专利名称：红外线气体分析仪和运行该分析仪的方法
技术领域：
本发明涉及一种红外线气体分析仪，它主要用作气体检测器来检查泄漏，它具有一个流过测量气体的器皿(测量器皿)，一个产生穿过测量器皿的红外(IR)光的IR光源，以及一个能够测量在测量气体中的IR光吸收量的检测器。此外本发明还涉及运行这种形式的气体分析仪的方法。
泄漏探测经常用于含有致冷剂或碳水化合物的被检物(例如冰箱冷凝器)。在此泄漏检查方法中在被检物中存在的介质用作试验或测量气体。如果存在泄漏，微量的相应测量气体经探测软管到达一个气体检测器，它被设计成能够识别出这种气体。
在泄漏探测中存在的问题是，从泄漏探针不仅吸进了由存在的泄漏所排出的测量气体，而且也吸进了泄漏探针周围的气体。如果环境中已含有微量的测量气体，例如可能来自以前已确认的泄漏或一个产品生产线的充气站，则气体检测器对其同样有反应。在高的测量气体基底情况下这可能导致错误测量，也就是说严密的被检物被“确认”为破损的。
通常在泄漏探测中质谱计被用作测量气体检测器。质谱计虽然有高的探测灵敏度，但是昂贵和不坚实的。
在上述测量气体对红外线有反应时，红外线气体分析仪也可以被用作气体检测器。红外线吸收光谱学现已用作气体分析的方法(参见例如Hansel/Neumann著“物理”，Spektrum Akademic出版社，海德堡)。然而正如那里所述，摄谱仪是昂贵和灵敏的仪器，它不适应于日常工业使用。此外，已有工业用的装置(例如Drger公司的MULTIWARN)，然而它们对于泄漏探测的应用来说灵敏度低1至2个数量级并且/或者其响应时间明显太慢(30至60秒)。
本发明的目的在于给出一个适于日常使用且廉价的IR气体分析仪，它尤其适用作为泄漏探测用的气体检测器。此外通过应用IR气体分析仪应能避免上述在泄漏探测中出现的错误测量。
按照本发明，在本说明书开始处所述方式的红外线气体分析仪的情况下完成上述任务的解决方案如下除了流过测量气体的测量器皿外还有一个参考器皿，它流过参考气体，参考气体从测量气体吸入处的四周吸进，并且为其配置相同的或另一个光源和相同的检测器，另外的一个措施是穿过器皿的IR光被调制，用通过测量在测量器皿中IR光的吸收量而获得的信号建立测量值时可考虑基底信号的影响，它通过测量参考器皿的气体中IR光的吸收量而获得。这样，不仅探测了测量气体，而且也探测了探测器四周来的参考气体，从而可以在建立测量值时考虑测量气体或干扰的其它气体的全部基底浓度。在最简单的情况下由探测参考气体而得到的信号被从由探测测量气体而得到的信号中减去。
重要的是只用一个IR检测器，因为两个不同的检测器的噪声成份是不相关的，从而在相减时不会消失。应用一个公共的IR光源或应用两个分开的光源(每个器皿用一个)是可能的。有意义的是存在能实现对穿过器皿的IR光进行调制的方法，因为否则的话就不可能只应用一个检测器。
下面借助在
图1至5中简要示出的实施例说明本发明其它优点和细节。附图中图1是符合本发明的一个气体分析仪实施例，图2是调制图1所示IR光的一种方案，图3是构成一个测量器皿和一个参考器皿的双射线管的例子，图4是聚焦两个器皿的光线到一个公共检测器上的一种方案，图5是对红外线有反应的气体的例子，这些气体是可以用本发明的分析仪探测的。
图1所示的红外线气体分析仪包含两个器皿2和3，它们各被配置一个IR光源4及5。应该用具有小的热时间常数的IR光源作为光源，它们主要被设计成薄层辐射器。一个例子是CAL公司型号为SVF350-5M3的传感器。
器皿分别由三个段6，7，8或9，10，11组成。中间的段7，10位于封闭室14中，其上连接着真空泵15(最好是一个隔膜泵)。
在所示实施例中，器皿2是测量器皿。它的中间段流过测量气体。为此在这个段上，例如在其接近中间的地方，连接一个测量气体输入管(软管17)，它与探针18用手扶块19连接起来。例如在段7的两端区域有开口21(例如它们可以设计成段之间的裂缝)，开口汇入室14中，这样在工作时段7流过测量气体。真空泵15用于保持此气流。此外在手持块19中可配置一个传送泵。
测量器皿2段6的前端设置IR光源，且段6伸进室14内部。在邻近段7的一端安装着一个能透过IR光，但是对气体是严密的窗口22。这样保证了维持室14中的压力。
参考器皿3的结构类似于上述结构。不同之处在于，其中间段10连接着软管25，其吸入口26接受从探针18四周来的气体。段10汇入室14的开口用27表示，段9的可穿过IR光的窗口用28表示。
两个器皿2和3的段8和11在相对于室14内部的那端用可透过IR光的窗口31，32密封，它们在室14外部如此被设计它们构成一个聚焦装置12，它使得从两个分开的器皿2，3来的光射线会聚到一个检测面上。在图1所示实施例中两个器皿的轴逐渐相互接近，端连到一个公共的开口34，此开口34安装在一个红外线检测器35上，这样可以用此检测器测量两个器皿2和3中IR光的吸收量。检测器最好光和气密封地安装在合在一起的两个器皿的输出开口上，这样进一步防止环境的干扰影响。适用于作为廉价和可用于中间频率红外线的检测器的例如有Heimann公司的LHi807TC检测器，它与集成的温度补偿器同时供货。在检测器35上连接一个放大器36和一个测量/显示装置37。
为了能先后测量两个器皿2和3中的IR光吸收量，调制通过器皿穿过的IR光是必要的。为此在图1所示实施例中有一个频率发生器38，它连接到两个IR光源4和5并且对其进行调制。频率发生器38产生周期性的方波信号，它们相移180°馈送给光源4和5。频率发生器38还通过导线39与放大器36相连接，以便利用锁定测量方法。这个测量方法是众所周知的。用此方法可以通过调制有用信号和接着的相位敏感检波，可以高灵敏度检测“含噪声”的信号。
IR光的调制的另一可能性是采用一个机械的光调制盘41(图2)。该方案具有仅需一个光源42的优点。为此两个器皿2和3的两个段6和9被如此设计它们端接于一个公共的开口43，光源42装在此端口上。此外段6和7在室14外部中断。光调制盘41位于如此构成的裂缝44中，它周期性地切换通过器皿2和3的IR光通道。用光调制盘41同样可以产生一个参考信号，此信号通过导线39送到锁定放大器36。
图3示出一个用双射线管的实施例，其结构可以用作测量和参考器皿2及3。制造方法是首先弯曲单根管的端部，接着铣端部使得在单根管的端部相互联结处形成一个公共的开口34或43。两根管子为此由压制铝或拉伸的铝构成，其内壁还可涂复一层特别好的反射金属。
在图1所示IR气体分析仪的实施例中双管的仅一个终端区域按上述方式构造。在图2所示实施例中其两个终端区域都必须有此结构。在公共IR光源42的区域(图2)上述成为两根管子的分裂起到射线分配器46的作用。每个被分配的射线在重又走到一起的管子区域中抵达检测器35。
替代图1所示实施例中的聚焦装置12，也可利用一个抛物面镜，其焦点基本上位于检测器探测面上。图4示出一个这种方案的实施例。与一个公共的对红外线透明的，对气体密封的窗口49相连接的两个器皿输出开口47，48安装在抛物面镜50上。其焦点位于检测器35的检测器探测面38上。为此抛物面镜50是一个塑料零件，它涂复着金，银或铝反射层并且其直径在一侧与器皿输出口47，48适配，另一侧与检测器相适配。检测器35在这里也是光和气体都密封地安装在抛物面镜50的输出开口上，抛物面镜在对IR光透明的窗口49的一侧气体密封地连接真空室14。
上述实施例中符合本发明设计的IR传感器可以达到小于百万分之一(ppm)的探测灵敏度，同时反应时间约为1秒。这种方式的IR传感器是坚实的，因而可用于日常工业运行。器皿的生产无需高的费用，因而它们可作为可更换的和廉价的易损零件生产。这一点对于日益严重的污染来说尤为有意义。
本发明分析仪可应用于对红外线有反应的气体。通过应用一个参考器皿提供了下述可能性从总信号中减去可能也含有其它气体的环境大气的基底信号。
为了在两个大信号相减时也得到一个可评估的测量信号(差分信号)，应用一个红外线滤波器，它允许部分频谱通过，在这些频谱成份上被检测气体有高的吸收量。
因为使用具有不同带宽的红外线滤波器，可以通过选择带宽改变气体分析仪的性能。例如如果采用了一个非常窄带的滤波器并且一种测量气体在此带宽内有高的吸收谱线，则可以精确地探测这种气体。如果利用了一个非常宽带的滤波器，可以检测出从泄漏处泄漏出的几乎每种气体，只要这种气体在此宽的滤波通带中至少有一根吸收谱线。在选择适中带宽的适当滤波器时，可以探测某些少量的被检测气体；即精确检测出在所选滤波器带宽内具有吸收谱线的气体。确定分析仪性能的滤波器因而直接安装在检测器35上，在图1中它用标号40简要示出。
图5举例示出三种不同的致冷剂(R22，R134a，R600)在7μm(微米)至8μm波长范围内的IR吸收量。具有不同带宽的IR滤波器的性能通过垂直的点划线或区段线及双箭头给出。
用于单独的R600探测，例如利用一个相对窄带的IR滤波器，其特性由双箭头51描述。只有R600在此IR滤波器的带宽内有高的吸收量。
适用于探测R22或R134a的一个相对窄带的滤波器用双箭头52示出。如果需要不仅能探测R600，而且也能探测R22和R134a，可以应用一个具有双箭头53所标出的中间带宽的滤波器。当然在这种方式的红外线检测中不能获得以下结论不同气体中的哪种气体被检测到。
可用于图5所示气体的IR滤波器的一个例子是LOT Oriel公司的FC-70520U型滤波器，它具有7.69μm(用于R134a)的中心波长和4.2％的相对带宽。
权利要求
1.红外线气体分析仪(1)，它特别适合于在泄漏探测时用作气体检测器，它具有一个流过测量气体的器皿(测量器皿2)，一个IR光源(4，5，42)，它产生穿过测量器皿(2)的IR光，分析仪还具有一个检测器(35)，它能够测量在测量气体中的IR光吸收量，其特征在于，除了流过测量气体的测量器皿(2)外，存在一个参考器皿(3)，其中流过在测量气体吸入位置四周吸入的参考气体，并且对参考器皿配置同一个或一个其它的光源(4，5，42)和同一个检测器(35)，此外存在调制穿过器皿(2，3)的IR光的装置(38，41)，并且存在形成测量值的装置(36)，它们可以在通过测量在测量器皿中的IR吸收量而获得的信号上考虑通过测量参考器皿(3)中的IR吸收量而得到的基底信号的影响。
2.如权利要求1所述的分析仪，其特征在于，测量器皿(2)和参考器皿(3)分别包含三个段(6，7，8或9，10，11)，并且相应的中间段(7或10)中流过测量气体或参考气体。
3.如权利要求2所述的分析仪，其特征在于，存在导管(17，24)，它们用作送入测量气体或参考气体，并且存在气流输出口(21或27)，它们在真空室(14)内部。
4.如权利要求1，2或3所述的分析仪，其特征在于，光源(4，5或42)及用于调制穿过器皿(2，3)的IR光的装置(38，41)位于段(6，9)的区域内。
5.如权利要求4所述的分析仪，其特征在于，对器皿(2，3)的段(6，9)的每一个配置一个光源(4或5)，并且存在一个用于调制两个IR光源(4，5)的频率发生器(38)。
6.如权利要求4所述的分析仪，其特征在于，仅存在一个光源(42)，它发出的光通过一个射线分配器(46)送给器皿(2，3)，并且存在一个用于调制IR光的机械光调制盘。
7.如权利要求3和权利要求4，5或6中任一项所述的分析仪，其特征在于，输入段(6，9)伸入真空室(14)中，并且在内部用对IR光透明的窗口(22，28)密封。
8.如权利要求2和3和其它权利要求中任一项所述的分析仪，其特征在于，器皿(2，3)的检测器侧的段(8，11)也伸入到真空室(14)中，并且在内部用对IR光透明的窗口(31，32)密封。
9.如权利要求1至8中任一项所述的分析仪，其特征在于，穿过器皿(2和3)的IR光通过聚焦装置(12)会聚到检测面上。
10.如权利要求9所述的分析仪，其特征在于，存在一个抛物面镜作为聚焦装置(12)。
11.如权利要求8和9所述的分析仪，其特征在于，器皿(2，3)的检测侧的段(8，11)如此被结构成聚焦装置(12)它们以逐渐相互靠近的轴线端接到一个公共的窗口(34)中。
12.如前述权利要求中任一项所述的分析仪，其特征在于，用作形成测量值的装置的组成部份是一个锁定放大器(36)。
13.如前述权利要求中任一项所述的分析仪，其特征在于，测量和参考器皿(2，3)分别由一根金属管-最好是铝管-构成。
14.如权利要求13所述的分析仪，其特征在于，两根管子至少在一个终端区域如此成形它们以逐渐相互靠近的轴线端接到一个公共的窗口(34，43)中。
15.如权利要求13或14所述的分析仪，其特征在于，管子的内壁用反射的金属涂复。
16.如前述权利要求中任一项所述的分析仪，其特征在于，一个IR光滤波器(40)安装在检测器(35)前。
17.运行具有前述权利要求中一项或多项特征的气体分析仪的方法，其特征在于，交替完成在器皿(2，3)中的IR光吸收量的测量，并且在形成测量值时考虑了通过检查在参考器皿(3)中的参考气体而获得的信号。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，锁定测量被应用，并且为此所需的参考信号由调制装置(38或41)产生。
19.如权利要求17或18所述的方法，其特征在于，气体分析仪的性能通过应用具有不同带宽的红外线滤波器(40)而被改变。
全文摘要
本发明涉及一种红外线气体分析仪(1),它特别适合于在泄漏探测时用作气体检测器,它具有一个流过测量气体的器皿(测量器皿2),一个IR光源(4,5,42),它产生穿过测量器皿(2)的IR光,分析仪还具有一个检测器(35),它能够测量在测量气体中的IR光吸收量;为了得到日常适用的和廉价的分析仪,本发明建议:除了流过测量气体的测量器皿(2)外,存在一个参考器皿(3),其中流过在测量气体吸入位置四周吸入的参考气体,并且对参考器皿配置同一个或一个其它的光源(4,5,42)和同一个检测器(35),此外存在调制穿过器皿(2,3)的IR光的装置(38,41),并且存在形成测量值的装置(36),它们可以在通过测量在测量器皿中的IR吸收量而获得的信号上考虑通过测量参考器皿(3)中的吸收量而得到的基底信号的影响。
文档编号G01N21/31GK1340158SQ00803825
公开日2002年3月13日 申请日期2000年1月20日 优先权日1999年3月13日
发明者沃纳·G·布雷, 冈特·沃斯, 尤里奇·多布勒, 托马斯·伯恩 申请人:因菲康有限公司