Ndir雙束氣體分析儀及用該氣體分析儀測定氣體混合物中測量氣體成分的濃度的方法
2023-12-06 10:04:01 1
專利名稱：Ndir雙束氣體分析儀及用該氣體分析儀測定氣體混合物中測量氣體成分的濃度的方法
技術領域：
本發明涉及一種如權利要求1前序部分所述藉助非分散紅外(non-dispersive infrared, NDIR)雙束氣體分析儀測定一氣體混合物中一測量氣體成分的濃度的方法。本發明還涉及一種如權利要求10前序部分所述的NWR雙束氣體分析儀。
背景技術：
WO 2008/135416 Al揭示這樣一種方法和氣體分析儀，它們的作用是測定氣體混合物中測量氣體成分的濃度。其中，紅外輻射源所產生的紅外輻射交替穿過容納氣體混合物的測量管和含有參比氣體的參比管。再用檢測裝置檢測從這兩個管子輸出的輻射，產生測量信號並在分析單元中對該信號進行分析。常見檢測裝置包含一或多個形式為單層或雙層接收器的光氣動檢測器。利用調製器在測量管和參比管之間切換輻射，此調製器通常為葉輪或斬光器。如果這兩個管子為實現零點平衡充有同一種氣體(特別是氮氣或空氣等零點氣體)且氣體分析儀經過光學平衡處理，則進入檢測裝置的總是同等強度的輻射，因此不會產生任何測量信號(交變信號)。如果測量管中充有待檢氣體混合物，測量管內就會發生與所含測量氣體成分的濃度或與可能存在的交叉氣體的濃度相關的預吸收，這樣隨著調製的進行，來自測量管和參比管的不同輻射強度將先後進入檢測裝置，檢測裝置則產生一個交變信號形式的測量信號，該信號包含調製頻率和與輻射強度差相關的變量。但是，進入檢測裝置的輻射強度不但與因氣體而異的吸收相關，又與其他影響紅外輻射強度的影響量相關。這些影響量例如為紅外輻射源或檢測裝置上因汙染、老化或溫度因素而發生的變化，它們無法被直接識別出來，還可能導致錯誤的測量結果。因此，需要定期對氣體分析儀進行校準，例如先後將零點氣體和最終氣體(也就是濃度已知的測量氣體)充入測量管。根據DE 195 47 787 Cl，校準NWR雙束氣體分析儀時將零點氣體充入測量管並用光闌阻止輻射穿過參比管。這就實現了氣體分析儀的單束功能，以便(例如)以紅外輻射源的強度為參考，而不必將校準氣體或標準氣體充入測量管。前述EP 1 640 708 Al所揭示的NDIR雙束氣體分析儀在一個調製周期內產生至少兩個測量管和參比管均無輻射穿過的無輻射期。這樣就將雙倍頻率的諧波調製到測量信號的基波上。對測量信號進行傅立葉分析後，藉助兩個第一傅立葉分量測定標準被測變量並通過對這些標準被測變量進行坐標轉換來測定測量氣體成分的濃度。前述WO 2008/135416 Al所揭示的NWR雙束氣體分析儀的檢測裝置具有至少兩個單層接收器，它們分別提供一個測量信號且一前一後布置在氣體分析儀的光路中。其中， 第一單層接收器例如含有測量氣體成分，至少一個下遊單層接收器則包含交叉氣體。分析單元包含一個與單層接收器數目η相對應的η維校準矩陣，將在不同已知測量氣體成分濃度和不同已知交叉氣體濃度條件下獲得的測量信號值以η元組的形式存儲在該校準矩陣中。在交叉氣體濃度未知條件下測量未知的測量氣體濃度時，將在此過程中獲得的η元組信號值與存儲在校準矩陣中的η元組信號值進行比較，從而測定測量氣體成分的濃度。此外還可以在保持(例如)交叉氣體濃度恆定的情況下改變所產生輻射的強度，這樣就能測定紅外輻射器老化或測量管汙染所引起的發射變化對測量結果造成的影響。
發明內容
本發明的目的是簡化對錯誤影響因素(例如紅外輻射源或檢測裝置上因汙染、老化或溫度因素而發生的變化)的識別和補償。本發明用來達成上述目的的解決方案是權利要求1所定義的方法及權利要求10 所給出的NWR雙束氣體分析儀。從屬權利要求涉及的是本發明方法及氣體分析儀的有利改進方案。
下面藉助附圖所示的實施例對本發明進行詳細說明，其中圖1為包含檢測裝置的NWR雙束氣體分析儀，該檢測裝置由兩個前後布置的單層接收器構成且可提供兩個測量信號；圖2為一校準矩陣，在不同已知交叉氣體濃度和不同已知測量氣體成分濃度條件下所獲得的測量信號值以值對形式存儲在該矩陣中；圖3為NWR氣體分析儀包含斬光器、測量管和參比管的一個結構的俯視圖；圖4為進入測量管和參比管的輻射的功率密度分布圖；圖5為進入測量管和參比管的輻射的替代性功率密度分布圖；圖6為用於對測量信號進行相敏檢測並將其分解為同相分量和正交分量的雙相鎖相放大器；圖7為包含一條特性曲線的坐標系(同相分量和正交分量)，該特性曲線由針對測量氣體成分的不同已知濃度校準氣體分析儀時所測定的不同測量信號矢量形成；圖8為將所述特性曲線在坐標系中旋轉一定角度以簡化測量信號處理的實施例； 以及圖9為所述特性曲線呈分布直線時的測量信號處理實施例。
具體實施例方式圖1為NWR雙束氣體分析儀的示意圖，其中，利用分光器3(所謂的「叉形室」)將紅外輻射源1所產生的紅外輻射2分成穿過測量管4的測量光路和穿過參比管5的參比光路。測量管4內可通入含有測量氣體成分的氣體混合物6，這種測量氣體成分的濃度需要加以測定。參比管5中充有參比氣體7。由設置在分光器3與管子4和5之間且實施為旋轉式斬光器或葉輪的調製器8對輻射2進行導通和阻斷操作，使其交替穿過測量管4和參比管5，從而使這兩個管子4和5交替受到透射。由輻射收集器9將從測量管4和參比管5 交替輸出的輻射導入檢測裝置10，在本實施例中，該檢測裝置10由第一單層接收器11和下遊的單層接收器12構成。每個接收器11、12均具有一用於接收從管子4、5輸出的輻射 2的有源檢測室13、14以及一布置在輻射2範圍以外的無源補償室15、16，這些檢測室與補償室分別通過設有壓敏或流動敏感傳感器19、20的連接線17、18彼此相連。傳感器19和20分別產生測量信號M和Sb，在分析單元21中根據這些測量信號得出測量結果M，即氣體混合物6中測量氣體成分的濃度。除了因輻射吸收而在有源檢測室14中產生的主要信號分量外，第二單層接收器 12的測量信號Sb還包含一來自第一單層接收器11的較小信號分量。這樣，兩個單層接收器11和12的測量信號M和Sb就形成二維結果矩陣。如果檢測裝置10由η個前後布置的單層接收器構成，就可產生η個測量信號Sa、Sb等等並形成一個η維結果矩陣。如果第一單層接收器11包含測量氣體成分並且下遊的η-1個單層接收器中充有不同交叉氣體，就也可以在存在這些不同濃度的交叉氣體的條件下測定該測量氣體成分的濃度。分析單元21包含與上述結果矩陣相對應的校準矩陣22 (詳見圖2、，下面藉助圖2 對檢測裝置10的工作原理加以詳細說明。先後將不同交叉氣體濃度連同測量氣體成分的不同濃度輸入測量管4。如下表所示，針對每個可用濃度測量信號M和Sb的一個值對23。根據信號M和Sb被記錄下來的值對以及測量氣體成分的相應已知濃度值生成校準矩陣22，其中，通過對記錄基本值及已知基本值進行內插來產生中間值。校準矩陣22也可以描述該校準矩陣的數學函數或相應函數參數的形式存儲在分析單元21中。下表所示的測量列並不完整，但足以用來生成校準矩陣22。
權利要求
1.一種用一非分散紅外(NDIR)雙束氣體分析儀測定一氣體混合物(6)中一測量氣體成分的濃度的方法，其中，通過調製使一紅外輻射( 交替穿過一容納所述氣體混合物(6) 的測量管(4)和一含有一參比氣體(7)的參比管(5)，然後在產生一測量信號(S，Sa, Sb) 的情況下對所述紅外輻射進行檢測，並通過分析所述測量信號(S，Sa，Sb)來測定所述測量氣體成分的濃度，其特徵在於，使所述輻射( 在所述測量管(4)和所述參比管( 之間的切換產生一相位不平衡，以調製所述輻射⑵為目的對所述測量信號⑶進行相敏檢測，其中，產生一包含一振幅信息和一相位信息(Of)的測量信號矢量(Sf)，在校準所述氣體分析儀的過程中，針對所述測量氣體成分的不同已知濃度(K1, K2, K3, K4, K5),測定多個不同振幅和不同相位的測量信號矢量(S1, S2, S3, S4, &)，這些測量信號矢量定義一特性曲線(43)，以及測量所述測量氣體成分的一未知濃度時，根據在此過程中所獲得的一測量信號矢量 (Sf)或其延長線與所述特性曲線G3)的交點05)來測定所述測量氣體成分的未知濃度。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，藉助一雙相鎖相放大器(34)對所述測量信號( 進行相敏檢測，其中，獲得所述測量信號矢量⑶的一同相分量(Sx)和一正交分量(Sy)。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，在所述輻射⑵的調製和所述測量信號⑶的相敏檢測之間插入一相移，藉此使所述特性曲線G3)在由所述同相分量(Sx)和所述正交分量(Sy)構成的坐標系內旋轉一定程度，直至用零點氣體校準所述氣體分析儀時所獲得的一測量信號矢量(S1)或者用最終氣體校準所述氣體分析儀時所獲得的一測量信號矢量(S5)與所述坐標系的其中一軸線重合。
4.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，在所述特性曲線G3)在由所述同相分量(Sx)和所述正交分量(Sy)構成的坐標系內至少基本呈直線分布的情況下，在所述輻射的調製和所述測量信號(S)的相敏檢測之間插入一相移，藉此使所述特性曲線^幻在所述坐標系內旋轉一定程度，直至其與所述坐標系的其中一軸線平行。
5.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，只需測定零點氣體下的一測量信號矢量(S1)及最終氣體下的另一測量信號矢量(S5) 即可完成所述校準。
6.根據上述權利要求中任一項權利要求所述的方法，其特徵在於，將一測量信號矢量(Sf)的頂點與所述特性曲線之間的一距離檢定為所述氣體分析儀與校準狀態之間的偏差，並將所述距離輸出。
7.根據上述權利要求中任一項權利要求所述的方法，其特徵在於，調製所述輻射⑵所使用的一斬光器或葉輪⑶的旋轉軸可相對於所述測量管⑷的軸線和所述參比管(5)的軸線進行偏移，以便使所述輻射(2)在所述管子(4，5)之間的切換產生相位不平衡。
8.根據上述權利要求中任一項權利要求所述的方法，其特徵在於，所述測量管⑷與所述參比管(5)之間的距離可調，以便使所述輻射(2)在所述管子(4,5)之間的切換產生相位不平衡。
9.根據上述權利要求中任一項權利要求所述的方法，其特徵在於，藉助一分光器(3)將所述輻射O)以關於所述測量管(4)和所述參比管(5)的軸線 (31,32)不對稱的方式導入所述兩個管子G，5)，以便使所述輻射( 在所述管子(4，5)之間的切換產生相位不平衡。
10.一種非分散紅外(NDIR)雙束氣體分析儀，用於測定一氣體混合物(6)中一測量氣體成分的濃度，包含一用於產生一紅外輻射O)的紅外輻射源(1)，一容納所述氣體混合物(6)且可被所述紅外輻射( 透射的測量管G)，一含有一參比氣體(7)且可被所述紅外輻射( 透射的參比管G)，一用於在所述測量管(4)與所述參比管( 之間周期性切換所述輻射O)的調製器⑶，一對從所述測量管(4)和所述參比管( 輸出的輻射( 進行檢測並產生一測量信號 (S, Sa, Sb)的檢測裝置(10)，及一用於根據所述測量信號(S，Μ，Sb)測定所述測量氣體成分的濃度的分析單元(21)，其特徵在於，用於使所述輻射( 在所述測量管(4)和所述參比管( 之間的切換產生一相位不平衡的構件，以調製所述輻射( 為目的對所述測量信號( 進行相敏檢測並產生一包含一振幅信息和一相位信息(Φ》的測量信號矢量(Sf)的構件(34)，用於根據多個不同振幅和不同相位的測量信號矢量(S1AyS3AyS5)產生一特性曲線 (43)的構件(46)，所述測量信號矢量是在校準所述氣體分析儀的過程中針對所述測量氣體成分的不同已知濃度(K1, K2, K3, K4, K5)而產生，及用於根據測量所述測量氣體成分的未知濃度時所獲得的一測量信號矢量( 或其延長線與所述特性曲線G3)的交點05)來測定所述測量氣體成分的一未知濃度的構件 06)。
11.根據權利要求10所述的非分散紅外(NDIR)雙束氣體分析儀，其特徵在於，所述用於對所述測量信號( 進行相敏檢測的構件(34)包括一雙相鎖相放大器(34)， 其產生所述測量信號矢量(S)的一同相分量(Sx)和一正交分量(Sy)。
12.根據權利要求11所述的非分散紅外(NDIR)雙束氣體分析儀，其特徵在於用於在所述輻射( 的調製和所述測量信號( 的相敏檢測之間插入一相移的構件(33，38)，藉此使所述特性曲線G3)在由所述同相分量(Sx)和所述正交分量(Sy)構成的坐標系內旋轉一定程度，直至用零點氣體校準所述氣體分析儀時所獲得的一測量信號矢量(S1)或者用最終氣體校準所述氣體分析儀時所獲得的一測量信號矢量(S5)與所述坐標系的其中一軸線重合。
13.根據權利要求11所述的非分散紅外(NDIR)雙束氣體分析儀，其特徵在於用於在所述輻射O)的調製和所述測量信號(S)的相敏檢測之間插入一相移的構件(33，38)，由此， 在所述特性曲線G3)在由所述同相分量(Sx)和所述正交分量(Sy)構成的坐標系內至少基本呈直線分布的情況下，所述特性曲線^幻旋轉一定程度，直至其與所述坐標系的其中一軸線平行。
14.根據權利要求10至13中任一項權利要求所述的非分散紅外(NDIR)雙束氣體分析儀，其特徵在於，調製所述輻射⑵所使用的一斬光器或葉輪⑶的旋轉軸可相對於所述測量管⑷的軸線和所述參比管(5)的軸線進行偏移，以便使所述輻射(2)在所述管子(4，5)之間的切換產生相位不平衡。
15.根據權利要求10至14中任一項權利要求所述的非分散紅外(NDIR)雙束氣體分析儀，其特徵在於，所述測量管(4)與所述參比管( 之間的距離可調，以便使所述輻射( 在所述管子 (4,5)之間的切換產生相位不平衡。
16.根據權利要求10至15中任一項權利要求所述的非分散紅外(NDIR)雙束氣體分析儀，其特徵在於，藉助一分光器(3)將所述輻射O)以關於所述測量管(4)和所述參比管(5)的軸線 (31,32)不對稱的方式導入所述兩個管子G，5)，以便使所述輻射( 在所述管子(4，5)之間的切換產生相位不平衡。
全文摘要
在一NDIR雙束氣體分析儀內，通過調製使一紅外輻射交替穿過一測量管和一參比管，然後在產生一測量信號的情況下對所述紅外輻射進行檢測，並通過分析所述測量信號來測定所述測量管中所包含的測量氣體成分的濃度。通過以下方式來簡化對錯誤影響因素(特別是紅外輻射源或檢測裝置上的變化)的識別和補償使所述輻射在所述管子之間的切換產生一相位不平衡；以調製所述輻射為目的對所述測量信號進行相敏檢測，其中，獲得一包含一振幅信息和一相位信息(ΦF)的測量信號矢量(SF)；在校準所述氣體分析儀的過程中針對所述測量氣體成分的不同已知濃度(K1，K2，K3，K4，K5)，測定多個不同振幅和不同相位的測量信號矢量(S1，S2，S3，S4，S5)，這些測量信號矢量定義一特性曲線(43)；以及，測量所述測量氣體成分的一未知濃度時，根據在此過程中所獲得的一測量信號矢量(SF)或其延長線與所述特性曲線(43)的交點(45)來測定所述測量氣體成分的未知濃度。
文檔編號G01N21/35GK102439424SQ201080022207
公開日2012年5月2日 申請日期2010年5月18日 優先權日2009年5月19日
發明者卡米爾·黑費斯, 託馬斯·赫納, 拉爾夫·比特, 米夏埃爾·路德維希, 馬丁·基翁克 申請人:西門子公司