CN109564153A - 用于气体的吸收测量的测量装置 - Google Patents

Abstract

描述了一种用于气体的吸收测量的测量装置，其中所述测量装置(1)包括辐射源(2)、第一探测器元件(3)、第二探测器元件(9)和反射器组件(4)。反射器组件(4)限定在辐射源(2)和第一探测器元件(3)之间的第一光学路径(5)和在辐射源(2)和第二探测器元件(9)之间的第二光学路径(10)。第一光学路径(5)随之自身具有至少两个交点且第二探测器元件(9)布置在通过辐射源(2)和第一光学路径(5)的两个交点(6)限定的第一平面外部。

Description

用于气体的吸收测量的测量装置

技术领域

本发明涉及一种用于气体的吸收测量(Absorptionsmessung)的测量装置，其中测量装置包括辐射源、第一探测器元件、第二探测器元件和反射器组件，其限定在辐射源和第一探测器元件之间的第一光学路径(optischen Pfad)和在辐射源和第二探测器元件之间的第二光学路径。

背景技术

为了定量确定例如二氧化碳或甲烷在空气中的气体浓度，使用气体传感器，其确定电磁辐射在相应的气体中的吸收。基于吸收的电磁辐射的量和波长，可以推断出气体的类型且推断出其浓度。气体传感器在此可为光学气体传感器，其具有光源；光学玻璃圆器皿(Küvette)，在其中存在测量气体；和一个或多个探测器，其通过光学带通过滤器(Bandpassfilter)探测测量和参考波长的光。借助于在参考辐射(Referenzstrahlung)和获取电磁辐射的吸收份额的测量辐射(Messstrahlung)之间的比较可确定气体浓度。

已知气体传感器，其使用白炽灯作为光源。文件US 6,469,303 B1以及文件US 6,989,549 B2描述了在柱状的金属壳体中的传感器。光源和探测器布置在壳体内部。气体由光源的光线(Licht)射穿。经由在柱体的金属壁处的反射，辐射之后被引导到探测器上。

上面提到的装置的缺点是，白炽灯应非常能量集中地运行且仅可缓慢地调制。因此，其可仅在较小的频率的情形中运行。白炽灯另外具有缺点，即，其相对于机械颤动是敏感的，因为然后灯丝可破裂。

从文件US 9,234,837 B2已知，使用LED作为光源，其中LED的辐射经由多个凹面镜和多个平面镜被导引穿过测量玻璃圆器皿且到探测器上。平面镜和凹面镜在此分别彼此相对而置地布置在测量玻璃圆器皿的不同侧上，从而光射线走过穿过测量玻璃圆器皿的之字状的路径。

从文件US 2009/0235720 A1已知一种传感器组件，其使用LED作为光源。光横越测量气体且然后击中到半球状的镜面上，其然后将光线聚焦到探测器上。

所有上面提到的装置具有缺点，即，分别使用的光学装置是无效率的，因为在弱吸收气体的情形中非常大的传感器是必需的，以便实现所需的吸收波长。

从文件DE 2504300 A1和文件DE 10124055 A1已知如下组件，在其中通过多次反射实现较长的吸收路径，从而同样弱吸收气体可以以较小的传感器探测。

发明内容

本发明的任务是提供一种用于气体的吸收测量的备选的测量装置，其具有较小的结构尺寸且具有较小的能量消耗，其中其机械稳固地构建。

该任务通过独立权利要求的特征解决。有利的改进方案是从属权利要求的对象。

在用于气体的吸收测量的测量装置的情形中，其中测量装置包括辐射源、第一探测器元件、第二探测器元件和反射器组件，反射器组件限定在辐射源和第一探测器元件之间的第一光学路径和在辐射源和第二探测器元件之间的第二光学路径。在此，第一光学路径与自身具有至少两个交点。根据本发明设置成，第二探测器元件布置在通过辐射源和第一光学路径的两个交点限定的第一平面外部。

通过第二探测器元件布置在通过辐射源和第一光学路径的两个交点限定的第一平面外部，在探测器元件和辐射源例如布置在共同的电路板上的情形中得出较大的灵活性。这支持测量装置的紧凑的结构形式，尤其，当多于两个探测器元件得到使用时。例如，第三探测器元件可与第一探测器元件和辐射源一起布置在第一平面中。第二和第三探测器元件那么可以可选地用于参考测量。此外，第二探测器元件的该布置实现了探测器元件的清楚的分隔，从而在维护或故障情况中涉及的探测器元件可容易接近。

反射器组件如此设计，以至于至少借助于第一光学路径促使同一气体容积以测量辐射的多次射穿。在此，光学路径的焦点理解为光学路径的不同的区段的交叉，其具有与0°或360°和其整数的多倍不同的角度。在此，测量气体容积总体而言多次由测量辐射穿过，在测量辐射击中到第一探测器元件上之前。由此，在弱吸收气体中的吸收波长倍增。通过光学路径与自身的相交，在此，所需的测量气体容积限制于最小值。整个光学路径由此提供到非常小的容积上。光学路径在测量容积中通过反射器组件自身相交地折叠。通过光学路径的折叠，测量辐射在反射器组件处的射入角较小。测量装置因此极端紧凑且可进一步有效地运行，因为在光学装置上的水膜通过较小的射入角仅对于电辐射的强度具有最小的影响。另外，装置相对于颤动非常不敏感，因为光学元件简单地构建且在较小的空间上联合。

有利地，第一光学路径包括至少三个、优选地至少四个、优选地至少五个、特别优选地六个与自身的交点。交点的数量越高，测量容积通过测量辐射穿过越频繁。另外，交点的较高数量意味着如下，即，测量装置相比带有更低数量的焦点可具有更小的尺寸。测量装置的紧凑性以及测量装置的更适宜的制造的优点可以以该方式进一步增大。

第二光学路径可与第一光学路径同样地具有与自身的两个或多个交点。然后，对于第一光学路径所说的相应地适用于其。

适宜地，测量装置包括带有包围测量腔的壁元件的测量腔，其中辐射源、第一探测器元件、第二探测器元件和反射器组件布置在壁元件处。这实现了简单的结构形式且简化了在反射器组件处提供较小的射入角。

另外有利的是，第二光学路径与自身不具有交点。

第二光学路径因此短于第一光学路径，因此，第二光学路径具有在测量气体中的较短的吸收路径，利用其可测量强吸收气体。第一和第二光学路径在测量装置中的组合实现了弱吸收气体和强吸收气体的同时的测量。弱吸收气体然后借助于第一光学路径评估且强吸收气体借助于第二光学路径评估。利用测量装置，两种不同的吸收气体可同时在紧凑的气体容积中穿过引导。例如，可同时测量甲烷和二氧化碳。另外，可测量同一气体的不同的浓度范围。第一光学路径在该情况中可用于测量例如在0体积百分比至5体积百分比的浓度范围中的甲烷且第二光学路径可用于测量5体积百分比至100体积百分比的甲烷。这节省了空间和成本，因为对于多种气体而言可使用同一个测量装置。第一和第二探测器元件在此可单件式地实施，其中总探测器的不同的区域可限定第一和第二探测器元件。

有利地，用于第一光学路径的反射器组件具有两个镜面元件(Spiegelelement)以及第一和第二凹面镜元件(Hohlspiegelelement)，其中反射器组件的第一焦点布置在辐射源上且反射器组件的第二焦点布置在第一探测器元件上，其中第一和第二凹面镜元件优选地是抛物线状的。镜面元件在此如此布置，以至于其将光线从凹面镜元件反射到相应地其他的镜面元件上。以该方式，反射器组件的光学元件可由简单的部件组成，所述部件可成本适宜地制造。另外，利用这些元件，光学路径可相对简单地计算和确定。

有利地，反射器组件在第二光学路径中具有第三凹面镜元件，其将辐射源映射到第二探测器元件上。利用第三凹面镜元件限定第二光学路径，其例如从辐射源伸延至第三凹面镜元件且从第三凹面镜元件伸延至第二探测器元件。交点在该情况中在第二光学路径中不出现，从而测量气体容积在第二光学路径上仅两次由测量辐射穿过。利用这样的第二光学路径，强吸收气体可被测量。

有利地，第三凹面镜元件布置在第一和第二凹面镜元件之间。为了从第一平面出来反射，第三凹面镜元件可相对于第一平面倾斜。备选地或附加地，第三凹面镜元件可非对称地成型。第三凹面镜元件可为了强吸收气体的测量优选地构造成小于第一和第二凹面镜元件，因为第二光学路径由于强吸收同样在仅唯一的反射的情形中需要较小的射线横截面。该布置节省空间，从而实现了测量装置的紧凑性的进一步的提高。

在一种备选的实施方式中，第三凹面镜元件、第一凹面镜元件和第二凹面镜元件布置成三角形。该布置实现了测量装置的模块化构造。在此，带有第二探测器元件和第三凹面镜元件的模块与测量装置相连接，其限定第一光学路径且适用于例如弱吸收气体的测量。借助于模块，然后可探测另外的气体或气体浓度。

适宜地，光学过滤器元件布置在测量腔和第一和/或第二探测器元件之间。借助于过滤器元件，从由辐射源发射的用于确定气体浓度的频谱中选出局部。过滤器元件在此协调于相应地待测量的气体。

有利地，测量腔在3mm和12mm之间、优选地6mm高且具有9mm和36mm之间、优选地18mm的直径。该尺寸在高稳定性的情形中是非常紧凑的。

另外有利的是，壁元件在其中伸延有第一光学路径的平面中具有五角形的或六角形的内横截面。借助于该横截面，反射器组件、辐射源和探测器元件的装配被简化。另外，通过该横截面，简化了光学路径的确定。

附图说明

本发明根据有利的实施例借助于附图更详细地阐释。

其中：

图1a,b,c：显示了用于至少一种弱吸收气体和强吸收气体的吸收测量的测量装置的第一实施方式的示意图；

图2a,b,c：显示了用于至少一种弱吸收气体和至少一种强吸收气体的吸收测量的测量装置的第二实施方式的示意图。

具体实施方式

一种用于气体的吸收测量的测量装置在下面以其整体以附图标记1来参考。根据图1，测量装置1包括壁元件8，其限制在横截面上六角形的测量腔7。壁元件8在此形成带有六角形的内横截面的管。

在壁元件8处布置有辐射源2以及第一探测器元件3和第二探测器元件9。在此，辐射源2、第一探测器元件3和第二探测器元件9布置在壁元件8的六角形的内横截面的一侧处。辐射源2发射电磁辐射到测量腔7中。第一探测器元件3和第二探测器元件9探测电磁辐射，其从测量腔7辐射。在壁元件8的内横截面的另外五个侧处布置有第一镜面元件11和第二镜面元件12以及第一凹面镜元件13、第二凹面镜元件14和第三凹面镜元件15。第三凹面镜元件15布置在第一凹面镜元件13和第二凹面镜元件14之间。

在测量腔7和第一探测器元件3之间布置有第一光学过滤器元件16，其仅透过电磁辐射的确定的波长范围。在测量腔7和第二探测器元件9之间布置有第二光学过滤器元件18，其同样仅透过电磁辐射的确定的波长范围。第一光学过滤器元件16在此相比于第二光学过滤器元件18可过滤来自测量辐射的另一范围。鉴于清晰性，第二光学过滤器元件18在图1a和1b中未呈现。

辐射源宽带地发射且布置在透明元件17之后，其至少在待由第一和第二探测器元件3,9探测的波长范围中不具有过滤作用。

在一种未呈现的实施方式中，壁元件8可在光学过滤器元件16,18和透明元件17的面向辐射源2和探测器元件3,9的侧上逐渐平坦，优选地基本上平面地实施。以该方式，辐射源2和探测器元件3,9可布置在共同的电路板上且在光学过滤器元件16,18和透明元件17之后布置在壁元件8处。壁元件8然后在光学过滤器元件16,18和透明元件17的区域中具有用于电磁辐射的共同的或分别一个开口。光学过滤器元件16,18以及透明元件17也可与探测器元件3,9和辐射源2一起固定在电路板上且布置在一个或多个开口中。

如尤其从图1b中显而易见的是，测量装置1在第一平面中镜面对称地构建。第一平面在此通过辐射源2和从辐射源2伸延至第一探测器元件3的第一光学路径5的两个交点6限定。对称平面如此伸延，以至于辐射源2映射到第一探测器元件3上，透明元件17映射到第一光学过滤器元件上，第一镜面元件11映射到第二镜面元件12上，第一凹面镜元件13映射到第二凹面镜元件14上且第三凹面镜元件15映射到自身上。

透明元件17和第一光学过滤器元件16是六角的一侧的组成部分。六角的两个相邻于透明元件17或第一光学过滤器元件16的侧通过镜面元件11或镜面元件12占据。与透明元件17或第一光学过滤器元件16分别相对而置地布置有第二凹面镜元件14或第一凹面镜元件13。

第一凹面镜元件13聚焦到辐射源2上。也就是说，由辐射源2发射的且击中到凹面镜元件13上的电磁辐射通过凹面镜元件13对准。也就是说，凹面镜元件13平行于从辐射源2出发的辐射。

第二凹面镜元件14的焦点取向到第一探测器元件3上。平行于第二凹面镜元件14的光学轴线击中到第二凹面镜元件14上的电磁辐射因此聚焦到第一探测器元件3上。

在图1b中呈现有用于来自辐射源2的射线(Strahl)的在第一平面中伸延的第一光学路径5。镜面元件11,12以及凹面镜元件13,14,15在此形成反射器组件4。反射器组件4将电磁辐射从辐射源2在至少第一光学路径5上导引到第一探测器元件3。在此，第一光学路径5在辐射源2处起动且然后击中到第一凹面镜元件13上。从第一凹面镜元件13，电磁辐射反射到第一镜面元件11上。第一镜面元件11将电磁辐射进一步反射到第二镜面元件12上且从那里出来反射到第二凹面镜元件14上。第二凹面镜元件14将辐射反射到第一探测器元件3中。在此，测量腔7通过电磁辐射穿过五次。第一光学路径5在此自身在交点6处相交六次。

通过电磁辐射在第一光学路径5上五次穿过测量腔，以第一探测器元件3可能的是，探测弱吸收气体、如例如甲烷。

第三凹面镜元件15如此构造和布置，以至于辐射源2映射到第二探测器元件9上。也就是说，电磁辐射在第二光学路径10上从辐射源2经由凹面镜元件15反射到第二探测器元件9上，其中第二光学路径10在该实施例中不与自身相交。第二探测器元件9布置在第一平面外部。这可例如通过以下方式实现，即，第三凹面镜元件15如在图1c中显示的那样非对称地构造且/或相对于第一平面倾斜地布置和取向。鉴于清晰性，在图1c中第一光学路径5、第二探测器元件3和透明元件17未呈现。

通过第二探测器元件9布置在通过辐射源2和第一光学路径5的两个交点6限定的第一平面中，在探测器元件3,9和辐射源2尤其布置在共同的电路板上的情形中得出较大的灵活性。这支持测量装置的紧凑的结构形式，尤其，当多于两个探测器元件3,9得到使用时。例如，第三探测器元件可与第一探测器元件3和辐射源2一起布置在第一平面中。第二和第三探测器元件那么可以可选地用于参考测量。此外，第二探测器元件9的该布置实现了探测器元件的清楚的分隔，从而在维护或故障情况中涉及的探测器元件可容易接近。

在一种未呈现的实施方式中，第二光学路径如此确定，以至于测量腔7多次被穿过且第二光学路径与自身相交。对此，另外的镜面和凹面镜元件布置在第一镜面元件11和第二凹面镜元件14之间和/或在第二镜面元件12和第一凹面镜元件13之间和/或在透明元件17和第一光学过滤器元件16和/或第二光学过滤器元件18之间。第二光学路径同样多次穿过测量腔7且在此若有可能与自身相交，以非常紧凑的测量布置也可借助于第二探测器元件9探测另一弱吸收气体。

在呈现的实施方式中，镜面元件11,12平面地构造。在一种未呈现的备选的实施方式中，镜面元件11,12具有弯曲半径，其优选地小于零，从而镜面元件11,12凹地构造。由此可抵抗电磁辐射的发散。

另外，由辐射元件2发射的电磁辐射首先击中到镜面元件11,12上。反射器组件4在此可如此构造，以至于该电磁辐射不击中到探测器元件3上。备选地，反射器组件4可如此设计，以至于该电磁辐射同样在另一未呈现的光学路径上击中到探测器元件3上。

光学路径5,10自然地也可相比在图中呈现的不同地伸延，其中在第二光学路径10的情形中由辐射源2直接击中到第三凹面镜元件15上的辐射限定如下区域，在其中第二光学路径10必须伸延。相应地，第一光学路径5仅可在该区域外部从辐射源2出来伸延。

第二探测器元件9也可直接毗邻于第一探测器元件3布置。在该情况中，第一探测器元件3和第二探测器元件9可在共同的探测器上单件式地联合。第二凹面镜元件14和第三凹面镜元件15在该情况中将电磁辐射聚焦到共同的探测器的不同的区域上。

在图2中呈现了一种备选的实施方式，利用其弱吸收气体和强吸收气体可被研究。测量装置1的在图2a和2c中分别在上方呈现的部分在此相应于部件在根据图1的第一平面中在删去第三凹面镜元件15的情况下的布置。在此，如此修改的组件限定带有第一测量容积的第一测量平面，其具有五角形的横截面。在第一测量平面中，如之前根据图1阐释的且在图2b中呈现的，电磁辐射在第一光学路径5上到达到第一探测器元件3中且弱吸收气体可被探测。鉴于清晰性，第二光学路径10、第二探测器元件9和第三凹面镜元件15在图2b中未显示。

在第一测量平面下方布置有带有第二测量容积的第二测量平面。在第二测量平面中布置有第二探测器元件9、第二光学过滤器元件18以及第三凹面镜元件15。第二探测器元件9、第二光学过滤器元件18和第三凹面镜元件15在此布置在扩展模块19中。出于清晰性的原因，第二光学过滤器元件在图2a和2b中未显示。

第二探测器元件9根据图2未关于测量装置的横截面布置在与辐射源2、交点6且若有可能第一探测器元件3相同的平面中。

图2c显示了第二光学路径10。在此，电磁辐射从辐射源2通过第一测量平面辐射到布置在第二测量平面中的凹面镜元件15上且从那里聚焦到第二探测器元件9上。鉴于清晰性，在图2c中第一光学路径5、第二探测器元件3和透明元件17未呈现。

根据图2的带有第一测量平面的测量装置可作为单独的构件制成且在没有扩展模块19的情况下运行。扩展模块19可按需要与该测量装置相连接。测量装置和扩展模块19在此形成用于气体的吸收测量的系统20。第一、第二和第三凹面镜元件13,14,15在该模块化构造中布置成三角。

一种用于测量带有不同的吸收性质的两种气体的示例可例如是甲烷和二氧化碳的同时测量。甲烷仅较弱地吸收红外辐射。因此，甲烷必须借助于较长的第一光学路径5测量。二氧化碳与之相反吸收明显更多红外辐射，从而二氧化碳借助于较短的第二光学路径10测量。

探测器元件3,9对于分别其他的探测器元件3,9可执行参考测量。当两个待测量的气体具有不同的吸收波长时，以该方式参考测量可特别简单地执行。

备选地或附加地，在一种未呈现的实施方式中，第三凹面镜元件15在图1中通过两个相叠而置的凹面镜元件替换。这些凹面镜元件中的一个在此如之前根据图1阐释的那样将辐射源的辐射映射到第二探测器元件上，而另一凹面镜元件将辐射映射到附加的第四探测器元件上，其优选地布置在第一平面中，但是明显地同样可布置在第一平面上方，且例如用作用于参考测量的探测器。

以该方式，构造为多反射单元(Multireflexionszelle)的测量装置可以以明显更少的构件且因此明显更适宜地制造和运行。

附图标记列表

1 用于气体的吸收测量的测量装置

2 辐射源

3 第一探测器元件

4 反射器组件

5 第一光学路径

6 交点

7 测量腔

8 壁元件

9 第二探测器元件

10 第二光学路径

11 第一镜面元件

12 第二镜面元件

13 第一凹面镜元件

14 第二凹面镜元件

15 第三凹面镜元件

16 第一光学过滤器元件

17 透明元件

18 第二光学过滤器元件

19 扩展模块

20 用于气体的吸收测量的系统。

Claims (10)

1.一种用于气体的吸收测量的测量装置，其中所述测量装置(1)包括辐射源(2)、第一探测器元件(3)、第二探测器元件(9)和反射器组件(4)，其中所述反射器组件(4)限定在所述辐射源(2)和所述第一探测器元件(3)之间的第一光学路径(5)和在所述辐射源(2)和所述第二探测器元件(9)之间的第二光学路径(10)，其中所述第一光学路径(5)随之自身具有至少两个交点，其特征在于，所述第二探测器元件(9)布置在通过所述辐射源(2)和所述第一光学路径(5)的两个交点(6)限定的第一平面外部。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述第一光学路径(5)随之自身具有至少三个、优选地至少四个、优选地至少五个、特别优选地至少六个交点。

3.根据权利要求1或2中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述测量装置(1)具有带有包围所述测量腔(7)的壁元件(8)的测量腔(7)，其中所述辐射源(2)、所述第一探测器元件(3)和所述反射器组件(4)布置在所述壁元件(8)处。

4.根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于，所述壁元件(8)在其中伸延有所述第一光学路径(5)的平面中具有五角形的或六角形的横截面。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述第二光学路径(10)随之自身不具有交点。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的测量装置，其特征在于，用于所述第一光学路径(5)的所述反射器组件(4)具有第一和第二镜面元件(11,12)以及第一和第二凹面镜元件(13,14)，其中所述反射器组件(4)的焦点布置在所述辐射源(2)上且所述反射器组件(4)的另一焦点布置在所述第一探测器元件(3)上，其中所述凹面镜元件(13,14)优选地是抛物线状的。

7.根据权利要求6所述的测量装置，其特征在于，所述反射器组件(4)在所述第二光学路径(10)中包括第三凹面镜元件(15)，其将所述辐射源(2)映射到所述第二探测器元件(9)上。

8.根据权利要求7所述的测量装置，其特征在于，所述第三凹面镜元件(15)布置在所述第一凹面镜元件(13)和所述第二凹面镜元件(14)之间。

9.根据权利要求7所述的测量装置，其特征在于，所述第三凹面镜元件(15)、所述第一凹面镜元件(13)和所述第二凹面镜元件(14)布置成三角形。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的测量装置，其特征在于，光学过滤器元件(16,18)布置在所述测量腔(7)和所述第一探测器元件(3)和/或所述第二探测器元件(9)之间。