專利名稱：氣體分析器的制作方法
氣體分析器
背景技術(shù)：
本發(fā)明一般涉及氣體分析，尤其涉及用于測(cè)量氣體含量(concentration)的系統(tǒng)和方法。大氣中增加的二氧化碳含量以及由此導(dǎo)致的溫室效應(yīng)和氣候變化已經(jīng)變成科學(xué)研究的重要課題。為便于理解全球碳平衡，有必要確定大氣與陸地和海洋生態(tài)系統(tǒng)之間的二氧化碳和能量交換的速率。一種稱為“渦流協(xié)方差”的測(cè)量技術(shù)已被廣泛用于確定這些速率。地球表面之上數(shù)百米內(nèi)的空氣是最為動(dòng)蕩的，從而稱為“渦流”的湍流結(jié)構(gòu)(可變大小的旋渦)負(fù)責(zé)大多數(shù)氣體(包括二氧化碳和水蒸氣)、以及地表與大氣之間的熱量和動(dòng)量的垂直輸運(yùn)。這種輸運(yùn)的速率可根據(jù)風(fēng)速的垂直分量、二氧化碳和水蒸氣的含量、以及大氣溫度的同步、高頻測(cè)量來計(jì)算。為了測(cè)量二氧化碳和水蒸氣的含量，可使用氣體分析器來分析適當(dāng)波長帶中的光透過氣樣(gas sample)的透射比。使用某些氣體分析器，含有未知含量的二氧化碳和水蒸氣的樣氣被置入樣品槽中，而具有零含量或已知含量的二氧化碳和水蒸氣的參比氣體被置入?yún)⒈炔壑?。分析器根?jù)與透射樣品槽的光和透射參比槽的光之間的差異成比例的校準(zhǔn)信號(hào)來測(cè)量樣品槽中的未知?dú)怏w含量。在渦流協(xié)方差應(yīng)用中，充滿塵埃和花粉的環(huán)境空氣必須以高流速通過分析器，以便使該分析器具有必要的頻率響應(yīng)。即便空氣被過濾了，也還是可預(yù)期樣品槽的污染，尤其是在長配置期間，從而需要分析器回廠返修以便清洗。這是一個(gè)昂貴且耗時(shí)的過程，尤其是在分析器在諸如亞馬遜盆地、阿拉斯加北坡、或非洲沙漠的偏遠(yuǎn)地區(qū)中使用時(shí)。因此，存在對(duì)經(jīng)改進(jìn)氣體分析器的需要。具體而言，需要便于清洗且提供穩(wěn)健測(cè)量能力的氣體分析器。概述提供用于測(cè)量氣體含量、尤其測(cè)量氣體成分的干摩爾分?jǐn)?shù)的系統(tǒng)和方法。根據(jù)各個(gè)實(shí)施例的系統(tǒng)和方法允許為包括高速通量測(cè)量在內(nèi)的多種環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用快速測(cè)量氣體密度和/或氣體的干摩爾分?jǐn)?shù)。根據(jù)各個(gè)實(shí)施例，提供實(shí)現(xiàn)樣氣的氣體含量的快速測(cè)量、同時(shí)實(shí)現(xiàn)樣氣的壓力和溫度的快速測(cè)量的系統(tǒng)和方法。此外，與現(xiàn)有設(shè)備相比，根據(jù)各個(gè)實(shí)施例的設(shè)備能有利地使用顯著短得多的進(jìn)氣管且功耗顯著降低。各個(gè)實(shí)施例還提供氣體分析器的獨(dú)特機(jī)械-光學(xué)設(shè)計(jì)方案，其在無工具可拆卸氣槽中包括若干新穎元件。各個(gè)實(shí)施例還允許使用氣流的溫度和壓力測(cè)量來測(cè)量可拆卸氣槽中氣體的干摩爾分?jǐn)?shù)。根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種氣體分析器，其通常包括包括檢測(cè)器的檢測(cè)器部分；包括光源的光源部分；以及可拆卸地設(shè)置在光源部分和檢測(cè)器部分之間的可拆卸氣槽 (gas cell)。可拆卸氣槽通常包括限定例如封閉氣流通道的氣流通道的外殼結(jié)構(gòu)，其中在附連時(shí)來自光源的發(fā)射光沿著光路通過氣流通道通向檢測(cè)器部分。氣槽通常還包括進(jìn)氣口、出氣口、第一溫度傳感器、以及壓力傳感器，其中進(jìn)氣口和出氣口位于外殼結(jié)構(gòu)上，第一溫度傳感器適于測(cè)量流入氣流通道中的氣體的溫度，壓力傳感器位于氣流通道中外殼結(jié)構(gòu)的內(nèi)點(diǎn)處，該壓力傳感器適于測(cè)量氣流槽中內(nèi)點(diǎn)處的氣體壓力。在特定方面中，可拆卸氣槽進(jìn)一步包括位于出氣口附近的第二溫度傳感器，其中第一溫度傳感器位于進(jìn)氣口附近。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種氣體分析器，其通常包括包括檢測(cè)器的檢測(cè)器部分；包括光源的光源部分；以及可拆卸地設(shè)置在光源部分和檢測(cè)器部分之間的可拆卸氣槽?？刹鹦稓獠弁ǔ０ㄏ薅ɡ绶忾]氣流通道的氣流通道的外殼結(jié)構(gòu)，其中在附連時(shí)來自光源的發(fā)射光沿著光路通過氣流通道通向檢測(cè)器部分。氣槽通常還包括進(jìn)氣口、出氣口、 位于進(jìn)氣口附近的第一溫度傳感器、以及位于出氣口附近的第二溫度傳感器，其中進(jìn)氣口和出氣口位于外殼結(jié)構(gòu)上。在特定方面中，氣體分析器包括位于氣流通道中外殼結(jié)構(gòu)的內(nèi)點(diǎn)處的壓力傳感器，該壓力傳感器適于測(cè)量氣流槽中內(nèi)點(diǎn)處的氣體壓力。在特定方面中，氣體分析器包括與(一個(gè)或多個(gè))溫度傳感器、壓力傳感器和檢測(cè)器耦合的智能模塊。該智能模塊通常適于基于檢測(cè)器信號(hào)以及壓力傳感器對(duì)氣體壓力和溫度傳感器對(duì)氣體溫度的基本同步測(cè)量，來確定氣流通道內(nèi)氣體成分的干摩爾分?jǐn)?shù)。在特定方面中，智能模塊校正因從第一和第二溫度傳感器接收的溫度信號(hào)中的空間分離產(chǎn)生的延遲，其中該延遲通常是氣流通道中氣體流速的函數(shù)。在特定方面中，氣體分析器包括在檢測(cè)器部分附近的第一光學(xué)窗口以及在光源部分附近的第二光學(xué)窗口，其中第一光學(xué)窗口和第二光學(xué)窗口為檢測(cè)器部分和光源部分內(nèi)的組件提供空氣密封。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種用于測(cè)量氣體分析器的氣流槽(flow cell) 中氣體成分的干摩爾分?jǐn)?shù)的方法。該方法通常包括使氣體流過氣流槽，測(cè)量氣流槽中氣體成分對(duì)光的吸收率，基本同時(shí)地測(cè)量氣流槽進(jìn)氣口處氣體的溫度Tl，基本同時(shí)地測(cè)量氣流槽出氣口處氣體的溫度T2，以及基本同時(shí)地測(cè)量氣流槽內(nèi)點(diǎn)處氣體的壓力P。該方法通常還包括基于所測(cè)得的吸收率、P、T1和Τ2確定氣體成分的干摩爾分?jǐn)?shù)。在特定方面中，氣體的成分包括(X)2和H2O,且其中氣體為空氣。根據(jù)再一方面，提供測(cè)量氣體成分的干摩爾分?jǐn)?shù)的氣體分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)通常包括其中氣體從進(jìn)氣口流至出氣口的氣流槽；配置成通過氣流槽發(fā)射光的光源；以及配置成輸出表示氣流槽中氣體成分對(duì)光的吸收率的吸收率信號(hào)的檢測(cè)器子系統(tǒng)。該系統(tǒng)通常還包括放置在氣流槽的進(jìn)氣口附近的第一溫度傳感器；放置在氣流槽的出氣口附近的第二溫度傳感器；以及適于測(cè)量氣流槽的內(nèi)點(diǎn)處的壓力的壓力傳感器。該系統(tǒng)通常還包括與第一和第二溫度傳感器、壓力傳感器以及檢測(cè)器子系統(tǒng)耦合的智能模塊。該智能模塊通常適于基于吸收率信號(hào)以及氣體壓力以及第一和第二溫度傳感器對(duì)氣體溫度的基本同步測(cè)量來確定成分的干摩爾分?jǐn)?shù)。在特定方面中，氣體壓力的測(cè)量以及第一和第二溫度傳感器對(duì)氣體溫度的測(cè)量彼此在約0. 2秒或以下內(nèi)進(jìn)行。在特定方面中，壓力傳感器對(duì)氣體壓力的測(cè)量以及第一和第二溫度傳感器對(duì)氣體溫度的測(cè)量以約1. OHz或更快的速率進(jìn)行。根據(jù)另一方面，提供了適于放置在氣體分析器系統(tǒng)的光源與檢測(cè)器部分之間的可拆卸氣槽。該可拆卸氣槽通常包括限定氣流通道的外殼結(jié)構(gòu)、在氣流通道一端上的第一開口、在氣流通道另一端上的第二開口，其中第一和第二開口限定光從光源通過氣槽去往檢測(cè)器部分的光路。氣槽通常還包括進(jìn)氣口、出氣口、位于進(jìn)氣口附近的第一溫度傳感器、以及位于出氣口附近的第二溫度傳感器，其中進(jìn)氣口和出氣口偏離光軸位于外殼結(jié)構(gòu)上。在特定方面中，氣槽包括位于氣流通道中外殼結(jié)構(gòu)的內(nèi)點(diǎn)處的壓力傳感器，該壓力傳感器適于測(cè)量氣流槽中內(nèi)點(diǎn)處的氣體壓力。在特定方面中，第一和第二溫度傳感器的至少之一包括位于由相應(yīng)端口所限定的氣流路徑的中心點(diǎn)處的熱電偶。根據(jù)另一方面，提供了適于放置在氣體分析器系統(tǒng)的光源與檢測(cè)器部分之間的可拆卸氣槽。該可拆卸氣槽通常包括限定氣流通道的外殼結(jié)構(gòu)、在氣流通道一端上的第一開口、在氣流通道另一端上的第二開口，其中第一和第二開口限定光從光源通過氣槽去往檢測(cè)器部分的光路。氣槽通常還包括進(jìn)氣口、出氣口、第一溫度傳感器、以及壓力傳感器，其中進(jìn)氣口和出氣口偏離光軸位于外殼結(jié)構(gòu)上，第一溫度傳感器適于測(cè)量流入氣流通道中的氣體的溫度，且壓力傳感器適于測(cè)量氣流槽中內(nèi)點(diǎn)處的氣體壓力。在特定方面中，可拆卸氣槽包括進(jìn)氣管或可與進(jìn)氣管耦合，該進(jìn)氣管使得大氣與進(jìn)氣端口耦合。有利地該進(jìn)氣管具有的長度可小于2.0米，更有利地該長度可小于約1.0 米。參照本說明書的其余部分，包括附圖和權(quán)利要求書，將實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)。以下參照附圖描述本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)以及本發(fā)明各個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)和操作。 在附圖中，相同的附圖標(biāo)記表示相同或功能相似的元件。附圖簡述

圖1示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的包括可拆卸樣品氣流槽的氣體分析器。圖2示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的在樣品槽進(jìn)氣端口和出氣端口中使用的熱電偶設(shè)計(jì)。圖3是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的壓力測(cè)量方案的示圖。圖4示出針對(duì)非隔熱(上)氣流槽和隔熱(下)氣流槽的氣流槽內(nèi)導(dǎo)熱性。圖5示出包括其中去除了槽插件(cell insert)的樣品槽的一個(gè)實(shí)施例。圖6示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的氣流槽的溫度和壓力測(cè)量方案。具體描述本發(fā)明提供用于測(cè)量諸如二氧化碳和水蒸氣的氣體的密度的系統(tǒng)和方法。這些系統(tǒng)和方法在湍動(dòng)空氣結(jié)構(gòu)中尤其有用。例如，在特定實(shí)施例中，這些系統(tǒng)和方法有利地采樣，并且高速且高帶寬地測(cè)量氣體含量、溫度和壓力，并且允許計(jì)算氣體成分的干摩爾分?jǐn)?shù)。操作縱覽根據(jù)各個(gè)實(shí)施例的氣體分析器一般包括光源、樣品槽和檢測(cè)器。在特定方面中樣品槽是可拆卸的，以便于在安裝地點(diǎn)清洗和修理。本文中所揭示的氣體分析器可被用來測(cè)量在不同波長帶具有高吸收率的一種或多種氣體的含量。例如，在一應(yīng)用中，氣體分析器可被用來測(cè)量樣氣(通常為空氣)中CO2和水蒸氣(H2O)的含量。一般而言，氣體分析器使用無彌散紅外線(NDIR)吸收來基于透過樣品槽和參比槽的紅外輻射的吸收之間的差異測(cè)量、或?qū)φ战?jīng)校準(zhǔn)的參比信號(hào)來測(cè)量樣品槽中氣體的含量。有利地，氣體分析器不需要長的進(jìn)氣管，并且能夠進(jìn)行實(shí)現(xiàn)氣體成分的干摩爾分?jǐn)?shù)計(jì)算等的高速測(cè)量。在操作中，光源發(fā)射具有一波長頻譜的光透過樣品槽和參比槽。樣品槽中存在的氣體吸收不同波長帶上的光。例如，CO2在4. 255 μ m具有高吸收率，而水蒸氣在2. 595 μ m 具有高吸收率。樣品槽中存在的光由對(duì)這些氣體(例如CO2和H2O)吸收的波長帶敏感的檢測(cè)器檢測(cè)，或者可使用兩個(gè)檢測(cè)器，每個(gè)檢測(cè)器對(duì)氣體之一所吸收的波長帶敏感。通過計(jì)算樣品槽與參比槽或參比信號(hào)中吸收之間的差異，能確定樣品槽內(nèi)氣體的含量。例如，當(dāng)參比槽包含非吸收體氣體時(shí)，將樣品槽中檢測(cè)到的信號(hào)與參比槽中檢測(cè)到的信號(hào)作比較以提供對(duì)樣品槽中氣體含量的絕對(duì)測(cè)量。通過引用全部結(jié)合于此的美國專利6，317，212和 6，369，387揭示了開路和閉路氣體分析器的各個(gè)特征，包括濾光片配置和技術(shù)。如上所述，氣體分析器的污染可導(dǎo)致濃度測(cè)量不準(zhǔn)確。污染可在樣品槽中發(fā)生，并且可在氣體分析器的容納光源和檢測(cè)器的部分中發(fā)生。此外，不準(zhǔn)確的含量測(cè)量可因氣體溫度的波動(dòng)導(dǎo)致。以下各個(gè)實(shí)施例提供對(duì)這些問題的解決方案。應(yīng)當(dāng)注意，這些實(shí)施例的任一個(gè)可單獨(dú)使用，或者彼此組合使用?？刹鹦稓饬鞑鄹鶕?jù)各個(gè)實(shí)施例，氣體分析器包括實(shí)現(xiàn)樣品氣流槽的簡單無工具去除以便于諸如光源和檢測(cè)器光學(xué)窗口的光學(xué)組件的現(xiàn)場清洗的封裝方案。這種封裝方案還有利地允許維護(hù)干燥劑和洗滌路徑(參見例如先前通過引用結(jié)合的美國專利6，317，212)，并且有利地允許光源與檢測(cè)器之間的可重復(fù)設(shè)定的距離。圖1示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的包括可拆卸樣品氣流槽20的氣體分析器10。樣品槽 20包括具有進(jìn)氣端口 25和出氣端口 30的外殼結(jié)構(gòu)。圓柱部分40限定在兩端具有兩個(gè)開口的氣流路徑。圓柱部分可以是槽20的外殼結(jié)構(gòu)的一部分，或者它本身可與外殼結(jié)構(gòu)分離。在操作中，氣體進(jìn)入進(jìn)氣端口 25，流過由圓柱部分40限定的氣流路徑，并從出氣端口 30排出。在一個(gè)實(shí)施例中，壓力傳感器35(在外部示出)被定位成測(cè)量氣流路徑內(nèi)部的內(nèi)點(diǎn)處的壓力。可拆卸樣品槽20被配置成與氣體分析器10的結(jié)構(gòu)22耦合。結(jié)構(gòu)22包括容納光源或輻射源以及相關(guān)聯(lián)的電組件和光組件的光源部分60。結(jié)構(gòu)22還包括容納一個(gè)或多個(gè)檢測(cè)器以及相關(guān)聯(lián)的光組件和電組件的檢測(cè)器部分50。在一實(shí)施例中，如圖1所示，第一光學(xué)窗口 70設(shè)置在光源部分60附近。在一實(shí)施例中，第二光學(xué)窗口(未示出)設(shè)置在檢測(cè)器部分50附近。在典型操作中，從光源部分60發(fā)出的光(通常為頂光)沿著由第一和第二光學(xué)窗口限定的光學(xué)路徑行進(jìn)至檢測(cè)器部分50。在一個(gè)實(shí)施例中，0形圈設(shè)置在第一和第二光學(xué)窗口附近以在處于耦合狀態(tài)時(shí)在樣品槽20和外殼22之間提供更為穩(wěn)固的密封。當(dāng)處于耦合狀態(tài)時(shí)，由圓柱部分40限定的氣流路徑與由第一和第二光學(xué)窗口限定的光學(xué)路徑基本上對(duì)齊。應(yīng)當(dāng)理解，光學(xué)路徑和氣流路徑并不需要對(duì)齊，并且僅氣流路徑的一部分需要與光學(xué)路徑連續(xù)。還應(yīng)當(dāng)理解，盡管圓柱部分40在與外殼22解耦時(shí)包括末端開口的氣流路徑，但在該流路徑的任一端，作為結(jié)構(gòu)22的第一和第二光學(xué)窗口的替代或附加，光學(xué)窗口可與樣品槽20耦合或位于該樣品槽20之上。在一實(shí)施例中，為了使樣品槽20與氣體分析器外殼結(jié)構(gòu)耦合和解耦，設(shè)置一個(gè)或多個(gè)(圖中示為兩個(gè))指旋螺絲來增大或減小檢測(cè)器部分50相對(duì)于柱23的距離。在處于耦合狀態(tài)時(shí)，用戶僅需觸發(fā)指旋螺絲，將檢測(cè)器部分50與柱23分離開足夠距離，并去除樣品槽20。同樣，為了耦合樣品槽20和氣體分析器，用戶將使檢測(cè)器部分50延伸足夠距離， 與柱23相鄰地插入槽20，以及觸發(fā)指旋螺絲以使檢測(cè)器部分50和柱23重新嚙合，并且同時(shí)使樣品槽20嚙合在檢測(cè)器部分50和光源部分60之間。光學(xué)窗口和0形圈有助于確保樣品槽20中氣流路徑的空氣密封。替代的耦合機(jī)制可包括卡銷(諸如相機(jī)中使用的)、夾具、夾子、或其它緊固機(jī)制。有利地，圖1所示的設(shè)計(jì)使得樣品槽20和相關(guān)聯(lián)組件能簡便去除。機(jī)械封裝方案使得樣品槽能簡便、無工具地去除，以清洗光源和檢測(cè)器光學(xué)窗口。這允許使用氣體分析器 (例如頂氣體分析器或IRGA)而無需從樣氣中濾除塵埃(這降低了對(duì)氣流的功率要求)。 為了保持空氣密封并允許去除樣品槽，檢測(cè)器外殼50如圖1所示地延展超出組件的其余部分。提供從檢測(cè)器外殼50、通過環(huán)柱部分23、至光源外殼60的氣密路徑以及必要的電組件， 以使得(X)2和H2O與空氣隔離。應(yīng)當(dāng)理解，氣體分析器可被配置成使得附連機(jī)制允許光源部分60延展超出柱23，以此作為檢測(cè)器部分50延展超出柱23的附加或替代。溫度和壓力測(cè)量知曉樣氣溫度對(duì)各種測(cè)量是重要的，諸如用于根據(jù)密度值計(jì)算摩爾分?jǐn)?shù)。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，以不會(huì)阻擋氣流路徑中任一光信號(hào)(例如IRGA信號(hào))的方式，測(cè)量樣品槽20的進(jìn)氣端口 25和出氣端口 30處的溫度。槽中的體積平均溫度可根據(jù)入口和出口溫度之間的關(guān)系、以及樣氣的流速來計(jì)算。在特定方面，例如類函數(shù)為TIKeA = f(TAP, Tap, Tpfia, U)， 其中U是通過槽的平均速度。在特定方面，可使用附加溫度傳感器來測(cè)量圓柱體40的塊溫度，和/或測(cè)量氣流路徑中不同點(diǎn)處的氣溫。在一實(shí)施例中，使用用后即棄熱電偶(例如E型熱電偶)測(cè)量入口和出口溫度。例如，在特定方面中，熱電偶是跨帶有便于樣氣流動(dòng)的通孔的印刷電路板的緊弦狀熱電偶。圖 2示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的在樣品槽進(jìn)氣端口和出氣端口中使用的熱電偶設(shè)計(jì)。印刷電路板 80包括串有熱電偶?jí)簵l85的孔。在特定方面中，印刷電路板包括在結(jié)構(gòu)20中或安裝在結(jié)構(gòu)20上，以使該孔與進(jìn)氣/出氣端口 25/30的氣流路徑連續(xù)。0形圈90提供空氣密封氣路。此設(shè)計(jì)允許熱電偶被容易地替換，以及確保溫度測(cè)量在氣流的中心軸中進(jìn)行。一般而言，獲取具有相同頻率響應(yīng)的準(zhǔn)確測(cè)量是合乎需要的。例如，需要使熱電偶的頻率響應(yīng)與體積頻率響應(yīng)(例如氣流槽的物理響應(yīng))相匹配。例如，0.002"的熱電偶有利地對(duì)15升/分鐘(LPM)的氣流提供頻率響應(yīng)，其基本上與因IRGA內(nèi)的體積平均引起的信號(hào)衰減相同。在一個(gè)實(shí)施例中，這些測(cè)量彼此同步以解決輕微的時(shí)序變化和頻率變化。例如，氣體含量(例如CO2和H2O)、溫度和壓力的測(cè)量有利地在約0. 2秒內(nèi)進(jìn)行，在特定實(shí)施例中更有利地彼此在約0.1秒內(nèi)進(jìn)行。如以下更多地描述的，這將實(shí)現(xiàn)干摩爾分?jǐn)?shù)的計(jì)算。這些信號(hào)可實(shí)時(shí)對(duì)齊以解決時(shí)間變化/延遲，如以下更多地描述的。在特定實(shí)施例中，使用單個(gè)溫度傳感器。例如，單個(gè)溫度傳感器可位于進(jìn)氣端口附近、出氣端口附近、或者氣流槽的內(nèi)部附近?？蛇M(jìn)行溫度測(cè)量，并可使用單個(gè)溫度傳感器信號(hào)和諸如流速、氣流槽體積等的已知參數(shù)計(jì)算體積溫度。然而，可以理解，如上所述使用兩個(gè)(或多個(gè))溫度傳感器將提供氣流槽中氣體的更為穩(wěn)健和準(zhǔn)確的溫度。同樣重要的是知曉氣流槽中的壓力以便于根據(jù)密度值計(jì)算摩爾分?jǐn)?shù)。圖3是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的壓力測(cè)量方案的示圖。在一個(gè)實(shí)施例中，例如傳感器35的壓力傳感器包括差動(dòng)壓力傳感器。為便于使傳感器頭保持盡可能的緊湊，在一個(gè)實(shí)施例中，絕對(duì)/差動(dòng)壓力換能器的耦合組被用來獲取來自樣品槽的高頻壓力數(shù)據(jù)(因?yàn)闇y(cè)量絕對(duì)傳感器的壓力傳感器可能體積相當(dāng)大)。氣流槽內(nèi)部氣體的壓力可通過使差分壓力和平均壓力相加來確定。 在一實(shí)施例中，壓力傳感器是高速壓力傳感器。有用的壓力傳感器包括壓阻硅差分壓力換能器(例如MPX2010DP，F(xiàn)reescale Semiconductor Inc.(摩托羅拉))和壓阻硅絕對(duì)壓力換能器(例如MPX4115A，F(xiàn)reescale Semiconductor Inc.(摩托羅拉))可使用本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的其它壓力傳感器。
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根據(jù)一實(shí)施例，樣品氣流槽包括由低導(dǎo)熱性材料制成的隔離套管、和/或氣袋或真空袋。有用的材料包括低0)2吸收塑料(例如可極為有用的特氟綸PTFE (聚四氟乙烯)， 因?yàn)樗械乃芰衔找欢ǖ腃O2和水蒸氣，但特氟綸的吸收異常低)和其它適當(dāng)?shù)牟牧?。可使用雙壁真空金屬套管或其它設(shè)計(jì)。這種套管通過使氣流與空氣分析器的散熱(例如由氣體分析器的電子器件進(jìn)行的散熱)解耦，來有利地使進(jìn)口和出口熱電偶之間的溫度變化最小化(以使準(zhǔn)確率最大化)。一般而言，溫度變化越大，體積平均溫度作為兩個(gè)測(cè)得溫度的函數(shù)對(duì)其的依賴性越高。因而，熱隔離套管在使用時(shí)應(yīng)當(dāng)使氣流槽的至少一部分與該系統(tǒng)的其它組件隔離。圖4示出針對(duì)非隔熱(上)氣流槽和隔熱(下)氣流槽的氣流槽內(nèi)導(dǎo)熱性的示例。上圖是典型的金屬樣品槽，而下圖示出隔離槽，其中唯一的熱通量從兩端的窗口進(jìn)入。如可見到的，熱通量大大減少，且溫度測(cè)量中的誤差也大大減小。在兩個(gè)情形中，通過實(shí)際溫度減去入口和出口溫度的未加權(quán)平均來計(jì)算誤差。圖5示出包括其中去除了槽插件95 (限定氣流路徑)的樣品槽的一個(gè)實(shí)施例。如可見的，還示出了進(jìn)氣端口和出氣端口兩者附近的熱電偶板80的定位和密封方案。摩爾分?jǐn)?shù)測(cè)量為了確定和輸出摩爾分?jǐn)?shù)，計(jì)算應(yīng)當(dāng)實(shí)時(shí)地執(zhí)行。為此，數(shù)字電子器件接收各種信號(hào)并實(shí)時(shí)地執(zhí)行計(jì)算。從空間分離的傳感器獲取高速溫度和壓力信號(hào)。同樣，每個(gè)傳感器通常具有其自己的特征頻率響應(yīng)(有時(shí)取決于流速)。根據(jù)一實(shí)施例，對(duì)齊傳感器的時(shí)序 (例如去除延遲)，并且在必要時(shí)考慮頻率響應(yīng)以計(jì)算樣品槽中的摩爾分?jǐn)?shù)(例如，無需直接測(cè)量該位置處的溫度)。如圖6所示，根據(jù)一實(shí)施例，在點(diǎn)‘A’測(cè)量入口溫度，在點(diǎn)‘B’測(cè)量壓力，在點(diǎn)‘C測(cè)量出口溫度，并且氣體含量是虛線框內(nèi)的體積平均測(cè)量。在特定方面中， 信號(hào)對(duì)齊在接收到信號(hào)時(shí)實(shí)時(shí)地進(jìn)行(例如由適于處理這種信號(hào)的智能模塊進(jìn)行)。然而， 應(yīng)當(dāng)理解，可在后來執(zhí)行信號(hào)處理。例如，在進(jìn)行了測(cè)量之后，可存儲(chǔ)信號(hào)或表示信號(hào)的數(shù)據(jù)，并且將其提供給智能模塊以便于后來處理。根據(jù)一實(shí)施例，使用根據(jù)本文中所揭示的各個(gè)實(shí)施例的氣體分析器來確定干摩爾分?jǐn)?shù)。有利地，本文中揭示的氣體分析器能夠在高帶寬下進(jìn)行干摩爾分?jǐn)?shù)測(cè)量。例如，以特定頻率響應(yīng)(例如IOHz)確定CO2或其它氣體成分的干摩爾分?jǐn)?shù)是合乎需要的。為便于提供此輸出，根據(jù)一實(shí)施例進(jìn)行以下步驟。首先，通過例如以約IOHz或更大通氣速率通氣的 IRGA來引入流速。例如，以期望流速發(fā)起環(huán)境空氣進(jìn)入進(jìn)氣口、通過氣流槽、流出出氣口的流動(dòng)。然后，與體積平均溫度相似地，用頻率響應(yīng)在點(diǎn)A和C處測(cè)量溫度(例如，0.002”直徑的‘E’型熱電偶通過IRGA對(duì)15升/分鐘(LPM)的流速提供相似的響應(yīng))。以與其它測(cè)量相似的頻率響應(yīng)，測(cè)量B點(diǎn)處的壓力(例如差動(dòng)壓力)。溫度測(cè)量彼此基本上同時(shí)地、且與壓力測(cè)量基本上同時(shí)地進(jìn)行。A和C處的溫度針對(duì)空間分離來校正(例如Ta(t+延遲) and Tc (t-延遲)，其中延遲是流速和流程/IRGA幾何形狀的函數(shù))?；旧吓c這些測(cè)量同時(shí)地，檢測(cè)器系統(tǒng)確定氣體成分(例如二氧化碳和水蒸氣)的含量。在特定方面中，所有信號(hào)(例如溫度、壓力、吸收率)的帶寬與流過氣流槽體積的流的物理時(shí)間常數(shù)(即流速除以體積)匹配。附錄A示出用于確定干摩爾分?jǐn)?shù)的示例性計(jì)算。一旦被確定，即可返回(例如顯示或存儲(chǔ))干摩爾分?jǐn)?shù)以便于后來使用。應(yīng)當(dāng)理解，在本文中和其它處，在引用包括水蒸氣的摩爾分?jǐn)?shù)(例如CO2摩爾分?jǐn)?shù))時(shí)，通常使用術(shù)語“摩爾分?jǐn)?shù)”；當(dāng)引用去除了水蒸氣的摩爾分?jǐn)?shù)時(shí)，通常使用術(shù)語“干摩爾分?jǐn)?shù)”，并且在特定實(shí)例中可使用術(shù)語“瞬時(shí)摩爾分?jǐn)?shù)”或“瞬時(shí)干摩爾分?jǐn)?shù)”來指高速測(cè)量。應(yīng)當(dāng)理解，可用在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)代碼來實(shí)現(xiàn)包括摩爾分?jǐn)?shù)確定過程的氣體分析過程。代碼包括用于控制處理器來實(shí)現(xiàn)氣體分析過程的各個(gè)方面和步驟的指令。代碼通常存儲(chǔ)在硬盤、RAM、或諸如⑶、DVD等的便攜式介質(zhì)中。同樣，這些過程可在包括智能模塊的氣體分析器中實(shí)現(xiàn)，智能模塊通常具有執(zhí)行存儲(chǔ)在耦合至處理器的存儲(chǔ)器單元中的指令的一個(gè)或多個(gè)處理器。該智能模塊可以是氣體分析器的一部分，或者是與氣體分析器直接或間接耦合的單獨(dú)系統(tǒng)的一部分。包括這種指令的代碼可經(jīng)由至代碼源的網(wǎng)絡(luò)連接或直接連接、或使用眾所周知的便攜式介質(zhì)，下載到氣體分析器存儲(chǔ)器單元。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的各個(gè)過程可使用諸如C，C++, C#, Fortran, VisualBasic等的各種編程語言、以及提供對(duì)數(shù)據(jù)可視化和分析有用的預(yù)先封裝流程、函數(shù)和過程的諸如Mathematica 的應(yīng)用來編碼。后者的另一示例為MATLAB 。盡管通過示例且根據(jù)具體實(shí)施例描述了本發(fā)明，但可以理解，本發(fā)明不限于所公開的各個(gè)實(shí)施例。相反，旨在覆蓋對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的各種變體和類似配置。因此，所附權(quán)利要求的范圍應(yīng)當(dāng)根據(jù)最寬泛的解釋，以便于包括所有這些變體和類似配置。
權(quán)利要求
1.一種氣體分析器，包括a)包括檢測(cè)器的檢測(cè)器部分；b)包括光源的光源部分；以及c)可拆卸地設(shè)置在所述光源部分和所述檢測(cè)器部分之間的可拆卸氣槽，所述可拆卸氣槽包括限定氣流通道的外殼結(jié)構(gòu)，其中來自所述光源的光沿著光路通過所述氣流通道去往所述檢測(cè)器部分；進(jìn)氣端口 ；出氣端口，其中所述進(jìn)氣端口和出氣端口位于外殼結(jié)構(gòu)上；第一溫度傳感器，適于測(cè)量在所述氣流通道中流動(dòng)的氣體的溫度；以及位于氣流通道中外殼結(jié)構(gòu)的內(nèi)點(diǎn)處的壓力傳感器，所述壓力傳感器適于測(cè)量氣流槽中內(nèi)點(diǎn)處的氣體壓力。
2.如權(quán)利要求1所述的氣體分析器，其特征在于，所述可拆卸氣槽進(jìn)一步包括位于所述出氣端口附近的第二溫度傳感器，其中所述第一溫度傳感器位于所述進(jìn)氣端口附近。
3.一種氣體分析器，包括a)包括檢測(cè)器的檢測(cè)器部分；b)包括光源的光源部分；以及c)可拆卸地設(shè)置在所述光源部分和所述檢測(cè)器部分之間的可拆卸氣槽，所述可拆卸氣槽包括限定氣流通道的外殼結(jié)構(gòu)，其中來自所述光源的光沿著光路通過所述氣流通道去往所述檢測(cè)器部分；進(jìn)氣端口 ；出氣端口，其中所述進(jìn)氣端口和出氣端口位于外殼結(jié)構(gòu)上；位于所述進(jìn)氣端口附近的第一溫度傳感器；以及位于所述出氣端口附近的第二溫度傳感器。
4.如權(quán)利要求3所述的氣體分析器，其特征在于，還包括位于氣流通道中外殼結(jié)構(gòu)內(nèi)點(diǎn)處的壓力傳感器，所述壓力傳感器適于測(cè)量氣流槽中內(nèi)點(diǎn)處的氣體壓力。
5.如權(quán)利要求4所述的氣體分析器，其特征在于，還包括與所述第一和第二溫度傳感器、所述壓力傳感器和所述檢測(cè)器耦合的智能模塊，所述智能模塊適于基于檢測(cè)器信號(hào)以及所述壓力傳感器對(duì)氣體壓力與所述第一和第二溫度傳感器對(duì)氣體溫度的基本同步測(cè)量， 來確定流通道內(nèi)氣體成分的干摩爾分?jǐn)?shù)。
6.如權(quán)利要求5所述的氣體分析器，其特征在于，對(duì)氣體壓力的測(cè)量與所述第一和第二溫度傳感器對(duì)氣體溫度的測(cè)量彼此在約0. 2秒或以下內(nèi)進(jìn)行。
7.如權(quán)利要求5所述的氣體分析器，其特征在于，對(duì)氣體壓力的測(cè)量與所述第一和第二溫度傳感器對(duì)氣體溫度的測(cè)量約以1. OHz或更快的速率進(jìn)行。
8.如權(quán)利要求5所述的氣體分析器，其特征在于，所述智能模塊校正因從所述第一和第二溫度傳感器接收的溫度信號(hào)中的空間分離產(chǎn)生的延遲，其中所述延遲是氣流通道中氣體流速的函數(shù)。
9.如權(quán)利要求5所述的氣體分析器，其特征在于，所述氣體成分包括CO2和H2O,且其中氣體為空氣。
10.如權(quán)利要求4所述的氣體分析器，其特征在于，所述壓力傳感器是高速壓力傳感器。
11.如權(quán)利要求3所述的氣體分析器，其特征在于，所述可拆卸氣槽進(jìn)一步包括熱隔離套管，所述熱隔離套管適于至少使限定所述氣流通道的外殼結(jié)構(gòu)與所述氣體分析器的組件熱隔離。
12.如權(quán)利要求1所述的氣體分析器，其特征在于，所述壓力傳感器是高速壓力傳感器。
13.—種測(cè)量氣體分析器的氣流槽中氣體成分的干摩爾分?jǐn)?shù)的方法，所述方法包括 使氣體流過所述氣流槽；測(cè)量所述氣流槽中氣體成分對(duì)光的吸收率； 基本同步地測(cè)量氣體在所述氣流槽的輸入端口處的溫度Tl ； 基本同步地測(cè)量氣體在所述氣流槽的輸出端口處的溫度T2 ； 基本同步地測(cè)量氣體在所述氣流槽的內(nèi)點(diǎn)處的壓力P ；以及基于所測(cè)得的吸收率、P、Tl和T2確定氣體成分的干摩爾分?jǐn)?shù)。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，確定吸收率包括將檢測(cè)器信號(hào)與參比信號(hào)作比較。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，測(cè)量吸收率包括 透過所述氣流槽發(fā)射具有已知波長帶的光；在檢測(cè)器處接收所發(fā)射的光；以及確定所述氣體成分對(duì)所發(fā)射光的吸收率。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，發(fā)射包括通過窄通帶濾波器發(fā)射具有寬或窄波長帶的光，其中所述窄通帶濾波器允許所述已知波長帶中的大部分光通過。
17.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，對(duì)Tl、T2和P的測(cè)量彼此在約0.2秒或更少的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行。
18.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，對(duì)Tl、T2和P的測(cè)量以約1.OHz或更快的速率進(jìn)行。
19.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述氣體成分包括CO2和H2O,且其中氣體為空氣。
20.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，確定所述干摩爾分?jǐn)?shù)包括校正因從所述進(jìn)氣端口和出氣端口接收的溫度信號(hào)中的空間分離產(chǎn)生的延遲，其中所述延遲是所述氣流槽中氣體流速的函數(shù)。
21.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所測(cè)得的壓力P是平均壓力或差動(dòng)壓力之器。
22.一種測(cè)量氣體成分的干摩爾分?jǐn)?shù)的氣體分析系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 氣流槽，其中氣體從進(jìn)氣端口流向出氣端口 ；光源，配置成透過所述氣流槽發(fā)射光；檢測(cè)器子系統(tǒng)，配置成輸出表示所述氣流槽中的氣體成分對(duì)光的吸收率的吸收率信號(hào)；位于所述氣流槽的進(jìn)氣端口附近的第一溫度傳感器； 位于所述氣流槽的出氣端口附近的第二溫度傳感器； 壓力傳感器，適于測(cè)量所述氣流槽的內(nèi)點(diǎn)處的壓力；以及與所述第一和第二溫度傳感器、壓力傳感器和檢測(cè)器子系統(tǒng)耦合的智能模塊，所述智能模塊適于基于吸收率信號(hào)以及壓力傳感器對(duì)氣體壓力和溫度傳感器對(duì)氣體溫度的基本同步測(cè)量，來確定氣體成分的干摩爾分?jǐn)?shù)。
23.如權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其特征在于，對(duì)氣體壓力的測(cè)量與所述第一和第二溫度傳感器對(duì)氣體溫度的測(cè)量彼此在約0. 2秒或以下內(nèi)進(jìn)行。
24.如權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其特征在于，對(duì)氣體壓力的測(cè)量與所述第一和第二溫度傳感器對(duì)氣體溫度的測(cè)量約以1. OHz或更快的速率進(jìn)行。
25.如權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述氣體成分包括CO2和H2O,且其中氣體為空氣。
26.如權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述氣流槽可拆卸地附連至所述光源與檢測(cè)器子系統(tǒng)之間的結(jié)構(gòu)。
27.如權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述智能模塊進(jìn)一步適于校正因從所述第一和第二溫度傳感器接收的溫度信號(hào)中的空間分離產(chǎn)生的延遲，其中所述延遲是所述氣流槽中氣體流速的函數(shù)。
28.如權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其特征在于，進(jìn)一步包括熱隔離套管，所述熱隔離套管配置成至少使所述氣流槽的一部分與所述系統(tǒng)的其它組件隔離。
29.如權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其特征在于，第一和第二溫度傳感器各自包括位于由相應(yīng)端口所限定的氣流路徑的中心點(diǎn)處的熱電偶。
30.一種適于放置在氣體分析器系統(tǒng)的光源部分與檢測(cè)器部分之間的可拆卸氣槽，所述可拆卸氣槽包括限定氣流通道的外殼結(jié)構(gòu)； 所述氣流通道一端處的第一開口；所述氣流通道的另一端處的第二開口，其中所述第一和第二開口限定光從光源通過氣槽去往檢測(cè)器部分的光路；以及進(jìn)氣端口 ；出氣端口，其中所述進(jìn)氣端口和出氣端口偏離光軸位于外殼結(jié)構(gòu)上； 位于所述進(jìn)氣端口附近的第一溫度傳感器；以及位于所述出氣端口附近的第二溫度傳感器。
31.如權(quán)利要求30所述的可拆卸氣槽，其特征在于，還包括位于氣流通道中外殼結(jié)構(gòu)內(nèi)點(diǎn)處的壓力傳感器，所述壓力傳感器適于測(cè)量氣流槽中內(nèi)點(diǎn)處的氣體壓力。
32.如權(quán)利要求30所述的可拆卸氣槽，其特征在于，第一和第二溫度傳感器的至少之一包括位于由相應(yīng)端口所限定的氣流路徑的中心點(diǎn)處的熱電偶。
33.一種適于放置在氣體分析器系統(tǒng)的光源部分與檢測(cè)器部分之間的可拆卸氣槽，所述可拆卸氣槽包括限定氣流通道的外殼結(jié)構(gòu)； 所述氣流通道一端處的第一開口；所述氣流通道的另一端處的第二開口，其中所述第一和第二開口限定光從光源通過氣槽去往檢測(cè)器部分的光路；進(jìn)氣端口 ；出氣端口，其中所述進(jìn)氣端口和出氣端口偏離光軸位于外殼結(jié)構(gòu)上；第一溫度傳感器，適于測(cè)量在所述氣流通道中流動(dòng)的氣體的溫度；以及壓力傳感器，適于測(cè)量所述氣流槽中的內(nèi)點(diǎn)處的氣體壓力。
34.如權(quán)利要求33所述的可拆卸氣槽，其特征在于，進(jìn)一步包括位于出氣口附近的第二溫度傳感器，其中第一溫度傳感器位于進(jìn)氣口附近。
35.如權(quán)利要求34所述的可拆卸氣槽，其特征在于，第一和第二溫度傳感器的至少之一包括位于由相應(yīng)端口所限定的氣流路徑的中心點(diǎn)處的熱電偶。
36.如權(quán)利要求33所述的可拆卸氣槽，其特征在于，還包括將所述大氣與所述進(jìn)氣端口耦合的進(jìn)氣管，所述進(jìn)氣管的長度小于約1.0米。
37.如權(quán)利要求30所述的可拆卸氣槽，其特征在于，還包括將所述大氣與所述進(jìn)氣端口耦合的進(jìn)氣管，所述進(jìn)氣管的長度小于約1.0米。
38.如權(quán)利要求1所述的氣體分析器，其特征在于，還包括將所述大氣與所述進(jìn)氣端口耦合的進(jìn)氣管，所述進(jìn)氣管的長度小于約1.0米。
39.如權(quán)利要求1所述的氣體分析器，其特征在于，進(jìn)一步包括在檢測(cè)器部分附近的第一光學(xué)窗口以及在光源部分附近的第二光學(xué)窗口，其中第一光學(xué)窗口和第二光學(xué)窗口為檢測(cè)器部分和光源部分內(nèi)的組件提供空氣密封。
全文摘要
提供用于測(cè)量氣體含量、尤其測(cè)量氣體成分的干摩爾分?jǐn)?shù)的氣體分析器系統(tǒng)和方法。這些系統(tǒng)和方法允許為多個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用快速測(cè)量氣體密度和/或氣體的干摩爾分?jǐn)?shù)，包括高速通量測(cè)量。新穎的耦合設(shè)計(jì)允許對(duì)包封氣流路徑的槽的無工具去除，以實(shí)現(xiàn)光組件的現(xiàn)場清洗。
文檔編號(hào)G01N21/25GK102272577SQ200880132651
公開日2011年12月7日 申請(qǐng)日期2008年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月6日
發(fā)明者D·K·麥克德米特, G·G·伯巴, J·M·威爾斯, M·D·費(fèi)托, R·D·艾科爾斯 申請(qǐng)人:利康股份有限公司