CN116325389A - 气体分析器设备及方法 - Google Patents

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Abstract

一种使用激光吸收光谱法的气体分析器设备，该气体分析器设备包括激光器壳体(6)以及至少两个激光器(66)、优选地多达五个、六个、或七个激光器(66)。所述至少两个激光器(66)安装在激光器壳体(6)中。激光器壳体(6)包括对用于接纳激光器(66)的内部空间进行限定的整体式的主体(61)以及用于将主体(61)以密封的方式封闭的盖(60)。激光器壳体(6)布置在气体分析器设备的外壳体(1)内。该气体分析器可以以非常简单的方式进行组装和调节。

Description

气体分析器设备及方法
技术领域
本发明涉及使用激光吸收光谱法、优选地使用中红外(IR)激光光谱法的气体分析器设备，以及用于将使用激光吸收光谱法的气体分析器设备启动的方法。
背景技术
目前，空气污染和气候变化是人类最紧迫的挑战之一。公共空气质量监测网络具有评估空气质量的任务。另外，污染行业必须测量并报告他们的排放，但是如果他们可以在其生产过程中应用在线气体分析，则还具有巨大的节约潜力。
分析气体浓度、特别是使用中红外(IR)激光光谱来分析气体浓度的方法在现有技术中是公知的。例如参见：
-“Laser driving and data processing concept for mobile trace gassensing:Design and implementation(用于移动式微量气体感测的激光器驱动和数据处理构思：设计及实施)”C.Liu等人，RSI 89，065107(2018)，
-“Multi-species trace gas sensing with dual-wavelength QCLs(使用双波长QCL的多种微量气体感测)”，M.Hundt等人，APB 124，108(2018)，
-“High-precision ethanol measurement by mid-IR laser absorptionspectroscopy for metrological applications(通过中红外激光吸收光谱法的用于计量应用的高精度乙醇测量)”，O.Aseev等人，Optics Express 27，5314-5325(2019),
-Appl.Phys.B 90，165-176(2008)“Applications of quantum cascade lasersto trace gas sensing(量子级联激光器对微量气体感测的应用)”，以及
-EP 2 940 808 B1。
气体分析器设备在现有技术中也是已知的。通常，气体分析器设备仅可以测量一种单一气体。因此，用于多种气体的测量设备相当笨重、昂贵，并且这些设备不能与移动基座、比如汽车、火车或电车一起使用。另外，已知的分析器在使用中通常相当复杂，使得这些分析器仅可以由受到良好训练的人员来操作。
申请人已经开发并生产了一种基于激光的一体化分析器，该分析器用于精确且直接地测量若干种、甚至许多种气体，比如最重要的污染物即CO、NO、NO2、NH3、O3和SO2、以及温室气体比方说CO2、CH4、H2O和N2O、以及在红外范围内吸收的更多种种类。该分析器可以同时测量多种气体。该分析器易于操纵，并且降低了这种设备的总体成本。
该分析器包括：
-位于单独的壳体中的三个激光器、即单模式DFB QCL(量子级联激光器)，
-具有减小的压力的多通池，激光在两个镜之间反射以产生光与采样气体的长相互作用路径，
-与光源的波长对应的光电探测器、更精确地为红外(IR)探测器(例如MCT)，
-激光器驱动电子器件，
-用于数据获取和AD转换的器件，以及
-控制系统并进行光谱分析的软件。
光源(例如QCL或ICL(带间级联激光器))选择成使得该光源的光被目标分子吸收。在使用QCL的情况下，QCL以间歇性连续波(iCW)驱动方案在10μs至100μs之间的脉冲持续时间和约0.02ms至1ms的整体周期下被驱动。由于激光器在施加驱动电流脉冲时迅速升温，因此在发射频率方面发生调谐。这种调谐用于记录期望气体成分的吸收光谱。
在这种分析器中，每种气体的浓度(即体积混合比)是通过应用比尔-朗伯定律来确定的。当中红外激光源的光被发送穿过包含吸收性气体种类的气体样品时，如果光源的频率与振转跃迁的频率对应，则可以检测到该中红外激光源的光的吸收。如果气体温度、光路长度、压力和吸收横截面是已知的，则可以通过对各个吸收线进行分析拟合来确定气体浓度(混合比)。
在M.Hundt等人的“Mid-IR spectrometer for mobile,real-time urban NO2measurements(用于移动式实时城市NO2测量的中红外光谱仪)”，AMT 11,2669-2681(2018)中，证明了这种包括一个激光器的分析器其实可以用于移动测量。该分析器实际上安装在穿越苏黎世市行驶数个月的电车的车顶上。
申请人的现有的分析器以较高的质量水平运转。然而，始终存在改进的空间。
发明内容
本发明的目的是提供一种使用激光吸收光谱法并包括至少两个激光器的气体分析器，其中，该气体分析器可以以非常简单的方式进行组装和调节。
该目的通过具有权利要求1的特征的使用激光吸收光谱法的气体分析器来解决。
本发明的使用激光吸收光谱法的气体分析器设备包括激光器壳体以及至少两个激光器、优选地多达五个、六个、七个、或者甚至更多个的激光器。所述至少两个激光器安装在激光器壳体中，激光器壳体包括对用于接纳激光器的内部空间进行限定的整体式的主体以及用于将主体以密封的方式封闭的盖。激光器壳体布置在气体分析器设备的外壳体内。
在本文中，提到了激光器。在本文中，激光器应理解为发射光以用于测量的激光器。特别地，出于对准的原因，该设备可以包括附加的激光器、例如可见红光激光器。
本发明的气体分析器包括激光器壳体，该激光器壳体可以容纳至少两个激光器，优选地为QCL(量子级联激光器)、或ICL(带间级联激光器)、或TDL(可调谐二极管激光器)、或者甚至为双色QCL。在优选实施方式中，激光器壳体可以容纳多达五个QCL芯片或ICL芯片。在其他实施方式中，激光器壳体甚至可以容纳多于五个激光器、比如六个、七个、或者甚至更多个激光器。
壳体优选地包括两个、三个、四个、五个或更多个槽，这些槽优选地由壳体的底部中的螺纹孔限定，激光器安置于槽中。
激光器壳体优选地由整体式的主体制成，该主体用盖封闭。盖优选地布置在主体的顶部上。主体优选地由一个单个的块状件铣削而成。这使得该机构是坚固的以抵抗冲击和振动。
块状件和/或盖优选地由铝制成。主体优选地通过盖和密封元件、比如O形环在顶部处气密密封。
在优选实施方式中，主体或盖包括用于使用惰性气体、例如使用氩气填充壳体的内部的端口。这确保去除水蒸气，并且因此消除了水蒸气在激光器上的冷凝，水蒸气在激光器上冷凝可能会损坏激光器。
在优选实施方式中，该端口可以用于在用惰性气体填充壳体的内部之前将壳体的内部排空。
在优选实施方式中，激光器壳体的主体包括呈贯通开口形状的窗口部，窗口部布置在主体的一个侧壁中。激光器的光穿过这些窗口部离开壳体，其中，每个窗口被分配至一个激光器。沿光路的方向观察，在每个贯通开口内、或紧接在每个窗口部之前、或紧接在每个窗口部之后布置有准直或聚焦的光学器件、比如至少一个透镜。优选地，所述至少一个透镜于外侧布置在每个窗口部前方。
优选地，透镜的位置可以在x-y-z方向上进行调节。这使得易于进行光学对准。由于透镜安装至主体，因此透镜可以在这些装置布置在分析器设备的外壳体内之前与激光器共对准。如果使用可见光激光器、比如红光激光器，则这些可见光激光器也可以布置在激光器壳体内，这有助于对准过程。可见光激光器和测量激光器——测量激光器通常为IR激光器——可以在将激光器置于分析器壳体中之前在激光器壳体中共对准。这使得整个设备的组装更容易，并且因此降低了生产成本。另外，该机构可以更坚固以抵抗冲击和振动，并且由于整个激光器壳体可以作为整体进行更换，因此在维修时也更易于更换激光器。
在优选实施方式中，各个激光器置于主体内的散热器上。散热器优选地由铜制成，并且优选地是温度控制的。温度控制可以通过珀尔帖(Peltier)元件建立。所使用的不同元件的线材、比如用于温度传感器、珀尔帖元件和激光器的线材优选地通过气密的馈通件进入壳体。根据实施方式，馈通件布置在盖中。在其他实施方式中，馈通件也可以布置在主体中。
本发明的激光器壳体优选地在于本文中所要求保护的本发明的气体分析器设备中使用，特别是与下面提及的多通池和/或镜保持器组合使用。然而，本发明的激光器壳体也可以在申请人的已知的气体分析器设备或其他种类的气体分析器设备中使用、特别是在使用散光Herriott型的多通池的分析器上使用。
当用于测量的仪器的光源——通常为激光器——在每次启动时被调谐至完全相同的振转吸收线时，并且当该仪器的光源在测量期间完全保持在这个发射频率(波长)时，气体混合比例的准确性和可重复性以及分析器的用户友好性可以得到改善。另外，如果该仪器具有在拟合失败的情况下找到正确的光谱特征的能力，则这是有利的。
根据环境参数比如温度以及根据激光器装置的漂移，以给定频率进行发射所需的激光器温度可能会发生变化。现有技术的分析器试图控制激光器温度。然而，这不足以在从一个仪器启动到另一个仪器时再现完全相同的吸收光谱，因为激光器频率通常与先前测量期间的激光器频率不完全相同，并且因此光谱中的受关注的吸收线的位置可能会发生变化。
在关闭和重新启动之后，光谱可能会发生偏移，并且振幅可能会减小或增大。
因此，本发明的目的是提供一种方法，该方法使得能够实现气体分析器的优化的但时间相当短的启动。
该目的通过根据权利要求15所述的方法来实现。
当对具有新的激光器的仪器进行设置或者在关机后重新启动仪器时，可能仅模糊地知晓激光器的调谐范围的绝对位置。另外，调谐本身以及调谐范围对激光器温度的依赖基本上是非线性的。为了确定目标光谱范围，使用例如HITRAN数据库进行光谱指纹识别(参见Journal of Quantitative Spectrocopy and Radiative Transfer(定量光谱学和辐射传输杂志)，第203卷，2017年12月，第3页至第69页，Elsevier)。
本发明的方法得益于两个实验观察结果/事实：
-激光器根据时间的相对调谐可以使用标准具来确定。在大多数情况下，调谐的激光器温度依赖性——通常是非线性的——在典型的吸收线位置偏差内较小，并且因此对相对调谐的单一测定足以进行指纹识别。
-激光器的作为时间的函数的功率输出(P(t))/电流(P(I))的“形状”的温度依赖性优选地较小。然而，由光电二极管检测到的绝对功率可能会随着温度显著变化，并且有时在仪器关闭/重新启动之后由于迄今为止尚未完全理解的原因而可能发生显著变化。在其他情况下，振动会引起光学器件的较小的不对准，这也会导致检测到的绝对功率的变化，但是该绝对功率的形状不随时间变化。
本发明的算法为非线性回归提供了足够良好的起始值，通过该起始值可以确定吸收线的“强度”，并且最终可以确定测量池中相应气体的浓度。
本发明的方法包括下述步骤：
1.对“基本激光器功率(bare laser power)”(在本文中被称为P*(t)，其中，t代表时间)进行适当推测，
“基本激光器功率”的与实验数据相适应的最小二乘回归将始终跨越吸收线，并且被证明总体上不具有足够的质量。
然而，信噪比足够大，使得“接触”到从上面得到的实验数据的下述函数是良好的近似计算。
Figure BDA0004143496000000061
P设置(t)表示在先前的设置步骤中或通过一些其他手段确定的“先前的基本激光器功率”。
f实验(t)是在该测量时段中测量到的实验光谱数据，并且也被称为检测光谱。
Min是P设置(t)和f实验(t)的差的最小值。
由此得出：
在图12a(步骤1)所示的特定示例中，P*(t)≈2/3·P设置(t)。
2.将检测光谱(透射光谱)归一化：
Figure BDA0004143496000000062
f实验(t)除以P*(t)，得到实验光谱的归一化f归一化(t)。
3.计算实验吸光度A实验(t)＝-ln(f归一化(t))
透射率f归一化(t)随着浓度的增加而以指数方式减小。因此，这种非线性将导致随后的互相关失真，并且因此通过取对数(即ln)来固定。
4.使用相应的调谐曲线将实验吸光度A实验(t)转化为“频率等间距的”吸光度A(ν)，其中，ν是激光的频率。
为了通过互相关来识别“光谱指纹”并因此获得所调查的光谱窗口的绝对频率位置，f实验(t)的数据点在频率空间中必须是等间距的。
5.对吸光度A(ν)进行求导：A'(ν)＝dA/dν
“基本激光器功率”P*(t)的形状的变化可能导致明显的“虚信号振幅”。然而，由于“基本激光器功率”的频率含量比吸收线低得多，因此使用导数显著提高了算法的鲁棒性。根据本发明所要求保护的，导数A'(ν)和A'Hitran(ν)是相关的。A'Hitran(ν)表示模拟吸光度基于HITRAN数据库的导数或例如在HITRAN中不包括这些种类的情况下基于定制数据库的导数。
这是用于边缘检测/模式识别的程序，但是该步骤在本文的背景下是新的。导数中的噪声会明显增大。然而，这种噪声此后通过互相关而减小，因为与实验数据相关的理论上计算出的吸光度AHitran(ν)是无噪声的。
6.执行互相关C(ν)：
C(ν)＝A′(ν)＊A′Hitran(ν)
7.定位互相关的最大值Max(C(ν))，以获得所检测的光谱的实验数据集f实验(t)的绝对频率v绝对(t)。
8.根据基于Hitran数据计算的光谱或根据定制数据库——例如在HITRAN中不包括这些种类的情况下——对f实验(t)进行非线性回归。在这种拟合中，仅对“基本激光器功率”参数以及浓度(吸收线的强度)进行拟合，而绝对频率v绝对(t)则保持固定，设置为在相关步骤7中确定的位置。所使用的来自定制数据库的数据优选地是在相同或类似的实验条件下产生的。
9.使用找到的绝对频率ν绝对(t)、“基本激光器功率”P*(t)的浓度和参数作为进一步拟合的起始参数。通过这种非线性回归，由此确定了吸收线的透射率，并且最终确定了测量池中的相应气体的浓度。
图12a至图12f示出了对启动算法进行说明的图表。
由于理论上计算出的模式的范围仅受计算机内存的限制，因此上述程序用作下述两者：仪器在关机后的重启功能，在这种情况中，测量到的目标吸收线仍然在实验扫描的频率范围内；以及用于新的激光器的表征，在这种情况中，由激光器覆盖的频率范围更加不确定，即在这种情况中需要真正的“指纹识别”。
这种启动算法优选地在于本文中所要求保护的本发明的气体分析器设备中使用。然而，这种启动算法也可以在申请人的已知的气体分析器设备或其他种类的气体分析器设备中使用、特别是在使用直接激光吸收光谱法的分析器中使用。
本发明的另一目的是提供一种具有改进的测量精度、准确度、可靠性和用户友好性的气体分析器。
该目的通过具有权利要求16的特征的使用激光吸收光谱法的气体分析器来解决。
本发明的使用激光吸收光谱法的气体分析器包括具有池本体、前镜保持器和后镜保持器的多通池，其中，池本体具有主管，主管具有用于接纳待分析的气体的内部空间，并且其中，池本体具有用于将气体导引到该内部空间中的气体入口以及用于将气体导引出该内部空间的气体出口。主管由玻璃制成，并且气体入口和气体出口也由玻璃制成。
现有技术中的多通池有时由金属、例如钢或铝制成。大多数的多通池包括与金属的气体入口和金属的气体出口组合的玻璃管、以及金属的镜保持器。
已经发现，特别地，一些气体不能以足够的精度进行测量。还已经发现，金属的气体入口和气体出口会导致吸附“粘性”分子或活性分子、比如NO2、NH3或H2O，这将减慢池的气体吞吐量，并且因此增加仪器的时间响应，或者甚至由于金属表面上发生的化学反应而改变测量结果。
本发明的分析器包括多通池，该多通池具有由玻璃制成的池本体、以及由玻璃制成的气体入口和气体出口。优选地，池本体通过玻璃吹制制成，由此通过熔接而将预制的气体入口和气体出口附接至池本体的主玻璃管。优选地，池本体完全由玻璃构成。在优选实施方式中，使用派热克斯玻璃(Pyrex glass)，因为这种玻璃的热膨胀率较低。
由于入口和出口由玻璃制成，因此采样气体与金属表面的相互作用被减小至最低限度，并且因此仪器的上升时间和下降时间减少，以实现快速采样。
优选地，气体入口和气体出口定形状为管状。优选地，气体入口和气体出口具有圆筒形形状。因此，通向气体分析器设备的入口和出口的连接管可以容易地安装。优选地，这些管由PTFE(聚四氟乙烯)或PFA(全氟烷氧基烷烃)或其他适当的材料制成。
这种完全由玻璃制成的多通池本体、入口和出口的整体布置也降低了生产成本。
在优选实施方式中，镜保持器由铝制成。
包括本发明的多通池的分析器设备可以包括用于测量的一个或更多个激光器。
另外，将使用直接激光吸收光谱法和散光Herriott型的多通池的分析器对准是相当困难的，因为这种分析器需要仔细调节镜的旋转、Z轴位置和倾斜角度。
本发明的另一目的是提供一种使用激光吸收光谱法的气体分析器、特别是使用散光Herriott池的分析器，该气体分析器可以以非常简单的方式进行组装和对准。
该目的通过具有权利要求28的特征的使用激光吸收光谱法的气体分析器来解决。
本发明的使用激光吸收光谱法的气体分析器设备包括具有前镜保持器和后镜保持器的光学样品池、比如长路径池或多通池。后镜保持器包括后镜和用于对后镜进行调节的调节器件。调节器件包括杠杆臂部，该杠杆臂部能够通过微型螺钉的运动而围绕光学样品池的纵向中轴线旋转，微型螺杆可以沿与光学样品池的纵向中轴线垂直的方向移动。
因此，本发明的镜保持器除了具有使得镜能够在XOZ平面和YOZ平面具有倾斜角度的典型的镜安装件调节装置之外，还具有用于对镜围绕z轴的旋转和沿着z轴的平移进行精确控制的机械结构。由于该结构包括可以由微型螺钉精确推动的弹簧保持式杠杆臂部，因此使调节简单化。特别地，镜可以相对于四个自由度进行精确且独立的调节。
本发明的镜保持器优选地在于本文中所要求保护的本发明的气体分析器设备中使用，特别是与上面提及的多通池和/或下面提及的激光器壳体组合使用。然而，本发明的镜保持器也可以在申请人的已知的气体分析器设备或其他种类的气体分析器设备中使用，特别是在包括散光Herriott型的多通池的分析器上使用。
如在引言部分中提及的，大多数的基于激光器的气体分析器仅包括一个激光器装置。在使用若干个激光器装置的情况下，这些激光器被封装在独立的壳体或激光器模块中。将若干个单个激光器装置独立地封装会导致笨重的光学机构并增加用于激光器的对准的工作量。
本发明的其他实施方式在从属权利要求中列出。
附图说明
下面参照附图对本发明的优选实施方式进行描述，这些附图是出于说明本发明的本优选实施方式的目的，而不是出于限制本发明的本优选实施方式的目的。在附图中，
图1示出了根据本发明的气体分析器设备的示意图；
图2示出了具有根据图1的气体分析器的内部元件的气体分析器系统的示意图；
图3示出了根据本发明的多通池的立体图；
图4示出了根据图3的多通池的侧视图；
图5示出了根据图3的多通池的一部分的分解图；
图6示出了根据图3的多通池的一部分的另一分解图；
图7示出了根据图3的多通池的一部分；
图8示出了根据图3的多通池的一部分的偏心地截取的纵向截面图；
图9示出了根据本发明的激光器壳体的分解图；
图10示出了根据图9的激光器壳体的局部纵向截面图；
图11示出了根据图9的激光器壳体的横截面图；
图12a至图12f为示出了启动算法中的步骤的图表，以及
图13为启动算法的流程图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的气体分析器设备的示意图。优选地，该气体分析器设备基于申请人的已经在市场上销售的设备，优选地在适用的情况下且在不被本发明的部分和方法代替的情况下包括此设备的部件。
该设备包括外壳体1，外壳体1具有显示器10和至少一个风扇11。根据实施方式，显示器10也可以是触摸屏，并且可以用作机器用户界面。在于图1中不可见但于图2中可见的后侧部上，具有带有插头连接部和电源开关的电子接口13、第一冷却剂端口140、第二冷却剂端口141、第一端口150、第二端口151和第三端口152。
如在图2中可以看到的，本发明的气体分析器优选地在一个单个壳体1中包括两个部段，其中，这两个部段优选地由分隔壁12或内部封围件分开。
第一部段形成光学部分，第二部段形成电子部分。
光学部分包括多通池、光电探测器5、激光器壳体6以及偏转镜7，多通池具有池本体2、前镜保持器3和后镜保持器4。光路在图2中用附图标记L标记。这些光学元件优选地安装在一个单个基板上，所述单个基板优选地以减震的方式固定至壳体的底部。所述单个基板优选地由碳纤维或铝制成。所述单个基板在图中未示出。
气体分析器设备的光学部分能够连接至优选地为膜真空泵的外部抽吸泵90、以及优选地为水冷却器的冷却装置91。气体分析器设备、泵90和冷却装置91形成气体分析器系统。在该系统中也可以存在有附加的部分。
第一外部冷却剂管线910将冷却的流体或温热的流体、优选地水或另一液体冷却剂导引至第一冷却剂端口140。第一内部冷却剂管线912将冷却的流体引导至激光器壳体6，第二冷却剂管线913从激光器壳体6通向第二冷却剂端口141并通过第二外部冷却剂管线911通向冷却装置91。流体通常经由专门的通道而被导引通过整体式激光器壳体的基部。优选地，冷却装置91也用于对气体分析器设备的其他部分和元件进行冷却。
多通池优选地为Herriott型的散光多通池，优选地具有数米至数十米、或者甚至数百米的吸收路径范围。
多通池的池本体2包括气体入口21和气体出口22。气体入口21通过入口管线902连接至阀903。阀903优选地为三通阀、例如电磁阀。阀903可以在第一气体管线904与冲洗管线905之间进行切换，所述两个管线分别连接至第二端口151和第一端口150。
池本体2的气体出口22通过第二气体管线906连接至第三端口152，该第三端口152通过外部抽吸管线901通向抽吸泵90。
待分析的气体样品通过第二端口151进入设备，并且由抽吸泵90抽吸通过多通池。优选地，测量速率选择成使得该测量速率与多通池气体交换率相当或比多通池气体交换率大。
气体可以是混合气体，并且该混合气体的多种组分可以被测量。
通过切换阀903，可以使池本体填充有具有已知浓度的参考气体或非吸收性的“零”气体(如例氮气)以进行自动校准和偏移校正。
激光器壳体6包括至少一个、优选地至少两个激光器。从激光器发射的激光由偏转镜7引导通过前镜中的孔进入池本体2，该前镜布置在前镜保持器3中。激光在该激光再次通过前镜的孔离开多通池之前会多次通过池本体2。然后，该激光被光电探测器5探测到。该探测器优选地为基于MCT的或基于铟砷锑(InAsSb-based)的光电式红外探测器。
至少光电探测器5和激光器壳体6的激光器与设备的电子部分连接。该电子部分优选地包括数据获取装置(DAQ)80、数据处理装置81和驱动电子器件82。优选地，抽吸泵90和冷却装置91也由设备的电子部分控制，或者抽吸泵90和冷却装置91至少分别接收来自彼此的数据以及/或者将数据发送至彼此。电子部分优选地包括用于激光器中的每个激光器的主动式温度控制元件。DAQ优选地为基于FPGA的数据获取系统，以对由探测器5探测到的吸收信号进行记录。数据处理装置81处理、控制、存储并显示数据。
一般而言且除了一些例外，气体分析器系统的这些主要部分在现有技术中是已知的。
然而，根据本发明的设备的池本体2包括由玻璃制成的主管20、以及同样由玻璃制成的气体入口21和气体出口22(参见图3)。主玻璃管20限定了用于接纳待分析的气体的内部空间。优选地，主玻璃管20具有长形圆筒形形状。气体入口21和气体出口22具有管状形状、优选地也呈圆筒形形式。优选地，气体入口21和气体出口22靠近池的前镜和后镜布置在主玻璃管20的侧向表面上。优选地，气体入口21和气体出口22垂直于主玻璃管20的纵向轴线延伸。优选地，入口和出口两者均沿相同方向延伸。在其他实施方式中，入口和出口垂直于彼此或相对于彼此成角度地延伸。
如在图8中可以看到的，气体出口22直接固定至主玻璃管20，使得池本体2的这一部分仅包含玻璃，而不包含其他材料，甚至不包含一些粘合剂。这同样适用于气体入口21以及主玻璃管20的围绕气体出口22的区域。优选地，主玻璃管20、气体入口21和气体出口22由玻璃制造为单个工具，并且随后通过玻璃吹制而将气体入口21和气体出口22固定至主玻璃管20。
如在图5和图8中可以看到的，主玻璃管20的前部面和后部面23优选地为平面，并且不包括螺纹或任何其他部分。
气体入口21和气体出口22优选地布置在距主玻璃管的前部面和后部面23一定距离处。
本发明的多通池包含最少的金属。优选地，仅镜涂覆有金属，并且镜保持器至少部分地由金属制成。优选地，保持器的金属表面位于镜的后侧，使得在不断穿过池进行冲洗的情况下，采样效果得到改善。
前镜保持器3未详细示出。前镜保持器3包括：至少一个安装环，所述至少一个安装环优选地由铝制成并具有窗口部；以及前镜，该前镜具有用于使激光束进入和离开池的孔。优选地，前镜保持器3如现有技术中已知的那样定形状，并且因此不必进行详细描述。优选地，为了简单起见，前镜优选地是固定且不可调节的。
图5至图8示出了本发明的气体分析器设备的特殊的后镜保持器4。图5在其左侧示出了主玻璃管20的具有后部面23和气体出口22的后端部部分。紧邻后部面23具有第一安装环40。第一安装环40包括中心贯通开口401，该中心贯通开口401的直径与主玻璃管20的外径几乎相同、或者大于主玻璃管20的外径。如在图8中可以看到的，第一安装环40环绕主玻璃管20的后端部。
第一安装环40包括用于将第一安装环40固定至第二安装环41的固定开口400。第二安装环41的另一侧部旋拧有第三安装环44。第三安装环44旋拧有端件49。
第二安装环41在第一安装环40后方，第二安装环41优选地比第一安装环40厚。第二安装环41包括中心贯通开口411和位于两个侧部上的固定开口。图5中示出了与第三安装环44固定的固定开口410。
如在图8中可以看到的，第二安装环41包括周向内部台阶部412，该周向内部台阶部412由主玻璃管20的后端面23抵接。在第一安装环40与第二安装环41之间布置有密封环413。当环40按压环41时，玻璃管由这些O形环密封。为了将这些环固定至玻璃管边缘，玻璃管被排空。在其他实施方式中，使用了沿着玻璃管延伸并将前镜保持器和后镜保持器固定的条状件。
下一个部分包括若干个物件，所述若干个物件在图6中更详细地示出。该部分形成了具有安装环44以及调节器件、特别是一些微型螺钉470、471、472和杠杆臂部460的基础镜保持器，该基础镜保持器将后镜42安装至池本体2。
在图6中，改变了观察的方向。这意味着在图5中位于左侧的元件现在于图6中布置在右侧。
该部分包括后镜42，该后镜42优选地对由激光器提供的波长具有高反射性。镜42固定至具有中心开口421的杆420。杆420通过使用该开口421而旋拧有杠杆臂本体46，稍后将在文中对该杠杆臂本体46进行描述。用于接纳将杠杆臂本体46固定至杆420所需的固定螺钉的开口具有附图标记463。
杆420穿透导引元件43，导引元件43保持并引导杆420。导引元件43包括主体431，该主体431具有用于接纳杆420的中心贯通开口432以及指向杆420的凸缘430。凸缘430具有布置在该凸缘430的外周上的一些固定开口433。凸缘430包括径向向外延伸的三个臂部。每个臂部包括用于接纳第一微型螺钉470的自由端部的凹入部434。优选地，具有三个第一微型螺钉470。
可以对凸缘430的每个臂部施加单独的压力，该压力随后可以使杆420沿着X轴和Y轴倾斜，并且因此可以使镜42沿着X轴和Y轴倾斜。
导引元件43的主体431穿透布置在第三安装环44中的中间环440的中心贯通开口445。中间环440和第三安装环44由一个单件制成。如在图8中可以看到的，在图6中看到的周向边沿用于保持密封环446、即O形环。在第三安装环44的另一侧部上具有另一密封环447。
第三安装环44包括外固定贯通开口441，该外固定贯通开口441与第二环41的固定开口410相匹配，使得第三安装环44可以通过螺钉固定至第二安装环41和主玻璃管20。第三安装环44还包括呈螺纹孔形式的外固定开口444，以用于固定稍后在文中描述的盖49。中间环440包括用于固定微型螺钉保持器48的内固定开口442和微型螺钉开口443。
在中间环443的中心贯通开口445内布置有内环451。内环451固定至导引元件43的主体431。设置有与导引元件43的固定开口433对应的固定贯通开口454。由于用于在文中提及的所有其他固定开口的螺钉未被示出，因此这些固定部所需的螺钉未在图中示出。内环451也包括中心贯通开口453。如在图8中可以看到的，该开口被后镜42的杆穿透。
在内环451与作为第三安装环44的一部分的中间环440的内凸缘448之间布置有第一弹簧450。如在图6和图8中可以看到的，第一弹簧450围绕导引元件43的主体431布置。第一微型螺钉470延伸穿过中间环440的本体，这在图8的截面图中不可见。第一弹簧450将导引元件43朝向第一微型螺钉470推动。
在内环451的另一侧布置有具有突出的杠杆臂部460的杠杆臂本体46。杠杆臂本体46具有筒形形状，并且包括供杆420延伸进入的盲孔。这可以在图6和图8中看到。在杠杆臂本体46的盲孔内，杆420由第二弹簧452环绕。第二弹簧452具有两个功能。第二弹簧452将镜组件朝向第三微型螺钉472推动，并且第二弹簧452提供旋转力，使得杠杆臂部推动第二微型螺钉471。
如在图6中可以看到的，内环451包括用于固定第二弹簧452以防止第二弹簧452自由旋转的狭缝455。杠杆臂本体46围绕样品池的纵向轴线的旋转运动导致镜42的杆420的旋转运动。杠杆臂本体46的旋转运动是由第二微型螺钉471沿垂直于池本体2的纵向轴线的方向推动杠杆臂部460引起的。杠杆臂本体46的旋转运动用于后镜42的z轴旋转调节。
后镜42沿着池本体2的纵向轴线、即沿着z轴的平移调节是通过作用于杠杆臂本体46的前部面461的第三微型螺钉472的运动来执行的。这样，后镜43可以通过使用独立的调节器件、即使用微型螺钉470、471、472的平移和旋转运动来调节。特别地，z轴的旋转调节和沿着z轴的平移可以独立于x轴、y轴的旋转调节而进行。
返回至图5，现在可以更好地理解在图6中以分解图示出的形成基础镜保持器的组装部分。该组装的基础镜保持器可以作为一个单件附接并固定至第二安装环41，并且因此附接并固定至池本体2。如在图5和图8中可以看到的，杠杆臂本体46由微型螺钉保持器48包围。微型螺钉保持器48包括带有筒形形状并具有孔的主体480。围绕孔具有带有固定贯通开口482的凸缘481。
沿着纵向轴线到盲孔中延伸有中心微型螺钉开口483，并且沿径向方向到微型螺钉保持器的主体480中延伸有侧向微型螺钉开口484。微型螺钉保持器48保持第二微型螺钉471和第三微型螺钉472。
三个第一微型螺钉470定位于微型螺钉保持器48的凸缘481的一些凹入部485内，并且独立于该保持器48。
微型螺钉保持器48的主体480中的凹部486使得杠杆臂部460能够进行移动。
本发明的后镜保持器4包括端件49。端件49具有带有筒形形状和盲孔的主体492。呈电馈通件形式的传感器端口493允许对池内部的温度进行测量。
包括固定贯通开口491的凸缘490朝向池本体2指向。凸缘490可以固定至第三安装环44，因为固定贯通开口491对应于第三安装环44的外固定开口444。盲孔具有台阶部。具有较大内径的部分包围微型螺钉保持器48，具有较小内径的部分容纳中心微型螺钉483。这种布置允许减少可能捕获气体的死体积。
如在图5中可以看到的，后镜保持器4可以容易地安装和拆卸以进行清洁。重新调节非常容易操纵。如果在操作之前或在操作期间必须进行重新调节，则可以容易地将端件49移除，并且调节所需的所有微型螺钉470、471、472均易于触及。图7示出了端件49被移除时的情形。
图9至图11示出了本发明的气体分析器设备的激光器壳体6。该壳体包括主体61和盖60。主体61优选地具有在顶部处敞开的方形盒子或带有类似形状的类似盒子的形状。主体61优选地由一个单个块状件铣削或切割而成。主体61和/或盖60优选地由铝制成。壳体6优选地在盖60与主体61之间使用密封元件、比如使用周向的O形环进行气密密封。该密封元件在图中未示出。盖60优选地以可移除的方式固定至主体61。
主体61包括用于与冷却剂管线912、913连接的冷却端口67。主体61的底部定形状成使冷却流体循环流动通过这些端口67。
主体61的长侧壁上包括呈贯通开口形式的窗口部610。主体61在每个窗口部610的前方固定有透镜安装件62。优选地，透镜安装件旋拧至主体61，或者以其他可移除的方式安装至主体61。每个透镜安装件62将至少一个透镜63保持在自身的孔620内，透镜优选地能够通过一些螺钉或通过任何其他种类的已知调节手段进行调节。
在主体61的内部，具有至少两个槽或安置部以接纳激光器，此处具有五个槽。也可以具有其他数量的槽。对于每个槽或安置部，在主体61的底部上布置有温度控制元件64、优选地为珀尔帖元件。
在每个温度控制元件64上布置有散热器65、比如铜板。散热器65承载激光器66、优选地为QCL(量子级联激光器)、ICL(带间级联激光器)或TDL(可调谐二极管激光器)。
每个激光器66都是单独驱动的。将激光器66与电子元件和电源连接并且因此离开激光器壳体6的线材未被示出。这些线材优选地穿过盖60、或者穿过主体61的后壁。对应的孔优选地是密封的，例如这些连接件粘合至壳体。
本发明的气体分析器设备优选地使用与针对激光器的预定温度有关的启动算法，其中，已知激光器优选地接近确切的工作波长。一旦激光器达到该温度，则将激光器打开并记录光谱。
如果激光器的发射频率偏离了上次运行时的发射频率，则还可以改变激光器的发射强度(基线)。由于新记录的光谱包含一些吸收线，因此阻碍了对基线的直接测量。尽管典型的激光器会发生漂移，但是发射强度的形状几乎保持相同。这有助于通过下述方式找到新的基线：对前次运行的基线进行尺度改变，使得其“接触”从上面新测得的光谱。这允许将实验光谱重新计算为吸光度。然后，所得出的吸光度的导数与HITRAN模拟的吸光度的导数的互相关决定了先前存储的吸收线位置(拟合参数)与新的线位置之间的频率偏移。调整拟合函数的吸收线位置以开始对吸收线进行拟合。因此得出了新的起始拟合参数，并且受关注的线得以成功地拟合。
一旦吸收线经过拟合，则软件会给出反馈，以调节激光器的散热器温度，从而使吸收线位置移动至原始位置。
该程序实现了稳健的自动启动以及可重复的(并且因此准确的)拟合结果。该程序还允许在拟合丢失、例如由于信号过低/过高或仪器漂移而发生拟合丢失之后自动“找回”吸收线。
该程序对于仪器中的所有激光器都是(在几秒内)依次执行的。
图13示出了本发明的启动算法的流程图，该启动算法在本文的发明内容部分中更详细地说明。图12a至图12f图示了示出启动算法中的步骤的图表，这些步骤在本文的发明内容部分中更详细地提及。
本发明的气体分析器可以以非常简单的方式进行组装和调节。该气体分析器还使得能够实现一种提供了对多种气体的准确且精确的测量并且非常易于操作的紧凑的装置。本发明的启动方法是改进操纵和提高准确性的一个要素。
附图标记列表
1 分析器壳体
10 显示器
11 风扇
12 分隔壁
13 电子接口
140 第一冷却剂端口
141 第二冷却剂端口
150 第一端口
151 第二端口
152 第三端口
2 多通池
20 主管
21 气体入口
22 气体出口
23 后部面
3 前镜保持器
4 后镜保持器
40 第一安装环
400 固定开口？？？
401 中心贯通开口
41 第二安装环
410 固定贯通开口
411 中心贯通开口
412 台阶部
413 密封环
42 后镜
420 杆
421 中心开口
43 导引元件
430 凸缘
431 主体
432 中心贯通开口
433 固定开口
434 凹入部
44 第三安装环
440 中间环
441 外固定贯通开口
442 内固定开口
443 微型螺钉贯通开口
444 外固定开口
445 中心贯通开口
446 密封环
447 密封环
448 内凸缘
450 第一弹簧
451 内环
452 第二弹簧
453 中心贯通开口
454 固定贯通开口
455 狭缝
46 杠杆臂本体
460 杠杆臂部
461 前部面
463 固定孔
470 第一微型螺钉
471 第二微型螺钉
472 第三微型螺钉
48 微型螺钉保持器
480 主体
481 凸缘
482 固定贯通开口
483 中心微型螺钉开口
484 侧向微型螺钉开口
485 凹入部
486 凹部
49 端件
490 凸缘
491 固定贯通开口
492 主体
493 传感器端口
5 光电探测器
6 激光器壳体
60 盖
61 主体
610 窗口部
62 透镜安装件
620 孔
63 透镜
64 温度控制元件
65 散热器
66 激光器
67 冷却端口
7 偏转镜
80 数据获取装置(DAQ)
81 数据处理装置
82 驱动电子器件
90 抽吸泵
901 外部抽吸管线
902 入口管线
903 阀
904 第一气体管线
905 冲洗管线
906 第二气体管线
91 冷却装置
910 第一外部冷却剂管线
911 第二外部冷却剂管线
912 第一内部冷却剂管线
913 第二内部冷却剂管线
L 光路

Claims (28)

1.一种使用激光吸收光谱法的气体分析器设备，其中，气体分析器包括激光器壳体(6)以及至少两个激光器(66)、优选地多达五个、六个或七个激光器(66)，其中，所述至少两个激光器(66)安装在所述激光器壳体(6)中，并且其中，所述激光器壳体(6)包括对用于接纳激光器(66)的内部空间进行限定的整体式的主体(61)以及用于将所述主体(61)以密封的方式封闭的盖(60)，其中，所述激光器壳体(6)布置在所述气体分析器设备的外壳体(1)内。
2.根据权利要求1所述的气体分析器设备，其中，所述激光器壳体(6)包括侧壁，所述侧壁具有用于每个激光器(66)的贯通开口(610)，并且其中，在所述激光器壳体(6)上于这些贯通开口(610)中的每个贯通开口处安装有包括至少一个透镜(63)的透镜安装件(62)。
3.根据权利要求1或2中的一项所述的气体分析器设备，其中，所述至少两个激光器为量子级联激光器(QCL)、带间级联激光器(ICL)、可调谐二极管激光器(TDL)、双色量子级联激光器中的至少一者。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的气体分析器设备，其中，所述激光器壳体包括至少两个槽，所述至少两个槽由所述激光器壳体的底部中的螺纹孔限定，激光器安置于所述至少两个槽中。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的气体分析器设备，其中，所述盖布置在所述主体的顶部上。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的气体分析器设备，其中，所述主体由一个单个的块状件铣削而成。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的气体分析器设备，其中，所述块状件和/或所述盖由铝制成。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的气体分析器设备，其中，所述主体或所述盖包括端口，所述端口用于使用惰性气体填充壳体的内部。
9.根据权利要求8所述的气体分析器设备，其中，所述端口能够用于在使用所述惰性气体填充所述激光器壳体的内部之前将所述激光器壳体的内部排空。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的气体分析器设备，其中，所述主体包括呈贯通开口形状的窗口部，所述窗口部布置在所述主体的一个侧壁中，其中，每个窗口部被分配至一个激光器。
11.根据权利要求10所述的气体分析器设备，其中，所述主体安装有准直或聚焦的光学器件，所述光学器件被分配至每个贯通开口，并且其中，所述光学器件能够沿x-y-z方向进行调节。
12.根据权利要求1至11中的任一项所述的气体分析器设备，其中，所述主体包括散热器，并且其中，每个激光器置于所述散热器中的一个散热器上。
13.根据权利要求12所述的气体分析器设备，其中，所述散热器是温度控制的。
14.根据权利要求1至13中的任一项所述的气体分析器设备，其中，所述气体分析器包括散光Herriott型多通池或非散光Herriott型池。
15.一种用于对使用激光吸收光谱法的气体分析器设备、特别是对基于直接激光吸收光谱法的气体分析器设备进行启动的方法，所述方法包括以下步骤：
-使用设置参数计算对于“基本激光器功率”的适当推测，
-将检测到的光谱归一化，
-计算实验吸光度，
-将基于时间的吸光度转换为基于等间距的频率的吸光度，
-计算频率等间距的吸光度的导数，
-找到实验数据与“HITRAN”光谱或基于定制数据库的互相关的最大值，以找到绝对频率，
-使用找到的绝对频率作为起始参数来对检测到的光谱进行非线性回归，由此获得用于随后的非线性回归的新的起始值。
16.一种使用激光吸收光谱法的气体分析器设备，其中，气体分析器包括具有池本体(2)、前镜保持器(3)和后镜保持器(3)的多通池，其中，所述池本体(2)具有主管(20)，所述主管(20)具有用于接纳待分析的气体的内部空间，并且其中，所述池本体(2)具有用于将所述气体导引到所述内部空间中的气体入口(21)以及用于将所述气体导引出所述内部空间的气体出口(22)，其中，所述主管(20)由玻璃制成，其特征在于，所述气体入口(21)和所述气体出口(22)由玻璃制成。
17.根据权利要求16所述的气体分析器设备，其中，所述池本体(2)完全由玻璃制成。
18.根据权利要求16或17中的一项所述的气体分析器设备，其中，所述气体入口(21)和/或所述气体出口(22)定形状为管状。
19.根据权利要求16至18中的一项所述的气体分析器设备，其中，所述气体入口(21)和/或所述气体出口(22)通过熔接而附接至所述主管(202)。
20.根据权利要求16至19中的一项所述的气体分析器设备，其中，所述气体入口(21)和/或所述气体出口(22)布置在距所述前镜保持器(3)和所述后镜保持器(4)一定距离处。
21.根据权利要求16至20中的一项所述的气体分析器设备，其中，所述后镜保持器(4)包括后镜(42)和用于对所述后镜(42)进行调节的调节器件(460，470，471，472)，其中，所述调节器件包括杠杆臂部(460)，所述杠杆臂部(460)能够通过微型螺钉(471)的运动而绕所述多通池(2)的纵向中轴线旋转，所述微型螺钉(471)能够沿与所述多通池(2)的纵向中轴线垂直的方向移动。
22.根据权利要求21所述的气体分析器设备，其中，所述杠杆臂部(460)布置在杠杆臂本体(46)上，所述杠杆臂本体(46)能够独立于旋转运动通过另一微型螺钉(472)的运动而沿与所述多通池(2)的纵向中轴线平行的方向平移，所述另一微型螺钉(472)能够沿与所述多通池(2)的纵向中轴线平行的方向移动。
23.根据权利要求21或22中的一项所述的气体分析器设备，其中，所述后镜保持器(4)包括：安装环(44)；导引元件(43)；杆(420)，所述杆(420)附接至所述后镜；杠杆臂本体(46)，所述杠杆臂本体(46)具有从所述杠杆臂本体(46)径向延伸的杠杆臂部(460)；第一微型螺钉(470)；第二微型螺钉(471)；以及第三微型螺钉(471)，
其中，所述安装环(44)接纳所述导引元件(43)，
其中，所述导引元件(43)接纳所述杆(420)，所述导引元件(43)具有凸缘(430)，所述凸缘(430)包括各自用于由所述第一微型螺钉(470)中的一个第一微型螺钉接触的凹入部(434)，
其中，所述杠杆臂本体(46)具有接纳所述镜(42)的所述杆(420)的盲孔，
其中，所述第二微型螺钉(471)作用在所述杠杆臂部(460)上，以使所述杠杆臂部(460)绕所述纵向中轴线旋转，并且
其中，所述第三微型螺钉(472)作用在所述杠杆臂本体(46)的前部面(461)上，以便使所述镜(42)的所述杆(420)沿着所述纵向中轴线移动。
24.根据权利要求23所述的气体分析器设备，其中，所述后镜保持器(4)包括微型螺钉保持器(48)，所述微型螺钉保持器(48)用于保持所述第二微型螺钉(471)和所述第三微型螺钉(472)、用于接纳所述杠杆臂本体(46)、并且用于与所述杠杆臂本体(46)一起附接至所述安装环(44)，其中，所述微型螺钉保持器(4)具有用于允许所述杠杆臂部(460)的旋转运动的凹部(486)。
25.根据权利要求16至24中的一项所述的气体分析器设备，其中，所述气体分析器设备包括激光器壳体(6)以及至少两个激光器(66)、优选地多达五个、六个或七个激光器(66)，其中，所述至少两个激光器(66)安装在所述壳体(6)中，并且其中，所述壳体(6)包括对用于接纳激光器的内部空间进行限定的整体式的主体(61)以及用于将所述主体(61)以密封的方式封闭的盖(60)。
26.根据权利要求25所述的气体分析器设备，其中，所述激光器壳体(6)包括侧壁，所述侧壁具有用于每个激光器(66)的贯通开口(610)，并且其中，在所述激光器壳体(6)上于这些贯通开口(610)中的每个贯通开口处安装有包括至少一个透镜(63)的透镜安装件(62)。
27.根据权利要求16至26中的一项所述的气体分析器设备，其中，所述气体分析器包括散光Herriott型多通池或非散光Herriott型池。
28.一种使用激光吸收光谱法的气体分析器设备，其中，气体分析器包括具有池本体(2)、前镜保持器(3)和后镜保持器(4)的光学样品池，其中，所述后镜保持器(4)包括后镜(42)和用于对所述后镜(42)进行调节的调节器件(460，470，471，472)，其特征在于，所述调节器件包括杠杆臂部(460)，所述杠杆臂部(460)能够通过微型螺钉(472)的运动而绕所述光学样品池(2)的纵向中轴线旋转，所述微型螺钉(472)能够沿与所述光学样品池(2)的纵向中轴线垂直的方向移动。
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