CN110736713A - 气体分析仪和气体分析方法 - Google Patents

气体分析仪和气体分析方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110736713A
CN110736713A CN201910657408.9A CN201910657408A CN110736713A CN 110736713 A CN110736713 A CN 110736713A CN 201910657408 A CN201910657408 A CN 201910657408A CN 110736713 A CN110736713 A CN 110736713A
Authority
CN
China
Prior art keywords
beams
different
radiation sources
ellipse
gas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201910657408.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110736713B (zh
Inventor
西蒙尼·伊莎贝尔·鲁普
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of CN110736713A publication Critical patent/CN110736713A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110736713B publication Critical patent/CN110736713B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N21/03—Cuvette constructions
    • G01N21/031—Multipass arrangements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N21/03—Cuvette constructions
    • G01N21/0303—Optical path conditioning in cuvettes, e.g. windows; adapted optical elements or systems; path modifying or adjustment
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/021—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using plane or convex mirrors, parallel phase plates, or particular reflectors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N2021/0106—General arrangement of respective parts
    • G01N2021/0112—Apparatus in one mechanical, optical or electronic block
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/39—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/06—Illumination; Optics
    • G01N2201/066—Modifiable path; multiple paths in one sample
    • G01N2201/0668—Multiple paths; optimisable path length
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Optical Measuring Cells (AREA)

Abstract

本发明涉及一种气体分析仪和气体分析方法，其中，至少两个不同的辐射源的射束耦入到一个包含测量气体的赫里奥特池中，并且在多次反射以后与其耦出并被探测到，其中，射束被定向成，使得它们以沿着椭圆延伸的光斑图案(20、21、22)投落到镜(例如5)上，其中：相互嵌套地位于一共同的对称轴线上的椭圆具有两个共同顶点(例如24)并且还具有不同的顶点；来自至少两个不同辐射源的射束在配属的光斑图案(20、21、22)的不同位置(29、30、31)处耦入到赫里奥特池中，并且/或者，耦入到赫里奥特池中，使得它们沿着椭圆在相反方向上经历配属的光斑图案(20、21、22)；并且所有的射束在其中一个共同的顶点(24)的位置处耦出。

Description

气体分析仪和气体分析方法
技术领域
本发明涉及一种气体分析仪。本发明还涉及一种气体分析方法。
背景技术
吸收光谱学是一种广泛应用的确定气体浓度的技术。在该技术中，待测气体中光的吸收程度越强，能够证实的气体浓度越小。根据朗伯比尔定律(Lambert-Beer)，吸收随穿过待测介质的光程的增加而增加。为了在空间有限以及/或者(例如对于快速的气体交换来说所需的)小的气体体积的情况下同时实现长的光程，经常使用所谓的多程池，其中，激光射束光学折叠并且多次被引导穿过相同的气体。这种多程池的常见实例是所谓的怀特池(White-cell)和赫里奥特池(Herriott-cell)，在这些多程池中，在激光射束被探测到之前，它在镜面之间多次来回反射。
赫里奥特类型的池(非像散的)基于它们在光学机械方面的鲁棒性而特别适合用于工业领域。赫里奥特池由两个球面镜组成，它们以彼此相对的镜面彼此相距某一特定距离。射束(通常是激光射束)可以通过其中一个镜中的进入窗口(在最简单的情况下是一个孔)耦入(eingekoppelt)到池中。然后，射束在这两个镜之间来回反射，其中，根据窗口的布置和激光射束的耦入角度，在镜面上产生反射点的不同的椭圆形图案(Spotmuster光斑图案)。在特定情况下，椭圆变成圆形。圆形的光斑图案在赫里奥特池中被使用得特别频繁，因为它在光斑距离和镜面的高效利用之间提供最佳的平衡。当激光射束在这两个镜的共同光轴线以外的一个位置处相对于光轴线倾斜地耦入到赫里奥特池中，就产生椭圆形或者圆形的光斑图案。激光射束或者从同一个窗口离开，或者从两个镜之一上的另一个窗口离开池。激光射束在池中的路径长度通过窗口的布置和焦距以及镜的距离被唯一地限定。出于这个原因，即使是另一个耦入角度并进而选择另一种反射图案，也不会改变路径长度。
在许多情况下，必须在待分析的气体混合物(测量气体)中同时测量多种气体成分，它们的浓度可能相互偏差好几个量级。在最简单的情况下，多个激光器的射束为此能够分别耦入(eingekoppelt)到各自的测量池中，然而这伴随着大的空间需求和高昂的成本。
因此希望的是，为了测量所关注的所有气体成分，能够只使用单一的多程池和单一的探测器。然而，为此却必须成功地将多个激光器的射束耦入到池中，使得它们分别经过特定长度的限定路径，而不会受到其他激光器的耦入/耦出装置(Auskoppelvorrichtungen)的干扰，并且最终将不同的激光射束导向到具有有限的探测器表面(通常在mm2范围内)的探测器上。
为了将多个激光射束耦入到同一个池中，已知的是，各个激光射束在它们进入池中之前被重合，使得它们基本上经过相同的光学路径。这例如可以借助部分透光的/二向色的镜(WO 2017/182787 A1)、所谓的光谱合束器(Spectral Beam Combinern)或者光纤合束(fiber-optic combination)来实现。这些方法的优点在于，只需要单一的探测器，从而在经历了吸收行程之后测量所有的激光射束的信号，因为所有的激光射束都以相同的几何形状耦出。然而，以这种方式无法为不同的激光射束实现不同的路径长度。此外，这些方法通常需要昂贵的光学组件，而且有些只能用于极其有限的波长范围，并且/或者会伴随有光学功率的剧烈降低。
一种替代方案是，在池的不同位置处同时耦入多个激光射束。这样虽然能够实现不同的路径长度，但是在迄今为止的解决方案中会导致不同的激光射束有不同的耦出点，从而对于每个激光射束而言都需要一个自己的探测器。
因而，W.Gurlit等人在2005年1月的《应用光学》(“Applied Optics”)第44卷、编号1，第91-102页的论文“Lightweight diode laser spectrometer CHILD(Compact High-altitude In-situ Laser Diode)for balloonborne measurements of water vapor andmethane”中描述了一种用于两个激光器的具有不同路径长度的赫里奥特池。每个激光射束在池中围绕自己的在多个反射点上的圆，并且随后通过其相应的进入窗口再次离开，其中利用了镜的球面像差以实现两个圆中的不同路径长度。
用于多个激光器的赫里奥特池的其他版本在以下文献中得以说明：
-C.G.Tarsitano等人，2007年10月，《应用光学》第46卷,编号28，第6923-6935页"Multilaser Herriott cell for planetary tunable laser spectrometers"，
-G.Moreau等人，2005年10月，第44卷，编号28，第5972-5989页"SPIRALE:amultispecies in situ balloonborne instrument with six tunable diode laserspectrometers"，以及
-C.R.Webster等人，1994年1月，第33卷，编号3，第454-472页"Aircraft(ER-2)laser infrared absorption spectrometer(ALIAS)for in-situ stratosphericmeasurements of HCl,N2O,CH4,NO2,and HNO3"。
虽然上述公开文献中窗口的布置方式不同，但是它们的共同点是，不同激光射束的反射点都分别位于各自的椭圆上，但是这些都导致相同的路径长度。在这里，每个激光射束也都由各自的探测器进行探测。
使用多个探测器的必要性是不容低估的成本因素，尤其是在中远红外线范围内进行测量时(MIR和FIR)，而这种测量从近几年研究和发展量子级联激光器以来越发重要。
由专利DE 43 31 847 A1中已知一种气体分析仪，其中，激光射束借助径向并排布置的进入光波导体通过径向的进入间隙或者作为替代通过单独的进入开口耦入到柱形的赫里奥特池中，从而使得射束以沿着中心圆延伸的光斑图案投落到镜上。这些射束通过离开间隙离开赫里奥特池后利用布置在下游的透镜和光波导体投落到一个共同的探测器上。
为了在一个且同一个赫里奥特池内实现不同的路径长度，已知的是，通过将镜相对彼此地推移来改变光斑图案和路径长度(EP 2 375 237 A1或者EP 1 972 922 A1)，通过转动具有离开窗口的镜使得激光射束在不同的位置处耦出，从而有效经历的光程依据窗口位置而不同(CN 104155241 A)，或者将两种手段结合起来(US 2017/0307519 A1)。原则上还可以提出，多个激光器的射束被同步耦入，然而具有可运动部件的光学构造相比于静态构造具有众多的缺点。
-更高的构造复杂性以及随之而来的更高成本，
-磨损的风险，
-功能故障的风险，尤其是在工业领域(例如在振荡影响下)。
发明内容
因此本发明所基于的目的是，在单一的静态多程池中，为不同光源的射束实现不同的路径长度，以及利用仅一个探测器对射束进行探测。
根据本发明，所述目的通过根据本发明的气体分析仪以及通过根据本发明的气体分析方法得以解决。
本发明的主题因此是一种气体分析仪，其具有：至少两个不同的辐射源；一个探测器；和，一个包含测量气体的、具有两个镜的赫里奥特池，其中，辐射源相关于赫里奥特池被布置和定向成，使得从辐射源耦入到赫里奥特池中的并且在镜之间反射的射束以沿着椭圆延伸的光斑图案投落到镜上，其中
-相互嵌套地位于一共同的对称轴线上的椭圆具有两个共同顶点并且还具有不同的顶点，
-至少两个不同的辐射源的射束
-在配属的光斑图案的不同位置处进入赫里奥特池中，并且/或者
-进入赫里奥特池中，使得射束沿着椭圆在相反方向上经历过配属的光斑图案，
-所有的射束在共同顶点之一的位置处离开赫里奥特池并且投落到探测器上，并且其中
-至少两个不同的辐射源的射束在赫里奥特池中经历不同的路径长度。
本发明的主题还是一种气体分析方法，其中，至少两个不同的辐射源的射束耦入到一个包含测量气体的赫里奥特池中，并且在多次反射以后于其耦出并且被探测到，其中，这些射束被定向成，使得射束以沿着椭圆延伸的光斑图案投落到镜上，其中
-相互嵌套地位于一共同的对称轴线上的椭圆具有两个共同顶点并且还具有不同的顶点，
-来自至少两个不同的辐射源的射束，
-在配属的光斑图案的不同位置处耦入到赫里奥特池中，并且/或者
-耦入到赫里奥特池中，使得射束沿着椭圆在相反方向上经历过配属的光斑图案，
-所有的射束在共同顶点之一的位置处耦出，并且其中
-至少两个不同的辐射源的射束在赫里奥特池中经历不同的路径长度。
因此，至少两个不同光源的、尤其是激光器的射束经由一个或者两个镜中的进入窗口耦入到赫里奥特池中，从而池中的所有反射的射束都在相互嵌套的椭圆上环绕
Figure BDA0002137266300000061
因为离开窗口位于所有椭圆形光斑图案的一个共同顶点处，所以，所有射束都可以通过这一个离开窗口离开池，并且例如借助置于离开窗口下游的光学件(例如非球面透镜)集束到一个且同一个探测器上。
为了最佳地利用镜面，离开窗口优选地位于椭圆或者光斑图案的一个共同主顶点的位置处，其中，外部的椭圆又优选为圆形的。
对于每道射束来说，都可以沿着椭圆如下地选择进入窗口的位置，即，射束在池中的直到离开窗口为止的剩余行程等于相应希望的路径长度。这些或者个别射束因此不经历完整的椭圆，而是仅仅经历它的一部分。
如果进入和离开窗口位于同一个镜内，那么路径长度l能够近似地以l≈2·n·d来选择，其中，d是镜距离，并且n＝1、2、3、....。如果进入和离开窗口位于不同的镜上，那么就能以l≈(2n+1)·d选择路径长度l。
作为将进入窗口布置在配属的光斑图案的不同位置处的补充方案或替代方案，不同的射束可以如下地耦入到赫里奥特池中，即，它们沿着配属的椭圆在相反方向上经历过配属的光斑图案。如果在配属的光斑图案的特定位置处耦入到赫里奥特池中的射束以路径长度11环绕，那么在其光斑图案的同一个位置处耦入的另一射束的路径长度12就具有相反的延伸方向l2＝1ges-11，其中，1ges是沿着椭圆完整环绕时的路径长度。
此外可行的是，通过个别的或者每个进入窗口，除了这一射束以外还耦入有另一射束，该另一射束在相反方向上经历椭圆，从而在其中一个镜2N中存在N个进入窗口的情况下，能够在池中实现不同的行程长度。
优选地，选择不同椭圆的不同半轴和进入窗口的位置，使得它们的距离足够大，并且不同的、环绕的激光射束或者它们中的一部分不会通过用于其他射束的进入窗口就再次离开。
附图说明
下面示例性地借助附图更详尽地阐述本发明；分别示出：
图1是具有赫里奥特池的气体分析仪，以及
图2至7是投落到赫里奥特池的镜上的射束的光斑图案的实例。
具体实施方式
图1用非常简化的示意图示出了一个气体分析仪，具有赫里奥特池1形式的多程测量池，其用于容纳待分析的测量气体2，测量气体经由第一气体导管3被导入到赫里奥特池1中，并且经由第二气体导管4从池1中被导出。测量气体2例如能够以气体样品的形式连续地从一个工业过程中被取出。赫里奥特池1具有两个相互对置的球面镜5、6，被导入到池1中的光在镜之间来回被反射。两个镜之一(在这里例如镜5)具有在此未示出的用于耦入射束7、8、9的窗口，射束由不同的光源10、11、12产生。光源10、11、12优选为激光器，它们发出不同的红外波长范围中的光。光源10、11、12可以由控制装置13同时或者相继地在多路复用中进行周期性驱控，例如利用斜坡电流或三角形电流驱控，从而在预设的波长范围上调谐分别由它们产生的光，测量气体2的待确定气体成分(目标气体)的所选择的吸收谱线就在预设的波长范围内。为了按照波长调制光谱学(WMS)的原理进行测量，斜坡电流或三角形电流可以同时通过借助预设的频率f进行调制。
光源10、11、12的、由测量气体2的气体成分按特定波长吸收的光7、8、9在赫里奥特池1中进行多次反射以后经由两个镜之一(这里例如还是镜5)中的在此未示出的窗口于池1耦出并投落到探测器14上。安置在探测器14下游的评估装置15评估光7、8、9在目标气体的、被选择的吸收谱线的位置处的强度，例如在上述调制频率f的一次或者多次的更高谐波中以相敏方式，进行评估，并且将由此得出目标气体的浓度作为分析结果16。
辐射源10、11、12分别与两个镜5、6的共同光轴线间隔一距离，并且以不同的角度与之倾斜，从而耦入到赫里奥特池1中的、在镜5、6之间反射的射束7、8、9在相互嵌套的椭圆上环绕。依据相应的耦入角，可以实现两种不同的环绕方向。
正如图2以镜5为例所示，在赫里奥特池1内多次反射的射束7、8、9以沿着椭圆17、18、19延伸的光斑图案20、21、22投落到镜上。在此，例如由射束7沿着椭圆17产生光斑图案20，由射束8沿着椭圆18产生光斑图案21并且由射束9沿着椭圆19产生光斑图案22。在所示实例中，不同的椭圆19、20、21具有一共同主轴线23和长度不同的副轴线26、27、28，其中，共同主轴线带有重合的主顶点24、25。此外，在所示实例中，最大的椭圆17构成一个圆，从而最佳地利用镜面。
如果现在所有的射束7、8、9都通过镜5中在主顶点24的位置处设置的窗口耦入到赫里奥特池1中，那么射束在池1中每次完全环绕之后都可以沿着配属的取决于相应的耦入角的椭圆通过同一个窗口再次耦出。
图3针对这种情况示出了镜5上的光斑图案20、21、22，并且图4示出了配对镜6上相应的光斑图案20’、21’、22’，其中，沿着镜环周的数字表示，当射束在赫里奥特池1中沿着两个方向之一环绕时，在池1中的入口#1与池1的出口#35(与#1重合)之间发生反射的顺序。在相反的环绕方向时，反射以从35#到1#的顺序进行。在此所示的实例中，射束7、8、9在池中的相应的路径长度l几乎等于这两个镜5、6之间距离的34倍。
当射束7、8、9中的一个或另一个在配属的光斑图案的不同于主顶点24的位置处(例如#13)耦入到赫里奥特池1中时，相关的射束直至在主顶点24的位置处耦出之前还仅仅经历椭圆或光斑图案的一部分(#13至#35)，并且路径长度相应地减少，在所提到的实例中减少到镜距离的22倍。
图5示出了一个实例，其中，射束7、8、9通过镜5中各自不同的进入窗口29、30、31(这里例如在光斑图案20、21、22的位置#13、#23、#29处)进入到赫里奥特池1中，并且在相互嵌套的部分椭圆上环绕，直到射束通过共同的离开窗口32在主顶点24(#35)处离开池1。因此，射束7、8、9经历了总路径的不同长度的分路段，也就是射束7沿着外部的椭圆从#13到#35(相反环绕方向时从#13到#1)，射束8沿着中间的椭圆从#23到#35(相反环绕方向时从#23到#1)，而射束9沿着内部的椭圆从#29到#35(相反环绕方向时从#29到#1)。缺少的反射点用点表示。
正如借助图6所示，除了射束7、8、9以外，还可以通过同一个进入窗口29、30、31耦合来自在此未示出的其他光源的三个其他射束，它们的进入角度分别如下地选定，即，它们以相反方向并且进而又是以不同的路径长度经历光斑图案20、21、22或配属的椭圆。如果一个射束以路径长度l1环绕，从而另一个反向环绕的射束的路径长度12为12＝1ges-11，其中，1ges是指一次完整环绕的路径长度。与(第一)射束7一起穿过窗口29耦入的第二射束因此沿着外部的椭圆反向地从#13行进到#1(相应于#35)。与(第一)射束8一起穿过窗口30耦入的第二射束沿着中间的椭圆反向地从#23行进到#1，而与(第一)射束9一起穿过窗口31耦入的第二射束沿着内部的椭圆反向地从#29行进到#1。缺少的反射点还是用点表示。
以这种方式可以在其中一个镜2N中存在N个进入窗口的情况下在池1中实现不同的路程长度。
图7示出了镜5上产生椭圆形光斑图案20’、21’、22’的一个实例，其中，内部的椭圆18’构成圆形，从而共同的顶点24是内部的椭圆19’的主顶点和外部的椭圆17’的副顶点。
本发明首次允许，随着在单一的静态多程池中有不同路径长度并且有单一探测器的情况下，同时使用多个光源。所有这些特征的组合都特别适合于在考虑到生产成本的情况下在工业领域内对多种气体成分进行精确的激光光谱测量。按照现有技术，迄今为止始终只能实现这个目标的部分方面，却不能实现全部方面的组合，从而或者在测量方面(准确度、成分的数量)或者在成本方面必须进行削减。这在下文中进行详尽描述。
相比已知的解决方案，基于本发明能够以更低成本制造多成分光谱测量系统，因为
-没有使用昂贵的组件来使得不同的射束重合，因为每个射束都在另一个路径上环绕。
-可以使用单一的多程池来测量多种成分，所以用于镜、池主体、管道、有时还有加热装备等等的成本都是发生一次的，
-仅仅需要单一的探测器对所有的射束进行探测。
因为本发明为不同的激光器实现不同的路径长度，所以还可以同时测量浓度和/或吸收特性极其不同的气体成分。因此，对于浓度很小或反应能力很弱的成分，可以选择足够大的路径长度，从而能获得充分的信号，而在成分浓度很高或反应能力很强时，通过选择较小的路径长度会避免测量信号饱和，从而避免测量失真。相反地，在单一的、固定的路径长度下，不可能同时足够准确地完成两者的测量。
本发明相对于现有技术的其他优点：
-不同于上述需要达到可变路径长度的解决方案，本发明可以不具有可运动的部件，这些部件会具有磨损风险以及功能故障风险，尤其是在工业领域中(例如在振荡影响下)。因此，本发明能够实现结构更可靠并且维护需求更少的气体分析仪。
-相比使用多个池来测量多种气体成分的解决方案，通过仅使用一个多程池能够减少测量仪器的尺寸。
-不同于通过光谱合束器进行合束的解决方案，可以在宽的波长范围内实现不同的激光波长。
-不同于通过部分透光的镜进行合束的解决方案，在进入池之前没有显著的辐射功率份额丢失，由此能够实现更好的测量性能。
本发明实现了，制造用于由多种成分构成的气体的吸收光谱分析的紧凑的、高效的，尤其是成本较低的测量系统。

Claims (8)

1.一种气体分析仪，具有：至少两个不同的辐射源(10、11、12)；一个探测器(14)；和，包含测量气体(2)的、具有两个镜(5、6)的赫里奥特池(1)，其中，所述辐射源(10、11、12)相关于所述赫里奥特池(1)被布置并定向成，使得从所述辐射源耦入到所述赫里奥特池(1)中并且在所述镜(5、6)之间反射的射束(7、8、9)以沿着椭圆(17、18、19；17’、18’、19’)延伸的光斑图案(20、21、22；20’、21’、22’)投落到所述镜(5、6)上，其中
相互嵌套地位于一共同的对称轴线(23)上的所述椭圆(17、18、19；17’、18’、19’)具有两个共同顶点(24、25)并且还具有不同的顶点，
来自至少两个不同的所述辐射源(10、11、12)的所述射束(7、8、9)
在配属的所述光斑图案(20、21、22；20’、21’、22’)的不同位置(29、30、31)处进入到所述赫里奥特池(1)中，并且/或者
进入到所述赫里奥特池(1)中，使得所述射束沿着所述椭圆(17、18、19；17’、18’、19’)在相反方向上经历配属的所述光斑图案(20、21、22；20’、21’、22’)，
所有的所述射束(7、8、9)在所述共同顶点(24、25；24’)之一的位置处离开所述赫里奥特池(1)，并且投落到所述探测器(14)上，并且其中
至少两个不同的所述辐射源(10、11、12)的所述射束(7、8、9)在所述赫里奥特池(1)中经历不同的路径长度。
2.根据权利要求1所述的气体分析仪，其特征在于，所述椭圆(17、18、19)的所述共同顶点(24、25)是所述椭圆的主顶点。
3.根据权利要求2所述的气体分析仪，其特征在于，外部的椭圆构成一个圆。
4.根据前述权利要求中任一项所述的气体分析仪，其特征在于，设有至少一个另外的辐射源，该另外的辐射源的射束与所述辐射源(10、11、12)中的一个辐射源的射束一起在同一位置处进入到所述赫里奥特池(1)中，使得该另外的辐射源的射束沿着同一个椭圆在与所述一个辐射源的射束的方向相反的方向上经历所述光斑图案。
5.一种气体分析方法，其中，至少两个不同的辐射源(10、11、12)的射束(7、8、9)耦入到一个包含测量气体(2)的赫里奥特池(1)中并且在多次反射之后从所述赫里奥特池中耦出且被探测到，其中，所述射束(7、8、9)定向成，所述射束以沿着椭圆(17、18、19；17’、18’、19’)延伸的光斑图案(20、21、22；20’、21’、22’)投落到镜(5、6)上，其中
相互嵌套地位于一共同的对称轴线(23)上的椭圆(17、18、19；17’、18’、19’)具有两个共同顶点(24、25)并且还具有不同的顶点，
来自至少两个不同的所述辐射源(10、11、12)的射束(7、8、9)
-在配属的光斑图案(20、21、22；20’、21’、22’)的不同位置(29、30、31)处耦入到所述赫里奥特池(1)中，并且/或者
-耦入到所述赫里奥特池(1)中，使得所述射束沿着椭圆(17、18、19’；17’、18’、19’)在相反方向上经历配属的光斑图案(20、21、22；20’、21’、22’)，
所有的所述射束(7、8、9)在所述共同顶点(24、25；24’)之一的位置处耦出，并且其中
至少两个不同的所述辐射源(10、11、12)的所述射束(7、8、9)在所述赫里奥特池(1)中经历不同的路径长度。
6.根据权利要求5所述的气体分析方法，其特征在于，所述射束(7、8、9)在所述椭圆(17、18、19)的一个共同的主顶点(24)的位置处耦出。
7.根据权利要求6所述的气体分析方法，其特征在于，外部的椭圆构成一个圆形。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的气体分析法，其特征在于，与至少一个所述辐射源(10、11、12)的所述射束一起，另一个辐射源的另一射束在同一位置处耦入到所述赫里奥特池(1)中，使得所述另一射束沿着同一个椭圆在与该射束相反的方向上经历所述光斑图案。
CN201910657408.9A 2018-07-20 2019-07-19 气体分析仪和气体分析方法 Active CN110736713B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP18184805.2A EP3598103B1 (de) 2018-07-20 2018-07-20 Gasanalysator und gasanalyseverfahren
EP18184805.2 2018-07-20

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110736713A true CN110736713A (zh) 2020-01-31
CN110736713B CN110736713B (zh) 2022-05-17

Family

ID=63041802

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910657408.9A Active CN110736713B (zh) 2018-07-20 2019-07-19 气体分析仪和气体分析方法

Country Status (3)

Country Link
US (1) US11193880B2 (zh)
EP (1) EP3598103B1 (zh)
CN (1) CN110736713B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114166795A (zh) * 2021-11-16 2022-03-11 山西祎恒光电科技有限公司 一种多波长激光共用的多通道池构建方法
WO2023170582A1 (en) * 2022-03-08 2023-09-14 Alpes Lasers Sa Multipass absorption cell

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100140478A1 (en) * 2006-12-22 2010-06-10 Photonic Innovations Limited Gas Detector
US20120242989A1 (en) * 2011-03-24 2012-09-27 The Laser Sensing Company Multipass Cell Using Spherical Mirrors While Achieving Dense Spot Patterns
CN102879898A (zh) * 2012-09-29 2013-01-16 太原科技大学 一种自动可调谐多光程系统
US20160069797A1 (en) * 2014-09-07 2016-03-10 Unisearch Associates Inc. Gas Cell Assembly and Applications in Absorption Spectroscopy
CN105548048A (zh) * 2015-12-29 2016-05-04 山东罗纳德分析仪器有限公司 一种多光程单气室的光谱采样气室设计方法与装置
US20160274024A1 (en) * 2014-05-28 2016-09-22 Nanjing University Multi-channel aerosol scattering absorption measuring instrument
CN106483071A (zh) * 2016-12-30 2017-03-08 郑州光力科技股份有限公司 一种气体探测器及其吸收池
US20170139191A1 (en) * 2015-11-12 2017-05-18 Joshua B. Paul Compact folded optical multipass system

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4331847A1 (de) * 1992-10-05 1994-04-07 Volkswagen Ag Absorptionsmeßvorrichtung zur Analyse eines mehrere Komponenten enthaltenden Gases
EP1972922A1 (en) 2007-03-22 2008-09-24 S.I.T. S.r.l. Variable length herriott-type multipass cell
EP2375237A1 (en) 2010-03-30 2011-10-12 Scienza Industria Tecnologia S.r.l. Herriott multipass cell with spherical mirrors and method for making it
CN104155241B (zh) 2014-07-02 2016-08-24 合肥工业大学 一种光程可调的长程光学吸收池
US9250175B1 (en) * 2014-12-16 2016-02-02 Aerodyne Research, Inc. Optical multi-pass cell for long path-length spectroscopy
CN109073544B (zh) * 2016-02-11 2021-06-15 汤姆·鲁宾 长光程吸收池
US10724945B2 (en) 2016-04-19 2020-07-28 Cascade Technologies Holdings Limited Laser detection system and method
US10180393B2 (en) 2016-04-20 2019-01-15 Cascade Technologies Holdings Limited Sample cell

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100140478A1 (en) * 2006-12-22 2010-06-10 Photonic Innovations Limited Gas Detector
US20120242989A1 (en) * 2011-03-24 2012-09-27 The Laser Sensing Company Multipass Cell Using Spherical Mirrors While Achieving Dense Spot Patterns
CN102879898A (zh) * 2012-09-29 2013-01-16 太原科技大学 一种自动可调谐多光程系统
US20160274024A1 (en) * 2014-05-28 2016-09-22 Nanjing University Multi-channel aerosol scattering absorption measuring instrument
US20160069797A1 (en) * 2014-09-07 2016-03-10 Unisearch Associates Inc. Gas Cell Assembly and Applications in Absorption Spectroscopy
US20170139191A1 (en) * 2015-11-12 2017-05-18 Joshua B. Paul Compact folded optical multipass system
CN105548048A (zh) * 2015-12-29 2016-05-04 山东罗纳德分析仪器有限公司 一种多光程单气室的光谱采样气室设计方法与装置
CN106483071A (zh) * 2016-12-30 2017-03-08 郑州光力科技股份有限公司 一种气体探测器及其吸收池

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
王玮琪: "高精度红外多气体传感器吸收池的研究与设计", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑》 *

Also Published As

Publication number Publication date
EP3598103B1 (de) 2022-03-09
EP3598103A1 (de) 2020-01-22
US11193880B2 (en) 2021-12-07
CN110736713B (zh) 2022-05-17
US20200025673A1 (en) 2020-01-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8508740B2 (en) Optical multi-pass cell
US8674306B2 (en) Gas sensing system employing raman scattering
US20110233406A1 (en) Multi-channel optical cell
US9194794B2 (en) Optical absorption spectroscopy
EP3470820B1 (en) Analysis device
US9915562B2 (en) Method of increasing power within an optical cavity with long path lengths
US20170307519A1 (en) Sample cell
US7215428B2 (en) Absorption spectroscopy apparatus and method
EP3532823B1 (en) Gas detector system with ring reflector
CN109765184B (zh) 光学气体吸收池以及光学气体检测系统
CN103604773A (zh) 用于tdlas多种气体同时检测的激光合束器
CN110736713B (zh) 气体分析仪和气体分析方法
JP5695301B2 (ja) マルチパスセルおよびガス測定器
JP6183227B2 (ja) 挿入型ガス濃度測定装置
KR20190048836A (ko) 미세 광경로를 이용한 다종가스 동시 측정 tdlas 정렬 시스템
CN113607687A (zh) 一种基于气体吸收光谱的单端漫反射多组分测量系统
JP2006153815A (ja) ガス成分・濃度測定方法及び装置
CN101980003A (zh) 一种开放式长光程的宽光谱气体测量系统
CN111157470A (zh) 一种多激光器同时在线测量多组分气体含量的方法
CN106290173B (zh) 气体浓度多维分布的检测装置及方法
CN109425590B (zh) 多种气体同时测量tdlas对齐系统
CN103575230B (zh) 光学无色差聚焦系统
KR102504516B1 (ko) 레이저 흡수 분광 분석 장치
US10948408B2 (en) Toroidal multipass absorption device
US20230314312A1 (en) Combustion-zone chemical sensing system and associated method

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant