气体室制造技术

本发明专利技术涉及一种用于对气体进行光谱式的、尤其是吸收光谱式的分析的气体室(1)，在该气体室中，所述气体暴露于电磁辐射的入射射束(S)中，并且该电磁辐射的从该气体出来的出射射束(SA)以形成测量信号，其中，该气体室(1)具有由对电磁辐射进行散射的多孔材料所构成的主体(10)、用于将入射射束(S)耦入到气体室(1)中的耦入装置(20)，和用于将出射射束(S

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】气体室


[0001]本专利技术涉及一种用于对气体进行光谱式的、尤其是吸收光谱式的分析的气体室，在该气体室中，所述气体暴露于电磁辐射的入射射束中，并且该电磁辐射的从该气体出来的出射射束以形成测量信号，其中，所述气体室具有由对电磁辐射进行散射的材料所形成的主体、用于将入射射束耦入到气体室的耦入装置，和用于将出射射束从气体室耦出的耦出装置。

技术介绍

[0002]借助对气体的光谱式分析，例如吸收光谱或拉曼光谱，能够确定表征特征，尤其是气体浓度。这在例如工业过程或对环境变化的观测中被广泛应用。
[0003]吸收光谱是基于对电磁辐射的入射射束穿过气体时所经历的吸收的测量。如果电磁辐射的频率与气体的共振频率一致，则发生电磁辐射的吸收；这可以通过出射射束的强度减弱来检测。合适的辐射源尤其具有在特定频率范围内可调谐的激光。这样吸收就可以作为在相应的气体共振频率中的出射射束的强度降低而被检测到。
[0004]吸收光谱的基础是比尔朗伯定律。对于以强度I0入射到已知温度的气体上的射束，由所述气体所透射的辐射的强度I由下式得出：
[0005]I＝I0·
e
‑
α
·
z
.
[0006]此式中，z为光学路径长度，即辐射在气体中走过的路径长度。α表示吸收系数，α＝c
·
ε，其中，ε是消光系数，c是气体浓度。因此，在消光系数和光学路径长度已知情况下，就可以确定气体的浓度c。
[0007]吸收光谱中的一种特殊技术是所谓的使用可调谐的激光二极管的吸收光谱，又称TDLAS(可调谐二极管激光吸收光谱)。在此，激光辐射源是激光二极管。以气体的典型吸收线来调谐激光辐射，并使用探测器来测量出射射束强度的降低。TDLAS可以测量非常低的气体浓度。
[0008]从给出的公式可以看出，用于确定气体浓度的吸收光谱法的检测灵敏度取决于光学路径长度。因此，目标就是延长吸收光谱法中的光学路径长度以改善检测灵敏度。
[0009]延长光学路径长度的一种已知方法具有使用所谓的多通道气体室。通过这些气体室，电磁辐射被引导反复通过被检查的气体。多通道气体室的已知示例具有怀特池和赫里奥特池。在其中，可达到的光学路径长度与气体室体积(定义为主体的外表面所包围在内的体积)成正比，怀特池的光学路径长度L
O
与气体室体积V之比可以达到L
O
/V＝7.5
·
102m
‑2，而赫里奥特池的该比值可以达到L
O
/V＝3
·
104m
‑2。因此，在几米范围内的光学路径长度延长需要相对较大的气体室体积。然而，具有大气体室体积的气体室在某些应用中是不可行的。气体室的响应时间随着气体室体积的增加而增加，这同样不利于应用。
[0010]多通道气体室的检测灵敏度还受限于干涉效应，这些干涉效应由多通道气体室的反射或色散表面之间摆列的法布里
‑
珀罗标准具引起，例如镜子、透镜等。为减少干涉效应，气体室中添加其他光学部件。然而，这导致电磁辐射的漫反射，从而引起散斑的形成。
[0011]为解决这些问题，提出在吸收光谱中使用所谓的乌布利希球(例如，参见J.Hodgkinson等，Applied Optics，Vol.48，No.30，2009)。用来引入待测气体的球形中空部形成于主体中。中空部的表面对所使用的辐射具有反射性。空心球体中的光学路径长度可近似于表达式其中，R为空心球体的半径，ρ是空心球体内表面的反射率。由于光学路径长度是空心球体半径的线性函数，因此必须使用具有大半径的空心球体，但这对某些应用来说可能是不利的。乌布利希球的另一问题是气体交换。气体必须被引入中空部，而设置流入和流出装置削弱可实现的光学路径长度。
[0012]另一种延长光学路径长度的可能性来自所谓的GASMAS法(散射介质中的气体吸收光谱)(M.等，Optics Letters，Vol.26，16
‑
18页，2001)。该方法基于使用多孔材料来延长路径长度。待测气体穿透多孔材料。需要选择对气体的吸收波长具有高分散性并具有低吸收的材料。然后入射到材料上的电磁辐射在孔处被多次散射(多重散射)，从而能够实现对应于多孔材料厚度的倍数的光学路径长度。例如L.Mei等人的“Pathlength Determination for gas in Scattering Media absorption Spectroscopy”，Sensors2014；14(3):3871
‑
3890公开了使用GASMAS法的更多可能性，并包括对宏观均质多孔介质和非均质多孔介质的使用，在所述宏观均质多孔介质和非均质多孔介质中，在无孔的分散性基体材料中形成一个或多个较大的腔。WO 2018/210583 A1公开将多孔陶瓷用于气体室。
[0013]在过去，GASMAS与TDLAS已被结合用于多孔材料中的气体吸收光谱分析，从而提高检测灵敏度。然而在这种情况下，检测灵敏度还受制于光学干扰杂波。为解决这个问题，提出所谓的激辐射抖动，但这需要移动光学部件，这在商用气体室中很难实现。WO 2018/210583 A1建议使用照射在具有多孔材料的气体室上的放大的、未聚焦激辐射作为替代方案。这就消除干涉效应。
[0014]在迄今为止的吸收光谱法中使用多孔材料，得到随所使用的多孔层的厚度而增加的光学路径长度。然而，经透射的辐射的强度随着层厚减小，因此当出射射束的强度下降到检测它所需的最小值时，层厚就无法再增加。这种效应和气体室的大小由此限制可达到的最高为光学路径长度。
[0015]EP 2 520 924 A1和US 4,709,150 A也公开了气体测量系统。

技术实现思路

[0016]鉴于上述现有技术中存在的问题，本专利技术的目的是进一步开发最初所提的类型的气体室，从而在气体室结构方式紧凑的同时实现高检测灵敏度。
[0017]该任务根据本专利技术地通过以下方式解决：在主体中构造有无材料的腔，该腔被对电磁辐射不仅进行漫反射而且进行透射的内表面包围。
[0018]本专利技术基于如下认知：与传统的气体室相比，该类型的气体室提供明显更大的光学路径长度与气体室体积之比。在这种情况下，气体室体积被定义为由气体室的主体的外表面所包围的体积。
[0019]在此，光学路径长度与气体室体积的大比率是由腔内表面对辐射的漫反射以及该辐射透射到对辐射进行散射的多孔材料中产生的。这两种效应的相互作用可以如下理解：
[0020]能够借助耦入装置耦入到气体室中的电磁辐射射束进入腔中。入射射束可以是会聚的、发散的或柱形的。所述射束照射到腔内表面的一个区域上，并且部分地在该表面上漫反射、部分地透射到多孔材料中。该辐射的漫反射部分照射到腔内表面的其他区域上，在这些区域上再次发生漫反射或透射。
[0021]该辐射的透射部分进入多孔材料中。如上所述，在多孔材料中发生该辐射的多重散射。优选地，该材料不吸本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于对气体进行光谱式的、尤其是吸收光谱式的分析的气体室(1)，在所述气体室中，所述气体暴露于电磁辐射的入射射束(S)中，并且检测所述电磁辐射的从所述气体出来的出射射束(S
A
)以形成测量信号，其中，所述气体室(1)具有：由对所述电磁辐射进行散射的多孔材料所构成的主体(10)，和用于将所述入射射束(S)耦入到所述气体室(1)中的耦入装置(20)和用于将所述出射射束(S
A
)从所述气体室(1)耦出的耦出装置(30)，其特征在于，在所述主体(10)中构造有无材料的腔(12)，所述腔被在所述材料内部延伸的内表面(14)包围，所述内表面对所述电磁辐射不仅进行漫反射而且进行透射。2.根据权利要求1所述的气体室(1)，其中，所述材料具有多孔陶瓷材料，在所述多孔陶瓷材料中形成所述腔(12)。3.根据权利要求1或2所述的气体室(1)，其中，孔隙率至少为25％，优选至少为30％，进一步优选至少为35％，而最高为70％，优选最高为65％，进一步优选最高为60％。4.根据前述权利要求中任一项所述的气体室(1)，其中，所述腔(12)具有空心球体的形状，所述空心球体具有半径R
K
。5.根据权利要求4所述的气体室(1)，其中，所述空心球体的半径R
K
是在考虑信噪比的情况下选择的，并且所述空心球体的半径R
K
优选至少为2mm，进一步优选至少为5mm，再进一步优选至少为10mm，而再进一步优选至少为15mm。6.根据前述权利要求中任一项所述的气体室(1)，其中，所述主体(10)具有隔开距离地包围所述腔(12)的所述内表面(14)的外表面(16)，在所述距离的情况下，在所述外表面(16)上出射的损耗辐射小于预给定的损耗界限，所述损耗界限优选小于或等于所述入射射束(S)的强度的99％，进一步优选小于或等于所述入射射束(S)的强度的95％，而再进一步优选小于或等于所述入射射束(S)的强度的90％。7.根据前...

【专利技术属性】
技术研发人员：P，
申请(专利权)人：梅特勒托莱多有限公司，
类型：发明
国别省市：