气体测量系统技术方案

本发明专利技术涉及一种气体测量系统，其包括：相干光源(1、201、301、401)，所述相干光源发射光束；探测器(8、208、308、408)；光路(2、202、302)，所述光路构造在所述光源(1、201、301、401)和所述探测器(8、208、308、408)之间；和气体室(4、204、304、404)，所述气体室布置在所述光源(1、201、301、401)和所述探测器(8、208、308、408)之间的光路中，使得所述探测器(8、208、308、408)接收穿过所述气体室(4、204、304、404)透射的光；其中，所述气体室(4、204、304、404)包括多孔陶瓷(11、211、311、411)；并且其中，所述气体室(4、204、304、404)具有光学路径长度，所述光学路径长度是所述气体室(4、204、304、404)的实际层厚度的数倍；其特征在于，此外在所述光源(1、201、301、401)和所述气体室(4、204、304、404)之间的光路(2、202、302)中还布置有光学元件(3、203、303、403)；由所述光源(1、201、301、401)发出的光束在入射到所述气体室(4、204、304、404)中时被扩张并且不聚焦。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】气体测量系统
本专利技术涉及一种具有气体室的气体测量系统。所述气体测量系统用于以吸收光谱的方式确定气态测量介质的至少一个化学和/或物理的参数。
技术介绍
吸收光谱学并且尤其是借助可调谐的激光器的所谓的二极管激光吸收光谱学，也被称为TDLAS(可调谐二极管激光吸收光谱学，tunablediodelaserabsorptionspectroscopy)允许研究气体的特定吸收，例如氧气(O2)、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)、甲烷(CH4)、胺、氨(NH3)、硫化氢(H2S)、二氧化硫(SO2)、卤化氢化合物，如HCI或者HF、水或者说湿气(H2O)，或甚至是这些气体的混合物，并且由此确定它们在测量介质中的浓度。在此，用于例如氧气测量系统的应用领域从在废气监控领域中的简单应用延伸至在化学和石油化学领域中的复杂的过程控制。其它示例性的应用领域包括在能源产生和垃圾焚烧中的燃烧过程控制。通常在透射组件中进行测量，其中，也已知在透反射(Transflexion)组件中进行测量。由相干光源，如激光器或者二极管激光器发射出的射束被测量介质偏转并且在与同一测量介质相互作用之后被合适的探测器探测。根据朗伯-比尔(Lambert-Beerschen)定律，这样的测量的指示灵敏度与吸收路程相关、即与光在待分析气体中的光学路径长度相关，其中，为了确定较小的浓度需要较长的吸收路程。在TDLAS的情况下，借助可调谐的激光器的射束透射所述测量介质。在此，射束的波长在预给定的波长范围内周期性地变化，其中，被所述激光器覆盖的波长范围优选包括待研究气体的一个或者多个吸收带。被覆盖的波长范围通过所使用的激光器、更准确地说通过所使用的二极管激光器确定。已知多个激光器和二极管激光器。所谓的DFB激光器(分布反馈激光器，distributedfeedbacklaser)能够覆盖在约700nm至约3μm之间的波长范围。所谓的VCSEL激光器(垂直腔面发射激光器，vertical-cavitysurface-emittinglaser)能够覆盖直至约2.1μm的波长范围，QCL激光器(量子级联激光器，quantumcascadelaser)能够覆盖直至约3.5μm或者甚至高于约4.3μm的波长范围，ICL激光器(带间级联激光器，interbandcascadelaser)能够覆盖约3μm至约6μm的波长范围。一种用于为了测量较小或较低浓度而延长光学路径长度的方案是，使用多孔的陶瓷材料、尤其是微米多孔或纳米多孔的陶瓷作为气体室的一部分。然而，已经能够表明，在光路中使用这样的材料由于在恰好该多孔材料上的散射而导致不希望的干涉效应，在探测器上导致所谓的斑点形成，这在波长扫描的动态状况中导致信号受到非常严重的噪声污染。T.Svensson等在《物理评论快报》107，143901(2011)(T.Svensson,etal.Phys.Rev.Lett.107,143901(2011))中说明了对光与气体在强烈散射的纳米多孔和微米多孔的材料，如尤其是具有不同孔大小的、由二氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)或者氧化铝(Al2O3)制成的烧结陶瓷中的相互作用的研究。已经能够表明，光被这种多孔陶瓷随机散射或微散射(英文：randomscattering)并且由此与被透射的陶瓷材料的实际厚度相比极大延长了光学路径长度。此外还表明，这些材料原则上适合用作在760nm的情况下对氧气进行TDLAS确定的小型多通道气体室，其中，经表明二氧化钛由于在760nm的情况下具有强烈的吸收带而较不适合。对强烈散射的多孔材料的光谱学研究的已知局限是光学干涉噪声(英文：opticalinterferencenoise)，该光学干涉噪声例如能够通过激光束抖动(LaserBeamDithering)被抑制，T.Svensson等在《光学快报》33(1)，80(2007)(T.Svenssonetal.,Opt.Lett.33(1),80(2008))中更准确地说明了该激光束抖动。为此，可以旋转样品和/或使用“跟踪线圈(TrackingCoils)”，所述跟踪线圈包括透镜，该透镜布置在两个线圈附近并且由此能够实现透镜位置的适配。J.Larsson等在《应用光学》54(33)，9772(2015)(J.Larsson,etal.Appl.Optics54(33)，9772(2015))中同样说明了使用强烈散射的多孔陶瓷作为TDLAS组件中的多通道室，以便在760nm的情况下借助波长调制的光谱学来确定在作为光学不可见介质的木材中的氧气，其中，波长调制用于通过噪声抑制改善测量系统的灵敏度。一块约5mm厚度的陶瓷材料被引入到待研究的木材中并且探测在该材料上散射的激光，所述激光经由第一光纤被耦合到材料中并且经由第二光纤再次被脱耦。在该试验中，干扰性光学干涉被抑制，其方式是：借助小的马达使光学部件运动。CN102621063B公开了一种具有气体室的气体测量系统，所述气体室由多孔的氧化铝制成，其中，为了抑制干涉噪声使用准直仪来优化激光束，该准直仪被引导穿过耦合到所述气体室上的纤维。CN202590092A公开了一种具有激光器和气体室的气体测量系统，所述气体室具有由多孔材料构成的芯，其中，用于散射的激光的探测器布置在三维的移动台上，使得所述探测器能够被移动，以便调节或者检测所希望的光学路径长度。已知的用于抑制干涉噪声的可能性在商用的气体测量系统中在过程环境中不能这样地实现，因为测量系统的光学部件的运动在机械上是复杂的，需要很大空间以及复杂的电子操控装置，由此，这种气体测量系统变得很大和/或需要经常维护。
技术实现思路
因此，本专利技术的任务在于，提供具有紧凑的气体室的鲁棒的气体测量系统，所述气体室包括多孔陶瓷并且具有改善的信噪比。该任务通过根据本专利技术的气体测量系统来解决，所述气体测量系统包括：发射光束的相干光源、探测器、构造在光源和探测器之间的光路和气体室，该气体室布置在光源和探测器之间的光路中，使得探测器接收穿过气体室透射的光。气体室包括多孔陶瓷材料并且具有光学路径长度，该光学路程长度是气体室的实际层厚度的数倍。此外，光学元件布置在光源和气体室之间的光路中，由光源发出的光束在入射到气体室中时被扩张并且不聚焦。所述光学元件或者是光学透明的窗，其中，由于光束的发散实现光束的扩张；或者包括使光束变形的漫射器光学元件或至少一个衍射光学元件，使得由光源发出的光束在入射到气体室中时被扩张并且不聚焦。由于在所述气体室中使用多孔陶瓷，入射到气体室中的、更确切地说入射到多孔陶瓷中的光在其再次离开陶瓷之前在该陶瓷内被多次反射或随机散射，由此产生光学路径长度，该光学路径长度是气体室的实际层厚度的数倍并且尤其是多孔陶瓷的层厚度的数倍。如开头已经说明的那样，这种多孔陶瓷的使用导致不希望的干涉和斑点形成。该斑点形成在根据本专利技术的气体测量系统中被抑制，其方式是：由光源发出的光束在入射到气体室中时被扩张并且不聚焦，由此，出现的干扰能够被相互抵消并且本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种气体测量系统，所述气体测量系统包括：/n-相干光源(1、201、301、401)，所述相干光源发射光束；/n-探测器(8、208、308、408)；/n-光路(2、202、302)，所述光路构造在所述光源(1、201、301、401)和所述探测器(8、208、308、408)之间；/n-气体室(4、204、304、404)，所述气体室布置在所述光源(1、201、301、401)和所述探测器(8、208、308、408)之间的光路中，使得所述探测器(8、208、308、408)接收穿过所述气体室(4、204、304、404)透射的光；和/n-光学元件(3、203、303、403)，所述光学元件布置在所述光源(1、201、301、401)和所述气体室(4、204、304、404)之间的光路(2、202、302)中；/n其中，所述气体室(4、204、304、404)包括多孔陶瓷(11、211、311、411)；/n其中，所述气体室(4、204、304、404)具有光学路径长度，所述光学路径长度是所述气体室(4、204、304、404)的实际层厚度的数倍；/n其特征在于，所述光学元件(3、203、303、403)/ni.是光学透明的窗并且基于所述光束的发散实现所述光束的扩张；/n或/nii.包括使所述光束变形的漫射器光学元件或者至少一个衍射光学元件，/n使得由所述光源(1、201、301、401)发出的光束在入射到所述气体室(4、204、304、404)中时被扩张并且不聚焦。/n...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170511 EP 17170667.41.一种气体测量系统，所述气体测量系统包括：
-相干光源(1、201、301、401)，所述相干光源发射光束；
-探测器(8、208、308、408)；
-光路(2、202、302)，所述光路构造在所述光源(1、201、301、401)和所述探测器(8、208、308、408)之间；
-气体室(4、204、304、404)，所述气体室布置在所述光源(1、201、301、401)和所述探测器(8、208、308、408)之间的光路中，使得所述探测器(8、208、308、408)接收穿过所述气体室(4、204、304、404)透射的光；和
-光学元件(3、203、303、403)，所述光学元件布置在所述光源(1、201、301、401)和所述气体室(4、204、304、404)之间的光路(2、202、302)中；
其中，所述气体室(4、204、304、404)包括多孔陶瓷(11、211、311、411)；
其中，所述气体室(4、204、304、404)具有光学路径长度，所述光学路径长度是所述气体室(4、204、304、404)的实际层厚度的数倍；
其特征在于，所述光学元件(3、203、303、403)
i.是光学透明的窗并且基于所述光束的发散实现所述光束的扩张；
或
ii.包括使所述光束变形的漫射器光学元件或者至少一个衍射光学元件，
使得由所述光源(1、201、301、401)发出的光束在入射到所述气体室(4、204、304、404)中时被扩张并且不聚焦。


2.根据权利要求1所述的气体测量系统，其特征在于，所述光学路径长度比所述气体室(4、204、304、404)的实际层厚度长至少10倍、尤其长至少50倍并且优选长数百倍。


3.根据权利要求1所述的气体测量系统，其特征在于，所述气体室(4、204、304、404)和/或所述多孔陶瓷是可更换的。


4.根据权利要求1至3中任一项所述的气体测量系统，其特征在于，所述气体测量系统包括过程窗。

【专利技术属性】
技术研发人员：F·文图里尼，P·伯格斯特龙，M·赫特尔，
申请(专利权)人：梅特勒托莱多有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH