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测量气体浓度的传感器

编辑:        发布日期:2018-05-11        点击量:850

内容说明

本发明涉及气体传感器,具体涉及通过测量红外光的吸取从而来测量气体的浓度的传感器。

发明背景

为了在长时间段内(通常超过一年)操作依赖电池电源的气体传感器,能量消耗必须较低。减少能量消耗的一种方式是保持传感器在大部分时间处于休眠或关机模式,并定期或不定期地将其打开。

第二模式是循环(或独立)使用的。对于循环测量,最大响应时间将受到循环周期的限制。只要所需的周期/响应时间比单个测量所需的时间长,则循环模式就将要求更少的电力。再者,需要充分短的唤醒时间。

对于这些模式中有效的两个,需要传感器可以在比测量之间的通常时间少得多的时间间隔内“冷启动”,并且在这样短的起动时间之后精确测量将是可用的。本发明的目的是提供一种传感器和使其可能的方法。

简单的NDIR(非扩散性红外线)气体传感器使用单个光源和单个检测器来测量浓度。这些通常不适用于安全应用或需要良好的长期稳定性而无需再校准的应用。

现有的可靠的气体传感器使用不同的方法和配置对误差进行补偿,例如两个光源和一个检测器,或两个检测器和一个光源,或两者(加倍补偿)。在最先进的加倍补偿传感器中,一个源被设置有其中用于气体吸取的“主动(active)”波长带的滤波器,并对另一个源进行滤波处理,使得其发出“参考”波长带。源通常利用1-100Hz的范围内的频率进行调制。参考检测器监控源强度,同时主要检测器通过测量体测量从两个源传输的光并检测光是否被气体吸取。该设定补偿几个误差,诸如测量体中的光损耗以及源强度改变。然而,良好的补偿取决于足够(热)稳定的系统。当源调制频率较低时,或如果安装两个检测器时,使得其看见源表面的不同区域是特别重要的。(热红外源表面是高度不均匀的)。在一些情况下,在测量误差足够低之前,需要几分钟的加温时间。

发明内容

当从第一方面观察时,本发明提供了一种用于测量预定气体的浓度的气体传感器,包括:光源,被配置为发出光脉冲;测量体(measurement volume);检测器,被配置为接收已通过所述测量体的光;以及可适应滤波器,被设置在所述光源与所述检测器之间,并且所述气体传感器具有其中可适应滤波器传递被气体吸取的至少一个波长带(wavelengthband)的测量状态和所述波长带相对于测量状态而衰减的参考状态,其中,所述可适应滤波器被配置为在每个脉冲期间至少一次地将在所述测量状态和所述参考状态中的一个改变成另一个。

本发明适用范围扩及一种无线的电池操作气体检测器单元,包括如上文所阐述的气体传感器。

 

本发明的传感器系统的组件的框图

图为根据本发明的传感器系统的组件的框图

当从第二方面观察时,本发明提供了一种测量预定气体的浓度的方法,该方法包括:经由被设置在光源与检测器之间的可适应滤波器将光脉冲通过测量体传递至检测器,在每个脉冲中至少一次地将所述滤波器切换至其中所述滤波器传递被气体吸取的至少一个波长带的测量状态和与测量状态相比所述波长带衰减的参考状态/在每个脉冲中至少一次从其中所述滤波器传递被气体吸取的至少一个波长带的测量状态和与测量状态相比所述波长带衰减的参考状态切换所述滤波器,所述方法包括分别在所述测量状态和所述参考状态下从由检测器所接收的光的差异来确定气体的所述浓度。

因此,本发明可以使用来自单个光源的单个光脉冲和使用单个检测器进行完全参考的气体浓度测量。这使得低功耗在较短的测量周期内从冷状态和可靠的精确测量中快速启动。因此,其开启了远程的、具有较长电池寿命的电池供电无线传感器单元的可能性,但是在优选实施方式中,其可以具有加倍补偿系统的可靠性和稳定性。

根据本发明,可适应滤波器将来自源的光引导至检测器上。通过改变其状态,来改变其传递的光的波长。优选地,其包括微机电系统(MEMS)。这些被制造以便能够改变所传递的光的波长。可以在小于一毫秒的时间尺度上实行变化,这意味着可以使用短的光脉冲,同时仍然给出了测量时间段和参考时间段,由此限制与测量相关联的功耗。MEMS可包括具有被配置为通过静电电位移动的多个光栅带(grating band)的衍射光学元件。

具体地,MEMS解决方案便于“冷启动”传感器系统并使用单个光脉冲实行完整的测量。因为波长调制可以如此快以使得可以对漂移或低频噪声进行滤波处理,并且因为“主动”和“参考”波长带使用完全相同的光路径来测量,故这可以被完成。漂移、非一致性和气体误差源将同样影响两次测量。

本发明不限于只具有两个状态的可适应滤波器,其还可以具有三个或更多状态。这可提供多个测量状态/参考状态,例如,以允许测量不同预定气体的浓度或补偿特定干扰气体或另一种已知类型的光谱干扰的存在。

因此,在一组实施方式中,可适应滤波器包括多个测量状态和针对每个测量的至少一个参考状态,在所述多个测量状态的每一个中其传递被气体吸取的至少一个波长带,并且在至少一个参考状态下与测量状态相对应的波长带相对于所述测量状态衰减。传感器可以被配置使得在每个脉冲中使用每个测量状态或可以在不同脉冲中使用不同的测量状态,例如,可以在交替的光脉冲中测量不同的气体。

可适应滤波器例如可以包括具有多个位置的一体式结构,或其可以包括多个滤波器元件,每个具有两个或更多状态并配置为给出所希望的整体状态。在任何一种情况下,MEMS是优选的。

如在本文中所使用的如应用于光的术语“脉冲”意味着临时地在光输出上发出或增加。不可推断出特定脉冲形状并且不一定是脉冲的外侧不存在光发射的情况。脉冲的长度可以被定义为时间长度,光在该时间长度内在预定阈值以上。脉冲宽度在某些实施方式中可以在5毫秒与5秒之间,例如,在10毫秒与1000毫秒之间。

如前文所讨论的,脉冲频率可以是不规则的,测量是不定时的或按需的。可选择地,其可以是规则的,例如每次小于10秒、或每次小于每30秒、或每次小于一分钟、或每次小于一小时或每次小于一天。光源可以是诸如白炽灯或加热膜的热源,或诸如二极管的固态源。重要的是该源发出测量波长带和参考波长带的光。可适应滤波器可以在其参考状态和测量状态之间切换,反之亦然,每一脉冲仅此一次。优选地,其在所述测量状态和参考状态之间定期切换,在每个脉冲期间进行多次。在一些实施方式中,其可以每一脉冲多于10次的被切换,例如每一脉冲多于25次或多于50次。其切换的次数可以被控制以给出所希望的精确度水平。

在一组实施方式中,传感器测量在没有输入时(也被称为检测器的“暗电平”)来自检测器的输出随时间改变的速率。这允许进行更精确的气体浓度测量,因为接着可以对这样的改变进行补偿。

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