檢測一種或多種氣體或氣體混合物和/或測量一種或多種氣體或氣體混合物濃度的方法...的製作方法

2023-12-06 12:13:01

專利名稱：檢測一種或多種氣體或氣體混合物和/或測量一種或多種氣體或氣體混合物濃度的方法 ...的製作方法
技術領域：
本發明涉及如在所附獨立權利要求前述部分中所述的用於檢測一種或多種氣體或氣體混合物和/或用於測量一種或多種氣體或氣體混合物的濃度的方法和系統。
背景技術：
一般來說，使用基於光聲現象的檢測器進行各種氣體和氣體混合物及其濃度的檢測。當光落入充氣的腔體，該腔體包含分壓為px的要被分析的氣體及分壓為pN的承載氣體(一般為氮氣)時，輻射被氣體px吸收。目的是要測量氣體x的分壓px。在吸收過程之後，能量轉換為按一定時間常數τ(例如10-5s)的熱運動。這樣，使整個氣體的溫度每單位時間上升ΔT。溫度的上升還引起壓力的上升Δp，這可以轉換為光聲信號或能夠用作為光聲信號。本申請中使用的光這一術語應當按一般意義理解，如參照電磁輻射、包括例如紫外輻射、可見光、紅外輻射、及微波。另外，光束這一術語一般涵蓋電磁束，光源這一術語一般包含各種電磁輻射源。
一個典型的光聲檢測器包括腔體，可對該腔體提供要被分析的氣體或氣體混合物；用於允許被調製的或脈動的紅外輻射或光進入腔體的窗口；以及壓力傳感器，其被配置以測量腔體中由所吸收的紅外輻射或光產生的壓力變化。壓力傳感器一般是微傳聲器，其中例如以電容的方式測量薄的聚脂薄膜或金屬膜片的運動。光聲檢測器一般可用來測量或檢測紅外輻射，但這種檢測器一個特別且重要的應用涉及例如相對於空氣品質或汙染測量或檢測氣體或氣體混合物。
一般來說，光聲檢測器與光譜儀連接，從而光譜儀能夠用來檢測氣體混合物中各種氣體和/或用來測量氣體的濃度或分壓。如果使用光聲檢測器而不是光譜儀來測量，則檢測器對於被檢驗的氣體必須是可選擇的。根據已知的現有技術，光聲處理(photoacoustic process)中的可選擇性一般通過使用雷射器作為其輻射源而實現，該輻射源波長與氣體的任何吸收譜線一致。另一種現有技術已知的可選方式是採用與寬帶發射器連接的光學濾波器，從而通過選擇具有所需的濾波特性的光學濾波器而建立所希望的波長範圍。
在基於雷射器的測量中典型的問題是其使用麻煩。雷射器的另一問題是有限的可用波長範圍，從而限制了能夠被分析的物質的範圍。
光學濾波器典型的問題是濾波質量不佳，光學濾波器就其可選擇性來說不是最佳的。圖1示出光學濾波器的操作。如果在濾波器區域內有幾種氣體吸收，則其信號被相加而結果將是這些氣體濃度之和。光聲信號表示通過濾波器傳送的光譜區域。該信號是弱的，因為信號只由被分析的物質光譜的一部分產生。
Kovalyov與Klebleyev(A.A.Kovalyov，N.R.Klebleyev，Resonantoptoacoustic detector in nondispersive gas analyzer scheme，ifraredPhysics Technology 38，1997，pp.415-421)提出以包含已知壓力p0x要被測量氣體的腔體代替光學濾波器。根據該出版物中所述的，對光聲檢測器的測量腔體提供要被分析的氣體的樣品，目的是對於其氣體x的分壓px測量包含在其中的可分析的氣體混合物。對該腔體提供脈動光束，在測量腔體之前第一光束通過一個空的基準空間，以及在測量腔體之前第二光束通過包含已知壓力p0x要被分析的氣體的濾波器腔體。光聲檢測器，特別是其測量腔體，具有這樣的配置，使得如果測量腔體中提供的氣體樣品不包含與濾波器腔體中現有氣體相同的氣體，則腔體不形成由測量腔體中微傳聲器檢測的壓力變化。如果配置到測量腔體中的氣體樣品包含與濾波器腔體中相同的氣體，則光聲壓力變化即光聲信號將由微傳聲器檢測。
由Kovalyov與Klebleyev提出的解決方案中最明顯的問題是其不靈敏性，其最好也就等於只包含光聲測量腔體的傳統方法的靈敏度。其原因在於，與光學濾波器不同，濾波器腔體不能提供100％的吸收。如果藉助於接近100％的壓力來增加濾波器腔體的吸收，則吸收譜線的寬度應增加，這樣削弱了方法的選擇性。此外，所採用的壓力傳感器是電容式微傳聲器，其中靈敏度由膜片的硬度和膜片運動的電容式測量限制。在電容式微傳聲器中，膜片運動的某些能量由於氣體在膜片與電極之間的進出的交替流動而被消耗。
專利公開文獻US 4,373,137還公開了一種用於測量光聲壓力信號的方法，該信號通過穿過樣品腔體的脈動光束在兩段測量腔體中產生。相繼的測量腔體之間的壓力差藉助於膜片以電容方式測量，其結果是該方法如上所述靈敏度不良。
此外，專利公開文獻US 5,055,688和US 4,682,031描述了包括測量裝置的測量系統，所述測量裝置包括樣品和並排設置的基準腔體，用於把通過其的調製的光束導入測量腔體。該專利公開文獻中公開的解決方案的問題也在於，其中使用的壓力傳感器由於基於膜片運動的電容式測量而不夠靈敏。
專利公開文獻US 6,452,182進而公開了一種光度計，包括多個相繼排布的測量腔體，包含要被檢驗氣體的同位素，這與先前腔體中的不同。所述的解決方案一般目的在於，使得氣體各種同位素的測量能夠以單個的裝置在單個測量中進行。然而，該專利公開文獻中公開的該測量系統的問題在於，因上述原因的不靈敏性。
現有技術已知的光聲檢測器中的另一問題是其對於外部聲音的靈敏度。因而，現有技術已知的光聲檢測器中的氣體空間必須密封，即不能使用開放的氣體空間，但是用作為樣品空間的氣體空間必須分開填充要被測量的、一般是氣體的樣品。

發明內容
本發明的方法和系統的目的確實要消除或至少減輕如上所述現有技術引起的問題。
本發明的方法和系統的另一目的是要提供一種可選擇的且靈敏的光聲檢測器，而不需要光學濾波器。
本發明的另一目的是要提供一種能夠抑制由於外部聲音所至的幹擾因素引起的對測量結果的影響的方法和系統。
為了實現上述目的，本發明的方法和系統的主要特徵在於所附獨立權利要求的特徵部分中所述的內容。
因而，本發明一般涉及一種用於檢測一種或多種氣體或氣體混合物和/或用於測量一種或多種氣體或氣體混合物的濃度的系統，所述系統至少包括第一光源、樣品空間、以及基準空間，其中能夠向所述樣品空間配置要被檢測和/或測量的氣體，所述基準空間與所述樣品空間隔離且不包含要被檢測和/或測量的氣體。此外，本發明一個典型系統包括測量腔體，其體積為V，向該測量腔體已經配置了要被檢測和/或測量的氣體或氣體混合物。在測量腔體的壁中一般配置至少一個孔，所述孔裝設有允許被調製的和/或脈動的紅外輻射和/或光進入該測量腔體的窗口。此外，典型的系統包括用於把第一光束從第一光源導入樣品空間並進而導入測量腔體的裝置，以及用於把第二光束與樣品空間隔離地從第一光源或可能的第二光源導入基準空間並進而導入測量腔體的裝置。此外，典型的系統包括用於使第一和第二光束脈動的裝置。
根據本發明一個實施例的測量腔體包括通過孔彼此連通的兩個腔體，對第一腔體提供所述第一光束，對第二腔體提供所述第二光束，以及在所述孔中已經配置門，所述門被配置為響應第一和第二測量腔體之間的壓力差而運動，並且測量腔體包括用於非接觸測量門的運動的裝置。
在根據本發明另一實施例的系統中，測量腔體包括用於檢測由吸收的紅外輻射和/或光在測量腔體中產生的壓力變化的裝置，所述裝置至少包括配置在測量腔體壁中的孔，配置為響應氣體壓力而運動的門被配置為與該孔連接，以及用於非接觸測量門的運動的裝置。
在這種情形下，非接觸測量門的運動是指這樣的測量過程，即在門上或在機械接合中沒有安裝一個或多個傳感器或與之接觸但例如沒有在門表面上安裝壓電傳感器時所進行的測量過程。因此，在這種非接觸測量中，門上沒有安裝或與其連接任何這種會干擾和/或緩衝門運動的測量設備。這種非接觸測量方法例如包括各種光學測量技術。作為非接觸考慮的另一種測量方法是上述的電容式測量，其中電容器板之一適於包括本發明的門。
在這種情形下，樣品空間指定義或未定義、隔離或非隔離、密封或開放的空間，可對該空間提供要被檢測和/或測量的氣體或氣體混合物，或在該空間中，要被檢測和/或測量的氣體或氣體混合物能夠自由地或以控制的方式轉移，以及通過該空間能夠提供光束。因而，這種樣品空間例如可以是封閉且環境防護的腔體，該腔體至少具有一個配件，諸如龍頭或閥門，用於對腔體填充和排放所需的氣體或氣體混合物。例如樣品空間還可以是已經配置有洞的管狀空間，所述洞用來為氣體提供自由或受控制地進入樣品空間。樣品空間還可以是虛的且幾乎是無限的空間，該空間沿被導入空間的光束的通路形成。向樣品空間提供氣體是指所有這樣的過程，即通過該過程樣品空間應包含要被檢測/測量的氣體或氣體混合物。這種過程例如包括向樣品空間輸送氣體，或把至少局部開放的樣品空間帶到包含要被檢測/測量的氣體或氣體混合物的位置或設施。樣品空間例如還可以是用於在過程中，諸如製藥過程中使用的氣體、氣體混合物、液體或固體物質的流動和/或存儲的過程管路或容器。樣品空間例如還可以是包含燃燒過程的廢氣的管路或管道，或其可預見的擴展。
在這種情形下，基準空間指與樣品空間隔離的定義的空間，其不包含要被檢測和/或測量的氣體或氣體混合物，或按已知的量出現。基準空間例如可包含某些在所希望的波長範圍內非吸收的適當的氣體，諸如紅外範圍內的氮氣。
在這種情形下，第一和第二光束不是指光束的時間和時間連結順序，術語第一和第二隻是用來相互區分光束。因而，按時間順序第一光束能夠被導入樣品空間或基準空間任何之一。
在這種情形下，光束脈動是指光束這樣的排序，使得允許光束按已知的時間周期通過樣品空間或基準空間進入測量腔體。脈動可同步或異步實現。在同步脈動中，允許第一和第二光束同時通過樣品空間和基準空間。在異步脈動中，允許光束交替通過樣品空間或者基準空間。在某些應用中，還可以允許光束某些時間同時通過樣品空間和基準空間而某些時間交替通過這些空間之一的方式來實現異步脈動。脈動可以電的方式或機械方式實現。因此，例如對於第一和第二光束可使用分離的光源並按所需的速率接通和關斷所述光源來實現脈動。例如，可通過控制向雷射器的供應電流進行雷射器的脈動。脈動還可以使用機械斷路器實現，所述斷路器能夠使從同一個光源向樣品空間和基準空間提供的光束脈動。
在本發明的一個系統中，門的表面積小於等於腔體中配置的孔的表面積。在這種情形下，孔面積表示孔中虛的平面表面的表面積。門的表面積表示突出到孔的虛平面表面的方位投影的表面積。因而，例如如果門具有彎曲的表面，則門可能具有大於孔的表面積的實際表面積，但即使在這種情況下，本發明的門的方位投影具有小於孔的表面積的表面積。
在本發明的一個系統中，門至少沿一側固定到環繞橫向門表面的框架結構上。在一種高度優選的情況中，門和框架以矽構成，例如通過在矽盤中形成槽，該槽離開緊固點，把門與形成框架的盤的另一部分分開。
在本發明的一個系統中，用於非接觸測量門的運動的裝置包括光學測量組件，其至少包括用於照射門或其一部分的一個或多個光源，以及用於接收從門反射的光，並用於作為光角度和/或平移測量來測量門的運動的一個或多個檢測器，或電容式測量組件，其中門或其一部分鍍以金屬，或門以高度導電的材料製造，且所述測量組件包括配置在門的附近的金屬膜片或鍍金屬的膜片，以及用於測量由門和金屬膜片構成的電容器的電容量變化的裝置。在某些應用中，所述系統還可以包括光學和電容式測量組件。除了光學和/或電容式測量組件之外，該系統還可包括用於非接觸測量門的運動的其它測量組件。
根據本發明的一個實施例，測量腔體包括通過孔彼此連通的兩個腔體，對第一腔體提供所述第一光束，對第二腔體提供所述第二光束。所述孔裝有適於響應在測量腔體的第一和/或第二部分中發生的氣體壓力變化而運動的傳感器。此外，在測量腔體中或在與其連通中裝有用於光學測量傳感器運動的裝置。
在本發明的一個系統中，測量腔體至少包括一個孔，從而測量腔體是可排空的，且通過該孔可對測量腔體配置至少一種按已知分壓要被檢測和/或測量的氣體。
此外，根據本發明一個實施例的系統包括用於從由第二光束產生的光聲信號減去第一光聲信號的裝置。根據本發明一個實施例的系統包括用於測量光聲信號的振幅的鎖相環。
在本發明的一個系統中，測量腔體被配置為Helmholtz共振器。
在本發明的一個系統中，第一和第二光束被配置為以同一個光源產生。
在本發明的一個系統中，第一和第二光束被配置為以分離的光源產生。
在本發明的一個系統中，樣品空間被配置為對於環境至少是部分開放的，從而要被檢測和/測量的氣體能夠自由通過而進入樣品空間。根據本發明一個實施例，樣品空間包括管狀空間，其裝設有孔，供氣體自由或受控制通過而進入樣品空間。根據本發明的一個實施例，樣品空間是虛的且幾乎是沒有限制的空間，其沿被導入該空間的光束通路進展。這種到其中要被檢測和/或測量的氣體能夠找到自由通路的樣品空間獲得的優點在於，為了使要被檢測和/或測量的氣體通過而進入樣品空間，不需要特別的配置，因為只要使樣品空間到包含或預期包含要被檢測和/或測量的氣體的位置即可。帶有這種完全或部分開放的樣品空間的系統，例如能夠在測量設備或警告裝置中使用，這些設備和裝置用來分析呼吸或室內空氣或從液體或固體物質蒸發的氣體。
根據本發明的一個實施例，樣品空間是過程管路或容器，其用來流動和/或存儲諸如在製藥過程這樣的過程中使用的某些氣體、氣體混合物、液體或固體物質。因此，本發明的系統和方法可在所討論的過程及其管理、控制和/或監管中涉及的測量和監視中使用。
根據本發明的一個實施例，樣品空間是包含燃燒過程的廢氣的管道或管路，或其可預見的擴展。因此，本發明的系統和方法能夠用來管理、控制和/或監控燃燒過程，或例如用於監視和測量排放。
在本發明的一個系統中，配置到基準空間的是這樣的氣體或氣體混合物，其既不包含要被測量或檢測的氣體，也不引起在所需波長範圍內的光束的吸收。這種氣體一個明顯的例子是氮氣。
在本發明的一個系統中，系統包括彼此隔離、包含各種氣體的測量腔體，並包含適配於響應氣體壓力變化而運動，以及用於交替移動測量腔體的裝置，以接收第一和第二光束用於實現測量的傳感器裝置。
在本發明的一個系統中，所述系統包括幾個彼此隔離的測量腔體，其包含各種氣體並包括適於響應氣體壓力變化而運動的傳感器，所述測量腔體被配置得使第一和第二光束通過所有測量腔體而不移動測量腔體。
在本發明的一個系統中，測量腔體被相繼配置。
在本發明的一個系統中，測量腔體被並排配置，並且所述系統包括用於將第一和第二光束分為相等光束並用於把這些光束導入測量腔體的裝置。
根據本發明的一個實施例的用於檢測一種或多種氣體或氣體混合物或用於測量一種或多種氣體或氣體混合物的濃度的方法，該方法至少包括以下步驟-把第一光束導入樣品空間，向該樣品空間配置要被檢測的氣體和/或要被測量的氣體混合物，用於對於其分壓px測量其所需的成分x，並進而導入與樣品空間隔離的測量腔體，向該測量腔體配置要被檢測和/或測量且處於已知壓力p0x的氣體，且所述測量腔體包括通過孔彼此連通的兩個腔體，對第一腔體提供所述第一光束，向腔體之間的該孔配置門，所述門配置為響應第一和第二測量腔體之間的壓差而運動，
-把第二光束導入與樣品空間隔離的基準空間，並進而導入與基準空間隔離的測量腔體，使得第二光束至少在測量腔體的上遊總是與樣品空間隔離，併到達測量腔體不同於接收第一光束部分的一部分，-使第一和第二光束脈動，使得由此產生用於配置在測量腔體中的光聲壓力傳感器的光聲信號，-通過非接觸測量所述門的運動來檢測光聲信號，所述信號用於檢測氣體x和/或用於測量氣體混合物中氣體的濃度或分壓px。
根據本發明的一個實施例的用於檢測一種或多種氣體或氣體混合物或用於測量一種或多種氣體或氣體混合物的濃度的方法，該方法至少包括以下步驟-把第一光束導入樣品空間，已向該樣品空間配置要被檢測的氣體和/或要被測量的氣體混合物，用於對於其分壓px測量其所需的成分x，並進而導入與樣品空間隔離的測量腔體，已向該測量腔體配置要被檢測和/或測量且處於已知壓力p0x的氣體，所述測量腔體包括通過孔彼此連通的兩個腔體，對第一腔體提供所述第一光束，向腔體之間的孔配置傳感器，所述傳感器配置為響應第一和第二測量腔體之間的壓差而運動，-把第二光束導入與樣品空間隔離的基準空間，並進而導入與基準空間隔離的測量腔體，使得第二光束至少在測量腔體的上遊總是與樣品空間隔離，併到達測量腔體不同於接收第一光束部分的一部分，-使第一和第二光束脈動，使得由此產生用於適配在測量腔體中的光聲壓力傳感器的光聲信號，-通過光學測量所述傳感器的運動來檢測光聲信號，所述信號用於檢測氣體x和/或用於測量氣體混合物中氣體的濃度或分壓px。
根據本發明的一個實施例的用於檢測一種或多種氣體或氣體混合物或用於測量一種或多種氣體或氣體混合物的濃度的方法，所述方法至少包括以下步驟-把第一光束導入樣品空間，已向該樣品空間配置要被檢測的氣體和/或要被測量的氣體混合物，用於對於其分壓px測量其所需的成分x，並進而導入與樣品空間隔離的測量腔體，向該測量腔體配置要被檢測和/或測量且處於已知壓力p0x的氣體，所述測量腔體體積為V，並對該測量腔體的壁配置至少一個孔，帶有允許第一光束進入該測量腔體的窗口，且所述測量腔體包括用於通過吸收的紅外輻射和/或光，檢測測量腔體中產生的壓力變化的裝置，所述裝置至少包括-配置在測量腔體的壁中的孔，配置門與該孔連接，所述門配置為響應氣體壓力變化而運動，以及-用於非接觸測量門的運動的裝置；-把第二光束導入與樣品空間隔離的基準空間，並進而導入與基準空間隔離的測量腔體，使得第二光束至少在測量腔體的上遊總是與樣品空間隔離，並通過所述窗口或配置到測量腔體的分離的第二窗口而到達測量腔體，-使第一和第二光束脈動，使得由此產生用於配置在測量腔體中的光聲壓力傳感器的光聲信號，-通過使用以上確定的裝置進行測量來檢測光聲信號，並使用檢測到的光聲信號用於檢測氣體x和/或用於測量氣體混合物中氣體的濃度或分壓px。
在某些應用中，測量腔體只包含要被測量的氣體x。在某些實施例中，測量腔體可能優選地按已知量也包含某種其它氣體。
在本發明的一個方法中，在測量之前排空測量腔體，隨後向其提供在已知壓力p0x下要被檢測和/或測量的氣體。這使得能夠切換在測量腔體中存在的氣體或多種氣體，從而對於測量幾種不同的物質能夠使用同一個光聲檢測器。
在本發明的一個方法中，第一和第二光束通過單個光源產生。使用單個光源獲得的優點在於，第一和第二光束在強度上必定是相等的。
在本發明的一個方法中，通過分離的光源產生第一和第二光束。通過分離的光源獲得的優點在於，在某些應用中，檢測器就其機械結構而言比較簡單，因為對於脈動不需要分離的斷路器。使用一個光源或兩個光源之間的選擇必須按具體應用的要求作出。因此，例如在一個具體應用中如果需要結構上簡單的解決方案，就選擇使用兩個分離的光源。相應地，當應用進行的測量要儘可能精確和可靠是特別重要時，就選擇使用單個的光源。
在本發明的一個方法中，該方法用於同時檢測幾種氣體，對測量腔體提供受到檢測的氣體混合物，並通過調節氣體的已知分壓確定一種或多種氣體的檢測閾值。
在本發明的一個方法中，該方法用於同時檢測幾種氣體，通過為每一種要被測量的氣體提供與其它腔體隔離的測量腔體，在時間上相繼測量各種氣體，所述測量腔體包括光聲壓力傳感器，並對該測量腔體配置要被測量的氣體，且其中測量腔體被配置為接收第一和第二光束，用於實現時間上相繼的測量。
在本發明的一個方法中，該方法用於同時檢測幾種氣體，通過為每一種要被測量的氣體提供與其它腔體隔離的測量腔體，同時測量各種氣體，所述測量腔體包括光聲壓力傳感器，並對該測量腔體配置要被測量的氣體，並通過按一種使得第一光束和第二光束穿過測量腔體的配置設置測量腔體。
在本發明的一個方法中，至少某些測量腔體被一個接一個地配置。通過向一個接一個配置的測量腔體中提供不同氣體或氣體混合物，並通過配置通過這些相繼腔體的第一和第二光束的通路，能夠通過單個測量系統，一般是在一次測量中測量和/或檢測幾種不同的氣體。
在本發明的一個方法中，至少某些測量腔體並排地配置，第一光束和第二光束被分離為被引導到測量腔體中的相等的光束。這是另一種解決方案，其通過單個測量能夠測量和/或檢測幾種不同的氣體。
在本發明的一個方法中，採用的測量腔體使用Helmholtz共振器，這增加了共振頻率的壓力脈衝。


現在將參照附圖更為詳細地說明本發明，其中圖1示意性示出使用現有技術的光學濾波器的濾波過程，
圖2示意性示出本發明的測量方法的一個實施例，圖3示意性示出光聲信號對要被測量氣體的分壓px的比例，圖4示意性示出本發明的多成分分析器的一個實施例，圖5示意性示出藉助於連接通道構成Helmholtz共振器的測量腔體，圖6示意性示出變化頻率信號的發展狀態，採用的測量腔體包括傳統的腔體，且測量腔體設計為Helmholtz共振器，圖7示意性示出本發明中使用的壓力傳感器的一個實施例，圖8示意性示出本發明中使用的壓力傳感器的一個實施例，圖9a-9c示意性示出本發明中使用的且配置為響應壓力變化而運動的傳感器的一個實施例，圖10示意性示出本發明的測量腔體的一個實施例，圖11示意性示出本發明的測量腔體的一個實施例，圖12示意性示出本發明的測量配置的一個實施例，圖13示意性示出本發明的測量配置中使用的光源配置的一個實施例，圖14示意性示出本發明的測量方法的一個實施例，以及圖15示意性示出本發明的測量方法的一個實施例。
具體實施例方式
圖2示意性示出本發明在其一個實施例中的系統和測量方法。圖中描述的系統包括能夠產生測量中使用的光束的光源S。斷路器2使對於第一光束4和第二光束6的光束脈動，光束4和光束6藉助於球面鏡8被收集並被導入樣品腔體A，該腔體的功能是作為樣品空間並具有要被分析的氣體混合物，氣體混合物包含以分壓px要被測量的氣體，以及光束4和光束6被導入作為基準空間的基準腔體B。該測量系統被配置得使第一光束4穿過樣品腔體A，並進而由此進入光聲測量腔體。腔體A和B使它們的末端以窗口10封閉，該窗口透過測量中使用的光束，但同時把樣品和基準腔體與周圍環境連同腔體壁隔離。
所示腔體A和B的每一個例如可由金屬管構成，其帶有必要的閥門(例如一個或幾個閥門)，用於排空或充填腔體。此外，樣品腔體A可由金屬管制成，其帶有幾個洞，用於為樣品氣體提供進出樣品腔體的自由通路。測量腔體C也帶有用於使測量腔體充填和最終排洩的裝置。
如圖中所示，在光聲測量腔體C中配置平面鏡12，其偏轉第一和第二光束的傳播方向達一個延伸通路長度。此外，在光聲測量腔體C中配置用於檢測在腔體中發生的壓力變化的壓力傳感器14。圖7和8中更為精確地描述了可行的壓力傳感器14的示例性實施例。
本發明的示例性方法不使用或不需要傳統的光學濾波器，而是以已知壓力p0x出現在測量腔體C中的要被測量和/或檢測的氣體或氣體混合物x，使得光聲測量腔體起到對氣體x可選的檢測器的作用。該可選的檢測器用作樣品空間A的常規透射測量法。本發明的測量配置與Kovalyov與Klebleyev的專利公開文獻中描述的方法相似，其中第一腔體用作藉助於已知壓力p0x的可選濾波器，而第二光聲腔體包含要被分析的氣體混合物，從該氣體混合物測量分壓px。這樣，在本發明中，對於改進選擇性和靈敏度，腔體具有反向作用。以下理論是對此最好的解釋。如圖2所示的光聲測量腔體C吸收功率(1)----IA=0I0(v)(1-e-p0xlEx(v))dv,]]>其中Ex(v)表示樣品x的吸收光譜，而v是波數。光聲信號的振幅與IA成比例。由於I0(v)=I00(v)e-pxLEx(v),]]>其中I00(v)表示輻射源的功率，結果將是(2)----IA=p0xl0I00(v)Ex(v)dv-pxp0xLl0I00(v)Ex2(v)dv,]]>其中L是光束在樣品中穿過的距離，而I是光束在測量腔體中穿過的距離。
如果e-pxLEx(v)1-pxLEx(v)]]>以及1-e-p0xlEx(v)p0xlEx(v).]]>就是說，方程式(2)可表示為(2′)IA＝常數-px常數′(參見圖3)。進入基準腔體B的信號振幅為 這是從方程式(2)獲得的，因為在腔體中不存在樣品x時px＝0，但其可能包含某些其它氣體(例如N2)。如果通過腔體A的輻射的信號是從通過腔體B的輻射的信號中抽取的，則差分信號將具有振幅(3)----IB-A=pxp0xLl0I00(v)EX2(v)dv]]>在圖2的系統中，如果光束反相，則壓力傳感器傳遞差分信號。差分信號的振幅藉助於鎖相環(PLL)測量。
本發明的系統和方法提供了若干優於現有技術解決方案的好處。例如，關於使用分光鏡方法可獲得的選擇性，該測量方法具有非常好的選擇性。如果腔體A包含處於分壓px的樣品x以及處於分壓py的樣品y，且測量腔體C也只包含處於壓力p0x的樣品x，通過腔體A的輻射在測量腔體C中產生光聲信號，其振幅為(4)IA=0I00(v)[1-L(pxEx(v)+pyEy(v))]p0xlEx(v)dv]]> -pyp0xLl0I00(v)Ex(v)Ey(v)dv]]>這樣，差分信號振幅為
(3′)IB-A=pxp0xLl0I00(v)Ex2(v)dv+pyp0xLl0I00(v)Ex(v)Ey(v)dv]]>pxp0xLl0I00(v)Ex2(v)dv]]>因為0I00(v)Ex(v)Ey(v)dv0I00(v)Ex2(v)dv.]]>一般，對於不同的分子，吸收譜線具有不同的位置，並在高解析度(都卜勒極限)不重疊。
此外，樣品空間A能夠被設計為圖10中所示的開放結構，並甚至沒有壁。這種情況下，該裝置測量px，px正比於位於從輻射源向測量腔體C行進的光束通路中的樣品x中的分子數目。
測量結果不受樣品空間A中出現的壓力、溫度、其它氣體及其波動的影響。
另一觀察結果是該測量方法與傳統的pxminlLpxmin]]>(傳統)相比，改善了其靈敏度。這樣，相對於傳統的光聲方法，檢測閾值Δpxmin大約降低因子I/L。
本發明的方法使得能夠提供一種警告裝置，從而能夠同時檢測幾種氣體。如果光聲測量腔體C以氣體混合物填充，則氣體混合物的分壓和為 方程式(3)得出的信號振幅將為(5)----IB-A=ipip0iLl0I00(v)Ei2(v)dv,]]>其中pi是腔體A中各氣體的分壓，而Ei(v)是氣體i的譜。分壓p0i可用來對所述氣體調節警告界限。
相應地，能夠實現一種多成分分析器a)按時間順序測量多種成分。對每一氣體i提供其自己的腔體Ci，該腔體包含處於已知分壓p0i的氣體i。腔體Ci按時間順序C1，C2，C3，...被循環(移動)到測量位置。信號的振幅為
(6)----IB-A=pip0iLl0I00(v)Ei2(v)dv,]]>其中pi是腔體A中要被測量的第i個氣體成分的分壓。腔體Ci或者通過在迴轉盤(「旋轉器」)上旋轉設置在測量位置中，或者藉助於線性運動設置在直線板上。
b)同時測量多種成分。腔體Ci按順序設置，使得光束穿過測量腔體(參見圖4)。壓力傳感器14P1，P2，P3，...對於每一氣體產生信號。另一可能是把測量腔體Ci並排放置，並把通過腔體A和B的光束劃分為相等的光束，這些相等的光束被光學導入到測量腔體Ci。劃分可藉助於光束分光器無輻射損失地實現。
為了進一步改進靈敏度，測量腔體C可被設計為Helmholtz共振器(參見圖5)。如圖中所示，測量腔體C包括兩個腔體29和22，它們通過長度t、截面積為A的通道24連接。如圖中所示的測量腔體，例如可通過在單塊工件中加工腔體C的多個部分並在各部分之間鑽出通道20來製成。
共振(7)----f0=c022AtV0]]>其中c0表示聲音在氣體中的速度，可根據圖6通過將斷路器的頻率調節到f0而利用所述共振。
此外，後壁可以是用於使信號加倍的反光鏡。此外，如果電容式壓力傳感器由更靈敏的傳感器，例如在圖9a-9c中以及本申請人較早的專利申請PCT/FI2003/000684中更為詳細描述的門代替，也具有明顯的共振，也可將該共振調節到f0。我們把這一方案稱為雙共振傳感器。雙共振通過乘法器100可易於用來增加傳感器的響應。總的來說，新的方法能夠提供相對於傳統方法大約1000倍的傳感器響應。
一個好處在於，本發明的系統和方法的定標相當直接並能夠自動進行。由於斷路器是旋轉的，腔體A使其窗口被覆蓋以提供信號振幅(參見方程式(2))。
其中變化只由p0x和I00(v)引起。這些量值也以常數′出現，因而定標保持角度係數不變(參見圖3，方程式(2』))。此外，如果p0x＝0，則信號總是0。每一要被測量的成分只需要一個定標值IA(方程式(8))。為了比較，在這種情形下，可以注意到，現有技術典型的傳感器需要被檢驗的氣體中出現的所有那些物質的譜，雖然甚至不希望測量它們的濃度。
該方法還有這樣的功能，即填充腔體A達到壓力p0x，並在測量腔體C中具有要被測量的氣體，即px和py。
現有技術的已知氣體測量系統，諸如本申請之前部分中出現的測量系統的精確性，也可通過以本發明的光學測量系統代替現有技術對門的運動的電容式測量而得到改進。光學測量對門(或膜片)的運動幹擾很小。根據本發明，運動可以或者藉助於門(或膜片)的角度，或者藉助於在門(或膜片)處某點的平動位移而被測量。
圖7和8示意性並通過例子示出在本發明的組件和方法中可行的壓力傳感器的某些實施例。
圖7示出基於角度測量的測量配置，該配置利用由雷射器30提供的光學指示器、包括雙傳感器32的檢測器。除了用作傳感器的門34之外，測量組件包括作為光源的雷射器30、用於聚焦光束的光學透鏡(圖中未示出)、以及雙傳感器32，其用於接收和測量雙傳感器32的從門34反射的光束v。因而，雙傳感器包括第一檢測器和第二檢測器。該組件以這樣的方式實現，使得光束v的焦點位於雙傳感器上。圖7示出了響應在對其施加壓力變化而運動的門。以下參照圖9a-9c更為詳細描述門的設計。在某些實施例中，門還可以由微傳聲器、薄的聚脂薄膜或金屬膜片代替，其響應對其施加的壓力變化而運動。門優於更傳統的膜片的優點在於，門對壓力波動有較高的靈敏度。
圖7中所示的角度測量使其角位移Δα轉換為由雙傳感器32測量的平移運動Δy＝α2Δα。角度Δα是門被雷射束照射的部分內的平均角位移。
由圖7中所示的光學指示器提供的優點例如包括其簡單的設計、對門或膜片運動無幹擾，以及雙傳感器抑制雷射器光的光子噪聲這樣的事實。優選地，門上雷射器光點的尺寸大。
圖7中所示門或膜片的運動還可作為平移測量而被測量。除了門之外，與圖7中所示組件相同的方式，這種組件包括作為光源的雷射器、雙傳感器、以及第一光學透鏡。然而，平移測量組件將不同於圖7中所示的組件，不同之處在於所述第一光學透鏡將被用於把光束焦點對準到處於靜止或未運動狀態的門的表面上。該組件還包括第二光學透鏡，用於聚焦從門反射到雙傳感器的光束。光源、光學透鏡、以及雙傳感器在平移測量中將這樣配置，使得當門/膜片靜止時，在達到門與從其反射的光束之間有90度的角度。平移測量提供的優點例如在於，雷射束聚焦於門的表面上，而且門可以有不良的光學質量。
根據本發明的一個實施例，門(或膜片)的運動還可藉助於幹涉計以光學方式測量。圖8描繪了一種可用於本發明的用於使用所謂Michelson幹涉計測量門(或膜片)的運動的測量配置。如圖中所示，該配置除了門34本身之外還包括用作光源的雷射器30、用於聚焦雷射束的光學透鏡(圖中未示出)、用於對於門34和基準反光鏡38劃分雷射束的光束分光器36，即半透明反光鏡或半反射器、以及用於接收來自光束分光器36的雷射束的基準反光鏡38和三傳感器40。在該配置中，雷射束在門和基準反光鏡上大約都處於焦點。調節基準反光鏡38使得垂直於紙面的3/4幹涉線進到由三個傳感器組成的三傳感器40上。當門運動而x變化時，幹涉線橫向運動通過檢測器橫向運動。在x變化λ/2時幹涉線跨過一個線空間(line space)，其中λ表示雷射器30的波長。
如果門運動小於＜λ/4，則上述測量配置中的三傳感器可由類似於光學指示器中使用的雙傳感器代替。
圖8中所示的幹涉測量的好處例如包括響應高度的線性，即便門(或膜片)的運動覆蓋幾個波長。絕對精確性高，因為幹涉信號的形狀精確地符合1/2(1+COS(2πz/D))形狀。此外，雷射器能夠幾乎如同一個圓點聚焦到門的測量點上，不會對結果有衍射影響。雷射器功率I00的變化也不會影響測量結果的值。
當彼此比較圖7中所示的光學指示器與圖8中所示的幹涉計時，可以得出如下結論兩種測量配置都提供了關於測量精確性和靈敏度本質上的改進。幹涉測量某種程度上甚至比光學指示器更加精確，但同時該測量配置稍微複雜些。因此，必須考慮必需的靈敏度，並根據具體的應用和情形選擇所採用的測量方法。
如圖7和8中所示的壓力傳感器，例如，通過提供帶孔的測量腔體C，可與圖2，4，5，10，12，14和15中描述的測量配置連接，壓力傳感器與所述孔緊密配合。當連接壓力傳感器之後測量腔體C填充氣體時，壓力傳感器的內部也將被填充。當在測量腔體C中存在的氣體在測量過程期間受到壓力波動時，門(或膜片)運動，可使用圖7和8中所示的光學測量配置測量門(或膜片)的運動。
在某些實施例中，門(或膜片)運動的無接觸測量例如可以電容方式實現，而不是諸如圖7和8中所示的光學測量那樣的光學測量。然而，光學測量提供了更好靈敏度的好處，因為門或膜片由此不會受到阻礙或阻止其運動的力。
圖9a-9c示意性的和以示例的方式示出了根據本發明的一種矽製成的門，其功能是作為壓力傳感器。壓力傳感器包括用作門框架或邊框的板狀框架元件，以及由槽與板狀元件分開的門。L表示門的橫向尺寸，h是其高度，d是其直徑，而Δ是槽的寬度。
當使用根據圖9a-9c中所示的實施例的門傳感器時，必須在門和壁之間優選地形成一個儘可能窄的間隙。測量腔體通過該間隙洩漏，其結果是傳感器具有由門間隙的面積確定的較低的閾值頻率fout，foutv0aV0]]>
另一方面，在壓力傳感器的腔體與測量腔體C之間優選地提供一個小洞，其平衡腔體之間的緩慢的壓力變化，且所述洞可因此被設計為如之前所述的、門和門框架之間的間隙。門設計的優化已在上面引述的申請人的較早專利申請PCT/FI2003/000684中更為詳細地描述，其內容和說明書在此結合作為本申請說明書的一部分。
圖10示意性示出本發明測量腔體的一個實施例，其在本發明的系統和方法中是可行的。圖10中描述的測量腔體不同於例如圖2中所示的測量腔體，區別在於測量腔體C由彼此以壁分開的兩個腔體52和52』組成。腔體50和50』實際上彼此相同，即按照尺寸和形狀彼此匹配。換言之，對於第一光束和第二光束的每一個有一個單獨的腔體。已在兩個腔體中配置壓力傳感器14，例如圖7和8中所示的壓力傳感器。以如圖2中所示腔體C相同的方式，在每一腔體52和52』中配置要被測量的氣體。如圖10中所示，腔體52和52』在其前部分包括允許第一和第二光束進入腔體52和52』的窗口。還可以在前部分配置兩個允許光束進入腔體的分離的窗口。如圖中所示，腔體52和52』在其背壁包括用於回反射進入腔體的光束從而延伸腔體內被光束覆蓋的距離的反光鏡。
圖11示意性示出本發明測量腔體的另一實施例，其在本發明的系統和方法中是可行的。在圖11所示的測量腔體中，測量腔體被壁50劃分為兩個腔體52和52』，這與圖10中所示的測量腔體的方式相同。這樣，腔體52和52』彼此相同，即它們在體積並優選地是在形狀上相等。圖11中所示的測量腔體，就監視和/或測量在腔體中出現的壓力變化來說，不同於圖10所示的測量腔體。如圖11中所示，壁50裝設有用來彼此連接腔體52和52』的洞，從而測量腔體可被看作是包括兩個子腔體的單個腔體。壁50中的洞裝有門34，例如類似於圖7，8或9a-9c中所示的門。
在測量之前，一般處於已知壓力p0x的要被測量/檢測的氣體或氣體混合物被配置在測量腔體中，氣體或氣體混合物以相同的壓力出現在每一腔體52和52』中。因此在通常情形下，即當氣體沒有被測量/檢測，或當在樣品空間中不存在要被測量/檢測的氣體或氣體混合物時，在腔體52和52』之間沒有壓力差，且門是靜止的。在測量腔體中，即在腔體52和/或52』中，隨著壓力變化，例如響應導入到腔體的光束，腔體52和52』在它們之間形成壓力差，門34即運動。
根據圖11中所示，為了檢測門34的運動，能夠檢測或測量門34運動的光學測量配置60被配置在測量腔體中，即與圖中所示的腔體50連通。作為可用的光學測量配置，其能夠使用例如參照圖7和8描繪和描述的配置。這樣，測量腔體52裝設有由窗口10閉合的孔，通過該窗口在測量中使用的雷射束s可被導入和導出腔體。
圖12示出一個實施例，其中已通過樣品空間(A)和基準空間(B)的光束，藉助於球面鏡8被導向或偏轉進入共同的測量腔體(C)。
圖13示意性示出產生在測量配置中適用的光束的一個實施例。圖13的解決方案包括兩個分離的光源S1和S2。可用的光源S1和S2例如由雷射器提供。如果光源被交替地調製，則可省略斷路器。
圖14示意性示出實現本發明的系統和方法的一個示例性實施例。如圖14中所示，樣品空間A對於其周圍環境完全開放，以便對於要被測量/檢測的氣體或氣體混合物提供進出樣品空間的完全自由的通道，對於測量過程不必分開填充樣品空間。開放的樣品空間在各種警告和監視應用中特別適用。關於開放的樣品空間的使用的示例性應用，例如包括永久性安裝的或個人的、用於檢測氣體或氣體化合物的移動警告裝置。此外，開放的樣品空間可在各種工業生產過程中使用。
圖15示意性示出圖2的配置的一個實施例。如圖15中所示，供應管路70延伸到樣品空間A，其連接到工業過程的過程管道，諸如氣體管線或包含氣體的管路。沿供應管路70，要被分析的氣體或氣體混合物可傳送到樣品空間，以便檢測所需的氣體或氣體混合物，和/或測量其濃度。還可以向樣品空間A連接返回管路72，沿該管路傳送到樣品空間A中的氣體可從樣品空間釋放。被分析的氣體進入樣品空間的通道，例如可藉助於氣體作用在實際過程管道或管路中的氣體的壓力或運動提供，氣體沿供應管路進入樣品空間遷移，並進而沿返回管路從樣品空間出來。供應管路70和返回管路72還裝有閥門74，用來調節氣體/氣體混合物進入樣品空間和/或從樣品空間出來的流率。在某些應用中，或者供應管路或者返回管路可配有用於提高氣體/氣體混合物的流量的泵。
本發明的系統和方法可用於多種應用和目的。這方面引人注意的應用包括工業測量，諸如在製藥、化學、處理、以及林業、過程控制和管理。此外，根據本發明的系統和測量方法例如可用於測量和控制從發電設施及燃燒過程的排放，以及這種過程的管理。
本發明的系統還可用作為其它過程應用中以及在過程控制及調節系統中的測量和/或監視裝置。這種應用的例子包括在半導體工業製造過程中的控制或調節測量，例如對於各種氣體的濃度和類型的測量，對於紙張和板材工業中生產和加工工作過程的各種控制，例如對於造紙中在向紙幅(paper web)施加化學藥品之前的化學藥品量的測量，化學藥品或者來自完工的紙幅、來自造紙機的溼端，或者來自某些其它過程。關於適當過程工業應用進一步的例子包括製藥、化學、石油工業，及其中的各種操作的各種處理。
本發明的系統和方法可單獨使用，或作為某些其它測量或監視系統的集成部分使用。本發明的系統還能夠結合用於蒸發被檢驗的物質的附加系統或裝置，在這種情形中，本發明的測量可根據蒸發的氣體進行。還能夠使檢驗下的物質受到所需波長範圍的輻射，輻射吸收進入物質中以便於測量過程。如以上所指出的，被這樣檢驗的物質可以或者是氣體、液體的形式，或者是固體狀態。因而，本發明的系統和方法例如能夠用在測量或監視傳送器攜帶工件的性質或質量，在造紙工業中測量紙幅性質，以及測量活體生物。
本發明的系統和方法還可用在測量液體，使得測量通過液體進行，或者要被測量/檢測的液體，或者所需的來自液體的要被測量/檢測的氣體配置在測量腔體中。
本發明的系統還可連結到在線系統。如果根據本發明在在線系統中使用局部或完全開放的樣品空間，則測量可以非常簡單和可靠的方式實現，因為分離的樣品空間填充系統和機構不是絕對必要的。
此外，本發明的系統和方法可用在各種可攜式和固定氣體分析器，諸如呼吸空氣分析器(respiratory air analyzer)，以及用在各種警告器中，諸如一氧化碳或廢氣警告裝置。
另外，本發明的系統和方法可單獨或作為基於測量呼吸空氣的警告器和裝置中的一個部件使用，例如它們能夠用於運動設備和運動研究。這種運動設備的明顯的例子包括運動訓練中使用的測試設備，以及諸如用在潛水並至少部分基於分析或測量呼吸空氣的潛水計算機這樣的裝置。
如上所述，本發明的系統和方法可在範圍廣泛的應用中使用。該系統和方法例如可用於食品工業的一般質量控制和監視測量、以及特別是用在過程控制、分析的傳感自動化、微生物學、在控制香蕉乙烯熟化的使用、以及食品存儲的監視。此外，該系統可用於空氣品質諸如放射的測量、環境和建築技術的各種應用、以及汽車和能源工業中用於測量例如工業放射、建築自動化應用、以及用在關於研討會室內警告器的實現。
本發明還可用於實現安全工業中所需/採用的多種測量設備和警告器，例如用於檢測火(例如煙霧和/或一氧化碳警告)、有毒物排放、有毒和搏鬥氣體(combat gas)、以及對人或動物有害或危險的其它藥劑。此外，根據本發明的技術可用於設計可能的犯罪調查(例如火源分析，犯罪現場調查)中所需的測醉儀和其它測量/檢測設備。
本發明的系統和方法可用於設計不僅是上述的空氣呼吸計，而且是實際的呼吸空氣診斷設備。這種應用的例子包括用於測量呼吸空氣的氣體的測量設備、非擴散的Hb測量、非擴散的葡萄糖測量、非擴散的CO2或O2測量、非擴散的血液氣體分析，以及對腹中菌株的分析和測量。
還能夠設計可用在建築技術的測量設備，用於結構化模具測量，並用在材料技術中，例如材料的識別，以及涉及材料的性質和氣體排放的研究。
本發明不意味著限於以上說明書中所述的實施例，但在權利要求和說明書中公開的發明概念內可以改變。修改各前面和後面部分使得可構成各種各類的分析器和測量系統。此外，上述本發明的測量腔體還可用於其它用來檢測光聲信號的測量系統。此外，本發明的測量腔體還可結合與上述不同的輻射源、基準腔體、及樣品空間。自然對於業內專業人員，為了主要的好處，本發明的測量腔體自然可被集成和使用在不包含基準腔體的測量系統中。
權利要求
1.一種用於檢測一種或多種氣體或氣體混合物和/或用於測量一種或多種氣體或氣體混合物的濃度的系統，所述系統至少包括-至少第一光源，-樣品空間，在所述樣品空間中能夠配置要被檢測和/或測量的氣體，-基準空間，與樣品空間隔離且不包含要被檢測和/或測量的氣體，-測量腔體，其體積為V，在所述測量腔體的壁上配置至少一個孔，所述孔裝設有用於允許被調製的和/或脈動的紅外輻射和/或光進入該測量腔體的窗口，並向該測量腔體配置要被檢測和/或測量的氣體或氣體混合物，-用於把第一光束從第一光源導入樣品空間並進而導入測量腔體的裝置，-用於把第二光束與樣品空間隔離地從第一光源或從可能的第二光源導入基準空間並進而導入測量腔體的裝置，以及-用於使第一和第二光束脈動的裝置，其特徵在於，所述測量腔體包括通過孔彼此連通的兩個腔體，對第一腔體提供所述第一光束，對第二腔體提供所述第二光束，以及在門上配置孔，所述門配置為響應第一和第二測量腔體之間的壓差而運動，以及所述測量腔體包括用於非接觸測量門運動的裝置。
2.一種用於檢測一種或多種氣體或氣體混合物和/或用於測量一種或多種氣體或氣體混合物的濃度的系統，所述系統至少包括-至少第一光源，-樣品空間，在所述樣品空間中能夠配置要被檢測和/或測量的氣體，-基準空間，與樣品空間隔離且不包含要被檢測和/或測量的氣體，-至少一個測量腔體，其體積為V，在所述測量腔體的壁上配置至少一個孔，所述孔裝設有用於允許被調製的和/或脈動的紅外輻射和/或光進入該測量腔體的窗口，並向該測量腔體已經配置要被檢測和/或測量的氣體或氣體混合物，-用於把第一光束從第一光源導入樣品空間並進而導入測量腔體的裝置，-用於把第二光束與樣品空間隔離地從第一光源或從可能的第二光源導入基準空間，並進而導入測量腔體或對第一測量腔體補充的可能的第二測量腔體的裝置，以及-用於使第一和第二光束脈動的裝置，其特徵在於，所述測量腔體及可能的第二測量腔體，包括用於檢測由吸收的紅外輻射和/或光在測量腔體中產生的壓力變化的裝置，所述裝置至少包括-裝設在測量腔體壁中的孔，所述腔體壁裝設有適配用於響應氣體壓力變化而運動的門，以及-用於非接觸測量門運動的裝置。
3.一種用於檢測一種或多種氣體或氣體混合物和/或用於測量一種或多種氣體或氣體混合物的濃度的系統，所述系統至少包括-至少第一光源，-樣品空間，在所述樣品空間中能夠配置要被檢測和/或測量的氣體，-基準空間，與樣品空間隔離且不包含要被檢測和/或測量的氣體，-測量腔體，其體積為V，並且其壁裝設有至少一個孔，向該孔配置用於允許被調製的和/或脈動的紅外輻射和/或光進入該測量腔體的窗口，並向該測量腔體已經配置要被檢測和/或測量的氣體或氣體混合物，-用於把第一光束從第一光源導入樣品空間並進而導入測量腔體的裝置，-用於把第二光束與樣品空間隔離地從第一光源或從可能的第二光源導入基準空間並進而導入測量腔體的裝置，以及-用於使第一和第二光束脈動的裝置，其特徵在於，測量腔體包括通過孔彼此連通的兩個腔體，對第一腔體提供所述第一光束，對第二腔體提供所述第二光束，在所述孔中配置傳感器，所述傳感器配置為響應在測量腔體的第一和/或第二部分中發生的氣體壓力變化而運動，以及用於光學測量傳感器運動的裝置。
4.根據權利要求1-3中任何一個所述的系統，其特徵在於，測量腔體至少包括一個孔，通過該孔測量腔體可以被排空，且通過該孔可對測量腔體配置至少一種要被檢測和/或測量並處於已知分壓的氣體。
5.根據權利要求1-4中任何一個所述的系統，其特徵在於，所述系統包括用於從由第二光束產生的光聲信號減去由第一光束產生的光聲信號的裝置。
6.根據權利要求1-5中任何一個所述的系統，其特徵在於，所述系統包括用於測量光聲信號的振幅的鎖相環路。
7.根據權利要求1-3中任何一個所述的系統，其特徵在於，兩部分的測量腔體配置為Helmholtz共振器。
8.根據權利要求1-3中任何一個所述的系統，其特徵在於，樣品空間設計為對於其周圍至少是部分的開放，從而要被檢測和/或測量的氣體配置為自由通過而進入樣品空間。
9.根據權利要求1-3中任何一個所述的系統，其特徵在於，所述系統包括彼此隔離的多個測量腔體，包含各種氣體並包括配置為響應氣體壓力變化而運動的傳感器，以及用於交替測量腔體以接收第一和第二光束用於實現測量的裝置。
10.根據權利要求1-3中任何一個所述的系統，其特徵在於，所述系統包括彼此隔離的多個測量腔體，包含各種氣體並包括配置為響應氣體壓力變化而運動的傳感器，所述測量腔體以這種方式配置使得第一和第二光束穿過所有測量腔體而無須移動測量腔體。
11.一種用於檢測一種或多種氣體或氣體混合物或用於測量一種或多種氣體或氣體混合物的濃度的方法，所述方法至少包括以下步驟-把第一光束導入樣品空間，在所述樣品空間中已經配置要被檢測的氣體和/或要被測量的氣體混合物，用於對於其分壓px測量其所需的成分x，並進而導入與樣品空間隔離的測量腔體，向該測量腔體已經配置要被檢測和/或測量且處於已知壓力p0x的氣體，且所述測量腔體包括通過孔彼此連通的兩個腔體，對第一腔體提供所述第一光束，向腔體之間的所述孔已經配置門，所述門配置為響應第一和第二測量腔體之間的壓差而運動，-把第二光束導入與樣品空間隔離的基準空間，並進而導入與基準空間隔離的測量腔體，使得第二光束至少在測量腔體之前總是與樣品空間隔離，併到達測量腔體不同於接收第一光束部分的一部分，-使第一和第二光束脈動，使得由此產生用於配置在測量腔體中的光聲壓力傳感器的光聲信號，-通過非接觸測量所述門的運動來檢測光聲信號，所述信號用於檢測氣體x和/或用於測量氣體混合物中氣體的濃度或分壓px。
12.一種用於檢測一種或多種氣體或氣體混合物或用於測量一種或多種氣體或氣體混合物的濃度的方法，所述方法至少包括以下步驟-把第一光束導入樣品空間，在所述樣品空間中配置要被檢測的氣體和/或要被測量的氣體混合物，用於對於其分壓px測量其所需的成分x，並進而導入與樣品空間隔離的測量腔體，對該測量腔體配置要被檢測和/或測量且處於已知壓力p0x的氣體，且所述測量腔體包括通過孔彼此連通的兩個腔體，對第一腔體提供所述第一光束，向腔體之間的該孔配置傳感器，所述傳感器配置為響應第一和第二測量腔體之間的壓差而運動，-把第二光束導入與樣品空間隔離的基準空間，並進而導入與基準空間隔離的測量腔體，使得第二光束至少在測量腔體之前總是與樣品空間隔離，併到達測量腔體不同於接收第一光束部分的一部分，-使第一和第二光束脈動，使得由此產生用於配置在測量腔體中的光聲壓力傳感器的光聲信號，-通過光學測量所述傳感器的運動來檢測光聲信號，所述信號用於檢測氣體x和/或用於測量氣體混合物中氣體的濃度或分壓px。
13.一種用於檢測一種或多種氣體或氣體混合物或用於測量一種或多種氣體或氣體混合物的濃度的方法，所述方法至少包括以下步驟-把第一光束導入樣品空間，在所述樣品空間中配置要被檢測的氣體和/或要被測量的氣體混合物，用於對於其分壓px測量其所需的成分x，並進而導入與樣品空間隔離的測量腔體，對該測量腔體配置要被檢測和/或測量且處於已知壓力p0x的氣體，所述測量腔體體積為V，對所述測量腔體的壁配置用於允許第一光束進入該測量腔體的窗口，且所述測量腔體包括用於通過吸收的紅外輻射和/或光檢測在測量腔體中產生的壓力變化的裝置，所述裝置至少包括-配置在測量腔體的壁中的孔，配置門與該孔連接，所述門配置為響應氣體壓力變化而運動，以及-用於非接觸測量門的運動的裝置，-把第二光束導入與樣品空間隔離的基準空間，並進而導入與基準空間隔離的測量腔體，使得第二光束至少在測量腔體之前總是與樣品空間隔離，並通過所述窗口或配置到測量腔體的分離的第二窗口到達測量腔體，-使第一和第二光束脈動，使得由此產生用於配置在測量腔體中的光聲壓力傳感器的光聲信號，-通過使用以上確定的裝置的測量來檢測光聲信號，並使用檢測到的光聲信號用於檢測氣體x和/或用於測量氣體混合物中氣體的濃度或分壓px。
14.根據權利要求11-13中任何一個所述的方法，其特徵在於，所述方法用於同時檢測幾種氣體，從而受到檢測的氣體混合物被配置到測量腔體，並通過調節已知的氣體分壓對一種或多種氣體確定檢測閾值。
15.根據權利要求11-13中任何一個所述的方法，其特徵在於，所述方法用於同時檢測幾種氣體，通過對每一種要被測量的氣體配置與其它腔體隔離的測量腔體，按時間順序測量各種氣體，所述測量腔體包括光聲壓力傳感器，並且在所述測量腔體中配置要被測量的氣體，以及其中測量腔體被配置接收第一和第二光束，用於實現按時間順序的測量。
16.根據權利要求11-13中任何一個所述的方法，其特徵在於，所述方法用於同時檢測幾種氣體，通過對每一種要被測量的氣體提供與其它腔體隔離的測量腔體，按時間順序測量各種氣體，且該測量腔體包括光聲壓力傳感器，並對腔體配置要被測量的氣體，並通過按一種使第一光束和第二光束穿過測量腔體的配置放置測量腔體。
17.一種用於檢測或測量光聲信號的測量腔體，其特徵在於，所述測量腔體包括通過孔彼此連通的兩個腔體，對第一腔體提供第一光束，對第二腔體提供第二光束，以及為所述孔配置門，所述門配置為響應第一和第二測量腔體之間的壓差而運動，並且測量腔體包括用於非接觸測量門運動的裝置，或測量腔體具有與其可連接的、用於非接觸測量門的裝置。
18.一種用於檢測或測量光聲信號的測量腔體，其特徵在於，所述測量腔體包括用於檢測由腔體中吸收或光而在測量腔體中產生的壓力變化的裝置，所述裝置至少包括-配置在測量腔體壁中的孔，配置門與該孔連接，所述門配置為響應氣體壓力變化而運動，以及-用於非接觸測量門運動的裝置。
19.一種用於檢測或測量光聲信號的測量腔體，其特徵在於，所述測量腔體包括通過孔彼此連通的兩個腔體，對第一腔體提供第一光束，對第二腔體提供第二光束，在所述孔中配置傳感器，所述傳感器配置為響應在測量腔體的第一和/或第二部分中發生的氣體壓力變化而運動，以及用於光學測量傳感器運動的裝置。
全文摘要
本發明涉及用於檢測一種或多種氣體或氣體混合物和/或用於測量一種或多種氣體或氣體混合物的濃度的系統和方法，所述系統至少包括光源、樣品空間、基準腔體、及測量腔體。對測量腔體提供要被檢測或測量的氣體。此外，測量腔體裝有壓力傳感器，用於檢測測量腔體中產生的光聲信號。壓力傳感器或者包括門，其運動被非接觸測量，或包括傳感器，其運動以光學方式測量。
文檔編號G01J5/00GK1950693SQ200480042638
公開日2007年4月18日 申請日期2004年3月29日 優先權日2004年3月29日
發明者賈爾克·考皮寧 申請人:諾維爾技術解決有限公司