用于对气体样品中的气体的浓度进行测量的设备的制作方法

本实用新型涉及用于测量气体(例如，气体样品中的臭氧)浓度的设备及方法。

背景技术：

用于测量臭氧浓度的设备和方法(或者臭氧分析器)使用朗伯比尔 (Beer-Lambert)定律来计算空气中的臭氧浓度，朗伯比尔定律根据紫外线(UV， ultraviolet)辐射的吸收来确定臭氧浓度。臭氧的吸收频谱位于220nm与290nm 之间并且最大吸收处于253.7nm波长上。

该类型的设备一般包括：

用于空气或气体样品的流通腔室(用于持续测量浓度)，

电光源，其被配置成在该腔室发射紫外线辐射，

用于对该腔室的端部处的光能量进行检测的装置，该装置也被称为“测量”检测装置，以及

使用来自检测装置的输出信号来计算臭氧浓度的装置。

待分析的气体在测量腔室内流通并且样品中所含有的臭氧分子吸收臭氧的吸收波长上的至少一部分UV辐射。由于此吸收，腔室内的光能量随着距光源的距离的增加而减小。

使用该测量检测装置来确定腔室的出口处剩余的光能量，即，由光源发射的并且未被在腔室内流通的气体中所含有的臭氧吸收的光能量。检测装置所提供的输出信号一般是电流值i_mes。

为了考虑背景噪声并且优化臭氧浓度的测量，已知为上述类型的设备提供了被称为“参考”检测装置的其他检测装置。该参考检测装置被配置成对由光源发射至最近的固定要素(factor)(即，在腔室入口处)的光能量进行检测。

在现有技术中，参考检测装置提供了具有电流值i_ref的输出信号，i_mes减去 i_ref以获得校正电流值i_cor。此值i_cor用于经由朗伯比尔等式来确定空气或气体样品中的臭氧浓度。实际上，使用值i_cor和值i_0cor来计算臭氧浓度，其中，值i_cor表示当含有待测臭氧的样品在腔室流通时在腔室的出口处检测到的光能量，值 i_0cor表示当不含臭氧的样品在腔室内流通时在腔室的出口处检测到的光能量。为了执行测量i_0cor，样品穿过被设计成从该样品滤除臭氧的清洁过滤器。

观察到，在操作中，光源所发射的光能量不恒定，这会对测量结果造成不利后果。该能量会具体地因光源的老化、操作期间光源的发热等等而变化。

为了克服此问题，提出了通过对光源进行加热或冷却来调整光源的温度。如此将光源保持在恒定的温度以限制温度变化对所发射的光能量的影响。然而，用于冷却光源的装置一般非常昂贵并且因此很少使用。一般优选地将光源加热在例如40℃或50℃的温度。然而，不能总是考虑此解决方案，特别是对于热敏光源例如LED(发光二极管，Light-emitting diode)。由于将LED加热至40℃或50℃会大幅减少LED的寿命，所以实际上不可能这么做。

因此对于使得可以解决设备的光源(尤其是发光二极管或LED)在操作中所发出的光能量变化这一问题的技术有实际需求。

本实用新型针对此需求提供了简单、有效和经济的解决方案。

技术实现要素：

本实用新型为此效果提出了用于对气体样品中的如臭氧之类的气体的浓度进行测量的设备和方法，包括：

用于所述气体样品的至少一个流通腔室；

光源，其被配置成将波长在气体吸收频谱内的光发射至上述流通腔室；

用于对上述流通腔室的入口处的光能量进行检测第一检测装置；

用于对上述流通腔室的出口处的光能量进行检测第二检测装置；以及

使用来自第一检测装置和第二检测装置的输出信号来计算气体的浓度的装置，

其特征在于，所述设备还包括调节装置，调节装置被配置成接收来自第一检测装置的输出信号，并且用于根据所述输出信号对光源的至少一个操作参数进行调节以使得流通腔室入口处的光能量在操作期间基本上恒定。

由于本实用新型使得可以将腔室入口处的光能量保持恒定，所以本实用新型会特别有利。这通过以下调节装置成为可能：该调节装置被连接至第一检测装置以接收来自第一检测装置的信息(例如，电流值i_ref或i_0ref，或者电压值 U_ref或U_0ref)。腔室入口处的光能量的变化导致此电流值或电压值的变化。换言之，腔室入口处的基本上恒定的光能量导致在第一检测装置的输出处的电流值或电压值基本上恒定。调节装置被配置成用于调节光源的至少一个操作参数以使得腔室入口处的光能量基本上恒定，即，使得从第一检测装置输出的电流值或电压值基本上恒定。出于测量小于ppb(十亿分之几，parts per billion)的浓度的目的，控制光能量使得可以增加设备的灵敏度。

本实用新型因此与现有技术的不同之处特别在于：来自第一(参考)检测装置的输出信号被发送至调节装置并且由调节装置用于调节光源的至少一个操作参数。相比之下，在现有技术中，如上文所描述的，此输出信号仅用于对由第二(测量)检测装置检测的光能量的测量结果进行校正以及计算样品中的气体浓度。

尽管本实用新型特别适于测量气体样品中的臭氧浓度，但本实用新型不限于此具体应用。

在此应用中，腔室的入口表示光源所发射的光进入腔室所经由的腔室端部，而腔室的出口表示该光逸出腔室所经由的腔室端部。该腔室可以是细长直条形或者可以包括至少一个弯头(其中，发生对光辐射的至少一次反射)。如果该腔室为细长直条形，则该腔室的光入口位于纵向端部并且其光学出口处于与入口相对的纵向端部。待分析的流体在腔室内的流通方向不重要。

根据本实用新型的第一实施方式，调节装置被配置成调节光源的供电电压和/或供电电流。调节装置因此配置成对光源的电源的电压、电流或功率(电压和电流)进行控制。

作为替代特征或另外的特征，调节装置被配置成调节光源的温度。为此，该设备可以包括电阻性导电元件(例如，电阻器)，其被安装在光源附近并且被供电以改变光源的温度。相比现有技术而言，无意将光源加热在恒定温度处。相比之下，根据来自第一检测装置的输出信号来调节光源的温度，使得腔室入口处的光能量恒定。光源的最大加热温度有利地被确定从而不影响光源的寿命。

优选地，光源包括至少一个LED。该LED优选地发射波长在220nm至 290nm之间的辐射。该波长例如是255nm，其对应于臭氧的最大吸收。

第一检测装置可以被安装在该流通腔室的入口附近。

可以对第一检测装置进行定向以使得能够在不修改光源所发射的光的光路径的情况下检测流通腔室入口处的光能量。可替代地，至少一个光学元件(例如，倾斜分隔叶状件(lame séparatrice inclinée))被安装在光源的下游以将光源所发射的一部分光能量转向第一检测装置。

可替代地，第一检测装置可以被安装在该流通腔室的出口附近。在此情况下，该设备可以包括第二腔室和用于气体样品的第一腔室，每个腔室包括入口和出口，该第一腔室是上述流通腔室。光源可以位于上述第一腔室和第二腔室的入口附近，第一检测装置可以位于第二腔室的出口处，第二检测装置可以位于第一腔室的出口处。因为没有气体在第二腔室内流通，所以第一腔室和第二腔室的入口处的光能量与第二腔室的出口的光能量基本上相同。第一检测装置对第二腔室的出口处的光能量进行测量因此回到对第一腔室和第二腔室的入口处的光能量进行测量。

优选地，第一检测装置和第二检测装置包括光电二极管。

设备可以包括向光源提供直流电流或脉冲电流的装置。为诸如LED之类的光源提供脉冲电流的优点在于这限制了该光源的发热并且因此增加了该光源的寿命。

本实用新型还涉及一种对气体样品中的气体(例如臭氧)浓度进行测量的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

a)将腔室内的气体样品从该腔室的入口流通至出口；

b)对电光源进行供电以将波长在气体吸收频谱内的光发射至该腔室；

c)借助于第一检测装置来检测该腔室的入口处的光能量；

d)借助于第二检测装置来检测该腔室的出口处的光能量；

e)使用来自第一检测装置和第二检测装置的输出信号来计算气体的浓度；

f)根据来自第一检测装置的输出信号来对光源的至少一个操作参数进行调节以使得腔室入口处的光能量在操作期间基本上恒定。

此测量方法有利地借助于前述测量设备来实现。

可以同时执行步骤e)和f)。

附图说明

当参考附图来理解以非限制性示例来提供的以下描述时，会更好地理解本实用新型并且本实用新型的其他细节、特征和优点也会显现，在附图中：

图1是用于测量臭氧浓度的设备的轴向横截面图；

图2是图1的一部分的放大图；

图3是用于测量臭氧浓度的设备的框图；

图4是根据本实用新型的测量设备的调节装置的框图；

图5是与图2对应的表示该测量设备的替代性实施方式的视图；以及

图6至图9是根据本实用新型的测量设备的不同配置的高度示意性图。

具体实施方式

首先参考图1和图2，图1和图2示意性地示出了用于对气体样品中的臭氧进行测量的设备10。

此设备10主要包括样品的流通腔室12、光源14、用于检测光能量的两个独立装置16、17；以及供电装置和用于计算臭氧浓度的装置。所有这些元件一般安装在以下壳体中：该壳体优选地是轻的(例如，小于10kg)并且不是很笨重以使得能够容易运输。

腔室12为细长形并且包括位于第一纵向端部或后端(在图中的右侧)处的用于为该腔室提供样品的孔18，以及位于与第一纵向端部相对的纵向端部或前端(在左侧)的用于将样品从该腔室排出的孔20。例如以大约1L/min的流量向腔室12提供样品。

在所示出的示例中，腔室为直条形(笔直的光路径)，但是也可以具有其他形状，例如U形。在后一种情况下，腔室12可以包括通过弯曲部连接的三个直条部(有多次反射的光学路径)。

此处，腔室12由管状部22形成，管状部22由其他保护性管状部24包围。

设备10包括处于腔室12的纵向端部处的两个基底，分别为前基底26和后基底28。前基底26(位于图中的左侧)被固定至管状部22和管状部24的前端，并且后基底28(位于右侧)被固定至管状部22和管状部24的后端。

前基底26承载两个电子板30、32，第一电子板30承载光源(该光源在此处例如是带有UV辐射、12V电源的LED 14)，第二电子板32承载一个检测装置(此处是被称为参考光电二极管的光电二极管16)。已知由于LED发射的光辐射具有相对窄的波长范围使得LED具有选择性，光电二极管不必具有选择性并且具有宽检测频谱，以使得不太昂贵。

基底26包括与腔室12共轴并且穿过基底的第一圆柱洞34。洞34因此开口至两个相对面，分别是基底26的前面和后面，其中，洞34的后开口与此处作为腔室12的入口的腔室12的前端连通。电子板30被固定在基底26的前表面以使得LED 14被容置在洞34的前端。LED 14与腔室12在轴向上对准。

基底26包括与第一洞34垂直并且在第一洞34的中间处连接至第一洞34 上的第二圆柱洞36，以使得洞34、36大体上形成倒转的T字形。洞36的下端因此被连接至第一洞34，洞36的上端开口至基底26的上表面上。电子板32 被固定在基底26的该上表面以使得光电二极管16被容置在洞36的上端。光电二极管16因此被定向为与LED 14成90°。

在所示出的示例中，分隔叶状件38被安装在洞34和洞36的连接区域处，并且倾斜成与LED 14成45°，以使得由LED 14发射的光能量的50％通过叶状件38并且剩余的光能量被(以90°)反射至光电二极管16。此处在洞36中、叶状件38与光电二极管16中间处安装有透镜40。

后基底26承载电子板42，电子板42承载在此同样是光电二极管17的另一检测装置，该光电二极管17被称为测量光电二极管。

后基底28包括与腔室12共轴并且穿过基底的圆柱洞44。洞44因此开口至两个相对面，分别是基底28的前面和后面，其中，洞44的前开口与此处作为腔室12的出口的腔室12的后端连通。电子板42被固定在基底28的后表面以使得光电二极管17被容置在洞44的后端中。光电二极管17因此与腔室12 在轴向上对准。

应当理解，参考光电二极管16用于检测腔室12入口处的光能量，并且测量光电二极管17用于检测腔室的出口处的光能量。腔室12的入口此处表示LED 所发射的光辐射进入腔室所经由的腔室端部，该腔室的出口此处表示LED所发射的光辐射逸出腔室所经由的腔室端部。在所示的示例中，该腔室的入口对应于样品(通过孔20)逸出腔室12所经由的腔室端部；该腔室的出口对应于样品(通过孔18)进入腔室所经由的腔室端部。

现参考示出了测量设备10的框图的图3，其中，示出了上文所描述的元件，例如，具有入口18及出口20的腔室12、LED 14和光电二极管16、17。

应当注意，相比图1和图2而言，腔室12的孔18此处位于设备10的前面，位于LED 14和光电二极管16这一侧。腔室12的孔20因此位于设备10 的后面，在光电二极管17一侧。因此，该腔室的入口对应于样品(通过孔18) 逸出腔室12所经由的腔室端部；该腔室的出口对应于样品(通过孔20)进入该腔室所经由的腔室端部。

腔室12的孔18通过管46连接至三通阀48的出口。此电磁阀48的入口通过管50连接至必须测量其臭氧浓度的样品源，并且电磁阀48的另一个入口通过臭氧的清洁过滤器52被连接至同一源(或者不含待分析的气体的气体源)。腔室12的孔20被连接至泵54，泵54被配置成从上述源吸取样品并且将所吸取的样品在腔室12内进行流通。

设备10包括用于向设备10的各个电气设备(特别是例如光电二极管16、 17、泵54、电磁阀48等等)供电的装置56。

设备10还包括用于计算或测量臭氧浓度的装置58，该装置被连接至光电二极管16、17，并且被配置成从这些光电二极管接收例如输出信号之类的信息以对这些信息进行处理，如下面所更加详细地描述的。

根据本实用新型，设备10还包括LED 14的至少一个操作参数的调节装置 60，以使得腔室入口12处的光能量在操作期间基本上恒定。为此，调节装置 60被配置成接收来自参考光电二极管16的输出信号。出于测量小于ppb(优选地小于0.5ppb)的浓度的目的，控制光能量使得可以增加设备10的灵敏度。

根据本实用新型如图4所示的第一实施方式，调节装置60被配置成调节 LED 14的供电电压和/或供电电流。可以以直流模式或脉冲模式(例如以1Hz 至100Hz的频率)来对LED 14进行供电。

在此实施方式中，调节装置60包括计算机62，该计算机62通过模拟/数字转换器64和放大器66连接至光电二极管16，并且还通过数字/模拟转换器 68和控制器70连接至LED 14。

光电二极管16用于向放大器66发射输出信号。此输出信号一般是电流值 (i_ref)或电压值(U_ref)。放大器66用于对此信号进行放大，然后在此信号被发往计算机62之前由转换器68将此信号转换成数字信号。此计算机62可以包括集成有调节算法的处理器。

调节算法可以基于以下控制过程：

将发射能量的测量值与发射能量的理论值进行比较；

将能量差表达为多个校正整定值“步长”：能量差的伪正比函数，以及

逐步增加对光源的供电电压或供电电流的控制。

此计算机62向转换器68发射数字信号，转换器68在数字信号被发送至控制器70之前将数字信号转换成模拟信号。无论光电二极管16的输出信号是何种类型(电流或电压)，都可以使用电流(l₀)或电压(U₀)来向LED 14供电。控制器70因此可以用于生成LED 14的供电电流或供电电压。

附图标记A代表可以由上述电子板32承载的获取电路，而附图标记B代表可以由电子板30承载的控制电路。

以下描述包括在本实用新型的第一实施方式的框架下(即，在用于测量气体样品中的臭氧浓度的方法的框架下)测量设备10的示例用途。

在该方法的第一步骤，驱动泵54并且控制电磁阀48，使得样品在到达腔室12之前通过过滤器52。因此，使用不含臭氧的样品供应腔室12。

在第二步骤中，向LED 14供电并且向腔室12发射UV辐射。光电二极管 16、17被供电。光电二极管16提供例如i_0ref的输出信号，并且光电二极管17 提供例如i_0mes的输出信号。第一步骤和第二步骤可以持续大约1秒至30秒。

测量装置58接收这些输出信号并且(根据公式i_0cor＝i_0mes-i_0ref)从这些输出信号中减去这些信号的校正值例如i_0cor。

并行地，调节装置60接收来自光电二极管16的输出信号(i_0ref)并且确定是否需要调整LED 14的供电电流或电压，以使得该输出信号基本上恒定(其中，来自光电二极管16的恒定输出信号表示腔室12入口处的光能量恒定)。在需要时，调节装置60的计算机62确定需要对LED 14的供电电流或电压进行何种类型的调整(向上或向下)以实现预期结果。

在该方法的另一步骤中，驱动泵54并且控制电磁阀48，使得样品不再通过过滤器52而是通过管50。因此用未经过滤的样品来供应腔室12。

LED 14被供电并且向腔室发射UV辐射。光电二极管16、17被供电。光电二极管16提供例如i_ref的输出信号，并且光电二极管17提供例如i_mes的输出信号。这些步骤可以持续大约1秒至30秒。

测量装置58接收这些输出信号并且(根据公式i_cor＝i_mes-i_ref)从这些输出信号中减去这些信号的校正值例如i_cor。完整的流通会持续大约2秒至60秒。

按照与上文描述的相同方式，调节装置60接收来自光电二极管16的输出信号(i_ref)，并且确定是否需要调整LED 14的供电电流或供电电压，以使得此输出信号基本上恒定。

测量装置58通过下文的朗伯比尔定律来计算样品中的臭氧浓度：

C[O₃]＝10⁶/α×l×Ln(i_0cor/i_cor)×P₀/P×T/T₀

其中，C[O₃]是以ppm表示的臭氧浓度；α是设备10的采样系数；l是腔室12的长度(即，光路径的长度)，例如在1cm与200cm之间；P和P₀是压力值，分别是腔室12的压力和参考压力(1013hPa)；以及T and T₀是温度值，分别是腔室12的温度和参考温度(273K)。为此，此设备10设置有位于腔室 12中的温度传感器和压力传感器，上述传感器被连接至测量装置58，此连接在图3中示意性地由箭头71表示。测量装置58此外还连接至诸如液晶屏幕之类用于显示结果的系统72，以使得这些结果可以被操作员看见。

图5示出了本实用新型的替代性实施方式，其中，调节装置被配置成调节 LED 14的温度。

在此实施方式中，调节装置包括电阻加热元件(这里为电阻73)，其被连接至计算器(未示出)，该计算器类似于图4中的计算机使得可以调节加热功率。此计算机用于接收来自光电二极管16的信息(如图4的情况)，并且用于为电阻73供电以使得可以调节LED 14的温度，此调节的目的不在于将LED 14的温度保持在恒定的温度(如在现有技术中)，而是为了保证腔室入口处的光能量保持恒定。该计算机能够通过光电二极管16的输出信号来确定此能量是否恒定，如上文说明的，该能量需要保持恒定。

图6至图9示出了根据本实用新型的测量设备10的不同配置。

图6的实施方式对应于图1、2、4和5的实施方式，其中，参考光电二极管16被定向成与LED 14成90°，其中，光电二极管16和LED 14两者被安装在腔室12的入口(即，腔室的纵向端部)处。在此示例中，设备10包括分隔叶状件38，分隔叶状件38将LED 104的UV辐射的一部分转向并且因此修改了此辐射的一部分光路径。

在图7的实施方式中，参考光电二极管16被定向成面对LED 14并且直接检测由LED 14发射的光能量，而不必在LED与光电二极管之间插入光学系统。光电二极管16和LED 14两者被安装在腔室12的入口(即，腔室的纵向端) 上。

图8的实施方式与图7的实施方式的不同之处实质上在于：参考光电二极管16被安装在腔室12的出口(即，腔室的与LED 14相对的纵向端)处。参考光电二极管16检测LED 14的UV辐射的能量，该UV辐射不进入腔室内并且因此不被腔室内的样品流通改变。

图9的实施方式与图8的实施方式不同之处实质上在于：设备10包括与样品流通的第一腔室12并行布置的第二腔室12'。在第二腔室12'中无气体流通，而是填充有不吸收要测量的气体的波长的气体。参考光电二极管16被安装在腔室12'的出口处并且测量光电二极管被安装在腔室12的出口处。参考光电二极管16检测LED 14的进入腔室12'的UV辐射的光能量，并且测量光电二极管 17检测LED 14的进入腔室12的UV辐射的光能量。