气体分析仪和气体分析方法技术

本发明专利技术涉及一种气体分析仪和气体分析方法，其中，至少两个不同的辐射源的射束耦入到一个包含测量气体的赫里奥特池中，并且在多次反射以后与其耦出并被探测到，其中，射束被定向成，使得它们以沿着椭圆延伸的光斑图案(20、21、22)投落到镜(例如5)上，其中：相互嵌套地位于一共同的对称轴线上的椭圆具有两个共同顶点(例如24)并且还具有不同的顶点；来自至少两个不同辐射源的射束在配属的光斑图案(20、21、22)的不同位置(29、30、31)处耦入到赫里奥特池中，并且/或者，耦入到赫里奥特池中，使得它们沿着椭圆在相反方向上经历配属的光斑图案(20、21、22)；并且所有的射束在其中一个共同的顶点(24)的位置处耦出。

Gas analyzers and gas analysis methods

【技术实现步骤摘要】
气体分析仪和气体分析方法
本专利技术涉及一种气体分析仪。本专利技术还涉及一种气体分析方法。
技术介绍
吸收光谱学是一种广泛应用的确定气体浓度的技术。在该技术中，待测气体中光的吸收程度越强，能够证实的气体浓度越小。根据朗伯比尔定律(Lambert-Beer)，吸收随穿过待测介质的光程的增加而增加。为了在空间有限以及/或者(例如对于快速的气体交换来说所需的)小的气体体积的情况下同时实现长的光程，经常使用所谓的多程池，其中，激光射束光学折叠并且多次被引导穿过相同的气体。这种多程池的常见实例是所谓的怀特池(White-cell)和赫里奥特池(Herriott-cell)，在这些多程池中，在激光射束被探测到之前，它在镜面之间多次来回反射。赫里奥特类型的池(非像散的)基于它们在光学机械方面的鲁棒性而特别适合用于工业领域。赫里奥特池由两个球面镜组成，它们以彼此相对的镜面彼此相距某一特定距离。射束(通常是激光射束)可以通过其中一个镜中的进入窗口(在最简单的情况下是一个孔)耦入(eingekoppelt)到池中。然后，射束在这两个镜之间来回反射，其中，根据窗口的布置和激光射束的耦入角度，在镜面上产生反射点的不同的椭圆形图案(Spotmuster光斑图案)。在特定情况下，椭圆变成圆形。圆形的光斑图案在赫里奥特池中被使用得特别频繁，因为它在光斑距离和镜面的高效利用之间提供最佳的平衡。当激光射束在这两个镜的共同光轴线以外的一个位置处相对于光轴线倾斜地耦入到赫里奥特池中，就产生椭圆形或者圆形的光斑图案。激光射束或者从同一个窗口离开，或者从两个镜之一上的另一个窗口离开池。激光射束在池中的路径长度通过窗口的布置和焦距以及镜的距离被唯一地限定。出于这个原因，即使是另一个耦入角度并进而选择另一种反射图案，也不会改变路径长度。在许多情况下，必须在待分析的气体混合物(测量气体)中同时测量多种气体成分，它们的浓度可能相互偏差好几个量级。在最简单的情况下，多个激光器的射束为此能够分别耦入(eingekoppelt)到各自的测量池中，然而这伴随着大的空间需求和高昂的成本。因此希望的是，为了测量所关注的所有气体成分，能够只使用单一的多程池和单一的探测器。然而，为此却必须成功地将多个激光器的射束耦入到池中，使得它们分别经过特定长度的限定路径，而不会受到其他激光器的耦入/耦出装置(Auskoppelvorrichtungen)的干扰，并且最终将不同的激光射束导向到具有有限的探测器表面(通常在mm2范围内)的探测器上。为了将多个激光射束耦入到同一个池中，已知的是，各个激光射束在它们进入池中之前被重合，使得它们基本上经过相同的光学路径。这例如可以借助部分透光的/二向色的镜(WO2017/182787A1)、所谓的光谱合束器(SpectralBeamCombinern)或者光纤合束(fiber-opticcombination)来实现。这些方法的优点在于，只需要单一的探测器，从而在经历了吸收行程之后测量所有的激光射束的信号，因为所有的激光射束都以相同的几何形状耦出。然而，以这种方式无法为不同的激光射束实现不同的路径长度。此外，这些方法通常需要昂贵的光学组件，而且有些只能用于极其有限的波长范围，并且/或者会伴随有光学功率的剧烈降低。一种替代方案是，在池的不同位置处同时耦入多个激光射束。这样虽然能够实现不同的路径长度，但是在迄今为止的解决方案中会导致不同的激光射束有不同的耦出点，从而对于每个激光射束而言都需要一个自己的探测器。因而，W.Gurlit等人在2005年1月的《应用光学》(“AppliedOptics”)第44卷、编号1，第91-102页的论文“LightweightdiodelaserspectrometerCHILD(CompactHigh-altitudeIn-situLaserDiode)forballoonbornemeasurementsofwatervaporandmethane”中描述了一种用于两个激光器的具有不同路径长度的赫里奥特池。每个激光射束在池中围绕自己的在多个反射点上的圆，并且随后通过其相应的进入窗口再次离开，其中利用了镜的球面像差以实现两个圆中的不同路径长度。用于多个激光器的赫里奥特池的其他版本在以下文献中得以说明：-C.G.Tarsitano等人，2007年10月，《应用光学》第46卷,编号28，第6923-6935页"MultilaserHerriottcellforplanetarytunablelaserspectrometers"，-G.Moreau等人，2005年10月，第44卷，编号28，第5972-5989页"SPIRALE:amultispeciesinsituballoonborneinstrumentwithsixtunablediodelaserspectrometers"，以及-C.R.Webster等人，1994年1月，第33卷，编号3，第454-472页"Aircraft(ER-2)laserinfraredabsorptionspectrometer(ALIAS)forin-situstratosphericmeasurementsofHCl,N2O,CH4,NO2,andHNO3"。虽然上述公开文献中窗口的布置方式不同，但是它们的共同点是，不同激光射束的反射点都分别位于各自的椭圆上，但是这些都导致相同的路径长度。在这里，每个激光射束也都由各自的探测器进行探测。使用多个探测器的必要性是不容低估的成本因素，尤其是在中远红外线范围内进行测量时(MIR和FIR)，而这种测量从近几年研究和发展量子级联激光器以来越发重要。由专利DE4331847A1中已知一种气体分析仪，其中，激光射束借助径向并排布置的进入光波导体通过径向的进入间隙或者作为替代通过单独的进入开口耦入到柱形的赫里奥特池中，从而使得射束以沿着中心圆延伸的光斑图案投落到镜上。这些射束通过离开间隙离开赫里奥特池后利用布置在下游的透镜和光波导体投落到一个共同的探测器上。为了在一个且同一个赫里奥特池内实现不同的路径长度，已知的是，通过将镜相对彼此地推移来改变光斑图案和路径长度(EP2375237A1或者EP1972922A1)，通过转动具有离开窗口的镜使得激光射束在不同的位置处耦出，从而有效经历的光程依据窗口位置而不同(CN104155241A)，或者将两种手段结合起来(US2017/0307519A1)。原则上还可以提出，多个激光器的射束被同步耦入，然而具有可运动部件的光学构造相比于静态构造具有众多的缺点。-更高的构造复杂性以及随之而来的更高成本，-磨损的风险，-功能故障的风险，尤其是在工业领域(例如在振荡影响下)。
技术实现思路
因此本专利技术所基于的目的是，在单一的静态多程池中，为不同光源的射束实现不同的路径长度，以及利用仅一个探测器对射束进行探测。根据本专利技术，所述目的通过根据本专利技术的气体分析仪以及通过根据本专利技术的气体分析方法得以解决。<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种气体分析仪，具有：至少两个不同的辐射源(10、11、12)；一个探测器(14)；和，包含测量气体(2)的、具有两个镜(5、6)的赫里奥特池(1)，其中，所述辐射源(10、11、12)相关于所述赫里奥特池(1)被布置并定向成，使得从所述辐射源耦入到所述赫里奥特池(1)中并且在所述镜(5、6)之间反射的射束(7、8、9)以沿着椭圆(17、18、19；17’、18’、19’)延伸的光斑图案(20、21、22；20’、21’、22’)投落到所述镜(5、6)上，其中/n相互嵌套地位于一共同的对称轴线(23)上的所述椭圆(17、18、19；17’、18’、19’)具有两个共同顶点(24、25)并且还具有不同的顶点，/n来自至少两个不同的所述辐射源(10、11、12)的所述射束(7、8、9)/n在配属的所述光斑图案(20、21、22；20’、21’、22’)的不同位置(29、30、31)处进入到所述赫里奥特池(1)中，并且/或者/n进入到所述赫里奥特池(1)中，使得所述射束沿着所述椭圆(17、18、19；17’、18’、19’)在相反方向上经历配属的所述光斑图案(20、21、22；20’、21’、22’)，/n所有的所述射束(7、8、9)在所述共同顶点(24、25；24’)之一的位置处离开所述赫里奥特池(1)，并且投落到所述探测器(14)上，并且其中/n至少两个不同的所述辐射源(10、11、12)的所述射束(7、8、9)在所述赫里奥特池(1)中经历不同的路径长度。/n...

【技术特征摘要】
20180720 EP 18184805.21.一种气体分析仪，具有：至少两个不同的辐射源(10、11、12)；一个探测器(14)；和，包含测量气体(2)的、具有两个镜(5、6)的赫里奥特池(1)，其中，所述辐射源(10、11、12)相关于所述赫里奥特池(1)被布置并定向成，使得从所述辐射源耦入到所述赫里奥特池(1)中并且在所述镜(5、6)之间反射的射束(7、8、9)以沿着椭圆(17、18、19；17’、18’、19’)延伸的光斑图案(20、21、22；20’、21’、22’)投落到所述镜(5、6)上，其中
相互嵌套地位于一共同的对称轴线(23)上的所述椭圆(17、18、19；17’、18’、19’)具有两个共同顶点(24、25)并且还具有不同的顶点，
来自至少两个不同的所述辐射源(10、11、12)的所述射束(7、8、9)
在配属的所述光斑图案(20、21、22；20’、21’、22’)的不同位置(29、30、31)处进入到所述赫里奥特池(1)中，并且/或者
进入到所述赫里奥特池(1)中，使得所述射束沿着所述椭圆(17、18、19；17’、18’、19’)在相反方向上经历配属的所述光斑图案(20、21、22；20’、21’、22’)，
所有的所述射束(7、8、9)在所述共同顶点(24、25；24’)之一的位置处离开所述赫里奥特池(1)，并且投落到所述探测器(14)上，并且其中
至少两个不同的所述辐射源(10、11、12)的所述射束(7、8、9)在所述赫里奥特池(1)中经历不同的路径长度。


2.根据权利要求1所述的气体分析仪，其特征在于，所述椭圆(17、18、19)的所述共同顶点(24、25)是所述椭圆的主顶点。


3.根据权利要求2所述的气体分析仪，其特征在于，外部的椭圆构成一个圆。


4.根据前述权利要求中任一项所述的气体分析仪，其特征在于，设有至少一个另外的辐射源，该另外的辐射源的射束与所述辐射源(10、11、12)中的一个辐射源的射束一起在同一位置处...

【专利技术属性】
技术研发人员：西蒙尼·伊莎贝尔·鲁普，
申请(专利权)人：西门子股份公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE