用于通过光学传感器分析气体的方法与流程

1.本发明的技术领域是用于通过实施黑体或灰体类型的光源和测量由光源发射的光波的吸收来分析气体的光学方法。


背景技术：

2.经常将光学方法用于分析气体。通过基于构成气体的物质具有彼此不同的吸收谱特性的事实，传感器允许确定气体组成。由此，在知悉气态物质的吸收光谱带的情况下，可通过估计穿过气体的光的吸收，使用比尔-朗伯定律，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。
3.根据最常用的方法，被分析的气体在光源与称作测量光电检测器的光电检测器之间延伸，该光电检测器旨在测量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线的源，所使用的方法通常称作英文术语“ndir detection”，缩写ndir指non dispersive infra-red。这样的原理经常实施，例如在文献us5026992或wo2007064370中描述。
4.常用方法一般包括测量由源发射的称作参照光波的光波，所述参照光波不被所分析的气体吸收，或以可被忽略的方式被吸收。对参照光波的测量允许估计由源发射的光波的强度，或估计在没有被所分析的气体吸收的情况下将由测量光电检测器测量到的光波。该技术称作术语“double beam”。存在气体的情况下的光波与没有气体情况下的光波之间的比较允许表征气体的吸收。这涉及例如根据称作术语“吸收式ndir”的技术，确定气体中的气态物质的量。
5.参照光波由参照光电检测器测量。这可涉及不同于测量光电检测器且设置为布置为面对光源的参照光电检测器，所述参照光电检测器与参照滤光片关联。参照滤光片限定参照光谱带，在所述参照光谱带中，待分析气体不具有显著的吸收。
6.根据在us2011/0042570中描述的一种方法，使用测量光电检测器和参照光电检测器，两个光电检测器检测相同的光谱带、在此为co2的吸收光谱带中的光波。参照光电检测器布置为比测量光电检测器更接近光源。分别由测量光电检测器和参照光电检测器测量的信号的比较允许消除对由源发射的光波的强度的了解。
7.文献fr3000548描述了co2传感器，其包括在红外线光谱带中的测量路径和在可见光谱带(0.4μm至0.8μm)中的参照路径。参照路径被视为不受被测量的气体中的co2浓度影响。为了考虑到光源发射光谱的演变，该文献描述使用代表光源分别在可见光谱带和红外线光谱带中的老化的函数f。函数f用恒等函数近似：由此，光源在红外线中的老化被视为等于光源在可见光中的老化。
8.本发明人观察到使用参照光波可能具有某些缺陷。本发明人提出允许克服这些缺陷的方法，以改善测量精度。


技术实现要素：

9.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吸收光谱带中的光，该方法包括以下步骤：
10.a)将气体布置在光源与测量光电检测器之间，光源能够发射入射光波，入射光波穿过气体向测量光电检测器传播，电源电流经过光源，以使得光源达到温度值；
11.b)用光源照明气体；
12.c)通过测量光电检测器，测量由气体传输的光波在包括吸收光谱带的测量光谱带中的称作测量强度的强度；
13.d)通过参照光电检测器，测量参照光波的称作参照强度的强度，参照光波由光源在参照光谱带中发射；
14.在多个测量时刻实施步骤b)至d)，所述方法在每个测量时刻包括：
15.e)基于参照光电检测器测量的参照强度，考虑代表入射光波在测量光谱带中的强度相对于入射光波在参照光谱带中的强度的变化的修正函数；
16.f)基于在步骤c)时测量的测量强度、在步骤d)时测量的参照强度和在步骤e)时考虑到的修正函数，估计气态物质的量；
17.所述方法的特征在于，通过比较在不同的温度水平或不同的电源电流水平下的分别由测试光源在测量光谱带中和在参照光谱带中发射的光强度，在校准阶段期间预先建立修正函数，所述测试光源视为代表在每个测量时刻在步骤b)时使用的光源。
18.根据一个实施例，通过使用限定测试光源的根据光源温度和波长的发射强度的理论表达式，实现校准，所述校准是通过分别考虑测量光谱带中的波长和参照光谱带中的波长实现的。校准可包括确定使得光源在参照光谱带中的老化与光源在测量光谱带中的老化关联的老化函数。则基于老化函数，确定修正函数。
19.根据一个实施例，实验地实现校准，并且校准包括：
[0020]-将测试光源布置为面对测试测量光电检测器并面对测试参照光电检测器，测试测量光电检测器和测试参照光电检测器分别代表测量光电检测器和参照光电检测器；
[0021]-通过测试光源照明测试测量光电检测器和测试参照光电检测器，所述测试光源通过不同的电源电流相继达到不同的温度值；
[0022]-在每个温度值下，将由测试测量光电检测器在测量光谱带中检测的光强度与由测试参照光电检测器在参照光谱带中检测的光强度比较，基于在每个温度值下实施的比较来建立修正函数。
[0023]
校准可以包括确定将光源在参照光谱带中的老化与光源在测量光谱带中的老化进行关联的老化函数，所述方法使得基于老化函数来确定修正函数。
[0024]
在每个测量时刻，测试光源可以与在步骤b)中使用的光源重合。
[0025]
所述方法可以使得：
[0026]-步骤e)包括，基于修正函数和由参照光电检测器在步骤d)时测量的强度，估计在没有气体的情况下将由测量光电检测器检测的强度；
[0027]-在步骤f)时，基于由测量光电检测器在步骤c)时测量的强度与在步骤e)时估计的强度之间的比较，确定气态物质的量。
[0028]
所述方法可以使得：
[0029]-步骤e)包括，基于修正函数和由参照光电检测器在步骤d)时测量的强度，确定在没有光源的老化的情况下与将由测量光电检测器检测的强度相对应的修正强度；
[0030]-在步骤f)时，基于源自步骤e)的经修正强度与在光源和测量光电检测器之间没有气体的情况下和没有光源的老化的情况下将由测量光电检测器检测的强度的估计之间的比较，确定气态物质的量。
[0031]
无论实施例如何，步骤e)都可包括基于在测量时刻测量的参照强度，和在初始时刻测量的参照强度，估计光源在参照光谱带中的老化。可基于在测量时刻测量的参照强度与在初始时刻测量的参照强度之间的比较，计算光源在参照光谱带中的老化。该比较可例如具有减法或比值的形式。该比较可以通过在初始时刻测量的参照强度来归一化。
[0032]
无论实施例如何，校准旨在建立老化函数以基于光源在参照光谱带中的老化，估计光源在测量光谱带中的老化。光谱带中的老化对应于在该光谱带中在测量时刻测量的强度与在该光谱带中在初始时刻测量的强度之间的比较。
[0033]
根据一个实施例，光源是黑体或视为黑体。
[0034]
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装置，该装置包括：
[0035]-构造为发射向气体传播的入射光波的光源，所述入射光波在气态物质的吸收光谱带中延伸；
[0036]-测量光电检测器，其构造为在不同测量时刻在测量光谱带中检测由气体传输的光波并测量称作测量强度的强度；
[0037]-参照光电检测器，其构造为在不同测量时刻在参照光谱带中测量由光源发射的参照光波的称作参照强度的强度；
[0038]-处理器，其用于基于所述参照强度和测量强度，实施根据本发明的第一主题的方法的步骤e)和f)。
[0039]
处理器可尤其实施通过比较不同的温度水平下或不同的电源电流水平下的分别由测试光源在测量光谱带中和在参照光谱带中发射的光强度，在校准阶段期间建立的修正函数，所述测试光源视为代表在每个测量时刻在根据本发明的第一主题的方法的步骤b)时使用的光源。
[0040]
结合以下列出的附图，阅读本说明书下文中的对所说明的实施例的描述，将更好地理解本发明。
附图说明
[0041]
图1a示出允许实施本发明的一个装置示例。
[0042]
图1b示意性地示出黑体类型的光源的发射光谱。
[0043]
图2a示出由光源在两个不同光谱带中发射的光强度的观察到的减小。
[0044]
图2b示出根据光源在参照光谱带中的发射率损失的光源在测量光谱带中的发射率损失。图2b是基于根据温度和波长的光源发射率理论表达式获得的。
[0045]
图2c示出由测量光电检测器在测量光谱带中检测的信号的相对减小。图2c是基于实验测试获得的。
[0046]
图2d示出供给光源的电流的功率与光源的温度之间的关系。
[0047]
图3示出实施本发明的方法的主要步骤。
具体实施方式
[0048]
图1a是气体分析装置1的一个示例。该装置包括限定内部空间的腔10，在该内部空间内，存在：
[0049]-光源11，其能够发射称作入射光波的光波12，以照明在内部空间中延伸的气体g。入射光波12在照明光谱带δ
12
中延伸。
[0050]-称作测量光电检测器的光电检测器20，其构造为检测气体g在其被入射光波12照明的作用下传输的光波14。所述光波14称作术语“测量光波”。所述光波由测量光电检测器20在测量光谱带δ
mes
中检测。
[0051]-参照光电检测器20
ref
，其构造为在参照光谱带δ
ref
中检测称作参照光波的光波12
ref
。所述参照光谱带δ
ref
是在其中将光波12被气体g的吸收视为可忽略的光谱带。
[0052]
参照光谱带δ
ref
不同于测量光谱带δ
mes
。测量光谱带δ
mes
可以尤其是比参照光谱带δ
ref
更宽。测量光谱带δ
mes
可以包括参照光谱带δ
res
。
[0053]
气体g包括追求确定其在测量时刻k的量c
x
(k)(例如浓度)的气态物质g
x
。该气态物质吸收光在吸收光谱带δ
x
中的可测量部分。
[0054]
光源11能够在照明光谱带δ
12
中发射入射光波12，该照明光谱带可以在近紫外线与中红外线之间、例如在200nm与10μm之间、最经常地在1μm与10μm之间延伸。所分析的气态物质g
x
的吸收光谱带δ
x
在照明光谱带δ
12
中。光源11可尤其是脉冲式的，入射光波12是时长一般为100ms至1s的脉冲。光源11可尤其是被加热到400℃至800℃的温度的悬丝类型的光源。该光源在照明光谱带δ
12
中的发射光谱对应于黑体的发射光谱。
[0055]
测量光电检测器20优选地与限定测量光谱带δ
mes
的滤光片18相关联，所述测量光谱带包络气态物质的吸收光谱带δ
x
的全部或部分。
[0056]
在所考虑的示例中，测量光电检测器20是能够传递取决于检测的光波的强度的信号的热电堆。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。
[0057]
参照光电检测器20
ref
布置在测量光电检测器20侧并且与所述测量光电检测器是相同类型。所述参照光电检测器与称作参照滤光片18
ref
的滤光片相关联。参照滤光片18
ref
限定与不被所考虑的气态物质吸收的波长范围相对应的参照光谱带δ
ref
。参照通带δ
ref
例如围绕3.91μm的波长定中心。
[0058]
根据比尔-朗伯关系式，由测量光电检测器20在测量时刻k检测的称作测量强度的光波14的强度i(k)取决于测量时刻的量c
x
(k)：
[0059][0060]
其中：
[0061]-μ(c
x
(k))是吸收系数，其取决于时刻k的量c
x
(k)；
[0062]-l是在腔10中被光波穿过的气体厚度；
[0063]-i0(k)是入射光波在时刻k的强度，其对应于在腔中不存在吸收性气体的情况下将达到测量光电检测器20的光波在测量光谱带δ
mes
中的强度。
[0064]
形式采用比值的i(k)与i0(k)之间的比较允许限定在时刻k由所考虑的气态物质生成的吸收abs(k)。
[0065]
在光源11的每次脉冲时，可以由此确定μ(c
x
(k))，这允许在已知c
x
(k)与μ(c
x
(k))之间的关系的情况下估计c
x
(k)。
[0066]
表达式(1)假设掌握入射光波12在测量时刻k的强度i0(k)。
[0067]
图1b示意性地示出遵循普朗克定律的黑体类型的光源11的发射光谱：
[0068][0069]
其中：
[0070]-l(λ,t)是亮度，其取决于波长λ和黑体的表面温度t；
[0071]-h是普拉克常数；
[0072]-k是玻尔兹曼常数；
[0073]-c是空气中的光速。
[0074]
光源11的发射光谱s对应于当光源达到温度t时，亮度l(λ,t)根据λ的演变。温度t一般为400℃至800℃。
[0075]
在图1b中示出光源11的在1μm与10μm之间延伸的照明光谱带δ
12
。还用虚线示出参照光谱带δ
ref
以及测量光谱带δ
mes
。
[0076]
该类型光源特别有利，这是因为这允许通过简单调制源的温度t，调制照明光谱s。由此，照明光谱带s与每个温度t相关联。
[0077]
已知黑体或灰体类型的光源的发射率随时间变化，并可经受由于光源老化造成的减小。通过参照光电检测器20
ref
考虑到光源11的发射的时间变化。该参照光电检测器设置为检测代表由光源11发射的入射光波12的参照光波12
ref
。参照光波12
ref
达到参照光电检测器20
ref
，而不与气体g相互作用，或不显著地与该气体相互作用。
[0078]
由参照光电检测器20
ref
在测量时刻k检测的参照光波12
ref
的强度用术语参照强度i
ref
(k)来表示。基于i
ref
(k)，通过知悉光源11的发射光谱，可以估计在不存在气体g的情况下，将达到测量光电检测器20的光波的强度参照强度还可允许修正测量强度i(k)，以考虑到光源11的老化。
[0079]
所述装置包括连接到存储器32的微处理器30，所述存储器包括允许实施下述方法的步骤的指令。
[0080]
根据第一实施例，微处理器30配置为接收代表由参照光电检测器20
ref
在每个测量时刻k测量的参照光波12
ref
的强度i
ref
(k)的信号。微处理器30基于i
ref
(k)，估计强度
[0081]
基于i(k)，可根据以下表达式估计入射光波的吸收：通过使用表达式(1)，则获得μ(c
x
(k))，然后c
x
(k)。
[0082]
根据第二实施例，微处理器30配置为接收代表参照强度i
ref
(k)的信号，然后实施所测量的强度i(k)的修正。经修正的强度记为i
*
(k)。经修正的强度对应于在没有光源的老
化的情况下，将由测量光电检测器测量的强度。入射光波的吸收abs(k)则可通过以下表达式获得：
[0083]
其中i0(k＝0)代表在初始测量时刻k＝0时，即当光源11视为新的时，在腔中没有吸收性气体的情况下，入射到测量光电检测器的光波。通过使用表达式(1)，则获得μ(c
x
(k))，然后c
x
(k)。
[0084]
通常将光源11分别在参照光谱带δ
ref
中和在测量光谱带δ
mes
中的发射率之间的比值视为以相同的方式减小。根据这样的假设：
[0085]-当实施第一实施例时，基于i
ref
(k)，基于对光源的理论发射光谱的知悉，或根据类型的表达式，简单地估计
[0086]-当实施第二实施例时，基于i
ref
(k)，通过应用以下修正函数，获得经修正的强度i
*
(k)：
[0087][0088]
然而，本发明人观察到光源11的老化以不同的而方式影响参照光谱带δ
ref
和测量光谱带δ
mes
。与在文献fr3000548中所提出的相反的地，不能够将测量光谱带中的老化视为类似于参照光谱带中的老化。
[0089]
本发明人实施了初步测试，在初步测试期间，使用了分别与结合图1a所述的测量传感器和参照传感器类似的测试测量传感器20’和测试参照传感器20’ref
。在校准期间，所分析的气体是已知气体，在本示例中为在环境空气中的ch4，ch4的浓度视为零。实验参数如下：
[0090]-测量滤波器18：在3.25μm的波长上定中心的f3.25-180海曼滤波器，这对应于ch4的吸收波长。
[0091]-参照滤波器18
ref
：在3.91μm的波长上定中心的f3.91-90海曼滤波器。
[0092]-测量光电检测器20和参照光电检测器20
ref
：hcm cx2 fx海曼热电堆。
[0093]
在该初步测试中，测量滤波器18限定在主动窄的波长(3.25μm)上定中心的测量光谱带δ
mes
，以良好地突显本发明人所观察到的老化。
[0094]
在不同时刻j，在初始时刻j＝0与最终时刻j＝j之间，以脉冲的方式，激活了与结合图1a所述的光源类似的测试光源11’。每个脉冲持续60ms，并且以500ms的时间间隔与随后的脉冲间隔隔开。实施了大约4千万个脉冲。图2a示出以下的时变：
[0095]-由测试测量光电检测器20’在测量光谱带δ
mes
中测量的测量强度i(j)(曲线a)；
[0096]-由测试参照光电检测器20’ref
在参照光谱带δ
ref
中测量的参照强度i
ref
(j)(曲线b)。
[0097]
这些演变分别通过初始校准时刻(j＝0)的测量强度和参照强度归一化。
[0098]
图2a所示的曲线的某些部分是插值的。观察到在图2a中，测量强度i(j)和参照强度i
ref
(j)随着时间减小，这是意料中的。这对应于光源11的老化。还观察到在测量光谱带δ
mes
中和在参照光谱带δ
ref
中的分别的减小是不同的。这意味着光源11在测量光谱带δ
mes
中的老化不同于光源11在参照光谱带δ
ref
中的老化。由此，比值根据时间j变化。这意味着光源11的老化伴随有发射光谱的略微改变。
[0099]
本发明的一个重要元素在于，本发明人考虑到光源的老化可以与其温度的变化类似，更具体地说，于其温度的降低类似。在使用光源时，该光源达到例如等于870k的标称温度。本发明人观察到，在老化时，光源表现就好像其温度降低到其标称温度以下。标称温度对应于光源的首先运作时刻。当光源发射的脉冲数量增大时，通过考虑温度在标称温度以下逐渐降低，可以对光源的表现建模。
[0100]
将光源视为像黑体一样表现。在表达式(2)中，可见亮度同时取决于温度和波长。本发明人通过考虑不同温度水平，使用了表达式(2)，以模拟光源的温度的降低对由该光源在以下不同波长中发射的光强度的影响：
[0101]-λ＝3.91μm，这对应于视为不被最常见的气态物质吸收或吸收可忽略的参照光谱带；
[0102]-λ＝3.25μm，这对应于甲烷(ch4)的吸收光谱带；
[0103]-λ＝4.26μm，这对应于二氧化碳(co2)的吸收光谱带。
[0104]
基于等于870k(开尔文)的标称温度水平，本发明人计算了在上述波长中的每个中的发射率损失，其记为el(如“emissivity loss”)。
[0105]
表1集合对于上述三个波长的根据源的温度的发射率损失的值。在波长λ和温度t下，根据以下表达式，计算每个发射率损失值：
[0106]
其中t0对应于标称温度。
[0107][0108][0109]
表1
[0110]
图2b示出根据参照光谱带中的发射率损失el
ref
(横坐标轴)的在测量光谱带中的发射率损失el
mes
(纵坐标轴)。测量光谱带对应于要么波长λ＝3.25μm(图2b中的圆形标记)，要么波长λ＝4.26μm(图2b中的三角形标记)。参照光谱带对应于波长λ＝3.91μm。
[0111]
在结果的线性插值之后，观察到：
[0112][0113]
和
[0114][0115]
函数h是基于源在参照光谱带中的老化的源在测量光谱带中的老化的函数。通过考虑到源的不同温度，通过使用表达式(2)，基于理论计算获得函数h。
[0116]
观察到在每个测量光谱带中的发射率损失相对于在参照光谱带中的发射率损失线性地演变。此外，每条直线的斜率不同于1，这证实对于所考虑的波长，由光源发射的强度随着时间以不同的方式演变。实际上，如果像在现有技术中所考虑的那样，在每个波长下的老化相同，每条直线的斜率将等于1。
[0117]
在得出表1所展示的且在图2b中所示的结果的理论计算之后，本发明人通过使用如上所述的测试光源、测试测量光电检测器和测试参照光电检测器，实施了实验测试。测试测量光电检测器与在3.25μm的波长上定中心的测量滤光片相关联。
[0118]
参照检测器与在3.91μm的波长上定中心的参照滤光片相关联。
[0119]
在第一测试序列中，本发明人实施了在每个波长下的老化的测试。测试源布置为面对与测量滤光片相关联的测试测量光电检测器，以及面对与参照滤光片关联的测试参照光电检测器。老化测试旨在实验性地测量光源在每个波长下的老化。测试测量源按照1800万的连续脉冲被激活，每个脉冲的时长为60ms，连续的两个脉冲之间的时间间隔提高到500ms。由此，该第一老化测试序列的时长为大约104天。
[0120]
在j个脉冲之后，测量了分别由测试测量光电检测器和参照测量光电检测器在时刻j测量的强度ij、i
ref,j
。基于每个测量值，根据以下表达式，计算了在每个波长下的代表光源的发射率损失的检测的信号的损失，并表达为％：
[0121][0122]
和
[0123][0124]
如在表达式(10)和(11)中限定的量el
ref
(j)和el
mes
(j)分别代表光源在参照光谱带中和测量光谱带中的老化。这两个量之间的比值对应于光源在参照光谱带中和在测量光谱带中的差异老化。
[0125]
表2汇集这些测量的结果。
[0126][0127]
表2
[0128]
本发明人然后实施另一测试光源的老化实验模拟。使得测试光源的电源达到不同功率水平，以改变源的温度。自对应于等于870k的源的标称温度的标称功率2500μw起。然后逐渐地减小电源电流的功率。在每个功率水平pj下，测量了分别由测量光电检测器和测试参照光电检测器测量的强度i(pj)和i
ref
(pj)。图2d示出允许实现电源电流的功率(横坐标轴—mw)与光源的温度(纵坐标轴，单位为℃)的关联的函数。
[0129]
基于每个测量值，根据以下表达式，计算了在每个波长下的，检测的信号的损失，其代表光源的发射率损失，并表达为％：
[0130][0131]
和
[0132][0133]
表3汇集这些测量值的结果。
[0134][0135]
表3
[0136]
在图2c中示出表2和3所示的测量值。图2c示出根据在参照光谱带中的检测的信号的相对损失el
ref
(横坐标轴)的测量光谱带中的检测的信号的相对损失el
mes
(纵坐标轴)。测量光谱带对应于波长λ＝3.25μm。参照光谱带对应于波长λ＝3.91μm。在图2c中，方形和圆形标记分别对应于老化实验模拟测试(表3)和实际老化测试(表2)。
[0137]
在结果的线性插值之后，观察到：
[0138]-对于基于实际老化测试获得的结果：
[0139]
这对应于白色虚线直线。函数f是基于源在参照光谱带中的老化的源在测量光谱带中的老化的函数。函数f通过实际老化测试获得。
[0140]-对于基于老化的实验模拟测试获得的结果：
[0141]
这对应于黑色虚线直线。函数g是基于源在参照光谱带中的老化的源在测量光谱带中的老化的函数。通过源的温度的变化的老化模拟测试，获得函数g。
[0142]
两个测试序列导致获得将参照光谱带中的老化效应与测量光谱带中的老化效应相关联的线性表达式。观察到表达式(14)和(15)对应于可比较的斜率(分别为1.1472和1.1278)，这也可以与源自表达式(8)的斜率、即1.1644比较。
[0143]
在先前的测试中，最代表光源的老化的测试很可能是结合表2所述的测试。则在非常长的时长期间，使用测试光源，以实验地测量参照光谱带中和测量光谱带中的差异老化。差异老化可以尤其以量el
mes
(j)和el
ref
(j)之间的比值的形式表达。这对应于表达式(14)的斜率，即1.1472。
[0144]
然而，这样的测试实施起来时间长。先前的结果示出，光源的差异老化可以是考虑
到光源的不同的温度水平或不同的电源功率水平的校准的对象。这涉及本发明的一个重要元素：可以通过实施校准来学习光源的老化，在所述校准过程中，考虑到光源的不同的温度水平(或不同的电源电流水平)。
[0145]
根据结合表1和图2b所述的第一可行性，考虑到对于不同温度的，分别在测量光谱带中和参照光谱带中的源的理论表达式。由此获得代表光源发射的光量在测量光谱带中和参照光谱带中的相对演变的理论差异老化。在所考虑的波长(3.25μm和3.91μm)下，作为第一近似，可以考虑像表达式(8)的斜率、即1.1644的理论差异老化。根据该第一可行性，在知悉光源在参照光谱带中的老化的情况下，通过应用表达式(8)限定的函数h，可估计光源在测量光谱带中的老化。
[0146]
根据结合表3和图2c所述的第二可行性，实验性地使得测试光源的温度变化，例如通过改变电源电流的功率。在不同功率水平下(或在不同温度水平下)，实验性地测量光源发射的光量在测量光谱带中和参照光谱带中的相对演变。在所考虑的波长(3.25μm和3.91μm)下，作为第一近似，可考虑像表达式(15)的斜率、即1.1278的理论差异老化。根据该第二可行性，在知悉光源在参照光谱带中的老化的情况下，通过应用由表达式(15)限定的函数g，可估计光源在测量光谱带中的老化。该类型的实验校准实施起来容易且快速。当具有多个气体分析装置，每个装置由光源、测量光电检测器和参照光电检测器构成，可在每个装置的单独采用的光源上实施这样的校准。换句话说，测试光源与装置的光源重合。替代地，可以用考虑为代表配备分析装置的光源的测试光源，实施这样的校准。
[0147]
第一可行性是纯理论性的。它仅考虑到光源的老化。第二可行性更加具有实验性，并还考虑到光电检测器的响应的潜在演变，无论涉及测量光电检测器还是参照光电检测器。
[0148]
无论哪个可行性，可基于光源在参照光谱带中测得的老化，估计光源在测量光谱带中的老化。可以通过在初始时刻与测量时间之间，比较参照光谱带中的光强度，估计光源在参照光谱带中的老化。该比较可例如采用减法的形式。该比较可通过像在表达式(10)或(12)中的在初始时刻的参照光谱带中的光强度来归一化。这允许获得0至1的老化。
[0149]
由上文可得出，通过理论地(第一可行性)或实验性地(第二可行性)考虑到光源的温度变化，更具体地说，光源在标称温度下的温度降低，可确定表征相对在两个光谱带δ
mes
和δ
ref
中的光源的发射率变化的修正函数δ。通过测量与量el
ref
相对应的光源在参照光谱带中的老化，修正函数δ允许估计光源在测量光谱带中的老化，其对应于如表达式(11)所限定的量el
mes
。
[0150]
在检测器的运作期间，如结合表达式(1)所述，在每个测量时刻k，基于以下：
[0151]-初始时刻的参照光强度i
ref
(k＝0)的测量值；
[0152]-测量时刻k的参照光强度i
ref
(k)的测量值；
[0153]
应用到参照光强度i
ref
(k)的修正函数δ允许估计在光源与测量光电检测器之间不存在气体的情况下，在时刻k，由光源在测量光谱带中发射的光强度
[0154]
修正函数可以使得：
[0155][0156]
根据所实施的校准，修正函数δ使得：
[0157][0158]
其中
[0159][0160]
量i0(k＝0)对应于在测量光电检测器与光源之间不存在气体的情况下，在初始时刻k＝0，由测量光电检测器测量的强度。它可以在光源与测量光电检测器之间不存在气体的情况下，由测量光电检测器测量。通过知悉光源的发射光谱的形状，例如通过使用表达式(2)，它也可基于i
ref
(k＝0)来估计。
[0161]
量i
ref
(k＝0)对应于在初始时刻(k＝0)测量的参照强度。
[0162]
表达式(17)假设使用如结合表1和图2b所述的，基于表达式(2)理论性地确定的源的老化的估计函数h。
[0163]
可使用如结合表3和图2c所述的，通过考虑到不同温度值而实验性地确定的源的老化函数g。在该情况中，修正函数δ使得：
[0164][0165]
图3示出实施本发明的测量方法的主要步骤。
[0166]
步骤100：在时刻k照明气体；
[0167]
步骤110：通过参照光电检测器20
ref
，测量在参照光谱带δ
ref
中的参照强度i
ref
(k)。
[0168]
步骤120：通过测量光电检测器20，测量在测量光谱带δ
mes
中的由气体传输的光线14的强度i(k)。
[0169]
步骤130：估计将由测量光电检测器14在腔中不存在气体的情况下在测量光谱带δ
20
中检测的强度通过考虑到修正函数δ(k)，并通过应用以下表达式，实施该估计：
[0170][0171]
步骤140：估计测量光谱带δ
mes
中的吸收
[0172]
步骤150：基于该吸收，基于通过应用表达式(1)的比值，估计气态物质g
x
的量c
x
(k)。
[0173]
步骤160：通过递增测量时刻k，迭代步骤100至150，或退出该算法。
[0174]
步骤130假设确定源在参照光谱带δ
ref
中的老化el
ref
(k,λ
mes
)。如上所述，参照光谱带中的老化对应于在测量时刻k的参照强度与在初始时刻的参照强度之间的比较。
[0175]
本发明人模拟了通过考虑待分析气体包括恒定浓度的ch4而获得的测量。在模拟测量中，本发明人相继地基于以下，建立了修正函数：
[0176]-如结合表2所述的，根据在跟踪测试光源的老化时实施的实验测量之后获得的老
化函数f；
[0177]-如结合表3所述的，根据通过改变测试光源的运作温度实施的实验测量之后获得的老化函数g；
[0178]-如结合表1所述的，基于测试光源在不同波长下的源的亮度的理论表达式，
[0179]
获得的老化函数h。
[0180]
在每个情况中，估计了当不使用修正函数时，以及使用分别基于函数f，g和h的修正函数时，ch4的ppm方面的误差。通过将气体分析装置布置在环境空气中来确定误差，在所述环境温度中，ch4的浓度为零。基于i
ref
和i
mes
的测量值，基于表达式(1)，获得ch4的浓度。
[0181]
表4示出根据测量时刻k的所获得的误差。在表4中，每个测量时刻对应于光源的脉冲。要提醒的是，相继的两个脉冲之间的时间间隔为500ms。
[0182]
k没有修正使用f的修正使用g的修正使用h的修正00000207360075921472216289941472001041113342304556622080014943163029845649676800225976812601-646117504002756411613424-36417971200363982822936-1767
[0183]
表4
[0184]
相对于没有修正，使用修正函数，无论是哪个修正函数，都允许显著地限制测量误差。
[0185]
基于老化函数f的修正的性能最佳。这是符合逻辑的结果，这是因为老化函数f是根据对光源的实际老化的跟踪过程的跟踪之后获得的。然而，要指出的是，根据基于老化函数g和h的修正得到的误差是可以接受的。由此，使用这样的老化函数看起来构成有希望用于修正光源的差异老化的方式。实际上，老化函数g和h可以快速地获得，并且不要求跟踪光源的整个老化过程。它们形成测量误差与获得修正函数的便利性之间的特别有利的折中。
[0186]
根据一个变型，在步骤130期间，通过根据在测量时刻测量的参照强度，考虑到修正函数δ，修正由测量传感器测量的强度的值i(k)。
[0187]
获得经修正的强度i
*
(k)。修正函数δ可以通过使用对应于表达式(9)的老化函数来表达，以使得：
[0188][0189]
其中
[0190][0191]i*
(k)对应于将由测量光电检测器在没有光源的老化的情况下测量的值。
[0192]
应当理解，在表达式(20)中，可以使用函数g，代替函数h。
[0193]
根据该变型，在步骤140期间，根据以下表达式获得吸收：
[0194][0195]
i0(k＝0)对应于将由测量光电检测器在没有光源的老化且在光源与测量光电检测器之间没有气体的情况下测量的强度值。
[0196]
可以实施本发明用于检测具有包括在测量光谱带δ
mes
中的吸收波长的气态物质g
x
的量。该测量光谱带可以是窄的，像在上述实验示例中那样。它也可是宽的，以包含例如多个不同气态物质的吸收光谱带δ
x
。