CN113167739A - 用于测量助燃气体成分的探头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包括光谱仪(4)的探头，所述光谱仪可以在分析与助燃气体相互作用的至少一部分光束(F13)后，测量所述助燃气体的成分，所述光谱仪包括：‑可以发射光束(F)的光源(40)，‑包括光学元件(50)的光学装置，所述光学元件被构造成：‑将至少一部分光束(F11)导向待分析气体(G)，以及‑将与气体(G)相互作用的一部分光束(F13)导向检测器(41)，其中：‑该探头(S)包括笼罩(12)，所述笼罩可以活动安装在待分析气体(G)在其中循环的管路(C)中，‑该笼罩(12)被构造成允许气体流过所述笼罩，‑至少一部分光束(F11、F12)在笼罩(12)中传播，从而能够与气体(G)相互作用，‑该笼罩(12)用作光反射器(51)的支承件，所述光反射器可以向检测器(41)反射在所述笼罩中传播并与气体(G)相互作用的那部分光束(F11、F12)，其特征在于，笼罩(12)由细长管构成，所述细长管的侧壁具有分布在所述壁体周围的开口(120)，开口(120)被构造成允许气体迅速通过所述管件，所述开口的总面积占所述管壁面积的50％以上，优选80％以上。

Description

用于测量助燃气体成分的探头
技术领域
本发明的目的是一种用于测量助燃气体成分的探头。本发明的目的还包括一种含此类探头的用于测量助燃气体成分的系统。
本发明涉及助燃气体成分实时分析技术领域，具体涉及通过原位光谱法直接在助燃气体循环管路中进行分析。它特别适用于但不限于监测助燃气体的质量，所述助燃气体供给使用这种气体作为燃料的器具。
背景技术
助燃气体成分的测量对于监测助燃气体质量来说特别有意义，所述助燃气体供给燃气热机、燃气燃烧器、燃气锅炉、燃气轮机、燃气炉等燃气器具。实际上，气体成分可能会或慢或快地发生变化，从而导致燃烧不良。这些变化尤其可能来自气体源和/或可能对其进行的处理。当切换管网上的阀门和/或供气源时，气体成分可能会突然发生变化。从储气罐切换到燃气管网就是这种情况，反之亦然。通过对储罐除气(“Boil-Off”)来供气时，以及从空罐变成满罐时，也是这种情况：在一种情况下，最后被输送到燃气器具中的是较重的那部分气体，而不是另一部分较轻气体。根据燃气器具的可控制性，作为安全措施，气体质量的突然变化可能导致燃烧和器具的突然停止。
因此，为了优化此类器具中的燃烧，能够实时测量气体成分似乎是有效的，例如用来迅速调节气体和/或空气的喷射速度，和/或空气-气体比，和/或点火提前。通常，往复燃烧式燃气发动机对于甲烷数和助燃气体的热值敏感。燃气轮机、锅炉、烘炉、燃烧器对沃伯数、热值和助烯气体的燃烧速率敏感。这些参数可以通过计算助燃气体成分来确定。
美国专利文献US2006/0092423(SERVAITES)、US8139222(SAVELIEV)、US9291610(ZELEPOUGA)描述了一种探头，其中包含待分析气体样本在其中循环的光电元件。光谱仪与此光电元件相连，以测量气体的成分。这些光电元件允许有限气体流量通过，并因此通过对气体主回路的支路采样来进行操作，这会导致分析相对于采样点出现延迟，该延迟可能为几秒钟。
通过欧洲专利文献EP2198277(SP3H)更具体地了解到一种可以测量流体(包括气体)成分的探头。这种探头包括光源，所述光源向包含待分析流体的管道或容器中发射光束。光谱仪分析光束中与流体相互作用的部分，以生成所述流体成分的测量数据。通过一组光学元件可以将光源发射的至少一部分光束导向管道或容器，并将与流体相互作用的那部分光束导向光谱仪的检测器。
这种探头具有几个缺陷。使用容器的情况下，流体是静态的，也就是说，它不会在所述容器中循环。因此可以理解的是，在进行测量之前必须预先将待分析流体充满容器。以后的测量中，应该在再次充满前对容器排空。因此，这种方案不适用于流体成分的实时测量。充满或排空容器的步骤会妨碍连续测量。
在使用管道的情况下，没有规定流体是否在所述管道中循环或者相反地保持静止。事实仍然是必须将光学检测器或光学反射器永久地安装在管道中并永久固定在管道内壁上。因此，似乎有必要改动待分析流体的分配管网，以便将这种特定管道永久连接到管网上。这种安装可能会复杂且昂贵。应该对探头，尤其是利用光源对光学部件、检测器或反射器进行检修时，情况也是如此，并且有必要隔离流体分配管网，以拆除该特定管道。当反射器永久固定在容器中时，也会出现同样的问题。
通过美国专利文献US 4549080(LOWELL)了解到一种包括笼罩的探头，所述笼罩能够活动安装在待分析气体在其中循环的管道中。该笼罩被构造成允许气体流过所述笼罩。至少一部分光束在笼罩中传播，从而能够与气体相互作用。该笼罩用作光反射器的支承件，所述光反射器可以向检测器反射在所述笼罩中传播并与气体相互作用的那部分光束。该笼罩由多孔陶瓷过滤器构成，这使得气体难以在所述过滤器中循环。实际上，气体要承受较大应力，并且应该克服阻力以穿过陶瓷壁。因此，由于气体穿过陶瓷壁而产生的时间延迟，利用该探头进行的测量不是实时的，或者至少具有一定的延迟。
本发明旨在改善这种情况。具体地，本发明的目的是提出一种探头，能够实时测量和/或按优化响应时间测量并非为此专门设计的已有管路中循环的助燃气体成分。
本发明的另一个目的是提出一种测量探头，其能够方便快速地从管路中安装/拆卸。
本发明的又一个目的是提出一种测量探头，其设计简单、稳健并且制造成本特别低。
发明内容
本发明提出的方案是一种包括光谱仪的探头，所述光谱仪可以在分析与助燃气体相互作用的至少一部分光束后，测量所述助燃气体的成分，所述光谱仪包括：
-可以发射光束的光源，
-包括光学元件的光学装置，所述光学元件被构造成：
ο将至少一部分光束导向待分析气体，以及
ο将与气体相互作用的一部分光束导向检测器。
其中：
-该探头包括笼罩，所述笼罩可以活动安装在待分析气体在其中循环的管路中，
-该笼罩被构造成允许气体流过所述笼罩，
-至少一部分光束在笼罩中传播，从而能够与气体相互作用，
-该笼罩用作光反射器的支承件，所述光反射器可以向检测器反射在所述笼罩中传播并与气体相互作用的那部分光束。
这种探头的特征在于，笼罩由细长管构成，所述细长管的侧壁具有分布在所述壁体周围的开口，开口被构造成允许气体迅速通过所述管件，所述开口的总面积占所述管壁面积的50％以上，优选80％以上。
这种探头用于工业用途时，被设计成能够承受恶劣的环境：污染的大气、高环境温度、无线电波穿过的环境、振动。具体地，其设计不包括任何活动元件。
这种探头能够可拆卸地安装在现有管路上。通常，燃气器具的供应管路配备有凸缘或其他类似装置，可以安装例如温度或压力探头。本发明的目标探头完全可以通过单个凸缘以这种方式进行安装，而无需改动管路。
由于管路本身不包括测量所需的任何光学元件，因此无须对管路本身进行干预。实际上，现在光反射器由活动笼罩承载，而不是管路。
另外，由于笼罩开口的构造，气体在笼罩内自由、持续地循环(无需任何额外泵送装置)，并且应力尽可能小，使得探头可以实时测量气体成分，并具有最佳响应时间。
下面列出了本发明的目标探头的其他有利特征。这些特征中的每一项均可以单独加以利用或与上述其它有利特征组合，并且在必要情况下作为一个或多个分案专利申请：
-有利地，光学装置包括光学元件，可以将光源发射的一部分光束导向光谱仪的第二检测器，使得所述光谱仪也会分析未在笼罩传播的一部分光束；光谱仪可以根据在笼罩中传播的那部分光束的分析所得数据以及未在笼罩中传播的那部分光束的分析所得数据来测量气体成分。
-根据一种实施方式，光学元件是置于光源和笼罩之间的分光器，该分光器可以：-将光源发射的一部分光束传输到笼罩中；-使得在笼罩中传播并且被设置在所述笼罩内的光反射器反射的那部分光束，向第一检测器偏转；-使得未在笼罩中传播的那部分光束向第二检测器偏转。
-根据另一种实施方式，光学装置包括光学元件，可以：-将光源发射的一部分光束导向笼罩；-将在笼罩中传播并且被设置在所述笼罩内的光反射器反射的那部分光束导向检测器。
-有利地，光源和分光器之间形成气隙界面；分光器和笼罩之间形成气隙界面。
-分光器和第一检测器之间也有利地形成气隙界面。分隔分光器和第一检测器的气隙中设置有第一透镜和第一光阑，所述第一透镜和所述第一光阑被设置成使得所述在笼罩中传播并且被光反射器反射的那部分光束，首先穿过所述第一透镜，然后穿过所述第一光阑后再射向所述第一检测器。
-分光器和第二检测器之间也有利地形成气隙界面。分隔分光器和第二检测器的气隙中设置有第二透镜和第二光阑，所述第二透镜和所述第二光阑被设置成使得未在笼罩中传播的那部分光束，首先穿过所述第二透镜，然后穿过所述第二光阑后再射向所述第二检测器。
-根据一种实施方式，在探头上设置热导性传感器，使得所述传感器能够与待分析气体相互作用；数据处理单元可以生成气体成分测量数据，其中考虑到了热导性传感器发出的信号和光谱仪生成的测量数据。
-有利地，探头包括待分析气体密闭腔室，光谱仪安装在该腔室中。笼罩包括相对的第一端和第二端，该第一端具有与腔室连通的开口。光反射器、开口和光源沿同一轴对齐。
-优选地，与笼罩第一端处所设开口相对设置有抛光蓝宝石透明小窗，该小窗在腔室与所述笼罩之间形成气密，在所述笼罩中传播的部分光束穿过所述小窗。
-根据一种实施方式，光反射器安装在接头上，该接头附接在笼罩一端。
-有利地，抛光蓝宝石透明小窗覆盖光反射器。
-根据一种实施方式，探头包括待分析气体密闭腔室，光谱仪安装在该腔室中，所述腔室空间的50％以上填充有树脂或弹性体。
本发明另一方面涉及一种包括探头的系统，该探头包括光谱仪，所述光谱仪可以在分析与助燃气体相互作用的至少一部分光束后，测量所述气体的成分，所述光谱仪包括：
-可以发射光束的光源，
-包括光学元件的光学装置，所述光学元件被构造成：
ο将至少一部分光束导向待分析气体，以及
ο将与气体相互作用的一部分光束导向检测器。
其中：
-该系统包括待分析气体在其中循环的管路，
-该探头符合前述特征之一，所述探头的笼罩活动安装在管路内，该笼罩被构造成使得气体流过所述笼罩，
-至少一部分光束在笼罩中传播并与气体相互作用，
-该笼罩用作光反射器的支承件，所述光反射器可以向检测器反射在所述笼罩中传播并与气体相互作用的那部分光束。
下面列出了本发明目标系统的其他有利特征。这些特征中的每一项均可以单独加以利用或与上述其它有利特征组合，并且在必要情况下作为一个或多个分案专利申请：
-根据一种实施方式，笼罩具有垂直于或大体垂直于管路中气体流动方向的纵轴。
-当管道具有弯曲部时，笼罩具有平行或大体平行于管路弯曲部中气体流动方向的纵轴。
-根据一种实施方式，该系统还包括可以生成气体成分测量数据的气相色谱仪，该设备连接管路，使得所述管路中循环的气体样本可以由所述设备进行分析。
-探头和气相色谱仪有利地连接数据处理单元；该处理单元可以根据气相色谱仪生成的测量数据修正探头生成的测量数据。
-根据一种实施方式，该探头还包括热导传感器，所述热导传感器被设置成使得所述传感器能够与待分析气体相互作用。数据处理单元可以生成气体成分测量数据，其中考虑到了热导传感器发出的信号和光谱仪生成的测量数据。探头和气相色谱仪设备连接数据处理单元，该处理单元可以根据气相色谱仪生成的所述测量数据修正所述气体成分测量数据。
附图说明
下面将通过作为非限制性实施例给出的优选实施方式，并结合附图，阐述本发明的其他优点及特征，其中所述附图为：
-图1A为根据本发明的探头的透视图，其中无固定凸缘，
-图1B为根据本发明的探头的另一透视图，其中无固定凸缘，
-图1C示出了带有固定凸缘的图1A中的探头，
-图2为根据本发明的探头的局部剖视图，
-图3示出了根据本发明的探头的一种实施方式，
-图4示出了根据本发明的探头的另一种实施方式，
-图5示出了根据本发明的探头的又一种实施方式，
-图6A示出了根据本发明的探头沿着垂直于管路轴的安装方向，在管路直段上的安装，
-图6B示出了根据本发明的探头沿着与管路支路同轴的安装方向，在管路弯曲段上的安装，
-图6C示出了根据本发明的探头沿着与管路支路同轴的另一安装方向，在管路弯曲段上的安装，
-图6D示出了根据本发明的探头沿着垂直于管路轴的另一安装方向，在管路直段上的安装，
-图7示出了根据本发明的探头和色谱仪设备的安装，
-图8为通过光谱测定法连续测量气体成分，通过色谱法点测量气体浓度以及通过色谱法点测量修正后的光谱测定法连续测量结果的示意图，
-图9示出了一种实施改型中，根据本发明的探头。
具体实施方式
本发明的目标探头用于测量助燃气体的成分。后者更具体地是作为助燃剂在燃气热机、燃气燃烧器、燃气锅炉、燃气轮机、燃气炉等燃气器具中使用的气体。该气体也可以在属于输气管类分配管网的管路中循环。
不管气体质量如何变化，该探头尤其用于燃气器具的控制。该探头可以在气体质量发生改变时，通过作用于下述参数中的一个或几个，更好地控制器具：气体和/或空气的喷射速度，空气-气体比、点火提前等。
待分析气体可以是例如甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、异丁烷(i-C4H10)、正丁烷(n-C4H10)、氢(H2)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)或这些化合物的气态混合物。
气体成分测量，是指确定所述气体中其比例可以影响燃烧的一种或多种化合物的质量或体积浓度(％)。
在图1A、1B、1C中，探头S包括限定待分析气体密封腔室的外壳10。作为说明性示例，外壳10的外观大体呈圆柱形，其直径5cm到20cm之间，高度在5cm到30cm之间。外壳10有利地由不锈钢制成，以产生法拉第笼效应(探头S在无线电波穿过的环境中使用时)以及防腐蚀保护作用，并且可以通过模制或加工来获得。在说明书下文中，术语“外壳”和“腔室”在使用时的含义相似。
在图1C中，腔室10固定到固定凸缘11上，所述固定凸缘可以将探头S固定到待分析气体在其中循环的管路上。该凸缘11的形状为扁平盘状，所述扁平盘固定在腔室10的基座上，并且其尺寸大于所述腔室的尺寸。该基座具体地在图1A和1C中可见，并带有标号113。基座113便于凸缘11的安装，但是可选。凸缘11的内径在例如10cm到40cm之间，厚度在1cm到5cm之间。凸缘11具有孔110，优选地根据PN10扁平凸缘的NF EN 1092标准，其中啮合有螺栓或螺杆以便连接管路。凸缘11有利地由不锈钢制成并且可以通过模制、冲压或加工来获得。凸缘11在腔室10基座113上的固定可以通过焊接、螺钉连接、螺栓连接、铆接等来完成。凸缘11也可以活动安装成可沿腔室10的轴绕基座113旋转。在这种情况下，凸缘11在基座113上的连接可以利用螺栓和/或螺杆，通过例如夹紧来实现。
笼罩12沿着纵轴X-X与腔室10相对延伸，所述纵轴X-X平行于所述腔室的轴或之同轴。
笼罩12可以设置成使其轴X-X相对于腔室10的轴偏移。这种偏移或偏心的构造可以优化元件在腔室10内部的定位，尤其是光学装置的元件以及用于测量压力和温度的元件。与笼罩12的轴X-X与腔室10的轴同轴这种构造相比，腔室10的尺寸则可以缩小。
在图1A和1B中，笼罩12由具有圆形截面的细长管件构成，使得所述管件大体呈圆柱状。此管件12的长度在例如3cm到50cm之间，外径在1cm到10cm之间。管件12的侧壁厚度在例如0.1cm到1cm之间。管件12有利地由不锈钢制成并且可以通过模制或加工来获得。管件12固定在腔室10的基座113上，该固定可以通过焊接、螺钉连接、螺栓连接、铆接等方式实现。
因此，探头S包括：腔室10(可能还包括其底座113)、凸缘11和笼罩12。为了优化探头S的紧凑性，元件10、113和11是同轴的。
参照图1A、1B、1C、2，管件12的侧壁具有分布在所述壁体周围的开口120。当笼罩12伸入所述气体在其中循环的管路中时，这些开口120允许待分析气体在笼罩内自由且快速地循环。这些开口120形成允许气体进入和离开管件12的网格。在图6A和6D的安装中，气体通过笼罩12，特别是沿径向分量通过。换句话说，气体通过开口120径向进入再离开管件12。
根据一种优选实施方式，其允许气体在尽可能小的应力下通过管件12，开口120分布在所述管件侧壁的大部分上。有利地，开口120的总面积占管件12壁体面积的50％以上，并且优选地在80％以上。可以将开口120的形状选定为使得管件12内部可以出现能够将管件12中的气体混合物混匀的湍流，并且可以改善探头的响应时间，而不会干扰测量。为了促进气体通过管件12进行循环，开口120有利地被设置成径向相对。然而，当开口120并非径向相对时，探头S可实现正常运行。开口120可以是椭圆形、圆形、正方形、矩形或其他形状，并且可以通过对管件120进行加工来获得。其数量在例如2到100之间变化。这些开口120的形状和/或设置可以利用市售软件，例如Ansys
Figure BDA0003072928500000081
通过计算笼罩12内部或周围的空气动力流来进行确定和优化。
参照图2，笼罩12包括相对的第一端部12a和第二端部12b。第一端部12a具有与腔室10连通的开口121。更具体地，当笼罩12固定在腔室10的基座113上时，开口121位于在所述基座中形成的通道111中，该通道通向腔室10。开口121和通道111的横截面与笼罩12的横截面相对应(形状和尺寸)。
透明小窗112与开口121相对设置。在图2中，此小窗112插入通道111中。小窗使腔室10和笼罩12之间形成气密性，使得在所述笼罩中循环的气体不能进入所述腔室内部。因此，腔室10对于待分析气体是密闭的。例如，该小窗的尺寸是直径在10mm到20mm之间，厚度在1mm到5mm之间。这一厚度范围可以承受在笼罩12中循环的气体压力，而不会使小窗112变形，因此对光束没有影响。
小窗112优选地由抛光蓝宝石制成。这种材料的主要优点是不会吸附待分析气体中包含的灰尘或冷凝物，从而避免所述小窗结垢并最终遮盖所述小窗，即使以密闭方式制造时，在干燥、洁净环境下采取了预防措施来封闭腔室10也会出现所述结垢。另外，蓝宝石具有对红外线几乎透明的性质，这使得部分光束透过小窗112时仅引起很少的光功率损失(吸收少并且反射少)。使用这种材料不需要对小窗112进行防反射处理。
接头122附接在第二端部12b上。此接头122是例如封闭第二端部12b的圆柱塞状。此接头122有利地由不锈钢制成并且可以通过模制或加工来获得。它通过焊接、螺钉连接、螺栓连接，铆接等方式固定在笼罩12上。接头122的长度在例如1cm到3cm之间，内径大体对应于笼罩12的外径。其侧壁厚度在例如0.1cm到1cm之间。
接头122用作光反射器51的外壳。如说明书中进一步解释的那样，此反射器51用于将在笼罩12中传播的部分光束向光谱仪4的检测器反射。为了优化光路，反射器51、开口121、通道111和光源40沿同一轴X-X对齐。
根据一种可以兼顾稳健性、精度和低成本的优选实施方式，反射器51是硅胶载体制成的球形凹面镜，其上光束照射的部分有抛光铝涂层并且表面覆盖有硬化处理层。该镜面51不仅可以使光束会聚，而且可以按预期对该光束放大。
镜面51的球面半径在例如在100mm到250mm之间。就如说明书下文中进一步解释的那样，曲率半径取决于光源40和光谱仪4检测器41(图2)之间的光路长度。光路越短，曲率半径越小。待分析助燃气体通常在管路中在受压循环(相对压力通常为0到10bar，但可以更高)。绝对压力P达到60bar时，气体在小窗112和反射器51之间经过的相关光路长度L(单位：cm)大致遵循以下公式：L＝200/P。因此气压较高时可能需要缩短光路长度，并因此缩短镜面51的曲率半径。应用此公式，可以通过实验优化长度L，以使探头S的压力和温度的整个工作范围内，吸收信噪比达到最大化。
镜面51的曲率半径还取决于实物(光源40)和影像(光谱仪4检测器41的感光面)之间可能需要进行的放大。
反射器51被透明小窗510覆盖。该小窗510具有隔离反射器51与待分析气体的功能，并且因而形成气密性。小窗510的材料有利地是抛光蓝宝石，原因同上。
在图3的实施方式中，腔室10主要容纳探头S的所有电子组件、光谱仪4的光学元件以及用于发射光束F的光源40。
光谱仪4可以在分析与所述气体相互作用的至少一部分光束后，生成气体成分测量数据。该分析基于吸收光谱学，更具体地基于近红外吸收光谱学。通过本领域技术人员熟知的这种方法，可以通过测量不同波长下吸收的电磁辐射强度来确定气态化合物的浓度。为此，光谱仪4包括两个本领域技术人员已知的标准检测器41和42。它们分别由一个或多个光敏元件(CCD、CMOS等)构成的，可以将捕获的光子转化为电信号。这些检测器41、42可以分别设置在印刷电路板C41、C42上。
当光源40在波长1550nm到1850nm之间的光谱范围内发射近红外光线时，获得了具有最佳测量精度的结果。为了降低成本，光源40优选地由一个或多个LED(发光二极管)组件构成。有利地，使用四个LED来覆盖整个光谱并具有足够的光功率。
出于安装紧凑性和简化的原因，不同LED有利地集成在同一个电子部件中。另外，LED具有低放热性的优点。申请人已经能够在试制品阶段观察到，LED的温度相对于环境温度升高了6℃左右，因此降低了腔室10中气体泄漏情况下发生爆炸的风险。除了其低成本之外，与激光型照明装置相比，LED的优点在于对几何尺寸的要求较低，而激光方向性更好。这使得部件和人工成本降低，并且组装迅速。
LED由一定频率的脉冲电流供电，并调节至固定的电流强度设定值：没有LED控制电流强度的主动或动态调节。有利地，电流强度因类型而异被调节至极高的设定值，例如每个LED为200mA，或者甚至2A，以获得最大的光功率。
光源40的供电电流可以来自集成在腔室10中的电池形式的电源，也可以来自外部电源。在这种情况下，探头S包括将其与外部电流源连接的电源线。
置于腔室10中的光学元件50可以将光束F的一部分F11导向笼罩12中。该光学元件有利地是置于光源40和笼罩12之间的分光器。分光器50为立方体形状(立体分光器)。它由两个棱镜构成，棱镜的两个较大面(斜边)彼此组装在一起。这些较大面相对于入射光束F倾斜45°。该组装可以通过粘合来完成。此立体分光器的侧面长度对应于小窗510的直径。然而，只要该长度大于或等于射向它的光束F的宽度时，该长度可以略小。立体分光器50优选地经过防反射处理。为了优化光路，将分光器50置于轴X-X上，与反射器51、开口121、通道111和光源40对齐。
光源40和分光器50之间形成气隙界面。与前述欧洲专利文献EP2198277不同的是，不使用光导或光纤，这样可以降低成本并简化探头S的设计。
通常，光源40向所有方向发射光线。而且，光源40和分光器50之间设置有准直透镜400。该透镜400使得光束F的光线向分束器50会聚。通过将光源40极近地面对此透镜400焦点设置，透过所述透镜的光线大体平行并略有会聚。透镜400是标准的准直透镜，其有利地经过防反射处理以便降低成本。
在图3中，分光器50使光束F的一部分F11透过笼罩12并使另一部分F2偏转90°。因此光束在笼罩12中传播之前，分光器50实施90°角的第一次反射。因此F2部分不与待分析气体相互作用。该F2部分射向光谱仪4的第二检测器42。
F11部分沿着与光束F相同的方向穿过分光器50无而偏转。该F11部分经过小窗112进入笼罩12后与待分析气体G相互作用。在此还发现，气隙在分光器50和笼罩12之间形成界面，而无需使用任何光纤。然后F11部分经过小窗510后被反射器51反射。被反射的F12部分沿着与F11相反的光路并且与气体G相互作用。因此，光束在笼罩12中与气体G发生双重相互作用：F11部分的“去程”相互作用和F12部分的“回程”相互作用。被反射的F12部分经过小窗112进入笼罩10后射向分光器50。分光器50使F12部分偏转90°(F13部分)。因此光束在笼罩12中传播之后，即与待分析气体相互作用之后，分光器50进行了90°角的第二次反射。该F13部分则射向光谱仪4的第一检测器41。
因此光谱仪4可以根据以下数据测量气体G的成分：
-在笼罩12中传播(并射向第一检测器41)的部分光束F13的分析所得数据，
-未在笼罩12中传播(并射向第二检测器42)的部分光束F2的分析所得数据。
此测量在一秒内完成，使得探头S能够测量气体成分的瞬时变化并且可以极精确地控制燃气器具以确保最优燃烧。
检测器41和42发出的信号被传输给光谱仪的处理单元43，该单元可以处理这些信号并生成气体G成分测量数据。该测量方法是本领域技术人员所熟知的并且不属于本发明内容范围。
处理单元43为一个或多个印刷电路板的形式，其中包含可以生成测量数据的电子部件以及光源40的电源。处理单元43尤其包括一个或多个处理器(其中包括微处理器和/或FPGA(Field-Programmable Gate Array)和/或微控制器)，以及一个或多个存储器。一个或多个计算机应用程序-或计算机程序-被保存到一个或多个存储器中，并且其指令(或代码)由处理器执行，可以实现光谱仪4的功能，从而更进一步地实现探头S的功能。在后一种情况下，处理单元43为探头S的多个功能元件所共有，其包括例如：气体温度传感器、LED温度传感器、检测器41、42各自的温度传感器、气压传感器、气体热导传感器，说明书对此将进一步描述。处理单元43可以连接有线(以太网型或CAN协议)或无线(wifi或蓝牙发射器/接收器型)通信模块44，所述通信模块用于接收指令和/或所进行的测量结果，尤其是以数字形式。
通过交替打开-关闭光源40来执行多个周期的测量采集和计算。光束F间歇式发射，优选地以16kHz(+/-1kHz)的频率发射，并且与检测器41、42上的光通量接收同步。更具体地，在可能持续例如500ms的每个采集和计算周期中，以几毫秒的连续序列激活光束F，从而以其不同的采集频率连续地照射检测器41、42。在该频率扫描结束时，光束F在计算周期期间或在该周期后的相当长一段时间(例如100ms)内是熄灭的。由脉冲模式、频率扫描和计算时间引起的这些不同的消光阶段，即使持续时间很短，总计会达到例如40％的时间，并且可能使接通后立即发热的光源40冷却。
根据可以降低制造成本的优选实施方式，腔室10中没有进行温度调节。通过电子元件在腔室10中的特定布局，可以减小温度对检测器41、42的影响。具体地，承载处理单元43以及管理光源40供电的电子部件的母板，其位置远离光源40和检测器41、42的支承板C41、C42。该母板是主要的热源。该位置距离在例如20mm到250mm之间。为了使距离达到最大，母板安装在腔室10的背面，与靠近待分析气体的光学部件相对。在图2中，母板C43紧贴在腔室10底壁100的内表面上，该底壁与笼罩12相对。底壁100优选地是金属的，以促进与腔室10外部的热交换。在图3中，底壁100的外表面上布置有散热片101，这些散热片增强向腔室10外部传热。但是，根据所选电子组件的质量，这些散热片并不是必需的。
LED的使用、光束F的脉冲发射以及母板的特定布局相结合，以限制腔室10中发热。申请人在试制品阶段观察到，检测器的温度相对于环境温度仅升高了3℃。而且，探头S非常适合在ATEX(爆炸性大气)区域中工作。
探头S能够在其环境中工作而不会对腔室10形成的法拉第笼内的所有物体产生电磁干扰(电磁兼容性EMC)，也不会受到这种电磁干扰的影响，这一点在工业用途中显得很重要。为此，在腔室10内部使用屏蔽连接电缆，以连接各个部件和/或板件。所使用的电缆由例如平面电线(例如10根电线)构成，其具有交替的工作电线和地线。每条地线均对与其相邻的两条工作电线进行屏蔽。
为了进一步确保在ATEX区域中探头S的使用安全，腔室10的主要部分可以填充树脂或弹性体(例如“复合物”)，它们具有电子机箱中常用的良好导热性和电绝缘性等常规特性。因此使腔室10内的空气量达到最少，这可以限制甚至消除腔室10中气体泄漏时爆炸的风险和/或空气中冷凝物和杂质的有害作用。有利地，腔室10空间的50％以上，优选地90％，填充有树脂或弹性体。光谱仪4(光源40、分光器50和检测器41、42)的光路保持自由，也就是说，组件之间的空间没有填充树脂或弹性体。
如前所述，没有对光源40的控制电流进行调节。该电流未经控制，并且其他参数(温度、老化)可能也未经控制，意味着光束F的光强度会随时间变化。两个检测器41和42可以通过控制光强度的这种变化来克服这个问题。第一检测器41测量部分光束F13(测量光强度)经过待分析气体之后的光强度。而第二检测器42测量部分光束F2(参照光强度)经过待分析气体之前的光强度。将朗伯比尔定律应用于这两个信号，得出气体吸收的光强度。气体的吸光度A验证了该定律：
A＝log(Io/I)
其中，Io是由第二检测器42测量的信号，是通过参照信号的外推获得的，而I是由第一检测器41测量的信号。
因此避免部分温度造成的与室温之间的偏差，以及电流变化、LED老化或其他因素引起的潜在应力。通过对部分光束F2的分析可以维持光谱仪4的校准。测量时，处理单元43考虑到了光束F的光强度和/或频谱的一切变化。
为了对信号处理进行修正，探头S可以包括LED的温度传感器和检测器41、42各自的温度传感器，这些传感器被集成到腔室10中。出于相同的原因，可以将与气体接触的压力传感器和/或与气体接触的温度传感器(图1A、1B、1C中的标号60)设置在基座113上。这些传感器进行的修正是现有技术中已知的，例如前述美国专利文献US9291610(ZELEPOUGA)中提到的。气体温度传感器60有利地为从基座113突出的杆件的形式。此杆件中，距离腔室10最远的一端上装有铂电阻型探头(或其他类似的传感器)。通过这种设置可以使温度传感器60与腔室10保持一定距离。后者的温度与气体温度不同，不会影响测量。
分光器50和第一检测器41之间形成气隙(无光纤)界面。此气隙中设置第一透镜410和第一光阑411。部分光束F13首先穿过第一透镜410，然后穿过第一光阑411后再作用于第一检测器41。第一透镜410、第一光阑411和第一检测器41沿着同一光轴对齐。优选地，第一光阑411紧贴在第一透镜410上。优选地，不在第一检测器41前面安装滤光器，以保持最佳光功率。实际上，滤光器可以将使光功率下降10％左右。
第一透镜410为标准会聚透镜。为了降低成本，第一透镜410未经过任何防反射处理。它可以使部分光束F13的光线向第一检测器41的感光面会聚，从而优化在所述第一检测器处的光子捕获。
尽管有第一透镜410，但是射入第一检测器41的部分光束F13相对于所述检测器的感光面的锥角可能过大。因此在检测器41内部发生寄生反射，所述寄生反射干扰所述检测器的光谱分辨率，从而导致响应质量下降。对于仅使用唯一的一个透镜的第一检测器41，第一光阑411可以解决这一问题。它限制部分光束F13的锥角并减少第一检测器41中的寄生反射。根据光阑411和检测器41之间的距离计算其开口，以遵循此类检测器的规定最大锥角。例如可以采用市售软件进行这些计算，例如Zemax开发的
Figure BDA0003072928500000131
软件。第一光阑411的开口直径在例如100μm到4000μm之间。
在第二检测器42处设计类似安装。分光器50和第二检测器42之间形成气隙(无光纤)界面。第二透镜420和第二光阑421设置在此气隙中。不与气体G相互作用的部分光束F2首先穿过第二透镜420，然后穿过第二光阑421后再作用于第二检测器42。第二透镜420、第二光阑421和第二检测器42沿着同一光轴对齐。有利地，第二检测器42前面没有放置任何滤光器。
光路上的某些元件会将物体的影像放大。该物体为光源40，影像分别为第一检测器41和第二检测器42的感光面。参与该放大作用的组件主要是透镜400、410、420，光阑411、421和凹面镜51。
光源40由例如2个不同的LED构成，但是它们的光谱带是互补的。对这些LED加倍，以形成4个LED构成的功率更高的一体部件。当此光束的轴线在各个发射或接收光学组件上并不完全居中时，将相同的LED设置在同一对角线上，以使整个频带宽上的可用光功率最大化。
在“测量”光路(气体所经过的路径；部分光束F、F11、F12、F13)上，通过透镜400和410、凹面镜51和第一光阑411进行放大。经过第一透镜410的成像焦点后，在F、F11、F12、F13的测量光路的像距(也称为会聚距离)处，确切地位于第一检测器41感光面所在处，呈现发散、失真的光源40影像。
在“参照”光路(气体不经过此光路；部分光束F、F2)上，两个透镜400、420组成的透镜组，在接收透镜的焦点前，F、F2参照光路的会聚距离处，呈现4个LED的真实影像，不会扩散和失真，特别是尺寸方面。由于光源40的直径为300微米，并且检测器42的感光面仅为100微米，所以该影像将仅向所述检测器示出这4个LED的中心(黑色)。同样，将检测器42移开几毫米，以将其置于透镜420的焦点上以使光束发散，并使4个LED发射的光束在检测器42的整个感光面上分布得更加均匀。这种发散是以牺牲清晰度为代价的，但是由于这种极短路径具有多余光功率，而使之成为可能。
因此，光束F2与光束F13相比，光阑和检测器之间的距离可以更长。所以，在各方向都与第一光阑411一致的第二光阑421在开口尺寸这一点上是不同的，这取决于该距离。第二透镜420与第一透镜410一致。
在“参照光束”侧，由于大致准直(在分光器50和透镜420之间大致平行的光线)通过光源40和检测器42之间的短光路成为可能，并且通过透镜400对所述光源的作用得以实现，因此所述透镜420与立体分光器50中心之间的距离变得无关紧要。因此，该距离大大减小，例如减小到1mm左右，以利于腔室10的紧凑性。另外，在略微会聚的“测量光束”侧，透镜410和立体分光器50中心之间的距离与镜面和立体分光器之间的距离和镜面(球面)曲率半径有关。
利用镜面，在被测气体区域内往返一次，气体经过的光路总长度为40cm。该长度是LED功率与可测吸光度之间的平衡而产生的，该吸光度既不太小也不太大，与被测空间中存在的分子密度有关，其对应的压力和温度范围分别为0到10bar和3℃到50℃。对于该距离没有规定具体公差：在校准传感器时，与该距离的偏差可以得到补偿。
图4示出了探头S的一种实施改型。仅使用第一检测器41。与图3的实施方式相比，没有对部分光束F2进行分析。这一方案适用于将LED用作光源的情况，因为它们相对稳定，并且光强度和/或频谱变化很小或没有变化。分光器50被另一种光学元件50'所取代：将光源40发射的部分光束F11导向笼罩(12)；将在笼罩12中传播并与气体G相互作用的部分光束F13导向检测器41。光学元件50'具有例如相对于入射光束F倾斜45°的半反光薄片的形状。
图5还示出了探头S的一种实施改型。探头S上设有热导传感器6，使其能够与气体G相互作用。该传感器6更具体地固定在腔室10的基座113上，在笼罩12之外部，因此它不在光路上。传感器6连接处理单元43，使得其发出的信号被传输到所述单元。它可能生成气体G的成分测量数据，其中考虑到了这些信号。
图5中的探头特别适用于测量气体中存在氢含量。现有的有效法规章限制燃气分配管网中可以注入的氢气含量(英国和比利时为0％，瑞士为4％，法国为6％，德国理论上为10％但实际上为2％)。在能源转换中，例如在欧洲，采取了一些措施来协调这些限值并提高这些限值，以使氢气能够大规模地加以利用，以此作为可再生能源的大规模存储手段。但是，目前的燃气器具仅容许相对较低的氢气含量，并且通常不能承受此含量的突然变化。因此，测量气体在其中循环的管路中的氢气含量显得很重要，并且可以通过探头S来实现。
由于氢没有像C-H这样的不同原子构成的分子键，因此无法通过光谱仪4进行检测。与甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、一氧化碳或二氧化碳相比，氢气的导热率极高，因此处理单元43能够通过获取气体中其他化合物的含量(通过光谱测定法进行分析)来足够精确地推断出氢气含量。
热导传感器6，市面上性能最好的产品例如Xensor Integration
Figure BDA0003072928500000151
的XEN-TCG3880型，可以提供不到一秒的响应时间。而且，探头S能够测量助燃气体可变混合物中氢气含量的瞬时变化，并能够控制燃气器具(通过其控制空气和/或气体流量，和/或点火燃烧的致动器)以确保燃烧稳定性。像光谱仪4一样，与其他可能更具选择性的传感器相比，例如前述美国专利文献US9291610(ZELEPOUGA)中描述的对饱和、结垢和中毒敏感的电化学氢传感器)，热导传感器6不需要任何特殊维护或在使用中进行定期校准，这使其非常适合工业应用。
图9示出了探头S的另一种实施改型。在此，笼罩12简单地由刚性立柱构成，所述立柱优选地由不锈钢制成，其端部固定有容纳光反射器51的接头122。此立柱为例如杆状或扁平条状。接头可以通过焊接、螺钉连接、铆接等方式固定到立柱上。立柱的另一端以相同方式固定到腔室10的基座上，使得光反射器对准X-X轴。立柱偏离此轴，以免干扰光路。这种实施方式的优点是除去了气体路径中的一切障碍物(除了立柱之外)。但是，相比图1a、1b、2所示的结构，这种结构的钢性和稳健性较差，并且应该专用于没有振动的环境中。还可以考虑使用两个或多个其他立柱来进一步增强该结构的刚性。
图6A、6B、6C、6D示出了探头在待分析气体在其中循环的管路C中的安装。气体G及其在管路C中的流动方向用双箭头表示。管路C可以是输气管路，或者使用气体作为燃料的器具A的供气管路。
在管路C的壁上设有开口O。该开口O通常由凸缘或其他原本为了安装例如温度或压力探头而设置的装置构成。它也可以是专门为探头S设计的开口。将S探头插入开口O，使得笼罩12进入管路中。
对于大直径的管路C，例如等于或大于200mm，优选根据图6A或6D中的实施方式进行安装。为了使气体G以最佳方式通过笼罩12，安装了探头S，使得构成笼罩12的细长管的纵轴X-X(也是光路的轴线)垂直或大体垂直(+/-10°)于气体G在管路C中的流动方向。这种构造可以实现特别精确的测量。
对于小直径的管路C，例如小于200mm，优选根据图6B和6C中的实施方式进行安装。在此，管路C是弯曲的。安装探头S，使得管件12的纵轴X-X平行或大体平行(+/-10°)于气体G在弯曲部中的流动方向。利用路管C的弯曲部产生的湍流，这种构造可以实现精确的测量。选择根据图6B或图6C的安装，可以取决于管路C周围的可用空间。
在图6A、6B、6C的构造中，开口O使凸缘11被定位在管路C内部的一定距离处，使得笼罩12的一部分(位于凸缘11附近的那部分)不直接接触气流。在某些情况下，气体不流动的死区可能会使响应时间延长。图6D示出了一种可以克服这些缺陷的构造。开口O和/或凸缘11被构造成使得所述凸缘与管路C的内壁齐平。整个笼罩12则与气流直接接触，从而不再有死区。显然，根据图6D的安装也适用于图6B和6C的构造。
在开口O处定位后，探头S固定在管路C上。通过例如将固定法兰11螺钉连接或螺栓连接在开口O周围设置的互补固定法兰上，可以实现该固定。确保开口O处管路中循环的气体G的密闭性。此密闭性尤其是通过在两个固定凸缘之间设置垫片J来实现的。
探头S生成的测量数据有利地被传输给与管路C连接的设备A的电子计算机UC。该电子计算机UC是已知类型的，并且尤其可以根据设备类型、气体和/或空气的喷射速度、空气-气体比、点火提前等进行设置。因此计算机UC将能够根据探头S传输的数据即时地修改设备A的设置和/或运行。
与现有技术中已知的其他类似探头相比，由于所采用的技术方案，上文所述探头S的价格特别低。其响应时间不到一秒钟，非常适合直接在待分析气体流中进行瞬时测量，而无需任何采样。
因此，通过光谱测定法实施的测量，以及必要情况下通过热导实施的测量，通常不如通过色谱法实施的测量精确。目前，气相色谱法是可燃气体成分的分析和精确测量中最广泛或最常用的方法。然而，气相色谱法通常需要至少几分钟来分析气体样本，因此无法提供实时信息。正如申请人能够观察到的，两种技术的结合似乎特别有效。
图7示出了一种实施改型，其中气相色谱仪9连接管路C。该设备9是本领域技术人员已知的类型。通过注入系统90从管路C中提取气体样本，然后引入色谱仪9的检测系统中。后者则将生成气体成分的精确测量数据。
探头S和色谱仪9连接数据处理单元91。该处理单元91类似于前述处理单元43。它接收探头S生成的测量数据以及色谱仪9生成的测量数据。探头S生成的测量数据几乎连续地被接收(时间间隔小于1秒)，而色谱仪9生成的测量数据则以较长的时间间隔(例如每30分钟)被接收。处理单元91则将根据色谱仪9生成的测量数据来修正探头S生成的测量数据。然后，这些经过修正的数据可以被传送给设备A的计算机UC。
图8示出了这种修正。实线曲线示出了探头S对气体浓度的连续测量，也就是说，通过光谱测定法，以及必要情况下通过热导。可以看到，浓度(C％)随时间(t)变化。这些点示出了色谱仪9对气体浓度的点测量(t1、t2、t3、t4时刻)。虚线曲线示出了通过光谱测定法连续测量所做的修正。
在t1时刻，处理单元91发现光谱测定法测得的浓度低于色谱法测得的浓度。因此，它将通过修正两种测得浓度之间的差值(或差异)来调整光谱测定法的测量结果。在此，将在光谱测定法的测量结果中加上该差值。
在t2时刻，处理单元91发现光谱测定法测得(并在t1时刻经过修正)的浓度高于色谱法测得的浓度。在此，将从光谱测定法测得的初始修正结果中减去两种浓度之间的差值。
在t3时刻，处理单元91发现光谱测定法测得(并在t2刻经过修正)的浓度对应于色谱法测得的浓度。因此处理单元91不执行任何额外修正。
在t4时刻，处理单元91发现光谱测定法测得(并在t2时刻经过修正)的浓度又低于色谱法测得的浓度。因此，它将通过加上两种测得浓度之间的差值来调整光谱测定法的测量结果。
因此，所实现的测量比仅通过光谱测定法获得的测量更精确，并且比仅通过色谱法获得的测量更快。因此，两种技术的协同作用最终可以实现连续且非常精确的测量待分析气体的浓度。
对于根据热导传感器6的测量数据和光谱仪4的测量数据推导出的氢含量测量数据，可以进行相同的校正。实际上，色谱仪9可以直接测量气体中的氢含量。处理单元91则能够根据由色谱仪9生成的测量数据来修正探头S生成的氢含量测量数据。这种修正与前文参照图8所述的内容一致。
在上述实施方式中，本发明中各个元件和/或装置和/或步骤的设置，不应该被理解为在所有实施中都要求这样设置。在任何情况下，均可以理解成，可以对元件和/或装置和/或步骤进行各种改进，这并不违背本发明的精神和范围。具体地：
-腔室10和/或基座113和/或凸缘11和/或构成笼罩12的管件的横截面不一定是圆形的。它们的横截面可以是正方形、矩形、椭圆形、多边形等。
-在腔室10不具有基座113的情况下，管件12可以直接固定在凸缘11上。
-除凸缘11以外，探头S还可以设有另一种用于固定在管路上的固定装置。例如，可以在腔室10的外侧壁上设置螺纹，该螺纹将与设置在管路壁内的攻丝中形成的互补螺纹啮合。
-笼罩12可以是网状板的形式，由管件和/或用于光反射器支承件构成。
-开口121可以直接通向腔室10。
-笼罩12可以构造成使得其第二端12b最初是闭合的，而无需增加接头122，该闭合的第二端支承光反射器51。
-待分析气体的压力P大于60bar时，气体折射率的改变可能需要使用比LED功率更高的照明装置。在这种情况下，例如如果可以接受更高的成本，则可以由激光器构成光源40。如果可接受较短的使用寿命，也可以在无振动环境中使用钨灯或卤素灯。
-全部或部分光束F向光谱仪4的一个或两个检测器41、42以及向笼罩12导向，这可以通过设置反射板或通过立体分光器以外的分光器(例如：分光片或分光板)来实现。
-面对探头S安装复杂性造成的成本上升风险，可以考虑以光纤作为光源40和分光器50之间；和/或分光器50和笼罩12之间；和/或分光器50和第一检测器41之间；和/或分光器50和第二检测器42之间的界面。
-处理单元43可以移出至腔室10外。在这种情况下，由检测器41、42发射的信号以有线或无线方式(例如，通过蓝牙、ISM、Wifi、ANT、ZIGBEE等)传输给处理单元43。然后在腔室10外部生成气体成分测量数据。
-处理单元43和数据处理单元91可以是唯一的同一个处理单元。
根据本发明未涵盖的实施方式，上文中描述的安装在腔室10中的各种组件的设置和/或特征，也适用于未配备笼罩12的气体成分测量探头。尤其是，LED的使用、脉冲光束F发射、母板的特殊设置、屏蔽连接电缆的使用、腔室10的树脂填充、气隙形成的界面(光源40和分光器50之间；和/或分光器50和待分析气体之间；和/或分光器50和第一检测器41之间；和/或分光器50和第二检测器42之间)，并使用透镜和光阑，可以完美地用于其他类型的探头，包括专利文献专利文件US2006/0092423(SERVAITES)、US8139222(SAVELIEV)和US9291610(ZELEPOUGA)或EP2198277(SP3H)中所述的探头。
根据本发明未涵盖的另一种实施方式，图7中的安装和图8中的通过色谱仪点测量来修正光谱仪的瞬时测量，可以适用于其他类型的探头，包括专利文件US2006/009423(SERVAITES)、US8139222(SAVELIEV)和US9291610(ZELEPOUGA)或EP2198277(SP3H)中所述的探头。

Claims (19)

1.一种包括光谱仪(4)的探头，所述光谱仪可以在分析与助燃气体相互作用的至少一部分光束(F13)后，测量所述助燃气体的成分，所述光谱仪包括：
-可以发射光束(F)的光源(40)，
-包括光学元件(50)的光学装置，所述光学元件被构造成：
-将至少一部分光束(F11)导向所述待分析气体，以及
-将与所述气体(G)相互作用的一部分光束(F13)导向检测器(41)，
其中：
-所述探头(S)包括笼罩(12)，所述笼罩可以活动安装在待分析气体(G)在其中循环的管路(C)中，
-所述笼罩(12)被构造成允许气体流过所述笼罩，
-至少一部分光束(F11、F12)在所述笼罩(12)中传播，从而能够与所述气体(G)相互作用，
-所述笼罩(12)用作光反射器(51)的支承件，所述光反射器可以向检测器(41)反射在所述笼罩中传播并与所述气体(G)相互作用的那部分光束(F11、F12)，
其特征在于，所述笼罩(12)由细长管构成，所述细长管的侧壁具有分布在所述壁体周围的开口(120)，所述开口(120)被构造成允许气体迅速通过所述管件，所述开口的总面积占所述管壁面积的50％以上，优选80％以上。
2.根据权利要求1所述的探头，其中：
-所述光学装置包括光学元件(50)，可以将光源(40)发射的光束(F)的一部分(F2)导向所述光谱仪(4)的第二检测器(42)，使得所述光谱仪也会分析未在所述笼罩(12)传播的一部分光束，
-所述光谱仪(4)可以根据以下数据测量气体的成分：
-在所述笼罩(12)中传播的部分光束(F13)的分析所得数据，以及
-未在所述笼罩(12)中传播的部分光束(F2)的分析所得数据。
3.根据权利要求2所述的探头，其中所述光学元件(50)是置于所述光源(40)和笼罩(12)之间的分光器(50)，所述分光器可以：
-将所述光源(40)发射的光束(F)的一部分(F11)传输到所述笼罩(12)中，
-使得在所述笼罩(12)中传播并且被设置在所述笼罩内的光反射器(51)反射的部分光束(F13)向所述第一检测器(41)偏转，
-使得未在所述笼罩(12)中传播的部分光束(F2)向所述光谱仪(4)的第二检测器(42)偏转。
4.根据权利要求1所述的探头，其中所述光学装置包括光学元件(50')，可以：
-将所述光源(40)发射的光束(F)的一部分(F11)导向所述笼罩(12)中，
-将在所述笼罩(12)中传播并且被设置在所述笼罩内的光反射器(51)反射的那部分光束(F13)导向所述检测器(41)。
5.根据权利要求3或4中任一项所述的探头，其中：
-所述光源(40)和分光器(50、50')之间形成气隙界面，
-所述分光器(50、50')和笼罩(12)之间形成气隙界面。
6.根据权利要求5或根据权利要求3或4中任一项所述的探头，其中：
-所述分光器(50、50')和第一检测器(41)之间形成气隙界面，
-分隔所述分光器(50、50')和第一检测器(41)的气隙中设置有第一透镜(410)和第一光阑(411)，所述第一透镜和所述第一光阑被设置成使得在所述笼罩(12)中传播并且被光反射器(51)反射的所述部分光束(F13)，首先穿过所述第一透镜，然后穿过所述第一光阑后再射向所述第一检测器。
7.根据权利要求5或6中任一项或根据权利要求3所述的探头，其中：
-所述分光器(50)和第二检测器(42)之间形成气隙界面，
-所述分隔分光器(50)和第二检测器(42)的气隙中设置有第二透镜(420)和第二光阑(421)，所述第二透镜和所述第二光阑被设置成使得未在所述笼罩(12)中传播的那部分光束(F2)，首先穿过所述第二透镜，然后穿过所述第二光阑后再射向所述第二检测器。
8.根据上述权利要求中任一项所述的探头，其中：
-所述探头(S)上设置有热导传感器(6)，使得所述传感器能够与待分析气体(G)相互作用，
-数据处理单元(43)可以生成气体(G)成分测量数据，其中考虑到了所述热导传感器(6)发出的信号和所述光谱仪(4)生成的测量数据。
9.根据上述权利要求中任一项所述的探头，包括：
-待分析气体密闭腔室(10)，所述光谱仪(4)安装在所述腔室中，
-所述笼罩(12)包括相对的第一端(12a)和第二端(12b)，所述第一端具有与所述腔室(10)连通的开口(121)，
-所述光反射器(51)、开口(121)和光源(40)沿同一轴(X-X)对齐。
10.根据权利要求9所述的探头，其中：
-与所述笼罩(12)第一端(12a)处所设开口(121)相对设置有抛光蓝宝石透明小窗(112)，所述小窗在所述腔室(10)与所述笼罩之间形成气密，
-在所述笼罩(12)中传播的部分光束(F11、F12)穿过所述小窗(112)。
11.根据上述权利要求中任一项所述的探头，其中所述光反射器(51)安装在接头(122)上，所述接头附接在所述笼罩(12)一端(12b)。
12.根据上述权利要求中任一项所述的探头，其中所述抛光蓝宝石透明小窗(510)覆盖所述光反射器(51)。
13.根据上述权利要求中任一项所述的探头，包括待分析气体密闭腔室(10)，所述光谱仪(4)安装在所述腔室中，所述腔室空间的50％以上填充有树脂或弹性体。
14.一种系统，包括探头(S)和待分析气体在其中循环的管路(C)，其特征在于，所述探头(S)根据权利要求1至13中任一项所述，所述探头的笼罩(12)活动安装在所述管路(C)中。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述笼罩(12)具有垂直于或大体垂直于所述管路(C)中气体(G)流动方向的纵轴(X-X)。
16.根据权利要求14所述的探头，其中：
-所述管路(C)具有弯曲部，
-所述笼罩(12)具有平行或大体平行于所述管路(C)弯曲部中的气体(G)流动方向的纵轴(X-X)。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的系统，还包括可以生成气体成分测量数据的气相色谱仪(9)，所述气相色谱仪(9)连接管路(C)，使得所述管路中循环的气体样本可以由所述气相色谱仪进行分析。
18.根据权利要求17所述的系统，其中：
-所述探头(S)和气相色谱仪(9)连接所述数据处理单元(91)，
-所述处理单元(91)可以根据所述气相色谱仪(9)生成的测量数据来修正所述探头(S)生成的测量数据。
19.根据权利要求17所述的系统，其中：
-所述探头(S)还包括：
-热导传感器(6)，被设置成使得所述传感器能够与待分析气体(G)相互作用，
-数据处理单元(43)，可以生成气体(G)成分测量数据，其中考虑到了所述热导传感器(6)发出的信号和所述光谱仪(4)生成的测量数据，
-所述探头(S)和气相色谱仪(9)连接所述数据处理单元(91)，
-所述处理单元(91)可以根据所述气相色谱仪(9)生成的测量数据来修正所述气体(G)成分测量数据。
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