光譜儀的標定氣體室的製作方法
2023-08-07 15:54:56 1
專利名稱:光譜儀的標定氣體室的製作方法
本發明涉及一用於光譜儀的標空氣體室，特別是提供用於通常光譜儀和自動聲光紅外分析器系統中的標空氣體室，其中標定氣體用於校準這些裝置。
通常的就地聯機的氣體光譜儀測量有限數量的氣體。這些裝置為NDIR型，它應用的是寬帶光，其中心位於欲測的那類氣體分子的吸收峰處。這種寬帶光是很容易從光源發射出的全頻率的光中通過帶通濾光器選出來。為了校準這些裝置，將以透光物質構成並含有欲測的特定氣體樣品的氣匣插入光路中以便校準這類儀器。當用這類儀器測量多於一種氣體時，數個專用的密封氣匣有選擇地插入到光路中，為了校準目的這些已知氣匣給出的上限讀數可以外推到零值。
對分析裝置有一個大的和增長的市場存在，這些裝置可用於分析工業過程中大量不同的反應產物。此外，聯機的當時已燃產物的分析器是需要的以便於碳氫燃料更有效地燃燒。例如，電力工業面臨監測煙囪廢氣的任務已若干年了。起見，廢氣的監測包括測量氧濃度和煙的不透明度以便控制燃燒頻率。隨著規範標準的量的不斷增加導致需要對硫的氧化物和氮的氧化物進行監測。在將來，其它的成分無疑地亦要監測。例如氨氣加到煙囪中以保持沉積器的頻率在歐州已提出的規範將需要監測氨氣。近期的研究指出，例如監測一氧化碳，可以提高燃燒效率。因此，對商業機構感興趣的氣體種類已很快地增長到較大的數目。歷史上介決的方法是對每一種監測氣體分別裝設一指示器器。這種做法變得愈來愈昂貴，當需要監測的氣體的種類增長時變為較不可取的做法。
已經知道所使用的分析裝置是利用紫外及紅外分光光度技術以及氣體和液體色譜法去滿足上述工業的需要。這些光學儀器利用被分析物質的以下重要特性，一特定分子具有與所有其它分子不同的吸收特微光譜。分子混合物的光譜是可以疊加的，而吸收是與各種分子的濃度成正比。光吸收譜可從任意形式樣品得到只要樣品能透光，它們可以是固體、液體或氣體，光譜能在不破壞樣品的試驗中得到。幾乎所有的氣體分子吸收紅外輻射。每種分子只對特定的特微波長的光有吸收。因此從在特定波長下監測到的光吸收的大小可以推斷出煙囪中所含該氣體的量。這是靠紅外輻射透過煙囪到達探測器而完成的。透射的光輻射的波長被調諧到與被測氣體的特定波長相吻合，在給定的波長下探測器的信號強度與在那個波長下吸收氣體的濃度有關。紅外輻射的有選擇的調諧是靠在光路中插入狹帶幹涉濾光器或插入充有合適氣體的氣匣。這兩種做法都包含機械動作而且能採用的氣匣及濾光器的數量顯然是有限的。因此可靠性及精確度受制於這些調諧元件的非理想的性質。
最近已認識到某些雙折射光學物質並稱為聲光物質能夠在光譜分析器中用作濾波器。美國專利號3，792，287的說明書中講授了一個有效的透紅外光的聲光物質，鉈-砷-硒化物的用途，它可能應用在1到約16微米的接近中紅外光譜區。一種利用聲光技術的自動聲光紅外分析器系統在美國專利號4，490，845的說明書中描述並講授了一種自動聲光可調諧濾波器的紅外分析器系統，它允許利用與經過樣品的紅外輻射的聲光相互作用將濾波器快速電子調諧到一予先選好的紅外帶通。紅外分析器系統包括能探測通過被分析的樣品的紅外輻射裝置，此樣品具有預定的紅外吸收特性，還有定向裝置使紅外輻射通過一聲光可調諧濾波器。一個聲光可調諧濾波器包括一個光學準直的聲光晶體，通過它紅外輻射與晶體光軸成一預定角度。一個聲換能器耦合到晶體上，利用一可復頻率的射頻源在晶體中激勵聲波，使它與偏振的紅外輻射中精選出的狹帶寬部分相互作用，以使後者與輻射的其餘部分區分開來。調諧的或精選的狹帶寬輻射與經聲換能器聯結到濾波器的射頻源的頻率成函數關係。紅外輻射控制裝置與濾波器相耦合以便探測濾波後紅外輻射的輸出，並產生與濾波後輸出的紅外輻射成函數關係的輸出信號。自動計算裝置與探測裝置的輸出電信號相聯。計算裝置包括用於有選擇地觸發射頻源的裝置以測定加到聲換能器上射頻源的時間和頻率，然後決定出選出的或濾波後的狹帶寬紅外光的有用波長。
一種特定用途的聲光紅外分析器系統用於監測煙囪排氣已發表在美國專利用途序號為736，199的說明書中，1985年5月20日歸檔。在這樣一個基於聲光可調諧濾波器的光譜儀中，可以測量大量不同的氣體。為了建立此系統的正確操作參數以及對此系統進行校準，所需的標定氣體會包括一個大範圍的各種氣體及濃度。顯然這使得它很昂貴而且也不實際在裝置中製造大量的標定氣體匣或提供它們用於像現在實際使用的聯機氣體光譜儀的裝置中。此外，對於用包含各種紅外波長的標定氣體的光學窗口所增加的費用是不可取的。
本發明的目的是提供一種改進的用於光譜儀中探測器組件，它包含一聚焦透鏡和一個密封的探測器。設計中增加一個腔，聯結並密封到聚焦透鏡與探測器腔或探測器窗口作為標定氣體室，並處於此兩透光元件之間，從而標定氣體以有選擇地引入和從此標定氣體室排出。
進一步的目的是提供一標定氣體室，其中以聚焦透鏡作為在探測器裝置與要分析的氣體樣品或工業廢氣之間的唯一封板。
再進一步的目的是提供一種對自動聲光紅外分析器系統的改進，此改進包括一整體標定氣體室。
另外一目的是提供一標定氣體室的設計，使氣室體積為極小並仍不妨礙光聚焦於探測器裝置上。並提供一標定氣體室具有獨特的氣體引入方式，它在標定氣體室中建立一種切向流道。
按照本發明，一個用於光譜儀設備的標定氣體室包括一個腔裝置作為一個室，其初始端具有第一尺寸的初始孔和一終端具有第二個較小尺寸的終端孔並與上述初始孔相面對著。透光窗口裝置放在上述初始及終端孔中以封住上述初始端與終端。上述室具有一錐形內表面使上述初始孔逐漸向上述終端孔縮小。上述腔裝置具有一標定氣體入口裝置與上述室相連通並位於上述初始端附近以及一個標定氣體出口裝置與上述室相連通並位於上述終端附近;上述標定氣體入口裝置的取向是使標定氣體沿上述初始端的初始孔切向進入上述室，並在上述錐形室中形成切向流道。
方便的是此發明提供用於光譜儀裝置的探測器組件的設計包括一機內的標定氣體室。此標定氣體室裝置包括一個腔作為一個室，其初始端具有第一尺寸的初始孔以及一終端具有第二個較小尺寸的終端孔並與初始孔相面對著。此室具有一錐形內表面使初始孔逐漸向終端孔縮小。此腔裝置有一個標定氣體入口裝置與室連通並位於初始端附近。一個標定氣體的出口裝置與室連通並位於上述終端附近。標定氣體入口裝置的取向是使標定氣體沿初始端的初始孔切向進入室，結果是在錐形室中形成切向流道。室的錐形尺寸減少了標定氣體室的體積並因此減少了所需標定氣體的量。
有利的是本發明提供的光譜儀裝置的型式包括一聚焦透鏡裝置用於將光導向一探測器裝置，還包括一個整體的標定氣體裝置作為一個室，此室位於初始端的聚焦透鏡和終端的密封的探測器之間，後兩者並作為整體的部件。在此結構中不需附加費用提供附加窗口或透鏡。在工業廢氣的探測器側的聚焦透鏡既可作為一透鏡又可兼作封板以防工業廢氣洩漏。此外，作為探測器的整體而安裝的紅外窗口可作為第二封板，因為探測器是在真空中製成並密封真空。結果是由於利用第○圈密封的室與探測器的園柱形腔和聚焦透鏡相聯結，這樣提供的與標定氣體連用的室，使它並不需要任何附加紅外窗口。
標定氣體室以需用的標定氣體衝洗或溢流，標定氣體從第一個位置處進入並從標定氣體室的第二個位置處排出。衝洗或溢流操作所需的時間以及所用的氣體量是減少了，因為標定氣體室的體積已由於其形狀正好與透鏡聚焦到探測器上的光錐形狀相匹配而為最小。由於標定氣體的引入是切向於室的大直徑端並在室的小直徑端排出，探測器室的衝洗及溢流操作變得很方便。
本發明現在將參照附圖通過例子描述，其中圖1為一個改進的帶有標定氣體室的聲光紅外分析器系統的實施例的示意圖;
圖2為標定氣體室的剖面圖，室內包含有作為整體的聚焦透鏡和探測元件。
圖3A、3B和3C示意地表示了標定氣體在標定氣體室內的流道;及圖4為雙光束短程光譜儀，含有探測器裝置。
光譜儀的標定氣體室是用在自動聲光可調諧濾波器的紅外分析器系統中。這種系統11示真地表示在圖1中。聲光可調諧濾波器的紅外分析器系統(AOTF)11由幾個子系統及部件構成，它包括一個聲光可調諧濾波器13。分析器系統11可認為具有二個主要子系統，一個光學子系統15和一個電子學子系統17。分析器系統11的光學系統15主要是一個紅外固態光譜儀，它設計成允許在較寬的光譜區工作。一個紅外輻射源19，例如納斯特(Nernst)熾熱體，用作系統的寬帶紅外輻射的初始流。從源19輸出的一部分紅外輻射由鏡21收集並準直。由鏡21準直的光束通過AOTF13，在其中將輻射中的狹帶部分選出以區別於紅外輻射中的其餘部分，像圖1中虛線所表示的。一個探測器裝置23調整到可收集相互作用過的在空間中分散的狹帶輻射，它是由AOTF13輸出的並經過欲監測的環境例如工業廢氣煙囪，圖中以25表示。探測器裝置23將結合圖2、3A、3B和3C在下面詳細描述。探測器裝置23在27處提供一輸出用於信號處理，其方式將在下面描述。在特定用途中的欲監測的環境在此處例如為工業加工廠或機構的煙囪，並一般地以參考號碼25表示。從圖1中的示意圖中可見到煙囪25包括兩側牆29和31。在此結構中，探測器23和包括AOTF13的光源裝置處於煙囪25的兩側。由於探測器與AOTF分開，相互作用過的狹帶輻射的角位移是足夠使其在探測器處與未受相互作用的寬帶輻射在空間上分開。這個過程在美國專利號4，490，845的說明書中描述過。此外，在美國專利號4，505，550的說明書中講授了用於AOTF的輸入和輸出的偏振器。
聲光可調諧濾波器13通過聲波與光波在適當的晶體14中的相互作用而工作。典型地，一個聲換能器35與光學晶體14相聯結並由可控射頻信號所驅動，在下文中將描述它。已研製出各種各樣的光學材料用於聲光器件。這些材料包括鉈-砷硒化物或硫化物，已描述在美國專利號3，792，287;3，929，970和3，799，659的說明書中。
現在將描述圖示於圖1中的電子學系統17。紅外探測器裝置23的模擬輸出信號通過27輸到放大器51及模數轉換器53，將轉換後的數字信息輸到微電腦55。電子學系統17通過與射頻放大器57相連的換能器35與光學系統15在聲光可調諧濾波器13處連接。選頻後的射頻驅動能在通過換能器35後被應用於激勵聲波到晶體14中。這樣，光學濾波過的紅外輻射可被探測出並被微電腦用於測定在煙囪25中存在的被選擇的氣體所產生的光吸收。微電腦55一般具有一視頻輸出裝置59用於被探測的信號的可見顯示，以及貯存裝置例如軟盤驅動器61和印表機63。貯存裝置61貯存系統控制和操作信號，已從貯存裝置61接受控制信號的微電腦55通過適當的接口裝置65去控制頻率合成器67的輸出頻率與振幅，此合成器靠門裝置69與射頻放大器57相連，以用於脈衝調製操作作。門69與一脈衝阻塞電路裝置71聯用，以便保證適當寬度的射頻脈衝加到換能器上而使射頻功率的有荷因數限制在不使得晶體14過熱的荷載水平上。因此這種系統不但可作為快速可調諧狹帶紅外濾波器還可作為固態光學遮光器而工作。
從貯存裝置61的控制信號加到微電腦55是為了順序地將射頻脈衝加到聲光可調諧濾波器13的換能器35上。這些脈衝被設計成使濾波器在參考波長下透光，此時沒有吸收;然後再在已知氣體具有較強吸收的波長下透光。除了對各類氣體的吸收波長快速取樣外，此系統是予置在沒有氣體存在時產生取樣振幅信號，這類似於由模數轉換器對參考波長的測量。然後能用微電腦產生控制加工的反饋信號，它為分析結果的函數，並去控制特定的加工過程，例如正在被分析的燃燒。
圖1的探測器裝置23的詳細剖面圖示於圖2中，並包括一標定氣體裝置71用腔裝置73具體表示。腔裝置73包括一個室75其初始端77具有第一尺寸的初始孔79。腔裝置73還包括一具有終端孔83的終端81，終端孔的尺寸小於初始端77的初始孔79並處於腔的另一端與初始孔79相面對著。腔71可用一塊整體製成整體結構或由數個部件製成。室75具有錐形內表面或面85，從初始孔79逐漸向終端孔83縮小。腔裝置71還包括一標定氣體入口裝置87與錐形室75相連通並位於腔71的初始端77附近。一個標定氣體出口裝置89與室75相連通並位於終端83附近。
在本發明最佳實施例中，一個紅外探測器91放在腔的終端83處。探測器91包括一紅外窗口，它與探測器構成一整體，此探測器窗口可作為標定氣體室的一個封板，因為這些探測器91是在真空中製成並真空密封。適用的探測器可從Infrared Industries Easfern Division Orlando Florida和Opto Elecfronics Petalama California買到。在腔裝置的另一端及初始孔79處，一個聚焦透鏡93作為透鏡外還兼作封板以防工業廢氣漏入錐形標定氣體室75。透鏡93在腔體中安裝在座95中並用○圈97密封。同樣地，在探測器91與腔71的終端孔83之間至少用一個○圈99密封。
必須認識到由於使用探測器91和聚焦透鏡93作為標定氣體室的部件，這樣就可能省去在腔體中安裝附加的紅外窗口。由於室的設計中採用○圈密封於探測器的園柱形腔和聚焦透鏡連接處，結果不需要任何附加紅外窗口就可得到用於標定氣體目的的室。
通過入口裝置87，標定氣體室可用所要的標定氣體衝洗或溢流，只要將構成氣體通過孔87進入室再通過孔裝置89排出。必須認識到標定氣體室75的體積由於與透鏡93聚焦到探測器91的錐形光束相匹配而成形為極小。再者，由於標定氣體為切向在大直徑端進入並在室的小直徑端排出，這就縮短了必要的衝洗時間。
標定氣體能夠通過一帶有可得到切向流道的小孔的管進入。通過對圖3A、3B和3C的考察，這種方向的氣體流道能更清楚地覺察出來。在圖3A和3B中標定氣體入口裝置87相對於室75的位置示意地圖示為能在那室中產生環形的氣體流動。能見到標定氣體的出口裝置89是處於園錐的小端。以參考號碼101表示的箭頭指示出用於衝洗或溢流標定氣體室75的標定氣體的環形流動。在圖3C中給出另一種標定氣體入口裝置87′，它位於與切向氣體流道101大致相垂直的位置。由於在標定氣體入口裝置87′上開了一個孔88，就得到了所需的氣體流動方式。
現在看圖4，它示意地圖示了另一種光譜儀的實施方案，它體現了本發明的要點。此替代實施方案在以參考號碼103表示的雙光束短程光譜儀中所提供的探測器組件。此短程光譜儀103安裝在工業廢氣通道例如圖1中煙囪25的一個牆上。光譜儀103裝有已在本文其它處描述的聲光可調諧濾波器並用105表示。一個紅外光源107位於AOTF105的一側。聚焦透鏡109將紅外輻射從源107導向AOTF105。經AOTF選出的輸出再通過聚焦透鏡111和光束分離器113。一個紅外窗口115將光源和探測器組件與工業廢氣區分開。一個反射器117裝在延伸到廢氣區121的室119的終端。光束分離器113允許經反射器裝置117反射的紅外輻射通向探測器組件123。探測器組件123與在圖2及3A3B和3C中所描述的探測器裝置相當並能體現其主要原理。此探測器組件包括一聚焦透鏡125和一紅外探測器裝置127，它們作為錐形室129的相面對的兩端。探測器組件127和聚焦透鏡125用○圈133和135裝在探測器組件123的腔131內。將定氣體入口裝置137和標定氣體出口裝置139也裝在探測器組件的腔131內，並像以上描述的那樣操作。
已描述過的為一用於光譜儀等中的改進了的標定氣體室。標定氣體室能與任何種類的標定氣體混合物聯用並不要將此裝置從煙囪道處取出。
用於圖中的參考號碼的識別圖例 參考號 圖號放大器 51 1模數轉換器 53 1微電腦 55 1射頻放大器 57 1視頻輸出 59 1軟盤驅動器 61 1印表機 63 1IE8接口 65 1頻率合成器 67 1門電路 69 1脈衝阻塞電路裝置 71 權利要求
1.用於光譜儀設備的標定氣體室其特徵在於包括一個腔裝置作為一個室，其初始端具有第一尺寸的初始孔和終端具有第二個較小尺寸的終端孔並與上述初始孔相面對著，透光窗口裝置位於上述的初始與終端孔中並封住上述的初始和終端，上述室具有一錐形內表面從上述初始孔逐漸向上述終端孔縮小，上述腔裝置具有一標定氣體入口裝置與上述室相連通並位於上述的初始端附近以及一個標定氣體出口裝置與上述室相連通並位於上述終端附近，上述標定氣體入口裝置的取向使得標定氣體沿切向於上述初始端的初始孔進入上述室，在上述錐形室中形成一個切向流道。
2.根據權利要求
1的標定氣體室還包括一光譜儀設備帶有將光導向探測器裝置的聚焦透鏡裝置，包括一標定氣體裝置，它含有形成室的腔裝置，其初始端具有第一尺寸的初始孔和終端具有第二個較小尺寸的終端孔並與上述初始孔相面對著，在此上述聚焦透鏡裝在上述的初始孔中而上述探測器裝置放在上述終端孔中，上述室具有錐形內表面並由上述初始孔逐漸向上述終端孔縮小，上述腔裝置具有一標定氣體入口裝置與上述室相連通並位於上述初始端附近以及一標定氣體出口裝置與上述室相連通道位於上述終端附近;上述標定氣體入口裝置的取向是使標定氣體切向於上述初始端的初始孔進入上述室，在上述錐形室中形成一切向流道。
3.根據權利要求
1或2的標定氣體室包括形成室的腔裝置其初始端具有初始孔而終端具有終端孔，透光窗口裝置放在上述的初始孔與終端孔中以封住上述的初始與終端。上述室具有一標定氣體入口裝置與上述室相連通並位於上述初始端附近以及一標定氣體出口裝置與上述室相連通並位於上述終端附近。
4.根據權利要求
2或3的標定氣體室，其中形成室的腔裝置其初始端具有一初始孔以及終端具有一終端孔，並且上述聚焦透鏡裝在上述初始孔中而上述探測器裝置放在上述終端孔中，上述腔裝置有一標定氣體入口裝置與上述室相連通並位於上述初始端附近以及一標定氣體出口裝置與上述室相連通並位於上述終端附近。
5.根據權利要求
4的標定氣體室其中的標定氣體入口裝置的取向是使標定氣體切向於初始端的初始孔進入該室，在此錐形室中形成切向流道。
6.一個寬帶自動聲光可調諧濾波器的多種氣體紅外分析器系統其特徵為包括用於使紅外輻射通過被分析物質的使人感興趣的環境的裝置，這些物質具有予先測定的紅外吸取特性，一個包括光學準直的聲光晶體的聲光可調諧濾波器，紅外輻射與晶體光軸成以予定的角度通過該晶體，一個聲換能器裝置耦合於可變頻率的射頻源和聲光晶體，並在晶體中激勵聲波使它與輻射中選出的狹帶寬部分相互作用，使後者區別於輻射的其餘部分，此選出的狹帶寬部分為射頻源的頻率和聲波的函數，通過上述聲光可調諧濾波器後上述選出的狹帶寬部分相對於未被選出的紅外輻射有一角位移;包括用於引導紅外輻射到上述聲光可調諧濾波器的裝置;紅外輻射探測裝置用以探測紅外輻射中選出的有角位移的狹帶寬部分，此探測裝置產生一電輸出信號，作為已探測到的輻射的函數;聚焦透鏡裝置用於把紅外輻射中選出的狹帶寬部分引導到上述紅外輻射探測裝置，探測裝置的電輸出信號加到計算裝置上以測定在樣品匣中存在的樣品的類別;還包括用於脈衝控制射頻源的裝置以測定加在聯結到聲光晶體上的聲換能器上的射頻能的時間與頻率，以得知對紅外波長的選擇性或聲光可調諧濾波器的調諧情況，從而受脈衝控制的操作允許上述探測裝置從使人感興趣的環境中在脈衝控制的發射裝置所選出的狹帶寬部分及發明部分之間進行鑑別;其中分析器系統包括一個標定氣體裝置，它包括一個腔裝置作為一個室其初始端具有一初始孔及一個終端具有一終端孔並與上述初始孔相面對著，其中上述聚焦透鏡裝在上述初始孔中而上述紅外輻射探測裝置裝在上述終端孔中從而構成一封閉的室，上述腔裝置具有一標定氣體入口裝置與上述室相連通並位於上述初始端附近以及一標定氣體出口裝置與上述室相連通並位於上述終端附近。
7.根據權利要求
6的一個分析器系統，其中計算裝置包括一微電腦及貯存裝置用於將被探測到的信號與貯存在貯存裝置中的預定分子類別的示類信號相比較，而其中貯存裝置提供一預定順序的信號加在微電腦再轉到頻率合成器去變更加到與聲光晶體耦合的換能器裝置上的射頻源的頻率，再去變更對要分析的紅外輻射的狹帶寬部分的選擇，相應於預定分子樣品類別的預定頻率就這樣施加於其中。
8.根據權利要求
6或7的分析器系統，其中的射頻源包括一射頻能的頻率合成器，它通過受電子信號控制的門裝置耦合到與聲換能器相連的放大器上;計算裝置包括一微電腦和貯存裝置用於將順序的脈衝控制信號加到射頻頻率合成器上，按預定方式變更加到聲光可調諧濾波器上的射頻能的頻率，同時控制信號加到受電子信號門裝置上以向射頻放大器提供受脈衝寬度調製的射頻能。
9.根據權利要求
6到8中任一項的分析器系統其光學準直聲光晶體為-鉈-砷-硒化物的晶體。
10.根據權利要求
9的一個分析器系統，其中的紅外探測裝置的安裝與聲光可調濾波器有關，應使得選出的狹帶寬部分的角位移足夠大以致在探測裝置處於與寬帶非選出的輻射在空間上分開。
11.根據權利要求
10中的分析器系統，其中的聲光可調諧濾波器包括一個輸入偏振器用於有選擇地偏振射向聲光可調諧濾波器的紅外輻射以及一個輸出偏振器其與輸入偏振器光學準直並相對於輸入偏振器為橫向地取向。
12.根據權利要求
11中的分析器系統，其中的室具有一錐形內表面從初始孔逐漸向終端孔縮小。
專利摘要
一個光譜儀裝置的探測器組件帶有機內標定氣體室。一個腔體作為一個室，其初始端具有一初始孔而其終端具有終端孔並與初始孔相面對著。透光窗口裝在兩相互面對著的孔中以封住此室。一聚焦透鏡安在初始孔中而一個探測器裝在終端孔中以封住此腔體的兩端。此室具有一錐形內表面使初始孔逐漸向終端孔縮小。此腔體具有一標定氣體入口與室相連通並位於初始端。一標定氣體出口與室相連通並位於終端附近。
文檔編號G01N21/03GK87101679SQ87101679
公開日1987年9月16日 申請日期1987年3月5日
發明者羅伯特·萊奧納德·納爾森, 威廉姆·約翰·丹利, 威廉姆·哈維·麥克英蒂 申請人:西屋電氣公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan