用于测量气体的至少两种组分的气体分析器制造技术

本发明专利技术用于测量气体的至少两种组分的气体分析器。本文中公开了一种用于测量气体的至少两种组分的气体分析器。气体分析器包括用于能够发射红外辐射通过气体的发射器(17)和用于允许透射发射器所发射的预定波长的滤波器组装件(32)。气体分析器还包括用于接收发射器所发射并穿过滤波器组装件的波长的检测器(31)。滤波器组装件包括串联的至少两个可调谐窄带干涉滤波器(33，43)，每个滤波器包括两个介质镜(35，36和45，46)和两个介质镜之间的空气间隔(34，44)以将滤波器之一调谐到与另一滤波器不同的透射带。

【技术实现步骤摘要】

本公开一般涉及用于测量气体的至少两种组分的气体分析器。气体分析器包括用于能够发射红外辐射通过气体的发射器、用于允许透射发射器所发射的预定波长的滤波器组装件和用于接收发射器所发射的并穿过滤波器组装件的波长的检测器。
技术介绍
在麻醉学中或在特别护理中，例如经常通过分析患者呼出的气体以了解其内容来监视患者的状况。为此，一小部分的呼吸气被输送到气体分析器，或者气体分析器直接连接到呼吸电路(respiratory circuit)。在非色散红外(NDIR)气体分析器中，测量基于气体样本中红外(IR)辐射的吸收。辐射源将通过测量室的红外辐射束引导到辐射检测器，检测器的输出信号取决于样气中辐射的吸收的强度。选择用于测量的光学波长带而无色散元件，如棱镜或使用光学带通滤波器的光栅。辐射源一般包括电热的丝或表面区域和辐射收集光学器件，并发射广谱区内的辐射。要分析的气体样本(即样气)馈送通过测量室，因此， 气体混合物被包括在室中以便分析。测量室能够是提供有在测量波长透明的进气与出气窗和样气入口与出口的管式空间。辐射在通过测量室时被气体样本吸收。辐射检测器生成取决于落在其敏感区域上的辐射功率的电信号。气体分析器中的检测器类型取决于其测量波长。对于广谱范围内的测量，热检测器由于其灵敏度只取决于辐射热转换的效率而使用方便。为了使检测器的输出信号对某种气体组分敏感，选择到达检测器的辐射的波长带以便气体组分吸收其内的辐射。此选择使用其带宽一般在中心波长的-2%的光学带通滤波器来进行。在NWR多气体分析器中，在选定的几个波长带测量气体样本的吸收以匹配关注气体组分的吸收谱。这能够通过使用一个辐射检测器，并通过更改光学路径上接连的光学带通滤波器而实现。也可能使用几个辐射检测器与其对应带通滤波器的组合。除这些测量检测器外，可以有一个或多个参考检测器。参考检测器一般在已知样气无吸收或吸收低的波长带从辐射源接收辐射。要测量吸收的强度，必需知道在测量波长分析器的零级别。零级别是在某个波长样气不吸收顶辐射时在该波长获得的检测器信号。假设缺少辐射导致零或其它已知信号，通过形成零级信号与检测器信号之间的比率来计算吸收的强度。通过单独测量已知在测量波长不吸收辐射的零气体，可能更新零级别。此方法通常在侧流配置中使用，其中，从呼吸电路抽出并单独分析气体样本。也可能获得零级别的估计而未通过气体为分析器取零。这能够通过使用参考滤波器实现，因此，在已知气体样本不吸收顶辐射的参考波长测量检测器信号。也可能一起使用分开的参考检测器和参考滤波器，并且使用参考检测器的输出信号作为在测量波长零级别的估计。这些估计与在测量波长所获得的检测器信号一起持续可用。对所有测量波长使用一个或两个共同参考波长通常便足够，特别是在测量波长相互靠近时。参考波长也能够选择为使得它们能够补偿像水等液体或气体形式的干扰物。此方法通常在主流配置中使用，其中，分析器定位成跨呼吸管进行测量。在主流类型的临床使用气体分析器中，呼吸气或气体混合物流的所有量或至少主要部分过分析器和其测量室。由于测量室在呼吸电路中，因此，易于受黏液或冷凝水污染。 因此，必需在主流分析器中使用一个或多个参考波长以使零级的足够好的估计持续可用。临床主流气体分析器必须小、轻、准确和可靠。在其正常操作期间不可能对它取零。然而，即使测量室将受到污染，分析器也必须保持其准确性。由于这些要求原因，一直以来只有用于二氧化碳C02的单气体分析器可用，并且市场上一直没有主流类型的真正小巧的多气体分析器。最佳的结构将是单路径分析器，因为例如测量路径的污染因此将类似地影响测量和干扰波长，并且对气体浓度值的影响将得以消除。然而，这难以使用多个离散带通滤波器实现。要么它将要求旋转滤波器轮，而该轮可能大且易于发生机械损坏，要么它将要求多个分束器来分离不同的带通波长到不同检测器。仅前一方法能够利用单检测器， 并因此避免各个检测器之间差别的问题。然而，采用离散介质光学带通滤波器时，似乎不可能使分析器足够小到也应用于像小孩和新生儿等患者。另外一个问题是不同的呼吸气体具有间隔如此宽广的吸收的波长区域。二氧化碳和一氧化二氮能够在3900nm与4600nm之间测量到，而所有麻醉剂在8000nm到IOOOOnm区域中吸收。介质顶滤波器的透射带随入射角的波长变化例如太小而不能覆盖关注的波长区域的两端。因此，此类单路径解决方案将不适用。还有的另一问题是测量必须足够快以测量呼吸曲线。实际上，上升时间将必须是大约200ms。用于物质检测的干涉式分析器能够是带有电调制可能性的Fabry-Perot型干涉仪。镜片经常是紧密间隔的，但距离仍有几个波长。自由谱范围(FSR)可仅为大约lOnm， 并且整个谱范围覆盖有IOnm间隔的大量极窄的透射峰。自由谱范围是Fabry-Perot干涉仪的透射谱中连续透射峰之间的频率或波长空间。SFR与干涉仪中反射表面之间的距离成反比。在此情况下，必须使用轮上的离散带通滤波器来选择关注区。因此，此解决方案不能变得比只使用滤波器轮来选择测量波长的分析器更小巧或快速。使用微机械和电可调谐Fabry-Perot干涉仪的单路径气体分析器在
中是公知的。与以前的解决方案不同，共振器极短，甚至短到只有关注波长的一半。这放宽了干涉仪的自由谱范围。分析器能够变得十分小巧，但结构允许仅在所选波长的大约10%内的波长调谐。除非波长区靠近在一起，否则，这使得测量多种气体几乎是不可能的。在高达大约1700nm的近红外波长区，使用串联的Fabry-Perot可调谐滤波器的解决方案也为已知的。超发光的发光二极管优选用作源，并且源和滤波器或滤波器和检测器集成在密封封装内的光具座(optical bench)上。该使用主要是光远程通信。滤波器是微机械的，自由谱范围为大约200nm，这意味着Fabry-Perot滤波器的镜片之间的间隔是多个 (> 3)半设计波长。
技术实现思路
本文中解决了上述缺点、缺陷和问题，这将通过阅读和理解下面的说明书而理解。在一个实施例中，一种用于测量气体的至少两种组分的气体分析器包括用于能够发射红外辐射通过气体的发射器和用于允许透射发射器所发射的预定波长的滤波器组装件。用于测量气体的至少两种组分的该气体分析器还包括用于接收发射器所发射的并穿过滤波器组装件的波长的检测器。滤波器组装件包括串联的至少两个可调谐窄带干涉滤波器，每个滤波器包括两个介质镜和两个介质镜之间的空气间隔以将滤波器之一调谐到与所述滤波器的另一个滤波器不同的透射带。在另一实施例中，一种用于测量气体的至少两种组分的气体分析器包括用于能够发射红外辐射通过气体的发射器和用于允许透射发射器所发射的预定波长的滤波器组装件。用于测量气体的至少两种组分的该气体分析器还包括用于接收发射器所发射的并穿过滤波器组装件的波长的检测器和用于要测量的气体的测量通道，并且该测量通道配备有至少一个光学窗口以用于允许红外辐射由于气体组分而被吸收。滤波器组装件包括串联的至少两个可调谐窄带干涉滤波器，每个滤波器包括两个介质镜和两个介质镜之间的空气间隔以将滤波器之一调谐到与所述滤波器的另一个滤波器不同的透射带。在仍有的另一实施例中，一种用于测量气体的至少两种组分的气体分析器包括用于能够发射红外辐射通过气体的发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：K·P·维克斯特隆，H·A·M·哈弗里，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：