[发明专利]用于开路式气体检测器的发射单元

说明书

技术领域

本发明涉及用于检测气体的红外检测器，所述气体也包括水蒸气。本发明尤其涉及用于检测气体的开路式气体检测器，其包括沿被监视空间中的路径发射射线束的发射单元和检测通过该空间的射线的检测单元。术语“开路式气体检测器(open path gas detector)”覆盖不考虑路径长度以及不考虑是否路径对于大气状态是开放的和/或是封闭的所有检测器。 

背景技术

利用无色散红外光谱仪检测碳氢气体是公知的技术。其主要是沿被监视区域中的路径发射红外射线；选择红外射线的波长使得可被所关注气体(下称“目标气体”)吸收而基本上不被所监视区域的大气中的其它气体吸收。如果是户外监视，所选波长优选不被液态或气态水(如湿气，凝结水，雾，雨或喷雾)吸收。测量沿所监视区域中的路径通过的射线的强度，并通过射线强度的衰减来给出所监视区域中目标气体量的度量。 

然而，除了被目标气体吸收外，其它因素也会使红外射线衰减，包括检测射线束的衰退，大气的散射，表面的污染物如灰尘或凝聚物，组件的老化。通过使用一种参照可使红外气体检测器的可靠性显著地提高，这种参照通常是具有不同波长的红外射线，该波长优选为目标气体对其没有显著的吸收。射线可使用一个以上的参考波长，同样可使用一个以上的取样波长。由于理论上对于参考波长的信号和取样波长的信号会受到相同程度的射线衰减的影响(除了目标气体之外)，因此，在目标气体所吸收的波长(“取样”波长)上所获取的信号与在目标气体不吸收的波长 (“参考”波长)上所获取的信号的比率被用来补偿由于环境状态所引起的衰减。 

已知监视大气中的有毒气体是使用点式气体检测器，其可以是电化学的或光学的(在本说明书中术语“有毒”气体是指除了氧气和氮气之外的气体和水蒸气，例如硫化氢，氟化氢，氨，二氧化硫，二氧化碳和一氧化碳)。点式气体检测器设备带来了在进行大面积监视时由于在整个区域设置大量检测器而成本过高的问题。此外，如果目标气体的集聚发生在检测器之间，则不能被检测到。开路式气体检测器具有超过1米的路径长度，典型地至少10m，因此能以单个设备监视较大的区域。 

开路式气体检测器由于可利用价格实惠的可调二极管激光器而变得更加有吸引力，可调二极管激光器能调节到非常窄的波长以检测目标有毒气体的特殊吸收波长。然而，需要检测的有毒气体的浓度较低，典型为5ppm(百万分之一)以及更低，如1ppm。在如此低的浓度，检测器中的噪声可能大于目标气体的信号，使得难以检测如此低浓度的有毒目标气体。另外，信号可能随着电子的漂移或光学元件超时，温度的变化和/或大气状态等而变得难以识别。另外，可调激光二极管的相干激光射线可能使射线的强度变化在亮带和暗带之间产生干扰带，其可能远远超过低浓度目标气体所产生的信号。 

因此，迄今为止还没有用于测量低至10ppm浓度目标气体的有毒气体的可靠的低成本开路式气体检测器。 

GB-235391公开了一种利用可调激光二极管作为射线源定向射线束通过测量路径至射线检测器以检测路径中的目标气体的开路式气体检测器。激光二极管以非常窄的线宽发射射线，其比目标气体的吸收峰值窄。在该已知系统中，所扫描的激光二极管的波长包含具有频率f的目标气体吸收频带，目标气体的吸收频带为图1中的B线所示。在 扫描过程中，所发射的激光射线的强度也随频率f变化，强度随波长的变化如图1中的曲线A所示。所发射的射线被检测器检测，该检测器产生与入射到其上的射线强度成比例的信号。未示出的强度随时间变化的曲线是正弦曲线。如果大气没有包含目标气体，射线的强度的变化为图1的曲线A并且检测器读出的频率信号与扫描频率f相同。然而，如果有目标气体在大气中，其将吸收射线，因此会使到达检测器的射线衰减。所检测到的射线强度的结果曲线是曲线A和B的组合，如图2所示的。从中可见，强度随时间变化的曲线具有另外的频率分量2f。 

2f分量的振幅越大，在所测量路径中的目标气体的量越大。信号的2f分量(以及高的谐波分量)可使用相位灵敏测量放大器(锁定放大器)确定。目标气体对1f分量的影响比对2f分量的影响相对小。因此，2f分量与1f分量的比例可以确定所测路径中目标气体的量。1f和2f分量以相同的方式受到多个衰减条件如测量路径的长度、检测射线束的衰弱、大气散射等的影响。因此，2f∶1f比值可提供所测路径中的目标气体的量的度量。 

这种基础技术的许多细节也是公知的，例如激光二极管输出的中央波长在低于f的频率变化。所提供的2f∶1f比值，可进行数学分析以提供对于目标气体浓度的可靠测量。