[发明专利]用于光学地检测气体混合物中的目标气体的设备

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。