CN106461513B - 确定样品气流中至少一种气体浓度的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种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，具有红外射线源，该红外射线源的射线被引导通过分析室，该装置具有样品气体流，其通过输送管导入分析室并从分析室导出，该装置具有探测器和引射泵，其设置在分析室的下游并且测量气体通过引射泵能够被输送经过分析室和传送管。但是由于在分析室中的压力波动常常出现测量不准确或者产生更高的维护和制造成本。为了避免此情况，在引导至引射泵的推进气体接口的推进气体管中设置调节阀，在推进气体管中的压力能够通过所述调节阀调节，因此，在引射泵的推进气体管和推进喷嘴中的推进压力直接根据分析室或输送管中的输送压力调节。
Description
技术领域
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被导引通过分析室，该装置具有样品气体流，所述样品气体流通过输送管导入分析室并从分析室导出，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，该装置具有引射泵，所述引射泵设置在分析室的下游并且通过所述引射泵使测量气体导引通过分析室和传送管，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，借助引射泵通过输送管吸入的样品气流导引穿过所述分析室，随后，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。
背景技术
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曲线，因此能够针对样品气体研究具体分子的存在性并且确定该分子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。
常用的激光光谱系统具有激光作为射线源，其射线通过光学路径导入分析室。在该分析室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，通过所述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吸收特性。该特性通常被称为吸收气体的线光谱。但是已经显示的是，在该光谱中的线形状与压力和温度相关。这些参数因此必须要么为了评估而保持恒定、要么必须以连续测量技术被检测和计算。因此为了提高测量精度，所述气体被预处理以及压力和温度尽可能保持恒定。
此外已经显示的是，尤其在测量热的和湿的气体时，例如内燃机的废气，必须在分析室内避免形成液化，因为其会导致测量结果的明显错误，因此测量温度常常被提高。此外还显示的是，利用降低的压力能够避免横向敏感性，因为吸收光谱在负压中非常窄和高，由此各个单独组分的光谱不再具有重叠。出于该原因分析室在负压下运行，其例如约为200hPa的绝对压力。
相应的已知的是，测量气体的输送借助真空泵实施。这在以量子级联激光作为射线源的分析室中通常借助膜片泵或叶轮式回转泵进行。
但是这些泵的缺点在于，它们会产生冲击式压力，其导致在输送管中的脉动，这又会负面地影响测量结果的质量，即当这些脉动不通过附加的构件调节时。对此出现的是，膜片泵常常仅能在最大40℃的环境温度下运行并且在输送气体的温度方面受到限制，或者当需要更高的耐热性时产生更高的成本。叶轮式回转泵具有相对较高的重量，因此很难集成在分析器的壳体中。两种泵型需要常规的维护并且承受较高的磨损。
由于这种原因在DE102006005901中推荐了一种分析器，其中气体的输送借助引射泵实施，其很大程度上无需维护地工作，因为不具有可移动的部件。输送压力的调节通过设置在输送管中的调节阀进行。
但是这种调节的缺点在于很高的推进气体消耗，因为必需对抗在输送管中的节流阀的阻力地输送，因此必须始终存在较高的推进气体压力。
发明内容
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，方法是将分析室内的压力波动最小化。所述装置应该尽可能简单地构成并且需要很少维护。同时所需推进气体的消耗以及产生的运行成本尽可能保持得较低。
所述技术问题通过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，以及通过利用这种装置的方法解决。
通过在连到引射泵(Saugstrahlpumpe，或称为喷气引射泵)的推进气体接口的推进气体管中设置调节阀(在推进气体管中的压力通过该调节阀可调节)，能够通过在喷嘴处改变推进气体(Treibgas)的推进落差
调节分析室内的压力，使得在位于分析室下游的输送管中或分析室中调整为恒定的压力的理论值，其中，调节阀是比例阀，所述比例阀仅直接根据在分析室下游的输送管中的输送压力或者在分析室中的压力调节在推进气体管中的推进压力。在方法方面这意味着，在引射泵的推进气体管中和推进喷嘴中的推进压力仅直接根据在分析室或输送管中的输送压力被调节，使得在位于分析室下游的输送管中或在分析室中调整为恒定的压力的理论值。由此输送气体不必克服阻力地被输送，由此压力空气的消耗被降低，因为始终仅取用为形成必要的压力降所需的压力空气的数量。
调节阀优选设计为比例阀，其直接根据在分析室下游的输送管中的输送压力或者在分析室中的压力调节在推进气体管中的推进压力。这意味着，随着在输送管中负压的降低而在推进气体管中产生更高的推进压力。在该实施形式中，不需要额外的构件或测量仪器。在一次校准之后在不改变边界条件的情况下形成静态状态。附加测量可以被取消，因为通过比例调节可以利用推进气体管中压力的相应改变对输送管中压力的改变直接反应，其导致了期望地将压力改变成输送管中的额定压力。
当比例阀是气动阀时获得特别简单和有利的连接，气动阀具有控制腔室，其与输送管流体地相连。相应地输送管中的输送压力被导入推进气体管中的比例阀的控制腔室中。通过所述阀的相应的设置，例如可以导致输送管中绝对压力的提高，因此调节阀将推进压力管进一步打开，因此在引射泵处的相应的负压变大，由此在输送管中的绝对压力再次下降，或者负压升高。用于测量和调节的附加构件不再需要。
还有利的是，在分析室下游在输送管中、或者在分析室中设置压力传感器。这种传感器要么直接用于调节其他类型的调节阀、要么用于监测或校准比例阀。这种装置提高了测量的可靠性和避免错误。
在扩展的实施形式中，压力传感器与调节阀的控制单元相连，所述控制单元根据压力传感器的测量值调节调节阀的形态。因此输送管中的输送压力被测量并且测量值被输入设置在推进气体管中的调节阀的控制单元，其中调节阀根据该压力值被控制。在这种实施形式中，输送管中的压力被调节至任意的理论值并且相应地根据所用的样品气体调节理想的压力。此外，非常精确的调节是可行的，其与所有边界条件完全无关。
所述装置优选具有样品气体接口和参比或冲洗气体接口，其可选地在分析室上游与输送管相连。通过这种实施形式一个单独的引射泵既可以被用于输送参比气流、又可以被用于输送样品气流，因此构件被节省。
在本发明另外有利的技术方案中，在输送管中构成支路，在支路中设置换向阀，输送管通过该换向阀可选地与样品气体接口或参比或冲洗气体接口流体技术地连接。因此通过单独的阀可以在两个接口之间切换，由此构件的数量在此被减低并且节省了成本。
此外有利的是，在输送管中在分析室的上游设置喷嘴。该喷嘴用于限定最大体积流量。
红外射线光源优选是量子级联激光，借助其可以特别精确地测量如二氧化氮或氨气这样的物质。
因此提供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，借助它们能够以很高的精度和可重复性确定气体的存在性，方法是可靠地避免压力波动和脉动。所述构造是简单且低维护的。
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。运行成本通过降低推进气体消耗而变小。
附图说明
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以放大视图示出具有引射泵的样品气流的原理视图。
具体实施方式
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，该量子联级激光器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控制并且借助在视图中未显示的珀耳帖元件冷却。
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，该探测器例如是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。这在所发送的光带的特定频域中导致射线的吸收，所述吸收表征了特定分子的存在和浓度。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。
由探测器22测得的光学频带由于被吸收的射线而具有空缺，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中通过朗伯比尔定律进行。激光12的发射波长在此这样调节，从而能有选择性地截取气体组分的特定的吸收曲线的吸收范围，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10um。
但是需要注意的是，仅当射线的行程和样品气流中待测量的分子的预期浓度之间正确地协调时才能实现可靠的测量，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。
尤其需要的是将测量条件保持恒定。在此除了恒定的温度还需要注意的是，在分析室16中的压力保持恒定并且尽可能在测量过程中不出现压力波动。
为了确保这种情况，按照本发明的样品气体输送借助引射泵30进行，样品气流通过引射泵被吸入空间20中。为此所述装置具有样品气体接口32，所述样品气体接口例如与排气源相连。排气要么未稀释地、要么以固定比例利用已知物质稀释地到达输送管34。输送管34通过喷嘴36(借助所述喷嘴设定例如1l/min的最大可用体积流量)引导至分析室16的进口38并且因此导入分析室16的空间20中。样品气流又通过出口40离开空间20，所述出口与输送管34的第二部段相连。这种输送管34的端部与引射泵30的吸入接口42相连，如图2所示。
引射泵30除了吸入接口42还具有加压气体接口44和出口46。该推进气体接口44通过推进气体管道48与压力气体设备50相连，所述压力气体设备提供具有例如7bar压力的压力空气。备选地显然也可以使用压力空气容器。推进气体以相应更高的速度通过推进气体接口44进入引射泵30并且经过推进喷嘴52，推进喷嘴为了使得推进气体的速度最大化常常设计为拉瓦尔喷嘴，因此在推进喷嘴52的出口处产更高的动态压力。通过这种由推进喷嘴52构成的出口，在下游的混合腔室54(输送管道34的吸入接口42也通入所述混合腔室)中在快速的推进气体和样品气体之间的边界层中通过摩擦和扰流形成推进气体向样品气体的脉冲传递，该样品气体相应地被推进气体携带。在混合腔室54中推进气体膨胀并且与样品气体混合，因此射束被减速。高动态压力被转换成静态压力。样品气流通过推进气流在混合腔室54中加速。在吸入接口处产生负压，样品气体通过吸入接口被继续传输。引射泵30在混合腔室54的下游具有扩散器56，吸入效果通过所述扩散器被加强。由样品气流和推进介质流构成的混合物接下来通过引射泵30的出口46流出。这种混合气体从所述装置导出。
吸入效果和在吸入接口42处的负压的理论值(其在该情况中例如为200hPa)按照本发明这样调节，即推进气体的速度和进而作用在样品气流上的推进压力通过推进气体管道48的节流被调节。这借助于设置在推进气体管道48中的调节阀60实现，所述调节阀在该实施例中设计为比例阀。该比例阀是电气动阀，其调节一方面取决于电磁铁的线圈62的通电，另一方面取决于控制室内的压力。控制室64在分析室16的下游与输送管34相连，因此推进气流的压力直接取决于输送管34中的样品气流的压力。若此时在输送管34中的理论压力值为200hPa，则通过设置比例阀60可能的是，其通电这样选择，使得在输送管34中的绝对压力较小时、比例阀60进一步封闭自由的横截面，使得推进压力变小并且因此在输送管34中的压力升高，并且反之亦然。为此调节阀60被相应地校准，因此在输送管34中的期望的压力的状态始终作为静态状态。
在图2中以虚线示出备选的实施形式。在该实施形式中在输送管34中设置压力传感器66，其测量输送管34中的压力并且其与调节阀60的控制单元68电连接，所述调节阀在该情况中例如设计为纯粹的电磁阀，因此通电与压力传感器66的压力值相应地被调整。因此例如当输送管34中的绝对压力过高并且负压较低时，则通过控制单元68的相应的信号加强通电用于进一步打开调节阀60的阀横截面，由此提高推进气流并且因此加强输送管34中的负压。
在两种实施形式中，输送管34中的压力和分析室16中的压力通过改变推进气体压力被调节。由此始终仅需要对于期望输送量所需的推进气体量。相应地引射泵30的推进气体管48中的推进气体流和推进压力始终直接根据样品气流或在分析室16或输送管34中的输送压力被调节。
除了样品气体通过样品气体接口32输送之外，所述装置具有这种可能性，即通过参比气体或冲洗气体接口70吸入冲洗气体流或参比气流。为此在分析室16之前的输送管34中并且在喷嘴35之前构成支路72，其中设置换向阀74，借助所述换向阀可以切断样品气流并且取而代之地形成与参比或冲洗气体接口70的连接。通过这种接口要么将参比气体吸入分析室16中用于校准探测器22、要么将冲洗气体吸入分析室用于清除之前测量的污染物，因此在冲刷实施之后操纵换向阀74，用于关闭冲洗气体接口70并且以下打开用于样品气流的输送管34。所述冲洗气体应该尽可能不包含在随后测量中在样品气流中应该被测量的分子，因此可以避免由于在分析室中的冲洗气体的残留导致测量结果出错。
这种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可以廉价地制造并且可以很大程度上无需维护地运行。可实现的测量结构非常精确并且可复制，尤其通过可靠地避免压力冲击。此外对推进气体的需求降低，因此节省成本。附加地所述装置相对冷凝事故不敏感并且可以在超过50℃的环境温度的高温时工作。样品气体在此也可以具有200℃的温度。为了供给电压可以使用宽带网络器件。因为真空泵不需要电压供给，所以电流需求很小。
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。
Claims (12)
1.一种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，所述装置具有：
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，所述样品气体流通过输送管(34)导入分析室(16)并从分析室(16)导出，
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，
引射泵(30)，所述引射泵设置在分析室(16)的下游，并且测量气体借助引射泵能够被输送经过分析室(16)和输送管(34)，
其特征在于，在引导至引射泵(30)的推进气体接口(44)的推进气体管(48)中设置调节阀(60)，推进气体管(48)中的压力能够通过所述调节阀调节，使得在位于分析室(16)下游的输送管(34)中或分析室(16)中的压力被调整为恒定的压力的理论值，其中，调节阀(60)是比例阀，所述比例阀仅直接根据在分析室(16)下游的输送管(34)中的输送压力或者在分析室(16)中的压力调节在推进气体管(48)中的推进压力。
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，比例阀是气动阀，所述气动阀具有控制腔室(64)，所述控制腔室与输送管(34)流通地相连。
3.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，在分析室(16)下游在输送管(34)中或者在分析室(16)中设置压力传感器(66)。
4.按照权利要求3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，压力传感器(66)与调节阀(60)的控制单元(68)相连，所述控制单元根据压力传感器(66)的测量值调节调节阀(60)的打开状态。
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，所述装置具有样品气体接口(32)和参比气体或冲洗气体接口(70)，所述样品气体接口和参比气体或冲洗气体接口有选择性地与在分析室(16)上游的输送管(34)相连。
6.按照权利要求5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，在输送管(34)中构成支路(72)，在该支路中设置换向阀(74)，输送管(34)能够通过该换向阀有选择性地与样品气体接口(32)或参比气体或冲洗气体接口(70)流通地连接。
7.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，在分析室(16)的上游的输送管(34)中设置喷嘴(36)。
8.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，红外射线源(12)是量子级联激光。
9.一种用于借助按照前述权利要求1至8之一所述的装置并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方法，其中，红外射线源(12)的射线被导入分析室(16)中，借助引射泵(30)通过输送管(34)所吸入的样品气流流动经过所述射线，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(28)中由该吸收光谱计算样品气流中气体的浓度，
其特征在于，在引射泵(30)的推进气体管(48)和推进喷嘴(52)中的推进压力仅直接根据在分析室(16)或输送管(34)中的输送压力被调节，使得在位于分析室(16)下游的输送管(34)中或在分析室(16)中的压力被调整为恒定的压力的理论值。
10.按照权利要求9所述的方法，其特征在于，随着输送管(34)中的负压的减小而在推进气体管(48)中产生更高的推进压力。
11.按照权利要求9或10所述的方法，其特征在于，输送管(34)中的输送压力被导入推进气体管(48)中的比例阀的控制腔室(64)中。
12.按照权利要求9或10所述的方法，其特征在于，输送管(34)中的输送压力被测量，并且测量值被输入设置在推进气体管(48)中的调节阀(60)的控制单元(68)中，其中，调节阀(60)根据该测量值被控制。
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