專利名稱：具有自校準和擴展的動態(tài)范圍的光學吸收率測量的制作方法
技術(shù)領域：
一般而言，本文所描述的主題涉及光學吸收率測量，更具體而言，其涉及為光學吸收傳感器提供自校準能力和擴展的動態(tài)測量范圍的具體實施方式
。
背景技術(shù)：
各種光譜技術(shù)被證明已經(jīng)并將繼續(xù)用于使用多種光源的痕量氣體檢測。兩種能夠用于這種測量的吸收光譜技術(shù)是直接吸收光譜法和調(diào)制光譜法。盡管在原理上有些不同， 但這兩種技術(shù)都能夠用于在實際環(huán)境中測量諸如溫度、壓強、氣體速度和種類濃度的重要參數(shù)。但是，上述每種技術(shù)均包括會使其不大適合在很寬的動態(tài)范圍上提供光學測量準確度和/或精確度的限制。

發(fā)明內(nèi)容
在一個方面中，一種方法包括在處理器處接收代表當從光源發(fā)射的光以某一路徑長度通過一定體積的氣體時光的吸收率的探測器數(shù)據(jù)。該體積的氣體包括一定分析物濃度的分析物。使用第一分析方法分析所述探測器數(shù)據(jù)以獲得所述分析物濃度的第一計算，并且使用第二分析方法分析所述探測器數(shù)據(jù)以獲得所述分析物濃度的第二計算。所述第一分析方法具有第一目標范圍，所述第二分析方法具有不同于所述第一目標范圍并在所述第一目標范圍之外擴展的第二目標范圍。如果所述分析物濃度的第一計算指示所述分析物濃度超出所述第一目標范圍，則將所述第二計算提升為所述分析物濃度。在可選的變形中，可以包括下列特征中的一個或多個特征。所述第一分析方法可以包括調(diào)制光譜法，所述第二分析方法可以包括直接吸收光譜法。所述第一目標范圍可以包括介于零和閾值分析物濃度之間的分析物濃度的值。可以使用所述第一分析方法基于一種或多種校準樣品的分析來預先確定所述閾值分析物濃度。所述光源可以包括在一定波長范圍內(nèi)發(fā)射光的可調(diào)諧激光源。所述探測器數(shù)據(jù)可以包括具有調(diào)制頻率和不具有調(diào)制頻率兩種情況下從所述光源發(fā)射的光的強度數(shù)據(jù)。所述第一分析方法可以包括使用用于所述分析物的第一吸收躍遷的調(diào)制光譜法， 所述第二分析方法可以包括使用用于所述分析物的第二吸收躍遷的調(diào)制光譜法。所述第一吸收躍遷可以強于所述第二吸收躍遷。所述第二分析方法可以包括使用用于所述分析物的第一吸收躍遷的直接吸收光譜法，所述第二分析方法可以包括使用用于所述分析物的第二吸收躍遷的調(diào)制光譜法。所述第一吸收躍遷可以強于所述第二吸收躍遷。用于所述分析物的第一吸收躍遷和用于所述分析物的第二吸收躍遷兩者可以都在可調(diào)諧激光器的掃描范圍內(nèi)。所述光源可以包括具有第一掃描范圍的第一可調(diào)諧激光器以及具有第二掃描范圍的第二可調(diào)諧激光器，其中所述第一掃描范圍可以包括用于所述分析物的第一吸收躍遷，所述第二掃描范圍可以包括用于所述分析物的第二吸收躍遷。對處于所述第一分析方法的第一有效范圍和所述第二分析方法的第二有效范圍重疊的校準范圍內(nèi)的分析物濃度，可以使用分析物濃度的第二計算來校準所述第一分析方法。光源可以包括可調(diào)諧二極管激光器(TDL)、量子級聯(lián)激光器(QCL)、水平腔激光器、垂直腔面發(fā)射半導體激光器(VCSEL)和用于可調(diào)諧光的非線性頻率發(fā)生的設備中的一個或多個。探測器設備可以用于提供探測器數(shù)據(jù)，并且可以包括光電二極管、光電探測器和光聲探測器中的一個或多個。樣品室可以容納供光在所述光源和對吸收率進行定量的探測器之間通過的一定體積的氣體。在一個相關方面中，一種方法可以包括接收代表當從光源發(fā)射的光以某一路徑長度通過一定體積的氣體時光的吸收率的探測器數(shù)據(jù)。該一定體積的氣體包括一定分析物濃度的分析物和一定背景化合物濃度的背景化合物。吸收率包括受分析物濃度和背景氣體濃度影響的目標吸收率以及受背景氣體濃度影響的參考吸收率。使用直接吸收法分析所述探測器數(shù)據(jù)以獲得代表所述參考吸收率的第一度量。還使用調(diào)制光譜法分析所述探測器數(shù)據(jù)以獲得代表所述目標吸收率的第二度量。使用所述第一度量來調(diào)整第二度量，以估計所述分析物濃度對所述第二度量的貢獻?；谒龇治鑫餄舛葘λ龅诙攘康呢暙I來確定所述分析物濃度，并且提升所述分析物濃度。可選地，所述光源可以包括具有第一掃描范圍的調(diào)制的可調(diào)諧激光器以及具有第二掃描范圍的未調(diào)制的可調(diào)諧激光器，其中所述第一掃描范圍包括所述目標吸收率的至少一部分，所述第二掃描范圍包括所述參考吸收率的至少一部分。描述了一種包括有形物化的機器可讀介質(zhì)的物品，該機器可讀介質(zhì)可被操作以使一個或多個機器(例如計算機等等)產(chǎn)生此處所描述的操作。類似地，還描述了一種可包括處理器和連接到所述處理器的存儲器的系統(tǒng)。存儲器可以包括一個或多個使所述處理器執(zhí)行此處所描述的一個或多個操作的程序。本發(fā)明所公開的主題可以提供一種或多種優(yōu)點，這些優(yōu)點包括但不限于擴展氣體分析器的動態(tài)范圍、實現(xiàn)自校準功能以及為腐蝕性環(huán)境中的校準提供了改進的方法。實現(xiàn)本發(fā)明所公開的主題的一個或多個方面的分析器可以測量從ppm水平到百分比水平的很寬范圍的目標種類，并且不需要重新校準就可以用于不同的背景氣體，還能夠克服與腐蝕性氣體/環(huán)境中的校準關聯(lián)的難題。附圖和下面的描述中闡明了本文所描述的主題的一種或多種變形的細節(jié)。通過該描述和附圖以及權(quán)利要求，本文所描述的主題的其他特征和優(yōu)點將得以顯現(xiàn)。


本說明書所結(jié)合有附圖，其構(gòu)成本說明書的一部分，顯示了本文所公開的主題的某些方面，并和描述一起來幫助解釋關于所公開的實施方式相關的一些原理。在圖中，圖1是顯示光譜測量系統(tǒng)的示意圖；圖2是顯示方法的過程流程圖3是顯示圖2中的方法的各方面的圖表；以及圖4是顯示方法的過程流程圖。在實際當中，相似的附圖標記表示相似的結(jié)構(gòu)、特征或元件。
具體實施例方式如圖1所示，系統(tǒng)100可包括工作在目標波長的光源102，其提供連續(xù)光束或脈沖形式的光104，光104在被探測器110探測之前通過一定體積106的樣氣。光源102可以包括一個或多個激光器，例如可調(diào)諧二極管激光器(TDL)、量子級聯(lián)激光器OiCL)、水平腔激光器、垂直腔面發(fā)射半導體激光器(VCSEL)或者其他類似的用于可調(diào)諧光的非線性頻率發(fā)生的設備。探測器110可以包括一個或多個光電二極管、光電探測器或光聲探測器。在一些實施方式中，體積106的樣氣可以容納在具有一個或多個窗口 114的樣品室(sample cell) 112中，連續(xù)光束或脈沖形式的光104通過窗口 114射入和射出體積106。樣品室112 可以是如圖1所示的流通室(flow through cell)，在該流通室中，氣體通過入口 116流入樣品室112并且通過出口 120流出樣品室112。除了圖1所示的配置之外，也可以使用其他的配置。例如，可以使用反光鏡、分光鏡，或者通過改變其他的幾何參數(shù)，例如光源102和/ 或探測器110的位置，來確立連續(xù)光束或脈沖形式的光104的路徑長度，即連續(xù)光束或脈沖形式的光104在樣氣106中傳播的距離。取決于待測分析物、分析物預期所處的濃度范圍以及樣氣106中可能干擾測量準確度的其他化合物或物質(zhì)的存在，連續(xù)光束或脈沖形式的光104可以穿過游離氣體(free gas)(例如管道中的)或者自由空氣(free air) 0或者， 可以在樣品室(例如如圖1所示的樣品室)中分析樣氣106的批體積(batch volume)，圖 1所示的樣品室具有額外的閥和/或真空或抽吸裝置以提供第一批體積的樣氣106，并從樣品室110移除該第一批體積以準備進行第二批體積的分析。調(diào)制光譜法是一種廣泛應用于靈敏痕量種類檢測的技術(shù)。在調(diào)制光譜法中，在調(diào)制頻率f處調(diào)制光源102的波長(或者振幅)，激光光源102所發(fā)射的光以某一路徑長度通過樣氣106。連續(xù)光束或脈沖形式的光104照射到探測器110上時的強度因振幅而異。 探測器110所產(chǎn)生的信號的傅里葉分析包括調(diào)制頻率f處的信號分量以及位于多倍調(diào)制頻率f(2f，3f，4f等等)處的諧波頻率處的信號分量。諧波頻率之一(例如2f)的解調(diào)產(chǎn)生能夠用于十分準確地確定樣氣106中的一種或多種分析物的頻率的信號。通過將相敏檢測 (phase-sensitive detection)移向較高的頻率，調(diào)制光譜法可以顯著降低1/f噪聲并且獲得高靈敏度。在一些示例中，表征分析物的單條吸收譜線的高度可以被量化為代表樣氣 106中的分析物濃度。調(diào)制光譜法對于檢測和定量低分析物濃度是高度靈敏的，可以從來自于探測器的解調(diào)信號直接定量分析物濃度。另外，可以使用鎖相放大器或其他信號過濾處理或設備以將由于分析物所引起的吸收信號與儀器中的本底漂移(background drift)或其他噪聲相隔離。但是，包括激光強度、探測器增益調(diào)定、信號放大、鎖相放大器設置等等的許多與硬件相關的參數(shù)可以影響2f信號的大小和形狀。同樣地，基于調(diào)制光譜法的傳感器可能需要在基準條件下進行校準，以消除硬件相關參數(shù)的依賴性。一旦進行了校準，通常就不能改變硬件設置?；?f光譜的痕量氣體分析器還可能被限制在其動態(tài)范圍內(nèi)。測量范圍可能由于多種原因而受到限制，這些原因包括但不限于數(shù)據(jù)采集設備的有限分辨率以及2f信號對痕量氣體濃度的有限線性響應。由于諧波線形對背景氣體成分變化的敏感性，調(diào)制光譜分析器中可能出現(xiàn)另一個潛在問題。背景流中的不同氣體可能會對諧波線形具有不同的影響。關于分析器的校準， 諧波線形直接決定了痕量氣體測量的準確度。由于被測痕量氣體與整個流中的其他氣體的相互作用而導致的線形的變化被稱為碰撞致寬。例如，如果用戶希望改為測量純O2、空氣或 CO2中的水氣的話，為測量純N2中的水氣而校準的基于2f的分析器可能需要返回制造商重新校準。背景分子的不同質(zhì)量和分子的結(jié)構(gòu)可能對2f線形造成很大的影響，因此對濃度讀數(shù)造成很大的影響。作為示例，當在選定的頻率調(diào)制振幅下，背景氣體分別從N2變成空氣 /02/C02，同時水氣濃度保持不變，則對隊中的水氣校準的2f諧波光譜可調(diào)諧激光器(TDL) 分析器被證明需要將濃度讀數(shù)乘以因子1. 25/2. 25/0. 38。因此，基于調(diào)制光譜的分析器的校準可能需要含有分析器工作所用的流中可能存在的全部成分的典型流(r印resentative stream)。對于腐蝕性氣流(例如純氨、純氯或純HCl中的水氣)以及對于含有毒氣(例如高濃度的吐5或々5!13、PH3HCN等等)的氣流而言，提供典型流在某些情況下可能是困難的、 高成本的或者是危害人類健康的。對這種分析條件的校準應當十分小心地進行，并且需要用于操作毒氣和高腐蝕性氣體的大量安全預防措施和昂貴的安全設施。盡管如此，在優(yōu)化和保障石化產(chǎn)品和天然氣采集、處理和運輸當中，水氣、C02、H2S、 C2H2以及其他污染物的痕量測量是至關重要的?？梢栽谡９に嚥僮鳁l件下使用調(diào)制光譜法來提供期望水平的準確度。但是，不正常條件(例如管道中的水氣堵塞(moisture plug)、反應器清潔事件或可能導致目標分析物的濃度暫時增加一兩個數(shù)量級或更高數(shù)量級的其他因素)可能導致具有相對較窄的動態(tài)范圍的儀器經(jīng)歷超出范圍錯誤。即使將使用調(diào)制光譜法的儀器調(diào)制成允許更寬的動態(tài)范圍，當濃度增加時，諧波信號也會出現(xiàn)非線性。在直接吸收光譜法中，不需要調(diào)制光源102的波長。連續(xù)光束或脈沖形式的光104 照射到探測器110上時的強度被量化為波長的函數(shù)。典型地，分析吸收光譜以確定一種或多種分析物的吸收峰的曲線下方的面積。一旦能夠完全分辨出整個線形，孤立線形下方的完整面積就不受譜線加寬效應影響。這就使得在快速變化的氣體成分和壓強由于碰撞致寬效應而使線形改變的惡劣環(huán)境中，直接吸收技術(shù)具有非常好的魯棒性。另外，可以使用光譜分辨的線形來區(qū)分作出貢獻的吸收與附近的背景種類躍遷。一旦已知總的壓強、路徑長度和譜線強度，直接吸收還可以在沒有任何校準的情況下確定絕對種類濃度。直接吸收可以在比諧波吸收測量更寬的分析物濃度范圍上有效。但是，直接吸收技術(shù)還可能具有各種缺點。當譜線加寬并且與來自于分析物本身和/或背景種類的相鄰譜線混合時，基線擬合(baseline fit)可能變得很難。由于噪聲的直接相加，直接吸收通常具有相對較低的檢測靈敏度。這種缺點可能會限制直接吸收法在本領域中用于痕量氣體感測。另外，還可能需要對可能由于散射、折射或者由樣氣106中的顆粒或其他氣體造成的吸收而變化的非零基線進行校正。另外，不容易使用鎖相放大器來隔離分析物吸收信號與來自于測量系統(tǒng)、光學器件、樣氣等等的電子噪聲或背景噪聲。可以使用已知濃度的校準氣體的測量來實現(xiàn)校正。在直接吸收光譜法中，由于系統(tǒng)和背景噪聲可隨時間變化，因此老化效應也可能是重要的。在上述可用系統(tǒng)中，為了準確的分析，在延長的服務期中可能需要定期重新校準。因此，盡管在需要非常低的絕對不確定度的低分析物濃度下，使用調(diào)制光譜法可以是有利的，但在大的動態(tài)濃度范圍中，可能會引入顯著的不準確度。相反，盡管直接吸收光譜法可以提供較寬的動態(tài)范圍，但在低濃度下獲得的相對準確度會降低。本發(fā)明目前所公開的主題的實施方式可包括為化學分析物的光學吸收測量提供自校準能力和擴展的動態(tài)范圍的系統(tǒng)、方法、裝置和設備。還可以克服校準難題，例如可能與有毒的和腐蝕性的氣體關聯(lián)的校準難題。直接吸收技術(shù)可以與調(diào)制光譜法聯(lián)用。在一些實施方式中，檢測方案可以在直接吸收測量技術(shù)和調(diào)制光譜測量技術(shù)之間切換，在一些實施方式中使用相同的光源、探測器和其他光學設備。通過直接吸收技術(shù)和調(diào)制光譜法的聯(lián)用，可以克服調(diào)制光譜法固有的一個或多個問題，這些問題可能包括但不限于有限的動態(tài)范圍、勞動密集型校準過程以及對背景流變化的有限的忍耐力，也可以克服直接吸收技術(shù)中固有的一個或多個問題，這些問題可能包括但不限于較低的檢測靈敏度(相對于調(diào)制光譜法而言)和基線模糊。圖2的過程流程圖200中顯示了符合本主題的方法。在步驟202中，例如在處理器處接收探測器數(shù)據(jù)。探測器數(shù)據(jù)代表當從光源發(fā)射的光以某一路徑長度通過一定體積的氣體時光的吸收率。該體積的氣體包括一定分析物濃度的分析物。分析物濃度可以吸收以該連接長度通過氣體的光的一部分強度。在步驟204和步驟206中，分別使用第一分析方法和第二分析方法來分析探測器數(shù)據(jù)，以獲得分析物濃度的第一計算和第二計算。如果在步驟201中確定分析物濃度的第一計算指示濃度超出第一分析方法的第一目標范圍，則在步驟212中將第二計算提升為分析物濃度。該提升可包括將第二計算存儲到計算機可讀介質(zhì)中、在顯示設備上顯示第二計算或打印輸出等等。在一些實施方式中，光源102可以是可調(diào)諧激光器。第一分析方法可以是調(diào)制光譜法，第二分析方法可以是直接吸收光譜法，這兩種方法都可以使用相同的光源102和探測器110來執(zhí)行?？梢越Y(jié)合有如圖1所示的控制器122，以接收和分析來自于探測器110的探測器數(shù)據(jù)并且根據(jù)所要使用的分析方法來控制光源102。探測器數(shù)據(jù)可以由可包括光電二極管、光電探測器和光聲探測器中的一個或多個的探測器來提供。在一種或多種實施方式中，可以將激光器驅(qū)動電路編程設定為開啟/關閉對可調(diào)諧二極管激光器的激光掃描的高頻調(diào)制。當從測量到的諧波調(diào)制信號推斷出的種類濃度大于被計算為確保相應的吸收率大于諸如0.1的閾值的預設值時，程序可以切斷高頻調(diào)制， 從而測量技術(shù)可以從諧波吸收切換到直接吸收。之后可以使用已知的總壓強、路徑長度和譜線強度通過吸收線形的完整面積來確定種類濃度。由于直接吸收技術(shù)可以從線形的完整面積得到絕對種類濃度，因此可以使用直接吸收技術(shù)來校準調(diào)制光譜信號。在一種實施方式中，可以按照如下方式進行這種自校準。含有目標種類的氣體混合物通過分析器，其中種類濃度在特定預設范圍內(nèi)，以使所得到的吸收率介于例如0.01和0. 1之間。例如可以通過用戶按下分析器上的“校準”按鈕來開始校準順序，使軟件程序使用調(diào)制光譜法和直接吸收技術(shù)來自動進行測量。例如，在系統(tǒng)切換到直接吸收技術(shù)之前，可以對調(diào)制光譜信號測量1分鐘，然后在系統(tǒng)切換到直接吸收技術(shù)之后對調(diào)制光譜信號再測量1分鐘?？梢允褂猛ㄟ^直接吸收技術(shù)測量的濃度來校準之前測量到的調(diào)制光譜信號。通過改變操作壓強，可以以相同的方式完成壓強校正校準。圖3顯示了圖表300，其顯示了根據(jù)本文所公開的主題的包括擴展的動態(tài)范圍和 “自校準”功能的測量策略的細節(jié)，下面將對其進行更詳細的描述。圖3所顯示的示例是基于一個特定的吸收躍遷(absorbance transition)和路徑長度。在這種情況下，10_4的吸收率對應于0. 9ppm的種類濃度?；谶@里所公開的測量策略，當吸收率大于10_2 (在這種情況下為90ppm)時，程序可以自動從2f諧波(調(diào)制)光譜分析法302切換到直接吸收304。 為了避免可能的光學密集問題(optically dense problem)，可以將測量范圍限制在小于大約0. 8 (在這種情況下，其對應于大約7200ppm的濃度)的吸收率。通過這種方式，分析器可以具有相對于典型的2f分析器而言大大擴展的測量范圍。在這里所討論的示例中，可以將測量范圍從0 90ppm擴展到0 7200ppm。在符合本主題的另一種實施方式中，可以通過使用兩個在附近波長處發(fā)生的吸收躍遷(一個較強的吸收躍遷和一個較弱的吸收躍遷)來解決動態(tài)范圍限制。在這種情況下， 第一分析方法和第二分析方法兩者可以是相同的(例如調(diào)制光譜法)。分析器可以對低測量范圍使用較強的吸收躍遷，對高測量范圍使用較弱的吸收躍遷，從而與僅使用單一吸收躍遷相比，可以擴展測量范圍。在一些變形中，可以使用兩個合適的吸收躍遷，這兩個吸收躍遷足夠接近，能夠被單個可調(diào)諧激光光源掃描。取決于樣氣106的分析物和背景成分，可能很難找到兩個具有必要的頻率間隔的吸收躍遷。如果兩個吸收躍遷彼此太過接近的話，兩條譜線可能重疊，強躍遷的翼可能會影響較弱吸收躍遷的測量。從而可能會危害到測量準確度。如果兩個吸收躍遷沒有接近到足以被單一激光掃描覆蓋，則可以手動或者通過編好的程序來改變提供入射光的二極管激光器的工作溫度，以達到每個吸收躍遷。這可能會增加操作難度并且降低分析器的魯棒性。尋找合適的吸收譜線對有時是不切實際的，特別是當考慮到背景氣體的干擾時更是如此。光源中的第二可調(diào)諧激光器可被結(jié)合到光源102中，以覆蓋第二吸收躍遷。可以使用預校準(pre-calibration)來解決為不同的背景氣體重新校準的問題。 在這種方法中，可以準備儀器針對不同的背景氣體的預校準，并基于預期背景氣體將它們事先預編程到分析器中。例如，如果用戶打算測量隊或吐中的水氣濃度，則可以在工廠中針對隊和H2背景兩者來校準分析器。不同的校準系數(shù)可以被記錄并存儲到分析器中。之后使用者可以基于正在分析的背景氣體來選擇相應的校準系數(shù)。這種方法的一個潛在的缺點是儀器沒有預校準過的背景氣體的分析需要新的校準。另外，這種方法不能解決動態(tài)范圍問題或腐蝕性氣體的問題。此外，當兩個背景氣體在正在測量的痕量分析物的光譜范圍中都沒有吸收時，沒有已知的方法能夠使分析物在兩個存儲的背景氣體校準之間自動選擇。在實際操作條件下，對于在含有諸如烴氣的紅外吸收氣體的測量流和諸如隊、空氣、O2，、 H2、C12或惰性氣體的在測量痕量分析物正在使用的特殊波長沒有吸收的氣體之間切換的情形而言，這種自動化的方法可能是有利的。如果待分析的氣體混合物中的背景氣體是高度腐蝕性的，則應小心翼翼地進行校準。為了防止被背景氣體腐蝕，整個校準系統(tǒng)應由高度耐腐蝕的材料制成。這通常會提高分析器成本，并且可能需要額外的勞動來進行系統(tǒng)配置。尋找用于準備這種校準的好的方法可能也是十分困難的。例如，為了校準分析器以確定純的氨氣或氯氣或其他活性氣體中的水氣濃度，不能使用冷鏡作為用于水氣濃度的基準，因為活性成分會與水氣結(jié)露反應，導致不正確的“酸”露點讀數(shù)。滲透管是另一種可能的校準方法。滲透管通常最適合于在痕量水平范圍下工作，并且要求運載氣體的非常精確的溫度和流速控制。滲透管不容易在腐蝕性氣體中產(chǎn)生百分比水平的水氣。在本主題的另一種擴展方式中，第一分析方法和第二分析方法之間的重疊區(qū)域 306可以用于儀器的“自校準”。通過對具有重疊區(qū)域306中的分析物濃度的氣體在調(diào)制光譜法和直接吸收法之間切換測量方案，可以通過直接吸收法的完整面積來校準調(diào)制光譜信號的峰高。通過這種方式，不需要工廠重新校準，就可以分析具有分析器預設過的不同的背景氣體的氣體混合物。相反，分析器可以自校準。用于這種自校準過程的氣體可以是具有已知濃度的校準氣體或者是樣氣。直接吸收法與調(diào)制光譜法在單一儀器中的聯(lián)用還可以提供有價值的內(nèi)部自檢能力以隨時間監(jiān)視儀器性能。在一些實施方式中，可以記錄重疊區(qū)域306中的為測量采集的數(shù)據(jù)并與處于工廠校準的原始條件時的儀器的初始性能相比較。即使是在初始條件下，在重疊區(qū)域306中兩種測量之間也很可能存在偏移(offset)。但是，該偏移如何變化的觀測可以用來對儀器對給定分析物濃度的響應的變化進行自修正，所述變化例如是由于光學表面上由老化、冷凝等等所引起的污染物的形成而產(chǎn)生的。可以檢測偏移中的絕對偏差 (deviation)并且構(gòu)造算法來提供持續(xù)的自修正。上述儀器自修正的方法可以是有利的，因為影響基波光譜響應(base spectral response)的因素通常不會影響調(diào)制光譜法，這些因素在較高次諧波信號中不出現(xiàn)，但直流衰減(DC attenuation)效應和諧波信號中的碰撞致寬所引起的錯誤則可能會影響調(diào)制光譜法。相反，直接吸收法直接測量吸收響應的光譜線形，因此就顯示出碰撞致寬、光學污染等等的效應。使用本主題，可以補償使用直接吸收法對諧波線形造成的碰撞致寬效應。在一些情況下，諧波線形可被認為類似于吸收峰的二階導數(shù)。同樣地，通常作為調(diào)制光譜法中的被測參數(shù)的峰谷高度可能嚴重依賴于峰的線形。相反，直接吸收法利用線形下方的完整面積， 因此是不需要關于峰的形狀的假定的分析物濃度的更直接的測量。因此，使用氣體樣品的直接吸收法測量和調(diào)制光譜法測量，諧波方法中所觀察到的峰高與待估計的實際濃度通過比例因子聯(lián)系起來。當過程條件提供重疊區(qū)域306中的濃度時，或者通過周期性地注入具有重疊區(qū)域306中的已知濃度的參考氣體或者含有足夠濃度的分析物的參考氣體以將過程條件濃度暫時提高到重疊區(qū)域306中，可以進行這種測量。根據(jù)本主題的另一實施方式，可以使用調(diào)制光譜法來分析氣體樣品中的分析物的目標吸收躍遷。可以同時或相繼地使用直接吸收法與調(diào)制光譜法來分析表征氣體樣品中存在的背景化合物的參考吸收躍遷。除了參考吸收躍遷之外，使用調(diào)制光譜法時，背景化合物還可能具有與目標吸收躍遷的準確表征重疊或混淆的干擾背景吸收躍遷?；谕ㄟ^直接吸收法分析的參考吸收躍遷，可以推斷出氣體樣品中的背景化合物的濃度。使用背景化合物的該推斷濃度，可以計算在目標吸收躍遷使用調(diào)制光譜法觀察到的光譜響應中有多少是由于干擾背景吸收躍遷的效應所造成的?？梢源_定背景氣體調(diào)整因子，以將參考吸收躍遷處定量的吸收率與由于背景化合物的目標吸收躍遷處定量的光吸收率聯(lián)系起來。使用背景氣體調(diào)整因子，可以通過使用背景化合物在目標吸收躍遷處的干擾的推斷值來調(diào)整目標吸收躍遷處觀察到的吸收率，從而計算氣體樣品中的分析物濃度。在具有很大背景濃度的一種或多種具有可與分析物的目標吸收躍遷重疊的光譜躍遷(spectral transition)的化合物的氣體樣品中，使用直接吸收法來表征參考吸收躍遷可能是非常重要的。例如，在天然氣或甲烷背景中，如果背景化合物存在很高的濃度的話，使用調(diào)制光譜法來定量參考吸收躍遷可以限制背景化合物的吸收光譜的峰的數(shù)目。在這種情形中，由于調(diào)制光譜法能夠精確應用的動態(tài)濃度范圍相對較窄，調(diào)制光譜法可能只對具有非常弱的吸收率的背景化合物的吸收躍遷有用。圖4的過程流程圖400顯示了上述方法的實施方式。在步驟402中，接收代表當光源所發(fā)射的光以某一路徑長度通過一定體積的氣體時的光的吸收率的探測器數(shù)據(jù)。該體積的氣體包括一定分析物濃度的分析物和一定背景化合物濃度的背景化合物，吸收率包括受分析物濃度和背景氣體濃度影響的目標吸收率以及受背景氣體濃度影響參考吸收率。在步驟404中，使用直接吸收法分析探測器數(shù)據(jù)，以獲得代表參考吸收率的第一度量。在步驟 406中，使用調(diào)制光譜法分析探測器數(shù)據(jù)，以獲得代表目標吸收率的第二度量。在步驟410 中使用第一度量來調(diào)整第二度量，以估計分析物濃度對第二度量的貢獻。在步驟412中基于分析物濃度對第二度量的貢獻來確定分析物濃度，在步驟414中提升分析物濃度。本文所描述的主題可以根據(jù)所需的配置被具體化為系統(tǒng)、裝置、方法和/或物品。 特別地，可以在電子電路、集成電路、專門設計的專用集成電路(ASIC)、計算機硬件、固件、 軟件和/或其組合中實現(xiàn)本文所描述的主題的不同實施方式。這些不同的實施方式可以包括能夠在包括至少一個可編程處理器的可編程系統(tǒng)上執(zhí)行和/或解釋的一個或多個計算機程序中的實施方式，所述可編程處理器被專用或通用地連接以從存儲系統(tǒng)、至少一個輸入設備和至少一個輸出設備接收數(shù)據(jù)和指令并向其發(fā)送數(shù)據(jù)和指令。也被稱為程序、軟件、軟件應用程序、應用程序、組件或代碼的這些計算機程序包括用于可編程處理器的機器指令，并且可以在高級過程化程序設計語言和/或面向?qū)ο蟮某绦蛟O計語言中和/或在匯編/機器語言中實現(xiàn)。本文所使用的術(shù)語“機器可讀介質(zhì)”指的是用于向可編程處理器提供機器指令和/或數(shù)據(jù)的任意的計算機程序產(chǎn)品、裝置和/或設備，例如磁盤、光盤、存儲器和可編程邏輯器件(PLD)，其中所述可編程處理器包括接收機器指令作為機器可讀信號的機器可讀介質(zhì)。術(shù)語“機器可讀信號”指的是用于向可編程處理器提供機器指令和/或數(shù)據(jù)的任意信號。機器可讀介質(zhì)可以非瞬時地存儲這種機器指令， 例如如同非瞬時固態(tài)存儲器或磁硬盤驅(qū)動器或任何等效的存儲介質(zhì)。替代地或另外地，機器可讀介質(zhì)可以以瞬時方式存儲這種機器指令，例如如同處理器緩存或與一個或多個物理存儲器內(nèi)核關聯(lián)的其他隨機存取存儲器。為了提供與用戶的交互，可以在具有用于向用戶顯示信息的顯示設備(例如陰極射線管(CRT)或液晶顯示器(LCD)監(jiān)視器)和用戶可以通過其向計算機提供輸入的鍵盤和定點設備(例如鼠標或軌跡球)的計算機上實施本文所描述的主題。也可以使用其他類型的設備來提供與用戶的交互。例如，向用戶提供的反饋可以是任意形式的感覺反饋，例如視覺反饋、聽覺反饋或觸覺反饋；來自于用戶的輸入可以以任意形式被接收，這些形式包括但不限于聲音輸入、語音輸入或觸覺輸入?？梢栽诎ê蠖私M件(例如一個或多個數(shù)據(jù)服務器)或者包括中間組件(例如一個或多個應用服務器)或者包括前端組件(例如一個或多個具有圖形用戶界面的客戶端計算機或者用戶可以通過其與本文所描述的主題的實施方式交互的網(wǎng)絡瀏覽器)或者這種后端組件、中間組件或前端組件的任意組合的計算系統(tǒng)中實施本文所描述的主題。系統(tǒng)的組件可以通過任意形式或介質(zhì)的數(shù)字數(shù)據(jù)通信(例如通信網(wǎng)絡)互相連接。通信網(wǎng)絡的示例包括但不限于局域網(wǎng)(“LAN”)、廣域網(wǎng)(“WAN”)和國際互聯(lián)網(wǎng)。計算系統(tǒng)可以包括客戶端和服務器?？蛻舳撕头掌饕话愣?但并不排除其他情況)彼此之間距離遙遠，通常通過通信網(wǎng)絡互相作用。通過各個計算機上運行的彼此之間具有客戶端-服務器關系的計算機程序，客戶端和服務器產(chǎn)生關系。上文的描述中所闡明的實施方式不代表符合本文所描述的主題的全部實施方式。 相反，其僅僅是符合所描述的主題的相關方面的一些示例。盡管上文中詳細描述了一些變形，但其他的修改或增加也是可能的。特別地，除了本文所闡明的那些特征和/或變形以外，還可以提供其他的特征和/或變形。例如，上文所描述的實施方式可以針對所公開的特征的各種組合和子組合和/或上文所述的幾個其他特征的組合和子組合。另外，附圖中所顯示和/或本文所描述的邏輯流程不是必須按照所顯示的特定次序或者按照順序來獲得所需要的結(jié)果。其他實施方式也在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種方法，包括在處理器處接收代表當從光源發(fā)射的光以某一路徑長度通過一定體積的氣體時光的吸收率的探測器數(shù)據(jù)，該一定體積的氣體包括一定分析物濃度的分析物；使用第一分析方法分析所述探測器數(shù)據(jù)，以獲得所述分析物濃度的第一計算，所述第一分析方法具有第一目標范圍；使用第二分析方法分析所述探測器數(shù)據(jù)，以獲得所述分析物濃度的第二計算，所述第二分析方法具有不同于所述第一目標范圍并在所述第一目標范圍之外擴展的第二目標范圍；確定所述分析物濃度的第一計算指示所述分析物濃度超出所述第一目標范圍，以及將所述第二計算提升為所述分析物濃度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一分析方法包括調(diào)制光譜法，所述第二分析方法包括直接吸收光譜法。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述第一目標范圍包括介于零和閾值分析物濃度之間的分析物濃度的值。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中使用所述第一分析方法基于一種或多種校準樣品的分析來預先確定所述閾值分析物濃度。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述光源是在一定波長范圍內(nèi)發(fā)射光的可調(diào)諧激光源。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述探測器數(shù)據(jù)包括具有調(diào)制頻率和不具有調(diào)制頻率兩種情況下從所述光源發(fā)射的光的強度數(shù)據(jù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一分析方法包括使用用于所述分析物的第一吸收躍遷的調(diào)制光譜法，所述第二分析方法包括使用用于所述分析物的第二吸收躍遷的調(diào)制光譜法，所述第一吸收躍遷強于所述第二吸收躍遷。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第二分析方法包括使用用于所述分析物的第一吸收躍遷的直接吸收光譜法，所述第二分析方法包括使用用于所述分析物的第二吸收躍遷的調(diào)制光譜法，所述第一吸收躍遷強于所述第二吸收躍遷。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中用于所述分析物的第一吸收躍遷和用于所述分析物的第二吸收躍遷兩者都在可調(diào)諧激光器的掃描范圍內(nèi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述光源包括具有第一掃描范圍的第一可調(diào)諧激光器以及具有第二掃描范圍的第二可調(diào)諧激光器，其中所述第一掃描范圍包括用于所述分析物的第一吸收躍遷，所述第二掃描范圍包括用于所述分析物的第二吸收躍遷。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括對處于所述第一分析方法的第一有效范圍和所述第二分析方法的第二有效范圍重疊的校準范圍內(nèi)的分析物濃度，使用分析物濃度的第二計算來校準所述第一分析方法。
12.一種方法，包括在處理器處接收代表當從光源發(fā)射的光以某一路徑長度通過一定體積的氣體時光的吸收率的探測器數(shù)據(jù)，該一定體積的氣體包括一定分析物濃度的分析物和一定背景化合物濃度的背景化合物，吸收率包括受分析物濃度和背景氣體濃度影響的目標吸收率以及受背景氣體濃度影響的參考吸收率；使用直接吸收法分析所述探測器數(shù)據(jù)以獲得代表所述參考吸收率的第一度量； 使用調(diào)制光譜法分析所述探測器數(shù)據(jù)以獲得代表所述目標吸收率的第二度量； 使用所述第一度量來調(diào)整第二度量，以估計所述分析物濃度對所述第二度量的貢獻； 基于所述分析物濃度對所述第二度量的貢獻來確定所述分析物濃度；以及提升所述分析物濃度。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述光源包括具有第一掃描范圍的調(diào)制的可調(diào)諧激光器以及具有第二掃描范圍的未調(diào)制的可調(diào)諧激光器，其中所述第一掃描范圍包括所述目標吸收率的至少一部分，所述第二掃描范圍包括所述參考吸收率的至少一部分。
14.一種系統(tǒng)，包括當被至少一個處理器執(zhí)行時令至少一個處理器執(zhí)行下列操作的存儲指令的機器可讀介質(zhì)在處理器處接收代表當從光源發(fā)射的光以某一路徑長度通過一定體積的氣體時光的吸收率的探測器數(shù)據(jù)，該一定體積的氣體包括一定分析物濃度的分析物；使用第一分析方法分析所述探測器數(shù)據(jù)以獲得所述分析物濃度的第一計算； 使用第二分析方法分析所述探測器數(shù)據(jù)以獲得所述分析物濃度的第二計算，所述第二分析方法具有不同于所述第一目標范圍并在所述第一目標范圍之外擴展的第二目標范圍；確定所述分析物濃度的第一計算指示所述分析物濃度超出所述第一分析方法的第一目標范圍，以及將所述第二計算提升為所述分析物濃度。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述第一分析方法包括使用用于所述分析物的第一吸收躍遷的調(diào)制光譜法，所述第二分析方法包括使用用于所述分析物的第二吸收躍遷的調(diào)制光譜法，所述第一吸收躍遷強于所述第二吸收躍遷。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述第二分析方法包括使用用于所述分析物的第一吸收躍遷的直接吸收光譜法，所述第二分析方法包括使用用于所述分析物的第二吸收躍遷的調(diào)制光譜法，所述第一吸收躍遷強于所述第二吸收躍遷。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，進一步包括至少一個處理器。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，進一步包括光源，其包括可調(diào)諧二極管激光器 (TDL)、量子級聯(lián)激光器OiCL)、水平腔激光器、垂直腔面發(fā)射半導體激光器(VCSEL)和用于可調(diào)諧光的非線性頻率發(fā)生的設備中的一個或多個。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，進一步包括提供探測器數(shù)據(jù)的探測器設備，所述探測器設備包括光電二極管、光電探測器和光聲探測器中的一個或多個。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，進一步包括樣品室，所述樣品室容納所述一定體積的氣體，光在所述光源和對吸收率進行定量的探測器之間通過時經(jīng)過所述樣品室。
全文摘要
可以使用第一分析方法來分析代表從光源發(fā)出并以某一路徑長度通過氣體之后照射到探測器上的光的強度的探測器數(shù)據(jù)，以獲得該一定體積的氣體中的分析物濃度的第一計算，并且使用第二分析方法來分析該探測器數(shù)據(jù)以獲得分析物濃度的第二計算。當確定分析物濃度超出第一分析方法的第一目標范圍時，可以將第二計算提升為分析物濃度。
文檔編號G01N21/25GK102272564SQ201080004231
公開日2011年12月7日 申請日期2010年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月12日
發(fā)明者A·法伊蒂施, X·周, 劉翔 申請人:光學傳感器公司