气体测量仪的制作方法

气体测量仪的制作方法
【专利摘要】本发明涉及在原位以吸收光谱的方式确定气态测量介质（432)的至少一种化学和/物理参数的气体测量仪，其中所述气体测量仪包括第一壳体（101、201、301、401、501);至少一个激光器（102、202、302、402)作为辐射源，其被布置在第一壳体（101、201、301、401、501)中；至少一个过程窗口(114、214、314、414、514)用以将由激光器（102、202、302、402)发出的辐射耦合输入测量介质(432);和至少一个检测器(103、203、303、403)，辐射在与所述测量介质（432)相互作用后可以通过该检测器检测出来；其特征在于，第一过程窗口(114、214、314、414、514)被构造作为无焦点凹凸透镜，其包括凹形表面和凸形表面。
【专利说明】气体测量仪

【技术领域】
[0001] 本发明涉及具有第一过程窗口（Prozessfenster)的气体测量仪，其用以在原位 以吸收光谱的方式确定气态测量介质的至少一种化学和/物理参数。

【背景技术】
[0002] 激光吸收光谱和带有可调谐激光的所谓的半导体激光吸收光谱也被称作可调谐 半导体激光吸收光谱（TDLAS)，特别适合确定气态测量介质的至少一种化学和/物理参数。
[0003] 借助于激光吸收光谱可以非常准确地测定测量环境中所存在的或测量介质中所 存在的气体的浓度或含量。此外还可以测定其他参数，例如温度或压力。
[0004] 如果使用可调谐半导体吸收光谱（TDLAS)，测量介质可通过可调谐的激光的辐 射而被穿透辐射的波长在预先确定的波长范围内被周期性调谐，其中由激光穿透的波长 范围优选包括有待检测气体的一个或几个吸收光谱带。被覆盖的波长范围通过所使用的 激光，特别是半导体激光确定。已知大量的激光和半导体激光。所谓的分布反馈型激光 (DFB-激光）可能覆盖大约700nm至大约3μπι之间的波长范围。所谓的垂直腔面发射激光 (VCSEL-激光）可能覆盖至2· Ιμπι的波长范围，QCL-激光（量子级联激光）覆盖的是大约 3. 5 μ m以上的以及甚至大约4. 3 μ m以上的波长范围。
[0005] 大多数情况下在透射结构中测量，其中已知在Transflexion-结构中测量。通过 测量介质灵活地或通过与其相互作用由适当的检测器（Detektor)检测到激光或半导体激 光发出的辐射。
[0006] 可以检测到的是在所用的波长范围内具有至少一个典型吸收光谱带或吸收线 (Absorptionslinie)的气体。可以借助于激光吸收光谱检测到的其他包括氧气（0 2)、二氧 化碳（C02)、一氧化碳（C0)、氮气（Ν0Χ)、胺类、氨气（NH3)、硫化氢（H 2S)、二氧化硫（S02)、卤 族氢气复合物，例如HCI或HF、气态水或由其构成的混合物。
[0007] 特别是激光，尤其例如可在760nm范围内发射和调谐的激光适于确定例如氧气， 可在1500m范围内发射和调谐的激光适于确定NH 3，因为在这些范围内氧气和NH3分别具有 很强的吸收光谱带。
[0008] "测量环境"和"测量介质"概念在此指在该范围内可以测量或分析的环境和介质。
[0009] 美国专利文件US 5, 331，409 A公开了一种带有可调谐半导体激光的气体测量仪 以及连接在其上的气体测量结构，有待检测的气体被导入到该气体测量结构中并且该气体 测量结构包括多个气体测量工位（Gasmesszelle)。所述辐射通过准直透镜被引导至具有射 束分离器第一气体测量工位，所述射束分离器通过每个聚焦透镜将辐射引至另一个测量工 位或参照工位（Referenzzelle)分别具有检测器。但使用这些透镜会导致出现影响到吸收 光谱带探测工作的干扰。为尽可能抵制这一效果，所述测量工位应被设计地尽可能长。
[0010] 在过程环境中以及由其在容器中使用气体测量仪时，激光辐射可以典型地通过过 程窗口被耦合输入测量介质或测量环境中。如美国专利文件US 5,331，409 A所公开的内 容，所述过程窗口可以是透镜。另外已知具有楔形窗口（Keilfenster)或正常窗口作为过 程窗口的气体测量仪。所述楔形窗口经常被安装为与光轴稍稍倾斜。正常窗口大多被安装 在布儒斯特角下方，也就是同样与光轴倾斜。过程窗口在布儒斯特角下方的安装可以根据 激光偏振的方向导致信号损失，而即使通过尽可能准确的校准也无法完全消除这一问题。 因此这一解决方案的缺点是比较经常安装成对的窗口，这样可以充分修正光路，为此必须 为所述过程窗口特别地涂覆增透膜，从而抵制出现的干扰效应。干扰效应可能消极地影响 测量结果并导致依赖于温度的功能变化。另外精确地安装这种窗口，由于必要的校准相当 耗费时间，而制造非常精准的楔形窗口成本高昂。
[0011] 在过程装置或测量环境中，尤其在恶劣条件控制下的测量环境中安装气体测量仪 时，安装被涂层的光学元件是有缺陷的，因为涂层有时可能被腐蚀和破坏或者毁坏，这样就 又会导致测量准确度受损。恶劣条件在此理解为例如温度相对高或低的、压力相对大或小 的和/或在其中使用了有侵略性化学物质的环境。恰好在将其安装在过程装置或大气研究 中时，确保在整个测量周期和/或气体测量仪使用寿命内的充分校准是非常困难的，因为 只能将气体测量仪拆卸后才能对其进行校准。
[0012] 吸收光谱气体测量仪可以例如在潜在具有爆炸危险的过程或过程装置中，例如在 原油精炼厂或燃烧过程中，在原位监控气体浓度，特别是氧气浓度。另一个使用领域是大气 研究。
[0013] 为控制和/或分析这种过程和测量环境，特别重要的是所使用非常可靠的气体测 量仪，测量值应尽可能不需维护并具有很强的可复制性。


【发明内容】

[0014] 因此本发明的任务是提供一种针对原位确定的、具有过程窗口的吸收光谱气体测 量仪，其特别耐用，同时在恶劣的条件下也尽可能地不会影响到测量准确性和可复制性。
[0015] 该任务通过在原位以吸收光谱的方式确定气态测量介质的至少一种化学和/或 物理参数的气体测量仪解决。所述气体测量仪包括第一壳体、至少一个激光器作为辐射源、 至少第一过程窗口以将由该激光器发出的辐射耦合输入气态测量介质和至少一个检测器， 辐射在与测量介质相互作用后可被该检测器检测到。如本发明所述，所述第一过程窗口被 构造作为无焦点（afokal)的凹凸透镜（Meniskuslinse)，其包括凹形表面和凸形表面。
[0016] 使用无焦点的凹凸透镜是特别有利的，因为由于这种无焦点凹凸透镜缺乏的成像 特性，相对于测量光束特殊对准或校准无焦点的凹凸透镜是不必要的，因为无焦点的凹凸 透镜不具有成像特性。
[0017] 凹凸透镜可以是有焦点的，也就是成像的和散光透镜和/或聚光透镜，或者无焦 点的，也就是不能成像的透镜。与具有有限焦距的、有焦点的凹凸透镜相反，无焦点的焦距 具有基本上无限的焦距。
[0018] 如果有焦距的凹凸透镜被用作第一过程窗口，那么应为每个气体测量仪计算其几 何形状，特别是弯曲半径、折射率和透镜中心厚度，并且尽可能准确地适应测量距离的长度 和/或其他所使用的元件，例如激光器、检测器和/或光学偏转元件。为确保测量结果的可 复制性，使用有焦点的凹凸透镜作为第一和/或第二构成窗口时，所述测量距离应具有基 本上固定的长度。为此基于作为第一过程窗口的有焦点凹凸透镜的成像特性，在校准凸形 和凹形平面方面基本上预先确定其结构。
[0019] 如本发明所述，气体测量仪的第一过程窗口被构造作为无焦点的凹凸透镜。使用 无焦点凹凸透镜作为第一过程窗口是有利的，因为可以不考虑测量距离的长度而使用它， 这就在校准方面导致它很不灵敏并且使气体测量仪非常牢固。因此凹凸透镜由于其光学特 性可以使激光射线耦合输入和/或耦合脱离测量介质或测量环境，从而尽量避免在检测器 上形成有干扰作用的干涉。
[0020] 使用无焦点凹凸透镜作为过程窗口的另一个优点是无焦点凹凸透镜如平板 (Planplatte)可被布置在所述气体测量仪的任意方向上。无焦点的凹凸透镜可以使其凸形 或凹形平面对准测量介质，但并不改变所述气体测量仪的光学特性。
[0021] 由于无焦点凹凸透镜的光学特性，气体测量仪可以具有没有涂层，特别是没有增 透（抗反射）涂层的过程窗口。它恰好在过程装置中用于在原位确定时使用气体测量仪时 有利，因为这样可以通过过程窗口尽量避免光学错误和干涉。测量稳定性和测量结果的可 复制性可以长期保持，指示极限可得以提高。被构造为无焦点凹凸透镜的第一过程窗口可 以连同不同已知的、其发出固定波长的辐射或可调谐的激光或半导体激光被使用在如本发 明所述的气体测量仪中，只要所述第一过程窗口针对所使用的辐射是能被光穿透的。
[0022] 适用于所述过程窗口的材料例如是硅酸硼、玻璃、石英、石英玻璃、蓝宝石、金刚 石、硒化锌或锗。当然如本发明所述的过程窗口也可由其他针对光学透镜已知的材料制成， 特别是由光学玻璃制成。
[0023] 根据所使用的激光的波长范围，在激光吸收光谱中已知的不同的检测器，例如光 电二极管、光电倍增管、光电管、GaAs-检测器或热电检测器都适于作为检测器，其中还可以 使用其他已知的辐射检测器。
[0024] 如本发明所述的吸收光谱气体测量仪可以例如用来在任意测量环境中检测气态 测量介质。使用在过程装置中时，所述气体测量仪优选用来确定容器中的参数，其中过程 装置的不同零件都可被理解为"容器"，特别是反应容器以及所有类型的输入管道和输出管 道，在其内都能进行吸收光谱检测。此外其他可在其内存储、运输或使用气态测量介质、气 体或气体混合物的容器也属于这一范围。
[0025] 在一个实施例中，所述气体测量仪还可以包括光学偏转元件，其将通过所述第一 过程窗口被耦合输入到测量介质中的辐射又引回第一过程窗口中，这样所述辐射可以再次 从所述测量介质中耦合脱离。
[0026] 所述光学偏转元件可以包括例如至少一个下述光学元件：猫眼透镜 (Katzenaugenoptik)、三棱镜、三面镜、平面镜（planarer Spiegel)和/或成像的镜子、
[0027] 在所述气体测量仪的另一个实施例中，所述检测器和激光器可被布置在第一壳体 中。所述第一过程窗口在该结构中用于将由激光器发出的辐射耦合输入所述测量介质以及 在其与测量相互作用后将该辐射从测量介质中耦合输出。
[0028] 在另一个实施例中，所述气体测量器可以具有第二壳体和第二过程窗口，其中所 述检测器或偏转元件被布置在第二壳体中。
[0029] 在第一过程窗口和偏转元件或第二过程窗口之间，用于以吸收光谱方式检测致死 一个化学和/或物理参数的测量距离在工作中形成。使用偏转元件时，由激光器发出的辐 射两次穿过从激光器到检测器的路径上的测量距离。
[0030] 在另一个实施例中，所述光学偏转元件可被布置在第二壳体中，这样通过所述第 一过程窗口被耦合输入测量介质的辐射首先通过第二过程窗口从测量介质中耦合脱并偏 转至所述光学偏转元件。所述辐射通过光学偏转元件发生偏转，并且再次通过所述第一和 第二过程窗口以及测量介质被引回在该结构中被布置在第一壳体中的检测器。通过辐射穿 过测量介质的双重投射可以增加吸收测量的指示极限，因为依据朗伯比尔定律，测量距离 的长度与吸收强度直接成比例关系。
[0031] 激光器、检测器和/或偏转元件在两个壳体中的布置首先适用于使用在所谓的烟 囱结构或开放路径结构。在烟囱结构中，所述测量介质处于封闭的或开放的容器，其被透 射，例如在管道中。在开放路径结构中首先使用非常长的测量距离，例如在大气研究或环境 研究，特别是针对空气分析。针对烟囱结构或开放路径结构，激光器被布置在第一壳体，检 测器被布置在第二壳体中，或者激光器和检测器被布置在第一壳体，偏转元件被布置在第 二壳体中。
[0032] 同样所述第二过程窗口优选被构造作为优选无焦点的凹凸透镜，其具有凹形和凸 形表面。使用两个凹凸透镜作为第一和第二过程窗口是有利的，因为可以不给两个过程窗 口涂层。由于无焦点凹凸透镜的光学特性，在具有两个被构造为凹凸透镜的过程窗口的气 体测量仪中，所述无焦点的凹凸透镜可以被定向与所述测量介质相同方面或不同方向。在 每个结构中，所述气体测量仪相对于几何结构干扰稳定并为此在测量距离方面基本上不依 赖于长度。
[0033] 可以根据使用条件调整所述无焦点的凹凸透镜的厚度，特别是可以根据所述无焦 点凹凸透镜的厚度在确定范围内调整其压力稳定性。所述无焦点凹凸透镜越厚，被构造为 该类型的过程窗口以及所属的气体测量仪对压力越稳定。
[0034] 可以借助于下述用于计算透镜厚度，更准确地说用来计算透镜中心厚度以及计算 凸面半径R2的公式计算适当的无焦点凹凸透镜：
[0035]

【权利要求】
1. 在原位以吸收光谱的方式确定气态测量介质（432)的至少一种化学和/物理参数 的气体测量仪，其中所述气体测量仪包括第一壳体（101、201、301、401、501);至少一个激 光器（102、202、302、402)作为辐射源，其被布置在第一壳体（101、201、301、401、501)中；至 少一个过程窗口（114、214、314、414、514)用以将由激光器（102、202、302、402)发出的辐射 耦合输入测量介质（432);和至少一个检测器（103、203、303、403)，辐射在与所述测量介质 (432)相互作用后可以通过该检测器检测出来；其特征在于，第一过程窗口（114、214、314、 414、514)被构造作为无焦点凹凸透镜，其包括凹形表面和凸形表面。
2. 如权利要求1所示的气体测量仪，其特征在于，它还包括光学偏转元件（112、212、 512)，其将耦合输入测量介质的辐射回引至第一过程窗口（114、214、514)。
3. 如权利要求2所示的气体测量仪，其特征在于，所述光学偏转元件（112、212、512)包 括至少一个猫眼透镜、至少一个三菱镜、至少一个三面镜、至少一个平面镜或成像镜。
4. 如权利要求1或2所示的气体测量仪，其特征在于，检测器（103、203)和激光器 (102、202)被布置在第一壳体（101、201、501)中，第一过程窗口（114、214、514)用于将由激 光器（102、202)发出的辐射耦合输入到测量介质以及在其与测量介质相互后将辐射从测 量介质中辐射输出。
5. 如权利要求1或2所示的气体测量仪，其特征在于，它还包括第二壳体（217、317、 417)和第二过程窗口（218、318、418)，其中检测器（303、403)或光学偏转元件（212)被布 置在第二壳体中。
6. 如权利要求5所示的气体测量仪，其特征在于，第二过程窗口（218、318、418)被构造 为无焦点凹凸透镜，其具有凹形和凸形表面。
7. 如权利要求1至6其中任一项所示的气体测量仪，其特征在于，它还包括气体探针 (107、207、307、507)，其包括基本圆柱形的、带有过程开口（111、211、311、511)的探针壳 体（110、210、310、510)，在工作过程中，测量介质通过上述过程开口能够挤进所述探针壳体 (110、210、310、510)的内部，其中所述气体探针（107、207、307、507)的端部在工作过程中 与第一壳体（101、201、301、501)连接。
8. 如权利要求7所示的气体测量仪，其特征在于，所述气体探针包括针对扫气用气体 的扫气用气体接口（520)和至少一个扫气用气体通道（523)。
9. 如权利要求8所示的气体测量仪，其特征在于，在工作过程中，第一过程窗口（514) 和/或第二过程窗口在介质一侧具有扫气用气体垫。
10. 如权利要求7至9其中任一项所示的气体测量仪，其特征在于，所述光学偏转元件 (512)被无密封地固定并在工作过程中由扫气用气体在周围冲洗。
11. 如权利要求1至10中任一项所示的气体测量仪，其特征在于，所述激光器（102、 202、302、402)是可被调谐的。
12. 如权利要求1至11其中任一项所示的气体测量仪，其特征在于，有待检测的化学和 /或物理参数包括至少一个下述参数：温度、压力和/或至少一种气体的浓度，例如氧气、二 氧化碳、一氧化碳、氮气、胺类、氨气、硫化氢、二氧化硫、卤族氢气复合物、水或由其构成的 混合物。
【文档编号】G01N21/39GK104220864SQ201280062014
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2012年12月13日 优先权日:2011年12月15日
【发明者】F·基利希 申请人:梅特勒-托利多公开股份有限公司