[其他]一种气体传感器系统

说明书

技术领域

本发明总体涉及用于环境空气监测和工业空气监测的气体传感器，并且更具体地涉及此类能够通过测量归属于目标气体种类的红外光吸收来监测该目标气体种类随时间推移的浓度变化的气体传感器。 

背景技术

对基于光学的高精度微量气体传感器的需要与许多学科有关，包括温室气体监测、污染监测、工业过程监测、工业气体质量监测和台式化学分析系统。来自（例如）填埋地、农业用地和公路的气体种类分散模式的现场测定包括温室气体监测和污染监测的重要方面。就这一点而言，尤其感兴趣的微量气体包括一氧化氮（NO）、一氧化二氮（N₂O）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO₂）、二氧化硫（SO₂）和甲烷（CH₄）。 

气体吸收光谱法是一种用于微量气体种类（比如上面列出的那些）的现场测定的重要技术。此类光谱法测量是通过测量在给定波长穿过一个气体样品的光的百分比而进行的。该技术利用了当穿过气体的光的波长变化时具体气体展示出特有的光吸收响应的事实。从而可以通过这些响应识别气体种类。 

微量气体种类识别通常是通过识别归属于一个气体样品中的种类的一个或多个吸收“谱线”的存在而进行的。吸收谱线是气体吸收或衰减光的光波长（或相应地，频率或波数）的一个窄带。一种给定气体通常在不同的波长（或可替代地，频率或波数）具有多个吸收谱线。一种典型的气体传感器系统可以通过在对应于一个吸收谱线的一个波长处进行两测量来确定气体样品中的一种目标气体的分子浓度s：(1)测量透射通过该目标气体的光强；以及(2)测量当该目标气体不存在时沿着相同的路径透射的光强。这两个测量结果的比值被定义为透射率。 

多个未决的法规将要求在各种发射源处监测温室气体，开始于目前 要求监测其他大气污染物的上千个地点。以高置信度（例如，1000:1的保真度）检测各种温室气体的环境微量级别（预期为百万分之几（ppm）或十亿分之几（ppb）的级别）需要实时实现ppb检出水平的高精度传感器。例如，为了大体测量从地面上的一个源到大气的一种污染物或温室气体的竖直通量，可以将一个气体传感器装置与一个风速设备和其他大气测量仪器（例如，温度计和气压计）一起放置在假定的源上方的一个升高的位置，比如，例如一个牧场上方的塔上。对于一个完全涡流通量，该气体种类的平均竖直通量F可以通过将一种目标气体种类的竖直风速w和分子浓度s的测量结果相组合，根据“漩涡通量”（或“漩涡方差”）等式计算， 

F=ρaws‾≅ρa‾w's'‾]]>   等式1其中，ρa是平均空气密度，w′和s′分别是竖直风速和目标气体浓度的时间导数，并且上划线表示平均值。在上述等式右手侧的近似解决了与风速的和气体浓度的测量同时并且以相同的重复率来测量空气密度的实际实验困难。然而，为了使用这个近似，必须计算出该浓度的时间导数。由于各种目标种类的期望的典型浓度是在百万分之几（ppm）或十亿分之几（ppb）的级别，s′的精确计算需要这些测量结果的精确度至少在几十ppb（或更好）的级别。进一步地，因为竖直风速可以在远小于一秒的时间标尺上改变，必须在相同的时间标尺上可得到同时的精确的气体浓度测量。