DE60031926T2

DE60031926T2 - Gasanalysator

Info

Publication number: DE60031926T2
Application number: DE60031926T
Authority: DE
Inventors: Robert David Malcolm Eckles
Original assignee: Li Cor Inc
Current assignee: Li Cor Inc
Priority date: 1999-09-17
Filing date: 2000-09-11
Publication date: 2007-04-26
Anticipated expiration: 2020-09-12
Also published as: EP1085314A3; EP1085314B1; US6317212B1; DE60031926D1; EP1085314A2

Description

1. HINTERGRUND
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.
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.
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.
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.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Gasanalysator geschaffen, wie in Anspruch 1 ausgeführt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockdiagramm eines Gasanalysators einer bevorzugten Ausführungsform.
2 ist ein Blockdiagramm einer Mehrzahl von Filtern.
3 ist eine Schnittansicht einer ersten bevorzugten Ausführungsform des Gasanalysators der 1.
4 ist eine Draufsicht eines Filterelements einer bevorzugten Ausführungsform.
5 ist eine Seitenansicht des Filterelements der 4.
6 ist eine perspektivische Ansicht des Gasanalysators der 3.
7 ist eine Schnittansicht einer ersten bevorzugten Ausführungsform des Gasanalysators der 1.
GENAUE BESCHREIBUNG DER DERZEIT BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.

Claims

Gasanalysator (10, 100), umfassend: ein Gehäuse (60, 110), umfassend: einen ersten Gehäuseabschnitt (62, 112), einen zweiten Gehäuseabschnitt (64, 114), und einen Gaskanal (66, 68, 116, 118), der den ersten Gehäuseabschnitt (62, 112) mit dem zweiten Gehäuseabschnitt (64, 114) verbindet, wobei der Gaskanal (66, 68, 116, 118) ermöglicht, dass gereinigtes Gas zwischen dem ersten und zweiten Gehäuseabschnitt (61, 112) (61, 114) strömt; eine Quelle (20, 120), die innerhalb des ersten Gehäuseabschnitts (62, 112) angeordnet ist; einen Wäscher (70, 170), der innerhalb des ersten Gehäuseabschnitts (62, 112) angeordnet ist; ein Trockenmittel (80, 180), das innerhalb des ersten Gehäuseabschnitts (62, 112) angeordnet ist; einen Detektor (30, 166), der innerhalb des zweiten Gehäuseabschnitts (64, 114) angeordnet ist; einen optischen Pfad (50), der sich von der Quelle (20, 120) zum Detektor (90, 158) erstreckt und durch einen Freiluftbereich (90, 158) läuft; ein Filterelement (130), das ein Unterstützungselement (132) umfasst, an das mehrere optische Filter (40) gekoppelt sind, die innerhalb des ersten Gehäuseabschnitts (62, 112) angeordnet sind, wobei die mehreren optischen Filter (40) umfassen: einen ersten optischen Probenfilter (42, 142), der ein Durchlassband aufweist, das bei einer Absorptionswellenlänge eines zu analysierenden ersten Gases zentriert ist; einen ersten optischen Referenzfilter (46, 146), der ein Durchlassband aufweist, das bei einer Wellenlänge nahe dem Durchlassband des ersten optischen Probenfilters (42, 142) zentriert ist; einen zweiten optischen Probenfilter (44, 144), der ein Durchlassband aufweist, das bei einer Absorptionswellenlänge eines zu analysierenden zweiten Gases zentriert ist; einen zweiten optischen Referenzfilter (48, 148), der ein Durchlassband aufweist, das bei einer Wellenlänge nahe dem Durchlassband des zweiten optischen Probenfilters (44, 144) zentriert ist; wobei das Unterstützungselement (132) so beweglich orientiert ist, dass dann, wenn es bewegt wird, einer der Filter (4) innerhalb des optischen Pfades (50) angeordnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Gehäuseabschnitt (64, 114) vom ersten Gehäuseabschnitt (62, 112) räumlich getrennt ist, um den Freiluftbereich (90, 158) zwischen dem ersten und dem zweiten Gehäuseabschnitt (62, 112) (64, 114) zu bilden, in welchem zu analysierendes Gas frei durch den Freiluftbereich und durch den optischen Pfad (50) strömen kann.
Gasanalysator (10, 100) nach Anspruch 1, wobei der erste optische Probenfilter (42, 142) einen um die Wellenlänge von CO₂ zentrierten Bandpassfilter umfasst.
Gasanalysator (10, 100) nach Anspruch 1, wobei der zweite optische Probenfilter (44, 144) einen um die Wellenlänge von H₂O zentrierten Bandpassfilter umfasst.
Gasanalysator (10, 100) nach Anspruch 1, wobei der erste optische Referenzfilter (46, 146) einen nahe der Wellenlänge von CO₂ zentrierten Bandpassfilter umfasst.
Gasanalysator (10, 100) nach Anspruch 1, wobei der zweite optische Referenzfilter (48, 148) einen nahe der Wellenlänge von H₂O zentrierten Bandpassfilter umfasst.