件上完全地面状地贴靠，其对于正确的使用是需要的。
温度传感器优选测量基本上与珀耳帖冷却元件的热侧的温度对应的温度，其中温度传感器与通风机的电子计算单元电连接。相应地根据珀耳帖冷却元件的热侧的温度进行所述调节，所述温度通过通风机的调节被保持恒定。
作为补充，另外的温度传感器测量与珀耳帖冷却元件的冷侧的温度对应的温度，其中，所述温度传感器与珀耳帖冷却元件的电子调节单元电连接。通过调整电流强度可以在激光器芯片上产生恒定的温度。这种调节在非常窄的界限中进行，因为热侧借助通风机被保持在恒定的温度上。通过这种两级的调节实现很小的温度偏差。
红外射线源具有激光器芯片，其有利地借助保持件固定，并且与金属板导热地接触。这简化了激光器的装配。
在此金属板优选是铜板，因为铜具有非常好的导热性能，因此热能够很好地从半导体芯片排出。
在一种扩展实施形式中，冷却体在其背离珀耳帖冷却元件的底侧上具有肋片，通过它们能够增大热交换面积，因此更多的热通过气流排出。
在一种特别优选的实施形式中，光学元件在分析室外部设置在光学板上，所述光学板在冷却体和珀耳帖冷却元件的热侧之间导热地布置。相应地整个光路为了减小热噪声被保持在尽可能恒定的温度上。
在这种实施形式中，温度传感器测量在非常靠近珀耳帖冷却元件的区域中、在光学板的上侧的温度。该温度基本上对应珀耳帖冷却元件的热侧的温度(由于直接的导热连接)。同时保证的是，光学板被保持在恒定温度上，而其不会影响珀耳帖冷却元件的热侧的温度的调节。该温度传感器可以简单地安装在光学板上。
所述装置优选具有壳体，通风机从该壳体的周围吸入环境空气。在壳体中设置引导体，它们将空气流导向冷却体的下侧。所述冷却因此借助来自分析器的外侧的环境空气实施。因此不必提供附加的冷却元件。
为了避免操作人员进入旋转的通风机叶轮的区域中而造成损伤、以及为了改善电磁兼容性，则在壳体上第一侧壁上构成进气狭缝并且在对置的侧壁上构成出气狭缝，其中进气狭缝基本上在通风机的周围延伸，并且出气狭缝在壳体的底板和冷却体的下侧之间延伸。这导致了冷却气流沿着整个光学板引导。因此在壳体内部在光学板范围中尽可能避免温度梯度。
为了在不同构件之间保证尽可能好的热传导，则两个或多个构件如冷却体、光学板、珀耳帖冷却元件、金属板借助导热粘结剂相互连接。这用于使得在缝隙中的导热尽可能无损地进行，因此例如珀耳帖冷却元件的热侧和光学板具有基本上相同的温度，也就是从两个部件之间排出相同的热。
红外射线源优选是量子级联激光，其在中部红外范围中提供了特别好的测量结果。
因此在方法方面有利的是，借助通风机将环境空气沿着冷却体输送。因此不必采用附加的冷却措施，因此分析器可以廉价地制造和运行。
特别优选的是，冷却体被调节为在30℃至50℃之间的恒定值，尤其是40℃。相比于常见的运行温度提高的运行温度保证了，通过利用环境空气运行的通风机可以始终排出足够的热量，以便产生恒定的运行温度。附加地这种调节也可以在环境温度改变时可靠地发挥功能。
在对此的扩展的实施形式中，珀耳帖冷却元件的通电是恒定的。因为激光器在接通之后输出恒定的热量，并且另一方面通过转速可调的通风机排出相同的热量，因此可以对珀耳帖冷却元件进行恒定的通电，由此调节回路可以非常简单。
在此珀耳帖冷却元件的通电优选这样设置，使得在珀耳帖冷却元件的板之间产生20至40K的恒定温度差，这同样通过总体上恒定的其他的运行条件实现。因此由此获得简单的调节，用于使激光器产生恒定的温度。
因此实现了借助红外吸收光谱法确定样品气流中至少一种气体的浓度的装置和方法，借助其能够以更高的精度和可再现性确定气体的浓度和存在性，而尽可能没有热噪声，因为可以实现具有温度波动小于+-5mK的保持不变的边界条件。同时具有这种调节的激光器相比已知的实施形式可以简单和廉价地制造和装配。
借助红外吸收光谱法确定样品气流中至少一种气体的浓度的装置在附图中结合量子级联激光示出，并且以下结合按照本发明的方法描述。
图1以俯视图示出按照本发明的用于确定样品气流中气体的浓度的装置的示意图。
图2示出量子级联激光器与连接构件的构造的侧视图，
图3示出按照图1的装置的立体图。
按照本发明的借助红外吸收光谱法确定样品气流中至少一种气体的浓度的装置在该实施例中设计为量子级联激光吸收光谱仪(Quantenkaskadenabsorptionsspektrometer)。其由壳体10构成，在所述壳体中安置了由半导体层构成的量子级联激光器12作为红外射线源，所述红外线源要么连续地要么脉冲式工作并且尤其在发出中间红外范围中的射线。量子级联激光器12通过电流激励器14控制。
激光器12的射线通过多个镜片18导入分析室16的空间20中或者备选地通过镜片18直接导向探测器22，所述探测器例如是MCT(碲化汞镉Quecksilber-Cadmium-Tellurid)探测器，其尤其适用于在中间红外范围中的光伏检测并且在所述MCT探测器中将所出现的光子直接转换成可测量的光电流。在空间20中射线多次地在物镜或场镜24上反射并且在此穿过在空间20中输入的样品气体。这在所发出的光带的特定频域中导致射线的吸收，所述吸收表征特定分子的存在性和浓度。在射线多次地在物镜或场镜24上反射之后，其又离开分析室16并且重新通过之后的镜片26输入探测器22。
这些镜片之一设计为折叠镜28(Klappspiegel)，因此根据折叠镜的位置，量子级联激光器12的用作参比激光束的激光束要么经过参比气体源或参比气体皿到达探测器22，要么如所述那样引导经过分析室16。
样品气体输送借助真空泵30进行，借助真空泵可以将样品气体流吸入空间20中。整个光路借助不包含待测气体的分子气体(通常是氮气)被冲刷，以便避免测量结果出错。
在分析室16上构成样品气体输入接管34，其通过未示出的软管与样品气体源(例如内燃机的排气道)相连或者与包含已经稀释的样品气体的源头相连。通过真空泵30将样品气体从输入接管34经过样品气体通道36和空间20吸入真空泵30。
由探测器22测得的光学频带由于被吸收的射线具有空缺，空缺的大小和深度是用于吸收该频域的气体的浓度的衡量标准。相应的计算以已知方式在计算单元28中通过朗伯比耳定律进行。激光器12的发射波长在此这样调节，从而能够有选择性地截取气体组分的特定的吸收区线的吸收范围，由此可以避免相对其他气体组分的横向敏感性。当存在氨气时例如在波长范围中的空缺约为10μm。
但是需要注意的是，仅当射线的波长和样品气流中待测量的分子的预期浓度之间正确协调时测量才是可靠的，因此要么必须利用未稀释的要么必须利用稀释的样品气流工作。此外测量条件必须保持恒定。
尤其需要的是，量子级联激光器12和/或探测器22以稳定的温度工作，以阻止由于温度波动导致的热噪声。
按照本发明这通过转速可调的通风机38解决。该通风机38设置在壳体10的第一侧壁40上并且通过在该侧壁40中的不可见的进气狭缝将环境空气吸入通道42中，所述通道通过呈板材壁形式的引导体被限定。通道42在其高度方面变小并且通向冷却体46下方，为进行冷却而被通风机3吸入的环境空气沿着冷却体的下侧48流动。为了提供更大的热交换面，在冷却体46的下侧48上构成肋片50，它们沿流动方向延伸。所述空气通过出气狭缝52离开壳体10，它们在与第一侧壁40对置的侧壁54上构成，并且从壳体的底板56延伸至冷却体46的下侧48。
冷却体46整面地固定在设置在其上侧58的光学板60上，因此实现了从光学板60朝向冷却体46的良好的热排放。所述光学板60用作光学元件的支架，其由镜片18、24、26、28、探测器22和量子级联激光器12构成，它们固定在光学板60的上侧62上。
激光器壳体64借助螺栓固定在光学板60上。激光器壳体64的下侧构成珀耳帖冷却元件66，其这样固定，使得其热侧68整面地固定在光学板60上并且其冷侧70整面地固定在铜块72上。为了优化在珀耳帖冷却元件66、光学板60和铜块72之间的导热，所述固定优选借助薄面状的粘接(利用导热粘结剂)进行。量子级联激光器12的激光器芯片74通过保持件74固定在铜块72上。其余的光学的激光器元件、如准直透镜75以已知方式设置在激光器壳体64中。电接头从激光器壳体64伸出，通过其为激光器芯片74和珀耳帖冷却元件66提供电流。所述调节以已知方式借助电子调节单元68进行，其设置在导体44上。
在启动时激光器芯片74首先被供给0mA至约400mA之间的坡形的电流，因此光束沿着确定的频率谱产生。由此产生的损失功率在边界条件保持不变时基本恒定。为了排出产生的热量，也可以为珀耳帖冷却元件66供给直流电压。当直流电压为24V并且电流为0.5A时，例如在珀耳帖冷却元件66的热侧68和冷侧70之间产生约30开耳文的温度差。所述调节这样进行，使得通过温度传感器80(该温度传感器在激光器芯片74附近安装在激光器壳体64中)测定的温度(该温度因此基本相当于珀耳帖冷却元件的冷侧70的温度)利用调节单元82通过调节珀耳帖冷却元件66上的电流强度被调节为例如11℃。所述温度传感器80为此例如由Pt100实施。
此时为了尽可能地将激光芯片74上的温度改变保证在+-5mK的范围中，仅通过珀耳帖冷却元件66的电流强度进行的调节常常是不够的。出于这种原因在激光器壳体64的非常接近的位置上、在光学板60上设置附加的温度传感器81，其被测量的温度由于良好的导热连接基本上相当于珀耳帖冷却元件66的热侧上的温度。温度传感器81的测量值被提供给电子计算单元37，利用该电子计算单元，还能够通过改变用于控制通风机的调制的脉冲宽度来调节通风机38的转速。
为了保持例如11℃的恒定激光器温度(该激光器温度由于在铜块72上的整面连接及其在珀耳帖冷却元件66的冷侧70上的导热连接基本上相当于珀耳帖冷却元件66的冷侧70上的温度)，则在珀耳帖冷却元件66的热侧68上的温度借助温度传感器81例如保持在恒定的40℃。相应地通过给珀耳帖冷却元件66通电，而达成尽可能恒定的29开耳文的温度差。由于珀耳帖冷却元件66的热侧68在在光学板60上的整面连接和光学板在冷却体46上的导热连接，至少在珀耳帖冷却元件66的附近区域中在冷却体46和光学板60上出现40℃的温度，并且相当于在珀耳帖冷却元件66附近的光学板60的表面上借助温度传感器81测得的温度。所述温度相对已知的调节更高，但是通过所述工作温度在热侧68上的提高产生这种可能性，即在该位置上的温度通过调节在冷却体46上的热排放仅通过在冷却体46上的气流保持恒定，因为产生热排放的气流完全通过通风机38的转速调节来控制。相应可行的是，几乎静态的温度特性被实现，其导致了激光器12的温度仅在+-5mK的范围中变化。
这意味着，与已知实施形式相比，由于环境空气的生热和由此导致的珀耳帖冷却元件的热侧的生热而进行的珀耳帖冷却元件的再调节仅非常有限地被需要。激光器的温度调节因此变得更稳定，由此减少了热噪声。这又导致了在测量吸收的射线时进而在确定气体浓度时更高的精度。
应该明确的是，本发明不局限于所述实施例，而是在独立权利要求的保护范围内可以进行各种修改。所述装置以特殊方式适用于量子级联激光器。除了脉冲宽度调制显然还可以考虑其他通风机的控制用于调节。还可以考虑的是为探测器使用温度调节。
Claims (20)
1.一种用于借助红外吸收光谱法确定样品气流中至少一种气体的浓度的装置，该装置具有
红外射线源(12)，该红外射线源的射线被引导通过分析室(16)，
样品气体流，所述样品气体流被导入分析室(16)，
探测器(22)，通过所述探测器能够测量在分析室(16)中产生的吸收光谱，
带有热侧(68)和冷侧(70)的珀耳帖冷却元件(66)，其中，所述冷侧(70)与红外射线源(12)或探测器(22)导热地接触并且热侧与冷却体(46)导热地接触，其特征在于，冷却体(46)借助转速可调的通风机(38)冷却。
2.按照权利要求1所述的借助红外吸收光谱法确定样品气流中至少一种气体的浓度的装置，其特征在于，通风机(38)的转速调节借助脉冲宽度调制进行。
3.按照权利要求1或2所述的借助红外吸收光谱法确定样品气流中至少一种气体的浓度的装置，其特征在于，红外射线源(12)设置在金属板(72)上，所述金属板与珀耳帖冷却元件(66)的冷侧(70)相连。
4.按照前述权利要求之一所述的借助红外吸收光谱法确定样品气流中至少一种气体的浓度的装置，其特征在于，温度传感器(81)测量基本上与珀耳帖冷却元件(66)的热侧(68)的温度相当的温度，其中温度传感器(81)与通风机(38)的电子计算单元(37)电连接。
5.按照前述权利要求之一所述的借助红外吸收光谱法确定样品气流中至少一种气体的浓度的装置，其特征在于，另外的温度传感器(80)测量基本上与珀耳帖冷却元件(66)的冷侧(70)的温度相当的温度，其中，所述温度传感器(80)与珀耳帖冷却元件(66)的电子调节单元(82)电连接。
6.按照前述权利要求之一所述的借助红外吸收光谱法确定样品气流中至少一种气体的浓度的装置，其特征在于，红外射线源(12)具有激光器芯片(74)，该激光器芯片借助保持件(76)固定，并且与金属板(72)导热地接触。
7.按照权利要求3至6之一所述的借助红外吸收光谱法确定样品气流中至少一种气体的浓度的装置，其特征在于，金属板(72)是铜块。
8.按照前述权利要求之一所述的借助红外吸收光谱法确定样品气流中至少一种气体的浓度的装置，其特征在于，冷却体(46)在其背离珀耳帖冷却元件(66)的底侧(48)上具有肋片(50)。
9.按照前述权利要求之一所述的借助红外吸收光谱法确定样品气流中至少一种气体的浓度的装置，其特征在于，光学元件(12,18,22,24,26,28)在分析室(16)外部设置在光学板(60)上，所述光学板导热地布置在冷却体(46)和珀耳帖冷却元件(66)的热侧(68)之间。
10.按照权利要求9所述的借助红外吸收光谱法确定样品气流中至少一种气体的浓度的装置，其特征在于，所述温度传感器(81)测量在非常靠近珀耳帖冷却元件(66)的区域中光学板(60)的上侧(62)的温度。
11.按照前述权利要求之一所述的借助红外吸收光谱法确定样品气流中至少一种气体的浓度的装置，其特征在于，所述装置具有壳体(10)，通风机(38)从该壳体的周围吸入环境空气，并且在壳体(10)中设置引导体(44)，所述引导体将空气流导向冷却体(46)的下侧(48)。
12.按照权利要求11所述的借助红外吸收光谱法确定样品气流中至少一种气体的浓度的装置，其特征在于，在壳体(10)上在第一侧壁(40)上构成进气狭缝并且在对置的侧壁(54)上构成出气狭缝(52)，其中进气狭缝基本上在通风机(38)的周围延伸，并且出气狭缝(52)在壳体(10)的底板(56)和冷却体(46)的下侧(48)之间延伸。
13.按照前述权利要求之一所述的借助红外吸收光谱法确定样品气流中至少一种气体的浓度的装置，其特征在于，冷却体(46)、光学板(60)、珀耳帖冷却元件(66)、金属板(72)中两个或多个构件借助导热粘结剂相互连接。
14.按照前述权利要求之一所述的借助红外吸收光谱法确定样品气流中至少一种气体的浓度的装置，其特征在于，红外射线源(12)是量子级联激光器。
15.一种借助按照前述权利要求之一所述的装置、利用红外吸收光谱法确定样品气流中至少一种气体浓度的方法，其中红外射线源(12)的射线被导入分析室(16)中，样品气流流动穿过所述射线，随后，借助探测器(22)测量从分析室(16)发出的射线的吸收光谱，并且在计算单元(37)中由该吸收光谱计算样品气流中气体的浓度，其中，红外射线源(12)或探测器(22)借助珀耳帖冷却元件(66)冷却，其特征在于，珀耳帖冷却元件(66)的热侧(68)借助转速可调的通风机(38)至少间接地被冷却。
16.按照权利要求15所述的利用红外吸收光谱法确定样品气流中至少一种气体浓度的方法，其特征在于，通风机(38)的转速通过脉冲宽度调制信号的改变被调节。
17.按照权利要求15或16所述的利用红外吸收光谱法确定样品气流中至少一种气体浓度的方法，其特征在于，借助通风机(38)将环境空气沿着与珀耳帖冷却元件(66)导热连接的冷却体(46)输送。
18.按照权利要求15至17之一所述的利用红外吸收光谱法确定样品气流中至少一种气体浓度的方法，其特征在于，冷却体(46)被调节为在30℃至50℃之间的恒定值，尤其是40℃。
19.按照权利要求15至18之一所述的利用红外吸收光谱法确定样品气流中至少一种气体浓度的方法，其特征在于，珀耳帖冷却元件(66)的通电基本上是恒定的。
20.按照权利要求19所述的利用红外吸收光谱法确定样品气流中至少一种气体浓度的方法，其特征在于，珀耳帖冷却元件(66)的通电这样设置，使得在珀耳帖冷却元件(66)的热侧(68)和冷侧(70)之间产生恒定的20至40K的恒定温度差。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |