专利名称：光学分析仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种按照射线吸收原理工作的光学分析仪，具有外壳，该外
壳带有至少一个透射射线的外壳元件；至少一个射线源及从属于该射线源的反 射器，带有至少一个第一检测器和一个第二检测器；以及布置在外壳之外的外 部反射器。由外部反射器和透射射线的外壳元件形成吸收空间，其中从该射线 源和反射器^l寸的测量射束在该外部，器上反射之后再次进入该外壳内。
背景技术：
这种类型的分析仪是按照被电磁射线透射的物质的射线吸收原理工作的。 这是指至少覆盖一个待检测物质的射线吸收的频率范围的宽带辐射。在此，每 种待检测的物质都有一个特征吸收谱带。所发射的电磁射线通过待检测的物质 所在的吸收空间之后，在确定的主要是窄带的吸收范围内相对于相邻频率范围， 辐射功率被相对较强地削弱。通过在吸收范围内相对削弱的强度，便有可能对 确定物质的浓度作出判断，而M吸收频谱的测量可以识别存在的物质。
这种类型的分析仪特别适用于有毒和有爆炸危险的气体测量。这里利用红 外线波长范围内的许多气体特征吸收。气体和蒸汽的吸收不仅在其频谱分布方 面，而且在吸收程度方面都是物质特有的。因此，可以利用气体所特有的吸收 行识别和浓度测定。为此使用非色散红外线分析(NDIR)。它们不必对发射 的电M线进行频谱分解即可实现。代之以采用选择性检测器工作，这种检测 器只对有限的辐射范围，亦即只对待检观啲物质的射线吸收的范围敏感。为此 使用窄带邀寸的滤光器，以便如此地选择首先是频谱宽带的光源的辐射，使其 与待测气体的吸收相符。在此红外辐射的强度用热电检测器或者热电堆测量， 并由接在后面的电子装置，主要用微控制器，进行分析。
然而，只用一个检测器实际上是不可能对待检测物质的实际浓度作出判断 的，因为不能排除测量射束的削弱由其他原因造成，比方说，吸收空间中的污 染物或者存在干扰气体的可能性。只用一个检测器也无法知道老化造成的射线 源的强度波动。因而为了补偿上述作用，在现有技术中已知，至少使用两个检测器，其中一个检测器在待检测物质的吸收范围内敏感，而另一个检测^l在不 会被其他物质吸收的频率范围内敏感(参考检测器和测量检测器)。以此，可以 通过把由测量检测器取得的信号与参考检测器取得的信号相参照，补偿确定的 会歪曲测量结果的效应。
这种双波长系统在工业应用上用于个人和设备对有毒和/或易爆气体和蒸汽 的防护。在此，往往将其集成在便携仪器中，以便满足对小型和节能系统的需 求。往往还有一种只用一个仪器同时检测多种光学可检观忾体成分的需求。这 对于监测碳氢化物的爆炸危险和同时观糧有毒二氧化碳是有效的。
在现有技术中已知在一條置中4顿两个独立的装置。于是，德国专利DE 196 04 167 Al提出了一种测量气体浓度用的传,装置，它装有多个选择性辐 射检测器，它们以不同的距离围绕一个宽带辐射源布置成圆形。由于检测器以 或多或少地各自呈直线而不转折的辐射行程的圆形布置，这种布置占地面积较 大而且很占空间。该射线源各自只以较小的空间角范围射在检测器上。这样， 就必须4顿能量充足的辐射器，以便达到好的信/噪比。
KR 000190693063 BA提出一种带有两个检测器和不同长度的辐射行程的 结构。在这种布置下只有一小部分射线射在检测器上，以致后果是能耗较高。
此外，还存在这样的问题，只有微弱吸收的成分与强吸收的成分相比需要 一个较长的吸收行程，以便在相同的物质浓度下获得强度相同的信号。根据测 量成分和待检测的浓度范围，总是得出测量波长范围和吸收4，呈的理想结合。
发明内容
这里本发明规定，该外部反射器具有至少一个不反射测量射束的凹槽，而 且在该凹槽中或者空间上在该凹槽后面设有至少一个第三检测器。以此可以在 最优地利用辐射强度的情况下，以不同的吸收行程检测不同的成分。因此，提 供一种多样的可以适应不同测量任务的装置。使一部分有利地经过准直的射线 通过外部反射器中的至少一个凹槽射在至少一个第三检测器上。其余的射线被 弯曲的反射镜反射，并第二次通过吸收空间，以便然后射在至少一个第一和第 二检测器上。在此，其中由单个检测器在不同的波长范围内测量辐射强度。此 外，在检测器的前面布置带有带通特性的干涉滤光器。将干涉滤光器的至少一 个透射范围选作参考通道，使得在这个范围内不会发生待检测的介质或者测量介质中所含的其他成分的频谱选择性吸收。
反之，另外至少另一^it射范围作为处于待检测物质的频谱吸收范围内的
测量鹏。i^通过求商从检测器的信号分量形成观糧值，它表示待检测的物
质浓度大小。
通过在吸收空间的两端布置多个检测器，第三或者其他检测器最优地用于 强吸收的物质，而第二检观螺最优地用于较弱吸收的物质，因为测量射束在射 在外部反射器上之后必须第二次通过吸收空间，才能射在第二检测器上。后者 对于第一检测器(参考检测器)也适用。
作为替代方案，第三检测器还可以在相同物质的高浓度范围内进行检测， 反之第二检测器用于在相同物质的低浓度范围进行检测。同样还可以用各一个 双检测^(戈替第二、第三和其他检测器。
选择性地可以在两个检测劉立置上使用通过第一检测器的参考通道。在不 均匀污染的危险较小时，只要一个参考通道就足够。
有利地通过由从属于射线源的反射器准直由射线源射出的射线。此外，属 于该射线源的反射器这样地构造成反射镜，使得射线偏转射到外部反射器和第
三检测器上。例如，这可以Mil抛物面镜面达到，但是还可以M对称的凹镜， 特别是聚光反射镜或凹面反射镜达到。
对于外部反射器，镜面形成这样的形状，尽可能使得入射射线的大部分偏 转至悌一和第二检测器。在简单的实施中，这可以是球形反射镜，特别是球面 反射镜，用以照射圆对称的检测器。该反射镜可以这样优化，使得不仅只从外 部反射器反射的射线，而且由从属于该射线源的反射器和外部反射器反射的射 线都很好地照射检测器。
通过像散曲率可以产生椭圆形的射束轮廓，以便例如照射两个并排的检测 器。在此，检测器处于例如一次反射的射束的初次线性成像之前和多次反射的 射束的初次线性成像之后。
为了更好地利用射线源的射线，可以使吸收空间的内壁附加地镜面化，并 形成这样的形状，使得以较少反射使尽可能较大部分的射线射在第三检测器上。 此外，例如可以把一部分镜面化的壁体同样构造 圆形，其中椭圆的焦点如 此地处于在该射线源和第三检测器的范围内，使得该射线以尽可能较大空间角 从该射线源只经过一次鄉便到达第三检测器。对于在有爆炸危险的环境中的应用，该分析仪可以构造成不同的防点燃型 式。这样射线源例如可以用蓝宝石盘片在防爆标准的意义上耐压地朝吸收空间
安装。同样可以以提高的安全标准构造射线源。特别是可以以提高的v'级安全
性按照正C 60079-7构徵寸线源。作为红外射线源，特别是可以j柳微型信号灯， 这可以归入其他电气驱动装置，而且必须符合恰当的结构要求。这样，射线源 可以例如本质安全i&l过机械去负载的焊接的电源导线由电路板供电。在此， 要这样限制本质安全的供电电压，使得玻璃泡可能达到的最大表面温度低于允 许值以避免点燃易爆气体。
特别是把射线源布置在金属外壳中，特别是不锈钢制外壳中，其具有直通 浇铸部和开沐配合的蓝宝石盘片，使得即使例如以4焦耳碰撞會腿行碰撞沈验， 玻璃泡也不出现损坏。此外，该玻璃泡这样安装，使得与蓝宝石盘片保持至少 约lmm的距离。在此，射线源ffi31吸收碰撞能的弹性材料，例如,粘结剂固 定在外壳内，使得该玻璃^^直皿触将其包围的浇铸部。
分析仪的其余的结构可以这样构造，使得在吸收空间中物质交换的扩散时 间尽可能短。特别是该吸收空间用气体透过膜防止污染。作为替代方案，该分 析仪还可以设计成整体耐压的，例如该吸收空间可以通过火焰击穿防护，例如 烧结金属、相应的外壳和注塑包封来保护。对'd"级耐压包封的结构要求在正C 60079-1中给出。同样还可以用两种独立的防点燃型式，以便附加地提高安全性 和使工业防爆危险区分^(Ex-Zone)0的实施成为可能。
作为检测器可以采用热电或热电堆检测器。j她把信号的干扰减到最小， 有利地信号放大尽可能靠近检测器。传感器元件可以针对信号特性曲线、压力 和与温度的关系表示特征，相应的信息可以保存在属于各检测器的电子存储器 中。此外各检测器可以以优选的结构形式连同所属的电子装置制造，该电子装 置这不仅包含信号准备和信号处理，还包括附加的温度、湿度和压力传感器元 件。
下面将参照附图较详细地举例说明本发明。附图中 图1是按照本发明的光学分析仪的横截面；
图2是该射线源、从属于i刻t线源的反射器和第一及第二检测器的俯视图;图3是带有用于第H^检测器的凹槽的外部鄉器的俯视亂 图4是带有用于第三和第四检测器用的凹槽的外部反射器的俯视图； 图5是i)W线源ffi31外部鄉器到第二检测器的射线t，呈的示意亂 图6是在使用像散弯曲的外部反射器盼瞎况下的射线行程的示意图； 图7是在禾,抛物面皿的从属于射线源的反射器的情况下的射线，Tf呈的 示意图。
具体实施例方式
整体上用1标示按照射线吸收原理工作的光学分析仪，它有一个外壳2，该 外壳带有至少一，寸射线的外壳元件3; —个射线源4和一个从属于它的反射 器5，带有至少一个第一检测器6和一个第二检测器7;以及布置在外壳2之夕卜 的外部反射器8。吸收空间9由邀寸射线的外壳元件3和外部反射器8以及侧壁 17、 18形成。由射线源4和所属反射器5发射的测SI寸束在外部反射器8上反 射之后则寸回外壳2中，正如用附图标记ll标示的，而/AI寸线源4只是发射出 发的测量射束10不被从属的反射器5反射，而是只/A^卜部RI寸器8 Rl寸回来。 (图5中用虚线表示)。该外部反射器8按照本发明具有至少一个不^lt的凹槽 12。在该凹槽的前面或者空间上在该凹槽的后面，布置有第三检测器13。这个 第三检测器13配备干涉滤光器14，而第一检测器6和第二检测器7也配备干涉 滤光器15、 16。在此，第一检测器6前面的干涉滤光器15的透射范围这样选 择，使得在这个范围中不进行待检测介质的或者在测量介质中所包含的其他成 分的频谱选择性吸收。反之，第二检测器7前面的干涉滤光器16的透射范围以 及第三和可能有的第四检测器13、 13前面的干涉滤光器14、 14'的透射范围构 造成在待检测的物质的频谱吸收范围内的测量31道。
^Mii求商从检测器6、 7和13以及可能有的14的信号分量形成测量 值，它表示待检测的物质的浓度大小。
舰把检测器7和13方爐在吸收空间9的两端，于是第三检测器13最优 地用于强吸收的物质，而第二检测器7最优地用于较弱吸收的物质。作为替代 方案，还可以把第三检测器13用于在相同物质的高浓度范围内进行检测，而第 二检测器7用于在相同物质的低浓度范围内进行检测。还可以有选择地在两个 检测器位置上，即也在外部反射器8之内或后面，使用参考通道，或者只使用第一检测器6作为参考M，用于特别是在不均匀污染的危险较小时进行检测 或者补偿效应。
从属于射线源4的反射器5是这样构造的，使得射线源4的射线偏转到外 部反射器8和第三检测器13上。这可以例如fflil抛物面镜面达到。外部刻寸器 8的镜面形成这样的形状，^A射射线的尽可能较大的部分偏转到第二检测器7。 在一个简单实施方案中，这可以是一种球形反射镜，用以照射圆对称的检测器。
但是，反射镜5和8可以进一步优化，使得不仅只AA^卜部反射器8反射的 射束11 (用点划线表示)，而且由从属于射线源4的反射器5和外部反射器8 反射的射束IO (用虚线表示)都照射第一和第二检测器6和7，如图5所示。
通过一个像散曲率可以达到椭圆形射束轮廓，以便例如照射两个并排的检 测器6和7，如图2所示。在此，检测器6和7处于例如一次g射束10的初 次线性成像之前和多次反射的射束ll的初次线性成像之后，如图6所示。
为了最优地利用射线源4，吸收空间9的内壁17、 18可以附加地镜面化并 形成这样的形状，使得射线的尽可能较大部分以较少的反射射在该第三检观阮 件13上。此外，例如可以把镜面化的壁体17、 18的一部分构造自圆形，如 图7所示。在此，使椭圆23的焦点21 、 22处于射线源4和第三检测器13的 范围内，使得射线24以尽可能较大的空间角从辐射源4只经过一次在镜面化的 侧壁17、 18上反射之后就到达第三检测器13、如图7所示。
透射射线的外壳元件3，例如可以构造成蓝宝石盘片，以便使该射线源4在 防爆标准的意义上是耐压的。还可以鄉寸线源4以更高的安全性构造。此外， 该射线源4本质安^ttt过机械上去负载的焊接的电源导线24由电路板25供 电。这样限制本质安全的电源电压，使得射线源4的玻璃泡可能达到的最大表 面^Jt低于允许值，以免点燃易爆气体。该射线源4装在一个金属外壳2中， 该金属外壳2例如由不,辩ra制成，而且具有直通浇铸部和构造成开別犬配合的蓝 宝石盘片27的邀寸射线的外壳元件3。在此，射线源4的玻璃泡和蓝宝石盘片 3之间保持至少约lmm的距离，从而即使在4焦耳的碰撞能进行碰撞试验，玻 璃泡也不会出现损坏。射线源4在外壳内用吸收碰撞能的弹性材料，例如 粘结剂26固定，使之不直皿触包围它的浇铸部。
吸收空间9本身可以用气体透过膜20防止污染，此外，该分析仪l这样构 造，使吸收空间9中物质交换的扩散时间尽可能短。本发明自然不限于上述实施例。在不脱离其基本思想的情况下，其他方案 也是可能的。
权利要求
1. 按照射线吸收原理工作的光学分析仪(1)，具有外壳(2)，该外壳带有至少一个透射射线的外壳元件(3)；至少一个射线源(4)和从属于该射线源的反射器(5)，带有至少一个第一检测器(6)和一个第二检测器(7)；以及布置在外壳(2)之外的外部反射器(8)，其中由所述外部反射器(8)和透射射线的外壳元件(3)形成吸收空间(9)，而且从射线源(4)和反射器(5)射出的测量射束(10)在外部反射器(8)上反射之后再次进入外壳(2)中，其特征在于，所述外部反射器(8)具有至少一个不反射所述测量射束的凹槽(12)，而且在该凹槽中或者空间上在该凹槽后面设有至少一个第三检测器(13)。
2. 按照权利要求1的光学分析仪，其特征在于，;AI寸线源(4)发出的射线借助从属于i刻t线源的反射器(5)进行准直。
3. 按照权利要求1或2的光学分析仪，其特征在于，在所述检测器(6， 7， 13)前面布置有带有带通特性的干涉滤光器(14， "， l6)。
4. 按照权利要求1、2或3的光学分析仪，其特征在于，所述干涉滤光器(16) 的至少一个邀寸范围这样选作参考通道，使得在这个范围内不发生待检测的介 质或者测量介质中所包含的其他成分的频谱选择性吸收。
5. 按照权利要求1和/或随后的权利要求中至少一项的光学分析仪，其特征 在于，所述干涉滤光器(15， 16)的至少一倒寸范围作为处于待检测物质的频 谱吸收范围内的测量通道。
6. 按照权利要求1禾B/^随权利要求中至少一项的光学分析仪，其特征在 于，从属于所述射线源(4)的反射器(5)构造成对称的凹镜，特别是构造成 会聚反射镜或凹面反射镜。
7. 按照权利要求1和/離随权禾腰求中至少一项的光学分析仪，其特征在于，所述第一 (6)和第二检测器(7)在外壳(2)内直接邻接于射线源(4) 布置，使得A"卜部反射器(8)反射的成束的测劃寸束(11)刚好错开射线源(4) 的反射器(5)，并直接射在第一和第二检测器(6， 7)上。
8. 按照权利要求1和/或随后的权利要求中至少一项的光学分析仪，其特征在于，所述外部目器(8)构造成球形反射镜，特别是构造成球面g镜。
9. 按照权利要求1和/或随后的权利要求中至少一项的光学分析仪，其特征 在于，从属于所過寸线源(4)的反射器(5)构造成抛物面反射镜。
10. 按照权利要求1和/或随后的权禾腰求中至少一项的光学分析仪，其特 征在于，所述外部反射器(8)这样构造，使得该外部反射器将形成椭圆形的测量射 束反射回第一和第二检测器(6， 7)上，特别是该外部皿器具有像散曲率。
11. 按照权利要求i禾n/或随后的权利要求中至少一项的光学分析仪，其特征在于，所述吸收空间(9)的内壁(17， 18)附加地镜面化并形成这样的形状，使 尽可能大部分的射线以少的反射射在所述第三检测器(13)上。
12. 按照权利要求l或ll的光学分析仪，其特征在于， 所述内壁(17， 18)的至少一部分形成椭圆形。
13. 按照权利要求1和/或随后的权禾腰求中至少一项的光学分析仪，其特 征在于，所過寸线源(4)耐压地布置在外壳(2)内，特别是ilil在吸收空间(9) 前面布置蓝宝石盘片(3)。
14. 按照木又利要求1禾n/或随后的权利要求中至少一项的光学分析仪，其特征在于，所過寸线源(4)以提高的安全性构造。
全文摘要
本发明涉及一种按照射线吸收原理工作的光学分析仪(1)，具有外壳(2)，该外壳带有至少一个透射射线的外壳元件(3)；至少一个射线源(4)和从属于该射线源的反射器(5)，带有至少一个第一检测器(6)和第二检测器(7)；以及布置在外壳(2)之外的外部反射器(8)，其中由所述外部反射器(8)和透射射线的外壳元件(3)形成吸收空间(9)，而且由射线源(4)和反射器(5)发射的测量射束(10)在外部反射器(8)上反射之后再次进入外壳(2)中，其中所述外部反射器(8)具有至少一个不反射所述测量射束的凹槽(12)，而且在该凹槽中或者空间上在该凹槽后面设有至少一个第三检测器(13)。
文档编号G01N21/35GK101532955SQ200910138739
公开日2009年9月16日 申请日期2009年2月16日 优先权日2008年2月14日
发明者H·-J·许布纳, R·克拉格 申请人:Gfg工具制造有限责任公司