測量多個波長處的吸收的光學探頭的製作方法

2023-09-16 17:19:30 1

專利名稱：測量多個波長處的吸收的光學探頭的製作方法
測量多個波長處的吸收的光學探頭本發明涉及測量多個波長處的吸收的光學探頭。本發明的領域涉及通過光譜測定來分析可以是氣體或液體的流體介質的吸收。這樣的分析通過光學探頭執行，該光學探頭包括具有發射模塊與檢測模塊的分析單元。發射模塊包括位於透射窗背後的光源，該透射窗位於該發射模塊的主體上。可能的情況下，濾波器被設在光源與窗之間(單色分析或準單色分析)。檢測模塊包括位於窗孔背後的檢測器，該窗孔位於該檢測模塊的主體上。在可能的情況下，濾波器被設在窗孔與檢測器之間。待分析的介質位於發射模塊與檢測模塊之間。已知分析分兩個階段執行。在第一階段，校準包括在基準介質上執行吸收測量。在第二階段，確切的測量包括對待分析的臨界介質執行相同的操作。臨界介質的吸收被基準介質的吸收加權。可發現，發射模塊在其使用壽命期間經受不停增大的各種偏移。尤其可注意到-臨界介質的溫度變化，-發射光源的功率變化，-由該光源發射的光束的角度剖面變化，-發射光譜變化，-光噪音的出現與增加。這些偏移不受控制且通常以隨機方式產生。不可能估算出這些偏移變得足夠大以幹擾分析的時刻。然而，這些偏移中的每個需要都重新校驗，才能完成在相同條件下在基準介質和臨界介質上進行的測量。校驗因此應該周期性地重複且不用多言涉及嚴格的約束條件。因此，文獻FR2939894提出測量吸收的光學探頭，其包括第一單元或分析單元，該第一單元包括發射模塊以及能夠產生檢測信號的檢測模塊。該光學探頭還包括能夠產生監測信號的第二單元或監測單元，該監測單元被布置在把發射模塊連接到檢測模塊的光路上。當涉及對單個波長執行分析時，該探頭已足夠。相對而言，當需要分析多個波長時，必須提供用於各波長的探頭。本發明的目的因此在於允許通過兩個單元測量多個波長處的吸收的光探頭。按照本發明，光學探頭包括-第一單元，包括第一發射模塊和能夠產生第一檢測信號的第一檢測模塊，-第二單元，包括能夠產生第一發射模塊的第一監測信號的第二檢測模塊，-控制電路，通過第一監測信號對第一檢測信號進行加權，產生第一測量信號；此外，第二單元包括第二發射模塊，第二檢測模塊能夠產生第二檢測信號，且第一檢測模塊能夠產生第二發射模塊的第二監測信號。通常，單元各自呈現具有主動表面的密封主體的形式。更好地，單元分別被布置在位於單元的主動表面上的窗孔後面。按照附加的特徵，檢測模塊中的每個檢測模塊被放置在與相應的窗孔鄰近的局部反光板後面。優選地，檢測器都是相同的。此外，單元由連接裝置連接，這些單元的主動表面相互面對。舉例而言，第一測量信號Qm等於檢測信號與監視信號的比率。更好地，控制電路把以下值存儲在存儲器中:-基準測量值Qr，-基準吸收Ar，-特徵長度Lc,詞語Ln意思是自然對數，該控制電路產生由以下表達式得出的吸收值Am:Am=Ar- (Ln (((Qm-Qr) /Qr) +1) /Lc)。優選地，控制電路具有溫度補償。例如，溫度補償藉助於兩個常數Kl和K2、校準溫度Θ ^以及實現測量的溫度Θ，基於以下表達式實現:Qm ( Θ ) /Qr ( Θ 0) =exp ((Ar-Am).Lc).(Θ+Κ1)/(Θ0+Κ1).(Θ0+Κ2)/(Θ+Κ2)。
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按照一實施變型，發射模塊之一包括照射檢測模塊的兩個光源，這兩個光源通過局部反光板而面對檢測模塊。通過參考附圖在對以示例方式給出的實施例的描述中，本發明將顯得更加清楚，在附圖中:-

圖1，測量吸收的光學探頭的透視圖，-圖2，該光學探頭的機械安裝的剖面示意圖，特別地:.圖2a,第一選擇方案，.圖2b，第二選擇方案，-圖3，該光學探頭的電路安裝原理的示意圖，以及-圖4，該光學探頭的變型的剖面示意圖。存在於多個附圖中的元件被賦予單獨且一致的標號。參考圖1，光學探頭具有兩不同的元件，第一單元Cl和第二單元C2。在目前的示例中，這兩個單元各自具有柱形主體，其通過在此呈上梁LI和下梁L2形狀的連接裝置連接。該連接如此實現使得兩柱形主體保持共軸。這兩個主體的相對表面此後被命名為主動表面。自然地，待分析的介質存在於這兩個主動表面之間。參考圖2a，按照第一選擇，第一單元Cl主要包括第一發射模塊LEDl (例如電致發光二極體)以及第一檢測模塊Dl。這兩個第一模塊LED1、Dl位於第一窗孔Hl背後,該窗孔體現出第一單兀Cl的主動表面。根據該光源的性質，可能必須在光源與窗孔Hl之間提供帶通濾波器。如果發射模塊是具有相對較窄發射光譜的電致發光二極體，則濾波器不總是必需的。第一檢測模塊包括第一檢測器Dl,該檢測器被設在該第一窗孔Hl的背後,靠近第一發射模塊LEDl。第一局部反光板PRl被插入第一窗孔Hl和第一檢測器Dl之間。該局部反光板還可與窗孔合併。類似地，第二單元C2包括第二發射模塊LED2和第二檢測模塊D2。
這兩個第二模塊LED2、D2被設在第二窗孔H2背後，該窗孔體現出第一單元C2的
主動表面。 第二檢測模塊包括第二檢測器D2，第二檢測器D2位於該第二窗孔H2後，靠近第二發射模塊LED2。第二局部反光板PR2被插入第二窗孔H2和第二檢測器D2之間。由於待分析的介質是流體，所以單元Cl、C2顯然是密封的。這些單元因此在與其主動表面相對的一側分別具有壁。以上介紹隱含地認為，這些單元的主體對用於分析的輻射是不透明的。不用把其視作對本發明的限定，本發明還能應用在該主體對該輻射透明的情況。因此應當理解，術語窗孔應理解為最寬泛的範圍，也就是說透明表面。優選地，為了優化探頭的性能，第二檢測器D2等同於第一檢測器Dl。類似地，兩個窗孔H1、H2具有相同的性質。因此探頭的機械布置使得來自第一發射模塊LEDl的光束依次穿過第一窗孔H1、待分析的介質、然後是第二窗孔H2。該光束隨後到達第二局部反光板PR2，在該反光板上，光束部分地傳輸至第二檢測器D2並部分地朝向第一窗孔Hl反射，以便最後穿過第一局部反光板PRl併到達第一檢測器Dl。類似地，來自第二發射模塊LED2的光束依次穿過第二窗孔H1、待分析的介質、然後是第一窗孔Hl。該光束然後到達第一局部反光板PRl,在該反光板上，光束部分地傳輸至第一檢測器Dl而部分地朝向第二窗孔H2反射，以便最後穿過第二局部反光板PR2併到達第二檢測器D2。在此，窗孔H1、H2基本垂直於探頭的軸線。允許兩個檢測器Dl、D2各自被兩個發射模塊LED1、LED2的配置是通過把檢測器設置為平行於探頭的軸線並使發射模塊相對於該軸線傾斜而獲得的。因此，第二檢測器D2被插入把第一發射模塊LEDl與第一檢測器Dl相連的光路上。類似地，第一檢測器Dl被插入把第二發射模塊LED2與第二檢測器D2相連的光路上。參考圖3，現將詳細說明光學探頭的電路安裝，以及測量在第一檢測器Dl的接收光帶中的吸收的方式，並假設唯有第一發射模塊LEDl被激活。控制電路CC接收-第一檢測器Dl的第一檢測信號DSl,-第二檢測器D2的第一監測信號MSl。控制電路CC產生吸收係數A或允許獲得該係數的任何中間值。現在採用以下標註-10，由第一發射模塊LEDl發射的強度，-1I,由第一檢測器Dl接收的強度，以第一檢測信號DSl表不，-12，由第二檢測器D2接收的強度，以第一監測信號MSl表示，-R,第二窗孔H2的反射係數，-T，該第二窗孔H2的透射係數，-G2，第一發射模塊LEDl與第二窗孔H2之間的衰減係數，-Gl，第一發射模塊LEDl與第一窗孔Hl之間的衰減係數，-Lc，兩窗孔Hl、H2之間的距離，
-A,吸收係數，更特別地，在基準介質中該係數為Ar (由控制電路CC存儲)，以及在待分析的介質中該係數為Am，-exp,指數函數，以及-Ln,自然對數。衰減係數考慮到檢測器不接收在其方向發射的所有光通量的事實。因此衰減係數取決於幾何特性，而不取決於吸收係數，吸收係數則取決於被分析的介質的物理化學性質。由第二檢測器接收的強度等於:12=10.T.G2.exp (_A.Lc)由第一檢測器接收的強度等於:11=10.R.Gl.exp (_2A.Lc)在此最好強調，為了優化探頭的靈敏度，第二窗孔Η2因此可被設計為使得這兩個強度12和Il是相同的量級。該窗孔的局部反射可以不同的方式、尤其通過以下方式獲得:-具有精細厚度的金屬塗層，-不透明的反光金屬層，其中布置有棋盤、線狀等的開口；-具有中央開口的鏡面，-介質鏡；-局部覆蓋該窗孔的鏡面。因此把測量值Q定義為由第一檢測器Dl接收的強度與由第二檢測器D2接收的強度之比:Q=I 1/12Q= ((R.Gl) / (Τ.G2)).exp (_A.Lc)表達式(R.Gl) / (T.G2)是等於K的常量:Q=K.exp (_A.Lc)可發現唯有兩窗孔H1、Η2之間的距離Lc起作用，因此其成為光學探頭的特徵長度。該特徵長度Lc由控制電路CC存儲。在基準介質中的校準給出基準測量值Qr:Qr=K.exp (-Ar.Lc)該基準測量值也由控制電路CC存儲。在待分析的介質中的測量給出測量信號Qm:Qm=K.exp (-Am.Lc)隨後得出:(Qm-Qr)/Qr=exp((Ar-Am).Lc)-1控制電路由此產生希望得到的吸收係數Am:Am=Ar- (Ln (((Qm-Qr) / Qr) +1) /Lc) [I]還有用來獲得待分析的介質的吸收係數Am的其它方法。例如，直接計算測量信號Qm與基準測量值Qr之比:Qm/Qr=exp ((Ar-Am).Lc)從中可得:Am=Ar - (Ln (Qm/Qr) /Lc) [2]
等式[I]和[2]相同，本發明針對從以上闡述的原理推導出的所有方案。在可能的情況下可以提供溫度補償，以便考慮到校驗與確切的測量不在相同的溫度下進行。假設強度根據溫度Θ而線性變化，這些變化通過四個常量α、β、X和δ而被量化:現在，由第二檢測器D2接收的強度等於:12 ( Θ ) =10.Τ.G2.exp (_A.Lc).( χ θ + δ ) [3]由第一檢測器接收的強度等於:11(0)=10.R.Gl.exp (-2A.Lc).(α θ+β) [4]測量值Q ( θ )總是等於第一檢測器Dl接收的強度與第二檢測器D2接收的強度之比:Q( Θ )=11( Θ )/12( Θ )Q ( Θ ) =K.exp (_A.Lc).( α θ + β ) / ( χ θ + δ)然後在基準介質中執行校準，知道該基準介質在校準溫度Θ ^下的吸收:Q ( Θ 0) =K.exp (-Ar.Lc).( α θ 0+ β ) / ( χ θ 0+ δ )在溫度θ下在待分析的介質中的測量給出測量信號Qm( Θ ):Qm ( Θ ) =K.exp (-Am.Lc).( α θ + β ) / ( χ θ + δ)從中得出:Qm ( θ ) /Qr ( θ 0) =exp ( (Ar-Am).Lc).( α θ + β ) / ( χ θ + δ ).( χ θ 0+ δ ) /(α θ 0+ β )Qm( θ ) /Qr ( θ 0) =exp ((Ar-Am).Lc).(0+3/a)/(0Q+3/a).(θ0+δ/χ)/(θ + δ / χ )β/α和δ/χ的確定由實驗方式進行。對於吸收不隨溫度變化的液體，可通過兩個常量a和b確立由第一檢測器Dl接收的強度Ι1(θ)隨溫度Θ的特徵變化。11 ( Θ ) =a Θ +b通過與等式[4] 一起標記該等式，得到:a=10.R.Gl.exp (-2A.Lc).α

b=10.R.Gl.exp (_2Α.Lc).β可從中方便地推導出比值Kl= β / α，該比值等於比值b/a。隨後以相同的方式進行確立由第二檢測器D2接收的強度Ι2( Θ )根據溫度Θ的特徵變化，從而獲得比值K2= δ / χ。表徵溫度變化的這兩個比值Kl與Κ2被存儲在控制電路CC中，都作為校準溫度θ0Ο此外，傳感器(未示出)告知該控制電路CC關於進行測量時所處的溫度Θ。本領域技術人員可很好地理解，兩個單元C1、C2是對稱的。因此，無需詳細說明在第二檢測器D2的接收帶中測量吸收的方式，該測量現在假設唯有第二發射模塊LED2被激活的情況下進行。為了在每個檢測器上測量吸收，必須避免兩個發射模塊同時作用於這些檢測器。第一種方案旨在順次激活這些發射模塊。第二種方案旨在根據兩個不同的頻率調節這些發射模塊。分別與這些頻率之一調諧的探測器，因此被用來同步檢測，這是本領域技術人員已知的技術。通常，這些檢測器被集中在兩個不同波長。如果存在相同光譜響應則本發明也能應用，這將產生冗餘。參考圖2b，按照第二選擇，通過使窗孔H1、H2相對於探頭的軸線傾斜並通過把兩個檢測器Dl、D2以及兩個發射模塊LED1、LED2設置為平行於該軸線，獲得所要求的幾何配置。參考圖2a所作的描述可不加修改地應用。參考圖4，描述探頭的變型，該變型允許進一步增加光譜範圍。如同參考圖2b所描述的第二選擇那樣設置第一單元Cl。第二單元C2還包括與前面描述相同的第二檢測模塊D2，但現在第二發射模塊不同。這兩個第二模塊總是被設置在第二窗孔H2後面。現在，第二發射模塊由照射半反光片SR的第一光源SEa和第二光源SEb構成。安裝的幾何結構使得來自第一光源SEa的光束穿過半反光片SR以便到達第一檢測器D1，而來自第二光源SEb的光束由該半反光片SR反射,總是朝向第一檢測器D1。通常，兩個光源被集中在兩個不同波長上。如果這些光源發射相同光譜，則本發明同樣可以應用，這允許應付光源之一的故障。因此，如果兩個光源被集中在兩個不同波長，則在此還應該避免同時為其供電。本發明的光學探頭通過把臨界介質的光學特性與基準介質的光學特性相比較來實現吸收的測量。在運行該探頭之前已一勞永逸地實現校準，這是因為監測單元允許免除前面介紹中提到的不同漂移。在可能的情況下可不時地執行校準，這僅是出於安全性原因。本發明的額外優點在於兩個單元可以是相同的。從而導致探頭的子組件的數量大大減少，這有利於製造。上面給出的本發明的實施例是根據其具體特性而選擇的。然而，不可能窮盡地列舉本發明涵蓋的所有實施方式。特別地，所描述的任何裝置都可被等同的裝置代替，只要不超出本發明的範圍。
權利要求
1.一種光學探頭，包括: -第一單兀(Cl),包括第一發射模塊(LEDl)和能夠產生第一檢測信號(DSl)的第一檢測模塊(D1)， -第二單元(C2)，包括能夠產生第一發射模塊(LEDl)的第一監測信號(MSl)的第二檢測模塊(D2)， -控制電路(CC)，通過所述第一監測信號(MSl)對第一檢測信號(DSl)進行加權，產生第一測量信號(Qml), 其特徵在於，所述第二單元(C2)包括第二發射模塊(LED2、SR-SEa-SEb)，所述第二檢測模塊(D2)能夠產生第二檢測信號，並且所述第一檢測模塊(Dl)能夠產生所述第二發射模塊(LED2、SR-SEa-SEb)的第二監測信號。
2.根據權利要求1所述的光學探頭，其特徵在於，所述單元(C1、C2)各自呈現具有主動表面的密封主體的形式。
3.根據權利要求2所述的光學探頭，其特徵在於，所述單元(C1、C2)分別被布置在位於單元的主動表面上的窗孔(H1、H2)後面。
4.根據權利要求3所述的光學探頭，其特徵在於，所述檢測模塊(D1、D2)中的每個檢測模塊被放置在與相應的窗孔(H1、H2)鄰近的局部反光板(PR1、PR2)後面。
5.根據權利要求4所述的光學探頭，其特徵在於，所述檢測器(D1、D2)是相同的。
6.根據權利要求5所述的光學探頭，其特徵在於，所述單元(Cl、C2)由連接裝置(L1、L2)連接，這些單元的主動表面相互面對。
7.根據前述權利要求中任一項所述的光學探頭，其特徵在於，所述第一測量信號(Qm)等於所述檢測信號(DSl)與所述監視信號(MSl)的比率。
8.根據權利要求7所述的光學探頭，其特徵在於，所述控制電路(CC)把以下值存儲在存儲器中: -基準測量值Qr， -基準吸收Ar， -特徵長度Lc, 詞語Ln表示自然對數， 該控制電路產生由以下表達式得出的吸收值Am:Am=Ar-(Ln(((Qm-Qr)/Qr)+1)/Lc)。
9.根據權利要求8所述的光學探頭，其特徵在於，所述控制電路(CC)具有溫度補償。
10.根據權利要求9所述的光學探頭，其特徵在於，所述溫度補償是藉助兩個常數Kl和K2、校準溫度Θ ^以及實現測量的溫度Θ，基於以下表達式實現的:Qm ( Θ ) /Qr ( Θ 0) =exp ((Ar-Am).Lc).(Θ+Κ1)/(Θ0+Κ1).(Θ0+Κ2)/(Θ+Κ2)。
11.根據前述權利要求中任一項所述的光學探頭，其特徵在於，所述發射模塊之一包括照射檢測模塊(Dl)的兩個光源(SEa、SEb)，這兩個光源(SEa、SEb)通過局部反光板(SR)而面對檢測模塊(D1)。
全文摘要
本發明涉及一種光學探頭，包括第一單元C1，該第一單元包括第一發射模塊LED1以及能產生第一檢測信號的第一檢測模塊D1；第二單元C2，該第二單元包括能產生第一發射模塊LED1的第一監測信號的第二檢測模塊D2；藉助第一監測信號對第一檢測信號進行加權由此產生第一測量信號的控制電路。此外，第二單元C2包括第二發射模塊LED2，第二檢測模塊D2能產生第二檢測信號，且第一檢測模塊D1能產生第二發射模塊LED2的第二監測信號。
文檔編號G01N21/27GK103080728SQ201180042993
公開日2013年5月1日 申請日期2011年7月18日 優先權日2010年7月19日
發明者F·勒維爾薩特, M·休伯特, S·逖斯蘭德, L·洛克斯 申請人:西利奧斯技術公司