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1. HINTERGRUND
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Messung der
Konzentration von Gasen und/oder von Dampf in einer Probe, und insbesondere
auf die Messung der Konzentration von Kohlendioxid und Wasserdampf
in Luft.
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Ein
Typ von Gasanalysatoren verwendet eine Lichtquelle, die einen Lichtstrahl
durch ein Probenfeld projiziert und einen Detektor, um das Licht nach
Durchqueren des Probenfeldes zu erfassen. Diese Gasanalysatoren
benutzen typischerweise eine Kombination aus Probenfiltern und einen
einzelnen Referenzfilter, um bestimmte Lichtwellenlängen zu
analysieren. Die Konzentration von Gasen in der Probe kann bestimmt
werden durch den Grad, in dem die verschiedenen Lichtwellenlängen vom
Probenfeld absorbiert werden. Jedoch kann durch die Verwendung eines
einzelnen Referenzfilters in Verbindung mit zwei oder mehr Probenfiltern
die Genauigkeit der Messungen, die den beiden Probenfiltern zugeordnet
sind, verringert werden. In diesem Analysator sind die Filter typischerweise
zwischen der Probe und dem Detektor angeordnet. Diese Anordnung
der Filter bezüglich
zur Quelle kann jedoch den Analysator anfälliger für Drift, Artefakte und dergleichen
machen, was die Genauigkeit des Analysators verringern kann.
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Ferner
wird von einem Typ von Gasanalysator zur Messung der Konzentration
von Gasen in der Luft eine Freiluftmesskammer verwendet. Dieser
Typ von Analysator enthält
typischerweise eine lichterzeugende Quelle, einen Detektor zum Lichtempfang und
ein Spiegelpaar, das das Licht reflektiert, um es von der Quelle
zum Detektor zu leiten. Wenn diese Spiegel in einer Freiluftmesskammer
verwendet werden, sind sie der Umgebung ausgesetzt und unterliegen
einer Verschmutzung, die die Genauigkeit des Analysators verringern
kann. Deshalb wird ein Analysator benötigt, der diese Mängel überwindet.
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US 5.747.809 offenbart einen
Apparat zur Messung des Verhältnisses
von Gasisotopen. Infrarotlicht von einer Quelle wird selektiv längs eines
von vier Pfaden zu einem Infrarotdetektor geleitet. Die vier Pfade
umfassen erste und zweite Probenzellen und jeweils erste und zweite
Referenzzellen. Wenn das Isotopenverhältnis einer Gasprobe zu messen ist,
wird die Gasprobe sowohl in die ersten als auch in die zweiten Zellen
eingebracht. Ein Referenzgas, das nicht die zu messenden Isotope
enthält,
wird in die ersten und zweiten Referenzzellen eingebracht. Die Infrarot-Transmission
der ersten Probenzelle und der ersten Referenzzelle wird bei einer
ersten Wellenlänge
gemessen. Die Infrarot-Transmission der zweiten Probenzelle und
der zweiten Referenzzelle wird bei einer zweiten Wellenlänge gemessen.
Die erste und die zweite Wellenlänge
werden entweder durch Verwendung von Schmalband-Infrarot-Quellen oder durch Verwendung
einer Breitband-Infrarot-Quelle erzeugt. Bei Verwendung einer Breitband-Infrarot-Quelle
werden erste und zweite Bandpass-Filter verwendet. Die Probenzellen
bei den Referenzzellen sind vorzugsweise in einer temperaturgeregelten
Umgebung enthalten, z.B. einem zweifacher Thermoofen, bestehend
aus einer äußeren Heizvorrichtung
und einer inneren Heizvorrichtung.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Gasanalysator geschaffen, wie in Anspruch 1 ausgeführt.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Blockdiagramm eines Gasanalysators einer bevorzugten Ausführungsform.
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2 ist
ein Blockdiagramm einer Mehrzahl von Filtern.
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3 ist
eine Schnittansicht einer ersten bevorzugten Ausführungsform
des Gasanalysators der 1.
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4 ist
eine Draufsicht eines Filterelements einer bevorzugten Ausführungsform.
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5 ist
eine Seitenansicht des Filterelements der 4.
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6 ist
eine perspektivische Ansicht des Gasanalysators der 3.
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7 ist
eine Schnittansicht einer ersten bevorzugten Ausführungsform
des Gasanalysators der 1.
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GENAUE BESCHREIBUNG
DER DERZEIT BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Zur
Einleitung, die unten beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen
enthalten einen Gasanalysator zur Bestimmung der Konzentrationen
von Gasen und Dämpfen
innerhalb einer Probe. In einer Ausführungsform benutzt der Gasanalysator
eine Lichtquelle und einen Detektor zur Messung der Absorption unterschiedlicher
Lichtwellenlängen
durch die Probe. Die Lichtquelle erzeugt einen Lichtstrahl, der
zur Messung des von der Probe absorbierten Lichtes verwendet wird.
Dieser Lichtstrahl dient ebenfalls als Referenz. Eine Mehrzahl von
Filtern, die wenigstens zwei Probenfilter und wenigstens zwei Referenzfilter
enthält,
ist zwischen der Quelle und der Probeangeordnet, um das Licht von
der Quelle zu filtern. Mit der Verwendung einer Mehrzahl von Referenzfiltern,
die zwischen der Quelle und der Probe angeordnet sind, kann die
Konzentration von Gas oder Dampf innerhalb der Probe genau bestimmt werden.
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Beispielsweise
wird zur Messung der Konzentration von CO2 und
H2O in einer Luftprobe Licht von der Quelle
durch den ersten Probenfilter geleitet, der so ausgelegt ist, dass
er bestimmte Lichtwellenlängen,
die denen von CO2 entsprechen, durchlässt. Nach
Durchlaufen dieses Filters durchlaufen die verbleibenden Lichtwellenlängen die
Probe und werden vom Detektor empfangen. Der Probenfilter wird dann durch
einen ersten Referenzfilter ersetzt, so dass Licht von der Quelle
durch den ersten Referenzfilter läuft.
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Der
erste Referenzfilter lässt
Lichtwellenlängen
durch, die denen von CO2 entsprechen und
nahe der Wellenlänge
des ersten Probenfilters liegen, passieren. Nach Durchlaufen dieses
Filters, durchläuft das
restliche Licht die Probe und wird vom Detektor empfangen. Die Konzentration
von CO2 kann dann bestimmt werden durch
Berechnung der Differenz in der Absorption der beiden Lichtwellenlängen. Dieser gleiche
Prozess kann unter Verwendung eines zweiten Referenzfilters und
eines zweiten Probenfilters wiederholt werden, um die Konzentration
von H2O zu messen. Mit der Verwendung von
zwei Referenzfiltern, kann die Konzentration der Gase genauer bestimmt
werden.
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Der
Gasanalysator umfasst zwei Gehäuseabschnitte,
die räumlich
durch einen Freiluftmessbereich getrennt sind. Gase, die zu analysieren
sind, können
frei zwischen den Gehäuseausschnitten
in den Freiluftmessbereich strömen.
Die beiden Gehäuseabschnitte
sind mittels Gaskanälen
verbunden, die es Gas ermöglichen
zwischen den Gehäuseabschnitten
zu zirkulieren. Da das Gas zwischen den Gehäuseabschnitten zirkulieren
kann, kann das Gas innerhalb der beiden Gehäuseabschnitte von einem einzelnen
Wäscher
gewaschen werden, der eines oder mehrere Gase aus dem Inneren des
Gehäuses entfernt.
Dies kann die Anzahl der Komponenten reduzieren, die benötigt wird,
um das Gas zu waschen, das sich innerhalb der verschiedenen Bereiche
des Analysators befindet.
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Beispielsweise
zeigt 1 einen Gasanalysator 10 in einer bevorzugten
Ausführungsform.
Der Gasanalysator 10 umfasst eine Quelle 20, einen
Detektor 30, der mit der Quelle 20 optisch gekoppelt
ist, und eine Mehrzahl von Filtern 40, die intermittierend innerhalb
eines optischen Pfades 50 zwischen der Quelle 20 und
dem Detektor 30 angeordnet sind. Der Ausdruck "gekoppelt mit", wie hier verwendet,
bedeutet direkt gekoppelt mit oder indirekt über eine oder mehrere Komponenten
gekoppelt mit. Die Quelle 20 umfasst vorzugsweise eine
Lichtquelle wie z.B. eine Lampe. Die Quelle 20 umfasst
vorzugsweise eine Infrarot-Lichtquelle, kann jedoch auch eine infrarotnahe
Lichtquelle, eine ultraviolette Lichtquelle oder irgendeine andere
geeignete Lichtquelle umfassen.
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Der
Detektor 30 umfasst vorzugsweise einen Lichtdetektor, der
auf die von der Quelle 30 erzeugte Lichtform anspricht.
Der Detektor 30 wandelt das von ihm empfangene Licht vorzugsweise
in eine elektrische Spannung um, die zur Bestimmung der Lichtabsorption
in der Probe verwendet werden kann. Der Detektor 30 hat
vorzugsweise einen hohen Störabstand
und eine hohe Empfindlichkeit.
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Die
Mehrzahl von Filtern 40 umfasst vorzugsweise wenigstens
zwei Probenfilter 42, 44 und wenigstens zwei Referenzfilter 46, 48,
wie in 2 gezeigt ist. Die Filter 42, 44, 46, 48 umfassen
vorzugsweise Interferenzfilter, können jedoch auch Absorptionsfilter
oder andere solche Filter umfassen. Die Filter 42, 44, 46, 48 dienen
als Bandpass-Lichtfilter, die Lichtwellenlängen innerhalb eines gewissen Bereiches
von Wellenlängen
erlauben, hindurchzutreten, während
sie andere Lichtwellenlängen
am Durchtritt hindern. Das Band des ersten Probenfilters 42 ist
vorzugsweise um die Wellenlänge
des speziellen vom Gasanalysator 10 zu analysierenden Gases oder
Dampfes zentriert. Das Band des ersten Referenzfilters 46 ist
vorzugsweise um die Wellenlänge zentriert,
die nahe der Wellenlänge
des speziellen zu messenden Gases oder Dampfes liegt, liegt nicht
im Band von anderen Filtern, und gleicht nicht der Wellenlänge eines
anderen Gases oder Dampfes. Der zweite Referenzfilter 48 kann
nahe dem gleichen Referenzfilter angeordnet sein wie der erste Referenzfilter 46.
Der zweite Probenfilter 44 entspricht einem zweiten zu
messenden Gas oder Dampf.
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Die
Mehrzahl von Filtern 40 kann auf einem Unterstützungselement
angeordnet sein, wie unten mit Bezug auf die 4 und 5 beschrieben
wird, oder kann untereinander gekoppelt sein. Die Mehrzahl von Filtern 40 ist
vorzugsweise zwischen der Quelle 20 und einem Optikpfad-Messbereich 90 (1)
angeordnet. Durch Ausrichten der Mehrzahl von Filtern 40 auf
diese Weise können
Drift und Artefakte in Zusammenhang mit dem Analysator 10 vermieden
werden. Alternativ kann die Mehrzahl von Filtern 40 zwischen
dem Optikpfad-Messbereich 90 und dem Detektor 30 angeordnet
sein. Der Optikpfad-Messbereich 90 umfasst einen Teil des
optischen Pfades 50, in dem sich die zu analysierende Probe
befindet. Der Optikpfad-Messbereich 90 umfasst vorzugsweise
einen Freiluftmessbereich, worin Luft frei durch den optischen Pfad 50 strömen kann.
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In
einer alternativen Ausführungsform
ist die Mehrzahl von Filtern 40 in einem Gasanalysator
dargestellt, der einen geraden optischen Pfad 50 aufweist.
Bei dieser Konfiguration ist eine begrenzte Anzahl von Komponenten
der Gasprobe ausgesetzt und der Gasanalysator ist weniger anfällig für Verschmutzung
und kann zuverlässige
Messungen der Probe liefern. In einer alternativen Ausführungsform können die
Quelle 20 und der Detektor 30 so konfiguriert
sein, dass sie einen gekrümmten
optischen Pfad bilden, und die Mehrzahl von Filtern 40 kann
in Verbindung mit dem Gasanalysator mit gekrümmtem optischen Pfad verwendet
werden.
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Der
Gasanalysator 10 umfasst ferner ein Gehäuse 60, einen innerhalb
des Gehäuses 60 angeordneten
Wäscher 70 und
ein innerhalb des Gehäuses 60 angeordnetes
Trockenmittel 80. Das Gehäuse 60 umfasst einen
ersten Gehäuseabschnitt 62,
einen zweiten Gehäuseabschnitt 64 und
einen Gaskanal 66, der den ersten Gehäuseabschnitt 62 mit
dem zweiten Gehäuseabschnitt 64 koppelt.
Der erste Gehäuseabschnitt 62,
der zweite Gehäuseabschnitt 64 und
der Gaskanal 66 sind vorzugsweise aus einem Material wie
z.B. Aluminium gefertigt, das Wärme leicht
ableitet. Das Material ist vorzugsweise mit einem Material beschichtet,
das die Fähigkeit
des Wäschers 70 oder
des Trockenmittels 80, bestimmte Gase/Dämpfe zu entfernen, nicht beeinträchtigt.
Eine geeignete Beschichtung ist bestrahltes Nickel. Alternativ können der
erste Gehäuseabschnitt 62,
der zweite Gehäuseabschnitt 64 und
der Gaskanal 66 aus irgendeinem Material gefertigt sein,
das das hier beschriebenen Element effektiv aufnimmt und unterstützt. In
einer alternativen Ausführungsform,
kann das Gehäuse 60 eine
Mehrzahl von Gaskanälen 66, 68 umfassen,
um den ersten Gehäuseabschnitt 62 mit
dem zweiten Gehäuseabschnitt 64 zu
koppeln.
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Der
Wäscher 70 umfasst
vorzugsweise eine Menge an gasabsorbierendem Material, das sich
innerhalb des Gehäuses
befindet. Beispielsweise kann der Wäscher 70 eine Menge
an Natronkalk umfassen, der CO2 absorbiert.
Alternativ kann der Wäscher 70 irgendeine
Art von absorbierendem Material umfassen, wobei die Art des Material
so gewählt
wird, dass das Gas oder der Dampf absorbiert wird, das/der vom Gasanalysator 10 zu
analysieren ist. Das Trockenmittel 80 umfasst vorzugsweise
eine Menge dampfabsorbierenden Materials, das sich innerhalb des
Gehäuses
befindet. Beispielsweise kann das Trockenmittel 80 eine
Menge an Trockensalzen, Kieselgel oder Magnesiumperchlorat enthalten,
das H2O absorbiert. In einer alternativen
Ausführungsform,
kann der Gasanalysator 10 eine Mehrzahl von Wäschern umfassen,
von denen jeder fähig
ist, unterschiedliche Gase oder Dämpfe aus dem Gas innerhalb
des Gehäuses 60 zu
entfernen. Die Mehrzahl von Wäschern
kann in Verbindung mit oder anstelle von dem Trockenmittel 80 verwendet
werden.
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Während der
Gaskanal 66 in einem Gasanalysator gezeigt ist, der einen
geraden optischen Pfad 50 aufweist, können der erste Gehäuseabschnitt 62 und
der zweite Gehäuseabschnitt 64 so
konfiguriert sein, dass sie einen gekrümmten optischen Pfad bilden,
und der Gaskanal 60 kann in Verbindung mit dem Gasanalysator
mit gekrümmten
optischen Pfad eingesetzt werden.
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Als
weiteres Beispiel zeigt 3 eine bevorzugte Ausführungsform
des obenbeschriebenen Gasanalysators 10. Der Gasanalysator 100 umfasst ein
Gehäuse 110.
Das Gehäuse 110 umfasst
vorzugsweise einen ersten Gehäuseabschnitt 112,
einen zweiten Gehäuseabschnitt 114,
und eine Mehrzahl von Gaskanälen 116 und 118,
die den ersten Gehäuseabschnitt 112 mit
dem zweiten Gehäuseabschnitt 114 koppeln.
Der Gehäuseabschnitt 110 ist vorzugsweise
aus Materialien gefertigt, die robust sind, beschädigungsresistent
und wie oben beschrieben Wärme
ableiten. In einer bevorzugten Ausführungsform, ist das Gehäuse 110 aus
Aluminiumaufgebaut, das eine Eloxalbeschichtung, wie z.B. bestrahltes
Nickel, aufweist. Das Gehäuse 110 ist
vorzugsweise mit abgerundeten Kanten versehen, die den Luftstrom
von Probengasen in den optischen Pfad des Freiluftmessbereichs 158 nicht
unterbrechen, wie in 6 gezeigt ist. Alternativ kann
das Gehäuse 110 aus
irgendeinem geeigneten Material gefertigt sein und kann irgendeine
geeignete Form und Größe aufweisen.
Wie oben beschrieben worden ist, ermöglichen die Gaskanäle 116 und 118 gewaschenem
Gas, zwischen dem ersten Gehäuseabschnitt 112 und
dem zweiten Gehäuseabschnitt 114 zu
strömen,
wie in 7 gezeigt ist, in der Pfeile eine mögliche Gaszirkulation
zeigen. Die gewaschenen Gase können
auch innerhalb und zwischen den Komponenten strömen, die in den Gehäuseabschnitten 112 und 114 enthalten
sind.
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Der
Gasanalysator 100 umfasst ferner eine Infrarotquelle 120,
einen Fokus sierspiegel 122, einen Leitspiegel 124,
einen optischen Anschlag 126, ein Filterelement 130,
eine erste Fokussierlinse 154 und ein erstes Fenster 156,
angeordnet innerhalb des ersten Gehäuseabschnitts 12.
Die Infrarotquelle 120 umfasst vorzugsweise eine Glühfadeninfrarotlampe. Eine
geeignete Lampe ist die Infrarotlampe Modell 4115 von Gilway
Technical Lamp.
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Der
Fokussierspiegel 122 umfasst vorzugsweise einen konkaven
Spiegel mit einem inneren Krümmungsradius
von 12,7 mm (0,5 Zoll). Die Form des Fokussierspiegels ist vorzugsweise
rund mit einem Durchmesser von 12,7 mm (0,5 Zoll) und hat vorzugsweise
einen Schutzüberzug,
der aus aufgedampftem Gold mit Siliciummonoxid besteht. Alternativ
kann der Fokussierspiegel 122 einen Spiegel oder anderes
reflektierendes Material beliebiger Größe und Form umfassen. Der Fokussierspiegel 122 fokussiert
das Licht von der Infrarot-Lichtquelle 120 zur effektiven
Erhöhung
der Bildgröße des Glühfadens der
Infrarotlichtquelle 120, so dass die Bildgröße des Glühfadens
gleichmäßig die Öffnung im
optischen Anschlag 126 ausfüllt.
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Der
Leitspiegel 124 ist vorzugsweise ein flacher rechteckiger
Spiegel mit einer Länge
von 9,525 mm (0,375 Zoll) und einer Breite von 6,35 mm (0,25 Zoll)
und hat vorzugsweise eine Schutzbeschichtung, bestehend aus aufgedampftem
Gold mit Siliciummonoxid. Alternativ kann der Leitspiegel 124 einen
Spiegel oder anderes reflektierendes Material beliebiger Größe und Form
umfassen. Der Leitspiegel 124 leitet das Licht vom Fokussierspiegel 122 zum
Filterelement 130 und erlaubt den Komponenten, die das Licht
erzeugen, das zum optischen Anschlag 126 geliefert wird,
in einem kleineren physischen Raum zu passen, als normalerweise
erforderlich wäre.
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Der
optische Anschlag 126 umfasst vorzugsweise eine rostfreie
Stahlscheibe mit einer darin ausgebildeten Öffnung 128. Der optische
Anschlag 126 hat vorzugsweise eine Dicke von 0,076 mm (0,003 Zoll),
einen Innendurchmesser von 1,778 mm (0,07 Zoll) und einen Außendurchmesser
von 10,16 mm (0,4 Zoll). Alternativ kann der optische Anschlag 126 aus
irgendeinem Material bestehen, das Licht am Durchtreten durch das
Material hindert, kann von beliebiger Größe und Form sein, und kann
eine Öffnung beliebiger
Größe und Form
enthalten. Der optische Anschlag 126 dient als Blende,
die den Durchmesser des Lichtes beschränkt, das auf die erste Fokussierlinse 154 projiziert
wird, indem sie verhindert, dass Licht durch irgendeinen anderen
Teil als die Öffnung 128 hindurchtritt.
Die Größe der Öffnung 128 ist
vorzugsweise so gewählt,
dass der Durchmesser des Lichtes, das von der ersten Fokussierlinse 154 erzeugt
wird, dem Durchmesser der zweiten Fokussierlinse 162 angepasst
ist.
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Das
Filterelement 130 umfasst vorzugsweise ein Unterstützungselement 132 mit
einer Mehrzahl von darin ausgebildeten Blenden 134, 136, 138, 140, eine
Mehrzahl von Probenfiltern 142, 144, die mit dem
Unterstützungselement 132 gekoppelt
sind, und eine Mehrzahl von Referenzfiltern 146, 148,
die mit dem Unterstützungselement 132 gekoppelt
sind, wie in den 4 und 5 gezeigt
ist. Das Unterstützungselement 132 umfasst
vorzugsweise ein rostfreies Stahlrad mit 25,4 mm (1,0 Zoll) Durchmesser
und 0,127 mm (0,005 Zoll) Dicke. Alternativ kann das Unterstützungselement
irgendeine Art Material von beliebiger Größe und Form umfassen. Die Blenden 134, 136, 138, 140 umfassen
vorzugsweise sichelförmige Öffnungen,
die innerhalb des Unterstützungselements 132 ausgebildet
sind. Alternativ können
die Blenden 134, 136, 138 und 140 von
beliebiger Größe und Form
sein. Die Blenden 134, 136, 138, 140 erlauben
Licht, durch die Filter hindurchzutreten, wie in Folgenden beschrieben
wird.
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Das
Unterstützungselement 132 ist
vorzugsweise beweglich ausgerichtet, so dass dann, wenn es bewegt
wird, einer der Filter 142, 144, 146, 148 innerhalb
des optischen Pfads angeordnet ist. Das Unterstützungselement ist vorzugsweise
drehbar nahe dem optischen Pfad angeordnet. Ein Motor 150 ist vorzugsweise
mit dem Unterstützungselement 132 gekoppelt,
um die Rotation des Unterstützungselements 132 zu
erleichtern. Andere geeignete Mechanismen und Anordnungen zum Bewegen
des Unterstützungselements 132 können alternativ
verwendet werden. Der Motor 150 umfasst vorzugsweise einen bürstenlosen
Gleichstrommotor, wie z.B. das Modell 1628T024B von MicroMo. Alternativ
kann der Motor 150 irgendeinen geeigneten Motor umfassen,
um das Unterstützungselement 132 zu
bewegen.
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Das
Unterstützungselement 132 ist
vorzugsweise innerhalb eines Filtergehäuses 151 angeordnet.
Das Filtergehäuse 151 ist
vorzugsweise mit einem Heiz-/Kühlelement 152 gekoppelt.
Das Heiz-/Kühlelement 152 umfasst vorzugsweise
eine thermoelektrische Wärmepumpe,
wie z.B. das Modell CP 8-63-06L-1 von Melcor. Das Heiz-/Kühlelement 152 misst
die Temperatur des Filtergehäuses 151 und
hält die
Temperatur innerhalb eines vorgegebenen Bereichs, indem es das Filtergehäuse 152 heizt
oder kühlt.
Beim Halten der Temperatur des Filtergehäuses 152 innerhalb
eines vorgegebenen Bereichs werden die Filter 142, 144, 146, 148 ebenso innerhalb
des Bereichs gehalten um Drift zu minimieren und mit maximaler Effizienz
zu arbeiten.
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Das
Unterstützungselement 132 umfasst vorzugsweise
ferner eine Mehrzahl von Zeitmessschlitzen 153 (4),
die entlang des Umfangs des Unterstützungselements angeordnet sind.
Die Zeitmessschlitze 153 können zusammen mit einer lichtemittierenden
Diode und einem Photodetektor verwendet werden, um die Position
des Unterstützungselements 132 und
somit die Position der Filter 142, 144, 146, 148 zu
bestimmen. Alternativ kann irgendein anderes geeignetes System zur
Bestimmung der Position (rotierend oder anderweitig) der Filter 142, 144, 146, 148 mit
Bezug auf das Licht verwendet werden.
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Die
Probenfilter 142, 144 umfassen vorzugsweise Bandpass-Lichtfilter,
wie oben beschrieben worden ist. Die Probenfilter 142, 144 messen
vorzugsweise 6,35 mm (0,25 Zoll) mal 9,525 mm (0,375 Zoll) und sind
mit dem Unterstützungselement
so gekoppelt, dass jeder der Probenfilter 142, 144 eine
der Blenden 134, 136, 138, 140 abdeckt.
Die Referenzfilter 146, 148 umfassen vorzugsweise
Bandpass-Lichtfilter, wie oben beschrieben worden ist. Die Referenzfilter 146, 148 messen
vorzugsweise 6,35 mm (0,25 Zoll) mal 9,525 mm (0,375 Zoll) und sind mit
dem Unterstützungselement
so gekoppelt, dass jeder der Referenzfilter 146, 148 eine
der Blenden 134, 136, 138, 140 abdeckt.
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Die
erste Fokussierlinse 154 umfasst vorzugsweise eine bikonvexe
Linse mit Krümmungen beruhend
auf einem 12,7 mm (0,5 Zoll) Radius, und hat eine effektive Brennweite
von 19,05 mm (0,75 Zoll). Die erste Fokussierlinse 154 ist
vorzugsweise aus Calciumfluorid gefertigt. Die erste Fokussierlinse 154 ist
vorzugsweise zwischen den Filtern und dem Optikpfad-Messbereich 158 angeordnet
und dient zur Erhöhung
des Durchmessers des Lichtes, das durch den Optikpfad-Messbereich 158 läuft.
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Das
erste Fenster 156 umfasst vorzugsweise eine 0,508 mm (0,02
Zoll) dicke Scheibe aus synthetischem Saphir und hat einen Durchmesser
von 19,05 mm (0,75 Zoll). Alternativ hierzu kann das erste Fenster 156 irgendein
Material umfassen, das den Lichtdurchtritt ermöglicht, und kann von beliebiger Größe und Form
sein. Das erste Fenster 156 befindet sich vorzugsweise
zwischen der ersten Fokussierlinse 154 und dem Optikpfad-Messbereich 158 und dient
zum Schutz der ersten Fokussierlinse 154, indem es diese
davor bewahrt, dem Gas innerhalb des Optikpfad-Messbereichs 158 ausgesetzt
zu werden.
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Der
Gasanalysator 100 umfasst ferner einen Optikpfad-Messbereich 158 und
ein zweites Fenster 160, eine zweite Fokussierlinse 162,
einen Solarfilter 164 und einen Detektor 166,
innerhalb des zweiten Gehäuseabschnitts 114 angeordnet.
Der Optikpfad-Messbereich 158 umfasst vorzugsweise einen Teil
des optischen Pfades zwischen der Quelle 120 und dem Detektor 166.
Der Optikpfad-Messbereich 158 umfasst den Teil des optischen
Pfades, in dem sich die zu analysierende Probe befindet, und ist
vorzugsweise ein Freiluftpfad wie oben beschrieben worden ist.
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Das
zweite Fenster 160 umfasst vorzugsweise eine 0,508 mm (0,02
Zoll) dicke Scheibe aus synthetischem Saphir und hat einen Durchmesser
von 19,05 mm (0,75 Zoll). Alternativ kann das zweite Fenster 160 irgendein
Material umfassen, das den Lichtdurchtritt ermöglicht, und kann von beliebiger Größe und Form
sein. Das zweite Fenster 160 befindet sich vorzugsweise
zwischen dem Optikpfad-Messbereich 158 und der zweiten
Fokussierlinse 162 und dient zum Schutz der zweiten Fokussierlinse 162,
indem es diese davor bewahrt, dem Gas innerhalb des Optikpfad-Messbereichs 158 ausgesetzt
zu werden.
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Die
zweite Fokussierlinse 162 umfasst vorzugsweise eine bikonvexe
Linse mit Krümmungen beruhend
auf einem 12,7 mm (0,5 Zoll) Radius, und hat eine effektive Brennweite
von 19,05 mm (0,75 Zoll). Die zweite Fokussierlinse 162 ist
vorzugsweise aus Calciumfluorid gefertigt. Die zweite Fokussierlinse 162 ist
vorzugsweise zwischen dem zweiten Fenster 160 und dem Solarfilter 164 angeordnet
und dient zur Verringerung des Durchmessers des Lichtes, das vom
Optikpfad-Messbereich 158 empfangen wird und zum Detektor 166 weitergeleitet
wird.
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Der
Solarfilter 164 umfasst vorzugsweise Langpass-Lichtfilter,
die um 2 μm
zentriert sind. Der Solarfilter 164 ist vorzugsweise zwischen
der zweiten Fokussierlinse 162 und dem Detektor 166 angeordnet
und dient dazu, zu verhindern, dass Umgebungslicht vom Detektor
empfangen wird. Der Solarfilter 164 kann innerhalb des
Detektors 166 eingebaut sein oder kann ein vom Detektor 166 getrenntes
Element umfassen.
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Der
Detektor 166 umfasst vorzugsweise einen Infrarot-Lichtdetektor,
wie z.B. einen Blei-Selenid-Detektor. Ein geeigneter Detektor ist
das Blei-Selenid-Modell
B72S-18T von Cal Sensors. Der Detektor 166 hat vorzugsweise
eine Größe von 1
mm mal 1 mm und enthält
einen zweistufigen thermoelektrischen Kühler. Der Detektor ist vorzugsweise
longitudinal 127 mm (5 Zoll) von der Quelle 120 entfernt
angebracht.
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Der
Gasanalysator 100 umfasst einen Wäscher 170 und ein
Trockenmittel 180. Der Wäscher 170 umfasst
vorzugsweise eine Menge an gas- oder dampfabsorbierendem Material,
wie oben beschrieben worden ist. In einer bevorzugten Ausführungsform,
umfasst der Wäscher 170 einen
Behälter
mit dem darin eingebrachten Material, der eine durchlässige Abdeckung
enthält.
Der Wäscher 170 ist
innerhalb des Gehäuses 150 angeordnet.
Alternativ kann der Wäscher 170 außerhalb
des Gehäuses 110 angeordnet
sein, kann jedoch mit dem Gehäuse
so gekoppelt sein, dass zwischen dem Gehäuse 110 und dem Wäscher 170 Gas
strömen
kann.
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Das
Trockenmittel 180 umfasst vorzugsweise eine Menge an dampfabsorbierendem
Material, wie oben beschrieben worden ist. In einer bevorzugten
Ausführungsform
umfasst das Trockenmittel 180 einen Behälter mit dem darin eingebrachten
Material, der eine durchlässige
Abdeckung zum Entfernen von H2O enthält. Das
Trockenmittel 180 ist innerhalb des Gehäuses 110 angeordnet.
Alternativ kann das Trockenmittel 180 außerhalb
des Gehäuses 110 angeordnet
sein, kann jedoch mit dem Gehäuse
so gekoppelt sein, dass zwischen dem Gehäuse 110 und dem Trockenmittel 180 Gas
strömen
kann. In einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst der Gasanalysator 110 ferner eine Zirkulationsvorrichtung,
um das Gas innerhalb des Gehäuses 110 zu
bewegen und den Gasstrom zum Wäscher 170 und
zum Trockenmittel 180 zu erhöhen. Eine solche Zirkulationsvorrichtung kann
ein Schneidrad und einen Motor umfassen. Das Schneidrad kann so
gebaut oder geformt sein, dass eine Rotation des Schneidrades Luft
oder andere Gase zum Zirkulieren bringt.
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Während die
obenbeschriebenen Ausführungsformen
Beispiele für
Analysatoren liefern, die CO2 und H2O messen, können die Analysatoren auch zur
Messung anderer Gase, wie z.B. Stickstoffoxide, Kohlenmonoxid, Methan
und andere solcher Gase, verwendet werden.
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Der
offenbarte Gasanalysator dient zur effektiven Messung von Gasen,
die innerhalb einer Probe enthalten sind, durch den Einsatz mehrerer
Referenzfilter. Außerdem
dient der beschriebene Analysator zum effektiven Waschen von Gasen
innerhalb des Analysatorgehäuses
durch den Einsatz von Gaskanälen,
die verschiedene Teilen des Gehäuses
verbinden.
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Es
ist klar, dass ein weiter Bereich an Änderungen und Modifikationen
der obenbeschriebenen Ausführungsformen
für Fachleute
offensichtlich sind und in Erwägung
gezogen werden. Es ist daher beabsichtigt, dass die vorangehende
genaue Beschreibung als erläuternd
und nicht als einschränkend
betrachtet wird, und dass klar ist, dass die folgenden Ansprüche den
Umfang der Erfindung definieren.