CN102460121B - 饱和过滤ndir气敏方法 - Google Patents
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Abstract
提出一种NDIR气体感应方法，当利用这种新技术实施时，所述方法使得NDIR气体传感器的输出随着时间维持稳定或不偏移。此外，这种传感器的输出也将独立于传感器所物理接触的环境温度。该方法利用相同的窄带通光谱过滤器用于检测信号通道和基准通道中的关注气体。通过这样做，两个通道总是从传感器的卷绕有暴露于传感器外部的任何外部元件的红外光源接收相同光谱含量的辐射。
Description
相关申请的交叉引用
本申请是2009年4月19日提交的、发明名称为“饱和过滤NDIR方法(saturation filtering NDIR methodology)”、申请号为61/212,713的美国专利申请的部分持续申请。
技术领域
本申请涉及气体分析领域，更具体地涉及使用非色散红外(NDIR)气体分析技术通过感应经过气体的红外辐射的吸收来确定在样本室中特定气体类型的浓度的装置。
背景技术
长久以来，非色散红外(NDIR)技术都被认为是气体测量的最好方法之一。除了高度专业外，NDIR气体分析仪还非常的敏感、稳定、可靠以及易于维修和服务。从二十世纪五十年代中期气体测量的NDIR技术被引入并投入实践以来，已经提出并成功证实了大量用于气体检测的基于NDIR原理改进的测量技术。在本领域中，近几年来最为著名的进步总结如下。
Burch等人(申请号为3,793,525的美国专利)以及Blau等人(申请号为3,811,776的美国专利)在1974年首先提出用于NDIR气体测量的所谓的“双光束(Double beam)”技术，其利用某些强吸附性气体的非线性吸收原理来创建基准通道(reference channel)。之后不久，通过利用两个插置的光谱过滤器(一个是吸附性的，另一个是中性的)来创建样本和基准检测器通道，大大简化了这种“双光束”NDIR气体传感器技术。随后利用该技术所设计的NDIR气体传感器都具有以上涉及的主要良好性能。
在专利号为4,578,762的美国专利(1986)中，Wong提出了利用新颖的双轮斩光器和镜子(chopper and mirror)配置的第一个自动校准NDIR CO2分析仪。另一种改进型的这种气体分析仪在Wong所提出的专利号为4,694,173的美国专利(1987)中进行了图示和描述。这种气体分析仪不同于前述NDIR气体分析仪，其不具有用于影响光谱过滤器的插置从而创建样本和基准检测器通道的移动部件。
在专利号为5,163,332的美国专利(1992)中，Wong提出一种用于简化NDIR气体传感器的所谓的“导波器(wave-guide)”样本室概念，所述简化的气体传感器为紧凑的、稳定的且低成本的，同时还能维持其优良的性能特点。这种概念随后在设计当今的NDIR气体传感器中被广泛采用，尤其是在低成本且高容量的情况下。
在过去的二十年里，所有上述用于测量混合物中的一种或多种气体的浓度的NDIR气体分析仪都功能良好，且对气体分析领域的所有技术进步做出了贡献。它们被广泛用于医疗领域和工业领域。除了其在这些年中毫无争议的成功外，仍旧存在大量重要的传感器性能特点需要大大改进，以便进一步延伸这些设备在许多范围内的有用应用。
迄今为止，包括NDIR气体传感器在内，如今的气体传感器最不足的性能特点是传感器随着时间的输出稳定性。与人们对家中或办公地点中所熟知的温度控制器和恒温设备不同，这些设备用于感应温度并且不需要随着时间的输出调整或校准，不管气体传感器的操作原理、功能设计、材料组成甚至成本，这都不是气体传感器的情况。基于气体传感器的类型，它们中的每个都毫无例外地需要在每六个月至一年进行校准，从而能保持随着时间的准确性。虽然多年来已经很好地容忍了这种性能缺陷，但是其仍然作为气体传感器的主要缺陷，甚至将气体传感器排除在许多重要应用外，因此必需最终消除这种缺陷。
无论操作原理如何，当今气体传感器的第二大性能缺陷是作为传感器所处的环境温度的函数的输出依赖。虽然勉强，但该对于所有的气体传感器的性能缺陷普遍是通过如下处理的：相对于标准温度规定的输出，指定每度温度变化的输出校正。在有些气体传感器中，这些输出温度校正非常大，并且在许多情况下，严格地限制了这些传感器在户外的使用。因为气体传感器在大部分工业中的普遍使用，如果解决了该性能缺陷，这将是未来气体传感器(尤其是NDIR型传感器)的发展中向前的重要一步。
发明内容
本发明一般涉及利用非色散红外传感器中用于信号通道和基准通道的单一窄带通光谱过滤器来检测关注气体的装置和方法，其中所述基准通道还包括含有关注气体的饱和腔室，并且信号检测器和基准检测器安装在单一温度平台上。
在本发明第一个单独方案组中，不管在非色散红外传感器的样本室中是否存在任何浓度级别的待检测气体，所述基准通道信号保持基本不变。饱和腔室具有长度L’并且包含浓度c’的关注气体，信号通道的样本腔室的长度为L且在所述样本腔室中的关注气体的最大浓度为c，使得关注气体的最终饱和腔室浓度(L’)×(c’)至少比关注气体的样本腔室浓度(L)×(c)大一个数量级。
在本发明第二个单独方案组中，所述基准检测器和所述信号检测器安装在热传输材料(例如铝)的单一结构中。
在本发明第三个单独方案组中，所述关注气体的选择吸收带为强吸收带，例如水蒸气、碳氢化合物或者二氧化碳。
因此本发明的主要目的是提出一种旨在使随时间的偏移最小化的NDIR气体传感器和方法的新设计。
结合附图和后文对本发明的详细描述，这个和其它的目的和优点对于本领域的技术人员而言将变得清晰。
附图说明
图1描述了双光束测量方法；
图2描述了本发明的饱和过滤基准方法。
具体实施方式
气体浓度测量的非色散红外(NDIR)方法利用了对多数气体分子(其原子组态为非中心对称的)而言存在的强红外吸收波段。通常的例子是二氧化碳(CO2)、水蒸汽(H2O)和甲烷(CH4)。在当今使用的许多NDIR气体感应方法中，所谓的“双光束”方法被认为是最广泛采用且最实用的。图1示意性示出了在NDIR气体测量的双光束方法中使用的部件和其布置。
该方法之所以叫做“双光束”，起源于用于该技术的光学布置包括两个光束或通道的事实，其中一个称为“信号”，而另一个称为“基准”。所谓的“信号”光束对在样本室中待检测的气体浓度敏感，而所谓的“基准”光束基本不是这样。传感器的输出被处理为“信号”光束信号电压与“基准”光束信号电压之间的比率。这种传感器的经处理过的输出用于消除在双光束中发生的共模光干扰或光衰减(例如，由于灰尘引起的窗模糊)，以便基本维持传感器随着时间的输出稳定性。
如图1所示，为该方法的实现建立了分别标记为信号通道1和基准通道2的双光束。所述两个通道或光束的建立是通过如下实现的：在分别用于信号通道和基准通道的两个窄光谱带通过滤器3和4间的公平选择。光谱过滤器3限定与待检测的气体的选择吸收光带相一致的窄光谱带通，而光谱过滤器4限定与空气的任何吸收光带无关的窄光谱带通。如图1所示，两个通道1和2的每个的信号电压产自于单红外光源5并且分别具有单独的检测器6和7。双光束测量方法处理比率R＝VS/VR，其中VS是用于信号通道1的电压信号，而VR是用于基准通道2的电压信号。为了实现传感器的气体测量能力，比率R根据样本室中存在的待检测气体的已知浓度校准。一旦正确校准，就能够将这种“双光束”NDIR气体传感器用于测量存在于样本室中的待检测气体的浓度。
通过处理相应的信号光束和基准光束的电压信号的比率R，同样影响信号光束和基准光束的传感器中的任何共模变化都被取消，并且这些变化因而并未被反应在经处理的信号R＝VS/VR中，传感器的输出保持稳定或未移位。然而，如果传感器的一个或多个部件随着时间的改变(短期或长期的)不同地影响信号通道和基准通道，则经处理的信号R＝VS/VR将改变，导致传感器输出随着时间出现不被期望的偏移。
例如，如果仅是共同的红外光源5(参见图1)的输出辐射级别改变，而其光谱含量未改变，则这种改变实际上将通过处理信号的R＝VS/VR所取消。不幸的是，红外光源所发射的辐射取决于其运行的温度，除了可预测的辐射强度级别外，所述辐射还携带根据普朗克辐射定律(另外也公知为黑体曲线)的唯一的光谱含量。随后，对于红外光源的任何改变(例如老化)都将总是包括其光谱含量的伴随变化。由于各个带通过滤器的不同光谱位置，这种变化将不同地影响用于信号通道和基准通道的电压信号，导致传感器输出随着时间出现不期望的偏移。
NDIR气体传感器的双光束测量方法容易对其红外光源由于老化引起的变化、以及可能影响光源的周围环境的任何环境温度变化的影响。原因是任何这种变化都会使得红外光源的光谱辐射输出有显著的偏移。由于“信号”通道和“基准”通道中的每个都具有自己的窄带通光谱过滤器，所以其对这些光谱含量变化的反应不同，导致传感器输出的不可避免的变化。由于NDIR气体传感器的红外光源不可避免地会随着时间老化，因而具有“双光束”测量方法的NDIR气体传感器的输出不能也不会随着时间保持稳定。
此外，由于传感器周围的任何短期环境温度变化，输出也将容易偏移，所述环境温度变化反过来也将影响光源的运行温度。除了红外光源改变，本方法中气体传感器部件也容易变化。由于信号通道1和基准通道2(参见图1)具有单独的独立检测器和带通过滤器，所以如果这些部件的温度出于任何原因没有彼此相随，则随着时间长期或短期，传感器的输出将也变化并且这些变化不会仅通过处理比率R＝VS/VR作为其输出信号就被消除。由于这些原因，非常期望和需要更好的NDIR气体测量方法，而不是当前使用的双光束，来改善未来NDIR气体传感器的性能。
在与气体吸收带的波长不同的波长上使用光谱中性过滤器(即，不吸收待检测气体)，以便创建基准通道从而能将比率R＝VS/VR处理为传感器输出，其中VS和VR分别为信号通道和基准通道(参见图1)的电压，这并不如所期望地那样好。由于双光束方法的主要目的是创建这样的基准通道：不管在样本室中是否存在任何浓度级别的待检测的气体其信号输出基本保持不变化，这可以通过当前发明的称为“饱和过滤”的技术实现。该新颖的用于NDIR气体传感器的“饱和过滤”基准光束类似于但是不同于图2适应性示出的双光束测量方法。
在如图1所示的双光束配置和图2所示的“饱和过滤”配置之间存在许多不同。首先，在“饱和过滤”方法的基准通道中所使用的光谱过滤器即是用于信号通道中的光谱过滤器。换句话说，这是与在信号通道(参见图1的通道1)中所使用的相同的光谱过滤器。第二，用于“饱和过滤”的基准光束中包括饱和腔室8(参见图2)，其具有L’cm的长度并且包括待检测的高浓度c’的气体，在大气中(atm)所述气体的1atm＝100％。为了获得最好的性能，将L’和c’的值设计为使得腔室8的最终吸收浓度c’L’atm-cn至少比用于传感器的cL atm-cm大一个数量级，其中c为在atm中表达待检测的最大气体浓度，而L是传感器以cm为单位的样本室长度。因此，如果腔室8的长度为1cm并且其被所讨论的100％的气体填充和密封，则用于腔室8的吸收浓度为1atm-cm。另一方面，如果将传感器设计为测量高达5,000ppm的气体或者0.005atm，并且传感器的样本室长度为15cm，则传感器的吸收浓度为0.075atm-cm。在这种情况下，将适当为达到最佳性能设计腔室8的参数为L’c’＝1atm-cm，其比用于传感器的Lc＝0.075atm-cm大一个数量级。
当根据以上所述的方式设定用于“饱和过滤”方法的基准光束时，即使在传感器的样本室内侧的气体浓度接近设计的最大值时，基准信号输出保持相对恒定。这是因为来自红外光源的辐射在经过样本室之前必需首先经过腔室8，然后经过基准检测器(参见图2)。但是由于饱和腔室8包含非常高浓度的气体，因此大部分辐射在到达样本室以及最终基准检测器之前已经经由吸收而被消除，其中所述辐射具体由窄带通过滤器限定并且位于待检测的气体的吸收带内。因此，不管在传感器的样本室内是否存在任何待检测的气体，基准信号总是保持大约相同的级别。因而如同传统的双光束方法的中性带通过滤器一样，“饱和过滤”方法也有效地创建具有相对非吸收光谱特性的基准光束。
但是，饱和过滤方法比双光束技术具有非常显著的优势。如前所述，使用双光束方法的传感器的信号输出容易受到传感器的红外光源中的任何改变，而饱和过滤技术的信号输出实际上保持相同而不管红外光源的变化。这是因为在这种情况下信号光束和基准光束被设计为具有相同的窄带通过滤器，因此具有相同的光谱特性。从而当传感器的信号输出被表达为用于两种通道的信号的比率时，由于光束受到红外光源变化的影响相同(光谱和强度级)并且这些变化彼此相消，所以所述比率实际保持恒定。此外，影响可能导致运行温度变化的光源的环境温度的任何环境变化也被自动中和。
处于非常类似的理由，NDIR气体传感器利用波导管作为样本室，当实施饱和过滤技术而不是传统的双光束技术时，会完全消除由施加到波导管上的温度变化所引起的任何额外的红外光源作用。由于用于饱和过滤技术的各个光谱过滤器和用于两个光束的检测器具有相同的光谱和物理特性，所以只要这些传感器部件安装在相同的温度平台使得其稳定彼此相随，则由于任何温度变化所引起的偏移都会被保持在最小。
对于利用双光束技术所实现的NDIR气体传感器，包括样本室、光源模块和检测器模块的整个传感器的构造被正常调节温度(通常为35℃)，以便控制其随着时间的短期或长期的信号输出偏移。对于利用饱和过滤方法实现的传感器，上述用于传感器的温度调节不再是必要的，只要具有相同内置窄带通过滤器的信号检测器和基准检测器共享同一温度平台以使得其温度总是彼此相随。原因是对于整个传感器，我们现在实际上只有一个光束。信号光束和基准光束具有光谱相同的同样的过滤器。它们还具有以非常类似的方式制造的类似检测器。最终，它们共享相同的红外光源。因此，如果存在任何变化，则将信号通道与基准通之间的比率处理为饱和过滤方法的传感器输出能几乎消除所有的随着时间的短期或长期的偏移，而不像双光束测量技术那样。
虽然这里结合某些实例描述了本发明，但是这些实例仅是为了图示和解释，并未限制本发明的范围。对于本领域中已经受益于该详细描述的技术人员而言，额外的修改和实例是显而易见的。在不背离本发明概念的前提下，在可选实施例中的进一步的修改也是可能的。
因此，对本领域中的技术人员而言，在不背离如随后的权利要求所限定本公开发明的精神和范围的情况下，可以容易地作出此处所描述的实际概念中的进一步的改变和修改。
Claims (10)
1.一种用于检测关注气体的非色散红外气体传感器，包括：
红外光源；
信号通道，其具有信号检测器；
基准通道，其具有基准检测器和包含所述关注气体的饱和腔室；以及
单一窄带通光谱过滤器，其被用于所述信号通道和所述基准通道；
其中，所述信号检测器和所述基准检测器都安装在单一温度平台上；
其中，不管在样本室中是否存在任何浓度级别的待检测气体，所述基准通道信号保持基本不变；并且
其中，所述信号检测器生成信号输出，所述基准检测器生成基准输出，并且不管红外光源的变化，所述信号输出与所述基准输出的比率保持基本相同。
2.如权利要求1所述的非色散红外气体传感器，其中，所述饱和腔室包含基本为100％的所述关注气体。
3.如权利要求1或2所述的非色散红外气体传感器，其中，所述饱和腔室具有长度L’并且包含浓度c’的关注气体，所述信号通道的样本腔室的长度为L且在所述样本腔室中的关注气体的最大浓度为c，使得所述关注气体的最终饱和腔室浓度(L’)×(c’)至少比所述关注气体的样本腔室浓度(L)×(c)大一个数量级。
4.如权利要求3所述的非色散红外气体传感器，其中，所述基准检测器和所述信号检测器安装在热传输材料的单一结构中。
5.如权利要求3所述的非色散红外气体传感器，其中，所述单一窄带通光谱过滤器具有与所述关注气体的选择吸收带一致的窄光谱带通。
6.如权利要求3所述的非色散红外气体传感器，其中，所述关注气体是水蒸气，并且选择吸收带是水蒸气的强吸收带。
7.如权利要求3所述的非色散红外气体传感器，其中，所述关注气体是碳氢化合物。
8.如权利要求3所述的非色散红外气体传感器，其中，所述关注气体是二氧化碳，并且选择吸收带是二氧化碳的强吸收带。
9.如权利要求3所述的非色散红外气体传感器，其中，所述单一温度平台为铝结构。
10.利用权利要求3所述的非色散红外气体传感器，通过使用信号输出与基准输出的比率检测关注气体。
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