[发明专利]具有卡匣式光路系统的多化合物气体分析仪

说明书

发明的领域

本发明涉及一种具有卡匣式(Cassette)光路系统的多化合物气体(此后简称多气体或多种气体)分析仪，特别涉及一种单一化、及系统化且不需任何移动件即可同时量测多种气体的多气体分析仪。

传统技术的描述

现代人类的生活环境由于人口的密集以及工业化、商业化所造成的空气污染影响人类的身体健康问题已经引起各界人士广泛的注意。人类生活环境中的空气品质如何判断？空气受到污染的程度如何？受到污染的空气中有哪些是有害于人类身体健康的气体？以及这些有害于人类身体健康的气体其含量有多少？这些问题有赖于精密且可靠的仪器来量测。由于政府机关对空气污染政策的强制执行，在量测空气品质的领域中，对室内空气品质以及机动车排气的单一气体或多种气体的量测仪器便有高度的要求。其指定需要量测的气体计有二氧化碳(CO₂)、碳氢化合物(HC)、以及一氧化碳(CO)等等。在诸多量测仪器中，量测这些气体的方法有多种，目前以“非分散式红外线光谱量测法”(此后简称为NDIR，nondispersive infrared)最为普遍。

NDIR是利用气体对红外线(此后简称IR，infrared)光谱的选择性吸收原理，每一种气体基本上在某特定的波长范围有一个或多个不同的IR吸收特性。对应于某一特定波长的气体，其对某一频率下的IR光的吸收强度是直接与该气体的浓度有关。这种气体吸收原理称为毕尔-兰伯定律(Beer-Lambert Law)。如图1所示，根据这项定律，一气体对IR的吸收强度是与该气体的浓度和光路径长度成正比，如今

A＝气体对IR的吸收强度(absorbance)，是取原始入射光与经吸收后的光强度比值，再取对数而得。

K＝气体对IR的吸收系数(absorption coefficient)

C＝气体的浓度(concentration)

L＝气体吸收IR所经的总光路径(light path)长度则其间的关系为

A＝K×C×L

如图1所示，理想上该气体对IR的吸收强度与该气体的浓度是成直线关系，但实际上的情况均有偏差而呈非线性关系，并且，光学密度(opticaldensity)越高，其偏差的程度越大，其中光学密度是指浓度C和光路径长度L的乘积(C×L)。为降低此偏差值以提高系统量测的精确度(accuracy)，系统的设计者需选择一光学密度的最佳值，亦即，对浓度(C)较高或吸收性较强的气体，其光路径需选择较短者，反之，对浓度较低或吸收性较弱的气体，其光路径需选择较长者，因此，若要设计一气体分析仪能同时量测多种气体，则必须能够选择使用多种不同的光路长度，以延长仪器的可量测动态范围。

另外，每一特定气体所能吸收IR的频率范围均为一定。因此，对应于此一频率范围均需某一特定的滤光片(filter)来过滤并选取单一特定频率的IR，然后再以一传感器(sensor)来感测其光强度(light intensity)的变化。也有将滤光片和传感器结合成一检测器(detector)者。

本发明所引述的第一传统技术为如图2所示美国专利第5,222,289号的一多路气腔(multi-channel gas sample chamber)。如图2所示，该项第一传统技术的特征为一长圆筒形空心导光管的周围202上含有多个检测器(detector)206、208、和210，各装设在多个检测器口(detector port)212、214、和216上，且在出光口的一端上亦设置一检测器218。这些检测器是用来同时量测多种气体以相应前述的基本原理，亦即吸收性较强的气体需选择较短的光路径，反之，对吸收性较弱的气体需选择较长的光路径。

但是该第一传统技术实际上并无法达到预期的效果，其理由如下：

1.导光管的周围202上所设置的检测器206、208、和210其所接收到的IR如图2中的箭头所示均为呈斜角的入射光，而因垂直入射于检测器的入射面(incident surface)时其效果最好，故此呈斜角的入射光会影响设置于检测器中的滤光片(filter)的输出频率的正确性。

2.由于入射光呈斜角，入射光的强度即减弱，故输出的信/杂比值则降低。