CN1384350A - 具有卡匣式光路系统的多化合物气体分析仪 - Google Patents
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Abstract
一种具有卡匣式光路系统的多化合物气体分析仪,含有至少一个卡匣,每一该卡匣包括一光源系统、一光路系统、一光学折叠系统、和一红外线检测系统。光源系统包含一红外线光源和一用来提供输入红外线平行光束的聚光抛物面镜。光路系统包含一卡匣外壳、一光学吸收腔和一组反射凹面镜。光学折叠系统包含一分束镜和一用来导引红外线至下一卡匣的偏向器。红外线检测系统是一双波段检测器,包含一参考检测器和一实测检测器,每一检测器含有一滤光片和一传感器。
Description
发明的领域
本发明涉及一种具有卡匣式(Cassette)光路系统的多化合物气体(此后简称多气体或多种气体)分析仪，特别涉及一种单一化、及系统化且不需任何移动件即可同时量测多种气体的多气体分析仪。
传统技术的描述
现代人类的生活环境由于人口的密集以及工业化、商业化所造成的空气污染影响人类的身体健康问题已经引起各界人士广泛的注意。人类生活环境中的空气品质如何判断？空气受到污染的程度如何？受到污染的空气中有哪些是有害于人类身体健康的气体？以及这些有害于人类身体健康的气体其含量有多少？这些问题有赖于精密且可靠的仪器来量测。由于政府机关对空气污染政策的强制执行，在量测空气品质的领域中，对室内空气品质以及机动车排气的单一气体或多种气体的量测仪器便有高度的要求。其指定需要量测的气体计有二氧化碳(CO2)、碳氢化合物(HC)、以及一氧化碳(CO)等等。在诸多量测仪器中，量测这些气体的方法有多种，目前以“非分散式红外线光谱量测法”(此后简称为NDIR，nondispersive infrared)最为普遍。
NDIR是利用气体对红外线(此后简称IR，infrared)光谱的选择性吸收原理，每一种气体基本上在某特定的波长范围有一个或多个不同的IR吸收特性。对应于某一特定波长的气体，其对某一频率下的IR光的吸收强度是直接与该气体的浓度有关。这种气体吸收原理称为毕尔-兰伯定律(Beer-Lambert Law)。如图1所示，根据这项定律，一气体对IR的吸收强度是与该气体的浓度和光路径长度成正比，如今
A＝气体对IR的吸收强度(absorbance)，是取原始入射光与经吸收后的光强度比值，再取对数而得。
K＝气体对IR的吸收系数(absorption coefficient)
C＝气体的浓度(concentration)
L＝气体吸收IR所经的总光路径(light path)长度则其间的关系为
A＝K×C×L
如图1所示，理想上该气体对IR的吸收强度与该气体的浓度是成直线关系，但实际上的情况均有偏差而呈非线性关系，并且，光学密度(opticaldensity)越高，其偏差的程度越大，其中光学密度是指浓度C和光路径长度L的乘积(C×L)。为降低此偏差值以提高系统量测的精确度(accuracy)，系统的设计者需选择一光学密度的最佳值，亦即，对浓度(C)较高或吸收性较强的气体，其光路径需选择较短者，反之，对浓度较低或吸收性较弱的气体，其光路径需选择较长者，因此，若要设计一气体分析仪能同时量测多种气体，则必须能够选择使用多种不同的光路长度，以延长仪器的可量测动态范围。
另外，每一特定气体所能吸收IR的频率范围均为一定。因此，对应于此一频率范围均需某一特定的滤光片(filter)来过滤并选取单一特定频率的IR，然后再以一传感器(sensor)来感测其光强度(light intensity)的变化。也有将滤光片和传感器结合成一检测器(detector)者。
本发明所引述的第一传统技术为如图2所示美国专利第5,222,289号的一多路气腔(multi-channel gas sample chamber)。如图2所示，该项第一传统技术的特征为一长圆筒形空心导光管的周围202上含有多个检测器(detector)206、208、和210，各装设在多个检测器口(detector port)212、214、和216上，且在出光口的一端上亦设置一检测器218。这些检测器是用来同时量测多种气体以相应前述的基本原理，亦即吸收性较强的气体需选择较短的光路径，反之，对吸收性较弱的气体需选择较长的光路径。
但是该第一传统技术实际上并无法达到预期的效果，其理由如下：
1.导光管的周围202上所设置的检测器206、208、和210其所接收到的IR如图2中的箭头所示均为呈斜角的入射光，而因垂直入射于检测器的入射面(incident surface)时其效果最好，故此呈斜角的入射光会影响设置于检测器中的滤光片(filter)的输出频率的正确性。
2.由于入射光呈斜角，入射光的强度即减弱，故输出的信/杂比值则降低。
本发明所引述的第二传统技术为如图3所示美国专利第4,914,719号的一多化合物气体分析仪(multiple component gas analyzer)。如图3所示，该气体分析仪包含可以产生光束的一红外光源(infrared source)300、一光学吸收腔(optical absorption chamber)302、三个分光器(beam splitter)304、306、308、四个检测器(detector)310、312、314、316、四个滤光片(filter)320、322、324、326。该光束穿越该光学吸收腔302而被导入该等连串的分光器304、306、308，紧接着被这些分光器304、306、308反射且分别偏向(deffected)导引至检测器(detector)310、312、314上，其中一路穿透该等连串的分光器304、306、308的光束则经由滤光片326而打入检测器316内。又，每一滤光片320、322、324、326均各对应于一特定的不同的频率范围。
但是该第二传统技术实际上并无法达到延长动态范围的效果，因为其光路径的长度仅为该唯一光学吸收腔302的长度，而无法选择使用多种不同的光路长度以搭配不同的气体浓度。其结果的状况举例如下：
1.若较高浓度的气体选择使用较长的光路长度，根据前述的毕尔-兰伯定律，气体对IR的吸收强度就会相当高，这会导致气体对IR的吸收会较易达到饱和，使得传感器中能量测到的光强度十分微弱。
2.若较低浓度的气体选择使用较短的光路径长度，根据前述的毕尔-兰伯定律，气体对IR的吸收强度就会相当低，这会导致气体对IR的吸收很少，使得传感器能量测到的光强度变化有限，进而降低了该仪器的侦测能力。
3.由以上两极端例子所得到的结果是，气体分析仪所能量测到的浓度范围就受到限制，亦即光路径短时本来是适合于量测高浓度气体者，故其所能量测到低浓度气体的范围即变狭窄。而光路径长时本来是适合于量测低浓度气体者，故其所能量测到高浓度气体的范围也即变狭窄。
本发明所引述的第三传统技术为如图4(a)所示美国专利第5,773,828号的一气体分析仪(gas analyzer)。如图4(a)所示为该第三传统技术的十多个实施例中的第1实施例，该气体分仪为一“双气体分析仪”，其中一长度L2约为60mm的氧化氮(NOx)“气体量测光学吸收腔”403和一长度L1约为1mm的二氧化碳(CO2)“气体量测光学吸收腔”407是经由一气体通道421而相通者。一设置于光源401附近的滤光片440是做为“穿透和反射”的装置，用来光谱分光(spectrally diffracting)一IR的特定波长。由光源发出的红外线(IR)A以其一特定的波长λ2穿透滤光片(band pass filter)440而成为A2，在此一端设置有一NOx检测器405，而以其一特定的波长λ1自滤光片(bandpass filter)440反射而成为A1，在此一端设置有一CO2检测器409。依此装置，两种不同的气体NOx和CO2可借由经一通道421而使相通的两种不同长度L2、L1的“气体量测光学吸收腔”403、407来量测。
图4(b)所示为该第三传统技术的十多个实施例中的第4实施例。如图4(b)所示，另一设置于“气体量测光学吸收腔”403和NOx检测器405间的滤光片444亦是用来光谱分光另一IR的特定波长以做为“穿透和反射”的装置。由穿透滤光片440而来的红外线(IR)A2以其一特定的波长λ4穿透带通滤光片444而成为A4，在此一端设置有一NOx检测器405，而以其一特定的波长λ3自滤光片444反射而成为A3，在此一端设置有一SO2气体检测器412。为增进SO2气体检测器412量测SO2气体的灵敏度(sensitivity)，在该第三传统技术的本实施例中，除了加设一通气道425使气体的流通更顺畅之外，又增加一长度为L3的“气体量测光学吸收腔”423，使量测SO2气体的光路径由L2增为L2+L3。
如图4(c)所示为该第三传统技术的十几个实施例中的第7实施例。如图4(c)所示，为了增加一氧化碳(CO)气体的量测，又增加一长度为L4的“气体量测光学吸收腔”477，一滤光片442，以及一CO气体检测器441。
但是该第三传统技术虽然可按照欲量测气体的浓度搭配适当的光路径长度，但却有以下列未完善之处：
1.光路径的延长以及气体的流通缺乏有系统的规划，故“气体量测光学吸收腔”的延伸及通气道的开辟显得枝节横生，凌乱无章，不但占空间，且气体的分布不易均匀。
2.分光的比例固定而无法弹性调节，故光路径延长后其光强度会衰减。
发明概要
针对以上三种传统技术未完善之处，本发明的目的之一在提供一有系统规划的卡匣式光路系统，可按照欲量测气体的浓度系统化地加以叠积来搭配适当的光路径长度以提高气体量测的灵敏度，其不但结构紧密(compact)且形状整齐划一，可节省大量空间，易于小型化而成为携带式，且易于制造并可降低成本。
本发明的另一目的在提供一整体化卡匣式的流导气体光学吸收腔，透过叠积的每一卡匣卡匣两侧面所设置的多个导气孔使气体有效地、均匀地畅通。
本发明的又一目的在提供一光学折叠系统中可有效地调节分光比例的半中空式分束镜。传统技术中穿透部分的分光在本发明中改采直接穿越的方式直接穿越分束镜的中空部分，大大地降低光强度的衰减率，而其分光的比例则借调整其中空部分及反射部分的比例来达成，借分光比例的调整以调节各个卡匣式光学吸收腔，使其经分光后的光强度保持在合理的范围内。
为达到上述目的，本发明提供一种具有卡匣式(cassette type)光路系统的多化合物气体分析仪其含有至少一个卡匣(cassette)，每一该卡匣包括一光源系统、一光路系统、一光学折叠系统、和一红外线检测系统。光源系统，包含一红外线光源和一用来提供输入红外线平行光束的聚光抛物面镜(reflector)。光路系统包含一卡匣、一光学吸收腔(absorption chamber)和一组反射凹面镜(concave mirror)，其中该卡匣设置有一含多个导气孔(aperture)的导气孔组，交错相对配置于该卡匣的表面上，且每一导气孔组四周为一O-形环所包围以做为层层叠积的卡匣间密封气体之用，该等导气孔组用来均匀分布地通入的待测气体化合物，且该卡匣设置有输入红外线的进口(inlet)及输出红外线的出口(outlet)，而该光吸收腔是用来导引待量测的气体化合物且提供气体化合物与红外线接触并延长光路(light path)的空间，而在该光学吸收腔的内壁均涂上高反射性镀膜，又该组反射凹面镜是交错相对配置于该光学吸收腔的两侧，用来做红外线的导引、延长光路以及提供输出红外线的平行光束。光学折叠系统(optical folding system)，包含一分束镜(beam splitter)和一用来导引红外线至下一卡匣的偏向器(deflector)，其中该分束镜和该偏向器的光路经过的表面均涂上高反射性镀膜。该分束镜为一半中空式分束镜其分为反射镜部分和中空部分，并以此两者分配的比例来调节分光比例。红外线检测系统(infrared detecting system)，是为一双波段检测器(dual channeldetector)，包含一参考检测器(reference detector)和一实测检测器(measuringdetector)，其中每一检测器含有一滤光片(filter)和一传感器(sensor)，而该参考检测器内的滤光片与实测检测器内的滤光片分别感应频率接近但不同频率的红外线，故两者为不同的滤光片，但该参考检测器内的传感器与实测检测器内的传感器则完全相同。
本发明的上述及其他目的、优点和特色由以下较佳实施例的详细说明当可更加明白。较佳实施例的详细说明
如图5所示，一种具有卡匣式光路系统(cassette type light path system)的多化合物气体分析仪模组(multi-gas component analyzer module)500包括一前处理系统(pretreatment system)520、一气体分析仪本体600、信号处理系统(signal processing system)700、和一资料处理系统(data processingsystem)540。
前处理系统520包含一进气口(gas inlet)522、一取样探头(samplingprobe)524、一过滤器(filter)526、一泵(pump)528和一导气口(vent)532。前处理系统520是借泵528通入欲量测的气体，并以取样探头524对其进行取样(sampling)、调整其温度和湿度，且将悬浮在欲量测的气体中的颗粒以过滤器526加以过滤，导气口(vent)532是用来平衡大气压力者。
如图6(a)所示，气体分析仪本体600是用来将经由该前处理系统520而来的气体加以分析。该气体分析仪本体600包括一外壳(housing)610、一光源系统620、一光路系统(light path system)630、一光学折叠系统(optical foldingsystem)670(图6(a)中未显示)、和一红外线检测系统(infrared detectingsystem)680(图中未显示)。外壳610包含一底盘(chassis)612、一上盖614、一锁紧件616、和一基板(substrate)618。
如图6(b)所示，光源系统620，包含一红外线光源622和一用来提供输入红外线(infrared ray)平行光束的聚光抛物面镜(reflector)624。
如图7(a)、7(b)和7(c)所示，光路系统(light path system)630包含一卡匣外壳640、一光学吸收腔(absorption chamber)650和一组反射凹面镜(concavemirror)660，该卡匣640包含一第一面641、第二面642、一第一侧643、一第二侧644、一第三侧645、和一第四侧646。其中该卡匣外壳640各设置有一含多个导气孔(aperture)的导气孔组647交错相对配置于该第一面641和第二面642上，且每一导气孔组647四周为一O-形环652所包围以做为层层叠积的卡匣间密封气体之用，该等导气孔组647用来均匀分布导体入的待测气体化合物，又其中该第一侧643具有一第一段653和一第二段654，而该第一侧643的该第一段653处设置有输入红外线的进口(inlet)655、且在该第一侧643的该第二段654处设置有输出红外线的出口(outlet)656，而该光学吸收腔650是用来导引待量测的气体化合物且提供气体化合物与红外线接触且延长光路(light path)的空间，且在该第一侧643、第二侧644、第三侧645、和第四侧646的外侧各个设置若干锁紧用的螺丝毂(screw boss)648，而该光学吸收腔650的内壁均涂上高反射性镀膜。
如图8(a)、8(b)所示，该组反射凹面镜660包含一第一凹面镜662，一第二凹面镜664，和一第三凹面镜666，交错相对配置于该卡匣640的第一侧643和第二侧644，用来做红外线的导引和延长光路以及提供输出红外线平行光束。
如图9所示，光学折叠系统670包含一分束镜(beam splitter)671和一用来导引红外线由一卡匣至下一卡匣的偏向器(deflector)677，其中该分束镜671和该偏向器677的光路所经过的表面均涂上高反射性镀膜。分束镜671为一半中空型的分束镜，其镜面有一部分为中空部而另一部分为反射面镜，而该分束镜的分光比例是按照该中空部的面积与反射面镜的面积的比例而定。
如图10所示，红外线检测系统680，是为一双波段检测器(dual channeldetector)，包含一参考检测器(reference detector)682和一实测检测器(measuring detector)684，其中每一检测器含有一滤光片(filter)(图中未显示)和一传感器(sensor)(图中未显示)，而该参考检测器内的滤光片与实测检测器内的滤光片分别感应频率接近但不同频率的红外线，故两者为不同的滤光片，但该参考检测器682内的传感器与实测检测器684内的传感器则完全相同。
如图11(a)、11(b)所示，信号处理系统(signal processing system)700，包含用来切换检测器信号的多路器(multiplexer)702、用来放大信号的放大器(amplifier)704、用来将模拟信号转换成数字信号的模拟/数字转换器(A/Dconverter)706、用来分派任务和设定工作环境的微处理器(microprocessor)708、用来储存参数的“可电擦除且可编程式只读存储器”(EEPROM)802、用来传送资料的通讯系统(communication system)(图中未显示)、用来供应相关系统动力用的电源供应系统(power supply system)(图中未显示)、和用来指示功能状态并显示结果的显示装置(display apparatus)804。
如图5所示，资料处理系统540，用来将由信号处理系统700送来的资料加以分析、运算、并显示出其结果。
现在将本发明的卡匣式光路系统的多化合物气体分析仪的作用原理说明如下：
如图5所示，将气体导入气体分析仪前需经由前处理系统500的处理。首先，取样探头524将气体取样并借泵528的启动而由进气口522将气体导入。接着气体经由过滤器526以滤除气体中的悬浮微粒等杂质，并经温度处理以去除气体中的水分。接着如图7(a)、7(b)、7(c)所示，经过前处理系统500处理过的气体由设置于卡匣外壳640的第一面641上的入气孔632导入卡匣640的光学吸收腔650中，入气孔632周围设有用来密封取样气体的O-环形652，使周围的不洁气体不会侵入。卡匣外壳640的第二面642上所设置的导气孔组647用来将气体流通的各个卡匣640，且导气孔组647在第二层卡匣外壳640后，其在第一面641及第二面642上是以交错配置的方式设置以使各层的卡匣外壳640的各光学吸收腔650内的气体均匀分布，气体最后由设置于最后一层卡匣外壳640的第二面642上的出气孔634导出。导气孔组647可设置于不妨碍光路径的任何卡匣外壳640的第一面641和第二面642上的位置。
其次，如图8(a)及图9所示，光束由光源622经聚光抛物面镜624的聚光后射入分束镜671。然后一部分光束经分束镜671的中空部分672而由第一层的检测器进行检测，而另一部分光束经分束镜671的面镜部分674反射至偏向器677，然后再经由偏向器677的反射而入射到第二层的卡匣640，依此次第类推至以后各层。而在每一层卡匣中，光束均次第经由第一凹面镜662、第二凹面镜664、及第三凹面镜666的反射。
再如图11所示，光源系统620(见图6)中红外光的输入是经由微处理器708的控制提供一脉冲(pulse)806并借一切换开关808提供一切断(off)位置的黑暗背景光做标准以和接通(on)位置的明亮光做比较，使气体分析仪的准确性不至于受到不同环境光的影响。另外，用来切换检测器信号的多路器(multiplexer)702是用来切换选择用来量测温度的热变阻器(Thermistor)902、用来量测光强度的热电元件1(Thermopile one)904和热电元件2(Thermopiletwo)906、及用来量测电路偏差值的共同接地极(common)908。
本发明的卡匣式光路系统的多化合物气体分析仪中每一卡匣的光路长度均相同且为一定值，而用来量测某一气体化合物的分析仪是根据其所需搭配的光路长度来决定所需组合卡匣的数目。
本发明的卡匣式光路系统的多化合物气体分析仪中该高反射性镀膜(highly reflective coating)的材料为金(gold)或锌化硒(ZnSe)玻璃。
本发明的卡匣式光路系统的多化合物气体分析仪中该分束镜和该偏向器的材料为ABS树脂或PC树脂。
在较佳实施例的详细说明中所提出的具体的实施例仅为了易于说明本发明的技术内容，而并非将本发明狭义地限制于该实施例，凡依本发明的精神及以下权利要求范围的情况所作种种变化实施均属本发明的范围。
图式简单说明
图1表示根据毕尔-兰伯定律(Beer-Lambert Law)所描述一气体对红外线的吸收强度与该气体浓度的关系曲线图。
图2为第一传统技术中所引述美国专利第5,222,389号的多光路气腔的结构及红外线的传播示意图。
图3为第二传统技术中所引述美国专利第4,914,719号的一多化合物气体分析仪的结构及红外线的传播示意图。
图4(a)、4(b)、4(c)分别表示第三传统技术所引述美国专利第5,773,828号的一气体分析仪中的3种实施例的结构示意图。
图5为本发明的具有卡匣式光路系统(cassette type light path system)的“多化合物气体分析仪模组”的立体图。
图6(a)为本发明气体分析仪的结构的立体图。
图6(b)为本发明气体分析仪内部的结构及其功能运作的立体图。
图7(a)、7(b)、7(c)为本发明气体分析仪内部的卡匣结构立体图。
图8(a)、8(b)各表示本发明气体分析仪内部的卡匣结构的上部和下部及其光路径的结构平面图。
图9为本发明气体分析仪内部的光学折叠系统的作用示意图。
图10为本发明气体分析仪内部的红外线检测系统的双波段检测器的作用示意图。
图11为本发明气体分析仪内部的信号处理系统的作用示意图。标号说明
202空心导光管的周围
206、208、210、218检测器
212、214、216检测器口
300红外光源
302光学吸收腔
304、306、308分光器
310、312、314、316检测器
320、322、324、326滤光片
401光源
403、407气体量测光学吸收腔
405、409、412、441检测器
421、425导气道
440、442、444滤光片
477气体量测光学吸收腔
500多化合物气体分析仪模组
520前处理系统
522进气口
524取样探头
526过滤器
528泵
532导气口
540资料处理系统
600气体分析仪本体
610外壳
612底盘
614上盖
616锁紧件
618基板
620光源系统
622红外线光源
624聚光抛物面镜
630光路系统
632入气孔
634出气孔
640卡匣外壳
641第一面
642第二面
643第一侧
644第二侧
645第三侧
646第四侧
647导气孔组
648螺丝毂
650光学吸收腔
652 O-形环
653第一段
654第二段
655红外线的进口
656红外线的出口
660反射凹面镜组
662第一凹面镜
664第二凹面镜
666第三凹面镜
670光学折叠系统
671分束镜
677偏向器
680红外线检测系统
682参考检测器
684实测检测器
700信号处理系统
704放大器
706模拟/数字转换器(A/D convertor)
708微处理器
802可电擦除且可编程式只读存储器(EEPROM)
804显示装置
806脉冲
808切换开关
902热变阻器
904热电元件1
906热电元件2
908共同接地极
Claims (21)
1.一种具有卡匣式光路系统的多化合物气体分析仪，含有至少一个卡匣，每一该卡匣包括：
一光源系统，包含一红外线光源和一用来提供输入红外线平行光束的聚光抛物面镜；
一光路系统，包含一卡匣外壳、一光学吸收腔和一组反射凹面镜，该卡匣外壳包含一第一面、一第二面、一第一侧、一第二侧、一第三侧、和一第四侧，其中该卡匣外壳各设置有一含多个气孔的气孔组，交错相对配置于该第一面和第二面上，且每一气孔组四周为一O型环所包围以做为层层叠积的卡匣间密封气体之用，该等气孔组用来均匀分布地通入的待测气体化合物，又其中该第一侧具有一第一段和一第二段，而该第一侧的该第一段处设置有输入红外线的进口、且在该第一侧的该第二段处设置有输出红外线的出口，而该光学吸收腔是用来导引待量测的气体化合物且提供气体化合物与红外线接触且延长光路的空间，且在该第一侧、第二侧、第三侧、和第四侧的外侧各设置若干锁紧用的螺丝毂，而该光学吸收腔的内壁均涂上高反射性镀膜，又该组反射凹面镜包含一第一凹面镜，一第二凹面镜，和一第三凹面镜，交错相对配置于该光学吸收腔的第一侧和第二侧，用来做红外线的导引、延长光路以及提供输出红外线的平行光束；
一光学折叠系统，包含一分束镜和一用来导引红外线至下一卡匣的偏向器，其中该分束镜和该偏向器的光路经过的表面均涂上高反射性镀膜；以及
一红外线检测系统，是为一双波段检测器，包含一参考检测器和一实测检测器，其中每一该检测器含有一滤光片和一传感器，而该参考检测器内的滤光片与该实测检测器内的滤光片分别感应频率接近但不同频率的红外线，故两者为不同的滤光片，但该参考检测器内的该传感器与该实测检测器内的该传感器则完全相同。
2.如权利要求1所述的具有卡匣式光路系统的多化合物气体分析仪，其中该分束镜为一半中空型的分束镜，其镜面有一部分为中空部而另一部分为反射面镜，而该分束镜的分光比例是按照该中空部的面积与反射面镜的面积的比例而定。
3.如权利要求1所述的具有卡匣式光路系统的多化合物气体分析仪，其中该每一卡匣的光路长度均相同且为一定值，而用来量测每一气体化合物的分析仪是根据该气体所需匹配的光路长度来决定气体分析仪所需组合卡匣的数目。
4.如权利要求3所述的具有卡匣式光路系统的多化合物气体分析仪仅含一卡匣，故成为一“具有卡匣式光路系统的单一气体分析仪”用来量测一单一气体，而该卡匣的大小是根据该气体所需匹配的光路长度来决定。
5.如权利要求1所述的具有卡匣式光路系统的多化合物气体分析仪或权利要求4所述的具有卡匣式光路系统的单一气体分析仪，其中该高反射性镀膜的材料为由金、银、和铝所构成族群中的一种。
6.如权利要求1所述的具有卡匣式光路系统的多化合物气体分析仪，其中该分束镜的材料为锌化硒(ZnSe)玻璃。
7.如权利要求1所述的具有卡匣式光路系统的多化合物气体分析仪，其中该分束镜和该偏向器的材料为由ABS树脂或PC树脂所构成的族群中的一种。
8.如权利要求1所述的具有卡匣式光路系统的多化合物气体分析仪或权利要求4所述的具有卡匣式光路系统的单一气体分析仪，其中该气孔组的配置是为可避免妨碍光路的任何位置。
9.一种具有卡匣式光路系统的多化合物气体分析仪模组包括：
一前处理系统，包含一进气口、一取样探头、一含有过滤片的过滤器、和一泵，用来吸入欲量测的气体，并对其进行取样、调整其温度和湿度，且将悬浮在欲量测的气体中的颗粒加以过滤；
一气体分析仪本体，用来将经由该前处理系统处理后的气体加以分析，该气体分析仪本体包括：
一光源系统，包含一红外线光源和一用来提供输入红外线平行光束的聚光抛物面镜；
一光路系统，包含一卡匣外壳、一光学吸收腔和一组反射凹面镜，该卡匣外壳包含一第一面、一第二面、一第一侧、一第二侧、一第三侧、和一第四侧，其中该外壳各设置有一含多个气孔的气孔组，交错相对配置于该第一面和第二面上，且每一气孔组四周为一O-型环所包围以做为层层叠积的卡匣间密封气体之用，该等气孔组用来均匀分布通入的待测气体化合物，又其中该第一侧具有一第一段和一第二段，而该第一侧的该第一段处设置有输入红外线的进口、且在该第一侧的该第二段处设置有输出红外线的出口，而该光学吸收腔是用来导引待量测的气体化合物且提供气体化合物与红外线接触且延长光路的空间，且在该第一侧、第二侧、第三侧、和第四侧的外侧各设置若干锁紧用的螺丝毂，而该光学吸收腔的内壁均涂上高反射性镀膜，又该组反射凹面镜包含一第一凹面镜，一第二凹面镜，和一第三凹面镜，交错相对配置于该光学吸收腔的第一侧和第二侧，用来做红外线的导引、延长光路以及提供输出红外线平行光束；
一光学折叠系统，包含一分束镜和一用来导引红外线由一卡匣至下一卡匣的偏向器，其中该分束镜和该偏向器的光路经过的表面均涂上高反射性镀膜；及
一红外线检测系统，其为一双波段检测器，包含一参考检测器和一实测检测器，其中每一检测器含有一滤光片和一传感器，而该参考检测器内的滤光片与实测检测器内的滤光片分别感应频率接近但不同频率的红外线，故两者为不同的滤光片，但该参考检测器内的传感器与实测检测器内的传感器则完全相同；
一信号处理系统，包含用来切换参考检测器和实测检测器的模拟多路器、用来放大信号的放大器、用来将模拟信号转换成数字信号的A/D转换器、用来分派任务、设定工作环境、并执行部分数学运算的中央处理系统、用来储存参数的存储器、用来传送资料的通讯系统、及用来指示功能状态并显示结果的显示装置；以及
一资料处理系统，用来将由信号处理系统送来的资料加以分析、运算、并显示出其结果。
10.如权利要求9所述的具有卡匣式光路系统的多化合物气体分析仪模组，其中该每一卡匣的光路长度均相同且为一定值，而用来量测每一气体化合物的分析仪是根据其所需匹配的光路长度来决定气体分析仪模组所需组合卡匣的数目。
11.如权利要求10所述的具有卡匣式光路系统的多化合物气体分析仪模组，仅含一卡匣，故成为一“具有卡匣式光路系统的单一气体分析仪”用来量测一单一气体，而该卡匣的大小是根据该气体所需匹配的光路长度来决定。
12.如权利要求11所述的具有卡匣式光路系统的单一气体分析仪包括：
一前处理系统，包含一进气口、一取样探头、一含有过滤片的过滤器、和一泵，用来吸入欲量测的气体，并对其进行取样、调整其温度和湿度，且将悬浮在欲量测的气体中的颗粒加以过滤；
一气体分析仪本体，用来将经由该前处理系统处理后的气体加以分析，该气体分析仪本体包括：
一光源系统，包含一红外线光源和一用来提供输入红外线平行光束的聚光抛物面镜；
一光路系统，包含一卡匣外壳、一光学吸收腔和一组反射凹面镜，该卡匣外壳包含一第一面、一第二面、一第一侧、一第二侧、一第三侧、和一第四侧，其中该外壳各设置有一含多个气孔的气孔组，交错相对配置于该第一面和第二面上，且每一气孔组四周为一O-型环所包围以做为层层叠积的卡匣间密封气体之用，该等气孔组用来均匀分布通入的待测气体化合物，又其中该第一侧具有一第一段和一第二段，而该第一侧的该第一段处设置有输入红外线的进口、且在该第一侧的该第二段处设置有输出红外线的出口，而该光学吸收腔是用来导引待量测的气体化合物且提供气体化合物与红外线接触且延长光路的空间，且在该第一侧、第二侧、第三侧、和第四侧的外侧各设置若干锁紧用的螺丝毂，而该光学吸收腔的内壁均涂上高反射性镀膜，又该组反射凹面镜包含一第一凹面镜，一第二凹面镜，和一第三凹面镜，交错相对配置于该光学吸收腔的第一侧和第二侧，用来做红外线的导引、延长光路以及提供输出红外线的平行光束；及
一红外线检测系统，其为一双波段检测器，包含一参考检测器和一实测检测器，其中每一检测器含有一滤光片和一传感器，而该参考检测器内的滤光片与实测检测器内的滤光片分别感应频率接近但不同频率的红外线，故两者为不同的滤光片，但该参考检测器内的传感器与实测检测器内的传感器则完全相同；以及
一信号处理系统，包含用来切换参考检测器和实测检测器的模拟多路器、用来放大信号的放大器、用来将模拟信号转换成数字信号的A/D转换器、用来分派任务、设定工作环境、并计算浓度的中央处理系统、用来储存参数的存储器、及用来指示功能状态并显示气体浓度结果的显示装置。
13.如权利要求12所述的具有卡匣式光路系统的单一气体分析仪，其中该前处理系统包含一进气口、一过滤片和一气孔组，其是利用气体的自然对流扩散来流入欲量测的气体。
14.如权利要求9所述的具有卡匣式光路系统的多化合物气体分析仪或权利要求12所述的具有卡匣式光路系统的单一气体分析仪，其中该高反射性镀膜的材料为由金、银、和铝所构成族群中的一种。
15.如权利要求12或13所述的具有卡匣式光路系统的单一气体分析仪，其中该前处理系统中所含的过滤片的材质为活性碳。
16.如权利要求12所述的具有卡匣式光路系统的单一气体分析仪，其中该气体组的配置是可避免妨碍光路的任何位置。
17.如权利要求9所述的具有卡匣式光路系统的多化合物气体分析仪，其中该分束镜为一半中空型的分束镜，其镜面有一部分为中空部而另一部分为反射面镜，而该分束镜的分光比例是按照该中空部的面积与反射面镜的面积的比例而定。
18.如权利要求9所述的具有卡匣式光路系统的多化合物气体分析仪或权利要求12所述的具有卡匣式光路系统的单一气体分析仪，其中该高反射性镀膜的材料为由金、银、和铝所构成族群中的一种。
19.如权利要求9所述的具有卡匣式光路系统的多化合物气体分析仪，其中该分束镜的材料为锌化硒(ZnSe)玻璃。
20.如权利要求9所述的具有卡匣式光路系统的多化合物气体分析仪，其中该分束镜和该偏向器的材料为由ABS树脂或PC树脂所构成族群中的一种。
21.如权利要求9所述的具有卡匣式光路系统的多化合物气体分析仪或权利要求13所述的具有卡匣式光路系统的单一气体分析仪，其中该气孔组的配置是在可避免妨碍光路的任何位置。
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Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| CN109416320A (zh) * | 2016-05-09 | 2019-03-01 | 英弗勒索利得有限责任公司 | 用于感测不同气体和气体浓度的测量装置和方法 |
| US11499914B2 (en) | 2019-06-25 | 2022-11-15 | Senseair Ab | Multi-channel gas sensor |
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