專利名稱：能同時測量氣體樣品中多種成分濃度的非色散紅外氣體分析器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種能同時測量氣體樣品中多種成分濃度的非色散紅外氣體分析器。
測量不同范圍內(nèi)的兩種或多種待測成分是氣體分析中經(jīng)常要解決的課題，例如在測量汽車排出的廢氣時要測定CO和CO2的濃度，這些濃度值是按廢氣的體積百分比表示的，對于CO的濃度為1%左右，對于CO2為16%左右。
人們都知道這個測量的困難在于，以輻射吸收為基礎(chǔ)的測量效應(yīng)為一非線性函數(shù)，因此，為了既能得到足夠高的測量效應(yīng)，又能獲得一個不太彎曲的特性曲線，必須使氣體分析器樣品池的長度與每一次待測氣體的測量范圍相匹配。這樣的輻射接收器的輸出特性曲線的線性化可以用已有的電子學(xué)輔助手段來完成。
為了解決這個測量上的問題，當測量每一個單獨的成份可以各自采用一個測量儀器，也可以采用一臺具有兩個獨立測量系統(tǒng)的測量儀器。這些方案的缺點是費用高，以及由于功能多而會引起標準組件的工作出現(xiàn)故障(DE-PS3243301)。
本發(fā)明的任務(wù)是要降低測量混合氣體中多種成分所需的費用和擴大測量系統(tǒng)的使用范圍。
該任務(wù)是由具有創(chuàng)造性的權(quán)利要求1的特征部分所描述的方案解決的。
氣體分析器主要包括一個帶有輻射光調(diào)制器的紅外輻射源，二個相鄰放置的樣品池，其中一個樣品池通入樣品氣體，另一個通入?yún)⒈葰怏w。兩個樣品池的長度相同，在開始提及的例子中，設(shè)樣品池長度為20mm，與CO氣體的1%體積濃度的測量范圍相匹配，這個例子描述了一個相應(yīng)于已有技術(shù)的測量系統(tǒng)。
為了能同時測量16%體積濃度的CO2，在不設(shè)置第二光路的條件下，也能使用CO的測量系統(tǒng)。這樣就節(jié)省了要增加的物理和電子學(xué)功能部件，從而提高了測量系統(tǒng)的可用性。
選擇測量是由盛有測量成分的光電氣體的輻射接收器來完成。用于CO測量的第一輻射接收器直接裝在樣品池的后面，樣品池的前端和后端由透紅外光的窗構(gòu)成，通過該輻射接收器而透射出的輻射光經(jīng)輻射濾波器到達一個相同結(jié)構(gòu)的第二輻射接收器，由第二輻射接收器相繼完成在這里提及的例子中CO2氣體的測量。
仔細選擇樣品池的長度，以便保證有足夠的輸出響應(yīng)和有一個用通常的方法就能簡單地線性化的輸出特性曲線。
從第二種成分(在該例中為CO2)的線性化的可能性這點來考慮，樣品池被選得太長了。因而其輸出曲線的線性化用簡單的措施是難以完成的。除了樣品池選得太長以外，還因為CO2在中紅外區(qū)的強吸收頻帶緊靠著CO的強吸收頻帶，這個強吸收歸于對吸收光譜內(nèi)的強頻帶的吸收。


圖1示出了CO、CO2和CH4的在中紅外區(qū)2至5μm波長范圍內(nèi)的各個譜帶的吸收EXT分布。
為了解決所提出的任務(wù)，在光路中的CO2接收器前設(shè)置一個輻射濾波器能阻止強吸收范圍的光射到CO2接收器上。在這里提及的例子中，最好把λ＝4.2μm附近的波帶的光擋住，而使CO2的λ＝2.6μm和λ＝2.0μm附近吸收波帶的光通過，這樣一來，對于長度為20mm的樣品池，既能使其特性曲線易于線性化，而又使其具有足夠的測量效應(yīng)。
根據(jù)不同的測量任務(wù)所要求的測量范圍，可以選用相應(yīng)的輻射濾波器，為了測量其它的組分還可以將相應(yīng)的接收器和第一個接收器逐次安裝起來。
現(xiàn)在結(jié)合圖2和3的實施例來進一步說明本發(fā)明。圖2示出了能測量氣體樣品中兩種成分的非色散紅外氣體分析器，而圖3示出了能測量氣體樣品中三種成分的非色散紅外氣體分析器。
在圖2所示的非色散紅外氣體分析器中，包括一個紅外光源5，調(diào)制輻射光用的光欄輪B，盛參比氣體的樣品池V，流經(jīng)待測樣品氣體G的樣品池M，在樣品池M和V的后面裝有一個帶有薄膜電容器C1，第一液體輻射接收器E1，輻射接收器有兩個室K1和K2，它們在沿光輻射經(jīng)過樣品池M和V的輻射方向上依次排列，室中充有樣品氣體G的第一種成分例如CO氣體。
輻射接收器E1用于測定氣體樣品G中的CO，在室K1和K2中的CO氣體由于吸收經(jīng)過的輻射光而受到不同的加熱。在前面的室K1比后面的室K2產(chǎn)生的壓力要高，這個壓力差由薄膜電容器C1及圖中未示出的放大器檢測出，其讀數(shù)代表氣體樣品G中的CO濃度。
室K1和K2都裝有能透該輻射光的窗F1，因此離開第一輻射接收器E1的輻射光遇到第二個結(jié)構(gòu)相同的氣體輻射接收器E2，該接收器設(shè)置在輻射光的輻射方向上，并位于第一輻射接收器E1的后面，它所屬的兩個室K3和K4充有樣品氣體G的第二種成分，例如CO2氣體。前面的室K3用能透過該輻射光的窗F2密封，窗2的光學(xué)性能與窗F1相同。
在兩個輻射接收器E1和E2之間的光路中裝有一個輻射濾波器T1，它能透過波長入在CO2光譜的吸收頻帶范圍內(nèi)、而位于CO2基本頻帶之外的輻射光，也就是說能透過吸收性比CO2基本頻帶(波長為λ＝4.2μm)弱或比較弱的吸收頻帶的輻射光。輻射濾波器T1可為干涉濾波器，它能透過CO2光譜中的λ＝2.6μm的第一高次諧波頻帶的輻射光。
在這樣的條件下，輻射接收器E2能夠測定樣品氣體G中的CO2成分。在室K3和K4中的CO2氣體由于吸收λ＝2.6μm附近的輻射光而產(chǎn)生壓力差，這個壓力差由薄膜電容器C2和圖中未示出的放大器檢測出，其該數(shù)代表氣體樣品G中的CO2濃度。
圖3為一個非色散紅外氣體分析器，它是圖2中所示的氣體分析器的進一步改進，能同時測量氣體樣品中的三種成分。在圖中相同的元件用相同的標號標出。
在輻射接收器E1和輻射接收器E2的后面輻射光的光路中設(shè)置另一個輻射接收器E3。仍以所舉的例子來說明，輻射接收器E1測定CO，輻射接收器E2測定CO2，而新的輻射接收器E3測定樣品氣體G中的第三種成分，例如CH4，為了使輻射光能通過樣品池M、V、輻射接收器E1、輻射濾波器T1和輻射接收器后，還能透射輻射接收器E3，在輻射接收器E2和輻射接收器E3的前室K5上分別裝有透輻射光的窗F2和F3。在輻射接收器E2和E3之間裝有一個輻射濾波器T2，它能透過的輻射光必須在第一個輻射濾波器T1允許透過的輻射光的范圍內(nèi)，并要位于CH4的λ＝2.5μm吸收頻帶中。
上述的裝置只用一個氣體樣品池，就能同時測量三個不同的成分-CO、CO2和CH4。本發(fā)明的范圍不限于上述的實施例。為了測定樣品氣體中的其它成分，可以在已有的輻射接收器后面的光路中設(shè)置一個相應(yīng)結(jié)構(gòu)的類似的輻射接收器。對在輻射接收器之間所放的輻射濾波器的要求是，該濾波器透過光的頻帶范圍必須位于其前面設(shè)置的輻射濾波器的透過光的頻帶范圍之內(nèi)，以便使輻射光能達到最后一個輻射接收器后面的室中。
權(quán)利要求
1.能同時測量氣體樣品中的多種成分濃度的非色散紅外氣體分析器，它包括兩個相鄰放置的樣品池，其中一個通入樣品氣體，另一個通入?yún)⒈葰怏w，紅外輻射源(S)發(fā)出的輻射光經(jīng)調(diào)制后透過這兩個樣品池，輻射光在樣品池中被部分吸收后射到放置在樣品池后面的第一個具有兩個在輻射方向上依次排列的室(K1、K2)的氣體輻射接收器(E1)，在室中盛有樣品氣體(G)中的第一種成分，在室的輻射光橫截面上裝有能透過輻射光的窗(F1)，其特征在于一個結(jié)構(gòu)相同的第二個氣體輻射接收器(E2)設(shè)置在第一個輻射接收器(E1)的后面，輻射接收器(E2)盛有樣品氣體(G)中的第二種成分；在第一個輻射接收器(E1)和第二個輻射接收器(E2)之間裝有一個輻射濾波器(T1)，它能透過氣體樣品(G)中第二種成分的較弱輻射吸收的輻射光。
2.如權(quán)利要求1所述的非色散紅外氣體分析器，其特征在于;另一個結(jié)構(gòu)相同的用于測量氣體樣品(G)中的另一種成分的輻射接收器(E3)設(shè)置在光路中，并在前述輻射接收器的后面，在這兩個輻射接收器之間裝有一個輻射濾波器(T2)，該濾波器(T2)能透過的輻射光的頻帶范圍包括在第一個輻射濾波器(T1)能透過的輻射光的頻帶范圍之內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的非色散氣體分析器，其特征在于，輻射濾波器為干涉濾波器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種能同時測量氣體樣品中多種成分濃度的非色散紅外氣體分析器，包括兩個相鄰放置的樣品池，它們分別通入樣品氣體和參比氣體，紅外輻射源發(fā)出的輻射光經(jīng)調(diào)制后通過樣品池。一個結(jié)構(gòu)相同的第二個氣體輻射接收器被設(shè)置在第一輻射接收器的后面，并盛有樣品氣體的第二種成分。在第一和第二輻射接收器之間，設(shè)置一個輻射濾波器，該濾波器能透過樣品氣體中的第二種成分的較弱輻射吸收的輻射光。
文檔編號G01N21/31GK1052553SQ90109218
公開日1991年6月26日 申請日期1990年10月5日 優(yōu)先權(quán)日1989年11月8日
發(fā)明者瓦爾特·發(fā)賓斯齊 申請人:哈特曼·希勞恩股份公司