CN106537117B - 具有气体分离采样气流的气体传感器的探头 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于包括光线发射器和检测器的IR或UV传感器的探头，该探头包括透镜(2)。检测器检测所发射光线在经过了待测量的气体(6)之后的光谱。本发明的传感器尤其适用于例如测量排气的恶劣环境或侵蚀环境(例如在船中、车辆中、烟囱中等)，并且包括针对精巧的光学零件的净化气体保护以防止来自排气气体的颗粒等沉积在这些光学器件上。传感器进一步具有来自待测量的气体的采样气流，该采样气流被适配成防止净化气体(7)干扰测量，其中采样气体被分成至少两股流动(6a、6b、6c)，其中一股流动(6c)被适配成用于防止净化气体影响测量区域(5)中的测量。

Description

具有气体分离采样气流的气体传感器的探头
技术领域
描述了一种用于包括光线发射器和检测器的IR或UV传感器的探头，该探头包括透镜。检测器检测所发射的光线在经过了待测量的气体之后的光谱。本发明的传感器尤其适用于例如测量排气的恶劣环境或侵蚀环境(例如在船中、车辆中、烟囱中等)，并且包括针对精巧的光学零件的净化气体保护以防止来自排气气体的颗粒等沉积在这些光学器件上。传感器进一步具有来自待测量的气体的采样气流，该采样气流被适配成防止净化气体干扰测量，其中采样气体被分离成至少两股流动，其中一股流动被适配成用于防止净化气体影响测量区域中的测量。
背景技术
在US 2008/0283753中描述了基于测量由气体对发射光线的光谱吸收的气体传感器的一个实例，其中第一过滤器的通带被安排在第二过滤器的通带内，并且评估装置形成信号的差别并且将其针对信号而标准化。
然而，在相对恶劣的环境(例如，船中、车辆中等的排气系统)中使用这样的传感器会将精巧的零件环境曝露在可能包括会对其造成伤害或仅减少其寿命的宽范围的颗粒和气体的排气管内。一个选项将是用视镜保护这些零件，使得其变得与恶劣环境隔离，但是由于颗粒等的沉降，这些视镜的透明度则可能随时间而降低。
在EP 2 604 999中发现了气体传感器的另一个实例，其披露了一种用于对气态测量介质的至少一个化学和/或物理参数进行原位光谱学吸收确定的气体分析器，其中该气体分析器包括：第一壳体；作为辐射源的至少一个激光，该激光被安排在该第一壳体中；至少一个第一处理窗口，该至少一个第一处理窗口用于将该激光所发射的辐射耦合到测量介质中；以及至少一个检测器，在与该测量介质相互作用之后，辐射被该至少一个检测器加以检测。该传感器包括在探头一侧中的多个开口，因而在外部流动条件下(例如，气体的流速)气体直接从探头的外部横向于探头的测量面积直接穿过这些开口而达到探头内部的流速。这具有一些缺点是在于，在探头的测量区域内对流动和条件不存在控制，例如，气体的交换率。
本发明介绍一种克服这样的问题的探头。
发明内容
本发明涉及一种用于气体传感器的探头，其中所述传感器被适配成基于光谱吸收来测量采样气体的至少一种物质的浓度，所述探头包括光线路径，该光线路径以至少两股流动来经过测量区域，其中一股流动可以在靠近净化气体体积的出口区段的面积中经过该测量区域，因此确保在净化气体进入到测量区域的主要部分从而干扰测量之前将其移除。
为了确保不将测量区域指引给含有气体的环境，使得恶劣环境使得流动条件等可控并且从而使得能够对通向测量区域的气体的相应流动加以调整来使其均匀、或使其中的一些或全部有所不同，该探头包括与待测量的气体的流动处于流动连通的采样入口，并且其中这个采样入口与采样气体导管处于流体连通，该采样气体导管分成第一支路和第二支路，从而将采样气体分成至少两股流动，并且其中采样入口被定位成使得待测量的气体的流动不趋于无引导地流动到采样入口中。因此，采样入口没有定位在待测量的气体的流动方向上，而是采样气体在横向方向上以与待测量的气体的流动方向相比成高于或等于约45度的角度从采样入口进入探头。
可以引入第三支路，从而形成第三流动，于是这两股流动可以被定位成靠近净化气体出口以移除进入的净化气体，而第三流动可以位于这两股流动之间以确保用采样气体填充测量区域。
为了确保将进入的净化气体快速移除，其中横过测量区域的采样气体在靠近净化气体出口的面积中以在45度范围中的角度横过测量区域。第三流动可以用与光线路径成高于或等于45度的角度来经过，因此不必确保分布地确保了待测量的气体填充测量区域的整个宽度。
为了调整相对流速，作为对于该第一、该第二和该任选的流动到测量区域的入口的第一支路、第二支路和任选的第三支路具有相对不同的流动约束。
为了防止测量区域中的颗粒与精巧(光学)零件发生接触，光线路径进一步穿过一个或多个净化气体体积，其中在该一个或多个净化气体体积中的净化气流形成气体屏障，从而防止测量区域中的颗粒经过该一个或多个净化气体体积远离测量区域的、这些精巧零件(例如透镜和反射器)所位于的这个末端。该系统可以包括这样的第一净化气体体积、这样的第二净化气体体积以及更多，这取决于精巧零件的数量和位置。
在本发明的一个实施例中，采样气体以至少两股流动进入测量区域，其中第一流动在靠近第一净化气体体积的面积中馈送到测量区域中，并且第二流动在靠近第二净化气体体积的面积中馈送到测量区域中，由此获得的是，进入测量区域的净化气体被移除并且因此不会(可能造成不可靠测量地)改变测量区域中存在的待测量的气体的浓度。
为了确保采样气体在测量区域中的完全分布，探头在另一个实施例中包括采样气体的第三流动，该第三流动在第一流动和第二流动之间馈送到测量区域中。为了更进一步确保分布，主要的第一流动穿过第一出口离开测量区域，并且主要的第二流动和第三流动穿过共用的第二出口离开测量区域。
附图说明
图1根据本发明的包括后端和探头的传感器。
图2用于气体传感器的探头的方面的实施例的图示，示出了经过第一净化气体体积和第二净化气体体积的光线路径。
图3用于气体传感器的探头的第二方面的实施例的图示，示出了净化气体供应路径、第一净化气体体积和第二净化气体体积。
图4从类似入口的点环绕净化气体体积的净化气体供应路径的图示。
图5环绕净化气体供应路径的图示，示出了净化气体在靠近测量区域的位置处进入并且在远离测量区域的位置处进入净化气体体积。
具体实施方式
本发明的详细说明
图1示出了根据本发明的具有后端(22)和探头(1)的传感器(20)的外部视图，其中探头部分(1)被适配成插入而与例如排气气体连通。探头(1)通过探头(1)和传感器(20)的凸缘(21)来附接到传感器(20)上，凸缘相应地具有开口，其中螺母和螺栓可以用于将这两个部分固定在一起。然而任何其它附接这些部分的手段也适用于本发明。
图2示出了根据本发明的探头(1)的实施例的顶部视图。
探头(1)包括被定位成与透镜(2)连通的光源和检测器系统。检测器通过光线路径发射穿过透镜(2)朝向反射器(3)的光线，该光线路径由从透镜(2)到达反射器(3)的虚线箭头展示，其中该光线朝向透镜(2)反射回并且穿过该透镜反射回到检测器。没有展示检测器和光源。所发射的光线穿过第一净化气体体积(4a)、测量区域(5)和第二净化气体体积(4b)。
第一净化气体体积(4a)和第二净化气体体积(4b)被定位在测量区域(5)与对应的透镜(2)和反射器(3)之间。净化气体(7)在净化气体体积(4a，4b)各自中在朝向测量区域(5)的方向上流动，因此防止测量区域(5)中的气体或其他物质和颗粒通过净化气体的流动而进入到净化气体体积(4a，4b)中，这因而为透镜(2)和反射器(3)相应地形成保护或帘幕。净化气体7因此至少在这些净化气体体积(4a，4b)的面积中基本上在平行于光线路径的方向上流动。
在本发明的一些实施例中，探头(1)不包括第一净化气体体积(4a)和第二净化气体体积(4b)或者仅包括第一净化气体体积和第二净化气体体积中的一者。
净化气体(7)可以是传送到系统中的特定气体或仅为空气(例如，被过滤或清洁过的)。
探头(1)包括与待测量的气体(9)的流动处于流动连通的采样入口(8a)，并且其中这个采样入口(8a)与采样气体导管(10)处于流动连通，该采样气体导管通过三个支路(10a，10b，10c)来连接至测量区域(5)。在一个实施例中，这些支路各自具有不同的流动限制，或替代性地如在所展示的实施例中，采样气体导管(10)在支路(10a，10b，10c)之间在截面中改变流动约束。进入采样入口(8a)(例如通过例如文丘里泵从气体(9)的流动吸入到采样入口(8a)中)的采样气体(6)通过这些支路(10a，10b，10c)分成进入测量区域(5)的三股流动。通过在这些支路(10a，10b，10c)中的不同流动约束，就有可能调整单独的三个流速(6a，6b，6c)，使得它们是相同的或替代性地使得其中的两者或全部是不同的。
在所展示的实施例中，这些支路(10a，10b，10c)由两个‘流动引导件’形成，这两个流动引导件被定位为在采样气体导管(10)与测量区域(5)之间的壁，并且其中不同的流动约束由这些‘流动引导件’的壁的斜面形成，该斜面朝采样气体导管(10)引导因此改变其横截面积并由此改变流动约束。可以引入多个替代实施例，例如插入具有不同长度和/或内部直径的玻璃毛细管。
所展示的实施例示出了将采样气体(6)分成三股流动(6a，6b，6c)的三个支路(10a，10b，10c)，但是替代实施例仅包括两股流动(6a，6b)和两个支路(10a，10b)。在这个实施例中，第一流动(6a)在接近第一净化气体体积(4a)的面积中进入测量腔室(5)，并且第二流动(6b)在接近第二净化气体体积(4b)的面积中进入测量腔室，并且该第一流动和该第二流动以此方式被适配成对应地将从第一净化气体体积(4a)和第二净化气体体积(4b)进入测量区域(5)的净化气体(7)移除、尤其是从测量区域(5)的中间区域移除，从而使得这个中间区域包括没有与净化气体(7)混合的采样气体(6)。如果采样气体(6)与净化气体(7)混合，则其浓度将改变并且因此影响测量。然而已经发现仅有第一流动和第二流动(6a，6b)的话经常难以用采样气体(6)来填充中间区域，并且因此为此目的在本发明的所展示的实施例中，引入了形成馈送中间区域的第三流动(6c)的第三支路(10c)。
采样出口(8b)用于在采样气体(6)已经离开测量区域(5)之后将采样气体从探头(1)排出，并且其中所述采样出口(8b)被定位成与待测量的气体(9)的流动处于流动连通。
测量区域(5)通过采样气体导管(10)的将测量区域(5)连接至采样出口(8b)的区段的至少两个出口支路(10d，10e)来连接至采样出口(8b)。优选，仅存在两个出口支路(10，10e)来将流动(6a，6b，6c)正确地引导穿过测量区域(5)，从而将其填充。在其他构型中，通过仿真已经发现可能形成防止采样气体(6)填充测量区域(5)、尤其是其中间区域的不令人期望的紊流。
采样气体(6)在进入采样气体导管(10)时作为三股流动(6a，6b，6c)引导到测量区域(5)中，这三股流动可以具有类似或不同的流速。测量区域(5)的入口出口区域各自连接至分离的出口支路(10d，10e)，使得第一流动(6a)和第二流动(6b)相对于光线路径和/或净化气体(7)的流动的方向以大于45度、或者更具体地大于60度、或更具体地在约90度的面积中(因此基本上与其垂直)的角度经过或横过测量区域(5)。第一流动(6a)和第二流动(6c)在它们从对应的支路(10a，10c)到相应出口支路(10d，10e)的流动中将沿测量区域(5)拉动进入的净化气体(7)并且将其带出测量区域，由此防止净化气体与中间区域和第二流动(6b)接触从而干扰测量。
以相同的方式，第二流动(6b)相对于光线路径和/或净化气体(7)的流动的方向以大于45度、或更具体地高于60度、或更具体地在约90度的面积中(因此基本上与其垂直)的角度横过测量区域(5)，但是其中这可能在其经过时改变，因为其可能穿过同样被第一流动(6a)和第二流动(6c)所使用的出口支路(10b，10e)中的一者或两者来离开测量区域(5)。优选地，该第二流动以在约90度的范围中的角度进入测量区域(5)。
在所展示的实施例中的探头(1)被定位成与气体(9)的流动处于连通的方式为采样入口(8a)相对于待测量的气体(9)的流动方向成高于45度、或更具体地高于60度、或更具体地在约90度的面积中(因此基本上与之垂直)的角度。这同样适用于采样出口(8b)。进一步的，采样气体(6)从采样入口(8a)进入探头(1)，该采样入口在来自透镜(2)的发射光线的方向上来看被定位在反射器(3)之后。
引入采样入口(8a)的方式为使得采样入口以与气流成例如接近90度的角度来定位，这确保了气体自身不趋于流动到探头(1)中，而是例如通过文丘里泵被吸入到采样入口(8a)中，由此可以控制探头(1)内的流速。这与例如EP 2 604 999不同，其中入口被定位在气体的流动路径中，使得气体直接进入到针头中。这种构造的缺点是例如气体通入测量区域的这三个气体通道使其在校准过程中难以将测量区域清空，因为这将需要显著的压力来克服来自自由流动气体的压力的力。因此在测量区域中的流速取决于流动和传感器系统所不可控的其他条件。
通过将气体拉入到采样入口(8a)中，采样气体(6)在测量区域(5)内的交换率将是众所周知和限定的，如此就使得用于如将在以下讨论的校准的清空测量区域(5)的任务简单，流速和响应时间将被良好地限定并且是可控的。
为了避免从采样出口(8b)排出的采样气体(6)与进入采样入口(8a)的采样气体(6)相混合，延伸部(11)被定位在采样入口(8a)与采样出口(8b)之间、从探头(1)伸出到气体(9)的流动中。
图3示出了本探头(1)的另一个特征，以顶部视图示出了该探头并且具有通向第一净化气体体积(4a)的净化气体(7)的供应路径(12)，该供应路径具有围绕第一净化气体体积(4a)的第一环绕区段(12a)，该第一环绕区段具有位于接近测量区域(5)的末端中因此远离透镜(2)的点入口(13a)，净化气体从该处传播至所述第一环绕区段(12a)的全部圆周并且在接近透镜(2)的末端中进入所述第一净化气体体积(4a)。环绕区段(12b)可以被形成为第一净化气体体积(4a)的一个共轴腔室或者形成为从供应路径(12)延伸至通向第一净化气体体积(4a)的、位于靠近透镜(2)的末端中的多个入口的多个单独的导管。在此上下文中，‘点入口’应被理解的意义为流动路径(12)从窄的、横截面积显著小于例如第一净化气体体积(4a)的横截面积开始改变，但是其扩展到具有大于例如第一净化气体体积(4b)的横截面积的基本上更宽的第一环绕区段(12a)。
图4示出了在点入口(13a)处的环绕区段(12a)的横截面视图，其中净化气体(7)从供应路径(12)穿过点入口(13a)传播，该点入口具有的横截面积比环绕区段(12a)和净化气体体积(4a)的横截面积更小。
图5示出了在透镜(2)周围的区段的顶部视图，示出了净化气体(7)从环绕区段(12a)以基本上均匀的方式在透镜(2)的圆周周围进入到净化气体体积(4a)，从而在净化气体体积(4a)中形成层流。
以相同方式并且类似于或不同于第一环绕区段(12a)而形成，探头(1)可以包括净化气体(7)的通向第二净化气体体积(4b)的供应路径(12)，该供应路径包括第二环绕区段(12b)，该第二环绕区段围绕第二净化气体体积(4b)并且具有点入口(13b)，该点入口位于靠近测量区域(5)因此远离反射器(3)的末端中，净化气体从该处传播至所述第二环绕区段(12b)的全部圆周并且在接近反射器3的末端中进入所述第二净化气体体积(4b)。
具有被对应地定位在相对于透镜(2)和反射器(3)的一定距离处的点入口(13a，13b)并且然后以圆周方式在第一净化气体体积(4a)和第二净化气体体积(4b)周围传播的这种设置有助于使进入的净化气体(7)均匀地分布在透镜(2)和反射器(3)的圆周，否则在净化气体体积(4a，4b)之内的进入的净化气体(7)中将存在差别而因此形成紊流，这实际上可能有助于颗粒从测量区域(5)进入到净化气体体积(4a，4b)中而不是对其加以防止。
此探头(1)进一步能够以操作模式和校准模式来运行。采样气体(6)仅在操作模式中流动，而净化气体(7)在操作模式和校准模式两者中都流动，其中净化气体在操作模式过程中根据之前的说明运行为净化气体(7)，而在校准模式中用作校准气体(其中采样气体(6)流动被关闭)。
为了防止气体(9)在校准模式过程中进入系统，已经发现维持或增加净化气体(7)在系统中的流动就足够了。以此方式，净化气体(7)以反对气体(9)的方向被传送出采样入口(8a)和采样出口(8b)，因而在气体(9)进入系统中之前通过采样入口(8a)和采样出口(8b)排出。净化气体(7)也在正常运行期间同样如以上所描述地传送出采样出口(8b)，但是被阀门或其他手段、或简单地通过系统中的采样气体(6)的流动来防止进入采样气体导管(10)连接至采样入口(8a)的部分。
校准模式包括关闭采样气体(6)进入测量区域(5)、让净化气体流动给定时间段以将采样气体(6)清楚出测量区域(5)、并且然后进行校准测量。净化气体(7)因此具有已知成分(该已知成分具有良好限定并且已知的吸收光谱)并且在一个实施例中在进入供应路径(12)之前可以被干燥，从而确保其就可能影响校准测量的颗粒和湿气而言是干净的。
同样如以上所描述的，由于采样入口(8a)的位置以及采样气体(6)是被拉入到探头(1)中并且被引导到测量区域(5)中而不是直接流动到其中，所以在探头(1)内的所有流动是可控的并且不需要如在存在通向测量区域的直接气体通道的探头的情况下一样应对气体的力以使其离开。

Claims (13)

1.用于传感器(20)的探头(1)，所述传感器(20)被适配成基于光谱吸收来测量采样气体(6)的至少一种物质的浓度，所述探头(1)包括经过测量区域(5)的光线路径，其特征在于，该采样气体(6)被分成第一流动(6a)和第二流动(6b)并且以该第一流动(6a)和该第二流动(6b)进入该测量区域(5)；
其中该探头(1)包括与待测量的气体(9)的流动处于流动连通的采样入口(8a)，并且其中这个采样入口(8a)与采样气体导管(10)处于流动连通，该采样气体导管分成第一支路(10a)和第二支路(10b)，该第一支路和该第二支路对应地是用于该第一流动(6a)和该第二流动(6b)的、通向该测量区域(5)的入口；以及
其中该采样气体(6)以与该光线路径成高于45度的角度横过该测量区域(4)。
2.根据权利要求1所述的探头(1)，其中该第一流动(6a)在靠近第一净化气体体积(4a)的面积中被馈送到该测量区域(5)中。
3.根据权利要求2所述的探头(1)，其中该第二流动(6b)在靠近第二净化气体体积(b)的面积中被馈送到该测量区域(5)中。
4.根据权利要求1所述的探头(1)，其中该第一支路(10a)和该第二支路(10b)具有相对不同的流动约束。
5.根据权利要求1所述的探头(1)，其中该采样气体(6)的第三流动(6c)被在该第一流动(6a)与该第二流动(6b)之间、穿过该采样气体导管(10)的第三支路(10c)而馈送到该测量区域(5)中。
6.根据权利要求5所述的探头(1)，其中主要的该第一流动(6a)经第一出口(10d)离开该测量区域(5)，并且该第二流动(6b)和该第三流动(6c)穿过共用的第二出口(10e)离开该测量区域(5)。
7.根据权利要求5或6所述的探头(1)，其中第一支路(10a)、第二支路(10b)和第三支路(10c)中的至少两者具有相对不同的流动约束。
8.根据权利要求1所述的探头(1)，其中该采样气体(6)从采样入口(8a)进入该探头(1)，并且其中该采样气体(6)在横向方向上以与待测量的气体(9)的流动方向相比成高于或等于约45度的角度进入该探头(1)。
9.根据权利要求8所述的探头(1)，其中该探头(1)具有采样出口(8b)，该采样出口用于在该采样气体(6)已经离开该测量区域(5)之后将采样气体从该探头(1)排出，并且其中所述采样出口(8b)被定位成与待测量的气体(9)的流动处于流动连通，并且其中被定位在该采样入口(8a)与该采样出口(8b)之间的延伸部(11)从该探头(1)伸出到气体(9)的流动中，从而防止从该采样出口(8b)排出的采样气体(6)与进入该采样入口(8a)的气体(9)相混合。
10.根据权利要求3所述的探头(1)，其中该探头(1)进一步包封了透镜(2)，该透镜位于该光线路径中在光源与该测量区域(5)之间，并且净化气体(7)在该第一净化气体体积(4a)中在从该透镜(2)朝向该测量区域(5)的方向上流动。
11.根据权利要求10所述的探头(1)，其中该探头(1)进一步包封了反射器(3)，该反射器位于该测量区域(5)相对于该透镜(2)的相反末端处，并且其中净化气体(7)在该第二净化气体体积(4b)中在从该反射器(3)朝向该测量区域(5)的方向上流动。
12.根据权利要求1所述的探头(1)，其中该采样气体(6)穿过所述采样入口(8a)被拉入到该探头(1)中，因此采样气体(6)的流动取决于拉动力。
13.根据权利要求12所述的探头，其中该采样气体(6)通过文丘里泵被拉入到该探头(1)中。
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