饱和过滤NDIR气敏方法技术

提出一种NDIR气体感应方法，当利用这种新技术实施时，所述方法使得NDIR气体传感器的输出随着时间维持稳定或不偏移。此外，这种传感器的输出也将独立于传感器所物理接触的环境温度。该方法利用相同的窄带通光谱过滤器用于检测信号通道和基准通道中的关注气体。通过这样做，两个通道总是从传感器的卷绕有暴露于传感器外部的任何外部元件的红外光源接收相同光谱含量的辐射。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请是2009年4月19日提交的、专利技术名称为“饱和过滤NDIR方法(saturation filtering NDIR methodology)”、申请号为61/212,713的美国专利申请的部分持续申请。
本申请涉及气体分析领域，更具体地涉及使用非色散红外(NDIR)气体分析技术通过感应经过气体的红外辐射的吸收来确定在样本室中特定气体类型的浓度的装置。
技术介绍
长久以来，非色散红外(NDIR)技术都被认为是气体测量的最好方法之一。除了高度专业外，NDIR气体分析仪还非常的敏感、稳定、可靠以及易于维修和服务。从二十世纪五十年代中期气体测量的NDIR技术被引入并投入实践以来，已经提出并成功证实了大量用于气体检测的基于NDIR原理改进的测量技术。在本领域中，近几年来最为著名的进步总结如下。Burch等人(申请号为3,793,525的美国专利)以及Blau等人(申请号为3,811,776的美国专利)在1974年首先提出用于NDIR气体测量的所谓的“双光束(Double beam)”技术，其利用某些强吸附性气体的非线性吸收原理来创建基准通道(reference channel)。之后不久，通过利用两个插置的光谱过滤器(一个是吸附性的，另一个是中性的)来创建样本和基准检测器通道，大大简化了这种“双光束”NDIR气体传感器技术。随后利用该技术所设计的NDIR气体传感器都具有以<br>上涉及的主要良好性能。在专利号为4,578,762的美国专利(1986)中，Wong提出了利用新颖的双轮斩光器和镜子(chopper and mirror)配置的第一个自动校准NDIR CO2分析仪。另一种改进型的这种气体分析仪在Wong所提出的专利号为4,694,173的美国专利(1987)中进行了图示和描述。这种气体分析仪不同于前述NDIR气体分析仪，其不具有用于影响光谱过滤器的插置从而创建样本和基准检测器通道的移动部件。在专利号为5,163,332的美国专利(1992)中，Wong提出一种用于简化NDIR气体传感器的所谓的“导波器(wave-guide)”样本室概念，所述简化的气体传感器为紧凑的、稳定的且低成本的，同时还能维持其优良的性能特点。这种概念随后在设计当今的NDIR气体传感器中被广泛采用，尤其是在低成本且高容量的情况下。在过去的二十年里，所有上述用于测量混合物中的一种或多种气体的浓度的NDIR气体分析仪都功能良好，且对气体分析领域的所有技术进步做出了贡献。它们被广泛用于医疗领域和工业领域。除了其在这些年中毫无争议的成功外，仍旧存在大量重要的传感器性能特点需要大大改进，以便进一步延伸这些设备在许多范围内的有用应用。迄今为止，包括NDIR气体传感器在内，如今的气体传感器最不足的性能特点是传感器随着时间的输出稳定性。与人们对家中或办公地点中所熟知的温度控制器和恒温设备不同，这些设备用于感应温度并且不需要随着时间的输出调整或校准，不管气体传感器的操作原理、功能设计、材料组成甚至成本，这都不是气体传感器的情况。基于气体传感器的类型，它们中的每个都毫无例外地需要在每六个月至一年进行校准，从而能保持随着时间的准确性。虽然多年来已经很好地容忍了这种性能缺陷，但是其仍然作为气体传感器的主要缺陷，甚至将气体传感器排除在许多重要应用外，因此必需最终消除这种缺陷。无论操作原理如何，当今气体传感器的第二大性能缺陷是作为传感器所处的环境温度的函数的输出依赖。虽然勉强，但该对于所有的气体传感器的性能缺陷普遍是通过如下处理的：相对于标准温度规定的输出，指定每度温度变化的输出校正。在有些气体传感器中，这些输出温度校正非常大，并且在许多情况下，严格地限制了这些传感器在户外的使用。因为气体传感器在大部分工业中的普遍使用，如果解决了该性能缺陷，这将是未来气体传感器(尤其是NDIR型传感器)的发展中向前的重要一步。
技术实现思路
本专利技术一般涉及利用非色散红外传感器中用于信号通道和基准通道的单一窄带通光谱过滤器来检测关注气体的装置和方法，其中所述基准通道还包括含有关注气体的饱和腔室，并且信号检测器和基准检测器安装在单一温度平台上。在本专利技术第一个单独方案组中，不管在非色散红外传感器的样本室中是否存在任何浓度级别的待检测气体，所述基准通道信号保持基本不变。饱和腔室具有长度L’并且包含浓度c’的关注气体，信号通道的样本腔室的长度为L且在所述样本腔室中的关注气体的最大浓度为c，使得关注气体的最终饱和腔室浓度(L’)×(c’)至少比关注气体的样本腔室浓度(L)×(c)大一个数量级。在本专利技术第二个单独方案组中，所述基准检测器和所述信号检测器安装在热传输材料(例如铝)的单一结构中。在本专利技术第三个单独方案组中，所述关注气体的选择吸收带为强吸收带，例如水蒸气、碳氢化合物或者二氧化碳。因此本专利技术的主要目的是提出一种旨在使随时间的偏移最小化的NDIR气体传感器和方法的新设计。结合附图和后文对本专利技术的详细描述，这个和其它的目的和优点对于本领域的技术人员而言将变得清晰。附图说明图1描述了双光束测量方法；图2描述了本专利技术的饱和过滤基准方法。具体实施方式气体浓度测量的非色散红外(NDIR)方法利用了对多数气体分子(其原子组态为非中心对称的)而言存在的强红外吸收波段。通常的例子是二氧化碳(CO2)、水蒸汽(H2O)和甲烷(CH4)。在当今使用的许多NDIR气体感应方法中，所谓的“双光束”方法被认为是最广泛采用且最实用的。图1示意性示出了在NDIR气体测量的双光束方法中使用的部件和其布置。该方法之所以叫做“双光束”，起源于用于该技术的光学布置包括两个光束或通道的事实，其中一个称为“信号”，而另一个称为“基准”。所谓的“信号”光束对在样本室中待检测的气体浓度敏感，而所谓的“基准”光束基本不是这样。传感器的输出被处理为“信号”光束信号电压与“基准”光束信号电压之间的比率。这种传感器的经处理过的输出用于消除在双光束中发生的共模光干扰或光衰减(例如，由于灰尘引起的窗模糊)，以便基本维持传感器随着时间的输出稳定性。如图1所示，为该方法的实现建立了分别标记为信号通道1和基准通道2的双光束。所述两个通道或光束的建立是通过如下实现的：在分别用于信号通道和基准通道的两个窄光谱带通过滤器3和4间的公平选择。光谱过滤器3限定与待检测的气体的选择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】2009.04.14 US 61/212,7131.一种利用非色散红外传感器检测关注气体的装置，所述装置包
括：
信号通道，其具有信号检测器；
基准通道，其具有基准检测器和包含所述关注气体的饱和腔室；
以及
单一窄带通光谱过滤器，其被用于所述信号通道和所述基准通道；
其中，所述信号检测器和所述基准检测器都安装在单一温度平台
上。
2.如权利要求1所述的装置，其中，不管在样本室中是否存在任
何浓度级别的待检测气体，所述基准通道信号都保持基本不变。
3.如权利要求1所述的装置，其中，所述饱和腔室具有长度L’
并且包含浓度c’的所述关注气体，信号通道的样本腔室的长度为L且
在所述样本腔室中的关注气体的最大浓度为c，使得所述关注气体的
最终饱和腔室浓度(L’)×(c’)至少比所述关注气体的样本腔室浓度(L)
×(c)大一个数量级。
4.如权利要求1所述的装置，其中所述基准检测器和所述信号检
测器安装在热传输材料的单一结构中。
5.如权利要求4所述的装置，其中所述热传输材料包括铝。
6.一种非色散红外传感器，包括：
样本室，关注气体流经所述样本室；
红外光源；
光谱过滤器；
基准检测器，其用于检测基准通道信号；
饱和腔室；
信号检测器，其用于检测信号通道信号；以及
用于处理信号通道信号与基准通道信号的比率的电子元件；
其中，所述光谱过滤器具有与所述关注气体的选择吸收带一致的
窄光谱带通；
其中，在所述红外光源中，所述光谱过滤器、所述样本室以及所
述信号检测器形成信号通道；以及
其中，所述基准检测器和所述信号检测器安装在单一温度平台上，
从而使得它们相互得知对方的温度。
7.如权利要求6所述的非色散红外传感器，其中，不管在所述样
...

【专利技术属性】
技术研发人员：雅各布·Y·汪，
申请(专利权)人：艾尔威尔有限公司，
类型：发明
国别省市：