CN108152242B

CN108152242B - 测量仪

Info

Publication number: CN108152242B
Application number: CN201711128636.4A
Authority: CN
Inventors: 罗尔夫·迪施
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 2016-12-02
Filing date: 2017-11-15
Publication date: 2021-06-18
Anticipated expiration: 2037-11-15
Also published as: EP3163291A1; EP3163291B1; CN108152242A

Abstract

本发明涉及一种用于确定测量气体的多种气体组分的气体浓度的测量仪，具有：发射波长范围内的光的光源，该光源的光束被引导通过测量段；接收装置，其接收穿过测量段之后的光源的光并根据入射到接收装置上的光强度提供接收信号；具有滤波盘的光学滤波单元，通过该滤波单元可以可选地将不同的光学滤波器引入到光路中；以及用于评估接收信号并由此确定气体浓度的评估单元。为了提供经过改进的、借助它可以通过滤波相关和/或气体滤波相关测量多种气体组分且构造简单的测量仪，提出了设置光束偏转单元，该光束偏转单元这样偏转光路使得光路穿过滤波盘两次，并因而在滤波盘的至少一个位置中，两个滤波器被光路穿过。

Description

测量仪

本发明涉及用于确定气体浓度的测量仪。

这样的测量仪从EP 0 349 839 A2中可知。借助它根据所谓的气体滤波相关(Gasfilterkorrelation)原理来测量不止一种气体组分。在气体滤波相关中，需要多个(通常情况下是两个)机械移动的部件，即滤波盘(Filterrad)和气体比色皿盘(Gasküvettenrad)。通过滤波盘的滤波器，通常情况下是干涉滤波器，选择特定的光谱范围，确切地说是准确对应于待测量的气体组分的吸收范围。然后，将填充有气体的比色皿(也称之为气体滤波器)向内和向外转进光路中，该比色皿填充了将要在气体样品中进行测量的相同的气体。根据向内转动和向外转动的气体比色皿之间的信号差可以获得气体组分的浓度，因为在向内转动的比色皿中，处于待测量的组分的光谱线位置的光被完全吸收，在向外转动的气体比色皿中，只有测量气体被吸收。

这种实施形式的缺点是，需要具有相应的磨损以及具有两个驱动马达和相应的控制装置的至少两个机械部件，即滤波盘和比色皿盘。这样成本较高、价格昂贵，并且需要相应的安装空间。

本发明的任务在于，以该现有技术为出发点来提供经过改进的测量仪，通过该测量仪可以借助滤波相关(Filterkorrelation)和/或气体滤波相关来测量多种气体组分，并且该测量仪避免了所述缺点。

该任务将通过测量仪得以实现，即

-通过用于确定测量气体的多种气体组分的气体浓度的测量仪得以实现，该测量仪具有：

-光源，该光源发射一波长范围内的光且其光束被引导通过测量段，

-接收装置，其接收光源的穿过测量段之后的光，并根据入射到接收装置上的光强度来提供接收信号，

-具有滤波盘的光学滤波单元，通过该光学滤波单元可以可选择地将不同的光学滤波器引入到光路中，

-用于评估接收信号并由此确定气体浓度的评估单元。

根据本发明，设置有光束偏转单元，该光束偏转单元以如下方式偏转光路，使得光路穿过滤波盘两次，并因而在滤波盘的至少一个位置中，两个滤波器被光路穿过。

在本申请中，术语“滤波器”被理解为具有光学滤波功能的最多样化的光学部件，例如，滤色器、干涉滤波器、气体滤波器，即用已知气体填充的比色皿，等等。

主要优点是，提供了一种测量仪，该测量仪仅具有单个滤波盘，但是可以借助滤波相关和/或气体滤波相关来测量多种气体组分。通过光束偏转，也就是滤波盘的“双重使用”，可以省略另外必要的第二滤波盘，由此完全避免了上述缺点。为了还可以执行所需的滤波相关和气体滤波相关，与此同时还必须确保滤波盘安装正确，即正确的滤波器在正确的位置上，从而使得对于相关测量来说，匹配的一对或多对滤波器分别可以向内转进光路中，并且对于滤波相关测量来说，相应的滤波器和空闲贯通开口分别可以向内转进光路中。因此，滤波盘的安装，即哪个滤波器必须安装在滤波盘的哪个部位上，取决于测量任务。

有利地，滤波盘以已知的方式形成为“普通的”平坦的滤波盘，这节省了安装空间并且呈现出简单的结构。

然后，当光束偏转单元优选具有两个偏转镜时是有意义的。

在本发明的改进方案中，滤波盘具有贯通开口，其中至少有一些贯通开口是具有滤波器的。也就是说，不是所有的贯通开口都装有滤波器，以便也能够实施滤波相关测量。然而，滤波盘被安装成使得总是至少有一个滤波器位于光路中。

有利地，贯通开口以及因此还有滤波器位于相同的节圆上。然后，通过简单旋转滤波盘可以使相应的对，也就是用于气体滤波相关的滤波器和气体滤波比色皿或者用于滤波相关的具有空闲贯通开口的滤波器，转进光路中。

在本发明的改进方案中，第一组贯通开口位于第一节圆上，并且第二组贯通开口位于第二节圆上。然后有可能在多个波长范围内同时进行测量。接着可以将测量仪设计成两通道的(即具有两个光谱通道)。第一通道使用第一节圆上的滤波器，并且第二通道使用第二节圆上的滤波器。

在本发明的改进方案中，从光发射器看，可将反射器布置在测量段之后。这样一来，测量段被光穿过两次，并且具有发射器、接收器和评估装置的整个电子元器件可以紧凑地位于测量段的一侧上。

附图说明

以下将参照附图根据实施例详细说明本发明。附图中示出了：

图1是根据本发明的测量仪的实施方式的示意图；

图2是滤波盘的实施方式的俯视图；

图3是测量仪的另一实施方式的一部分；

图4是测量仪的另一实施方式；

图5是滤波盘的另一实施方式的俯视图。

用于确定气体浓度的根据本发明的测量仪10包括光源12，其将一波长范围内的光(光束14)发送到测量段16中。在该实施例中，测量段16位于测量比色皿18中。光14与在测量段16的区域中提供的测量气体(该测量气体在图1中通过点20示出)发生的实际反应在测量段16上进行，由此可以确定特定组分的浓度。在此，测量气体可位于所示的测量比色皿18中或类似物中-或者也可以位于排气通道的自由路径中。

在穿过测量段16之后，光最终到达接收装置30。接收装置30包括光接收器32，光在其中被检测(nachgewiesen)。接收器32根据入射的光产生接收信号，该接收信号被引导到评估单元34，并且如有必要就存储在那里并对其进行评估以确定气体浓度。

为了必要的零点测量，设置有光学元件22和24，使得光束14可以经由光学路径26相应地偏转以绕行测量段16。因此，图1中的图示仅仅是示意性的，用于对经由路径26的零点测量进行解释。

根据本发明，还设置了具有滤波盘52的光学滤波单元50。该滤波盘在图2中以正视图示出，并且具有贯通开口，在该实施例中具有八个贯通开口52-1到52-8。这些贯通开口是开放的，在该示例中贯通开口52-3、52-4和52-7就是如此，或者各自接收一个滤波器。因此，在贯通开口52-1中布置有干涉滤波器F2，在贯通开口52-2中布置有干涉滤波器F1，在贯通开口52-5中布置有干涉滤波器F3，在贯通开口52-6中布置有干涉滤波器F4，以及在贯通开口52-8中布置有气体滤波比色皿GF。在这种情况下，术语“滤波器”应被理解为具有光学滤波功能的最多样化的光学部件。因此，在该实施例中，干涉滤波器和气体滤波器是用已知的气体填充的比色皿。

干涉滤波器F1到F4各自让所需气体组分被观察的吸收带周围的窄波长范围通过。

此外，根据本发明，在滤波盘52的后方设置有光束偏转单元60，该光束偏转单元这样偏转光路14，使得光路14穿过滤波盘52两次，并因而在滤波盘52的至少一个状态中，两个滤波器(例如GF和F1)被光路14穿过。为此，如图1所示，在该实施例中，光束偏转单元60具有至少两个偏转镜62和64，它们将光路14分别偏转90°。

优选地，滤波盘52如根据图1到图3的实施例中那样平坦形成，并位于轴54上，该轴可以通过马达56旋转。通过这种方式，总是可以使两个贯通开口的组合转进光路14中，其中，这样布置光路14，使得总是可以使再下一个相邻的贯通开口可以转进光路14中。这可以通过图2中的虚线表示，该虚线随后还形成了截面用于示出图1中的滤波盘52。因此，当滤波器或贯通开口如图2中所示位于位置A时，其被光束14贯穿。对于位置B也同样如此。这样，各自位于位置A和B中的滤波器和贯通开口形成上述组合。

通过所选择的空闲贯通开口和装有滤波器的贯通开口的组合可以确定三种气体组分，其中一种可以借助气体滤波相关来确定，另外两种可以借助滤波相关来确定。

为了清楚起见，以下将更详细地进行例释。

滤波器F2是让水吸收谱线(Wasserabsorptionslinie)周围的窄波长范围通过的滤波器。然后，在滤波盘52的所示状态中，其中滤波器F2位于位置A且空闲贯通开口52-3位于位置B，可以将含水量作为第一气体组分进行测量。当滤波器F2位于位置B且因此贯通开口52-7位于位置A时，也可以进行相同的测量。

类似的情况也适用于例如让CO2吸收的窄波长范围通过的滤波器F3，条件是滤波器F3位于位置A或B，从而使得可以对作为第二气体组分的CO2进行测量。

由于通常总是需要参考，因此，滤波器F4是允许用于参考测量的波长通过的参考滤波器。然后，当F4在位置B中时，可以进行参考测量。因此那时位置A是空闲的，即空闲贯通开口52-4位于位置A。

第三种待测量的气体组分可以是CO，并借助气体滤波相关来确定。为此，滤波盘52必须移动到两个不同的状态中，其中各自进行测量，该测量在评估单元中进行评估。在第一状态中，允许CO吸收周围的窄波长范围通过的滤波器F1位于位置B中，从而以CO填充的气体滤波比色皿GF同时位于位置A中。在滤波盘52的第二状态中，滤波器F1位于位置A中，因此位置B是空闲的。

在最后剩余的滤波器盘52的位置中，滤波器F4位于位置A中，并且气体滤波比色皿GF位于位置B中。该组合不允许有意义的测量，因此无效。

只有当评估单元42“知道”滤波盘52目前在哪个状态下且已知哪个或哪些滤波器在当前测量中转进了光路14中，测量和气体浓度确定才明显地发挥作用。为此，滤波盘52或马达56由评估单元34有针对性地进行控制。

总的来说，以此提出了一种结构上简单的测量仪，但是该测量仪可以实现多种测量任务，即可以仅用单个滤波盘通过滤波相关和气体滤波相关确定多种(在此为三种)气体组分。

当例如使用多个光源或者具有不同的光谱灵敏度范围的多个检测器并且因此测量仪具有多个光谱通道时，根据本发明的测量仪是可扩展的。然后，可以在同一滤波盘上设置其他的滤波器和贯通开口。然而优选地，这些其他的滤波器和贯通开口位于另一节圆上。这在图3中进行了例示。

然后，光束14首先借助分束器160被分成两个分束14-1和14-2。其中一个分束14-1以上述方式穿过滤波盘152或者更好地穿过贯通开口或滤波器，并借助偏转单元160相应地偏转。为了使另一分束14-2也穿过滤波盘152两次，光束偏转单元160用三个附加的偏转镜166、168和170扩展，它们以所示的方式相应地偏转分束14-2，其中该分束14-2在另一节圆上穿过滤波盘152。

分束14-1和14-2在接收装置130中在两个单独的接收器132和133中被接收，它们的接收信号被引导到评估单元134。根据滤波相关和气体滤波相关的已知方法，在评估单元134中进行相应的评估并确定各气体组分。

图4示出了另一实施方式，其中滤波盘152以不同的方式进行构造，因此偏转单元160也不同地被构造。现在，滤波盘152未被构造成平坦的，而是被构造成罩形。如根据图1和图2的上述实施方式的滤波盘52一样，该滤波盘具有贯通开口152-1到152-8(图5)，它们以同样的方式装有滤波器F1、F2、F3、F4和GF(图5)。如图5中用虚线所示的一样，光束14以类似的方式穿过贯通开口或滤波器。

相对于前述实施方式，该实施方式的优点是偏转单元160更简单，因为该偏转单元现在可以仅由一个偏转镜162组成，这样简化了调节。

Claims

1.一种用于确定测量气体的多种气体组分的气体浓度的测量仪，具有：

-光源(12)，所述光源发射一波长范围内的光，

-所述光源的光束(14)被引导通过测量段(16)，

-接收装置(30；130)，所述接收装置接收所述光源(12)的穿过所述测量段(16)之后的光，并根据入射到所述接收装置(30；130)上的光强度来提供接收信号，

-具有单个滤波盘(52；152)的光学滤波单元(50)，通过该滤波单元能够将不同的光学滤波器(F1、F2、F3、F4、GF)引入到所述光束(14)中，

-评估单元(34)，所述评估单元用于评估所述接收信号并由此确定气体浓度，

其特征在于，

-设置有光束偏转单元(60；160)，所述光束偏转单元偏转所述光束(14；14-1和14-2)使得所述光束(14；14-1和14-2)穿过所述单个滤波盘(52；152)两次，并因而在所述单个滤波盘(52；152)的至少一个状态中，所述不同的光学滤波器中的两个滤波器(GF和F1)被所述光束(14)穿过。

2.根据权利要求1所述的测量仪，其特征在于，所述单个滤波盘被构造成平坦的。

3.根据权利要求1所述的测量仪，其特征在于，所述单个滤波盘具有贯通开口，所述贯通开口中的至少一些具有所述不同的光学滤波器。

4.根据权利要求2所述的测量仪，其特征在于，所述单个滤波盘具有贯通开口，所述贯通开口中的至少一些具有所述不同的光学滤波器。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的测量仪，其特征在于，所述单个滤波盘具有贯通开口，所述贯通开口位于相同节圆上。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的测量仪，其特征在于，所述光束偏转单元具有至少一个偏转镜。

7.根据权利要求5所述的测量仪，其特征在于，所述光束偏转单元具有至少一个偏转镜。

8.根据权利要求1-4和7中任一项所述的测量仪，其特征在于，所述光束偏转单元具有两个偏转镜。

9.根据权利要求5所述的测量仪，其特征在于，所述光束偏转单元具有两个偏转镜。

10.根据权利要求6所述的测量仪，其特征在于，所述光束偏转单元具有两个偏转镜。

11.根据权利要求1-4、7和9-10中任一项所述的测量仪，其特征在于，第一组贯通开口位于第一节圆上，并且第二组贯通开口位于第二节圆上。

12.根据权利要求5所述的测量仪，其特征在于，第一组贯通开口位于第一节圆上，并且第二组贯通开口位于第二节圆上。

13.根据权利要求6所述的测量仪，其特征在于，第一组贯通开口位于第一节圆上，并且第二组贯通开口位于第二节圆上。

14.根据权利要求8所述的测量仪，其特征在于，第一组贯通开口位于第一节圆上，并且第二组贯通开口位于第二节圆上。