專利名稱：氧濃度測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開大體上涉及氧測量裝置，并且特別地涉及檢測氣體樣品容積內(nèi)氧濃度的測
量裝置。
背景技術(shù)：
氣體濃度測量可以用光吸收提供，吸收的光具有適當?shù)牟ㄩL或適當?shù)牟ㄩL范圍。 氧氣是在例如燃燒過程中存在的重要氣體。在燃燒過程中的余氧檢測例如產(chǎn)生用于排放監(jiān)測的有價值信息。此外，在其他氣體存在下氧濃度的測量在醫(yī)學領(lǐng)域具有豐富的應(yīng)用。在許多情況下在環(huán)境氣體中存在的氧濃度可以是非常低的，使得需要靈敏的氧濃度測量裝置。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上文，提供適用于確定樣品容積中的氣體的氧濃度的氧濃度測量裝置，該氧濃度測量裝置包括適用于用第一 UV輻射強度照射含氧的樣品容積的光學裝置，該光學裝置包括適用于發(fā)射該第一 UV輻射強度的UV光源，該UV輻射包括至少一個靠近氧的光譜吸收線的波長；適用于在該樣品容積施加磁場的磁場發(fā)生器；適用于測量來自該樣品容積的第二UV輻射強度的UV光檢測器；以及適用于基于該施加的磁場和該測量的第二UV輻射強度確定該樣品容積中的氧濃度的評估單元。根據(jù)另一個方面提供用于確定樣品容積中的氧濃度的方法，該方法包括步驟從 UV光源朝該樣品容積發(fā)射第一 UV輻射，該UV輻射包括至少一個靠近氧的光譜吸收線的波長，用該第一 UV輻射照射該含氧的樣品容積，在該樣品容積施加磁場，測量來自該樣品容積的第二 UV輻射的強度，并且基于該施加的磁場和該測量的第二 UV輻射的強度確定該樣品容積中的氧濃度。另外的示范性實施例依照從屬權(quán)利要求、描述和附圖。


向本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員的完全和使能公開(包括其的最佳模式)在包括對附圖的參考的本說明書的剩余部分中更具體地闡述，附圖中圖1圖示用于說明基于磁場在具有要測量的氧的樣品容積處的施加的氧濃度測量的原理的示意框圖；圖2是圖示使用鎖定檢測技術(shù)的氧濃度測量裝置的控制結(jié)構(gòu)的框圖；圖3是圖示根據(jù)典型實施例的氧濃度測量裝置的光學設(shè)置(optical set-up)的詳細框圖；圖4是圖示根據(jù)另一個典型實施例的具有參考光檢測器的氧濃度測量裝置的設(shè)置的詳細框圖；圖5是根據(jù)再另一個典型實施例的氧濃度測量裝置的設(shè)置的框圖；以及
圖6示出圖示根據(jù)典型實施例的用于確定樣品容積中的氧濃度的方法的流程圖。
具體實施例方式現(xiàn)在將詳細參考各種示范性實施例，其的一個或多個示例在圖中圖示。每個示例通過說明的方式提供并且不表示限制。例如，作為一個實施例的部分圖示或描述的特征可以在其他實施例上結(jié)合其他實施例使用以產(chǎn)生再另外的實施例。意在本公開包括這樣的修改和變型。下文將說明許多實施例。在該情況下，相同的結(jié)構(gòu)特征由圖中相同的標號指示。在圖中示出的結(jié)構(gòu)不忠實于比例地描繪，而相反僅用于對實施例的更好理解。圖1是圖示適用于測量樣品容積304內(nèi)的氧濃度的測量裝置100的原理設(shè)置的框圖。該樣品容積304可以由光學UV傳感器系統(tǒng)接觸并且被包含在具有UV (紫外)光透射窗口的樣品池(cell)201中。由紫外光源101發(fā)射的紫外光透射進入該樣品池并且部分由包含在該樣品容積304中的氧吸收。這里注意在樣品容積304外和樣品池201內(nèi)可提供真空、氮氣或不干擾氧濃度測量的另一個適當?shù)慕橘|(zhì)。此外，可提供氧通過樣品池201的流動，使得在該流動中氧濃度的連續(xù)測量是可能的。第一 UV輻射強度301選擇成使得它的波長中的至少一個基本對應(yīng)于要測量的氧的至少一個吸收線。如果該第一 UV輻射強度301的部分由包含在樣品容積304中的氧吸收，發(fā)射第二 UV輻射強度302，其低于該第一 UV輻射強度301的量已經(jīng)吸收在樣品容積304 中。該第二 UV輻射強度302由UV光檢測器102檢測，其將檢測到的輻射強度轉(zhuǎn)換成測量信號307，其從氧濃度測量裝置輸出并且是包含在樣品容積304內(nèi)的氣體中的氧濃度的測 Mo特別地，如果輻射(即第一 UV輻射強度301)的波長靠近要測量的氣體(在該情況下氧)的吸收線，用于吸收入射輻射的吸收橫截面可以是有效的。特別在UV光譜范圍中的短波長，發(fā)生由氧的UV光吸收。氧吸收線的示例是在130. 2nm的OI線或在184. 9nm的吸收線。如果第一 UV輻射強度301的波長靠近該線，吸收橫截面變高。術(shù)語“靠近”或“基本對應(yīng)于”波長意思是由UV光源101發(fā)射的相應(yīng)發(fā)射線和要測量的氧的至少一個吸收線在它們的相應(yīng)波長中至少部分重疊?？砂l(fā)生這樣的具有靠近彼此的波長的線的重疊，因為發(fā)射線和/或吸收線不代表單個波長，而展現(xiàn)圍繞中心波長(例如130. 2nm或184. 9nm的波長)的波長分布。代替靜止分布，波長還可隨時間改變，例如由于磁場的影響。波長的時間變化(波動或受控變化)還可以認為導致上文意義中的波長分布。發(fā)射和/或吸收線的波長分布產(chǎn)生于線展寬，線展寬可由于自然的線展寬、多普勒展寬(原子和/或分子的溫度移動)、斯塔克展寬(由于與相應(yīng)原子和/或分子相互作用的電場)等中的至少一個造成的。從而，氧的輻射吸收不僅發(fā)生在130. 2nm或184. 9nm的單個波長，而分別在例如129nm至131nm或184nm至186nm的范圍中的光譜區(qū)域中。氧的吸收線在不同光譜區(qū)域中出現(xiàn)。氧例如具有對應(yīng)于汞燈的發(fā)射線的吸收線， 例如在184nm和/或187nm附近。從而，汞燈可提供作為UV光源101。此外，可以是可調(diào)諧的并且可調(diào)節(jié)成使得它的發(fā)射波長對應(yīng)于氧的適當光譜吸收線的UV激光器適于氧濃度測量。一般其中可發(fā)生吸收的波長范圍由吸收線的半寬描述。由包括UV光的第一輻射強度301對樣品容積304的照射具有優(yōu)點是限定輻射吸收量的吸收橫截面在UV光譜區(qū)域中可以是非常高，例如比在可見光譜區(qū)域中高得多。下列方程(1)給出該關(guān)系的估計。PS,OT 104· Ps,VIS (1)如由上文的方程(1)指示的，氧濃度測量裝置在UV光譜區(qū)域中的操作與可見光譜區(qū)域相比增加吸收的輻射強度并且從而檢測系統(tǒng)的靈敏度增加高達四個數(shù)量級?？梢姽庾V區(qū)域包括大約380nm和780nm之間的波長，而UV輻射包括低于380nm的波長。在電磁波譜的該部分(低于380nm)中，光子能量比可見光譜區(qū)域中高。這種UV光部分透射通過空氣，而玻璃吸收在該波長光譜中的輻射。光學系統(tǒng)必須使用對可見和UV光是透明的石英玻璃窗口設(shè)計。低于200nm的波長，環(huán)境空氣自身吸收入射UV輻射，因為水蒸氣在這些短波長是非常能吸收的。為了檢測在樣品容積304中UV光譜范圍中的輻射吸收，輻射可通過使用抽空光學通道透射到樣品容積并且從樣品容積檢測。磁場303通過樣品池201(在圖1中示出)的下部或通過使用螺線管線圈(其中心是樣品池201)施加在樣品容積304。在該磁場303的影響下，氧吸收線可分成與在沒有磁場303時獲得的中心波長相比更短以及更長的波長的分量集合。該線分裂依據(jù)塞曼效應(yīng)， 其本身對技術(shù)人員是已知的。磁場線可平行于第一 UV輻射強度301的傳播方向，但沒有在圖1中示出。根據(jù)典型實施例，UV吸收線通過施加的磁場303的影響而分成兩個單獨的線。根據(jù)塞曼效應(yīng)，這些線中的一個被右手偏振，而這兩個線中的另一個被左手偏振。為了辨別這兩個偏振線的強度，在離開路徑中(即在樣品容積304和UV光檢測器102之間的輻射路徑中)提供偏振分析器。UV光源101可發(fā)射偏振輻射或由UV光源發(fā)射的UV光可用偏振元件204偏振。當磁場303由磁場發(fā)生器103產(chǎn)生時，磁場303可周期地開啟和關(guān)閉。這導致的優(yōu)勢是氧的吸收線的塞曼分裂可存在(磁場303開啟)或不存在(磁場303關(guān)閉)。從而入射到樣品容積304上的第一 UV輻射強度301的波長和要測量的氧的吸收線的波長之間的關(guān)系根據(jù)磁場303的存在而變化。此外第二 UV輻射強度根據(jù)磁場303的變化而變化，因為第一 UV輻射強度301的吸收取決于入射波長和氧的吸收波長之間的波長差別。有利地，樣品容積304內(nèi)的氧濃度可基于不同的測量程序確定。第一種測量程序的基礎(chǔ)原理是其中發(fā)生UV輻射由氧吸收的至少一個測量與其中該UV輻射的吸收減少或根本不存在的至少一個測量的比較。然后，通過評估吸收的差別，即兩個測量之間的差別，可以獲得氧濃度的高對比信號，因為對信號的其他影響在差別信號中互相抵消。根據(jù)下文描述的典型實施例，由UV光源101發(fā)射的第一 UV輻射的波長可在測量中保持基本恒定，而氧吸收線在至少一個測量期間由磁場303塞曼位移。然后，在至少一個測量期間，磁場可調(diào)諧至靠近“吸收”值使得塞曼位移引起氧吸收線與第一 UV輻射的波長基本重合或重疊。在另一個測量期間，這樣的塞曼位移的不存在(磁場303的不存在或磁場303調(diào)諧至遠離“吸收”值)可引起氧吸收線不與第一 UV輻射的波長重合或重疊。由于這些測量之間吸收的變化，入射到UV光檢測器上的第二 UV輻射強度根據(jù)磁場變化而變化。 從而所得的測量信號307中的變化取決于由氧的輻射吸收并且從而取決于樣品容積304中的氧濃度。
如果可以提供樣品容積304中的已知氧濃度并且獲得測量信號307中的對應(yīng)變化，可以校準氧濃度測量裝置100。該校準可以提供為表格或函數(shù)，其將測量信號變化與樣品容積304內(nèi)的對應(yīng)氧濃度關(guān)聯(lián)。根據(jù)另一個典型實施例，UV光源101可提供為氣體放電燈，例如汞燈、氘燈或其的組合，例如結(jié)合的氘-汞燈等。代替在樣品容積施加磁場或除其之外，磁場可在UV光源101 的氣體放電處施加。塞曼位移由在UV光源101施加的磁場提供，并且該塞曼位移可引起由氣體放電燈發(fā)射的第一 UV輻射的至少一個波長與氧吸收線基本重合。此外，磁場的不存在 (即沒有塞曼位移)可引起第一 UV輻射的波長不與氧吸收線重合，或反之亦然。有和沒有磁場的修改的吸收再次導致測量信號307的變化，并且這些變化是樣品容積304中的氧濃度的函數(shù)。再次，可以提供樣品容積304中的已知氧濃度并且可以監(jiān)測測量信號307中的對應(yīng)變化使得整個測量裝置的校準可如上文描述的那樣執(zhí)行。此外并且根據(jù)再另一個典型實施例，可分析入射到UV光檢測器102上的第二 UV 輻射的至少一個偏振態(tài)。在該情況下在樣品容積304或在UV光源101施加的磁場保持在適合提供足夠的塞曼位移的恒定值。由于塞曼效應(yīng)，典型地在波長中上移和下移的分量的偏振態(tài)關(guān)于彼此是不同的。例如上移和下移分量展現(xiàn)相反手性的圓偏振。由UV光源101 發(fā)射的第一 UV輻射的波長可與氧吸收線的上移分量重合，而下移分量僅與氧吸收線極小地重合，或反之亦然。由于入射第一 UV輻射強度分別在上移和下移分量的修改吸收，入射到UV光檢測器上的第二 UV輻射強度相應(yīng)變化。從而在從UV光檢測器102輸出的測量信號307中的所得變化可用以采用與上文關(guān)于施加在樣品容積304和/或在UV光源101的磁場的變化描述的相似的方式評估樣品容積304中的氧濃度。偏振元件204然后可在來自樣品容積304的第二 UV輻射的傳播路徑中使用以便交替選擇上文提到的兩個不同的偏振態(tài)，即相反手性的圓偏振(即選擇左圓或右圓偏振態(tài))。同樣，可以比較超過兩個不同種類的測量以便獲得甚至更多的信號對比。例如，可以測量吸收，同時磁場在兩個限值之間連續(xù)改變，并且因此吸收光譜可以作為磁場的連續(xù)函數(shù)來測量。在該情況下，吸收值的分布由統(tǒng)計量(例如均方差、高階方差等)表征。這允許特別穩(wěn)定的信號。優(yōu)選地，不同種類的測量中的至少一個進行多次，并且更優(yōu)選地它們周期地進行。 這允許獲得甚至更穩(wěn)定的信號，因為信號波動在統(tǒng)計上平均。周期測量可以例如使用鎖定技術(shù)進行，例如在下文進一步描述的等。測量信號用評估單元的評估(下文關(guān)于圖2-5描述的)可通過調(diào)節(jié)UV光源101的波長使得它與氧吸收波長重合而進行，其采用這樣的方式使得對于左和右圓偏振輻射的塞曼效應(yīng)引致的氧吸收線的位移引起測量的左和右圓偏振波的吸收的差別。然后，兩個測量信號可以例如通過形成它們的比或形成對比它們的和的它們的差來評估，并且然后可以用作氧濃度的高度靈敏的測量。為該目的，另外地，評估的信號對比實際氧濃度的校準可例如對于給定測量設(shè)置先驗地，或在通過用參考氧池206的參考測量的操作期間連續(xù)地或間歇地執(zhí)行，如在下文中的圖5中指示的。另外，可以監(jiān)測相關(guān)的發(fā)射光譜輻射強度并且其可以用于信號評估。為了增加信噪比，可采用鎖定檢測模式，其在下文中參照圖2描述。樣品容積304 中的氧濃度然后可基于如果磁場303的強度變化、即開啟和關(guān)閉時第二 UV輻射強度302中的變化來確定。
此外，提供磁場的正弦調(diào)制是可能的。正弦調(diào)制具有便于磁場發(fā)生器的設(shè)計和改變磁場303的頻率可容易用頻率發(fā)生器(沒有示出)調(diào)節(jié)的優(yōu)勢。此外磁場可在極性上周期性地反轉(zhuǎn)。這種極性變化對塞曼線分裂具有最強的影響，使得偏振分析器305可交替選擇較長或上移分量的集合或較短或下移分量的集合并且將選擇的集合傳遞到UV光檢測器102。從而，用磁場發(fā)生器103改變磁場303的強度，測量信號307根據(jù)磁場303的變化而變化。該變化是由于以下事實引起uv氧吸收線的塞曼位移引起吸收的變化使得第二UV 輻射強度302變化，而第一 UV輻射強度301保持在恒定的入射波長和強度。圖2是圖示用于獲得關(guān)于圖1描述的測量信號307的鎖定信號檢測技術(shù)的框圖。 如在圖2中示出的，提供控制單元105，其產(chǎn)生用于控制磁場發(fā)生器103的調(diào)制信號312。該控制單元105接收上文關(guān)于圖1描述的測量信號307。光源101朝樣品池201內(nèi)的樣品容積304發(fā)射第一 UV輻射強度301。如關(guān)于圖1說明的，如果磁場303被調(diào)制，獲得調(diào)制的第二 UV輻射強度302。從而，控制單元105能夠?qū)⒄{(diào)制信號312的頻率關(guān)聯(lián)到測量信號307 的頻率以便提供相敏檢測?？刂茊卧?05包括適用于產(chǎn)生提供給磁場發(fā)生器103的調(diào)制信號312的頻率發(fā)生器單元106。這里注意調(diào)制信號312可包括正弦調(diào)制、開/關(guān)或技術(shù)人員已知的任何其他調(diào)制。此外，控制單元105包括用于比較兩個輸入信號的相位的相位比較器單元202。該相位比較器單元202的一個輸入信號是由頻率發(fā)射器單元106提供的頻率信號314。該頻率信號314對應(yīng)于關(guān)于它的頻率的調(diào)制信號312。輸入到相位比較器單元202的第二信號是從UV光檢測器102輸出的測量信號 307。相位比較器單元202比較兩個輸入信號的相位并且輸出鎖定信號313，其基于相位比較器單元的兩個輸入信號的關(guān)聯(lián)?？刂茊卧?05從而為使用氧濃度測量裝置100的氧濃度測量提供信噪比的增強，因為僅具有關(guān)于調(diào)制信號312的固定相位關(guān)系的測量信號307的分量被放大并且作為鎖定信號輸出。沒有關(guān)聯(lián)到調(diào)制信號312的頻率和相位的測量信號307中的其他貢獻、例如噪聲和其他干擾由相位比較器單元202抵消。鎖定信號313輸入到評估單元108，其基于鎖定信號313評估指示樣品容積304中的UV吸收量的輸出信號。輸出信號110通過輸出單元109 輸出。輸出信號110是樣品容積304內(nèi)的氧濃度的直接測量，因為它反映與由磁場發(fā)生器 103提供的磁場變化(磁場調(diào)制)303關(guān)聯(lián)的第一 UV輻射強度301的吸收。圖3是根據(jù)典型實施例的氧濃度測量裝置100的更詳細框圖。這里注意在圖3、4 和5中點線對應(yīng)于光學路徑，其中具有箭頭的實線對應(yīng)于電路徑。由標號303指示的平行箭頭對應(yīng)于可平行于第一 UV輻射強度301和/或第二 UV輻射強度302的傳播方向取向的磁場303。從UV光源101發(fā)射的第一 UV輻射強度301引導到光學聚焦單元104、例如透鏡等上，其適用于引導并且聚焦第一 UV輻射強度正對著進入包含在樣品池201中的樣品容積 304的中心。在第一 UV輻射強度301已經(jīng)由包含在樣品容積304中的氧部分吸收后，UV輻射強度作為第二 UV輻射強度302通過偏振分析器305(上文關(guān)于圖1描述的)朝UV光檢測器102發(fā)射。對于UV輻射強度通過樣品池201的透射，必須提供UV透射窗口 203。取決于第一和第二 UV輻射強度的波長，例如熔融石英或石英玻璃等材料提供作為UV透射窗口 203的材料。如果UV輻射強度的波長在200nm至IOOnm的范圍內(nèi)，二氟化鎂和氟化鋰可提供作為 UV透射窗口 203的材料以便允許第一和第二 UV輻射強度的透射。圖4是根據(jù)另一個典型實施例的氧濃度測量裝置的設(shè)置的詳細圖。這里注意已經(jīng)關(guān)于之前的圖描述的零件或部件不在說明中和在下列圖中重復以便避免多余說明。如在圖4中示出的，控制單元105用于控制磁場發(fā)生器103和UV光源101。UV光源101可根據(jù)需要的操作條件開啟和關(guān)閉。與上文關(guān)于圖3示出的實施例相比，圖4的實施例包括參考UV光檢測器102，其接收參考輻射強度以便基于由該參考UV光檢測器102提供的參考信號308確定樣品容積304中的氧濃度。在下面，將詳細描述參考信號308的產(chǎn)生。根據(jù)圖4的氧濃度測量裝置100的光學設(shè)置由兩個光學路徑構(gòu)成，即通過樣品容積304將UV光源101連接到UV光檢測器102 的光軸300。第二光軸，即參考檢測器光軸306在垂直于光軸300的取向上提供。第一 UV輻射強度301的部分被引導到參考池206，其在參考容積207內(nèi)包含已知的氧濃度。第一 UV輻射強度306的部分沿參考檢測器光軸306通過偏振分析器305朝參考UV光檢測器107引導。參考UV光檢測器107接收根據(jù)吸收過程的參考輻射強度310，該吸收過程在具有已知和固定氧濃度的參考容積207中發(fā)生。除了參考池206中的氧濃度是已知的，塞曼分裂和輻射吸收的過程與在樣品池201中發(fā)生的過程是相同或相似的。為此，磁場發(fā)生器103不僅給樣品池201提供磁場303，也向參考池206提供磁場303。從而，樣品容積304和參考容積207由調(diào)制的磁場303穿透。參考UV光檢測器107的輸出信號提供作為用于評估單元108的參考信號308。評估單元108然后可基于從UV光檢測器102輸出的測量信號307和從參考UV光檢測器107 輸出的參考信號308兩者評估輸出信號110，即樣品池201的樣品容積304中的氧濃度。此外，評估單元108適用于接收指示參考池206中的氧濃度的該測量的參考信號 308使得樣品容積304中的氧濃度可基于參考信號308確定。根據(jù)另一個典型實施例可提供校準曲線，其可以存儲在評估單元108的存儲器中。這種校準曲線可從具有樣品容積304中的已知氧濃度的測量獲得。測量信號307的曲線然后可作為樣品容積304中的變化氧濃度的函數(shù)來獲得并且可作為校準曲線存儲。這里注意，為了執(zhí)行氧濃度測量，UV光源101發(fā)射在SOnm和380nm之間的波長區(qū)域中的輻射，優(yōu)選地在150nm和250nm之間的區(qū)域中，并且更優(yōu)選地具有大約130nm或 184.9nm的波長。術(shù)語“大約130nm”或“大約184. 9nm”意味UV光源101的波長在要測量的氧的吸收線附近。在氧的吸收線附近意味氧的吸收線和UV光源101的發(fā)射線足夠近使得由相應(yīng)線的半寬限定的線輪廓彼此重疊并且優(yōu)選地采用作為施加的磁場的函數(shù)(即，作為塞曼波長分裂的函數(shù))而不同的方式來重疊。UV光源101可提供為汞燈、UV激光器、窄帶二極管激光器和氘燈中的至少一個。 有利地，氘燈可包含汞(Hg)使得激發(fā)Hg的發(fā)射線并且UV光源101發(fā)射汞光譜的光譜線。 這導致由UV光源101發(fā)射的UV輻射的更高效的吸收，因為Hg發(fā)射線的一些至少部分與氧的吸收線重合，例如與OI 184. 95nm吸收線重合?？刂茊卧?05適用于控制UV光源101。這樣的控制可包括UV光源101的開關(guān)、輻射強度的調(diào)制等。此外盡管沒有在圖4中示出，但參考UV光檢測器107直接測量第一 UV輻射強度 301的部分以便提供UV光源101的輻射強度的參考信號，這是可能的。在該情況下參考池 206在參考檢測器光軸306中是不存在的。這樣的配置的優(yōu)勢是即使UV光源101的輻射強度變化，并且結(jié)果在UV光檢測器102測量的輻射強度甚至對于樣品容積304中的恒定氧濃度也變化，可考慮UV光源101的該輻射強度變化并且可排除它對輸出信號110的影響。圖5是根據(jù)再另一個典型實施例的氧濃度測量裝置100的詳細框圖。除在圖3和 4中示出的氧濃度測量裝置100外，根據(jù)圖5的氧濃度測量裝置100還包括兩個偏振元件 204。一個偏振元件204設(shè)置在UV光源101的光學出口，其中另一個偏振元件204設(shè)置在 UV光檢測器102前面。使用偏振元件204兩者，用偏振的第一 UV輻射強度301照射樣品容積304并且根據(jù)偏振元件兩者的設(shè)置檢測偏振的第二 UV輻射強度302是可能的。當?shù)谝?UV輻射強度 301具有圓偏振時，那么第二 UV輻射強度302中的上移和下移塞曼分量具有不同的偏振方向，即一個分量是左手偏振而另一個分量是右手偏振。從而通過使用設(shè)置在UV光檢測器102前面的第二偏振元件204濾除兩個分量中的一個是可能的。與變化的磁場303結(jié)合，掃描提供在第一 UV輻射強度301中的中心波長上的氧吸收線從而是可能的。除了偏振元件204，氧濃度測量裝置100的設(shè)置與圖4中示出的濃度測量裝置100相似。根據(jù)再另一個典型實施例，磁場發(fā)生器是第一磁場發(fā)生器。此外，提供第二磁場發(fā)生器，其適用于在樣品容積304施加磁場。該第一和第二磁場發(fā)生器適用于施加互相垂直的磁場。這導致在方向上偏振的第二 UV輻射強度302使得信噪比可通過使用設(shè)置在UV光檢測器102前面的固定偏振元件204選通輸出來增加。圖6是圖示根據(jù)典型實施例的用于確定樣品容積中的氧濃度的方法的流程圖。在步驟Si，程序開始。在步驟S2，第一 UV輻射強度朝樣品容積發(fā)射。該UV輻射包括至少一個靠近氧的光譜吸收線的波長。然后程序推進到步驟S3，其中包含要測量的氧濃度的樣品容積用第一 UV輻射強度照射。此外在步驟S4,在樣品容積施加磁場。程序推進到步驟S5并且測量來自樣品容積的第二輻射的強度。該第二 UV輻射強度不同于第一 UV輻射強度，因為第一 UV輻射強度的一部分由包含在樣品池中的氧吸收。從第一UV輻射強度和第二UV輻射強度之間的差別強度，在步驟S6確定樣品容積中的氧濃度。然后程序推進到步驟S7，它在這里結(jié)束。在步驟S4施加的磁場可在最小磁場值和最大磁場值之間正弦調(diào)制以便獲得靠近在樣品容積中入射的UV輻射的波長的氧的光譜吸收線的適當塞曼分裂。此外，改變或反轉(zhuǎn)在樣品容積施加的磁場的極性是可能的。此外，磁場可在開啟狀態(tài)中的基本恒定開啟值和在關(guān)閉狀態(tài)中的零磁場值之間周期性地改變。除了或代替在樣品容積304施加磁場，磁場可在UV光源101施加。如果磁場在UV 光源101施加，那么UV光源的發(fā)射線被塞曼位移，從而導致與上文描述的相似的氧濃度檢測模式。另外磁場在UV光源101的施加可提供UV光源101的至少一個發(fā)射波長的細調(diào)?；谔峁┑娜灰?，可探測氧的多個光譜吸收線，使得氧(氧分子)的振動分子溫度和/或氧(氧分子)的轉(zhuǎn)動分子溫度可分別通過探測相應(yīng)振動分子帶和/或轉(zhuǎn)動分子帶確定。這種探測可包括橫過轉(zhuǎn)動或振動光譜(轉(zhuǎn)-振光譜)的至少一部分的掃描使得在上文描述的吸收過程中牽涉氧分子的至少兩個吸收線。如果探測或“掃描”到兩個或更多吸收線(例如，氧的轉(zhuǎn)動和/或振動帶)，那么除物種密度(氧濃度)信息外還可獲得溫度信息。在氧分子中，轉(zhuǎn)動帶的吸收線與振動帶中的吸收線相比更靠近彼此。從而，用于探測振動分子帶的塞曼位移必須比用于探測轉(zhuǎn)動分子帶的塞曼位移大。根據(jù)描述的實施例中的任一個的氧濃度測量裝置100的應(yīng)用領(lǐng)域包括工業(yè)控制裝置，其中應(yīng)該測量和/或監(jiān)測氧的濃度。此外，在環(huán)境監(jiān)測和醫(yī)學監(jiān)測中，在許多情況下氧濃度是關(guān)鍵問題。此外，必須向其提供特定氧濃度的燃燒過程可以使用根據(jù)上文描述的實施例中的任一個的氧濃度測量裝置100監(jiān)測。本發(fā)明已經(jīng)基于在附圖中示出的實施例描述，從這些實施例可以形成另外的優(yōu)勢和修改。然而，本公開不限于在具體詞語中描述的實施例，而相反可以采用適合的方式修改和改變。它位于將一個實施例的個體特征和特征組合與另一個實施例的特征和特征組合采用適合的方式結(jié)合以便達成另外的實施例的范圍內(nèi)。基于本文的教授可做出變化和修改而不偏離公開和它的更寬的方面，這對于本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員將是明顯的。即，上文闡述的所有示例意為示范性和非限制性的。部件列表
權(quán)利要求
1.一種適用于確定含氧的樣品容積(304)中的氣體的氧濃度的氧濃度測量裝置 (100)，所述氧濃度測量裝置(100)包括光學裝置，其適用于用具有第一 UV輻射強度的第一 UV輻射(301)照射所述樣品容積 (304)，所述光學裝置包括適用于發(fā)射所述第一 UV輻射(301)的UV光源(101)，所述第一 UV輻射包括至少一個靠近氧的光譜吸收線的波長；磁場發(fā)生器(103)，其適用于在所述樣品容積(304)施加磁場(303)；UV光檢測器(102)，其適用于測量來自所述樣品容積(304)的第二 UV輻射(302)的第二 UV輻射強度；以及評估單元(108)，其適用于基于所施加的磁場(30 和所測量的第二 UV輻射強度 (302)確定所述樣品容積(304)中的氧濃度。
2.如權(quán)利要求1所述的氧濃度測量裝置(100)，進一步包括具有UV透射窗口(203) 并且包含所述樣品容積(304)的樣品池001)，其中所述光學裝置基本設(shè)置在所述樣品池 (201)外面以便通過所述UV透射窗口(203)照射所述樣品容積(304)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的氧濃度測量裝置(100)，進一步包括包含具有參考濃度的氧的參考池006)，并且其中所述評估單元(108)適用于接收指示所述參考池(206)中的氧濃度的測量的氧濃度參考信號(308)，并且適用于基于所述氧濃度參考信號(308)確定所述樣品容積(304)中的氧濃度。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項所述的氧濃度測量裝置(100)，其中由所述UV光源(101) 發(fā)射的UV輻射具有在80nm和380nm之間的區(qū)域、優(yōu)選地在150nm和250nm之間的區(qū)域中的波長、并且更優(yōu)選地具有大約185nm的波長。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項所述的氧濃度測量裝置(100)，其中所述UV光源(101) 是汞燈、UV激光器、窄帶二極管激光器、氘燈或其組合中的一個，特別地是在測量第二 UV 輻射強度的頻率區(qū)域中具有連續(xù)光譜的燈和具有離散光譜的燈的組合，例如組合的氘-汞燈。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項所述的氧濃度測量裝置(100)，其中提供參考UV光檢測器(102)以適用于測量第一 UV輻射的至少一部分的強度作為UV光參考信號(308)，并且其中所述評估單元(108)適用于從所述參考UV光檢測器(10 接收UV光參考信號(308)并且使用所述UV光參考信號(308)用于所述氧濃度的確定。
7.如權(quán)利要求1至6中任一項所述的氧濃度測量裝置(100)，其中所述光學裝置進一步包括適用于在所述樣品容積(304)中提供偏振的第一 UV輻射的偏振元件。
8.如權(quán)利要求1至7中任一項所述的氧濃度測量裝置(100)，其中所述磁場發(fā)生器 (103)是第一磁場發(fā)生器(103)，進一步包括適用于在所述樣品容積(304)施加磁場(303) 的第二磁場發(fā)生器(103)，其中所述第一和第二磁場發(fā)生器(10 適用于施加互相垂直的磁場(303)。
9.一種用于確定含氧的樣品容積(304)中的氧濃度的方法，所述方法包括從UV光源(101)朝所述樣品容積(304)發(fā)射第一 UV輻射，所述UV輻射包括至少一個靠近氧的光譜吸收線的波長；用所述第一 UV輻射照射所述樣品容積(304)；在所述樣品容積(304)施加磁場(303)；測量來自所述樣品容積(304)的第二 UV輻射的強度；以及基于所施加的磁場(30 和所測量的第二 UV輻射的強度確定所述樣品容積(304)中的氧濃度。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述磁場(30 在最小磁場值和最大磁場值之間基本上正弦地調(diào)制。
11.如權(quán)利要求9至10中任一項所述的方法，其中所述磁場(303)的極性周期性反轉(zhuǎn)。
12.如權(quán)利要求9至11中任一項所述的方法，其中所述磁場(303)在開啟狀態(tài)中的基本恒定開啟值和在關(guān)閉狀態(tài)中的零磁場值之間周期性地改變。
13.如權(quán)利要求9至12中任一項所述的方法，其中磁場施加在所述UV光源(101)，使得所述UV光源(101)的發(fā)射線關(guān)于至少一個氧吸收線位移。
14.如權(quán)利要求9至13中任一項所述的方法，其中氧的振動分子溫度通過探測振動分子帶確定。
15.如權(quán)利要求9至14中任一項所述的方法，其中氧的轉(zhuǎn)動分子溫度通過探測轉(zhuǎn)動分子帶確定。
16.如權(quán)利要求9至15中任一項所述的方法，其中所述UV光源(101)的波長調(diào)節(jié)成使得它與氧吸收線的波長重合使得對于左和右圓偏振輻射的塞曼效應(yīng)引致的氧吸收線的位移引起左和右圓偏振輻射的吸收的差別。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中測量左圓第二UV輻射和右圓第二UV輻射的強度， 并且所述樣品容積(304)中的氧濃度基于所測量的強度確定。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述樣品容積(304)中的氧濃度基于測量的左和右圓偏振第二輻射的比例、和/或基于它們的差、優(yōu)選地除以它們的總和的它們的差來確定。
全文摘要
提供適用于確定樣品容積(304)中的氣體的氧濃度的氧濃度測量裝置(100)。使用光學裝置以用于用第一UV輻射強度(301)照射含氧的樣品容積(304)，第一UV輻射強度的至少一個波長靠近氧的光譜吸收線。磁場發(fā)生器(103)適用于在樣品容積(304)施加磁場(303)以及UV光檢測器(102)適用于測量來自樣品容積(304)的第二UV輻射強度(302)?；谒┘拥拇艌?303)和所測量的第二UV輻射強度(302)確定樣品容積(304)中的氧濃度。
文檔編號G01N21/33GK102265135SQ200880132551
公開日2011年11月30日 申請日期2008年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月23日
發(fā)明者J·D·洛博, J·卡普勒, K·Y·哈夫納, T·鮑爾 申請人:Abb研究有限公司