[发明专利]使用红外气体检测器的宽范围的气体检测

说明书

一种使用气体检测系统的宽范围的气体检测的方法，所述气体检测系统包括样品气体入口(12)、参考气体入口(14)、气体调制阀(16)以及气体分析仪(24)，其中，所述气体调制阀(16)以交替的方式将所述样品气体入口(12)与所述气体分析仪(24)在样品气体时间段内连接以及将所述参考气体入口(14)与所述气体分析仪(24)在参考气体时间段内连接；其特征在于：所述样品气体时间段短于所述参考气体时间段，使得所述气体分析仪(24)中的样品气体浓度降低。

本发明涉及一种使用气体分析仪和气体调制阀来检测气体样品中的目标气体的低浓度和高浓度的宽范围的气体检测方法，该气体调制阀交替地将参考气体入口和样品气体入口连接到气体分析仪。

在US7,030,381B2中描述了这种气体调制阀和相应的气体调制方法，其内容通过引用结合在此。根据US7,030,381B2的气体检测器可包括样品气体入口和参考气体入口，通过所述样品气体入口待检测气体(目标气体)被吸入，来自周围大气的气体通过所述参考气体入口被吸入作为参考气体。气体调制阀将样品气体入口和参考气体入口连接到气体传感器(例如红外气体传感器)的入口。例如，红外气体传感器可以具有包括用于待分析气体的入口和相应出口的试管、红外光源和红外检测器。从气体调制阀到气体传感器入口的气流路径通过气体调制阀交替地连接到样品气体入口和参考气体入口。如US7,030,381B2中所述，通过气体调制阀在样品气体入口和参考气体入口之间的切换优选地以周期性频率周期性地发生。

在欧洲专利申请号15192115.2中也描述了一种采用使用在参考气体入口和样品气体入口之间切换的气体调制阀进行气体调制的气体检测方法。其内容通过引用并入本文。

US7,030,381B2的主要目的是通过提供代表目标气体在采样点和环境中的浓度差的输出信号来过滤或补偿气体检测器周围的环境大气中目标气体的增加水平。使用气体调制的另一个结果是随着气体调制调整待分析的实际参数，即气体浓度，强烈增强的信噪比。信号是透过气体的光线和以及通过参考气体光线之间的差值，而不是光强度的绝对值。分析气体调制频率下的检测器信号可以强有力地抑制其他频率下的各种噪声信号。

红外气体分析仪检测通过气体样品的红外辐射。通常，IR气体分析仪包括：红外源，测量部分，诸如具有气体入口和气体出口的试管，以及红外传感器。红外源将红外辐射发射进入并穿过测量部分，在测量部分红外辐射穿过其中包含的气体样品。红外传感器接收并感测通过气体样本的IR辐射。这种类型的探测器中经常使用的典型红外传感器是非色散红外吸收探测器(NDIR传感器)。NDIR传感器测量穿过待分析气体的辐射中一个或多个波长范围内的红外辐射量。通过选择适当的波长范围以配合待测量的相应气体的特定吸收线来确定NDIR传感器的选择性。测量原理基于特定气体组分吸收特定波长的红外辐射的事实。吸收范围将由红外气体分析仪检测。

红外传感器将输入的IR辐射能量的变化幅度转换成电信号。一些红外传感器采用压电材料，被称为热释电传感器。压电材料吸收引入辐射的入射辐射，这又引起物质两端的暂时电势，该电势可用作入射辐射强度变化的量度。

气体样品中在百万分之一(ppm)范围内对低目标气体浓度的检测需要较长的光学路径，即其中红外辐射可以与气体中的分子相互作用的长路径。使用可负担得起的辐射源，滤光器和红外辐射探测器通常会使光学路径长度达到50-150mm，从而使对甲烷的灵敏度达到1-10ppm。由于携带气体并形成红外气体检测器的试管的气体管中的反射损失，长于150mm的光学路径通常不会显著地进一步提高性能。

在气体检测器中使用“长光学路径”的原因是在清洁空气和低浓度样品之间获得明显大于系统噪音的信号变化。噪声源主要位于探测器一侧，包括探测器本身以及用于放大信号并将其转换为可管理的数字或模拟信号的电路。

在气体中的吸收遵循比尔定律，对于通过光学路径传输的光强度(假定无发散光)，可以写成如下：

I＝I₀×e^-εLc

其中：