带有用于随着对环境影响进行补偿来光学测量气体和气体混合物的测量装置的设备制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种用于光学检测气体混合物中的目标气体的设备，该设备带有运行和评估装置（8）和测量比色计（3），该测量比色计设计为内壁上带有光学反射表面的多反射测量比色计并且具有气体入口（5），该气体入口设计用于与测量环境（6）交换气体和气体混合物，其中在测量比色计（3）上设置有将光射入测量比色计中的辐射源（4）、测量探测器（21）以及参考探测器装置（23，25，27），其中，测量探测器（21）和参考探测器装置（23，25，27）设计用于检测辐射源（4）的光并且将其转换成电信号，该电信号与所检测到的光强度相符，其中在测量探测器（21）之前布置有光学带通滤波件（22），其设计用于允许测量波长的光通过，其中在参考探测器装置（23，25，27）之前布置有光学的双带通滤波装置（24，26，28），其设计用于允许第一参考波长（31）的光和第二参考波长（32）的光通过，并且其中运行和评估装置（8）设计用于运行辐射源（4）并检测测量探测器（21）和参考探测器装置（23，25，27）的电信号。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】带有用于随着对环境影响进行补偿来光学测量气体和气体混合物的测量装置的设备
本专利技术涉及了一种用于随着对环境影响进行补偿来红外光学地测量气体和气体混合物的测量装置。
技术介绍
在工业设备监控方面，尤其是在自动化程度日益提高的背景下对气态混合物进行分析的可能性是无故障和安全运行的重要边界条件。为了例如，能够精确和迅速地发现在较大型的工业设备中、石油化学设备中或海上钻井平台上在故障状况下的逸出的气体，本身值得期待的是，在可能出现故障的位置以高测量灵敏度探测低浓度的危害健康的气体。光学的气体探测系统尤其适用于以高测量灵敏度检测低浓度。现有技术中公知了光学的气体探测器系统，这些气体探测器系统作为逐点的测量站点分散地布置在工业设备的限定区域中的多个测量点处或大面积的区域中。这种带有光学点探测器的光学气体探测器系统由光源、被光射过的测量比色计、窄带的光学滤波器、以及用来测量光强度的探测器构成。被测量的气体对光的吸收导致探测器信号减少，该探测器信号被评估为测量参量。另外，现有技术中公知了利用其检测较大区域或面积的气体浓度的气体测量系统。这种系统由带有光源的发射器、带有探测器的定向的接收器、以及其他的用于引导光束的光学元件构成。在此情况下，光束从发射器到接收器经过的距离作为光学测量距离在从很少的几米直至50米、200米或更大的范围内。这种也被称为开路式测量系统(Open-Path-Messsystem)的测量装置在 U.S.6，455，854 中有所描述。U.S.5，923，035中描述了带有与环境气体联系的测量比色计的装置。该测量比色计构成了光源和探测器之间的光学测量距离。光束在比色计中平均经过的路程确定出光学测量距离并且由此确定出测量装置的光学路径长度，在此情况下，可以选择其中光源和探测器直接相对布置的装置。在一种具有在结构上布置在其自身一侧的光源和探测器的装置中，可以为了射束转向或为了延长光学路径长度而布置一个或多个镜面，或可以这样反射地设计和布置比色计的壁，即，借此在比色计中提供了延长从光源到探测器的光学路径长度的镜面反射和/或多重反射。以这种类型设计的比色计在现有技术中也可以称为多重反射单元。这种多反射单元在绝大多数实施方式中均在内侧在壁上设计成全反射的，由此在使用具有未定向的光束的辐射源时，未定向地辐射出来的光量的一部分通过在壁上的多重反射以较长的路径到达探测器。光量的仅仅简单地进行反射的另一部分以较短的路径到达探测器。根据U.S.5，923，035的在测量点上位置限定地进行测量的装置与根据U.S.6，455，845的被称为所谓的点探测器的开路式装置不同，其原因在于:利用这种测量装置可以执行局部限定的测量。由此可以例如，通过空间上分散地将大量这种点探测器布置在多个测量点上来有针对性地和特别地监控工业区域。这种点探测器的特殊的形式是用于空间上受限的、也就是说逐点的测量任务的移动手持测量装置，其特殊之处在于可以由使用者变化地和移动地选择测量点。在探测器上检测的光束的可通过测量装置测量的强度由位于比色计中的气体或气体混合物的吸收特性和光学路径长度的长度来确定。随后从所检测的频谱和频谱中的各个波长的信号强度中可以非常精确地得出测量距离范围内的特定气体成分或气体种类的存在和浓度。在此情况下根据测量任务通过测量环境的结构情况来确定光学路径长度。在为了测量浓度而局部限定地进行单点测量时所使用的测量装置中，结构情况如壳体尺寸和比色计长度那样预先给定了在几厘米、例如3cm至23cm的范围中的光学路径长度。在多重反射单元中，光从辐射源出发射入到比色计中，在相对的壁上和侧面的壁上进行反射，并且到达布置在辐射源旁的探测器，在具有该多重反射单元的测量装置中，在使用具有未定向的光束的辐射源的条件下除了等于比色计结构长度的两倍的光学路径长度以外，在统计学上还给出了基于所出现的多重反射而产生的其他光学路径。由此提供了大于由实际的结构长度所决定的光学路径长度的平均光学路径长度。由此，例如，在内部尺寸为5cm的比色计结构长度的条件下，根据多反射单元的结构和反射性能给出了 7cm至50cm的有效光学路径长度。在空场中借助开路式测量系统来测量浓度的应用方式中，给出了在几米至50米以上，直至200米或更大范围内的光学路径长度。为了高分辨率和特别地测量特定气体的浓度，从这些结构情况中得出了用来选择适合的测量波长λ M的设计标准和选择标准。在此情况下，原则上期望在得知气体混合物中的目标气体的浓度的条件下在整个测量区域上提供尽可能大的灵敏度。另外，在不需要将准直的光束作为光源的方式中，多反射单元是具有优点的，例如，在根据U.S.6，455，854的开路式空场(Open-Path-Freifeld)装置中，光源(发射器)和探测器(接收器)必须彼此精确定向，且光束本身要例如、通过激光光源进行定向，或在使用不需要在光源中本身限定地使射束准直的光源的情况下要存在用于使光束聚焦、转向和偏转的额外的光学件，例如，透镜和/或镜面。对于实际应用而言，多反射单元是尤其具有优点的，其原因在于:在唯一的镜面元件受到污染的情况下，与所具有的镜面元件作为单独反射点的结构不同，比色计中的反射表面在受到部分污染的条件下还能够继续进行测量。这种对于位置受限的局部污染并不敏感的原因在于:在光到达探测器之前，光源的光未定向地耦合到多反射单元中，在反射表面上出现了在统计学上位置随机和变化的反射，同时还出现了单重、双重以及还有多重的反射。由此，通过这种统计学上的随机的和持续变化的反射，对位置受限的局部的污染起作用，而并不作为对于气体浓度测量的缺点。在与监测目标气体的爆炸极限的所注意的测量范围的实际转换中，对此有利的是:例如，在测量比色计中以爆炸极限以下的相应浓度存在的目标气体造成光吸收，该光吸收例如对于目标气体甲烷而言导致探测器上的信号在大约10%至15%的范围内减少。另外，尽可能均匀地提升光吸收的特性曲线或减少探测器上的在所注意的测量区域上的信号是值得期待的。这在一方面得出了明显取决于目标气体的测量效果，另一方面可以根据相对于其他气体的横向灵敏度(Querempfindlichkeiten)以及环境条件的影响例如温度波动、空气压力影响以及湿度影响实现进一步的光吸收，而不会例如通过补偿在光学路径长度上几乎完全地吸收光。由此，可以通过与适合的光学路径长度相结合的地选择专门适用于测量气体的测量波长，由此达到这种关于光吸收的设计标准。为了能以高灵敏度测量低浓度，要求非常精确地实现测量装置的结构，并且要求测量装置的部件与测量任务、运行测量装置的环境条件相互非常精确地匹配。对于测量的高灵敏度和对于确定的目标气体的具体选择而言，重要的是针对目标气体的测量波长的设计以及针对比色计中的测量距离的光学路径长度的设计。比色计的结构尺寸主要由气体测量装置的可使用的结构空间来预先给定，其中，在可供使用的、与移动应用中的适用性相关的结构空间中为移动测量装置设定边界。比色计内部的测量距离的长度一方面受到测量距离本身上的光损耗的限制，并且通过由目标气体的光吸收限制，其他主要的限制由光学件产生的损耗以及由所使用的探测器的灵敏度所决定的损耗得出。与测量装置的准确度相关的主要影响参量可能由环境条件，例如，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于光学地检测气体混合物中的目标气体的设备，带有运行和评估装置（8）和测量比色计（3），所述测量比色计设计为内壁上带有光学反射表面的多反射测量比色计并且具有气体入口（5），所述气体入口设计用于与测量环境（6）交换气体和气体混合物，其中，在所述测量比色计（3）上设置有将光发射到所述测量比色计中的辐射源（4）、测量探测器（21）以及参考探测器装置（23，25，27），其中，所述测量探测器（21）和所述参考探测器装置（23，25，27）设计用于检测所述辐射源（4）的光并且将所述光转换成电信号，所述电信号与所检测到的光的强度相符，其中，在所述测量探测器（21）之前布置有光学的带通滤波件（22），所述带通滤波件设计用于允许测量波长的光通过，其中，在所述参考探测器装置（23，25，27）之前布置有光学的双带通滤波装置（24，26，28），所述双带通滤波装置设计用于允许第一参考波长（31）的光和第二参考波长（32）的光通过，以及其中，所述运行和评估装置（8）设计用于运行所述辐射源（4）并且检测所述测量探测器（21）和所述参考探测器装置（23，25，27）的所述电信号。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.07.02 DE 202011102765.51.一种用于光学地检测气体混合物中的目标气体的设备，带有 运行和评估装置(8)和 测量比色计(3)，所述测量比色计设计为内壁上带有光学反射表面的多反射测量比色计并且具有气体入口(5)，所述气体入口设计用于与测量环境(6)交换气体和气体混合物， 其中，在所述测量比色计(3)上设置有将光发射到所述测量比色计中的辐射源(4)、测量探测器(21)以及参考探测器装置(23，25，27)， 其中，所述测量探测器(21)和所述参考探测器装置(23，25，27)设计用于检测所述辐射源(4)的光并且将所述光转换成电信号，所述电信号与所检测到的光的强度相符， 其中，在所述测量探测器(21)之前布置有光学的带通滤波件(22)，所述带通滤波件设计用于允许测量波长的光通过， 其中，在所述参考探测器装置(23，25，27)之前布置有光学的双带通滤波装置(24，26，28)，所述双带通滤波装置设计用于允许第一参考波长(31)的光和第二参考波长(32)的光通过，以及 其中，所述运行和评估装置(8)设计用于运行所述辐射源(4)并且检测所述测量探测器(21)和所述参考探测器装置(23，25，27 )的所述电信号。2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述运行和评估装置(8)设计用于从属于所述第一参考波长(31)的信号、属于所述第二参考波长(32)的信号以及属于所述测量波长(30)的信号中，在将所述测量探测器(21)的频谱测量敏感度特征曲线计算在内并且将所述参考探测器装置(23，25，27)的频谱测量敏感度特征曲线计算在内的情况下，对空气湿度的影响进行补偿并且测定目标气体浓度。3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述辐射源(4)设计用于射出红外波长范围内的光,并且 其中，所述测量波长(30 )、所述第一参考波长(31)和所述第二参考波长(32 )均处在所述红外光学波长范围内。4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其中，由所述辐射源(4)射出的光在所述测量比色计(3)的所述反射表面上经历至少一次反射之后到达所述测量探测器(21)和所述参考探测器装置(23，25，27)上。5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其中，所述测量比色计(3)在内壁方面设计成反射的。6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其中，所述参考探测器装置设计成参考探测器(23)，并且 其中，光学的所述双带通滤波装置设计为双带通滤波件(24)，所述双带通滤波件允许所述第一参考波长(31)的光和所述第二参考波长(32)的光通过。7.根据权利要求1至5任一项所述的设备，其中，所述参考探测器装置具有第一参考探测器(25)和第二参考探测器(27)， 其中，光学的所述双带通滤波装置具有第一参考波长过滤件(26 )和第二参考波长过滤件(28)， 其中，所述第一参考 波长过滤件(26)允许所述第一参考波长范围内的光通向所述第一参考探测器(2...

【专利技术属性】
技术研发人员：布克哈德·施托克，尼尔斯·哈克，维尔弗里德·迪克曼，比约恩·朗格，
申请(专利权)人：德雷格安全股份两合公司，
类型：
国别省市：