专利名称：混合气体分析器的制作方法
混合气体分析器相关申请的交叉引用本申请是2008年11月6日提交的12Λ66，379(律师案号No. 020031-007700US)
的部分继续申请，该申请通过引用全部通用地结合于此。
背景技术：
本发明一般涉及气体分析，尤其涉及用于测量气体含量的系统和方法。大气中增加的二氧化碳含量以及由此导致的温室效应和气候变化已经变成科学研究的重要课题。为便于理解全球碳平衡，有必要确定大气与陆地和海洋生态系统之间的二氧化碳和能量交换的速率。一种称为“涡流协方差”的测量技术已被广泛用于确定这些交换速率。地球表面之上数百米内的空气是最为动荡的，从而称为“涡流”的湍流结构(可变大小的旋涡)负责大多数气体(包括二氧化碳和水蒸气)、以及地表与大气之间的热量和动量的垂直输运。这种输运的速率可根据风速的垂直分量、二氧化碳和水蒸气的含量、以及大气温度的同步、高频测量来计算。为了测量二氧化碳和水蒸气的含量，可使用气体分析器来分析适当波长带中的光透过气样(gas sample)的透射比。使用某些气体分析器，含有未知含量的二氧化碳和水蒸气的样气被置入样品槽中，而具有零含量或已知含量的二氧化碳和水蒸气的参比气体被置入参比槽中。分析器根据与透射样品槽的光和透射参比槽的光之间的差异成比例的校准信号来测量样品槽中的未知气体含量。在涡流协方差应用中，充满尘埃和花粉的环境空气必须以高流速通过分析器，以便使该分析器具有必要的频率响应。即便空气被过滤了，也还是可预期样品槽的污染，尤其是在长配置期间，从而需要分析器回厂返修以便清洗。这是一个昂贵且耗时的过程，尤其是在分析器在诸如亚马逊盆地、阿拉斯加北坡、或非洲沙漠的偏远地区中使用时。在某些环境或应用中使用开路气体分析器是有益的，而在某些环境或应用中使用闭路分析器是有益的。然而，闭路分析器和开路分析器两者的购买可能相当昂贵。因此，存在对经改进和适应性气体分析器的需要。具体而言，需要容易清洗且提供稳健测量能力的气体分析器、以及能用于不同环境中的不同测定的气体分析器。概述提供用于测量气体含量、尤其测量气体成分的干摩尔分数的系统和方法。根据各个实施例的系统和方法允许为包括高速通量测量在内多种环境监测应用快速测量气体密度和/或气体的干摩尔分数。根据各个实施例的气体分析器能可适应地用作开路或闭路分析器。根据各个实施例，提供实现样气的气体含量的快速测量、同时实现样气的压力和温度的快速测量的系统和方法。此外，与现有设备相比，根据各个实施例的设备能有利地使用显著短得多的进气管且功耗显著降低。各个实施例还提供气体分析器的独特机械-光学设计方案，其在无工具可拆卸气槽中包括使人们能可任选地将气体分析器配置为开路分析器或闭路分析器的新颖元件。各个实施例还允许使用气流的温度和压力测量来测量可拆卸气槽中气体的干摩尔分数。根据本发明的一方面，提供一种气体分析器，其通常包括包括检测器的检测器部分；包括光源的光源部分；以及可拆卸地设置在光源部分和检测器部分之间的可拆卸气槽。可拆卸气槽通常包括限定例如封闭气流通道的气流通道的外壳结构，其中在附连时来自光源的发射光沿着光路通过气流通道通向检测器部分。气槽通常还包括进气端口、出气端口、第一温度传感器、以及压力传感器，其中进气端口和出气端口位于外壳结构上，第一温度传感器适于测量流入气流通道中的气体的温度，压力传感器位于气流通道中外壳结构的内点，该压力传感器适于测量气流槽中内点处的气体压力。在特定方面中，可拆卸气槽进一步包括位于出气端口附近的第二温度传感器，其中第一温度传感器位于进气端口附近。根据本发明的另一方面，提供一种气体分析器，其通常包括包括检测器的检测器部分；包括光源的光源部分；以及可拆卸地设置在光源部分和检测器部分之间的可拆卸气槽。可拆卸气槽通常包括限定例如封闭气流通道的气流通道的外壳结构，其中在附连时来自光源的发射光沿着光路通过气流通道通向检测器部分。气槽通常还包括进气端口、出气端口、位于进气端口附近的第一温度传感器、以及位于出气端口附近的第二温度传感器，其中进气端口和出气端口位于外壳结构上。在特定方面中，气体分析器包括位于气流通道中外壳结构内点处的压力传感器，该压力传感器适于测量气流槽中内点处的气体压力。在特定方面中，气体分析器包括与(一个或多个)温度传感器、压力传感器和检测器耦合的智能模块。该智能模块通常适于基于检测器信号以及压力传感器对气体压力和温度传感器对气体温度的基本同步测量，来确定气流通道内气体成分的干摩尔分数。在特定方面中，智能模块校正因从第一和第二温度传感器接收的温度信号中的空间分离产生的延迟，其中该延迟通常是气流通道中气体流速的函数。在特定方面中，气体分析器包括在检测器部分附近的第一光学窗口以及在光源部分附近的第二光学窗口，其中第一光学窗口和第二光学窗口为检测器部分和光源部分内的组件提供空气密封。根据本发明的又一方面，提供了一种用于测量气体分析器的气流槽中气体成分的干摩尔分数的方法。该方法通常包括使气体流过气流槽，测量气流槽中气体成分对光的吸收率，基本同时地测量气流槽进气端口处气体的温度Tl，基本同时地测量气流槽出气端口处气体的温度T2，以及基本同时地测量气流槽内点处气体的压力P。该方法通常还包括基于所测得的吸收率、P、T1和Τ2确定气体成分的干摩尔分数。在特定方面中，气体的成分包括(X)2和H2O,且其中气体为空气。根据再一方面，提供测量气体成分的干摩尔分数的气体分析系统。该系统通常包括其中气体从进气端口流至出气端口的气流槽；配置成通过气流槽发射光的光源；以及配置成输出表示气流槽中气体成分对光的吸收率的吸收率信号的检测器子系统。该系统通常还包括放置在气流槽的进气端口附近的第一温度传感器；放置在气流槽的出气端口附近的第二温度传感器；以及适于测量气流槽内点处的压力的压力传感器。该系统通常还包括与第一和第二温度传感器、压力传感器以及检测器子系统耦合的智能模块。该智能模块通常适于基于吸收率信号以及气体压力与第一和第二温度传感器对气体温度的基本同步测量来确定成分的干摩尔分数。在特定方面中，气体压力的测量与第一和第二温度传感器对气体温度的测量彼此在约0. 2秒或以下内进行。在特定方面中，压力传感器以及第一和第二温度传感器对气体的压力和温度的测量以约1. OHz或更快的速率进行。
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根据另一方面，提供了适于放置在气体分析器系统的光源与检测器部分之间的可拆卸气槽。该可拆卸气槽通常包括限定气流通道的外壳结构、在气流通道一端上的第一开口、在气流通道另一端上的第二开口，其中第一和第二开口限定光从光源通过气槽去往检测器部分的光路。气槽通常还包括进气端口、出气端口、位于进气端口附近的第一温度传感器、以及位于出气端口附近的第二温度传感器，其中进气端口和出气端口偏离光轴位于外壳结构上。在特定方面中，气槽包括位于气流通道中外壳结构内点处的压力传感器，该压力传感器适于测量气流槽中内点处的气体压力。在特定方面中，第一和第二温度传感器的至少之一包括位于由相应端口所限定的流路径的中心点处的热电偶。根据另一方面，提供了适于放置在气体分析器系统的光源与检测器部分之间的可拆卸气槽。该可拆卸气槽通常包括限定气流通道的外壳结构、在气流通道一端上的第一开口、在气流通道另一端上的第二开口，其中第一和第二开口限定光从光源通过气槽去往检测器部分的光路。气槽通常还包括进气端口、出气端口、第一温度传感器、以及压力传感器， 其中进气端口和出气端口偏离光轴位于外壳结构上，第一温度传感器适于测量流入气流通道中的气体的温度，且压力传感器适于测量气流槽中内点处的气体压力。在特定方面中，可拆卸气槽包括进气管或可与进气管耦合，该进气管使得大气与进气端口耦合。有利地该进气管具有的长度可小于2.0米，更有利地该长度可小于约1.0 米。根据再一方面，提供了适于以开路配置或闭路配置操作的气体分析器。该气体分析器通常包括包括检测器的检测器部分；包括光源的光源部分；以及使检测器部分与光源部分耦合、且在检测器和光源之间形成或限定室外(open air)空气光路测量区域的支承结构。该气体分析器通常还包括适于可拆卸地放置在光源和检测器部分之间的气槽，该气槽还包括限定闭路气流通道的外壳结构，其中当气槽放置在光源和检测器部分之间时光从光源通过气流通道去往检测器部分。在去除了气槽的第一配置中，气槽可作为开路气体分析器操作以分析室外空气光路测量区域中的气体，而在气槽放置在光源与检测器部分之间的第二配置中，气槽可作为闭路气体分析器操作以分析气流通道中的气体。在特定方面中， 气槽包括进气端口、出气端口、以及适于测量在气流通道中流动的气体的温度的第一温度传感器，其中进气端口和出气端口位于外壳结构上。在特定方面中，气槽包括位于气流通道中外壳结构内点处的压力传感器，该压力传感器适于测量气流槽中内点处的气体压力。在特定方面中，气槽还包括位于进气端口附近的第一温度传感器，以及位于出气端口附近的第二温度传感器。在特定方面中，一个或多个温度传感器和一个或多个压力传感器与气体分析器耦合，以供在开路气体分析测定期间使用。根据又一方面，提供了适于以开路配置或闭路配置操作的气体分析器。该气体分析器通常包括包括检测器的检测器部分；包括光源的光源部分；以及使检测器部分与光源部分耦合、且形成始于光源部分而终于检测器部分的室外空气光路测量区域的支承结构。该气体分析器通常还包括适于与支承结构可拆卸地耦合的气槽，该气槽还包括限定闭路气流通道的外壳结构，其中当气槽与支承结构耦合时光从光源通过气流通道去往检测器部分。在第一配置中，在去除气槽的情况下，气槽可作为开路气体分析器操作以分析室外空气光路测量区域中的空气。在第二配置中，在气槽与支承结构耦合的情况下，气槽可作为闭路气体分析器操作以分析气流通道中的气体。在特定方面中，支承结构支持沿轴彼此相对的检测器部分和光源部分，以便于在检测器和光源之间形成室外空气光路测量区域。在特定方面中，室外空气光路测量区域包括反射来自光源的光的至少一个反射镜。在特定方面中，气体分析器还包括适于将气槽与支承结构耦合且便于去除气槽的可拆卸覆板。参照本说明书的其余部分，包括附图和权利要求书，将实现本发明的其它特征和优点。以下参照附图描述本发明的其它特征和优点以及本发明各个实施例的结构和操作。 在附图中，相同的附图标记表示相同或功能相似的元件。附图简述
图1示出根据一个实施例的包括可拆卸样品气流槽的气体分析器。图2示出根据一个实施例的在样品槽进气端口和出气端口中使用的热电偶设计。图3是根据一个实施例的压力测量方案的示图。图4示出针对非隔热(上)气流槽和隔热(下)气流槽的气流槽内导热性。图5示出包括其中去除了槽插件的样品气流槽的一个实施例。图6示出根据一个实施例的气气流槽的温度和压力测量方案。图7示出根据一实施例的以开路配置或闭路配置操作的气体分析器；图7a示出配置成用于开路分析的分析器；图7b示出配置成用于闭路分析的分析器；图7c将样品槽和分析器分开示出。具体描述本发明提供用于测量诸如二氧化碳和水蒸气的气体的密度的系统和方法。这些系统和方法在湍动空气结构中尤其有用。例如，在特定实施例中，这些系统和方法有利地采样，并且高速且高带宽地测量气体含量、温度和压力，并且允许计算气体成分的干摩尔分数。操作纵览根据各个实施例的气体分析器一般包括光源、样品槽和检测器。在特定方面中样品槽是可拆卸的，以便于在现场清洗和修理。由于这些分析器的混合性质，去除样品池允许将分析器配置为开路分析器或闭路分析器。本文中所揭示的气体分析器可被用来测量在不同波长带具有高吸收率的一种或多种气体的含量。例如，在一应用中，气体分析器可被用来测量样气(通常为空气)中CO2和水蒸气(H2O)的含量。一般而言，气体分析器使用无弥散红外线(NDIR)吸收来基于透过样品槽和参比槽的红外辐射的吸收之间的差异测量、或对照经校准的参比信号来测量样品槽中气体的含量。有利地，气体分析器不需要长的进气管， 并且能够进行实现气体成分的干摩尔分数计算等的高速测量。在操作中，光源发射具一波长频谱的光有透过样品槽和参比槽的波长范围的光。 样品槽中存在的气体吸收不同波长带上的光。例如，CO2在4. 255 μ m具有高吸收率，而水蒸气在2. 595 μ m具有高吸收率。样品槽中存在的光由对这些气体(例如CO2和H2O)吸收的波长带敏感的检测器检测，或者可使用两个检测器，每个检测器对气体之一所吸收的波长带敏感。通过计算样品槽与参比槽或参比信号中吸收之间的差异，能确定样品槽内气体的含量。例如，当参比槽包含非吸收体气体时，将样品槽中检测到的信号与参比槽中检测到的信号作比较以提供对样品槽中气体含量的绝对测量。可类似地测量和检测诸如甲烷的气体或其它气体。应当理解，参比槽并非是必需的，并且可使用例如用于减少测量中的漂移的其它技术。例如，可使用滤光盘来测量与感兴趣波长接近、但不吸收感兴趣种类气体的波长处的光强。此外，可使用用于将光源(例如激光器)锁定在特定频率的反馈机制。一个示例将是纯CH4源，其不用来测量吸收率、而相反可用来通过反馈机制将光源锁定在期望波长。同样应当理解，可使用其它类型的光谱测量方法，例如众所周知的可调二极管激光光谱技术 (TDLS)、波长调制光谱技术(WMQ等。通过引用全部结合于此的美国专利6，317，212和6，369，387揭示了开路和闭路气体分析器的各个特征，包括滤光器配置和测量技术。如上所述，气体分析器的污染可导致含量测量不准确。污染可在样品槽中发生，并且可在气体分析器的容纳光源和检测器的部分中发生。此外，不准确的含量测量可因气体温度的波动导致。以下各个实施例提供对这些和其它问题的解决方案。应当注意，这些实施例的任一个可单独使用，或者彼此组合使用。可拆卸气流槽根据各个实施例，气体分析器包括实现样品气流槽的简单无工具去除以便于诸如光源和检测器光学窗口的光学组件的现场清洗的封装方案。这种封装方案还有利地允许维护干燥剂和洗涤路径(参见例如先前通过引用结合的美国专利6，317，212)，并且有利地允许光源与检测器之间的可重复设定的距离。图1示出根据一个实施例的包括可拆卸样品气流槽20的气体分析器10。样品槽 20包括具有进气端口 25和出气端口 30的外壳结构。圆柱部分40限定在两端具有两个开口的气流路径。圆柱部分可以是槽20的外壳结构的一部分，或者它本身可与外壳结构分离。在操作中，气体进入进气端口 25，流过由圆柱部分40限定的气流路径，并从出气端口 30排出。在一个实施例中，压力传感器35(在外部示出)被定位成测量气流路径内部的内点处的压力。可拆卸样品槽20被配置成与气体分析器10的结构22耦合。结构22包括容纳光源或辐射源以及相关联的电组件和光组件的光源部分60。结构22还包括容纳一个或多个检测器以及相关联的光组件和电组件的检测器部分50。在一实施例中，如图1所示，第一光学窗口 70设置在光源部分60附近。在一实施例中，第二光学窗口(未示出)设置在检测器部分50附近。在典型操作中，从光源部分60发出的光(通常为顶光)沿着由第一和第二光学窗口限定的光学路径行进至检测器部分50。在一个实施例中，0形圈设置在第一和第二光学窗口附近以在处于耦合状态时在样品槽20和外壳22之间提供更为稳固的密封。当处于耦合状态时，由圆柱部分40限定的气流路径与由第一和第二光学窗口限定的光学路径基本上对齐。应当理解，光学路径和气流路径并不需要对齐，并且仅气流路径的一部分需要与光学路径连续。还应当理解，尽管圆柱部分40在与外壳22解耦时包括末端开口的气流路径，但在该气流路径的任一端，作为结构22的第一和第二光学窗口的替代或附加，光学窗口可与样品槽20耦合或位于该样品槽20之上。在耦合状态中，气体分析器可用于作为闭路分析器来分析气体，即气体分析器分析引入至样品槽20的气流路径中的气体。在一实施例中，为了使样品槽20与气体分析器外壳结构耦合和解耦，设置一个或多个(图中示为两个)指旋螺丝65来增大或减小检测器部分50相对于柱23的距离。在处于耦合状态时，用户仅需触发指旋螺丝，将检测器部分50与柱23分离开足够距离，并去
8除样品槽20。同样，为了耦合样品槽20和气体分析器，用户将使检测器部分50延伸足够距离，与柱23相邻地插入槽20，以及触发指旋螺丝以使检测器部分50和柱23重新啮合，并且同时使样品槽20啮合在检测器部分50和光源部分60之间。光学窗口和0形圈有助于确保样品槽20中气流路径的空气密封。替代的耦合机制可包括卡销(诸如相机中使用的)、 夹具、夹子、或其它紧固机制。有利地，图1所示的设计使得样品槽20和相关联组件能简便拆卸。机械封装方案使得样品槽能简便、无工具地拆卸，以清洗光源和检测器光学窗口。这允许使用气体分析器 (例如顶气体分析器或IRGA)而无需从样气中滤除尘埃(这降低了对气流的功率要求)。 为了保持空气密封并允许拆卸样品槽，检测器外壳50如图1所示地延展超出组件的其余部分。提供从检测器外壳50、通过环柱部分23、至光源外壳60的气密路径，以及必要的电组件，以使(X)2和H2O和空气隔离。应当理解，气体分析器可被配置成使得附连机制允许光源部分60延展超出柱23，以此作为检测器部分50延展超出柱23的附加或替代。开路和闭路分析器根据各个实施例，气体分析器包括实现样品气流槽的简单无工具拆卸以便于诸如光源和检测器光学窗口的光学组件的现场清洗、以及便于配置分析器供开路分析的封装方案。这种封装方案还有利地允许维护干燥剂和洗涤路径(参见例如先前通过引用结合的美国专利6，317，212)，并且有利地允许光源与检测器之间的可重复设定的距离。图7示出根据一个实施例的包括可拆卸样品气流槽120的气体分析器110。样品槽120包括具有进气端口 125和出气端口 130的外壳结构。圆柱部分140(参见图7c所示的圆柱部分140的顶部开口)限定在两端具有两个开口的气流路径。该圆柱部分可以是如图7c所示的槽120的外壳结构的一部分，或者它本身可与外壳结构分离。在操作中，气体进入进气端口 125，流过由圆柱部分140限定的气流路径，并从出气端口 130排出。在一个实施例中，压力传感器135(在外部示出)被定位成测量气流路径内部的内点处的压力。可拆卸样品槽120被配置成与气体分析器110的结构耦合。分析器的结构包括 容纳光源或辐射源以及相关联的电组件和光组件的光源部分160，以及容纳一个或多个检测器以及相关联的光组件和电组件的检测器部分150。该结构还包括如图7所示围绕中心轴等距间隔开的一组三个支承柱123。应当理解，可使用多于或少于三个的支承柱，并且这些支承柱围绕轴不需要具有等距间隔。在一实施例中，如图7所示，第一光学窗口 170设置在光源部分160附近。在一实施例中，第二光学窗口 180设置在检测器部分150附近。在一个实施例中，0形圈设置在第一和第二光学窗口附近以在处于耦合状态时在样品槽120 和外壳结构之间提供更为稳固的密封。当如图7b所示处于耦合状态时，由圆柱部分140限定的气流路径与由第一和第二光学窗口限定的光学路径基本上对齐。应当理解，光学路径和气流路径并不需要对齐，并且仅气流路径的一部分需要与光学路径连续。还应当理解，尽管圆柱部分140在与分析器 110的外壳结构解耦时包括末端开口的气流路径，但在该气流路径的任一端，作为外壳结构的第一和第二光学窗口的替代或附加，光学窗口可与样品槽120耦合或位于该样品槽20之上。在耦合状态中，气体分析器可用于作为闭路分析器来分析气体，即气体分析器分析引入至样品槽120的气流路径中的气体。当如图7a所示处于非耦合状态时，例如在拆下了样品槽120的情况下，气体分析器可用于作为开路分析器分析气体，即气体分析器分析室外空气光学路径测量区域内的气体。在一实施例中，为了使样品槽120与气体分析器外壳结构耦合和解耦，设置一个或多个(未在图7中示出，但例如参见图1) 一个或多个指旋螺丝来增大或减小检测器部分 150相对于柱123的距离。在处于耦合状态时，用户仅需触发指旋螺丝，将检测器部分50与支承柱123分离开足够距离，并拆卸样品槽120。同样，为了耦合样品槽120和气体分析器， 用户将使检测器部分150延伸足够距离，与柱123相邻地插入槽120，以及触发指旋螺丝以使检测器部分150和柱123重新啮合，并且同时使样品槽120啮合在检测器部分50和光源部分160之间。光学窗口和0形圈有助于确保样品槽120中气流路径的空气密封。替代的耦合机制可包括卡销(诸如相机中使用的)、夹具、夹子、或其它紧固机制。例如，可使用伸缩管，或者可使用旋转/滑动壁部分。这种机制还可被自动化以例如允许用户自动地在开放使用模式和封闭使用模式之间改变。例如，从远程位置发送的控制信号可被用来控制操作模式。在一替代实施例中，可使用护罩来便于气槽的耦合和去除。护罩可包括两端的可压缩衬垫，和/或护罩可放置在整个分析器或一部分分析器周围。有利地，图7所示的设计使得样品槽120和相关联组件能简便拆卸。机械封装方案使得样品槽能简便、无工具地拆卸，以在开路和闭路配置之间进行重新配置。提供从检测器外壳150、循环通过支承部分123的一个或多个、至光源外壳160的气密路径，以及必要的电组件，以使(X)2和H2O和空气隔离。应当理解，气体分析器可被配置成使得附连机制允许光源部分160延展超过柱123，作为柱23延展超过检测器部分150的附加或替代。在一替代实施例中，检测器和光源部分可与图1所示沿光轴不同地定位。例如，光源和检测器部分可由支承结构耦合在同一侧，例如彼此相邻，或者它们可以其它几何形状配置耦合。一个或多个反射镜可被用来将光从光源反射到检测器的由所使用几何形状配置所限定的测量区域内。在一替代配置中，作为示例，光源和检测器部分可彼此相邻地定位， 并且反射镜可与光源和检测器有特定距离地定位，并取向为将光从光源反射到检测器；因此，此配置的路径测量区域将包括光源至反射镜部分和反射镜至光源部分。温度和压力测量知晓样气温度对各种测量是重要的，诸如用于根据密度值计算摩尔分数。根据一个实施例，以不会阻挡气流路径中任一光信号(例如IRGA信号)的方式，测量样品槽20(或 120)的进气端口 25和出气端口 30处的温度。槽中的体积平均温度可根据入口和出口温度之间的关系、以及样气的流速来计算。在特定方面，例如类函数为Tikm = f(T入口，Τ η，T fie，U)，其中U是通过槽的平均速度。在特定方面，可使用附加温度传感器来测量圆柱体40 的块温度，和/或测量气流路径中不同点处的气温。在一实施例中，使用用后即弃热电偶(例如E型热电偶)测量入口和出口温度。例如，在特定方面中，热电偶是跨带有便于样气流动的通孔的印刷电路板的紧弦状热电偶。图 2示出根据一个实施例的在样品槽进气端口和出气端口中使用的热电偶设计。印刷电路板 80包括串有热电偶压条85的孔。在特定方面中，印刷电路板包括在结构20中或安装在结构20上，以使该孔与进气/出气端口 25/30的气流路径连续。0形圈90提供空气密封气路。此设计允许热电偶被容易地替换，以及确保温度测量在气流的中心轴中进行。一般而言，获取具有相同频率响应的准确测量是合乎需要的。例如，需要使热电偶的频率响应与体积频率响应(例如气流槽的物理响应)相匹配。例如，0. 002”的热电偶有利地对15升/分钟(LPM)的气流提供频率响应，其基本上与因IRGA内的体积平均引起的信号衰减相同。在一个实施例中，这些测量彼此同步以解决轻微的时序变化和频率变化。例如，气体含量(例如CO2和H2O)、温度和压力的测量有利地在约0. 2秒内进行，在特定实施例中更有利地彼此在约0.1秒内进行。如以下更多地描述的，这将实现干摩尔分数的计算。这些信号可实时对齐以解决时间变化/延迟，如以下更多地描述的。在特定实施例中，使用单个温度传感器。例如，单个温度传感器可位于进气端口附近、出气端口附近、或者气流槽的内部附近。可进行温度测量，并可使用单个温度传感器信号和诸如流速、气流槽体积等的已知参数计算体积温度。然而，可以理解，如上所述使用两个(或多个)温度传感器将提供气流槽中气体的更为稳健和准确的温度。同样重要的是知晓气流槽中的压力以便于根据密度值计算摩尔分数。图3是根据一个实施例的压力测量方案的示图。在一个实施例中，例如传感器35或135的压力传感器包括差动压力传感器。为便于使传感器头保持尽可能的紧凑，在一个实施例中，绝对/差动压力换能器的耦合组被用来获取来自样品槽的高频压力数据(因为测量绝对传感器的压力传感器可能体积相当大)。气流槽内部气体的压力可通过使差动压力和平均压力相加来确定。在一实施例中，压力传感器是高速压力传感器。有用的压力传感器包括压阻硅差动压力换能器(例如MPX2010DP，Freescale Semiconductor Inc.(摩托罗拉))和压阻硅绝对压力换能器(例如MPX4115A，Freescale Semiconductor Inc.(摩托罗拉))可使用本领域技术人员显而易见的其它压力传感器。根据一实施例，样品气流槽包括由低导热性材料制成的隔离套管、和/或气袋或真空袋。有用的材料包括低0)2吸收塑料(例如可极为有用的特氟纶PTFE (聚四氟乙烯)， 因为所有的塑料吸收一定的CO2和水蒸气，但特氟纶的吸收异常低)和其它适当的材料。可使用双壁真空金属套管或其它设计。这种套管通过使气流与空气分析器的散热(例如由气体分析器的电子器件进行的散热)解耦，来有利地使进口和出口热电偶之间的温度变化最小化(以使准确率最大化)。一般而言，温度变化越大，体积平均温度作为两个测得温度的函数对其的依赖性越高。因而，热隔离套管在使用时应当使气流槽的至少一部分与该系统的其它组件隔离。图4示出针对非隔热(顶部)气流槽和隔热(底部)气流槽的气流槽内导热性的示例。上图是典型的金属样品槽，而下图示出隔离槽，其中唯一的热通量从两端的窗口进入。如可见到的，热通量大大减少，且温度测量中的误差也大大减小。在两个情形中， 通过实际温度减去入口和出口温度的未加权平均来计算误差。图5示出包括其中拆卸了槽插件95 (限定气流路径)的样品槽的一个实施例。如可见的，还示出了进气端口和出气端口两者附近的热电偶板80的定位和密封方案。摩尔分数测量为了确定和输出摩尔分数，计算应当实时地执行。为此，数字电子器件接收各种信号并实时地执行计算。从空间分离的传感器获取高速温度和压力信号。同样，每个传感器通常具有其自己的特征频率响应(有时取决于流速)。根据一实施例，对齐传感器的时序(例如去除延迟)，并且在必要时考虑频率响应以计算样品槽中的摩尔分数(例如，无需直接测量该位置处的温度)。如图6所示，根据一实施例，在点‘A’测量入口温度，在点‘B’测量压力，在点‘C’测量出口温度，并且气体含量是虚线框内的体积平均测量。在特定方面中，信号对齐在接收到信号时实时地进行(例如由适于处理这种信号的智能模块进行)。然而，应当理解，可在后来执行信号处理。例如，在进行了测量之后，可存储信号或表示信号的数据， 并且将其提供给智能模块以便于后来处理。根据一实施例，使用根据本文中所揭示的各个实施例的气体分析器来确定干摩尔分数。有利地，本文中揭示的气体分析器能够在高带宽下进行干摩尔分数测量。例如，以特定频率响应(例如IOHz)确定CO2或其它气体成分的干摩尔分数是合乎需要的。为便于提供此输出，根据一实施例进行以下步骤。首先，通过例如以约IOHz或更大通气速率通气的 IRGA来引入流速。例如，以期望流速发起环境空气进入进气口、通过气流槽、流出出气口的流动。然后，与体积平均温度相似地，用频率响应在点A和C处测量温度(例如，0.002”直径的‘E’型热电偶通过IRGA对15升/分钟(LPM)的流速提供相似的响应)。以与其它测量相似的频率响应，测量B点处的压力(例如差动压力)。温度测量彼此基本上同时地、且与压力测量基本上同时地进行。A和C处的温度针对空间分离来校正(例如Ta(t+延迟) and Tc (t-延迟)，其中延迟是流速和流程/IRGA几何形状的函数)。基本上与这些测量同时地，检测器系统确定气体成分(例如二氧化碳和水蒸气)的含量。在特定方面中，所有信号(例如温度、压力、吸收率)的带宽与流过气流槽体积的流的物理时间常数(即流速除以体积)匹配。附录A示出用于确定干摩尔分数的示例性计算。一旦被确定，即可返回(例如显示或存储)干摩尔分数以便于后来使用。应当理解，在本文中和其它处，在引用包括水蒸气的摩尔分数(例如CO2摩尔分数)时，通常使用术语“摩尔分数”；当引用去除了水蒸气的摩尔分数时，通常使用术语“干摩尔分数”，并且在特定实例中可使用术语“瞬时摩尔分数”或“瞬时干摩尔分数”来指高速测量。应当理解，可用在计算机系统上运行的计算机代码来实现包括摩尔分数确定过程的气体分析过程。代码包括用于控制处理器来实现气体分析过程的各个方面和步骤的指令。代码通常存储在硬盘、RAM、或诸如⑶、DVD等的便携式介质中。同样，这些过程可在包括智能模块的气体分析器中实现，智能模块通常具有执行存储在耦合至处理器的存储器单元中的指令的一个或多个处理器。该智能模块可以是气体分析器的一部分，或者是与气体分析器直接或间接耦合的单独系统的一部分。包括这种指令的代码可经由至代码源的网络连接或直接连接、或使用众所周知的便携式介质，下载到气体分析器存储器单元。本领域技术人员应当理解，本发明的各个过程可使用诸如C，C++, C#, Fortran, VisualBasic等的各种编程语言、以及提供对数据可视化和分析有用的预先封装流程、函数和过程的诸如Mathematica 的应用来编码。后者的另一示例为MATLAB 。尽管通过示例且根据具体实施例描述了本发明，但可以理解，本发明不限于所公开的各个实施例。相反，旨在覆盖对本领域技术人员显而易见的各种变体和类似配置。因此，所附权利要求的范围应当根据最宽泛的解释，以便于包括所有这些变体和类似配置。附录 A考虑计算瞬时干(X)2摩尔分数目的本计算的目的是输出“所测”快速(例如瞬时)干摩尔分数，从而不再需要针对水蒸气、温度和压力的影响进行WfelA-Pearman-Leuning (韦伯-皮尔曼-琉宁)校正(WPL)。
权利要求
1.一种适于以开路配置或闭路配置操作的气体分析器，所述气体分析器包括a)包括检测器的检测器部分；b)包括光源的光源部分；c)支承结构，所述支承结构将检测器部分与光源部分耦合、并且形成始于光源部分而终于检测器部分的室外空气光路测量区域；以及d)适于与支承结构可拆卸地耦合的气槽，所述气槽包括限定闭路气流通道的外壳结构，其中当气槽与支承结构耦合时光从光源通过气流通道去往检测器部分；以及其中在拆卸了气槽的第一配置中，气槽可作为开路气体分析器操作以分析室外空气光路测量区域中的气体，而在气槽与支承结构耦合的第二配置中，气槽可作为闭路气体分析器操作以分析气流通道中的气体。
2.如权利要求1所述的气体分析器，其特征在于，所述气槽还包括进气端口 ；出气端口，其中所述进气端口和出气端口位于外壳结构上；第一温度传感器，适于测量在所述气流通道中流动的气体的温度；以及位于气流通道中外壳结构内点处的压力传感器，所述压力传感器适于测量气流槽中内点处的气体压力。
3.如权利要求2所述的气体分析器，其特征在于，所述气槽进一步包括位于所述出气端口附近的第二温度传感器，其中所述第一温度传感器位于所述进气端口附近。
4.如权利要求2所述的气体分析器，其特征在于，所述压力传感器是高速压力传感器。
5.如权利要求1所述的气体分析器，其特征在于，所述支承结构包括将所述光源部分与所述检测器部分耦合的气体通道，并且其中所述气体通道使得驱动气体能在所述光源部分和检测器部分之间流动。
6.如权利要求1所述的气体分析器，其特征在于，所述气槽还包括进气端口 ；出气端口，其中所述进气端口和出气端口位于外壳结构上；位于所述进气端口附近的第一温度传感器；以及位于所述出气端口附近的第二温度传感器。
7.如权利要求6所述的气体分析器，其特征在于，还包括位于气流通道中外壳结构内点处的压力传感器，所述压力传感器适于测量气流槽中内点处的气体压力。
8.如权利要求7所述的气体分析器，其特征在于，还包括与所述第一和第二温度传感器、所述压力传感器和所述检测器耦合的智能模块，所述智能模块适于基于检测器信号以及所述压力传感器对气体压力与所述第一和第二温度传感器对气体温度的基本同步测量， 来确定气流通道内气体成分的干摩尔分数。
9.如权利要求8所述的气体分析器，其特征在于，所述气体成分包括(X)2和H2O,且其中气体为空气。
10.如权利要求8所述的气体分析器，其特征在于，对气体压力的测量与所述第一和第二温度传感器对气体温度的测量彼此在约0. 2秒或以下内进行。
11.如权利要求8所述的气体分析器，其特征在于，所述智能模块校正因从所述第一和第二温度传感器接收的温度信号中的空间分离产生的延迟，其中所述延迟是气流通道中气体流速的函数。
12.如权利要求7所述的气体分析器，其特征在于，对气体压力的测量与所述第一和第二温度传感器对气体温度的测量约以1. OHz或更快的速率进行。
13.如权利要求7所述的气体分析器，其特征在于，所述压力传感器是高速压力传感ο
14.如权利要求1所述的气体分析器，其特征在于，检测器部分和光源部分各自包括允许期望波长范围的光通过的光学窗口或其它元件。
15.如权利要求1所述的气体分析器，其特征在于，所述支承结构支持沿轴彼此相对的检测器部分和光源部分，以便于在检测器和光源之间形成室外空气光路测量区域。
16.如权利要求15所述的气体分析器，其特征在于，所述气槽适于可拆卸地耦合在所述光源部分和检测器部分之间。
17.如权利要求1所述的气体分析器，其特征在于，还包括适于使所述气槽与所述支承结构耦合的可拆卸覆板。
18.如权利要求1所述的气体分析器，其特征在于，所述室外空气光路测量区域包括反射来自光源的光的至少一个反射镜。
19.一种适于以开路配置或闭路配置操作的气体分析器，所述气体分析器包括a)包括检测器的检测器部分；b)包括光源的光源部分；c)支承结构，其使所述检测器部分与所述光源部分耦合，且在所述检测器与光源之间形成室外空气光路测量区域；以及d)适于可拆卸地放置在光源和检测器部分之间的气槽，所述气槽还包括限定闭路气流通道的外壳结构，其中当气槽放置在光源和检测器部分之间时光从光源通过气流通道去往检测器部分；以及其中在拆卸了气槽的第一配置中，气槽可作为开路气体分析器操作以分析室外空气光路测量区域中的气体，而在气槽放置在光源与检测器部分之间的第二配置中，气槽可作为闭路气体分析器操作以分析气流通道中的气体。
全文摘要
提供用于测量气体含量、尤其测量气体成分的干摩尔分数的气体分析器系统和方法。这些系统和方法允许为多个环境监测应用快速测量气体密度和/或气体的干摩尔分数，包括高速通量测量。新颖的耦合设计允许对包封气流路径的槽的无工具去除，以实现光组件的现场清洗，并实现开路和闭路分析器配置之间的重新配置。
文档编号G01N21/00GK102272576SQ200980154356
公开日2011年12月7日 申请日期2009年7月31日 优先权日2008年11月6日
发明者M·D·费托 申请人:利康股份有限公司