CN107850535B - 气体监测仪 - Google Patents

Abstract

基于可调谐二极管激光光谱学的气体监测仪包括至少一个光源(1000)，所述至少一个光源与至少一个目标气体(5000)和至少一个光敏检测器(3000)相匹配，以及包括形成光束、引导光束通过待分析的目标气体以及将光引导到至少一个检测器(3000)上的光学装置(2000；2200)。所述光学装置包括回复反射器(2200)和包括中央反射镜(2100)和环绕反射镜(2300)的反射镜布置结构，所述中央反射镜和环绕反射镜布置成在它们的光轴之间具有偏移角，所述中央反射镜(2100)布置成用于接收来自光源(1000)的光并且将光引导到回复反射器(2200)，回复反射器(2200)布置用于将光返回到环绕反射镜(2300)，并且环绕反射镜(2300)被设置用于将光反射到检测器(3000)中。气体监测仪还包括控制光源、数字化模拟信号以及确定气体的特征的控制系统。气体监测仪还包括用于精确对准的内部对准装置。气体监测仪可以包括两个或多个光源(1000,1100,1200)，所述光源将具有两个或多个波长范围内的吸收谱线的气体作为目标。在特定实施方式中，气体监测仪可以包括一个或多个可插入光路中以验证仪器的性能的气室(2910,2920)。

Description

气体监测仪

技术领域

本发明通常涉及通过光学装置监测气体。更具体地说，涉及一种通过将光引导通过所述气体的样本来确定目标气体的特征的气体监测仪和方法。

背景技术

在制造工艺、能源工业和其它工业环境中，需要监测各种气体的浓度或压力，例如用于过程控制和出于安全原因。基于可调谐二极管激光器的气体监测仪近年来获得了市场份额，原因是提供了一种不易受其他气体干扰，并且能够在高温和高压下原位测量的强大测量技术。

在通常的光学气体监测仪中，由于有限的波长调谐范围和缺乏合适的彼此接近的吸收谱线，所以一个单一的激光传感器通常只能测量一种或两种气体，在一些情况下可能是三种气体。这意味着需要至少两个激光器，实际上至少两个气体监测仪来测量两种或更多种气体，这可能导致管道或烟囱中的多组孔。另外，光路一般难以对准，特别是在长开口路径应用中。在一个通常的用于长开口路径应用的气体监测仪中，可以使用牛顿型望远镜将激光引导至回复反射器，然后用于将反射光收集到检测器。这样的气体监测仪的对准需要整个望远镜准确地朝向回复反射器，这通常是麻烦且耗时的。另外，这种布置沿着光束路径满足多个激光器和检测器的有限可能性，并且在光学元件的定位方面受到有限的选择。在单个仪器中使用多个激光器和检测器可以通过使用光纤和耦合器来实现，但是这些部件通常会引入大量的光学噪声，这导致测量性能的降低。

现有技术

WO2006/022550A2描述了基于可调谐激光源的气体监测仪，该可调谐激光源可以与回复反射器一起使来测量激光器/检测器和回复反射器之间的气体。

DD284527A5描述了基于混合牛顿-卡塞格林望远镜的红外吸收测量装置，其中在主镜的中心存在钻孔，并且分束镜(beam splitting mirror)取代了牛顿望远镜的正常对角副镜。该装置允许将激光束与检测路径同轴对准，但是该装置仍然受到将整个望远镜、激光源和检测器对准朝向回复反射器的需要的限制。

EP2058671A2描述了一种用于激光测距的装置，其中使用了一个反射镜组件，该反射镜组件由用于收集反向散射光的大凹面反射镜组成，反射镜的小平面部分在大反射镜上居中，其用于引导与大的反射镜同轴的激光束。然而，本公开不允许激光源和检测器定位在分开的光轴上，并且该装置不旨在用于气体测量。

US2005/0162655A1描述了一种装置，其中使用两个凹面镜，第一反射镜将来自光纤的光导向回复反射器，第二反射镜收集反射光并将其引向连接到检测器的第二光纤。本公开需要使用两个凹面镜，并且该构造要求整个装置朝向回复反射器(包括光源光纤和检测器光纤)对准。它也使用光纤，这会引入光学噪声。

由于本领域中描述的技术的这些限制，用于气体监测的新的改进设备和方法将是有利的。

发明内容

本发明要解决的技术问题

因此，本发明的主要目的是提供克服上述问题的系统和方法。

相应地，本公开的实施方式优选地寻求减轻、缓解或者消除本领域中的一个或多个缺点、不利情况或者问题，例如上面识别到的、单独或者组合的问题，这通过用于基于光学手段进行气体监测的装置、系统或者方法来实现。

本公开解决了基于可调谐二极管激光光谱学的气体监测中的两个常见问题。第一个问题，即传感器的对准，通过仅通过移动内部部件而允许对准来解决。第二个问题，即监测一种以上的气体，是通过在一个公共光路中的一个仪器中利用多个可调谐二极管激光器来解决的，而不使用作为光噪声源的光纤和耦合器。

解决问题的手段

根据本发明，通过一种用于确定所定义的目标气体的至少一个特征的、具有以下特征的气体监测系统以及一种用于确定至少一个具有所限定的目标气体的特征的、具有以下特征的方法来实现所述目的。所述气体监测系统包括：至少一个光源，所述光源被布置为发射一定波长范围内的光，其中所述目标气体具有至少一个吸收谱线；回复反射器；控制单元；反射镜布置结构，所述气体监测系统布置成用于将所述光引导通过所述目标气体到所述回复反射器，所述回复反射器将所述光返回到所述反射镜布置结构；以及检测器系统，所述检测器系统具有至少一个用于检测光的光敏检测器，所述检测器被布置成用于提供将由所述控制单元接收的信号，所述控制单元被布置成用于控制气体监测系统并计算气体的至少一个特征；所述反射镜布置结构包括中央反射镜和环绕反射镜，每个反射镜具有表面和光轴，其中所述环绕反射镜的表面围绕中央反射镜的表面，其中所述中央反射镜和所述环绕反射镜被布置为在它们的光轴之间具有偏移角度，其中所述反射镜布置结构具有指向方向，并且能主要围绕枢转点在所有方向上倾斜以仅使用所述反射镜布置结构调节反射镜布置结构的指向方向，其中所述中央反射镜的表面具有几何中心，并且所述枢转点位于所述中心附近，中央反射镜被布置用于接收来自光源的光，并且将光引导到回复反射器，回复反射器被布置成用于将光返回到环绕反射镜，环绕反射镜被布置用于将光反射到检测器系统中。所述方法包括以下步骤：在目标气体于来自光源的光束中具有至少一条吸收谱线的范围内发光；通过中央反射镜将光反射通过目标气体的样本朝向回复反射器；通过回复反射器将光朝着围绕中央反射镜的环绕反射镜返回；通过环绕反射镜将光朝着检测器系统反射；由检测器系统包括的检测器检测光；通过控制单元接收来自检测器系统的信号并确定所述气体的至少一个特征；以及通过将包括中央反射镜和环绕反射镜的反射镜布置结构进行倾斜来对准仅移动内部部件的气体监测系统。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种用于确定目标气体的至少一个特征的气体监测系统。

本发明的另一个目的是提供一种气体监测系统，其具有最佳数量的部件和这些部件的相对位置。

如本发明所限定的，本发明正在解决一个或多个这些目的。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于确定目标气体的至少一个特征的气体监测系统，所述气体监测系统包括至少一个光源，所述光源被布置为发射一定波长范围内的光，其中所述目标气体具有至少一个吸收谱线(absorption line)，所述系统还包括回复反射器(逆反射器retro reflector)和控制单元，所述气体监测系统布置成用于将所述光引导通过所述目标气体到所述回复反射器，将所述光返回到接收光学器件，所述系统还包括具有至少一个用于检测光的光敏检测器的检测器系统，所述检测器被布置成用于提供将由所述控制单元接收的信号，所述控制单元被布置成用于控制气体监测系统并计算气体的至少一个特征，其特征在于，所述气体监测系统包括反射镜布置结构，所述反射镜布置结构包括中央反射镜和环绕反射镜，每个反射镜具有表面和光轴，其中，所述中央反射镜和所述环绕反射镜被布置为在它们的光轴之间具有偏移角度，中央反射镜被布置用于接收来自光源的光，并且将光引导到回复反射器，回复反射器被布置成用于将光返回到环绕反射镜，环绕反射镜被布置用于将光反射到检测器系统中。

气体监测系统可被布置用于形成光束，每个光束具有轴线，从包括所述光源的光源系统到中央反射镜的光束、从中央反射镜到回复反射器的光束，从回复反射器到环绕反射镜的光束，以及从环绕反射镜到检测器系统的光束，其中，气体监测系统布置成使得到达回复反射器和来自回复反射器的光束基本上同轴，并且从光源系统到中央反射镜的光束的轴线与从环绕反射镜到检测器系统的光束的轴线不重合。

所述中央反射镜的光轴与所述环绕反射镜之间的角度基本上可以对应于所述光源系统的光轴和检测器系统之间的角度。

光源系统和检测器系统可位于不同的光轴上。

中央反射镜和环绕反射镜每一者可包括用于反射光的表面，并且反射镜布置结构被设置成使得环绕反射镜围绕中央反射镜的表面。其中，环绕反射镜的表面比中央反射镜的表面大。所述中央反射镜通常可以为以下形式之一：平面、抛物面、离轴抛物面和球面，以及环绕反射镜为平面、抛物面、离轴抛物面和球面的形式之一。

所述检测器系统可位于所述反射镜布置结构和所述反射镜之间的所述光束的外部。光源通常是以下类型中之一的激光器：VCSEL激光器、DFB激光器、QCL和ICL激光器、法布里-珀罗(Fabry-Perot)激光器以及不同阵列类型的激光器。

所述回复反射器可以是以下类型之一：角隅(cube corner)、反射带或能够将一些光返回到所述仪器的任何其他装置或表面。

所述反射镜布置结构可被布置成用于将来自所述中央反射镜的光束指向主要朝向所述回复反射器的指向方向，气体监测系统包括用于调节反射镜布置结构的指向方向的对准装置。

所述对准装置可被布置成提供所述反射镜布置结构主要围绕枢转点的旋转。另外，所述枢转点可位于中央反射镜的表面的中心附近，或者所述枢转点在所述指向方向的延长部的邻近处位于所述中心后面。

对准装置可以包括如下装置，所述装置用于在监测信号的同时通过移动所述反射镜组件并找到最佳信号，来将所述反射镜组件朝向所述回复反射器自动对准。

所述气体监测系统可以包括可见光源，所述可见光源布置成用于发送与来自所述至少一个光源的光束基本上同轴的准直可见光束，以便于系统的对准。

另外，所述系统可以包括在不同的波长下操作的多个光源，每个光源具有用于将来自光源的光束合并到公共路径的分束器；所述分束器具有对于来自对应于每个分束器的光源的光基本上反射的光谱特征，而基本上透射处于来自其他光源的波长的光。

所述气体监测系统可以包括多个光敏检测器和多个分束器，用于将来自每个光源的波长分离到各个检测器，所述气体监测系统被布置用于时分复用或频分复用以将来自每个光源的波长分离。

所述系统可被设置为使来自所述分束器的多余光线通过用于每个所述光源的至少一个气室，然后到达至少一个用于每个所述光源的附加的光敏检测器；所述至少一个气室容纳具有吸收特征的气体，所述气体适合于用作自校准并且关于光谱操作点来监测仪器的完整性。

另外，所述回复反射器可包括大致对称地布置在所述回复反射器的中心轴线周围的光束阻挡板，其用于阻止光被所述回复反射器经由中央反射镜返回到光源，且所述阻挡板可基本上形成为类似圆盘，其具有针对一定范围的光路长度和光束发散度而优化的直径。另外，所述阻挡板可相对于所述回复反射器的所述光轴以倾斜的角度布置。

本发明的另一方面是一种用于使用上述气体监测系统来确定目标气体的至少一个特征的方法。

本发明的另一方面是一种用于确定目标气体的至少一个特征的方法，包括以下步骤：

-在目标气体于来自光源的光束中具有至少一条吸收谱线的范围内发光；

-通过中央反射镜通过目标气体的样本朝向回复反射器反射光；

-通过回复反射器将光线返回到围绕中央反射镜的环绕反射镜；

-通过环绕反射镜将光朝向检测器系统反射；

-由检测器系统包括的至少一个检测器检测光；

-通过控制系统接收来自检测器系统的信号并确定所述气体的至少一个特征。

气体监测仪通常基于可调谐二极管激光光谱学，其包括至少一个光源，其中光源通常是与至少一个目标气体匹配的可调谐激光器，以及至少一个光敏检测器，以及形成光束并引导光束通过待分析的目标气体以及将光引导到至少一个检测器上的光学装置。气体监测仪还包括用于控制光源、数字化模拟信号以及确定气体特征的控制系统。气体监测仪还包括用于精确对准的内部对准装置。气体监测仪可以包括具有两个或多个波长范围内的吸收谱线的两个或多个光源目标气体。在某些实施方式中，气体监测仪可以包括一个或多个可插入光路中以验证仪器的性能的气室。

本公开包括用于离开激光束的反射镜和用于收集反射光的较大反射镜的组合。图1描绘了使用可移动反射镜组件2000的系统的示例，所述可移动反射镜组件包括凹面反射镜面2300，所述凹面具有孔，在该孔中安装基本平坦的反射镜2100。反射镜组件可以使用机械和电机或任何其他可用的致动器在所有方向上倾斜。反射镜组件被设计成使得当激光器1000发射光4100时，该光到达反射镜组件中的平面反射镜，从平面反射镜反射的光4200将到达回复反射器2200，并且来自回复反射器反射的光4300撞击凹面反射镜2300，凹面反射镜聚焦最终到达检测器3000的光4400。只要仪器粗略地对准并且在可调范围内，内部对准装置将能够对准仪器。

除了提供仪器的内部对准之外，当前的公开还允许多个激光器被包括在遵循相同光路并且利用相同的对准装置的设计中(如图2中的示例所示)，其中附加的激光器1100与两个分束器2720、2740以及反射镜2600一起被添加。这样，两个激光束合并，并沿着相同的路径。附加的检测器3100被添加并且还可以添加分束器2700。

参照其中光源通常可以是激光器的光源系统，本发明的核心方面是能够使用角隅2200来返回激光束，然后，能够将返回的光聚焦到非同轴设计的一个或多个检测器3000，3100。为了达到这个目的，已经设计了一个反射镜组件2000。该反射镜组件包括两个反射镜，在中央部分中的第一反射镜2100和围绕第一反射镜的较大的第二反射镜2300。这些反射镜将被安装，以便它们之间有一个角度。这个角度被选择为使得它适合于光学系统的几何形状，即激光系统和检测器系统之间的距离(参考它们到反射镜组件的距离)。检测器系统包括在包括一个激光器的仪器中的单个光敏检测器3000。在包括两个激光器的仪器中，检测器系统包括两个检测器3000，3100和分束器2700。在包括一个激光器和平坦环绕反射镜2310的仪器中，检测器系统包括检测器3000和聚焦透镜6000。

如果激光束发散适合用在选定的设置中，则中央反射镜2100将是平坦的。如果想减小或增加激光束发散度，则中央反射镜将分别为凸面或凹面。较大的、环绕反射镜可以是平的2310、球形的或抛物线的2300。在一个第一实施方式中，它是抛物线的。较大的反射镜2300将把光束聚焦到检测器系统3000上。在另一第二实施方式中，较大的环绕反射镜2310将是平坦的(如图5a所示)。该实施方式包括将光聚焦到检测器3000上的透镜6000。

关于激光束或射线与到达聚焦透镜6000和检测器3000的射线之间的角度，则更容易理解包括两个平面反射镜2100，2310的系统(如图5a中所描述)。在两个反射镜2100，2310之间的角度与包括光源1000的光源系统与检测器系统6000，3000的光轴之间的角度之间存在直接对应关系。

为了解释本发明的核心方面，假定已经调整了反射镜组件2000的倾斜以获得在检测器上的最大的光强度，使得我们处于如图5a所示的情形中。如果回复反射器移动或旋转，包括激光器、反射镜组件、检测器系统等在内的整个仪器相对于回复反射器，对准将丢失，并且检测器上的光强度将降低。如果我们以图5a)所示的设置为例，并将回复反射器稍微向上移动，则检测器上的光强度将显著减少。然后调整反射镜组件以实现检测器上的最大光强度。那么我们将会有这样的情况，其中回复反射器已经向上移动，并且反射镜组件的角度α已经被减小了δ量。但是，光仍然聚焦在检测器上的相同位置。这是本发明的核心思想。

在典型实施方式中，平坦的环绕反射镜2310将由离轴抛物面反射镜2300代替。然而，大反射镜与中央小反射镜之间的角度及其与光源系统的光轴与检测器系统的光轴之间的角度的对应关系也适用于相同的原理。使用抛物面反射镜，聚焦透镜6000不需要将光聚焦到检测器上。图1、图2和图3显示了使用抛物面反射镜的系统。

要求来自回复反射器的返回光束具有比小型中央反射镜的大小更大的直径或横截面，以便有足够的光聚焦到检测器系统上。

理想情况下，反射镜组件围绕小型中央反射镜中心的表面的点移动或倾斜/旋转。这可以使用类似机械设计的万向节来保持反射镜组件来实施。然而，如图1、图2和图3所示，当旋转/移动点被放置在中央反射镜的表面后方一定距离的情况下，更容易实现光机解决方案。这样的解决方案将给出稍小的调整范围。

应该强调的是，当在本说明书中使用时，术语“包括/包含”被用来指定所陈述的特征、整体、步骤或组件的存在，但不排除存在或是额外包括一个或多个其他特征、整体、步骤、组件或其组合。

附图说明

本发明的上述和其它特征在所附权利要求中具体阐述，并且考虑到所附附图给出的本发明的示例性实施方式的以下详细描述，连同其优点将变得更清楚。

以下结合示例性实施方式在下文中进一步描述了本发明，实施方式示意性显示在附图中，其中：

图1示出了具有激光器1000、反射镜组件2000、外部回复反射器2200和检测器3000的本发明的基本对准部分；

图2示出了当第二激光器1100与分束器2720、2740以及反射镜2700和第二检测器3100一起被引入时的本发明；

图3说明添加的在正常操作期间检查设备的完整性的装置；

图4a、4b和4c示出了安装在保持器2230中并带有遮光板或光束阻挡板2210，2211的回复反射器2200；

图5a示出了由用于光束控制的两个平面反射镜2100和2310组成的反射镜组件。

图6显示了对准系统的一种可能的实现方式，通过改变反射镜组件2000的指向方向，可以用来对准气体监测仪。图6a)示出了对准机构的横截面。其实际上是图6b)的截面A-A，图6b)其示出了从反射镜一侧的反射镜组件。图6c)显示来自一侧的对准系统。图6d)显示了来自后侧的对准系统。

请注意，这些附图并不是按比例绘制。

附图标记的描述

以下附图标记和符号指代附图：

附图标记 描述

1000 光源，通常是激光器

1100 带有与第一激光器不同波长的第二激光器

1200 用于对准的激光器，通常可见、可能是红色的

2000 反射镜抛物面组件

2050 反射镜抛物面组件的旋转点或旋转轴

2060 对准系统中的推进式螺杆

2070 对准系统中的拉动式螺杆

2100 反射来自一个或多个激光器的发散光束的平面反射镜

2200 回复反射器、角隅

2210 遮光板或光束阻挡板

2211 稍大一些的遮光板或光束阻挡板

2230 回复反射器的保持架

2300 将返回光聚焦到一个或多个检测器的抛物面

2310 等同于抛物面反射镜的平面反射镜

2500 设备的倾斜和楔形的窗

2600 用于将合并的激光反射到平面反射镜2100的反射镜

2700 用于将来自两个激光器的光分束到两个检测器的分束器

2720 用于包括第一激光器的分束器

2740 用于包括第二激光器的分束器

2810 用于聚焦来自第一激光器的参考信号的透镜

2820 用于聚焦来自第二激光器的参考信号的透镜

2910 用于检查第一激光器的量程或参考单元

2920 用于检查第二激光器的量程或参考单元

3000 光敏检测器

3100 用于检测来自第二激光器波长的光的第二检测器

3200 用于检查第一激光器的检测器

3300 用于检查第二激光器的检测器

4100 来自激光器的发散光束

4200 来自由平面反射镜所反射的激光的光束

4300 在光束的到达抛物面反射镜的路径上、从角隅反射的光束的角度；

4400 从抛物面反射镜到检测器的聚焦光束

4410 聚焦在第一个检测器的光束

4420 聚焦在第二个检测器的光束

4450 从平面反射镜抛物面(相当于聚焦透镜)反射的光束

4460 位于到检测器的路径上的聚焦光束

5000 待分析的目标气体

6000 用于将光线聚焦到检测器上的透镜

具体实施方式

以下参照附图更全面地描述本公开的各个方面。然而，本公开可以以许多不同的形式来体现，并且不应该被解释为限于贯穿本公开所呈现的任何特定的结构或功能。相反，提供这些方面，从而本公开将是彻底和完整的，并且将本公开的范围充分地传达给本领域技术人员。基于本文的教导，本领域技术人员应该理解，本公开的范围旨在覆盖本文公开的公开内容的任何方面，无论是独立于本公开的任何其他方面还是与其组合实施。例如，可以使用本文阐述的任何数量的方面来实现装置或实践一种方法。另外，本公开的范围旨在覆盖使用除了本文阐述的本公开的各个方面或除此之外的其他结构、功能或结构和功能来实践的这种装置或方法。应该理解的是，本文公开的公开内容的任何方面可以通过本发明的一个或多个元素来实施。

以下公开集中在适用于通过光学装置进行气体监测的本公开的示例。例如，这对于气体监测的长开放式路径应用是有利的。然而，将会认识到，描述不限于该应用，而是可以应用于执行光学气体检测的许多其他系统。

在图1所示的第一示例中，气体监测系统被示出为具有包括抛物面2300的可移动反射镜组件2000，所述抛物面具有孔，在该孔中安装基本平坦的反射镜2100。所述反射镜组件可以使用机械和电机或任何其他可用的致动器在所有方向上倾斜。致动器控制是由处理单元控制的电子元件完成的。基于激光调制和检测器信号的测量，微处理器可以确定仪器的最佳对准，调整最大“烟雾”，即最大信号。

反射镜组件2000设计成使得当激光器1000发射光4100时，该光到达反射镜组件中的基本平坦的反射镜2100，从所述基本平坦的反射镜反射的光4200将到达回复反射器2200，以及来自回复反射器的反射光4300撞击抛物面反射镜2300时，抛物面反射镜聚焦最终到达检测器3000的光4400。只要仪器粗略对准并在可调范围内，内部对准装置就能对准仪器。另外，反射镜组件的设计保证了当需要远离中心位置对准时，激光也将遵循预期的路径行进。

在如图2所示的另一个示例中，本公开还使得多个激光器能够被包括在设计中，遵循相同的光路并利用相同的对准装置。附加的激光器1100与两个分束器2720、2740和反射镜2600一起被添加。这样，两个激光束合并，并遵循相同的路径。附加的检测器3100和分束器2700也被添加。该分束器让来自第一激光器1000的光线通过，而来自第二激光器1100的光线被反射并到达第二检测器3100。来自两组激光器和检测器的信号可以独立处理，以获得两个不同波长范围的测量结果。

光源系统1000，1100包括激光器和光束形成光学器件。光源系统在这个应用中将被称为“激光器”。光束形成光学器件将被设计和调整，使得激光束4100对于实际安装和光路长度具有合适的发散度。

在示出的示例中，还添加了具有准直光束的可见激光器1200，使得仪器的操作者可以看到仪器当前正在指向的位置。

图2说明当第二激光器1100与分束器2720、2740以及反射镜2700和第二检测器3100一起被引入时的本发明。在两个或多个激光器存在于类似于图2所示的一个系统中时，图1所示的光学设计是理想的，因为两个光束可以合并并穿过相同的光学器件，并且该光学器件也可以在仪器外壳内侧、内部地且自动地对准。还可以引入用于对准的可见激光器1200，使得可以看到器械指向的位置。该激光器具有准直光束，而可调激光器具有发散光束。

在如图3所示的另一个示例中，本公开允许在相同的光学设计中包括验证装置，使得可以关于波长漂移等连续地检查每个激光器。来自分束器2720、2740的过多的光可以通过气室2910、2920而送到检测器3200、3300。可以使用气室中的气体的光谱特征来检查激光器的状况。

图3说明添加装置以在正常操作期间检查仪器完整性。这可以用来检查激光波长是否在正确的范围内，或使用内部光路检查校准。在该图中，对于通常包括不同气体的每个激光器，或者对于两个激光器在波长范围内含有一种或者多种气体的相同气体混合物，具有一个单元或模块。来自一个或多个激光器的过多光通过一个或多个分束器2720、2740发射，并且由一个或多个透镜2810、2820聚焦，该光穿过一个或多个气室2920、2920并到达一个或多个检测器3200、3300。在被测气体不正常存在的情况下，目标气体可以存在于气室中，从而可以检查激光器是否仍然在正确的波长范围内工作。也可以进行量程检查，因为校准变化通常是由于长时间漂移或改变引起的激光输出的变化。

在一些示例中，所述基本上平坦的反射镜2100不是精确平坦的，而是在一些示例中具有曲率以允许更好地聚焦激光束。

在一些示例中，所述凹面2300不是抛物面的，而是具有另一曲率。

在一些示例中，不是通过使用分束器来使用多个检测器，而是通过使用对不同波长敏感的组合或夹层检测器，或者在一些示例中通过其他光谱分离手段来使用。

在一些示例中，使用单个检测器，并且通过使用时分复用或频分复用技术来分离不同的激光波长。

一些激光器比其他激光器对光学反馈更敏感。本发明的基本设计将来自回复反射器的一些光返回到小的中央反射镜，小的中央反射镜继而将光返回到光源系统。该反馈会干扰激光器，从而产生更多的光学噪声，或者在最坏的情况下使激光器不工作。这可以通过在回复反射器2200的中心部分插入遮光板或光束阻挡板2210，2211来解决。遮光板的直径可以根据光路长度和光束发散度进行调整。对于给定的光束发散度和准直光学器件的几何形状，可以针对一定范围的光路长度来优化直径。理想情况下，遮光板应该阻挡光线到达中央反射镜，因为该光线不会有助于检测器上的信号，但会干扰激光器。

图4a、4b和4c示出了安装在保持器2230中并带有遮光板或光束阻挡板2210，2211的回复反射器2200。图4b显示比图4a和4c中显示的遮光板2210稍大的遮光板2211。从图4c可以看出，遮光板或光束阻挡板2210是倾斜的，使得反射光束将被发送出光路，使得它不会到达激光器或终止在检测器上。

图5a示出了由用于光束控制的两个平面反射镜2100和2310组成的反射镜组件。中央反射镜2100将来自激光器1000的稍微发散的光束(图5a中的4200)引导至角隅2200。角隅2200位于光束(图5a中的4200)的中心。角隅2200将光束(图5a中的4300)朝着反射镜组件反射回来。由于稍微的发散，反射光束的一些部分(图5a中的4300)瞄准大平面反射镜2310。反射光束4450被朝着将光束4460聚焦到光电二极管3000上的聚焦透镜6000引导。在图5a中，反射镜组件以角度α倾斜。其中，反射镜组件以角度α-δ倾斜，来自中央反射镜2100的反射光束(图5a中的4300)的方向改变2δ。从角隅2200到较大平面反射镜2310上的反射光束(图5a中的4300)的方向也改变2δ。由于大平面反射镜2310的倾斜角度改变-δ，所以来自大平面反射镜2310的反射光束4450的方向将不变。因此，来自透镜6000的聚焦光束4460将瞄准光电二极管3000处的相同光斑。

根据本发明的仪器必须对准，使得光束从激光器1000传播到中央反射镜2100，从那里通过窗口2500、通过目标气体5000，然后到达回复反射器2200，然后由回复反射器反射回来，通过窗口到达环绕反射镜2300，且最后聚焦到检测器3000上。调整光学部件，以使得上面实现在本申请中被称为“对准”。

对于检测器部分中的激光器1000，1100、分束器2720，2740、反射镜2600、分束器2700以及检测器3000，3100，通常在制造设备期间需要对准。取决于反射镜布置结构的实际实施方式，可能另外需要在检测器前方的透镜装置。这种透镜配置也可能需要对准。

最终用户在正常使用中的对准通常将使用整个仪器的粗略对准来完成，然后仅使用反射镜组件2000进行最终的微调。如图6所示，使用调整螺丝2060，2070进行正常使用的对准。

图6显示了对准系统的一种可能的实现方式，通过改变反射镜组件的指向方向2000，可以用来对准气体监测仪。图6a)示出了对准机构的横截面。实际上是图6b)的截面A-A，其从反射镜侧示出反射镜组件。图6c)从一侧显示对准系统。图6d)从后侧显示了对准系统。反射镜组件2000围绕钢球2050移动。通过使用推动式螺丝2060进行调节，并且在另一个方向上的运动通过具有包括螺丝和钢弹簧的推动式螺丝来布置。

在现场安装仪器时的对准可以使用手动对准装置或使用自动或半自动装置完成。完整的手动系统可以基于使反射镜组件2000围绕“枢轴”点2050倾斜或者移动的调整螺丝。图6显示了一个可能的实现方式。

自动或半自动对准系统将基于与调节螺丝具有相似功能的致动器，除非不需要锁紧螺丝。使用至少一个激光器和至少一个包括电子元件和数字化单元的检测器，致动器将被用来扫描可能的范围以找到最大的信号强度。一种可能的扫描策略是从中心开始，向外按照正常螺旋或者类似于螺旋的正方形的向外的螺旋图案。可能的方法是在足够高的局部最大值处停止，或者在整个范围内扫描以找到全局最大值。在半自动模式下，对准过程将通过手动干预开始，而在自动模式下，当信号强度低于特定阈值达预定时间时，对准过程将开始。许多其他更复杂的开始对准程序的标准也是可能的。

根据实施类型，接收光学器件将是弯曲的或典型的抛物面反射镜2300，其将光聚焦到检测器系统上。在环绕反射镜是平坦的2310情况下，接收光学器件也将包括聚焦透镜6000。

根据本发明的仪器将获取作为目标气体的特征的数据。仪器还可以获取仪器内部光路中存在的气体或空气以及仪器外部光路中的气体或空气(而不是目标气体)的特征的数据。完整的仪器可以用氮气吹扫以避免来自仪器内部空气中的氧气的贡献。

仪器还可以从温度、压力、流速和其他传感器获得数据。

基于获取的数据和预定的知识和数据，控制单元将基于光谱数据计算一种或多种气体的浓度以及可能的温度(T)和/或压力(p)。

控制单元包括用于控制仪器的装置，即温度控制、扫描和调制激光器、从检测器和其他输入(T，p等)获取数据。控制单元还将为仪器执行其他所需的“内务”任务。如前所述，控制单元将计算气体浓度和其他参数。控制单元具有并控制不同的输入和输出单元(I/O)，不同的输入和输出单元(I/O)用于输入其他信号(如T和p)，并输出结果(如一个或多个气体浓度)。控制单元也使用I/O来设置仪器以及校准和故障诊断。

在本应用中，反射镜组件2000也被称为反射镜布置结构，因为中央反射镜和环绕反射镜在其之间布置有一定角度。该反射镜组件具有指向方向，该指向方向可以参考周围的光轴或中央反射镜的光轴或两者来定义。在对准过程中，反射镜组件的指向将被调整。

平面反射镜的光轴将成为反射镜表面的法线。如果适用的话，将选择与其他元件的光轴重合的法线作为光轴，否则将选择平面反射镜中心的法线。

在本发明中，术语“回复反射器”将用于所有装置或表面，其将至少一些光反射回仪器，使得其可被检测器系统检测到。回复反射器于是可以是角隅、反射带或能够返回一些光线到仪器的任何其他设备或表面。即使是室内或室外的物体或表面也可以作为回复反射器，也可以使用墙壁、岩石、地面。

激光器被设置成使光线到达中央反射镜，中央和环绕反射镜以及检测器系统被布置成，使得到达中央反射镜的光线沿回复反射器的方向被发送，然后被发回到环绕反射镜，然后到检测器系统。角度和位置可以按照图5给出的例子进行排列。

反射镜组件围绕点或球2050移动。其中反射镜组件在具有较大直径的弯曲表面的顶部上滑动的布置也是可能的。这可能导致中央反射镜表面和移动点之间的距离较大，并且会导致较小的调节范围。

如图2和图3所示的双激光系统的可选实施方案可以使用具有之间带有角度的两个反射表面的中央反射镜来制成。第一表面可以覆盖一层反射760nm范围波长同时透射其它波长的涂层。下一表面(可能具有不同角度的后表面)将反射所有光线。这种布置可以使激光器和检测器系统与图2和3所示的例子不同地安装。激光器和检测器系统然后可以被更独立地安装，这仅取决于中央反射镜的不同表面之间的角度。

本发明的一个实施方式具有大约760nm的VCSEL激光器1100，该光束进入通常反射来自激光器的90％的光并从对准激光器1200透射一些可见光的分光器2740。大约2.3微米的DFB激光器1000发射光到分束器2720，该分束器反射2.3微米范围内的光的大约90％，该分束器还包括用于760nm范围的抗反射涂层，从而来自第一激光器1100的光将被传输。反射镜2600将光导向中央反射镜2100的方向。分束器2720还传输用于对准激光器1200的一些可见光。

至检测器系统的入射光将到达分束器2700，分束器将760nm范围的光反射到检测器3100。同一分束器具有针对2.3微米区域优化的抗反射涂层，且源自激光器1000的光将终止在检测器3000上。

可以在分束器2700和检测器3000之间的单元中插入含有CO气体的单元。这可以用于巡线和跨度或验证检查。

可以将检测器3200，3300与气室2910，2920组合，用于巡线和/或跨度或验证检查。所有提及的气室可以使用致动器系统永久安装或插入。没有气室，可以检查零点设置。气室可以被流过或密封。

本发明具有以下优点：允许一个以上的激光器被包括在相同的光路中，因此也允许一个气体监测仪测量多个气体成分，即使这些气体具有如此相距甚远的吸收谱线，以至于它们不能使用一个激光器。包括在不同波长范围操作的两个不同激光器的一组实施方式对于本发明的用途是典型的。

其中一个例子是用于燃烧分析的仪器，仪器包括在760nm区域中操作的用于测量氧气(O2)的第一激光器、和包括在2327nm区域中用于测量一氧化碳(CO)的第二激光器。在760nm区域工作的激光器甚至可以扫描一个以上氧气谱线，从而使用光谱手段来测量气体温度。它也可以扫描NO2谱线构成的闭合件，从而可以用第一激光器测量O2、NO2和温度。通过选择第二激光器的波长范围，以便它可以扫描CO谱线、甲烷(CH4)谱线和两条水蒸气谱线，第二激光器可以使用同一个气体监测仪测量三种以上气体，以及使用两条水吸收谱线来测量温度。于是，可以在一台仪器中测量6种成分、5种气体和温度，这种仪器只需要在堆叠或管道中只有一个孔就可以进行现场操作。

在某些特定应用中，如过程温度较高的玻璃熔炉中，并且希望避免将分析仪直接连接到过程管道，使用氧气谱线的温度测量将不适用，因为激光束将经过过程以及分析仪和过程管道之间的空气。对于这样的应用，可以使用2300nm区域中的水蒸气谱线来测量温度，而不是使用760nm区域中的氧气谱线。

根据本发明的仪器可以适用范围广泛的激光器类型，一些样品的但不限于VCSEL激光器、DFB激光器、QCL和ICL激光器、法布里-珀罗激光器以及不同阵列类型的激光器。这些激光器可以在激光器可用、并且在那里有匹配的气体吸收谱线的所有波长范围内工作。只要传输通过光学窗口、透镜和分束器基板的透射足以进行操作，则激光器和波长范围的任何组合都是可能的。

本发明的气体监测仪可以不同的配置使用，例如但不限于开放路径，使用回复反射器的交叉堆叠或使用具有内置回复反射器的探头的一个凸缘解决方案。一个凸缘探头解决方案还可以包括阻挡颗粒进入光路或光束的装置。这可以允许在对于操作光学系统尘埃负载太高的环境下操作。

Claims (21)

1.一种用于确定目标气体(5000)的至少一个特征的气体监测系统，所述气体监测系统包括：

至少一个光源(1000)，所述光源(1000)被布置为发射一定波长范围内的光，其中所述目标气体(5000)具有至少一个吸收谱线，

回复反射器(2200)；

控制单元；

反射镜布置结构，所述气体监测系统布置成用于将所述光引导通过所述目标气体(5000)到所述回复反射器(2200)，所述回复反射器将所述光返回到所述反射镜布置结构；以及

检测器系统，所述检测器系统具有至少一个用于检测光的光敏检测器(3000)，所述光敏检测器(3000)被布置成用于提供将由所述控制单元接收的信号，所述控制单元被布置成用于控制气体监测系统并计算气体的至少一个特征；

所述反射镜布置结构(2000)包括中央反射镜(2100)和环绕反射镜(2300)，每个反射镜具有表面和光轴，

其中所述环绕反射镜(2300)的表面围绕中央反射镜(2100)的表面，

其中所述中央反射镜(2100)和所述环绕反射镜(2300)被布置为在它们的光轴之间具有偏移角度，

其中所述反射镜布置结构(2000)具有指向方向，并且能主要围绕枢转点(2050)在所有方向上倾斜以仅使用所述反射镜布置结构(2000)调节反射镜布置结构(2000)的指向方向，

其中所述中央反射镜(2100)的表面具有几何中心，并且所述枢转点(2050)位于所述中心附近，中央反射镜(2100)被布置用于接收来自光源(1000)的光，并且将光引导到回复反射器(2200)，回复反射器(2200)被布置成用于将光返回到环绕反射镜(2300)，环绕反射镜(2300)被布置用于将光反射到检测器系统中。

2.根据权利要求1所述的气体监测系统，其中，所述气体监测系统被布置用于形成光束，每个光束具有轴线，从包括所述光源(1000)的光源系统到所述中央反射镜(2100)的光束(4100)、从所述中央反射镜(2100)到所述回复反射器(2200)的光束(4200)，从所述回复反射器(2200)到所述环绕反射镜(2300)的光束(4300)，以及从所述环绕反射镜到所述检测器系统的光束(4400)，并且其中气体监测系统布置成使得到达回复反射器(2200)和来自回复反射器(2200)的光束基本上同轴，并且从光源系统到中央反射镜(2100)的光束的轴线以及从环绕反射镜(2300)到检测器系统的光束的轴线不重合。

3.根据权利要求2所述的气体监测系统，被布置为使得所述中央反射镜(2100)的光轴与所述环绕反射镜(2300)的光轴之间的角度的两倍基本上对应于所述光源系统的光轴和检测器系统的光轴之间的角度。

4.根据权利要求2或3所述的气体监测系统，其中，光源系统和检测器系统位于不同的光轴上。

5.根据权利要求4所述的气体监测系统，其中，环绕反射镜(2300)的表面比中央反射镜(2100)的表面大。

6.根据权利要求1至3中任一所述的气体监测系统，其中，所述中央反射镜(2100)为以下形式之一：平面、抛物面、离轴抛物面和球面，以及环绕反射镜(2300)为平面、抛物面、离轴抛物面和球面的形式之一。

7.根据权利要求2或3所述的气体监测系统，其中，所述检测器系统位于所述反射镜布置结构(2000)和所述回复反射器(2200)之间的所述光束的外部。

8.根据权利要求1至3中任一所述的气体监测系统，其中，光源(1000)是以下类型中之一的激光器：VCSEL激光器、DFB激光器、QCL和ICL激光器、法布里-珀罗激光器以及不同阵列类型的激光器。

9.根据权利要求1至3中任一所述的气体监测系统，其中，所述回复反射器(2200)是以下类型之一：角隅或反射带。

10.根据权利要求1至3中任一所述的气体监测系统，其中，所述反射镜布置结构(2000)被布置成用于将来自所述中央反射镜(2100)的光束指向主要朝向所述回复反射器(2200)的指向方向。

11.根据权利要求1至3中任一所述的气体监测系统，其中，所述枢转点(2050)在所述指向方向的延长部的邻近处位于所述中心后面。

12.根据权利要求10所述的气体监测系统，其中，对准装置包括用于在监测信号的同时通过移动所述反射镜布置结构并找到最佳信号，来将所述反射镜布置结构朝向所述回复反射器(2200)自动对准的装置。

13.根据权利要求1至3中任一所述的气体监测系统，其中，所述系统包括可见光源(1200)，所述可见光源布置成用于发送与来自所述至少一个光源(1000)的光束基本上同轴的准直可见光束，以便于系统的对准。

14.根据权利要求1至3中任一所述的气体监测系统，其中，所述系统包括在不同的波长下操作的多个光源(1000，1100)，每个光源(1000，1100)具有用于将来自光源(1000，1100)的光束合并到公共路径的分束器；所述分束器具有对于来自对应于每个分束器的光源(1000，1100)的光基本上反射的光谱特征，而基本上透射处于来自其他光源(1000，1100)的波长的光。

15.根据权利要求1至3中任一所述的气体监测系统，包括多个光敏检测器和多个分束器，用于将来自每个光源(1000)的波长分离到各个检测器。

16.根据权利要求14所述的气体监测系统，其中，所述系统被布置用于时分复用或频分复用以将来自每个光源(1000)的波长分离。

17.根据权利要求14所述的气体监测系统，其中，所述系统被设置为使来自所述分束器的多余光线通过用于每个所述光源(1000，1100)的至少一个气室，且然后到达至少一个用于每个所述光源(1000，1100)的附加的光敏检测器；所述至少一个气室容纳具有吸收特征的气体，所述气体适合于用作自校准并且关于光谱操作点来监测仪器的完整性。

18.根据权利要求1至3中任一所述的气体监测系统，其中，所述回复反射器(2200)包括大致对称地布置在所述回复反射器(2200)的中心轴线周围的光束阻挡板(2211)，其用于阻止光被所述回复反射器(2200)经由中央反射镜(2100)反射回到光源(1000)。

19.根据权利要求18所述的气体监测系统，其中，所述光束阻挡板(2211)基本上形成为类似圆盘，其具有针对一定范围的光路长度和光束发散度而优化的直径。

20.根据权利要求18所述的气体监测系统，其中，所述光束阻挡板(2211)相对于所述回复反射器(2200)的光轴以倾斜的角度布置。

21.一种通过气体监测系统来确定目标气体(5000)的至少一个特征的方法，所述气体监测系统为根据权利要求1至20中的任一项所述的气体监测系统，所述方法包括以下步骤：

在目标气体(5000)于来自光源(1000)的光束中具有至少一条吸收谱线的范围内发光；

通过中央反射镜(2100)将光反射通过目标气体(5000)的样本朝向回复反射器(2200)；

通过回复反射器(2200)将光朝着围绕中央反射镜(2100)的环绕反射镜(2300)返回；

通过环绕反射镜(2300)将光朝着检测器系统反射；

由检测器系统包括的光敏检测器(3000)检测光；

通过控制单元接收来自检测器系统的信号并确定所述气体的至少一个特征；以及

通过将包括中央反射镜(2100)和环绕反射镜(2300)的反射镜布置结构(2000)进行倾斜来对准仅移动内部部件的气体监测系统。

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