紅外吸收光譜法已知用于確定單獨(dú)氣體組分的濃度。最為普及的方法是傅里葉變換紅外光譜儀或非色散的紅外光譜儀。隨著緊湊式、功率強(qiáng)大的半導(dǎo)體激光的發(fā)展，基于激光光譜法的氣體分析設(shè)備越來越多地產(chǎn)生。新型激光類型如量子級聯(lián)激光使得在中部紅外范圍中的激光光譜法發(fā)生變革。

所有這些分析方法基于的是，在利用紅外光線照射樣品氣體時特定頻域被吸收。紅外光線在此位于分子鍵的振蕩級的范圍中，其通過吸收激勵振蕩。對此的前提是既有的或在分子中可產(chǎn)生的偶極矩。不同的振蕩狀態(tài)引起了不同光學(xué)頻率的紅外光線的吸收損失。在透射中的光譜因此獲得了單獨(dú)的針對氣體特有的吸收曲線，因此樣品氣體在具體分子的存在性方面被檢測并且確定該分子在樣品氣體中的濃度。

借助量子級聯(lián)激光尤其在檢測在內(nèi)燃機(jī)的廢氣中存在的有害物質(zhì)分子、如笑氣、一氧化氮、二氧化氮、二氧化碳、一樣化碳和氨氣以及確定它們的濃度。

常用的激光光譜系統(tǒng)具有激光作為射線源，其射線通過光學(xué)路徑導(dǎo)入分析室。在該分析室中射線通過合適的鏡片配置被多重反射。同時在分析室中導(dǎo)入樣品氣流，激光的射線穿過樣品氣流并且在那被用于激勵與光學(xué)頻率對應(yīng)的分子。通過這種激勵，各個頻率的能量被吸收。穿過的射線的強(qiáng)度在光譜的這個位置上下降。所述吸收自身不能非常清晰地進(jìn)行，而是由于溫度和壓力改變而變得寬泛。通過這種方式在其光譜中改變的射線離開測量室并且到達(dá)探測器，通過所述探測器評估改變的頻帶并且推斷出特定物質(zhì)的存在以及其濃度。樣品氣流的輸送通常通過后接的真空泵進(jìn)行。

在確定濃度時可以評估或分析光譜中的吸收特性。該特性通常以吸收氣體的譜線方式被示出。但是已經(jīng)顯示的是，在該光譜中的線形狀與壓力和溫度相關(guān)。這些參數(shù)因此必須要么為了評估而保持恒定、要么必須以連續(xù)測量技術(shù)被檢測和計算。因此為了提高測量精度，所述氣體被預(yù)處理以及壓力和溫度盡可能保持恒定。

此外已經(jīng)顯示的是，尤其在測量熱的和濕的氣體時，例如內(nèi)燃機(jī)的廢氣，必須在分析室內(nèi)避免形成液化，因?yàn)槠鋾?dǎo)致測量結(jié)果的明顯錯誤，因此測量溫度常常被提高。此外還顯示的是，利用降低的壓力能夠避免橫向敏感性，因?yàn)槲展庾V在負(fù)壓中非常窄和高，由此各個單獨(dú)組分的光譜不再具有重疊。出于該原因分析室在負(fù)壓下運(yùn)行，其例如約為200hPa的絕對壓力。

相應(yīng)的已知的是，測量氣體的輸送借助真空泵實(shí)施。這在以量子級聯(lián)激光作為射線源的分析室中通常借助膜片泵或葉輪式回轉(zhuǎn)泵進(jìn)行。

但是這些泵的缺點(diǎn)在于，它們會產(chǎn)生沖擊式壓力，其導(dǎo)致在輸送管中的脈動，這又會負(fù)面地影響測量結(jié)果的質(zhì)量，即當(dāng)這些脈動不通過附加的構(gòu)件調(diào)節(jié)時。對此出現(xiàn)的是，膜片泵常常僅能在最大40℃的環(huán)境溫度下運(yùn)行并且在輸送氣體的溫度方面受到限制，或者當(dāng)需要更高的耐熱性時產(chǎn)生更高的成本。葉輪式回轉(zhuǎn)泵具有相對較高的重量，因此很難集成在分析器的殼體中。兩種泵型需要常規(guī)的維護(hù)并且承受較高的磨損。

由于這種原因在DE102006005901中推薦了一種分析器，其中氣體的輸送借助引射泵實(shí)施，其很大程度上無需維護(hù)地工作，因?yàn)椴痪哂锌梢苿拥牟考?。輸送壓力的調(diào)節(jié)通過設(shè)置在輸送管中的調(diào)節(jié)閥進(jìn)行。

但是這種調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)在于很高的推進(jìn)氣體消耗，因?yàn)楸匦鑼乖谳斔凸苤械墓?jié)流閥的阻力地輸送，因此必須始終存在較高的推進(jìn)氣體壓力。

因此所要解決的技術(shù)問題在于，提供借助紅外吸收光譜法確定樣品氣流中至少一種氣體的濃度的裝置和方法，借助它們可以相對已知的實(shí)施形式進(jìn)一步改善測量結(jié)果，方法是將分析室內(nèi)的壓力波動最小化。所述裝置應(yīng)該盡可能簡單地構(gòu)成并且需要很少維護(hù)。同時所需推進(jìn)氣體的消耗以及產(chǎn)生的運(yùn)行成本盡可能保持得較低。

所述技術(shù)問題通過具有獨(dú)立權(quán)利要求1的特征的借助紅外吸收光譜法確定樣品氣流中至少一種氣體的濃度的裝置解決，以及通過按照獨(dú)立權(quán)利要求10的利用這種裝置的方法解決。

通過在連到引射泵(Saugstrahlpumpe，或稱為噴氣引射泵)的推進(jìn)氣體接口的推進(jìn)氣體管中設(shè)置調(diào)節(jié)閥(在推進(jìn)氣體管中的壓力通過該調(diào)節(jié)閥可調(diào)節(jié))，能夠通過在噴嘴處改變推進(jìn)氣體(Treibgas)的推進(jìn)落差調(diào)節(jié)分析室內(nèi)的壓力。在方法方面這意味著，在引射泵的推進(jìn)氣體管中和推進(jìn)噴嘴中的推進(jìn)壓力直接根據(jù)在分析室或輸送管中的輸送壓力被調(diào)節(jié)。由此輸送氣體不必克服阻力地被輸送，由此壓力空氣的消耗被降低，因?yàn)槭冀K僅取用為形成必要的壓力降所需的壓力空氣的數(shù)量。

調(diào)節(jié)閥優(yōu)選設(shè)計為比例閥，其直接根據(jù)在分析室下游的輸送管中的輸送壓力或者在分析室中的壓力調(diào)節(jié)在推進(jìn)氣體管中的推進(jìn)壓力。這意味著，隨著在輸送管中負(fù)壓的降低而在推進(jìn)氣體管中產(chǎn)生更高的推進(jìn)壓力。在該實(shí)施形式中，不需要額外的構(gòu)件或測量儀器。在一次校準(zhǔn)之后在不改變邊界條件的情況下形成靜態(tài)狀態(tài)。附加測量可以被取消，因?yàn)橥ㄟ^比例調(diào)節(jié)可以利用推進(jìn)氣體管中壓力的相應(yīng)改變對輸送管中壓力的改變直接反應(yīng)，其導(dǎo)致了期望地將壓力改變成輸送管中的額定壓力。

當(dāng)比例閥是氣動閥時獲得特別簡單和有利的連接，氣動閥具有控制腔室，其與輸送管流體地相連。相應(yīng)地輸送管中的輸送壓力被導(dǎo)入推進(jìn)氣體管中的比例閥的控制腔室中。通過所述閥的相應(yīng)的設(shè)置，例如可以導(dǎo)致輸送管中絕對壓力的提高，因此調(diào)節(jié)閥將推進(jìn)壓力管進(jìn)一步打開，因此在引射泵處的相應(yīng)的負(fù)壓變大，由此在輸送管中的絕對壓力再次下降，或者負(fù)壓升高。用于測量和調(diào)節(jié)的附加構(gòu)件不再需要。

還有利的是，在分析室下游在輸送管中、或者在分析室中設(shè)置壓力傳感器。這種傳感器要么直接用于調(diào)節(jié)其他類型的調(diào)節(jié)閥、要么用于監(jiān)測或校準(zhǔn)比例閥。這種裝置提高了測量的可靠性和避免錯誤。

在擴(kuò)展的實(shí)施形式中，壓力傳感器與調(diào)節(jié)閥的控制單元相連，所述控制單元根據(jù)壓力傳感器的測量值調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥的形態(tài)。因此輸送管中的輸送壓力被測量并且測量值被輸入設(shè)置在推進(jìn)氣體管中的調(diào)節(jié)閥的控制單元，其中調(diào)節(jié)閥根據(jù)該壓力值被控制。在這種實(shí)施形式中，輸送管中的壓力被調(diào)節(jié)至任意的理論值并且相應(yīng)地根據(jù)所用的樣品氣體調(diào)節(jié)理想的壓力。此外，非常精確的調(diào)節(jié)是可行的，其與所有邊界條件完全無關(guān)。

所述裝置優(yōu)選具有樣品氣體接口和參比或沖洗氣體接口，其可選地在分析室上游與輸送管相連。通過這種實(shí)施形式一個單獨(dú)的引射泵既可以被用于輸送參比氣流、又可以被用于輸送樣品氣流，因此構(gòu)件被節(jié)省。

在本發(fā)明另外有利的技術(shù)方案中，在輸送管中構(gòu)成支路，在支路中設(shè)置換向閥，輸送管通過該換向閥可選地與樣品氣體接口或參比或沖洗氣體接口流體技術(shù)地連接。因此通過單獨(dú)的閥可以在兩個接口之間切換，由此構(gòu)件的數(shù)量在此被減低并且節(jié)省了成本。

此外有利的是，在輸送管中在分析室的上游設(shè)置噴嘴。該噴嘴用于限定最大體積流量。

紅外射線光源優(yōu)選是量子級聯(lián)激光，借助其可以特別精確地測量如二氧化氮或氨氣這樣的物質(zhì)。

因此提供了借助紅外吸收光譜法確定樣品氣流中至少一種氣體的濃度的裝置和方法，借助它們能夠以很高的精度和可重復(fù)性確定氣體的存在性，方法是可靠地避免壓力波動和脈動。所述構(gòu)造是簡單且低維護(hù)的。

借助紅外吸收光譜法確定樣品氣流中至少一種氣體的濃度的裝置在附圖中結(jié)合量子級聯(lián)激光示出，并且以下結(jié)合按照本發(fā)明的方法描述。運(yùn)行成本通過降低推進(jìn)氣體消耗而變小。

圖1以俯視圖示出按照本發(fā)明的用于確定樣品氣流中氣體的濃度的裝置的示意圖。

圖2以放大視圖示出具有引射泵的樣品氣流的原理視圖。

按照本發(fā)明的借助紅外吸收光譜法確定樣品氣流中至少一種氣體的濃度的裝置在該實(shí)施例中設(shè)計為量子級聯(lián)激光吸收光譜儀(Quantenkaskadenabsorptionsspektrometer)。其由殼體10構(gòu)成，在殼體中安置了由半導(dǎo)體層構(gòu)成的量子級聯(lián)激光器12作為紅外射線源，該量子聯(lián)級激光器要么連續(xù)地要么脈沖式工作并且尤其在發(fā)出中間紅外范圍中的射線。量子級聯(lián)激光器12通過電流激勵器14控制并且借助在視圖中未顯示的珀耳帖元件冷卻。

激光器12的射線通過多個鏡片18導(dǎo)入分析室16的空間20中或者備選地通過鏡片18直接導(dǎo)向探測器22，該探測器例如是MCT(碲化汞鎘Quecksilber-Cadmium-Tellurid)探測器，其尤其適用于在中間紅外范圍中的光伏檢測并且在所述MCT探測器中將所出現(xiàn)的光子直接轉(zhuǎn)換成可測量的光電流。在空間20中射線多次地在物鏡或場鏡24上反射并且在此穿過在空間20中輸入的樣品氣體。這在所發(fā)送的光帶的特定頻域中導(dǎo)致射線的吸收，所述吸收表征了特定分子的存在和濃度。在射線多次地在物鏡或場鏡24上反射之后，其又離開分析室16并且重新通過之后的鏡片26輸入探測器22。

由探測器22測得的光學(xué)頻帶由于被吸收的射線而具有空缺，空缺的大小和深度是用于吸收該頻域的氣體的濃度的衡量標(biāo)準(zhǔn)。相應(yīng)的計算以已知方式在計算單元28中通過朗伯比爾定律進(jìn)行。激光12的發(fā)射波長在此這樣調(diào)節(jié)，從而能有選擇性地截取氣體組分的特定的吸收曲線的吸收范圍，由此可以避免相對其他氣體組分的橫向敏感性。

當(dāng)存在氨氣時例如在波長范圍中的空缺約為10μm。

但是需要注意的是，僅當(dāng)射線的行程和樣品氣流中待測量的分子的預(yù)期濃度之間正確地協(xié)調(diào)時才能實(shí)現(xiàn)可靠的測量，因此要么必須利用未稀釋的要么必須利用稀釋的樣品氣流工作。

尤其需要的是將測量條件保持恒定。在此除了恒定的溫度還需要注意的是，在分析室16中的壓力保持恒定并且盡可能在測量過程中不出現(xiàn)壓力波動。

為了確保這種情況，按照本發(fā)明的樣品氣體輸送借助引射泵30進(jìn)行，樣品氣流通過引射泵被吸入空間20中。為此所述裝置具有樣品氣體接口32，所述樣品氣體接口例如與排氣源相連。排氣要么未稀釋地、要么以固定比例利用已知物質(zhì)稀釋地到達(dá)輸送管34。輸送管34通過噴嘴36(借助所述噴嘴設(shè)定例如1l/min的最大可用體積流量)引導(dǎo)至分析室16的進(jìn)口38并且因此導(dǎo)入分析室16的空間20中。樣品氣流又通過出口40離開空間20，所述出口與輸送管34的第二部段相連。這種輸送管34的端部與引射泵30的吸入接口42相連，如圖2所示。

引射泵30除了吸入接口42還具有加壓氣體接口44和出口46。該推進(jìn)氣體接口44通過推進(jìn)氣體管道48與壓力氣體設(shè)備50相連，所述壓力氣體設(shè)備提供具有例如7bar壓力的壓力空氣。備選地顯然也可以使用壓力空氣容器。推進(jìn)氣體以相應(yīng)更高的速度通過推進(jìn)氣體接口44進(jìn)入引射泵30并且經(jīng)過推進(jìn)噴嘴52，推進(jìn)噴嘴為了使得推進(jìn)氣體的速度最大化常常設(shè)計為拉瓦爾噴嘴，因此在推進(jìn)噴嘴52的出口處產(chǎn)更高的動態(tài)壓力。通過這種由推進(jìn)噴嘴52構(gòu)成的出口，在下游的混合腔室54(輸送管道34的吸入接口42也通入所述混合腔室)中在快速的推進(jìn)氣體和樣品氣體之間的邊界層中通過摩擦和擾流形成推進(jìn)氣體向樣品氣體的脈沖傳遞，該樣品氣體相應(yīng)地被推進(jìn)氣體攜帶。在混合腔室54中推進(jìn)氣體膨脹并且與樣品氣體混合，因此射束被減速。高動態(tài)壓力被轉(zhuǎn)換成靜態(tài)壓力。樣品氣流通過推進(jìn)氣流在混合腔室54中加速。在吸入接口處產(chǎn)生負(fù)壓，樣品氣體通過吸入接口被繼續(xù)傳輸。引射泵30在混合腔室54的下游具有擴(kuò)散器56，吸入效果通過所述擴(kuò)散器被加強(qiáng)。由樣品氣流和推進(jìn)介質(zhì)流構(gòu)成的混合物接下來通過引射泵30的出口46流出。這種混合氣體從所述裝置導(dǎo)出。

吸入效果和在吸入接口42處的負(fù)壓的理論值(其在該情況中例如為200hPa)按照本發(fā)明這樣調(diào)節(jié)，即推進(jìn)氣體的速度和進(jìn)而作用在樣品氣流上的推進(jìn)壓力通過推進(jìn)氣體管道48的節(jié)流被調(diào)節(jié)。這借助于設(shè)置在推進(jìn)氣體管道48中的調(diào)節(jié)閥60實(shí)現(xiàn)，所述調(diào)節(jié)閥在該實(shí)施例中設(shè)計為比例閥。該比例閥是電氣動閥，其調(diào)節(jié)一方面取決于電磁鐵的線圈62的通電，另一方面取決于控制室內(nèi)的壓力?？刂剖?4在分析室16的下游與輸送管34相連，因此推進(jìn)氣流的壓力直接取決于輸送管34中的樣品氣流的壓力。若此時在輸送管34中的理論壓力值為200hPa，則通過設(shè)置比例閥60可能的是，其通電這樣選擇，使得在輸送管34中的絕對壓力較小時、比例閥60進(jìn)一步封閉自由的橫截面，使得推進(jìn)壓力變小并且因此在輸送管34中的壓力升高，并且反之亦然。為此調(diào)節(jié)閥60被相應(yīng)地校準(zhǔn)，因此在輸送管34中的期望的壓力的狀態(tài)始終作為靜態(tài)狀態(tài)。

在圖2中以虛線示出備選的實(shí)施形式。在該實(shí)施形式中在輸送管34中設(shè)置壓力傳感器66，其測量輸送管34中的壓力并且其與調(diào)節(jié)閥60的控制單元68電連接，所述調(diào)節(jié)閥在該情況中例如設(shè)計為純粹的電磁閥，因此通電與壓力傳感器66的壓力值相應(yīng)地被調(diào)整。因此例如當(dāng)輸送管34中的絕對壓力過高并且負(fù)壓較低時，則通過控制單元68的相應(yīng)的信號加強(qiáng)通電用于進(jìn)一步打開調(diào)節(jié)閥60的閥橫截面，由此提高推進(jìn)氣流并且因此加強(qiáng)輸送管34中的負(fù)壓。

在兩種實(shí)施形式中，輸送管34中的壓力和分析室16中的壓力通過改變推進(jìn)氣體壓力被調(diào)節(jié)。由此始終僅需要對于期望輸送量所需的推進(jìn)氣體量。相應(yīng)地引射泵30的推進(jìn)氣體管48中的推進(jìn)氣體流和推進(jìn)壓力始終直接根據(jù)樣品氣流或在分析室16或輸送管34中的輸送壓力被調(diào)節(jié)。

除了樣品氣體通過樣品氣體接口32輸送之外，所述裝置具有這種可能性，即通過參比氣體或沖洗氣體接口70吸入沖洗氣體流或參比氣流。為此在分析室16之前的輸送管34中并且在噴嘴35之前構(gòu)成支路72，其中設(shè)置換向閥74，借助所述換向閥可以切斷樣品氣流并且取而代之地形成與參比或沖洗氣體接口70的連接。通過這種接口要么將參比氣體吸入分析室16中用于校準(zhǔn)探測器22、要么將沖洗氣體吸入分析室用于清除之前測量的污染物，因此在沖刷實(shí)施之后操縱換向閥74，用于關(guān)閉沖洗氣體接口70并且以下打開用于樣品氣流的輸送管34。所述沖洗氣體應(yīng)該盡可能不包含在隨后測量中在樣品氣流中應(yīng)該被測量的分子，因此可以避免由于在分析室中的沖洗氣體的殘留導(dǎo)致測量結(jié)果出錯。

這種借助紅外吸收光譜法確定樣品氣流中至少一種氣體的濃度的裝置可以廉價地制造并且可以很大程度上無需維護(hù)地運(yùn)行?？蓪?shí)現(xiàn)的測量結(jié)構(gòu)非常精確并且可復(fù)制，尤其通過可靠地避免壓力沖擊。此外對推進(jìn)氣體的需求降低，因此節(jié)省成本。附加地所述裝置相對冷凝事故不敏感并且可以在超過50℃的環(huán)境溫度的高溫時工作。樣品氣體在此也可以具有200℃的溫度。為了供給電壓可以使用寬帶網(wǎng)絡(luò)器件。因?yàn)檎婵毡貌恍枰妷汗┙o，所以電流需求很小。

應(yīng)該明確的是，本發(fā)明不局限于所述實(shí)施例，而是在獨(dú)立權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)可以進(jìn)行各種修改。