专利名称：用于光声传感器的测量容腔的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于连续测量气态试样中吸收射线的物质，尤其是吸收射线的微粒的光声传感器测量容腔，它具有至少一个试样入口和至少一个试样出口，一个可在纵向方向上流过试样并带有拾音器的管道段，以及至少一个与管道段对准的激光射线输入和输出位置，容腔的输入和输出位置分别通过至少一个相比管道段有更大横截面的空腔与测量管道隔开。
背景技术：
光声测量技术可以非常灵敏地例如确定轨迹气体浓度或在承载气体中的气溶胶浓度。在光声测量技术中通常考察一个固态的、液态的或气态的试样，该试样具有至少一种(可能有频率选择性的)吸收射线的物质，用时间上间歇的电磁射线—通常用可见光或红外线—照射试样。通过吸收射线使材料被加热，并在无射线间歇时间内向周围环境放出热量。这样使被照射的区域产生周期性的加热和冷却，它又产生同样周期的压力波，作为声波传播，并且可以被灵敏的拾音器检测出。此方法被简要描绘在图1中。
为了提高灵敏度，应用谐振腔，并且间歇照射的周期或频率被调整到测量腔的特征频率上。为了时间上分解地测量气体中的物质，承载气体必须流过腔体。一个纵间谐振的简单腔体已被例如Krmer和Niessner描述在德国实用新型Nr.20017795.8中，并被Beck，Niessner和Haisch描述在Anal，Bioanal Chem375(2003)中1136f页。此腔在图2中示出，它由一个管道R构成，其长度确定谐振频率，其直径大大小于长度。在谐振管道R两端的具有更大直径的区域AN被称为“陷波”滤波器。直径的变化产生压力波的振动波节，并且可被视为“开放端”(快速一最大，压力波节)。整个测量腔的长度约为射线—最好是激光射线L—的波长，其中以下公式给出波长λ与谐振频率的关系波长λ＝声速/谐振频率上述测量腔的缺点在于抵抗窗口污染的能力，间歇射线L通过这些窗口进出。尤其是在应用光声腔测量气溶胶时，例如测量内燃机排放出的或一般在环境中的煤烟微粒时这是一个严重的问题。对气流的计算已经表明例如从谐振腔左侧进入的气体已在左边的“陷波”滤波器区域中形成涡流，它形成向窗口的流动，从而使测量气溶胶的一些微粒在那里沉淀并引起干扰作用。在测量气体通过谐振腔之后它直接流到对面的窗口上，同样测量气溶胶的一些微粒被沉淀并同样产生干扰作用。干扰作用是这样产生的窗口上的沉淀同样吸收射线并产生声波，声波相互叠加形成干扰。这样就妨碍了精确的测量，尤其是测量气溶胶低浓度情况下的精确测量。图3示出在此腔体中气流的有限元计算结果，其中气流的方向和速度由矢量的方向和长度表征。
在流过流体的装置中，如浊度计中保持光学窗口清洁的常用方法，即用无杂质空气流冲洗窗口的方法—空气阻止了窗口被微粒污染—由于声学上的原因不能用于图2所示的现有测量腔中，因为冲刷空气流引起一个“振鸣声”，并从而叠加一个大得多的干扰信号到所要的测量信号上。
发明内容
本发明的目的在于给出一种测量腔，它克服了上面所述的缺点，减少了作为射线进入腔体的入口位置的窗口的污染，并且减缓了测量气溶胶微粒在窗口上的沉淀，从而测量腔可以高灵敏度长时间地工作。
为了完成上述任务，根据本发明，在管道段的相对的两端上设置两个入口，并且在入口之间的中间位置上设置至少一个出口。这样测量腔中的气流不是从一侧向另一侧流动，而是气体被分成两个子气流，它们分别从窗口侧，即从具有传感拾音器的谐振管道或中央段的左侧及右侧流入测量腔。然后试样气体的子气流向相反方向流入两个子腔，并且从一个或多个邻近中央段或具有传感拾音器的谐振管道的输出通道再次流出测量腔。通过避免气流“碰撞”到射线的窗口或其它入口位置上，大大减少了微粒在这些位置上的沉淀。
按照本发明的一个具有优点的实施方式，入口和/或至少一个出口连通到环形通道，这些通道同轴地环绕着管道段，从这些环形通道径向引出输入气流通道或输出气流通道至管道段，以而实现更加均匀的测量腔输入气流和输出气流。这样也明显减少了涡流，此涡流会引起微粒在射线输入位置上的沉淀。
本发明测量容腔的另一实施方式也具有同样的作用，其中入口和/或至少一个出口连通到环形通道，这些通道同轴地环绕着管道段，从这些环形通道引出窄的环形缝隙至管道段。
视配置而定，第二个子腔被设计成谐振的或非谐振的。
为实现下述配置减少污染的优点，其中附加到具有中央的传感拾音器的谐振测量腔的一个非谐振的第二子腔不会引起第一子腔中信号的减弱，本发明的一个实施方式是具有优点的，其中在一个谐振的子腔的末端设置有一个入口和一个中间的出口，该子腔分别通过一个具有比管道段更大的横截面的一个空腔来限定，其中与出口相邻的空腔将另一个具有与谐振子腔的管道段相近大小的横截面的管道段与另一个具有比管道段更大横截面的空腔相连接，并且第二个入口设置在另一管道段的与出口相对的末端处。
在此方案中具有优点的是中间空腔和另一个管道段的长度分别约为谐振子腔管道段长度的一半。
为通过同样设计为谐振的第二子腔使第一子腔中的信号增强，采用一个具有优点的实施方式，其中一个入口和两个中间出口中的第一个出口设置在一个谐振子腔的末端处，该子腔分别通过一个具有比管道段更大横截面的一个空腔来限定，其中与第一出口相邻的空腔将另一个具有与谐振子腔的管道段相近大小的横截面和长度的管道段与另一个具有比管道段更大横截面的空腔相连接，并且第二个中间出口设置在另一管道段的与中间空腔相连接的末端处，第二个入口设置在另一管道段的与出口相对的末端处。
这里具有优点的是中间空腔和另一管道段的长度分别被选为近似等于谐振子腔的长度。
下面借助附图详细说明本发明。附图中图1简要示出光声测量的原理，图2示出一个(纵向)谐振的光声测量腔的原理结构，图3示出图2所示测量腔中的气流，图4以纵剖面示出本发明测量腔的第一种实施方式，它具有非谐振的第二子腔，图5以纵剖面示出本发明测量腔的另一种实施方式，它具有谐振的第二子腔，以及图6是与图4等价的本发明测量腔中气流的图示。
具体实施例方式
图2以纵剖面示出测量腔的结构，按照图1所示原理的光声测量中必须注意以下一般规则被激光射线L轴向穿过并具有拾音器M的测量腔谐振管R的谐振频率主要由其长度确定。在管道末端处近似对称反射的条件下，声学压力驻波约在中央具有其极大值，而在管道末端(谐振腔的“开放”端)附近具有两个压力振动波节。管道R的长度约为波长λ的1/2，且拾音器M必须位于中央位置附近。
在窗口处声速衰减为零并且声压有最大值(λ/2的相移)。据此并根据前一段所述，测量腔的总长度近似为n×λ/2，其中n为整数。
测量气体的入口通道和出口通道最好位于声波的压力振动波节处，已经表明，这样由于连接测量气体导管而产生的干扰，例如涡流，对驻波和测量信号的影响最小。
与实际的子腔长度和λ/4(波长的四分之一)之间简单的整倍数关系的偏差受“陷波”滤波器AN的移相作用影响，并受到可设计为渐变地由一个直径至另一个直径的过渡所给出的反射条件和透射条件的影响，并且此偏差必须相应地被考虑—据经验或进行适当的仿真。
本发明测量腔的第一种实施方式作为示例以纵剖面显示在图4中。测试气体通过测试气体导管1被引入此测量腔，测试气体在分开的输入导管2和3中被分为两个分离的子气流，并且从入口2，3引入测量腔的两个外部的环形通道11和12。从那里子气流径向通过环形缝隙21和22或通过径向的通道进入测量管道31和一个同轴的尺寸近似的管道34，其中测量管道31和管道34被一个具有较大横截面的空腔33相互分开。测试气体的子气流通过子腔21和33，34从外部流向整个腔的中央，子气流从中央通过环形缝隙23和环形通道13流到出口导管4中。测试气体在此从具有较大横截面的外部空腔32、35流出，并从射线穿过所需的窗口41和42流出。测试气体流的传输可由一个图中未示出的位于测量腔后面的泵实现，或者例如由内燃机排气装置中的排气压力完成。
在具有长度近似为λ/2的谐振管道31的第一“谐振”子腔中，在合适的射线周期—它必须以已知的方法调节到腔体的谐振点上—和在测试气体中存在吸收物质的情况下，得到传感拾音器M的一个信号，此信号具有与射线相同的频率，并且可以非常灵敏和有选择性地用现有手段(例如用所谓的“锁定(Lock-In)”技术并借助于例如同步解调器)检测出。
第二子腔由具有不同直径和约λ/4长度的区段33、34构成，因此在此子腔中不能建立以射线周期谐振的驻波，这是本领域技术人员由基础的物理规律能明白的。在图4所示装置中必须要求第二子腔是非谐振的。如果在此子腔中形成谐振的驻波，它相对第一子腔中谐振的驻波位移了λ/2，或者说相移了π(＝180°)，因而这两个驻波将相互抵消或削弱，使得不能以第一“谐振”子腔的测量管道31的传感拾音器M得到信号或只能得到微弱的信号。
在图5所示测量腔的实施方式中两个子腔可都设计成谐振的。因为在两个子腔谐振器31和34之间设置有一个具有更大直径的约λ/2长的补偿空间33，第一子腔和第二子腔的驻波之间的位移约为λ，导致相移为2π(即360°)。这导致两个驻波建设性地(积极地)叠加，并且从第一“谐振”子腔的测量管道31中的传感拾音器M得到的信号被加强。这种腔体的缺点是长度更大，这不仅增大了结构尺寸，而且还要求射线必须更加平行地成束，以在更长的长度上保持足够小的射线直径。一个小的射线直径肯定是需要的，因为为了避免干扰信号不允许有射线抵达窄而长的管道31、34的管壁上。
对图4所示腔体中气流进行有限元计算的结果示于图6中。与图3的现有技术中的气流图一样，图6中气流的方向和速度也由矢量的方向和长度表征。由图可清楚地看出，既没有直达窗口的气流，也没有涡流到窗口。实践已证实，这种测量腔的窗口41，42只是缓慢而轻微地被污染，从而可以有很长的测量期而无需清洁窗口。
权利要求
1.用于连续测量气态试样中吸收射线的物质，尤其是吸收射线的微粒的光声传感器测量容腔，它具有至少一个试样入口和至少一个试样出口，一个可在纵向方向上流过试样并带有拾音器的管道段，以及至少一个与管道段对准的激光射线输入和输出位置，容腔的输入和输出位置分别通过至少一个相比管道段有更大横截面的空腔与测量管道隔开，其特征在于，两个入口(2，3)设置在管道段(31)的相对的末端处，并且至少一个出口(4)设置在所述入口之间的一个中间位置处。
2.如权利要求1所述的测量容腔，其特征在于，入口(2，3)和/或至少一个出口(4)连通到环形通道(11，12或13)，这些通道同轴地环绕着管道段(31)，从这些环形通道径向引出输入气流通道或输出气流通道至管道段(31)。
3.如权利要求1所述的测量容腔，其特征在于，入口(2，3)和/或至少一个出口(4)连通到环形通道(11，12或13)，这些通道同轴地环绕着管道段(31)，从这些环形通道引出窄的环形缝隙(21，22或23)至管道段。
4.如权利要求1至3中任一项所述的测量容腔，其特征在于，在一个谐振的子腔(31)的末端处设置一个入口(2)和一个中间的出口(4)，该子腔分别通过一个具有比管道段(31)更大横截面的空腔(32，33)来限定，其中与出口(4)相邻的空腔(33)将另一个具有与谐振子腔(31)的管道段相近大小横截面的管道段(34)与另一个具有比管道段(34)更大横截面的空腔(35)相连接，并且第二个入口(3)设置在另一个管道段(34)的与出口(4)相对的末端处。
5.如权利要求4所述的测量空腔，其特征在于，中间空腔(33)和另一个管道段(34)的长度分别约等于谐振子腔的管道段(31)长度的一半。
6.如权利要求1至3中任一项所述的测量空腔，其特征在于，在一个谐振的子腔(31)的末端处设置一个入口(2)和两个中间出口(4，5)中的第一个出口(4)，该子腔分别通过一个具有比管道段(31)更大横截面的空腔(32，33)来限定，其中与第一个出口(4)相邻的空腔(33)将另一个具有与谐振子腔(31)的管道段相近大小的横截面及长度的管道段(34)与另一个具有比管道段(34)更大横截面的空腔(35)相连接，并且第二个中间出口(5)设置在另一个管道段(34)的连接中间空腔(33)的末端处，第二个入口(3)设置在另一个管道段(34)的与出口(5)相对的末端处。
7.如权利要求6所述的测量容腔，其特征在于，中间空腔(33)和另一个管道段(34)的长度分别近似相等于谐振子腔(31)的长度。
全文摘要
本发明涉及一种用于连续测量气态试样中吸收射线的物质，尤其是吸收射线的微粒的光声传感器测量容腔，它具有至少一个试样入口和至少一个试样出口，一个可在纵向方向上流过试验样并带有拾音器的管道段，以及至少一个与管道段对准的激光射线输入和输出位置，容腔的输入和输出位置分别通过至少一个相比管道段有更大横截面的空腔与测量管道隔开。为了减轻对作为射线进入腔中的输入位置的窗口的污染并减慢窗口上测量气溶胶微粒的沉淀，从而使得测量容腔可以高灵敏度长时间工作，本发明建议两个入口(2，3)设置在管道段(31)的相对的末端处。并且至少一个出口(4)设置在入口(2，3)之间中间的一个位置处。
文档编号G01N21/03GK1654945SQ20051000438
公开日2005年8月17日 申请日期2005年1月20日 优先权日2004年1月28日
发明者沃尔夫冈·辛德勒, 克劳斯－克里斯托弗·哈姆斯, 弗朗兹·克诺夫, 哈拉尔德·格兰特耐尔 申请人:Avl里斯脱有限公司