专利名称：Ndir双束气体分析仪及用该气体分析仪测定气体混合物中测量气体成分的浓度的方法
技术领域：
本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述借助非分散红外(non-dispersive infrared, NDIR)双束气体分析仪测定一气体混合物中一测量气体成分的浓度的方法。本发明还涉及一种如权利要求10前序部分所述的NWR双束气体分析仪。
背景技术：
WO 2008/135416 Al揭示这样一种方法和气体分析仪，它们的作用是测定气体混合物中测量气体成分的浓度。其中，红外辐射源所产生的红外辐射交替穿过容纳气体混合物的测量管和含有参比气体的参比管。再用检测装置检测从这两个管子输出的辐射，产生测量信号并在分析单元中对该信号进行分析。常见检测装置包含一或多个形式为单层或双层接收器的光气动检测器。利用调制器在测量管和参比管之间切换辐射，此调制器通常为叶轮或斩光器。如果这两个管子为实现零点平衡充有同一种气体(特别是氮气或空气等零点气体)且气体分析仪经过光学平衡处理，则进入检测装置的总是同等强度的辐射，因此不会产生任何测量信号(交变信号)。如果测量管中充有待检气体混合物，测量管内就会发生与所含测量气体成分的浓度或与可能存在的交叉气体的浓度相关的预吸收，这样随着调制的进行，来自测量管和参比管的不同辐射强度将先后进入检测装置，检测装置则产生一个交变信号形式的测量信号，该信号包含调制频率和与辐射强度差相关的变量。但是，进入检测装置的辐射强度不但与因气体而异的吸收相关，又与其他影响红外辐射强度的影响量相关。这些影响量例如为红外辐射源或检测装置上因污染、老化或温度因素而发生的变化，它们无法被直接识别出来，还可能导致错误的测量结果。因此，需要定期对气体分析仪进行校准，例如先后将零点气体和最终气体(也就是浓度已知的测量气体)充入测量管。根据DE 195 47 787 Cl，校准NWR双束气体分析仪时将零点气体充入测量管并用光阑阻止辐射穿过参比管。这就实现了气体分析仪的单束功能，以便(例如)以红外辐射源的强度为参考，而不必将校准气体或标准气体充入测量管。前述EP 1 640 708 Al所揭示的NDIR双束气体分析仪在一个调制周期内产生至少两个测量管和参比管均无辐射穿过的无辐射期。这样就将双倍频率的谐波调制到测量信号的基波上。对测量信号进行傅立叶分析后，借助两个第一傅立叶分量测定标准被测变量并通过对这些标准被测变量进行坐标转换来测定测量气体成分的浓度。前述WO 2008/135416 Al所揭示的NWR双束气体分析仪的检测装置具有至少两个单层接收器，它们分别提供一个测量信号且一前一后布置在气体分析仪的光路中。其中， 第一单层接收器例如含有测量气体成分，至少一个下游单层接收器则包含交叉气体。分析单元包含一个与单层接收器数目η相对应的η维校准矩阵，将在不同已知测量气体成分浓度和不同已知交叉气体浓度条件下获得的测量信号值以η元组的形式存储在该校准矩阵中。在交叉气体浓度未知条件下测量未知的测量气体浓度时，将在此过程中获得的η元组信号值与存储在校准矩阵中的η元组信号值进行比较，从而测定测量气体成分的浓度。此外还可以在保持(例如)交叉气体浓度恒定的情况下改变所产生辐射的强度，这样就能测定红外辐射器老化或测量管污染所引起的发射变化对测量结果造成的影响。
发明内容
本发明的目的是简化对错误影响因素(例如红外辐射源或检测装置上因污染、老化或温度因素而发生的变化)的识别和补偿。本发明用来达成上述目的的解决方案是权利要求1所定义的方法及权利要求10 所给出的NWR双束气体分析仪。从属权利要求涉及的是本发明方法及气体分析仪的有利改进方案。
下面借助附图所示的实施例对本发明进行详细说明，其中图1为包含检测装置的NWR双束气体分析仪，该检测装置由两个前后布置的单层接收器构成且可提供两个测量信号；图2为一校准矩阵，在不同已知交叉气体浓度和不同已知测量气体成分浓度条件下所获得的测量信号值以值对形式存储在该矩阵中；图3为NWR气体分析仪包含斩光器、测量管和参比管的一个结构的俯视图；图4为进入测量管和参比管的辐射的功率密度分布图；图5为进入测量管和参比管的辐射的替代性功率密度分布图；图6为用于对测量信号进行相敏检测并将其分解为同相分量和正交分量的双相锁相放大器；图7为包含一条特性曲线的坐标系(同相分量和正交分量)，该特性曲线由针对测量气体成分的不同已知浓度校准气体分析仪时所测定的不同测量信号矢量形成；图8为将所述特性曲线在坐标系中旋转一定角度以简化测量信号处理的实施例； 以及图9为所述特性曲线呈分布直线时的测量信号处理实施例。
具体实施例方式图1为NWR双束气体分析仪的示意图，其中，利用分光器3(所谓的“叉形室”)将红外辐射源1所产生的红外辐射2分成穿过测量管4的测量光路和穿过参比管5的参比光路。测量管4内可通入含有测量气体成分的气体混合物6，这种测量气体成分的浓度需要加以测定。参比管5中充有参比气体7。由设置在分光器3与管子4和5之间且实施为旋转式斩光器或叶轮的调制器8对辐射2进行导通和阻断操作，使其交替穿过测量管4和参比管5，从而使这两个管子4和5交替受到透射。由辐射收集器9将从测量管4和参比管5 交替输出的辐射导入检测装置10，在本实施例中，该检测装置10由第一单层接收器11和下游的单层接收器12构成。每个接收器11、12均具有一用于接收从管子4、5输出的辐射 2的有源检测室13、14以及一布置在辐射2范围以外的无源补偿室15、16，这些检测室与补偿室分别通过设有压敏或流动敏感传感器19、20的连接线17、18彼此相连。传感器19和20分别产生测量信号M和Sb，在分析单元21中根据这些测量信号得出测量结果M，即气体混合物6中测量气体成分的浓度。除了因辐射吸收而在有源检测室14中产生的主要信号分量外，第二单层接收器 12的测量信号Sb还包含一来自第一单层接收器11的较小信号分量。这样，两个单层接收器11和12的测量信号M和Sb就形成二维结果矩阵。如果检测装置10由η个前后布置的单层接收器构成，就可产生η个测量信号Sa、Sb等等并形成一个η维结果矩阵。如果第一单层接收器11包含测量气体成分并且下游的η-1个单层接收器中充有不同交叉气体，就也可以在存在这些不同浓度的交叉气体的条件下测定该测量气体成分的浓度。分析单元21包含与上述结果矩阵相对应的校准矩阵22 (详见图2、，下面借助图2 对检测装置10的工作原理加以详细说明。先后将不同交叉气体浓度连同测量气体成分的不同浓度输入测量管4。如下表所示，针对每个可用浓度测量信号M和Sb的一个值对23。根据信号M和Sb被记录下来的值对以及测量气体成分的相应已知浓度值生成校准矩阵22，其中，通过对记录基本值及已知基本值进行内插来产生中间值。校准矩阵22也可以描述该校准矩阵的数学函数或相应函数参数的形式存储在分析单元21中。下表所示的测量列并不完整，但足以用来生成校准矩阵22。
权利要求
1.一种用一非分散红外(NDIR)双束气体分析仪测定一气体混合物(6)中一测量气体成分的浓度的方法，其中，通过调制使一红外辐射( 交替穿过一容纳所述气体混合物(6) 的测量管(4)和一含有一参比气体(7)的参比管(5)，然后在产生一测量信号(S，Sa, Sb) 的情况下对所述红外辐射进行检测，并通过分析所述测量信号(S，Sa，Sb)来测定所述测量气体成分的浓度，其特征在于，使所述辐射( 在所述测量管(4)和所述参比管( 之间的切换产生一相位不平衡，以调制所述辐射⑵为目的对所述测量信号⑶进行相敏检测，其中，产生一包含一振幅信息和一相位信息(Of)的测量信号矢量(Sf)，在校准所述气体分析仪的过程中，针对所述测量气体成分的不同已知浓度(K1, K2, K3, K4, K5),测定多个不同振幅和不同相位的测量信号矢量(S1, S2, S3, S4, &)，这些测量信号矢量定义一特性曲线(43)，以及测量所述测量气体成分的一未知浓度时，根据在此过程中所获得的一测量信号矢量 (Sf)或其延长线与所述特性曲线G3)的交点05)来测定所述测量气体成分的未知浓度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，借助一双相锁相放大器(34)对所述测量信号( 进行相敏检测，其中，获得所述测量信号矢量⑶的一同相分量(Sx)和一正交分量(Sy)。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述辐射⑵的调制和所述测量信号⑶的相敏检测之间插入一相移，借此使所述特性曲线G3)在由所述同相分量(Sx)和所述正交分量(Sy)构成的坐标系内旋转一定程度，直至用零点气体校准所述气体分析仪时所获得的一测量信号矢量(S1)或者用最终气体校准所述气体分析仪时所获得的一测量信号矢量(S5)与所述坐标系的其中一轴线重合。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述特性曲线G3)在由所述同相分量(Sx)和所述正交分量(Sy)构成的坐标系内至少基本呈直线分布的情况下，在所述辐射的调制和所述测量信号(S)的相敏检测之间插入一相移，借此使所述特性曲线^幻在所述坐标系内旋转一定程度，直至其与所述坐标系的其中一轴线平行。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，只需测定零点气体下的一测量信号矢量(S1)及最终气体下的另一测量信号矢量(S5) 即可完成所述校准。
6.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，将一测量信号矢量(Sf)的顶点与所述特性曲线之间的一距离检定为所述气体分析仪与校准状态之间的偏差，并将所述距离输出。
7.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，调制所述辐射⑵所使用的一斩光器或叶轮⑶的旋转轴可相对于所述测量管⑷的轴线和所述参比管(5)的轴线进行偏移，以便使所述辐射(2)在所述管子(4，5)之间的切换产生相位不平衡。
8.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述测量管⑷与所述参比管(5)之间的距离可调，以便使所述辐射(2)在所述管子(4,5)之间的切换产生相位不平衡。
9.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，借助一分光器(3)将所述辐射O)以关于所述测量管(4)和所述参比管(5)的轴线 (31,32)不对称的方式导入所述两个管子G，5)，以便使所述辐射( 在所述管子(4，5)之间的切换产生相位不平衡。
10.一种非分散红外(NDIR)双束气体分析仪，用于测定一气体混合物(6)中一测量气体成分的浓度，包含一用于产生一红外辐射O)的红外辐射源(1)，一容纳所述气体混合物(6)且可被所述红外辐射( 透射的测量管G)，一含有一参比气体(7)且可被所述红外辐射( 透射的参比管G)，一用于在所述测量管(4)与所述参比管( 之间周期性切换所述辐射O)的调制器⑶，一对从所述测量管(4)和所述参比管( 输出的辐射( 进行检测并产生一测量信号 (S, Sa, Sb)的检测装置(10)，及一用于根据所述测量信号(S，Μ，Sb)测定所述测量气体成分的浓度的分析单元(21)，其特征在于，用于使所述辐射( 在所述测量管(4)和所述参比管( 之间的切换产生一相位不平衡的构件，以调制所述辐射( 为目的对所述测量信号( 进行相敏检测并产生一包含一振幅信息和一相位信息(Φ》的测量信号矢量(Sf)的构件(34)，用于根据多个不同振幅和不同相位的测量信号矢量(S1AyS3AyS5)产生一特性曲线 (43)的构件(46)，所述测量信号矢量是在校准所述气体分析仪的过程中针对所述测量气体成分的不同已知浓度(K1, K2, K3, K4, K5)而产生，及用于根据测量所述测量气体成分的未知浓度时所获得的一测量信号矢量( 或其延长线与所述特性曲线G3)的交点05)来测定所述测量气体成分的一未知浓度的构件 06)。
11.根据权利要求10所述的非分散红外(NDIR)双束气体分析仪，其特征在于，所述用于对所述测量信号( 进行相敏检测的构件(34)包括一双相锁相放大器(34)， 其产生所述测量信号矢量(S)的一同相分量(Sx)和一正交分量(Sy)。
12.根据权利要求11所述的非分散红外(NDIR)双束气体分析仪，其特征在于用于在所述辐射( 的调制和所述测量信号( 的相敏检测之间插入一相移的构件(33，38)，借此使所述特性曲线G3)在由所述同相分量(Sx)和所述正交分量(Sy)构成的坐标系内旋转一定程度，直至用零点气体校准所述气体分析仪时所获得的一测量信号矢量(S1)或者用最终气体校准所述气体分析仪时所获得的一测量信号矢量(S5)与所述坐标系的其中一轴线重合。
13.根据权利要求11所述的非分散红外(NDIR)双束气体分析仪，其特征在于用于在所述辐射O)的调制和所述测量信号(S)的相敏检测之间插入一相移的构件(33，38)，由此， 在所述特性曲线G3)在由所述同相分量(Sx)和所述正交分量(Sy)构成的坐标系内至少基本呈直线分布的情况下，所述特性曲线^幻旋转一定程度，直至其与所述坐标系的其中一轴线平行。
14.根据权利要求10至13中任一项权利要求所述的非分散红外(NDIR)双束气体分析仪，其特征在于，调制所述辐射⑵所使用的一斩光器或叶轮⑶的旋转轴可相对于所述测量管⑷的轴线和所述参比管(5)的轴线进行偏移，以便使所述辐射(2)在所述管子(4，5)之间的切换产生相位不平衡。
15.根据权利要求10至14中任一项权利要求所述的非分散红外(NDIR)双束气体分析仪，其特征在于，所述测量管(4)与所述参比管( 之间的距离可调，以便使所述辐射( 在所述管子 (4,5)之间的切换产生相位不平衡。
16.根据权利要求10至15中任一项权利要求所述的非分散红外(NDIR)双束气体分析仪，其特征在于，借助一分光器(3)将所述辐射O)以关于所述测量管(4)和所述参比管(5)的轴线 (31,32)不对称的方式导入所述两个管子G，5)，以便使所述辐射( 在所述管子(4，5)之间的切换产生相位不平衡。
全文摘要
在一NDIR双束气体分析仪内，通过调制使一红外辐射交替穿过一测量管和一参比管，然后在产生一测量信号的情况下对所述红外辐射进行检测，并通过分析所述测量信号来测定所述测量管中所包含的测量气体成分的浓度。通过以下方式来简化对错误影响因素(特别是红外辐射源或检测装置上的变化)的识别和补偿使所述辐射在所述管子之间的切换产生一相位不平衡；以调制所述辐射为目的对所述测量信号进行相敏检测，其中，获得一包含一振幅信息和一相位信息(ΦF)的测量信号矢量(SF)；在校准所述气体分析仪的过程中针对所述测量气体成分的不同已知浓度(K1，K2，K3，K4，K5)，测定多个不同振幅和不同相位的测量信号矢量(S1，S2，S3，S4，S5)，这些测量信号矢量定义一特性曲线(43)；以及，测量所述测量气体成分的一未知浓度时，根据在此过程中所获得的一测量信号矢量(SF)或其延长线与所述特性曲线(43)的交点(45)来测定所述测量气体成分的未知浓度。
文档编号G01N21/35GK102439424SQ201080022207
公开日2012年5月2日 申请日期2010年5月18日 优先权日2009年5月19日
发明者卡米尔·黑费斯, 托马斯·赫纳, 拉尔夫·比特, 米夏埃尔·路德维希, 马丁·基翁克 申请人:西门子公司