借助紅外吸收光譜法確定樣品氣流中至少一種氣體的濃度的裝置和方法與流程

紅外吸收光譜法已知用于確定單獨氣體組分的濃度。最為普及的方法是傅里葉變換紅外光譜儀或非色散的紅外光譜儀。隨著緊湊式、功率強大的半導體激光的發展，基于激光光譜法的氣體分析設備越來越多地產生。新型激光類型如量子級聯激光使得在中部紅外范圍中的激光光譜法發生變革。

所有這些分析方法基于的是，在利用紅外光線照射樣品氣體時特定頻域被吸收。紅外光線在此位于分子鍵的振蕩級的范圍中，其通過吸收激勵振蕩。對此的前提是既有的或在分子中可產生的偶極矩。不同的振蕩狀態引起了不同光學頻率的紅外光線的吸收損失。在透射中的光譜因此獲得了單獨的針對氣體特有的吸收區線，因此樣品氣體在具體分子的存在性方面被檢測并且確定其在樣品氣體中的濃度。

借助量子級聯激光尤其在檢測在內燃機的廢氣中存在的有害物質分子、如笑氣、一氧化氮、二氧化氮、二氧化碳、一樣化碳和氨氣以及確定它們的濃度。

常用的激光光譜的系統具有激光作為射線源，射線源的射線通過光學路徑導入分析室。在該分析中射線通過合適的鏡片配置被多重反射。同時在分析室中導入樣品氣流，激光的射線穿過樣品氣流并且在那被用于激勵與光學頻率對應的分子。通過這種激勵，各個頻率的能量被吸收。穿過的射線的強度在光譜的這個位置上下降。所述吸收自身不能非常清晰地進行，而是由于溫度和壓力改變而變得寬泛。通過這種方式在其光譜中改變的射線離開測量室并且到達探測器，通過探測器評估改變的頻帶并且推斷出特定物質的存在以及其濃度。樣品氣流的輸送通常通過后接的真空泵進行。

在確定濃度時可以評估或分析光譜中的吸收特性。該特性通常以吸收氣體的譜線方式被示出。長期以來量子級聯激光器僅能在低于0℃的溫度范圍中可靠地工作。在新一代的量子級聯激光器中，激光晶體的設計被改變，并且其設計為高溫量子級聯激光器，其雖然能夠在正常的環境溫度15至40℃中工作，但是已經顯示的是，由半導體層構成的量子級聯激光器產生了很高的損失熱并且因此在測量過程中受熱。作為用于可靠地冷卻量子級聯激光器的最簡單的方法，設置了珀耳帖元件，通過其可以嘗試將激光保持在確定的溫度范圍中。若生成的熱不能被排出，則在測量中激光的運行溫度發生改變，因此這導致了所需的調諧波長的改變，并且由此由于載流子隨著溫度升高的移動而導致不精確的測量結果。由于這種原因量子級聯激光器的溫度波動理想地被降低至+-5mK。

因此在US2011/0173870A1描述了一種量子級聯激光器的構造，其安裝在用作散熱器的金屬板上，其對置側與珀耳帖冷卻元件的冷側相連，因此通過金屬板能夠將熱量從激光器排出。為了調節，在激光器的加強介質上設置溫度傳感器，通過其測量和調節激光器的溫度。所述調節通過改變激光功率或電功率進行，所述功率被導入珀耳帖元件中。

但是這種調節的缺點在于，不能達成靜態狀態，因為珀耳帖冷卻元件的熱側承受環境溫度的波動，因此需要持續的再調節。這導致了溫度波動常常大于所要求的，并且因此在探測器信號中存在噪聲。

因此所要解決的技術問題在于，提供借助紅外吸收光譜法確定樣品氣流中至少一種氣體的濃度的裝置和方法，借助它們可以相對已知的實施形式進一步改善測量結果，方法是使得在量子級聯激光器上的溫度波動最小化。所述調節和測量子在此應該盡可能簡單和廉價地制造。

所述技術問題通過具有獨立權利要求1的特征的借助紅外吸收光譜法確定樣品氣流中至少一種氣體的濃度的裝置解決，以及通過按照獨立權利要求14的利用這種裝置的方法解決。

通過借助轉速調節的通風機冷卻所述冷卻體，在珀耳帖冷卻元件的熱側上的溫度以及在珀耳帖冷卻元件的冷側上的溫度在激光器的損失功率恒定時保持不變，因為相對環境溫度(即珀耳帖冷卻元件的熱量排出時所具有的溫度)的獨立性被實現。通過通風機的冷卻效果因此基本上保持恒定，其方法在于當環境溫度提高時提高轉速。

由此，關于按照本發明的方法，珀耳帖冷卻元件的熱側借助轉速可調的通風機至少間接地被冷卻。所述冷卻理論上可以直接進行，但是通常通過導熱連接的冷卻體實施。重要的是，通過通風機的轉速調節可以調節熱排放、而無需改變珀耳帖冷卻元件的功率。

在此通風機的轉速調節優選借助脈沖寬度調制進行。通風機的轉速相應地通過脈沖寬度調制信號的改變進行。所述調節可以簡單地在控制器中實施并且減小電流消耗。

在一種有利的實施形式中，紅外射線源設置在金屬板上，所述金屬板與珀耳帖冷卻元件的冷側相連。因此保證了較好的熱傳遞，其中同時實現激光器可靠的固定，例如通過螺栓連接在金屬板上。所述板也可以借助相應的用于激光器的保持件實施。此外保證了在珀耳帖冷卻元件上完全地面狀地貼靠，其對于正確的使用是需要的。

溫度傳感器優選測量基本上與珀耳帖冷卻元件的熱側的溫度對應的溫度，其中溫度傳感器與通風機的電子計算單元電連接。相應地根據珀耳帖冷卻元件的熱側的溫度進行所述調節，所述溫度通過通風機的調節被保持恒定。

作為補充，另外的溫度傳感器測量與珀耳帖冷卻元件的冷側的溫度對應的溫度，其中，所述溫度傳感器與珀耳帖冷卻元件的電子調節單元電連接。通過調整電流強度可以在激光器芯片上產生恒定的溫度。這種調節在非常窄的界限中進行，因為熱側借助通風機被保持在恒定的溫度上。通過這種兩級的調節實現很小的溫度偏差。

紅外射線源具有激光器芯片，其有利地借助保持件固定，并且與金屬板導熱地接觸。這簡化了激光器的裝配。

在此金屬板優選是銅板，因為銅具有非常好的導熱性能，因此熱能夠很好地從半導體芯片排出。

在一種擴展實施形式中，冷卻體在其背離珀耳帖冷卻元件的底側上具有肋片，通過它們能夠增大熱交換面積，因此更多的熱通過氣流排出。

在一種特別優選的實施形式中，光學元件在分析室外部設置在光學板上，所述光學板在冷卻體和珀耳帖冷卻元件的熱側之間導熱地布置。相應地整個光路為了減小熱噪聲被保持在盡可能恒定的溫度上。

在這種實施形式中，溫度傳感器測量在非常靠近珀耳帖冷卻元件的區域中、在光學板的上側的溫度。該溫度基本上對應珀耳帖冷卻元件的熱側的溫度(由于直接的導熱連接)。同時保證的是，光學板被保持在恒定溫度上，而其不會影響珀耳帖冷卻元件的熱側的溫度的調節。該溫度傳感器可以簡單地安裝在光學板上。

所述裝置優選具有殼體，通風機從該殼體的周圍吸入環境空氣。在殼體中設置引導體，它們將空氣流導向冷卻體的下側。所述冷卻因此借助來自分析器的外側的環境空氣實施。因此不必提供附加的冷卻元件。

為了避免操作人員進入旋轉的通風機葉輪的區域中而造成損傷、以及為了改善電磁兼容性，則在殼體上第一側壁上構成進氣狹縫并且在對置的側壁上構成出氣狹縫，其中進氣狹縫基本上在通風機的周圍延伸，并且出氣狹縫在殼體的底板和冷卻體的下側之間延伸。這導致了冷卻氣流沿著整個光學板引導。因此在殼體內部在光學板范圍中盡可能避免溫度梯度。

為了在不同構件之間保證盡可能好的熱傳導，則兩個或多個構件如冷卻體、光學板、珀耳帖冷卻元件、金屬板借助導熱粘結劑相互連接。這用于使得在縫隙中的導熱盡可能無損地進行，因此例如珀耳帖冷卻元件的熱側和光學板具有基本上相同的溫度，也就是從兩個部件之間排出相同的熱。

紅外射線源優選是量子級聯激光，其在中部紅外范圍中提供了特別好的測量結果。

因此在方法方面有利的是，借助通風機將環境空氣沿著冷卻體輸送。因此不必采用附加的冷卻措施，因此分析器可以廉價地制造和運行。

特別優選的是，冷卻體被調節為在30℃至50℃之間的恒定值，尤其是40℃。相比于常見的運行溫度提高的運行溫度保證了，通過利用環境空氣運行的通風機可以始終排出足夠的熱量，以便產生恒定的運行溫度。附加地這種調節也可以在環境溫度改變時可靠地發揮功能。

在對此的擴展的實施形式中，珀耳帖冷卻元件的通電是恒定的。因為激光器在接通之后輸出恒定的熱量，并且另一方面通過轉速可調的通風機排出相同的熱量，因此可以對珀耳帖冷卻元件進行恒定的通電，由此調節回路可以非常簡單。

在此珀耳帖冷卻元件的通電優選這樣設置，使得在珀耳帖冷卻元件的板之間產生20至40K的恒定溫度差，這同樣通過總體上恒定的其他的運行條件實現。因此由此獲得簡單的調節，用于使激光器產生恒定的溫度。

因此實現了借助紅外吸收光譜法確定樣品氣流中至少一種氣體的濃度的裝置和方法，借助其能夠以更高的精度和可再現性確定氣體的濃度和存在性，而盡可能沒有熱噪聲，因為可以實現具有溫度波動小于+-5mK的保持不變的邊界條件。同時具有這種調節的激光器相比已知的實施形式可以簡單和廉價地制造和裝配。

借助紅外吸收光譜法確定樣品氣流中至少一種氣體的濃度的裝置在附圖中結合量子級聯激光示出，并且以下結合按照本發明的方法描述。

圖1以俯視圖示出按照本發明的用于確定樣品氣流中氣體的濃度的裝置的示意圖。

圖2示出量子級聯激光器與連接構件的構造的側視圖，

圖3示出按照圖1的裝置的立體圖。

按照本發明的借助紅外吸收光譜法確定樣品氣流中至少一種氣體的濃度的裝置在該實施例中設計為量子級聯激光吸收光譜儀(Quantenkaskadenabsorptionsspektrometer)。其由殼體10構成，在所述殼體中安置了由半導體層構成的量子級聯激光器12作為紅外射線源，所述紅外線源要么連續地要么脈沖式工作并且尤其在發出中間紅外范圍中的射線。量子級聯激光器12通過電流激勵器14控制。

激光器12的射線通過多個鏡片18導入分析室16的空間20中或者備選地通過鏡片18直接導向探測器22，所述探測器例如是MCT(碲化汞鎘Quecksilber-Cadmium-Tellurid)探測器，其尤其適用于在中間紅外范圍中的光伏檢測并且在所述MCT探測器中將所出現的光子直接轉換成可測量的光電流。在空間20中射線多次地在物鏡或場鏡24上反射并且在此穿過在空間20中輸入的樣品氣體。這在所發出的光帶的特定頻域中導致射線的吸收，所述吸收表征特定分子的存在性和濃度。在射線多次地在物鏡或場鏡24上反射之后，其又離開分析室16并且重新通過之后的鏡片26輸入探測器22。

這些鏡片之一設計為折疊鏡28(Klappspiegel)，因此根據折疊鏡的位置，量子級聯激光器12的用作參比激光束的激光束要么經過參比氣體源或參比氣體皿到達探測器22，要么如所述那樣引導經過分析室16。

樣品氣體輸送借助真空泵30進行，借助真空泵可以將樣品氣體流吸入空間20中。整個光路借助不包含待測氣體的分子氣體(通常是氮氣)被沖刷，以便避免測量結果出錯。

在分析室16上構成樣品氣體輸入接管34，其通過未示出的軟管與樣品氣體源(例如內燃機的排氣道)相連或者與包含已經稀釋的樣品氣體的源頭相連。通過真空泵30將樣品氣體從輸入接管34經過樣品氣體通道36和空間20吸入真空泵30。

由探測器22測得的光學頻帶由于被吸收的射線具有空缺，空缺的大小和深度是用于吸收該頻域的氣體的濃度的衡量標準。相應的計算以已知方式在計算單元28中通過朗伯比耳定律進行。激光器12的發射波長在此這樣調節，從而能夠有選擇性地截取氣體組分的特定的吸收區線的吸收范圍，由此可以避免相對其他氣體組分的橫向敏感性。當存在氨氣時例如在波長范圍中的空缺約為10μm。

但是需要注意的是，僅當射線的波長和樣品氣流中待測量的分子的預期濃度之間正確協調時測量才是可靠的，因此要么必須利用未稀釋的要么必須利用稀釋的樣品氣流工作。此外測量條件必須保持恒定。

尤其需要的是，量子級聯激光器12和/或探測器22以穩定的溫度工作，以阻止由于溫度波動導致的熱噪聲。

按照本發明這通過轉速可調的通風機38解決。該通風機38設置在殼體10的第一側壁40上并且通過在該側壁40中的不可見的進氣狹縫將環境空氣吸入通道42中，所述通道通過呈板材壁形式的引導體被限定。通道42在其高度方面變小并且通向冷卻體46下方，為進行冷卻而被通風機3吸入的環境空氣沿著冷卻體的下側48流動。為了提供更大的熱交換面，在冷卻體46的下側48上構成肋片50，它們沿流動方向延伸。所述空氣通過出氣狹縫52離開殼體10，它們在與第一側壁40對置的側壁54上構成，并且從殼體的底板56延伸至冷卻體46的下側48。

冷卻體46整面地固定在設置在其上側58的光學板60上，因此實現了從光學板60朝向冷卻體46的良好的熱排放。所述光學板60用作光學元件的支架，其由鏡片18、24、26、28、探測器22和量子級聯激光器12構成，它們固定在光學板60的上側62上。

激光器殼體64借助螺栓固定在光學板60上。激光器殼體64的下側構成珀耳帖冷卻元件66，其這樣固定，使得其熱側68整面地固定在光學板60上并且其冷側70整面地固定在銅塊72上。為了優化在珀耳帖冷卻元件66、光學板60和銅塊72之間的導熱，所述固定優選借助薄面狀的粘接(利用導熱粘結劑)進行。量子級聯激光器12的激光器芯片74通過保持件74固定在銅塊72上。其余的光學的激光器元件、如準直透鏡75以已知方式設置在激光器殼體64中。電接頭從激光器殼體64伸出，通過其為激光器芯片74和珀耳帖冷卻元件66提供電流。所述調節以已知方式借助電子調節單元68進行，其設置在導體44上。

在啟動時激光器芯片74首先被供給0mA至約400mA之間的坡形的電流，因此光束沿著確定的頻率譜產生。由此產生的損失功率在邊界條件保持不變時基本恒定。為了排出產生的熱量，也可以為珀耳帖冷卻元件66供給直流電壓。當直流電壓為24V并且電流為0.5A時，例如在珀耳帖冷卻元件66的熱側68和冷側70之間產生約30開耳文的溫度差。所述調節這樣進行，使得通過溫度傳感器80(該溫度傳感器在激光器芯片74附近安裝在激光器殼體64中)測定的溫度(該溫度因此基本相當于珀耳帖冷卻元件的冷側70的溫度)利用調節單元82通過調節珀耳帖冷卻元件66上的電流強度被調節為例如11℃。所述溫度傳感器80為此例如由Pt100實施。

此時為了盡可能地將激光芯片74上的溫度改變保證在+-5mK的范圍中，僅通過珀耳帖冷卻元件66的電流強度進行的調節常常是不夠的。出于這種原因在激光器殼體64的非常接近的位置上、在光學板60上設置附加的溫度傳感器81，其被測量的溫度由于良好的導熱連接基本上相當于珀耳帖冷卻元件66的熱側上的溫度。溫度傳感器81的測量值被提供給電子計算單元37，利用該電子計算單元，還能夠通過改變用于控制通風機的調制的脈沖寬度來調節通風機38的轉速。

為了保持例如11℃的恒定激光器溫度(該激光器溫度由于在銅塊72上的整面連接及其在珀耳帖冷卻元件66的冷側70上的導熱連接基本上相當于珀耳帖冷卻元件66的冷側70上的溫度)，則在珀耳帖冷卻元件66的熱側68上的溫度借助溫度傳感器81例如保持在恒定的40℃。相應地通過給珀耳帖冷卻元件66通電，而達成盡可能恒定的29開耳文的溫度差。由于珀耳帖冷卻元件66的熱側68在在光學板60上的整面連接和光學板在冷卻體46上的導熱連接，至少在珀耳帖冷卻元件66的附近區域中在冷卻體46和光學板60上出現40℃的溫度，并且相當于在珀耳帖冷卻元件66附近的光學板60的表面上借助溫度傳感器81測得的溫度。所述溫度相對已知的調節更高，但是通過所述工作溫度在熱側68上的提高產生這種可能性，即在該位置上的溫度通過調節在冷卻體46上的熱排放僅通過在冷卻體46上的氣流保持恒定，因為產生熱排放的氣流完全通過通風機38的轉速調節來控制。相應可行的是，幾乎靜態的溫度特性被實現，其導致了激光器12的溫度僅在+-5mK的范圍中變化。

這意味著，與已知實施形式相比，由于環境空氣的生熱和由此導致的珀耳帖冷卻元件的熱側的生熱而進行的珀耳帖冷卻元件的再調節僅非常有限地被需要。激光器的溫度調節因此變得更穩定，由此減少了熱噪聲。這又導致了在測量吸收的射線時進而在確定氣體濃度時更高的精度。

應該明確的是，本發明不局限于所述實施例，而是在獨立權利要求的保護范圍內可以進行各種修改。所述裝置以特殊方式適用于量子級聯激光器。除了脈沖寬度調制顯然還可以考慮其他通風機的控制用于調節。還可以考慮的是為探測器使用溫度調節。