本發(fā)明涉及用于氣體的光學(xué)感測(cè)裝置。

背景技術(shù)：

通常，氣體吸收光譜技術(shù)通過(guò)將光束穿過(guò)樣品并檢測(cè)在所感興趣物類(lèi)的特定光譜吸收特征的波長(zhǎng)處的吸收來(lái)測(cè)量氣體樣品中所感興趣物類(lèi)的存在和/或濃度。通常，這種特征為吸收譜線，其代表與所感興趣氣體分子的振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)或電子躍遷對(duì)應(yīng)的光頻率。對(duì)于這種氣體吸收光譜測(cè)量技術(shù)，可調(diào)諧二極管激光器具有許多優(yōu)勢(shì)：激光可被調(diào)整到光譜特征的中心，并能夠提供相對(duì)于光譜特征寬度相對(duì)窄的信號(hào)。

激光吸收光譜技術(shù)也能提供高速并相對(duì)高精度的性能，以在相對(duì)于其它氣體物類(lèi)或成分具有相對(duì)低的交叉靈敏度的大氣壓力下檢測(cè)在氣體樣品中多種痕量氣體物類(lèi)?？烧{(diào)諧二極管激光器光譜分析儀特別適于高靈敏度的研究，部分原因在于它們可被調(diào)頻以降低低頻激光噪聲和電子噪聲。通常地，激光光譜分析儀包括頻率可調(diào)諧激光器，其產(chǎn)生照明輸出光束，照明輸出光束被引導(dǎo)穿過(guò)容納由氣體混合物的樣品室。然后光束被引至光學(xué)檢測(cè)器，并且檢測(cè)器的信號(hào)被解調(diào)以獲得感應(yīng)吸收信號(hào)。該感應(yīng)吸收信號(hào)可用于在氣體樣品中鑒別一種或多種感興趣的物類(lèi)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

一種氣體光學(xué)感測(cè)裝置包括防爆的裝置電子器件外殼。防爆的感測(cè)外殼具有用以允許光穿出和穿入感測(cè)外殼的光傳送元件。感測(cè)外殼通過(guò)饋通可操作地耦接至防爆的裝置電子器件外殼。一方面，感測(cè)外殼的內(nèi)部容積小于或等于防爆的裝置電子器件外殼的容積的約1/50。在另一方面，光傳送元件具有小于或等于約3毫米的厚度。光源設(shè)置在感測(cè)外殼內(nèi)并可操作地耦接至裝置電子器件。探測(cè)器設(shè)置在感測(cè)外殼內(nèi)并也可操作地耦接至裝 置電子器件。

附圖說(shuō)明

圖1圖解示出本發(fā)明的實(shí)施例特別有用的激光光譜系統(tǒng)。

圖2圖解示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有防爆外殼的氣體光學(xué)感測(cè)裝置。

具體實(shí)施方式

光譜測(cè)量的一項(xiàng)挑戰(zhàn)是控制測(cè)量路徑(即，光源與測(cè)量路徑之間，以及測(cè)量路徑與光探測(cè)路徑之間)之外空間內(nèi)的氣體成分。在測(cè)量路徑之外的流體成分的非常小的變化也會(huì)影響測(cè)量值，并由此影響儀器的精度。一種對(duì)付該挑戰(zhàn)的方法是將非測(cè)量光學(xué)路徑封閉在受控容積內(nèi)，例如在密封的外殼內(nèi)。

除了上面的挑戰(zhàn)，測(cè)量路徑可能穿過(guò)必須與例如激光或其它電子器件的潛在的火源分離的爆炸性流體電子器件。這些部件(激光器或其它電子器件)通常置于防爆殼體內(nèi)，其足夠結(jié)實(shí)以便在外殼內(nèi)的爆炸性氣體被點(diǎn)燃的情況下保持內(nèi)部的爆炸。因此防爆殼體可與測(cè)量路徑接觸。當(dāng)電子器件容納在防爆外殼中時(shí)，這種外殼可阻止氣體進(jìn)入外殼的內(nèi)腔。此外，如果這種氣體確實(shí)進(jìn)入了外殼，并引起了爆炸，火焰將不能傳播到外殼的外部。

對(duì)于潛在的爆炸性氣氛的防爆等級(jí)的一個(gè)實(shí)例是以Ex d標(biāo)準(zhǔn)EN60079-0和EN60079-1的ATEX認(rèn)證。通常地，防爆殼體的體積是相對(duì)龐大的，以便機(jī)械上足夠結(jié)實(shí)以保持內(nèi)部的爆炸而不會(huì)破裂。然而，對(duì)于基于光學(xué)的儀器，光必須從可能成為潛在的火源的火源，例如激光器，到達(dá)潛在的爆炸環(huán)境，這種結(jié)實(shí)的結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生挑戰(zhàn)。在這種情況下，光源、光探測(cè)元件和上面描述的受控容積通常一起置于防爆殼體內(nèi)。由于殼體內(nèi)部部件的數(shù)量，殼體的尺寸——以及任何潛在的爆炸的內(nèi)壓——將達(dá)到使得傳送光進(jìn)入測(cè)量路徑的元件將需要足夠厚以承受并保持經(jīng)受任何可能爆炸的量級(jí)。然而，這種光傳送元件在測(cè)量中會(huì)產(chǎn)生光學(xué)干擾。

例如，美國(guó)專(zhuān)利US7,864,323提供了一種用于在測(cè)量氣體中測(cè)量氣體成 分濃度的方法。該專(zhuān)利給出了一種裝置，其能夠經(jīng)受防爆殼體。當(dāng)制造出根據(jù)該專(zhuān)利的裝置，光路必須穿過(guò)相對(duì)較厚的光學(xué)透鏡。此外，光源和透鏡之間的容積必須由凈化氣體填充，以排出可能潛在地影響測(cè)量的氣體成分，例如氧氣。另外的缺點(diǎn)是厚透鏡會(huì)影響裝置的性能。而且，凈化氣體成分的精度也會(huì)影響整個(gè)儀器的精度。最終，為操作使用的凈化氣體的花費(fèi)相當(dāng)大。

本發(fā)明的實(shí)施例大體提供了一種光譜氣體感測(cè)裝置，其中一個(gè)或多個(gè)元件置于防爆外殼內(nèi)。氣體感測(cè)裝置包括防爆外殼，防爆外殼與帶有光傳送元件的測(cè)量路徑相接。防爆外殼包括位于其中的光源，以及一個(gè)或多個(gè)光感測(cè)部件和合適的氣體。防爆外殼的體積保持相對(duì)較小，以降低潛在的爆炸壓力。該相對(duì)小的體積，以及相應(yīng)的小的潛在爆炸壓力，允許光傳送元件比大體積外殼所需要的光傳送元件薄。由于外殼是防爆的，因此這種更薄的窗口可與潛在的有害氣氛接觸。因此，本發(fā)明的實(shí)施例允許大量的合適的氣體——和一直保持不變的成分——被置于光源/光敏元件和測(cè)量路徑之間。這減少光路中不確定的氣體成分或昂貴的凈化氣體，而不會(huì)減少被測(cè)氣體。

圖1示出了一種本發(fā)明的多方面特別有用的激光光譜系統(tǒng)100的一個(gè)實(shí)例。激光光譜系統(tǒng)100包括激光器110，激光器產(chǎn)生激光照明112。發(fā)射的光112穿過(guò)參考室114，并穿過(guò)光學(xué)傳送元件116，并穿過(guò)處理區(qū)域118，在處理區(qū)域光反射離開(kāi)反射表面120。光112從反射表面120反射后，它返回通過(guò)處理區(qū)域118、元件116和參考室114，在參考室光被探測(cè)器111接收。裝置電子器件102與探測(cè)器111耦接，以便所接收的光被檢測(cè)或測(cè)量。為了確定在處理區(qū)域118內(nèi)氣體的濃度，所發(fā)射的光112的頻率必須準(zhǔn)確并已知。裝置電子器件102，除了接收和響應(yīng)用戶(hù)的輸入，還能控制從激光器110發(fā)射的光112的波長(zhǎng)。激光器110為可調(diào)諧二極管激光器，其產(chǎn)生或者由用戶(hù)輸入或者由裝置電子器件確定的設(shè)定波長(zhǎng)的發(fā)射光112。

在一個(gè)實(shí)例中，穿過(guò)光112的參考室114包含具有已知吸收值的已知濃度的流體。在一個(gè)實(shí)施例中，處理區(qū)域118為樣品室。

圖2圖解示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有防爆外殼的氣體光學(xué)感測(cè)裝置。氣體感測(cè)裝置100包括置于第一防爆外殼104內(nèi)的裝置電子器件102。 裝置電子器件102包括任何合適的電子器件，包括電源電子器件，配置為接收來(lái)自任何合適來(lái)源的電能，例如AC電源，并配置為調(diào)節(jié)功率以為裝置100內(nèi)的各種部件供應(yīng)電力。此外，裝置電子器件還可包括合適的處理電路，例如微處理器，其能適當(dāng)?shù)乜刂瓶烧{(diào)諧二極管激光器并接收來(lái)自光學(xué)探測(cè)器的輸出。基于從光學(xué)探測(cè)器接收的輸出信號(hào)，控制器可根據(jù)響應(yīng)確定光譜特征，并根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)提供合適的感興趣氣體的指示。

在圖2所示出的實(shí)施例中，外殼104遵從例如上面提出的至少一個(gè)防爆等級(jí)。因此，如果裝置電子器件在外殼內(nèi)引起爆炸，爆炸將不會(huì)傳到外殼104外部，因此不會(huì)引燃周?chē)h(huán)境。在一些實(shí)施例中，外殼104由合適的惰性氣體106填充，或者甚至加壓。為了容納裝置電子器件，外殼104具有大約500cm³或者更大的內(nèi)部容積。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，裝置100包括比外殼104小的第二防爆外殼108。在一個(gè)實(shí)例中，外殼108的體積為電子器件外殼體積大約1/50，或比電子器件外殼體積小大約50倍。更具體地，第二防爆外殼108的體積等于或小于約10cm³。通過(guò)將感測(cè)外殼108與電子器件外殼104分開(kāi)，感測(cè)外殼108的體積可保持非常小。發(fā)生在第二防爆外殼108內(nèi)的爆炸能量將隨外殼體積的增大而增大，原因是外殼內(nèi)將有更多的爆炸性氣體混合物。同時(shí)，該能量所作用的外殼內(nèi)部區(qū)域并不以同樣比率增大。例如，球形體積與半徑的立方成比例，而表面面積與半徑的平方成比例。因此在更小的外殼體積情況下，作用在內(nèi)壁上的壓力更小，并且由此允許更薄的窗口玻璃。在第二防爆外殼108的體積保持在10cm³或小于10cm³的實(shí)施例中，光傳送元件的厚度可為3mm或更薄。這顯著改善了光學(xué)性能。

在圖2所示出的實(shí)施例中，在感測(cè)外殼108內(nèi)只有光探測(cè)器111、光學(xué)光源10，例如可調(diào)諧二極管激光器，和合適的非爆炸性氣體115。感測(cè)外殼108內(nèi)的氣體115可以一直保持不變，以為裝置100提供參考。來(lái)自源110的光被引導(dǎo)穿過(guò)感測(cè)外殼108內(nèi)的氣體115，穿過(guò)光傳送元件115，進(jìn)入氣體容積部118，并在反射鏡120處反射回進(jìn)入感測(cè)外殼118，傳播至一個(gè)或多個(gè)光探測(cè)器111。

這樣，設(shè)備100允許沿氣體容積部118之外的整個(gè)光路，從光源110到元件116并從元件116到一個(gè)或多個(gè)光探測(cè)器111測(cè)量受控的氣體成分115。 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，光傳送元件116可以被保持薄，并且提供比厚的設(shè)計(jì)更好的光學(xué)性能。由于感測(cè)外殼108內(nèi)的容積遠(yuǎn)小于防爆電子器件外殼104的體積，因此元件116可設(shè)置得更薄。相應(yīng)地，任何發(fā)生在感測(cè)外殼108內(nèi)的爆炸或燃燒不會(huì)達(dá)到電子器件外殼104內(nèi)可能出現(xiàn)的壓力。這樣，因?yàn)橹恍枰菁{更小的壓力，因此元件116能夠?qū)崿F(xiàn)更薄的設(shè)計(jì)。電子器件殼體104和感測(cè)外殼108通過(guò)防爆的饋通122耦接在一起。饋通122被設(shè)計(jì)為能夠承受外殼104或108內(nèi)的爆炸壓力，不允許壓力或火焰?zhèn)鞑サ狡渌鈿ぁ，F(xiàn)有技術(shù)中存在配置為承受爆炸壓力并阻止火焰從感測(cè)外殼傳播到待測(cè)量的氣體容積部的安裝機(jī)構(gòu)和/或技術(shù)。

感測(cè)外殼108可具有合適的氣體入口/出口，以根據(jù)需要周期性地填充或排放氣體。在一個(gè)實(shí)施例中，外殼108簡(jiǎn)單地填充并密封有預(yù)定的非爆炸性氣體或氣體混合物。附加地，或可選地，感測(cè)外殼108內(nèi)的氣體可以為波長(zhǎng)參考?xì)怏w。最后，在感測(cè)外殼108內(nèi)設(shè)置一個(gè)或多個(gè)附加的傳感器，而在電子器件外殼104內(nèi)可以設(shè)置與這些附加的傳感器相互作用的合適的電子器件。因此，在電子器件外殼104內(nèi)的電子部件與在感測(cè)外殼108內(nèi)的裝置和電子器件分離。在感測(cè)外殼108內(nèi)的裝置通過(guò)防爆的饋通122與裝置電子器件電連接，以附圖標(biāo)記124圖解示出。這些附加的傳感器的實(shí)例包括壓力和/或溫度傳感器126，其也可通過(guò)饋通122與裝置電子器件耦接。

外殼104和108中的每個(gè)設(shè)計(jì)為遵從至少一個(gè)防爆等級(jí)，例如上面提出的。因此，測(cè)量路徑不會(huì)受每個(gè)外殼內(nèi)的爆炸的影響。而且，在一個(gè)實(shí)施例中，外殼足夠長(zhǎng)使得電子器件部件不受測(cè)量路徑的超出每個(gè)外殼104、108內(nèi)部件允許的操作范圍之外的溫度的影響。以耐高溫、高壓和不受化學(xué)性質(zhì)影響的密封結(jié)合將元件116粘附、熔合或以其它方式安裝至感測(cè)外殼108。在一個(gè)實(shí)施例中，感測(cè)外殼108內(nèi)的電子器件部件被預(yù)安裝在罐內(nèi)，電子器件部件依次被粘附或焊接至殼體上，以確保氣體密封。

雖然這里參考優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，然而本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠認(rèn)識(shí)到在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以在形式和細(xì)節(jié)方面做出改變。