CN112313498A - 用于分析气体样品的便携式光谱装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于分析气体样品和/或用于测量物类浓度、数密度或柱密度的便携式光谱装置。该装置包括：具有待被分析的气体样品的测量室(2)；具有用于至少在某些区域沿穿过测量室(2)的光路发射激光束的至少一个激光二极管的光源(1)；用于调制由光源(1)发射的光束的波长的调制装置(8)；以及具有第一光学检测器(3a)和至少一个第二光学检测器(3b、3c)的光学检测器装置。第一光学检测器(3a)和至少一个第二光学检测器(3b、3c)相对于激光二极管布置成使得在由激光二极管发射的光已经穿过测量室(2)m次后利用第一光学检测器(3a)检测由激光二极管发射的光的至少一部分，并且在由激光二极管发射的光已经穿过测量室(2)n次后利用至少一个第二光学检测器(3b、3c)检测由激光二极管发射的光的至少一部分，其中n>m适用。光源(1)的至少一个激光二极管是低功率半导体激光二极管，特别是垂直腔面发射激光二极管。便携式光谱装置还包括用于评估由第一光学检测器(3a)输出的信号特征和/或由至少一个第二光学检测器(3b、3c)输出的信号特征的评估单元(10)。
Description
本发明涉及气体浓度测量，并且更具体地涉及测量气体浓度的便携式检测器。
特别地，本发明涉及用于分析气体样品和/或用于测量物类浓度、数密度或柱密度的便携式光谱装置，并且涉及用于测量物类浓度、数密度或柱密度的便携式光谱方法。
当前，用于发现天然气泄漏的步行视察勘查是通过调查员以标准的步态移动同时沿地面拖动泄露检测器来执行的。仅当仪器发出警报时，调查员才会暂停来进一步调查某区域。通常，低ppm羽流是泄漏的唯一初始指示。因此，用于该特定应用的有用仪器必须在大约一到两秒钟内做出响应，对环境中甲烷浓度的1ppm变化敏感，并且不能错误地发出警报。一旦找到泄漏，理想的仪器就可以测量高达纯静的气体水平，以便进一步量化泄漏的大小和要求纠正措施的紧迫性。
轻的重量、整整八小时工作日的运行能力以及本质安全也是该特定应用的理想仪器特征。
需要一种满足上述全部标准的仪器。通常，使用仪器的组合来完成泄漏调查。具体地，没有仪器能够快速响应、连续抽取样品并从环境甲烷水平(大约1.7ppm)到纯净气体进行测量。例如，通常用于步行区域勘查以发现泄漏气体的火焰离子化检测器通常可以检测到的最大浓度为5000ppm。这些检测器本质上不是安全的，因为它们使用由大约40％的氢气组成的燃料混合物，并且具有内部火焰。对于更高的气体浓度，通常使用可燃气体指示器。这些导热性传感器的测量范围为从爆炸下限(5％气体)到纯气体水平。它们无法进行连续测量，并且需要利用挤球(squeeze bulb)进行手动抽吸(hand aspiration)。
而且，全部常规的气体泄漏检测器都对任何碳氢化合物有反应，并且对甲烷没有选择性。在可能存在其他碳氢化合物的区域中，非选择性检测存在问题。
本发明的首要目的是测量大动态范围内的光吸收。
本发明的另一个目的是使得能够获得能够在正常大气背景值和100％之间定量地测量甲烷浓度的不昂贵的天然气泄漏检测器。
本发明的另一个目的是用单个装置替换需要多个测量装置的现有天然气泄漏检测系统。
本发明的另一个目的是用更安全并且本质上安全的传感器和分析仪替换具有爆炸危险的火焰离子化检测器。
本发明的另一个目的是使得能够获得能够在大的动态范围内进行浓度测量的不昂贵的气体传感器和分析仪。
本发明的其他目的、优点和新颖特征以及进一步的适用范围将在下面的详细描述中结合附图进行部分阐述，并且部分内容对于审阅以下内容之后的本领域技术人员来说将是显而易见的或者可以通过实施本发明而获悉。本发明的目的和优点可以通过在所附权利要求中特别指出的手段和组合来实现和获得。
本发明涉及使用光谱学和不同光路长度的样品区域在大范围内定量测量物类浓度、数密度或柱密度的方法和装置。被测物类可以是甲烷。
两种或更多种光谱方法用于涵盖整个测量动态范围。选择第一种光谱方法用于低物类浓度(例如，如果该物类是甲烷，则达到大约1000ppm)的高灵敏度定量吸光度测量。第二种方法使物类的浓度范围在大约300ppm至大约3000ppm(如果该物类是甲烷)的范围内。可以采用第三种方法将中间物类的浓度范围涵盖在例如20000ppm至200000ppm之间(对于甲烷)。选择第四种光谱方法以用于高物类浓度的吸光度测量(例如，如果该物类是甲烷，则物类浓度在大约150000ppm至大约1000000ppm的范围内)。
光谱方法的选择和光谱光源的对应控制以及检测器输出的处理由专门为这些任务编程的微控制器执行。微控制器实现的算法包括确定何时在方法之间进行切换的选择点。切换点的迟滞防止在样品吸光度跨过过渡点时各方法之间的振荡。本发明优选多光路，并且全部的光谱方法可以测量相同的吸收特征或不同的吸收特征。
根据本发明的一些实施例，所述装置具有测量相同物类的相同吸收特征或不同吸收特征的多个运行模式，其中，所述装置根据测得的吸光度在各模式之间切换。
第一运行模式可以选自由波长调制光谱(wavelength modulationspectroscopy)、频率调制光谱(frequency modulation spectroscopy)、双音频率调制光谱(two-tone frequency modulation spectroscopy)、腔衰荡光谱(cavity ringdownspectroscopy)和快速扫描直接吸收光谱(rapid-scan direct absorptionspectroscopy)组成的组。第二运行模式可以根据吸收特征的宽度的测量值确定吸光度。第三运行模式可以包括直接吸收光谱。第四运行模式可以根据由第一光学检测器和至少一个第二光学检测器执行的吸收特征的宽度的测量值确定吸光度。第五运行模式可以根据调谐到在气体样品中待被检测的物类的不同吸收线的不同波长处的至少一个吸收特征的宽度的测量值确定吸光度。
有用的光谱光源包括但不限于：诸如波长可调激光器之类的激光器，例如二极管激光器(包括外腔二极管激光器)、染料激光器(dye lasers)和光泵浦固态激光器(optically pumped solid-state lasers)(包括二极管泵浦固态激光器(diode pumpedsolid state lasers))；使用诸如差频生成、和频生成、谐波生成和光学参量振荡之类的非线性光学方法获得的光源；与波长选择光学器件(例如光栅、棱镜和干涉装置)结合的宽带光源，例如灯、发光二极管和热发射器。
然而，根据本发明，光源的至少一个激光二极管是低功率半导体激光二极管，特别是垂直腔面发射激光二极管。在这方面，所述装置被设计成使事故的发生最小化并限制意外爆炸的严重性，使得所述装置可以在爆炸性气氛中使用。垂直腔面发射激光二极管是一种半导体激光二极管，其激光束发射垂直于顶表面，这与常规的边缘发射半导体激光器(也是平面内激光器)相反，常规的边缘发射半导体激光器从通过将单个芯片从晶片上切割下来而形成的表面发射。
根据本发明的一个方面，所述装置包括被证明适用于潜在爆炸性气氛中的内部电源。例如，内部电源可以具有至少一个优选可再充电的电池和用于危险区域中的电池外壳。电池外壳可以是坚固/凹凸不平(rugged)的不锈钢可充电电池外壳。
优选地，本发明的装置包括电源电路，该电源电路具有本质安全技术以用于通过限制可用于点火的能量、电能量和热能量来在危险区域中使装置的电气设备安全运行。本发明的装置的信号和控制电路被设计为使得该信号和控制电路可以在低电流和低电压下运行。
本发明的实施例满足天然气泄漏勘查的全部要求。它测量从环境浓度(大约1.7ppm)到纯气体的全部甲烷水平，并且可以用于需要ATEX认证的区域中。所述装置结合了先进的低功率半导体传感器，该低功率半导体传感器包括垂直腔面发射激光二极管以测量可燃气体，特别是甲烷。所述装置被批准用于ATEX指令EN60079-0:2004&EN60079-11:2007，并且包括符合用于ATEX合规性的对应电池设计。该电池设计优选包括3.65V高能锂离子电池，该电池在20℃下以1A的速率(rate)具有3.75V的标称电压，并且该电池具有4.0Ah的典型电容(以1A，在20℃下，截止值为2.5V)。
根据本发明的一些实施例，电池设计包括至少一个可再充电锂离子电池，其具有基于石墨的阳极、基于钴酸锂的阴极、作为电解质的有机溶剂以及内置的冗余安全保护装置(关机分离器、断路器、安全排放口)。
电池设计可以包括机械地和电气地整合到电池系统中的多个锂离子电池。电池系统包括用于性能、热和安全管理的电子装置，以便结合多个级别的冗余安全特征以防止诸如过充电、过放电和短路之类的滥用情况。
根据本文公开的一些实施例，电池设计的每个锂离子电池包括罐(特别是铝罐)以及盖(特别是铝盖)，其中，锂离子电池的正极端子和负极端子从盖上突出。此外，设置保护盖以便覆盖锂离子电池的盖，尤其是覆盖锂离子电池的正极端子和负极端子。以这种方式，锂离子电池的顶部，特别是锂离子电池的正极端子和负极端子被封装，从而提高了ATEX合规性。
第一检测器和至少一个第二检测器是光谱仪检测器，该光谱仪检测器被配置为以明确定义的方式将光束强度转换为电压或电流并且具有适合于光谱仪使用的全部光谱方法的响应时间。合适的检测器包括但不限于光电二极管和光电倍增管。
本发明的实施例满足天然气泄漏勘查的全部要求。它测量从环境浓度(大约1.7ppm)到纯气体的全部甲烷水平。优选地，本发明的一个实施例对甲烷具有选择性并且不检测其他碳氢化合物。换句话说，当使用该实施例时，其他气体不影响甲烷的测量。该实施例的一秒时间响应允许其用于快速步行区域勘查中。本发明的实施例也不使用耗材，并且被配置为本质上安全。
根据本发明的一些实施例，提供了用于分析气体样品和/或用于测量物类浓度、数密度或柱密度的便携式光谱装置。所述装置包括：测量室，该测量室具有待被分析的气体样品；光源，该光源具有用于至少在某些区域沿穿过测量室的光路发射激光束的至少一个激光二极管；用于调制由光源发射的光束的波长的调制装置；光学检测器装置，该光学检测器装置具有第一光学检测器和至少一个第二光学检测器，第一光学检测器和至少一个第二光学检测器相对于激光二极管布置成使得在由激光二极管发射的光已经穿过测量室m次后，利用第一光学检测器检测由激光二极管发射的光的至少一部分，并且在由激光二极管发射的光已经穿过测量室n次后，利用至少一个第二光学检测器检测由激光二极管发射的光的至少一部分，其中n>m适用；以及评估单元，该评估单元用于评估由第一光学检测器输出的信号特征和/或由至少一个第二检测器输出的信号特征。
评估单元可以包括：信号处理电子器件，该信号处理电子器件用于从第一光学检测器和至少一个第二光学检测器获取数据，并且用于建立至少一个吸收特征的比较信号源和线锁定(linelocking)；以及微控制器，该微控制器从所述信号处理电子器件接收所述数据。
根据本发明的一些方面，所述装置还包括用于显示来自所述微控制器的所述数据的显示器，其中，所述显示器可以在显示PPM、百分比LEL和百分比气体(形式)的数据之间切换。另外，可以提供由所述微控制器控制的警报器。在本发明的一些实施例中，还提供了用于输入选项和模式的用户按钮。
此外，所述装置可以包括参考室(reference cell)，在该参考室中包含在待被分析的所述气体样品中待被检测的至少一种物类，其中，参考室被设计成使得由激光二极管发射的光的至少一部分在光已经穿过测量室之后并且在光被第一光学检测器检测之前穿过该参考室。
根据本发明的一些实施例，可选择地，第一光学检测器和/或至少一个第二光学检测器可运行以用于对由激光二极管发射的光进行谐波检测或用于对由激光二极管发射的光进行直接检测。评估单元可以包括至少一个相位检测器，该至少一个相位检测器用于分配给至少一个第二光学检测器和/或第一光学检测器的锁相环电路。
根据本发明的一些实施例，至少一个激光二极管适于选择性地发射第一频谱的光或至少一个第二频谱的光，其中，第一频谱与在待被分析的气体样品中待被检测的物类的第一吸收线匹配，并且其中，第二频谱与所述物类的第二吸收线匹配，其中，第一吸收线比第二吸收线更强。
根据本发明的一些实施例，评估单元可以在以下模式下运行：
-在第一运行模式下运行，在第一运行模式下，运行至少一个第二光学检测器以对由激光二极管发射的光进行谐波检测，并且评估由至少一个第二光学检测器记录的信号曲线(signal course)；
-在第二运行模式下运行，在第二运行模式下，运行至少一个第二光学检测器以对由激光二极管发射的光进行直接检测，并且评估由至少一个第二光学检测器记录的信号曲线；
-在第三运行模式下运行，在第三运行模式下，运行第一光学检测器以对由激光二极管发射的光进行直接检测，并且评估由第一光学检测器记录的信号曲线；并且
-在第四运行模式下运行，在第四运行模式下，驱动至少一个激光二极管使得该光以被调谐到在待被分析的气体样品中待被检测的物类的吸收线的频谱发射，其中，该吸收线比在第一运行模式至第三运行模式下由至少一个激光二极管发射的光的频谱所被协调到的吸收线更弱，并且其中，在第四运行模式下，至少一个第二光学检测器可选地运行以对由至少一个激光二极管发射的光进行谐波检测或直接检测，并且评估由至少一个第二光学检测器记录的信号曲线。
在本发明的又一个实施例中，测量室包括多程光学室/池(multiple passoptical cell)。在该实施例中，泵将气体连续地泵送通过多程光学室。优选地，所述多程光学室包括以配置成赫里奥特池(Herriott cell)设计的两个反射镜。
在本发明的另一个实施例中，便携式光谱装置的光源包括二极管激光器，该二极管激光器优选被称为“垂直腔面发射激光器”(VCSEL)的半导体激光二极管，该半导体激光二极管的激光束从顶表面垂直发射，这与常规的边缘发射半导体激光器(也是平面内激光器)相反，常规的边缘发射半导体激光器从通过将单个芯片从晶片上切割下来而形成的表面发射。
可选择地，包括用于显示来自微控制器的数据的显示器。优选地，显示器在显示PPM、百分比LEL和百分比气体(形式)的数据之间切换。在该实施例中包括警报器。警报器由微控制器控制。可选择地，包括用于输入选项和模式的用户按钮。
在本发明的另一个实施例中，所述设备包括伸缩式样品探头，并且使用电池，特别是如上所述的锂离子电池供电。
用于测量物类浓度、数密度或柱密度的便携式光谱方法包括以下步骤：将便携式光谱装置保持在待测量的区域中(优选用一只手握持所述装置)，从便携式光谱装置的光源发射通过便携式光谱装置的测量室的光，通过所述装置的第一光学检测器和至少一个第二光学检测器接收光，以及评估由所述装置的第一光学检测器和至少一个第二光学检测器输出的信号特征。所述装置具有测量所述物类的相同吸收特征或不同吸收特征的多个运行模式，并且其中，所述装置根据测得的吸光度在多个模式之间切换。
优选地，所述方法还包括这样的步骤：通过连接到检测器的信号处理电子器件确定一种或多种气体浓度，并将该气体浓度数据报告给微控制器。优选地，被测量的气体为甲烷。
优选地，所述方法包括采用信号处理电子器件来建立吸收特征的比较信号源和线锁定。
可选择地，所述方法包括多程光学室。优选地，二极管激光器用作光源。该方法还将待被检测的气体连续地泵送通过多程光学室。在该实施例中，优选地，多程光学室包括以赫里奥特池设计进行配置的两个反射镜。
优选地，所述方法还显示气体浓度数据，通过微控制器控制警报器，执行校准，通过用户按钮输入选项和模式，以及在待测量的区域中缩短样品探头。
本发明的其他目的、优点和新颖特征以及进一步的适用范围将在下面的详细说明中结合附图进行部分阐述，并且部分内容对于审阅以下内容之后的本领域技术人员来说将是显而易见的或者可以通过实施本发明而获悉。
包含在说明书中并构成说明书一部分的附图示出了本发明的一个或多个实施例，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。附图仅出于例示本发明的一个或多个优选实施例的目的，并且不应被解释为限制本发明。
在图中：
图1是优选用于甲烷检测的本发明的实施例的示意图；并且
图2是本发明的实施例的测量室的截面图。
本发明涉及一种用于分析气体样品和/或用于测量物类浓度的便携式光谱装置。特别地，本发明涉及一种便携式气体泄漏检测器。在优选实施例中，便携式气体泄漏检测器是确定气体浓度(优选甲烷浓度)的二极管激光传感器。
在图1中示出了本发明的实施例的示意图。优选地，该实施例包括用于测量气体浓度的便携式光谱装置。优选地，所述装置是手持装置。
优选地，光谱装置包括激光源1，激光源1具有至少一个激光二极管和固定长度的光路，该固定长度的光路接收来自所述至少一个激光二极管的光。固定长度的光路包含待被检测的气体，并且优选地包括多程光学室或测量室2。优选地，使用泵将待被检测的气体连续地泵送通过多程光学室或测量室2。
在光穿过待被检测的气体一次后，第一光学检测器3a优选在固定长度的光路的一端处接收光。在光穿过待被检测的气体多次后，第二光学检测器3b、3c在固定长度的光路的一端处接收光。
第一光学检测器3a和第二光学检测器3b、3c连接到信号处理电子器件4。信号处理电子器件4确定一个或多个气体浓度。微控制器5优选从信号处理电子器件4接收浓度数据，并使用显示器6显示浓度数据。优选地，显示器6可以显示PPM、百分比LEL和/或百分比气体(形式)的气体浓度数据。
优选地，该实施例还包括用于线锁定和比较信号源的参考信号。为了建立参考信号，该实施例优选地包括参考室7，在参考室7中包含在待被分析的气体样品中待被检测的至少一种物类。参考室7被设计成使得由激光源1发射的光的至少一部分在所述光已经穿过测量室2之后并且在所述光由第一光学检测器3a检测之前穿过参考室7。
根据该设计，第一光学检测器3a还用于接收来自参考室7的光。由于第一光学检测器3a连接到信号处理电子器件4，信号处理电子器件4基于光学检测器的检测量来确定参考信号的浓度。优选地，参考室7大约包括具有0.001至0.1的吸光度的甲烷混合物。
可选择地，第一光学检测器3a和第二光学检测器3b、3c可运行以用于对由激光二极管发射的光进行谐波检测或用于对由激光二极管发射的光进行直接检测。
优选地，至少一个激光二极管适于选择性地发射第一频谱的光或至少一个第二频谱的光，其中，第一频谱与在待被分析的气体样品中待被检测的物类(这里为甲烷)的第一吸收线匹配，并且其中，第二频谱与所述物类(这里为甲烷)的第二吸收线匹配，其中，第一吸收线比第二吸收线强。
为了分析和评估由第一光学检测器3a和第二光学检测器3b、3c提供的数据，所述装置包括评估单元10。优选地，评估单元10包括已经提到的信号处理电子器件4，信号处理电子器件4用于从第一光学检测器3a和第二光学检测器3b、3c获取数据，并用于建立至少一个吸收特征的比较信号源和线锁定。此外，优选地，评估单元10包括已经提到的微控制器5，该微控制器5从所述信号处理电子器件4接收所述数据。为了显示来自所述微控制器的所述数据，设置了显示器6。优选地，显示器6可以在显示PPM、百分比LEL和百分比气体(形式的)所述数据之间切换。
评估单元10可在以下运行模式下运行：
-可在第一运行模式下运行，在第一运行模式下，运行第二光学检测器3b、3c以对由激光二极管发射的光进行谐波检测，并且评估由第二光学检测器3b、3c记录的信号曲线；
-可在第二运行模式下运行，在第二运行模式下，运行第二光学检测器3b、3c以对由激光二极管发射的光进行直接检测，并且评估由第二光学检测器3b、3c记录的信号曲线；
-可在第三运行模式下运行，在第三运行模式下，运行第一光学检测器3a以对由激光二极管发射的光进行直接检测，并且评估由第一光学检测器3a记录的信号曲线；并且
-可在第四运行模式下运行，在第四运行模式下，驱动至少一个激光二极管使得该光以被调谐到在待被分析的气体样品中待被检测的物类(这里为甲烷)的吸收线的频谱发射，其中，该吸收线比在第一运行模式至第三运行模式下由至少一个激光二极管发射的光的频谱所被协调到的吸收线更弱，并且其中，在第四运行模式下，至少一个第二光学检测器可选择地运行以对由至少一个激光二极管发射的光进行谐波检测或直接检测，并且评估由第二光学检测器3b、3c记录的信号曲线。
根据本发明，二极管激光传感器测量甲烷浓度的光吸收。优选地，光吸收位于1630nm和1700nm之间的与甲烷吸收线相对应的波长处。在指定的波长处，在通常不存在干扰吸收的物类处，甲烷的吸光度非常窄。优选地，使用被称为波长调制光谱的高灵敏度光吸收技术和封闭的多程光学室来获得子ppm(sub-ppm)灵敏度。
在较高的浓度下，在光吸收度变粗处，优选使用常规吸收光谱法。在该实施例中，用小泵将甲烷连续地抽吸通过多程光学室。
在本发明的又一个实施例中，优选地，光源1是二极管激光器。优选地，激光特性包括大约0.1至5mW的输出功率，大约5至150mA的二极管注入电流以及大约0.5至3V的二极管压降。
优选地，至少一个激光二极管直接安装在微型热电冷却器上，该微型热电冷却器允许在使功耗最小化的同时进行热控制。
优选地，多程光学室或测量室2包括配置成赫里奥特池设计的两个反射镜A、B。该设计使系统对机械振动不敏感。更优选地，多程光学室或测量室2的基本路径大约为5至20cm，并且多程光学室或测量室2所提供的总固定长度的光学路径大约为50至500cm。在该实施例中，测量室2的容积大约为50ml。通过测量室2的泵送速度大约为5至50ml/秒。
在本发明的实施例中，激光束的一部分在进入第一光学检测器3a之前通过部分透射的反射器(反射镜B)分束。
低于大约1000ppm的浓度，优选采用第二光学检测器3b、3c和波长调制光谱中的至少一个。通过在足够高以大大降低激光器的多余的噪声的频率进行光谱测量来获得高灵敏度。通过快速调制激光波长并以调制频率的谐波执行相敏光电检测来执行该技术。
由于二极管激光器的波长随注入电流而调整，因此二极管激光器电流的小周期振荡会导致波长调制。气体吸收将波长调制转换为透射光束的波幅调制。跨光谱区域的激光波长(电流)的相对较慢的扫略会产生光谱。由第n次谐波检测产生的光谱显示为未调制吸光度的第n阶导数。在传感器中，优选使用第二次谐波检测。由于二极管激光器的强度通常与波长呈线性关系，因此第二次谐波检测的另一个好处是基线测量值为零。光谱峰值的波幅与吸光度成正比，并因此，根据比尔定律，光谱峰值的波幅与浓度成正比。峰值波幅相对于光束强度也是线性的。因此，信号被光强度归一化。
在大约150000ppm和大约1000000ppm之间的气体浓度下，样品变得在光学上较粗(thick)。在该区域中，执行吸收光谱的修改形式。
根据本文公开的实施例，吸收光谱的修改形式借助于至少一个第二光学检测器来执行，其中激光没有被调制；然而，其中，驱动至少一个激光二极管使得该至少一个激光二极管发射被调谐到在待被分析的气体样品中待被检测的物类(这里为甲烷)的吸收线的频谱的光，其中，该吸收线比在其他运行模式下由至少一个激光二极管发射的光的频谱所被协调到的吸收线更弱。
在本发明的一个实施例中，所述装置还设置有GPS系统，该GPS系统用于将位置分配给由所述装置评估的甲烷光谱。
用户按钮允许用户回答有关仪器选项和模式的是/否问题。优选地，该实施例包括由微控制器控制的警报器，优选地，该警报器包括声音警报器、振动蜂鸣器、LED和音频耳机警报器。
本发明的实施例包括包围仪器的壳体。优选地，壳体是塑料制成的。优选地，入口管用作样品探头。更优选地，伸缩式入口管用作样品探头。最优选地，在输入端附近附接有5微米过滤器的伸缩式入口管用作样品探头。优选地，样品探头连接到多程光学室或测量室2。在正常的泄漏勘查中，沿地面拖动探头的末端。
可选择地，可以将刚性探头附接到样品探头，以检测地下气体。刚性探头使用户可以轻松检测地下气体。当以这种方式使用时，本发明仅需要单手操作。当入口压力降低至明显低于环境压力时，提供过滤器堵塞的警告。
优选地，本发明使用无线能源例如电池来运行。更优选地，本发明以四个AA尺寸的可再充电镍金属氢化物(或优选地，锂离子电池)运行。
在本发明的一个实施例中，由用户执行校准(优选为两点校准)以建立跨度和偏移因子。在该实施例中，对清洁空气执行一个校准点。另一个校准点是在空气或氮气中约1000ppm的甲烷混合物上执行的。使用需求流量调节器将校准混合物引入仪器中。需求流量调节器以泵速将气体供给到系统，从而保持样品压力不变。在波长调制和正常吸光度模式下都执行校准。每月最少可以执行一次校准。
图2示出了先前参考图1中的示意图所讨论的本发明装置的测量室2的示例性实施例。
用于气体泄漏检测的便携式装置主要包括：“激光传感器”，用于对气态混合物采样以进行分析的泵，锂离子电池，用于显示测量值和相互作用的图形LCD，按键+旋转按钮，嵌入式GPS和蓝牙以及用于管理以上全部部件的电子板。
激光传感器可以分为光学部件和测量电子部件。
甲烷的选择性测量背后的原理是TDLAS，与直接吸收和“二阶导数-2F”技术一起使用。使用的激光是大约为1.654nm的适当波长处的VCSEL。
光学室存在于管(池管(cell tube))中，该管包含待测量的气态混合物，还提供机械支撑功能。光学室不断被注入由泵采样的气体。在管的两端处有两个凹入的定制反射镜(反射镜A、反射镜B)，该定制反射镜形成提供了大约3.3米的光学长度的多程室。
一端安置有带有特定透镜的激光发射器(激光器)，以给予激光束最佳聚焦。在相反端安置有两个光电二极管，一个光电二极管是“参考”光电二极管，另一个光电二极管是“测量”光电二极管。
参考光电二极管(第一光学检测器3a)放置在激光束的第一程之后，因此它的光路长度就是光学室的机械长度(大约13cm)。此端的反射镜(反射镜B)被制造为具有大约1％的少量透射率，因此可能具有击中光电二极管的一些光。在光电二极管之前和反射镜之后还存在专用的金属管的封闭部分，该封闭部分形成室，在该室中存在具有相关量的CH4的混合气体以具有参考吸收线，从而将系统锁定在吸收峰值上。测量光电二极管(第二光学检测器)放置在多程光路的末端。
此配置确定可以同时使用两个光电二极管进行测量，一个光电二极管在长路径长度上，另一个光电二极管在短路径长度上。
管理激光传感器的电子器件结合了对激光的调节(热稳定性、激光驱动)以及以直接吸收和二阶导数进行测量所需的功能。它产生直流偏压、斜坡和初级射频频率产生，并且以直流(直接吸收)方式以及通过用于二阶导数测量的锁相放大器来获得光电二极管信号。
由于光路长度和所需的检测极限以及完整的测量范围，不可能从可以涵盖整个测量范围(0.1ppm至1000000ppm)的单通道中产生测量，因此执行了管理这些信号的策略，从而可以确定四个测量阶段：
低范围：
高达大约1000ppm，使用全光路并以二阶导数工作
中低范围：
从大约300ppm至大约30000ppm，使用全光路并以直接吸收的方式工作
中高范围：
从大约20000ppm至大约200000ppm，使用单程并以直接吸收的方式工作；在这种模式下，由于存在参考室7，因此存在恒定的吸收，因此校准需要考虑到该方面
高范围：
从大约150000ppm至大约1000000ppm，使用全光路并以直接吸收的方式工作，但是激光发射切换到附近的较弱的甲烷吸收线
全部切换程序都是自动完成的，并且对用户而言是无缝的。
尽管已经参考这些优选实施例详细描述了本发明，但是其他实施例可以实现相同的结果。本发明的变化和修改对本领域技术人员将是显而易见的，并且意图涵盖全部这样的修改和等同。
Claims (15)
1.一种便携式光谱装置，所述便携式光谱装置用于分析气体样品和/或用于测量物类浓度、数密度或柱密度，所述装置包括：
-测量室(2)，所述测量室(2)具有待被分析的所述气体样品；
-光源(1)，所述光源(1)具有用于至少在某些区域沿穿过所述测量室(2)的光路发射激光束的至少一个激光二极管，其中，所述光源(1)的所述至少一个激光二极管是低功率半导体激光二极管，特别是垂直腔面发射激光二极管；
-用于调制由所述光源(1)发射的光束的波长的调制装置；
-光学检测器装置，所述光学检测器装置具有第一光学检测器(3a)和至少一个第二光学检测器(3b、3c)，所述第一光学检测器(3a)和所述至少一个第二光学检测器(3b、3c)相对于所述激光二极管布置成使得在由所述激光二极管发射的光已经穿过所述测量室(2)m次后，利用所述第一光学检测器(3a)检测由所述激光二极管发射的所述光的至少一部分，并且在由所述激光二极管发射的所述光已经穿过所述测量室(2)n次后，利用所述至少一个第二光学检测器(3b、3c)检测由所述激光二极管发射的所述光的至少一部分，其中n>m适用；以及
-评估单元(10)，所述评估单元(10)用于评估由所述第一光学检测器(3a)输出的信号特征和/或由所述至少一个第二光学检测器(3b、3c)输出的信号特征，
其中，优选地，待被分析的所述气体样品中待被检测的物类为甲烷气体。
2.根据权利要求1所述的装置，
其中，所述装置包括被证明适用于潜在爆炸性气氛中的内部电源，所述内部电源具有至少一个优选能够再充电的电池和用于危险区域中的电池外壳，优选地，所述至少一个优选能够再充电的电池包括3.65V高能锂离子电池和/或用于覆盖所述锂离子电池的正极端子和负极端子的保护盖；和/或，
其中，所述装置包括电源电路，所述电源电路具有本质安全技术以用于通过限制能够用于点火的能量、电能量和热能量来使所述装置的电气设备在危险区域中安全运行。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述评估单元(10)包括：
-信号处理电子器件(4)，所述信号处理电子器件(4)用于从所述第一光学检测器(3a)和所述至少一个第二光学检测器(3b、3c)获取数据，并且用于建立至少一个吸收特征的比较信号源和线锁定；以及
-微控制器(5)，所述微控制器(5)从所述信号处理电子器件(4)接收所述数据，
并且其中，所述装置还包括：
-显示器(6)，所述显示器(6)用于显示来自所述微控制器(5)的所述数据，其中，所述显示器(6)能够在显示PPM、百分比LEL和百分比气体的数据之间切换；
-警报器，所述警报器由所述微控制器(5)控制；和/或
-用户按钮，所述用户按钮用于输入选项和模式。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，
其中，还设置有参考室(7)，在所述参考室(7)中包含在待被分析的所述气体样品中待被检测的至少一种物类，其中，所述参考室(7)被设计成使得由所述激光二极管发射的所述光的至少一部分在所述光已经穿过所述测量室(2)之后并且在所述光被所述第一光学检测器(3a)检测之前穿过所述参考室(7)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，
其中，所述第一光学检测器(3a)和/或所述至少一个第二光学检测器(3b、3c)能够可选地运行以用于对由所述激光二极管发射的所述光进行谐波检测或用于对由所述激光二极管发射的所述光进行直接检测；并且
其中，所述评估单元(10)包括至少一个相位检测器，所述至少一个相位检测器用于分配给所述至少一个第二光学检测器(3b、3c)和/或所述第一光学检测器(3a)的锁相环电路。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，
其中，所述至少一个激光二极管适于选择性地发射第一频谱的光或至少一个第二频谱的光，其中，所述第一频谱与待被分析的所述气体样品中待被检测的物类的第一吸收线匹配，并且其中，所述第二频谱与所述物类的第二吸收线匹配，其中，所述第一吸收线比所述第二吸收线更强。
7.根据权利要求5或6所述的装置，其中，所述评估单元(10)能够在以下模式下运行：
-在第一运行模式下运行，在所述第一运行模式下，运行所述至少一个第二光学检测器(3b、3c)以对由所述激光二极管发射的所述光进行所述谐波检测，并且评估由所述至少一个第二光学检测器(3b、3c)记录的信号曲线；
-在第二运行模式下运行，在所述第二运行模式下，运行所述至少一个第二光学检测器(3b、3c)以对由所述激光二极管发射的所述光进行所述直接检测，并且评估由所述至少一个第二光学检测器(3b、3c)记录的信号曲线；
-在第三运行模式下运行，在所述第三运行模式下，运行所述第一光学检测器(3a)以对由所述激光二极管发射的所述光进行所述直接检测，并且评估由所述第一光学检测器(3a)记录的信号曲线；以及
-在第四运行模式下运行，在所述第四运行模式下，驱动所述至少一个激光二极管使得该光以被调谐到在待被分析的所述气体样品中待被检测的物类的吸收线的频谱发射，其中，该吸收线比在所述第一运行模式至所述第三运行模式下由所述至少一个激光二极管发射的所述光的所述频谱的吸收线更弱，并且其中，在所述第四运行模式下，所述至少一个第二光学检测器(3b、3c)能够可选地运行以对由所述至少一个激光二极管发射的所述光进行谐波检测或直接检测，并且评估由所述至少一个第二光学检测器(3b、3c)记录的信号曲线。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，
其中，所述至少一个激光二极管布置在所述测量室(2)的第一端部区域，并且所述第一光学检测器(3a)布置在所述测量室(2)的相反的第二端部区域，使得由所述激光二极管发射的所述光的至少一部分能够在所述光沿所述光路恰好穿过所述测量室(2)一次之后被所述第一光学检测器(3a)检测，其中，所述至少一个第二光学检测器(3b、3c)被布置成使得所述至少一个第二光学检测器(3b、3c)的接收轴线平行于所述第一光学检测器(3a)的接收轴线延伸。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的装置，
其中，至少在所述测量室(2)的所述第二端部区域设置有反射器，所述反射器用于在由所述激光二极管发射的所述光恰好穿过所述测量室(2)一次之后反射由所述激光二极管发射的所述光的一部分。
10.根据权利要求9所述的装置，
其中，所述第一光学检测器(3a)相对于所述激光二极管的发射方向布置在所述反射器后面，并且适于检测未被所述反射器反射的光的至少一部分。
11.根据权利要求9或10所述的装置，
其中，在所述测量室(2)的所述第一端部区域布置有反射器，在所述测量室(2)的所述第一端部区域布置的所述反射器与在所述测量室(2)的所述第二端部区域布置的所述反射器相互作用，使得由所述激光二极管发射的所述光的至少一部分多次通过所述测量室(2)直到由所述激光二极管发射的所述光的至少一部分被所述至少一个第二检测器检测到为止。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的装置，
其中，所述装置是手持式的并且被配置为用于测量气体浓度的便携式光谱设备，并且其中，优选地，所述装置能够用一只手握持。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的装置，
还包括泵，所述泵将待被分析的所述气体连续地泵送通过所述测量室(2)；和/或
还包括伸缩式样品探头；和/或
还包括用于测量地下气体浓度的刚性探头。
14.一种便携式光谱方法，所述方法用于测量物类浓度、数密度或柱密度，所述方法包括以下步骤：
-将便携式光谱装置保持在待测量的区域中，所述便携式光谱装置是根据权利要求1至13中任一项所述的装置；
-从所述便携式光谱装置的所述光源(1)发射通过所述便携式光谱装置的测量室(2)的光；
-通过所述装置的所述第一光学检测器(3a)和所述至少一个第二光学检测器(3b、3c)接收光；以及
-评估由所述装置的所述第一光学检测器(3a)和所述至少一个第二光学检测器(3b、3c)输出的信号特征；
其中，所述装置具有测量所述物类的相同吸收特征或不同吸收特征的多个运行模式，并且其中，所述装置根据测得的吸光度在多个模式之间切换。
15.根据权利要求14所述的方法，其中：
-第一运行模式选自由波长调制光谱、频率调制光谱、双音频率调制光谱、腔衰荡光谱和快速扫描直接吸收光谱组成的组；
-第二运行模式根据所述吸收特征的宽度的测量值确定吸光度；
-第三运行模式包括直接吸收光谱；
-第四运行模式根据由所述第一光学检测器(3a)和所述至少一个第二光学检测器(3b、3c)执行的所述吸收特征的宽度的测量值确定吸光度；以及
-第五运行模式根据在调谐到在所述气体样品中待被检测的物类的不同吸收线的不同波长处的所述至少一个吸收特征的宽度的测量值确定吸光度。
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