包括脉冲光源的气体传感器

技术领域

本发明的技术领域是通过使用黑体或灰体类型的光源来分析气体并测量由光源发射的光波的吸收。更具体地说，本发明涉及光源，尤其涉及驱动该光源的方式。

背景技术

经常使用光学方法来分析气体。传感器允许通过基于构成气体的物质具有彼此不同的光谱吸收特性这一事实，来确定气体的构成。由此，当已知气态物质的吸收光谱带时，则可以使用比尔-朗伯定律，通过估计穿过气体的光的吸收，确定所述气态物质的浓度。该原理允许估计存在于气体中的气态物质的浓度。

根据最常用的方法，被分析的气体在光源与被称为测量光电检测器的光电检测器之间延展，该光电检测器旨在测量由待分析气体传输的光波，光波被该待分析气体部分地吸收。光源通常是发射红外光的源，然后所使用的方法通常用英文术语“NDIR检测”来指代，缩写NDIR表示Non Dispersive Infra-Red。这样的原理已经经常实施，例如在文献US5026992、WO2007064370中说明。

存在气体时的光波与没有气体的光波之间的比较允许表征气体的吸收。这涉及例如根据被称为“基于吸收的NDIR”的技术，确定气体中的气态物质。

通常，光源是脉冲源。测量光电检测器在每个脉冲时传递取决于由气体传输的光波的强度的信号。来自光电检测器的信号因此由幅度取决于气体对光源发射的光波的吸收的脉冲形成。吸收越大，幅度越小。对脉冲幅度的测量允许估计吸收，该吸收与该吸收归因于的气态物质的量相关联。由此，对幅度的测量允许评估期望确定的气态物质的量。由光电检测器传递的信号包括在光源的脉冲之外的最小值和由于光源的脉冲导致的最大值。可以通过最大值与最小值之间的比较或通过对光电检测器传递的信号的光谱分析来测量幅度。

光源的脉冲通常以约为一赫兹的频率来生成。当传感器长期使用时，例如连续数个月，光源经受老化，这导致发射的光波的脉冲的幅度减小。这是某些设备包括用于测量视为没有被气体吸收的光谱带中的每个脉冲的幅度的参照光电检测器的原因。参考光电检测器也可使得没有任何气体在光源与参考光电检测器之间延展。使用参考光电检测器允许如果估计没有被吸收的情况下会到达光电检测器的光波，以考虑到光源的脉冲的幅度逐渐地减小。这例如在WO2018149799或WO2018162848中说明。

本发明人提出完善当前的设备，以延迟光源的老化和/或便利对由光电检测器产生的信号的可能的光谱分析。

发明内容

本发明的第一主题在于一种用于测量存在于气体中的气态物质的量的方法，该气态物质能够吸收在吸收光谱带中的光，该方法包括以下步骤：

a)将气体布置在光源与测量光电检测器之间，光源能够发射穿过气体向测量光电检测器传播的光波；

b)激活光源以对气体照明，以使得光源发射光脉冲；

c)通过测量光电检测器，在包括吸收光谱带的测量光谱带中，测量气体在其被照明期间传输的光波的被称为测量强度的强度；

该方法的特征在于，步骤b)包括将脉冲激活信号供给光源，激活信号包括电脉冲，每个电脉冲在初始时刻与最终时刻之间延伸，并且每个电脉冲包括：

-初始周期，其自初始时刻开始延伸初始时长，在该初始时长期间，激活信号处于初始电平；

-额定周期，其在初始周期之后，在该额定周期期间，激活信号维持在严格小于初始电平的额定电平，额定周期具有比初始时长更长的额定时长。

初始时长可以是2至20ms，优选地是5ms至15ms。额定时长可以是20ms至150ms，优选地是50ms至100ms。

额定周期是接着初始周期的：初始周期的终止对应于额定周期的开始。

根据一个实施例，在初始周期期间，激活信号在初始时长期间维持在初始电平。

根据一个实施例，额定周期延伸到直至最终时刻。

根据一个实施例，额定周期之后接着最终周期，在该最终周期期间，激活信号在最终时长期间，减小到额定电平以下，直至最终时刻。最终时长可以比初始时长更长。最终时长可以比额定时长更短。根据该实施例，额定周期的终止对应于最终周期的开始。

在最终周期期间，激活信号可以逐渐地减小，直至最终时刻，例如根据例如线性或正弦函数的连续函数。

最终时长可以是10ms至100ms，优选地是20ms至50ms。

本发明的第二主题在于一种用于确定气体中的气态物质的量的传感器，该传感器包括：

-光源，其配置为发射向气体传播的光波，该光波位于气态物质的吸收光谱带中；

-测量光电检测器，其能够在不同测量时刻，在测量光谱带中检测由气体传输的光波和测量其被称为测量强度的强度；

-脉冲生成器，其配置为向光源发送激活信号，该激活信号由脉冲形成，每个脉冲包括：

·初始周期，其自初始时刻开始延伸初始时长，在该初始时长期间，激活信号处于初始电平；

·额定周期，其在初始周期之后，在该额定周期期间，激活信号维持在严格小于初始电平的额定电平，额定周期具有比初始时长更长的额定时长。

根据一个实施例，该传感器包括：

-参考光电检测器，其配置为在不同的测量时刻，在参考光谱带中，测量由光源发射的参考光波的被称为参考强度的强度。

根据一个实施例，

-初始时长是2至20ms，优选地是5ms至15ms；

-和/或，额定时长是20ms至150ms，优选地是50ms至100ms。

根据一个实施例，脉冲生成器配置为使得每个脉冲包括最终周期，在该最终周期期间，激活信号在最终时长期间，减小到额定电平以下，直至最终时刻。最终时长可以是10ms至100ms，优选地是20ms至50ms。

由以下对作为非限制性示例提供并在下列附图中示出的本发明的具体实施方式的说明，其它优点和特征将更清楚地显现。

附图说明

图1A示出允许实施本发明的设备的示例。

图1B示意性地示出黑体类型的光源的发射光谱。

图2A示出形成根据现有技术的激活信号的电脉冲。

图2B示出在图2A中用大括号表示的时间范围中的由根据现有技术的电脉冲供给的光源发射的光脉冲的形式。

图2C示出暴露于由根据现有技术的激活信号供给的光源的光电检测器检测的光脉冲形式。

图2D示出暴露于由根据本发明的一个实施例的激活信号供给的光源的光电检测器检测的光脉冲形式。

图3A是形成根据第一实施例的激活信号的电脉冲的示意图。

图3B示出经受如图3A所示的电脉冲的光源生成的光脉冲。

图3C是图3B的一部分的放大图。

图4是形成根据第二实施例的激活信号的电脉冲的示意图。

图5A是示出由分别根据现有技术和根据第二实施例的激活信号激活的光源发射的光波的记录。

图5B是示出由分别根据现有技术和根据第二实施例的激活信号激活的光源发射的光波的记录。

图6A示出来自气体传感器的光电检测器的信号。

图6B是图6A的频率分析。

具体实施方式

图1A是气体分析设备1的示例。该设备包括限定内部空间的外壳5，在该内部空间内存在：

-光源11，其能够发射被称为入射光波的光波12，以照明位于内部空间中的气体G。入射光波12位于照明光谱带Δ

-被称为测量光电检测器的光电检测器20，其配置为检测气体G在其被入射光波12照明的作用下由该气体传输的光波14。用术语测量光波来指代光波14。该光波由测量光电检测器20在测量光谱带Δ

-参考光电检测器20

气体G包括气态物质G

光源11能够在照明光谱带Δ

测量光电检测器20优选地关联到光学滤镜18，其限定包含气态物质的吸收光谱带Δ

在所考虑的示例中，测量光电检测器20是热电池，能够传递取决于所检测的光波的强度的信号。替代地，测量光电检测器可以是光电二极管或其它类型的光电检测器。

参考光电检测器20

根据比尔-朗伯关系式，由测量光电检测器20在测量时刻k检测的光波14的称作测量强度的强度I

其中：

-μ(c

-l是在外壳5中被光波穿过的气体厚度；

-I

形式为比值

所述设备包括连接到存储器32的处理单元30，例如微处理器。处理单元接收分别由测量光电检测器20和参考光电检测器20

在光源11的每个脉冲期间，可由此确定μ(c

表达式(1)假设已知入射光波12在测量时刻k的强度I

如上所述，光源是脉冲式的。测量时刻k是对应于光脉冲的时刻。由此，不同的测量时刻分别对应于不同的光脉冲。

图1B是黑体类型的光源的发射光谱(即遵循普朗克定律)的示意图：

其中：

-L(λ，Temp)是取决于波长λ和黑体的表面温度Temp的亮度；

-h是普朗克常数；

-B是玻尔兹曼常数；

-c是空气中的光速。

光源11的照明光谱S对应于当光源被加热到温度Temp时，作为λ的函数的亮度L(λ，Temp)的变化。通常，该温度为400℃至800℃。

光源11由传递激活信号以激活光源的电脉冲生成器10控制。激活信号V是供给光源11的电信号。该激活信号由电脉冲imp

图2A示出根据现有技术的激活信号V的时间的变化V(t)。该激活信号包括根据恒定时长Δt延伸的电脉冲imp

本发明人用由如图2A所示的规则锯齿脉冲形成的激活信号V供给了如上所述的光源11。本发明人将光电二极管暴露于由该光源生成的光。图2B示出根据由该光电二极管传递的信号V

光源11的激活信号V的电脉冲的时长Δt是260ms。额定电平V

可观察到光源发射的光波的强度的形式为光脉冲imp

-在每个电脉冲imp

-在每个电脉冲结束时，体现为光脉冲imp

由于存在上升时间和下降时间，每个光脉冲imp

可如在图2C中观察到，每个光脉冲在光电检测器(无论是测量光电检测器20还是参考光电检测器20

本发明的目的在于更改激活信号的每个电脉冲的形状，以调节光源发射的每个光脉冲的形状，以避免对模拟滤波器的需求。

根据第一实施例，追求减小每个光脉冲的上升时间t

如前所述，每个测量时刻k优选地选择为对应于每个光脉冲的最大强度I

为了缩短光脉冲的上升时间t

图3A示出一个电脉冲示例，其形状允许缩短光脉冲的上升时间t

在初始周期T

通常，初始时长Δt

初始时长Δt

根据图3A所示的示例，每个电脉冲的时长Δt对应于初始时长Δt

在图3B中，示出了由暴露于丝类型的光源11的光电二极管测量的信号V

要提醒的是，由于光电二极管的可忽略的响应时间，图3B所示的脉冲代表光源响应于激活信号的每个电脉冲发射的光脉冲。

1000mV的值对应于根据现有技术的配置发射的光波的最大强度I

本领域技术人员可测试不同的V

根据可以与第一实施例同时或独立于第一实施例实施的另一实施例，主要追求优化光脉冲在其减小期间的形状。根据该第二实施例，也可追求缩短上升时间t

优选地，最终周期T

根据图4所示的例子，每个电脉冲的时长Δt对应于初始时长Δt

优选地，在最终周期T

根据该实施例，如图2D所示，光脉冲imp

图4所示的电脉冲imp

根据一个变型，脉冲不包括初始周期T

无论是哪一个实施例，激活信号V的每个电脉冲可以具有以下参数：

-初始周期T

-激活信号在初始周期T

-额定周期T

-激活信号在额定周期T

-最终周期T

-激活信号在最终周期T

这些参数可根据所追求的技术效果逐案确定：缩短光脉冲的上升时间t

图5A和5B是示波器屏幕截屏。在这些图中的每幅中，示出了形成已经示出的丝类型的光源的激活信号V的电脉冲imp

图5A示出根据现有技术的配置，激活信号V形成呈锯齿形的电脉冲imp

图6A示出由如图1A所示的气体传感器的测量光电检测器(热电池)20产生的信号。测量光电检测器20已暴露于由光源11生成的光波。光源11已由如图4所述的激活信号激活。在该示例中，脉冲的参数如下：

-初始周期T

-激活信号在初始周期T

-额定周期T

-激活信号在额定周期T

-最终周期T

-激活信号在最终周期T

由测量光电检测器20产生的信号包含三个脉冲，它们对应于光源生成管的三个光脉冲。

由光电检测器产生的信号是在快速傅里叶变换的应用之后的频率分析的对象，以获得对应于不同频率的光谱功率。图6B示出根据频率(x轴)的光谱功率(y轴)。在7Hz附近的频率处获得峰值。

该实施例允许限制源的老化，这是因为它允许缩短额定周期T

使用实施本发明的传感器(第二实施例)和现有技术的传感器，进行了超过一周的测试，在这些测试中，光源根据如图2A所示的规则时间间隔来供电。对于每个传感器，光脉冲的重复率为每秒1个脉冲。对于每个传感器，确定了光源的老化。该老化通过评估每个脉冲的最大强度的减小来确定。观察到源老化从用现有技术的设备的3.3％减小到实施本发明的0.1％。

由此，根据本发明的激活信号V的参数可以：

-如结合图3A至3C所说明的，有利于快速的光波上升时间，以便能够缩短每个光脉冲的时长：这允许减慢源的老化；

-和/或，如结合图4、5A和5B所说明的，有利于光波的正弦形状，以使得由测量光电检测器和可能的参考光电检测器产生的信号能够是光谱分析的对象，而无需使用用于成型信号的滤波器。应当注意，这也可假定缩短光脉冲的上升时间，这也有助于减慢源的老化。

可实施本发明控制配备气体传感器的光源，以用于大气污染检验、食品加工、监视工业方法、监视燃烧气体等的用途。