專利名稱：用于光聲傳感器的測量容腔的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于連續(xù)測量氣態(tài)試樣中吸收射線的物質(zhì)，尤其是吸收射線的微粒的光聲傳感器測量容腔，它具有至少一個試樣入口和至少一個試樣出口，一個可在縱向方向上流過試樣并帶有拾音器的管道段，以及至少一個與管道段對準的激光射線輸入和輸出位置，容腔的輸入和輸出位置分別通過至少一個相比管道段有更大橫截面的空腔與測量管道隔開。
背景技術(shù)：
光聲測量技術(shù)可以非常靈敏地例如確定軌跡氣體濃度或在承載氣體中的氣溶膠濃度。在光聲測量技術(shù)中通?？疾煲粋€固態(tài)的、液態(tài)的或氣態(tài)的試樣，該試樣具有至少一種(可能有頻率選擇性的)吸收射線的物質(zhì)，用時間上間歇的電磁射線—通常用可見光或紅外線—照射試樣。通過吸收射線使材料被加熱，并在無射線間歇時間內(nèi)向周圍環(huán)境放出熱量。這樣使被照射的區(qū)域產(chǎn)生周期性的加熱和冷卻，它又產(chǎn)生同樣周期的壓力波，作為聲波傳播，并且可以被靈敏的拾音器檢測出。此方法被簡要描繪在圖1中。
為了提高靈敏度，應用諧振腔，并且間歇照射的周期或頻率被調(diào)整到測量腔的特征頻率上。為了時間上分解地測量氣體中的物質(zhì)，承載氣體必須流過腔體。一個縱間諧振的簡單腔體已被例如Krmer和Niessner描述在德國實用新型Nr.20017795.8中，并被Beck，Niessner和Haisch描述在Anal，Bioanal Chem375(2003)中1136f頁。此腔在圖2中示出，它由一個管道R構(gòu)成，其長度確定諧振頻率，其直徑大大小于長度。在諧振管道R兩端的具有更大直徑的區(qū)域AN被稱為“陷波”濾波器。直徑的變化產(chǎn)生壓力波的振動波節(jié)，并且可被視為“開放端”(快速一最大，壓力波節(jié))。整個測量腔的長度約為射線—最好是激光射線L—的波長，其中以下公式給出波長λ與諧振頻率的關(guān)系波長λ＝聲速/諧振頻率上述測量腔的缺點在于抵抗窗口污染的能力，間歇射線L通過這些窗口進出。尤其是在應用光聲腔測量氣溶膠時，例如測量內(nèi)燃機排放出的或一般在環(huán)境中的煤煙微粒時這是一個嚴重的問題。對氣流的計算已經(jīng)表明例如從諧振腔左側(cè)進入的氣體已在左邊的“陷波”濾波器區(qū)域中形成渦流，它形成向窗口的流動，從而使測量氣溶膠的一些微粒在那里沉淀并引起干擾作用。在測量氣體通過諧振腔之后它直接流到對面的窗口上，同樣測量氣溶膠的一些微粒被沉淀并同樣產(chǎn)生干擾作用。干擾作用是這樣產(chǎn)生的窗口上的沉淀同樣吸收射線并產(chǎn)生聲波，聲波相互疊加形成干擾。這樣就妨礙了精確的測量，尤其是測量氣溶膠低濃度情況下的精確測量。圖3示出在此腔體中氣流的有限元計算結(jié)果，其中氣流的方向和速度由矢量的方向和長度表征。
在流過流體的裝置中，如濁度計中保持光學窗口清潔的常用方法，即用無雜質(zhì)空氣流沖洗窗口的方法—空氣阻止了窗口被微粒污染—由于聲學上的原因不能用于圖2所示的現(xiàn)有測量腔中，因為沖刷空氣流引起一個“振鳴聲”，并從而疊加一個大得多的干擾信號到所要的測量信號上。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于給出一種測量腔，它克服了上面所述的缺點，減少了作為射線進入腔體的入口位置的窗口的污染，并且減緩了測量氣溶膠微粒在窗口上的沉淀，從而測量腔可以高靈敏度長時間地工作。
為了完成上述任務，根據(jù)本發(fā)明，在管道段的相對的兩端上設置兩個入口，并且在入口之間的中間位置上設置至少一個出口。這樣測量腔中的氣流不是從一側(cè)向另一側(cè)流動，而是氣體被分成兩個子氣流，它們分別從窗口側(cè)，即從具有傳感拾音器的諧振管道或中央段的左側(cè)及右側(cè)流入測量腔。然后試樣氣體的子氣流向相反方向流入兩個子腔，并且從一個或多個鄰近中央段或具有傳感拾音器的諧振管道的輸出通道再次流出測量腔。通過避免氣流“碰撞”到射線的窗口或其它入口位置上，大大減少了微粒在這些位置上的沉淀。
按照本發(fā)明的一個具有優(yōu)點的實施方式，入口和/或至少一個出口連通到環(huán)形通道，這些通道同軸地環(huán)繞著管道段，從這些環(huán)形通道徑向引出輸入氣流通道或輸出氣流通道至管道段，以而實現(xiàn)更加均勻的測量腔輸入氣流和輸出氣流。這樣也明顯減少了渦流，此渦流會引起微粒在射線輸入位置上的沉淀。
本發(fā)明測量容腔的另一實施方式也具有同樣的作用，其中入口和/或至少一個出口連通到環(huán)形通道，這些通道同軸地環(huán)繞著管道段，從這些環(huán)形通道引出窄的環(huán)形縫隙至管道段。
視配置而定，第二個子腔被設計成諧振的或非諧振的。
為實現(xiàn)下述配置減少污染的優(yōu)點，其中附加到具有中央的傳感拾音器的諧振測量腔的一個非諧振的第二子腔不會引起第一子腔中信號的減弱，本發(fā)明的一個實施方式是具有優(yōu)點的，其中在一個諧振的子腔的末端設置有一個入口和一個中間的出口，該子腔分別通過一個具有比管道段更大的橫截面的一個空腔來限定，其中與出口相鄰的空腔將另一個具有與諧振子腔的管道段相近大小的橫截面的管道段與另一個具有比管道段更大橫截面的空腔相連接，并且第二個入口設置在另一管道段的與出口相對的末端處。
在此方案中具有優(yōu)點的是中間空腔和另一個管道段的長度分別約為諧振子腔管道段長度的一半。
為通過同樣設計為諧振的第二子腔使第一子腔中的信號增強，采用一個具有優(yōu)點的實施方式，其中一個入口和兩個中間出口中的第一個出口設置在一個諧振子腔的末端處，該子腔分別通過一個具有比管道段更大橫截面的一個空腔來限定，其中與第一出口相鄰的空腔將另一個具有與諧振子腔的管道段相近大小的橫截面和長度的管道段與另一個具有比管道段更大橫截面的空腔相連接，并且第二個中間出口設置在另一管道段的與中間空腔相連接的末端處，第二個入口設置在另一管道段的與出口相對的末端處。
這里具有優(yōu)點的是中間空腔和另一管道段的長度分別被選為近似等于諧振子腔的長度。


下面借助附圖詳細說明本發(fā)明。附圖中圖1簡要示出光聲測量的原理，圖2示出一個(縱向)諧振的光聲測量腔的原理結(jié)構(gòu)，圖3示出圖2所示測量腔中的氣流，圖4以縱剖面示出本發(fā)明測量腔的第一種實施方式，它具有非諧振的第二子腔，圖5以縱剖面示出本發(fā)明測量腔的另一種實施方式，它具有諧振的第二子腔，以及圖6是與圖4等價的本發(fā)明測量腔中氣流的圖示。
具體實施例方式
圖2以縱剖面示出測量腔的結(jié)構(gòu)，按照圖1所示原理的光聲測量中必須注意以下一般規(guī)則被激光射線L軸向穿過并具有拾音器M的測量腔諧振管R的諧振頻率主要由其長度確定。在管道末端處近似對稱反射的條件下，聲學壓力駐波約在中央具有其極大值，而在管道末端(諧振腔的“開放”端)附近具有兩個壓力振動波節(jié)。管道R的長度約為波長λ的1/2，且拾音器M必須位于中央位置附近。
在窗口處聲速衰減為零并且聲壓有最大值(λ/2的相移)。據(jù)此并根據(jù)前一段所述，測量腔的總長度近似為n×λ/2，其中n為整數(shù)。
測量氣體的入口通道和出口通道最好位于聲波的壓力振動波節(jié)處，已經(jīng)表明，這樣由于連接測量氣體導管而產(chǎn)生的干擾，例如渦流，對駐波和測量信號的影響最小。
與實際的子腔長度和λ/4(波長的四分之一)之間簡單的整倍數(shù)關(guān)系的偏差受“陷波”濾波器AN的移相作用影響，并受到可設計為漸變地由一個直徑至另一個直徑的過渡所給出的反射條件和透射條件的影響，并且此偏差必須相應地被考慮—據(jù)經(jīng)驗或進行適當?shù)姆抡妗?br> 本發(fā)明測量腔的第一種實施方式作為示例以縱剖面顯示在圖4中。測試氣體通過測試氣體導管1被引入此測量腔，測試氣體在分開的輸入導管2和3中被分為兩個分離的子氣流，并且從入口2，3引入測量腔的兩個外部的環(huán)形通道11和12。從那里子氣流徑向通過環(huán)形縫隙21和22或通過徑向的通道進入測量管道31和一個同軸的尺寸近似的管道34，其中測量管道31和管道34被一個具有較大橫截面的空腔33相互分開。測試氣體的子氣流通過子腔21和33，34從外部流向整個腔的中央，子氣流從中央通過環(huán)形縫隙23和環(huán)形通道13流到出口導管4中。測試氣體在此從具有較大橫截面的外部空腔32、35流出，并從射線穿過所需的窗口41和42流出。測試氣體流的傳輸可由一個圖中未示出的位于測量腔后面的泵實現(xiàn)，或者例如由內(nèi)燃機排氣裝置中的排氣壓力完成。
在具有長度近似為λ/2的諧振管道31的第一“諧振”子腔中，在合適的射線周期—它必須以已知的方法調(diào)節(jié)到腔體的諧振點上—和在測試氣體中存在吸收物質(zhì)的情況下，得到傳感拾音器M的一個信號，此信號具有與射線相同的頻率，并且可以非常靈敏和有選擇性地用現(xiàn)有手段(例如用所謂的“鎖定(Lock-In)”技術(shù)并借助于例如同步解調(diào)器)檢測出。
第二子腔由具有不同直徑和約λ/4長度的區(qū)段33、34構(gòu)成，因此在此子腔中不能建立以射線周期諧振的駐波，這是本領(lǐng)域技術(shù)人員由基礎的物理規(guī)律能明白的。在圖4所示裝置中必須要求第二子腔是非諧振的。如果在此子腔中形成諧振的駐波，它相對第一子腔中諧振的駐波位移了λ/2，或者說相移了π(＝180°)，因而這兩個駐波將相互抵消或削弱，使得不能以第一“諧振”子腔的測量管道31的傳感拾音器M得到信號或只能得到微弱的信號。
在圖5所示測量腔的實施方式中兩個子腔可都設計成諧振的。因為在兩個子腔諧振器31和34之間設置有一個具有更大直徑的約λ/2長的補償空間33，第一子腔和第二子腔的駐波之間的位移約為λ，導致相移為2π(即360°)。這導致兩個駐波建設性地(積極地)疊加，并且從第一“諧振”子腔的測量管道31中的傳感拾音器M得到的信號被加強。這種腔體的缺點是長度更大，這不僅增大了結(jié)構(gòu)尺寸，而且還要求射線必須更加平行地成束，以在更長的長度上保持足夠小的射線直徑。一個小的射線直徑肯定是需要的，因為為了避免干擾信號不允許有射線抵達窄而長的管道31、34的管壁上。
對圖4所示腔體中氣流進行有限元計算的結(jié)果示于圖6中。與圖3的現(xiàn)有技術(shù)中的氣流圖一樣，圖6中氣流的方向和速度也由矢量的方向和長度表征。由圖可清楚地看出，既沒有直達窗口的氣流，也沒有渦流到窗口。實踐已證實，這種測量腔的窗口41，42只是緩慢而輕微地被污染，從而可以有很長的測量期而無需清潔窗口。
權(quán)利要求
1.用于連續(xù)測量氣態(tài)試樣中吸收射線的物質(zhì)，尤其是吸收射線的微粒的光聲傳感器測量容腔，它具有至少一個試樣入口和至少一個試樣出口，一個可在縱向方向上流過試樣并帶有拾音器的管道段，以及至少一個與管道段對準的激光射線輸入和輸出位置，容腔的輸入和輸出位置分別通過至少一個相比管道段有更大橫截面的空腔與測量管道隔開，其特征在于，兩個入口(2，3)設置在管道段(31)的相對的末端處，并且至少一個出口(4)設置在所述入口之間的一個中間位置處。
2.如權(quán)利要求1所述的測量容腔，其特征在于，入口(2，3)和/或至少一個出口(4)連通到環(huán)形通道(11，12或13)，這些通道同軸地環(huán)繞著管道段(31)，從這些環(huán)形通道徑向引出輸入氣流通道或輸出氣流通道至管道段(31)。
3.如權(quán)利要求1所述的測量容腔，其特征在于，入口(2，3)和/或至少一個出口(4)連通到環(huán)形通道(11，12或13)，這些通道同軸地環(huán)繞著管道段(31)，從這些環(huán)形通道引出窄的環(huán)形縫隙(21，22或23)至管道段。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項所述的測量容腔，其特征在于，在一個諧振的子腔(31)的末端處設置一個入口(2)和一個中間的出口(4)，該子腔分別通過一個具有比管道段(31)更大橫截面的空腔(32，33)來限定，其中與出口(4)相鄰的空腔(33)將另一個具有與諧振子腔(31)的管道段相近大小橫截面的管道段(34)與另一個具有比管道段(34)更大橫截面的空腔(35)相連接，并且第二個入口(3)設置在另一個管道段(34)的與出口(4)相對的末端處。
5.如權(quán)利要求4所述的測量空腔，其特征在于，中間空腔(33)和另一個管道段(34)的長度分別約等于諧振子腔的管道段(31)長度的一半。
6.如權(quán)利要求1至3中任一項所述的測量空腔，其特征在于，在一個諧振的子腔(31)的末端處設置一個入口(2)和兩個中間出口(4，5)中的第一個出口(4)，該子腔分別通過一個具有比管道段(31)更大橫截面的空腔(32，33)來限定，其中與第一個出口(4)相鄰的空腔(33)將另一個具有與諧振子腔(31)的管道段相近大小的橫截面及長度的管道段(34)與另一個具有比管道段(34)更大橫截面的空腔(35)相連接，并且第二個中間出口(5)設置在另一個管道段(34)的連接中間空腔(33)的末端處，第二個入口(3)設置在另一個管道段(34)的與出口(5)相對的末端處。
7.如權(quán)利要求6所述的測量容腔，其特征在于，中間空腔(33)和另一個管道段(34)的長度分別近似相等于諧振子腔(31)的長度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于連續(xù)測量氣態(tài)試樣中吸收射線的物質(zhì)，尤其是吸收射線的微粒的光聲傳感器測量容腔，它具有至少一個試樣入口和至少一個試樣出口，一個可在縱向方向上流過試驗樣并帶有拾音器的管道段，以及至少一個與管道段對準的激光射線輸入和輸出位置，容腔的輸入和輸出位置分別通過至少一個相比管道段有更大橫截面的空腔與測量管道隔開。為了減輕對作為射線進入腔中的輸入位置的窗口的污染并減慢窗口上測量氣溶膠微粒的沉淀，從而使得測量容腔可以高靈敏度長時間工作，本發(fā)明建議兩個入口(2，3)設置在管道段(31)的相對的末端處。并且至少一個出口(4)設置在入口(2，3)之間中間的一個位置處。
文檔編號G01N21/03GK1654945SQ20051000438
公開日2005年8月17日 申請日期2005年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月28日
發(fā)明者沃爾夫?qū)ば恋吕? 克勞斯－克里斯托弗·哈姆斯, 弗朗茲·克諾夫, 哈拉爾德·格蘭特耐爾 申請人:Avl里斯脫有限公司