光谱仪的标定气体室的制作方法

专利名称:光谱仪的标定气体室的制作方法
本发明涉及一用于光谱仪的标空气体室，特别是提供用于通常光谱仪和自动声光红外分析器系统中的标空气体室，其中标定气体用于校准这些装置。
通常的就地联机的气体光谱仪测量有限数量的气体。这些装置为NDIR型，它应用的是宽带光，其中心位于欲测的那类气体分子的吸收峰处。这种宽带光是很容易从光源发射出的全频率的光中通过带通滤光器选出来。为了校准这些装置，将以透光物质构成并含有欲测的特定气体样品的气匣插入光路中以便校准这类仪器。当用这类仪器测量多于一种气体时，数个专用的密封气匣有选择地插入到光路中，为了校准目的这些已知气匣给出的上限读数可以外推到零值。
对分析装置有一个大的和增长的市场存在，这些装置可用于分析工业过程中大量不同的反应产物。此外，联机的当时已燃产物的分析器是需要的以便于碳氢燃料更有效地燃烧。例如，电力工业面临监测烟囱废气的任务已若干年了。起见，废气的监测包括测量氧浓度和烟的不透明度以便控制燃烧频率。随着规范标准的量的不断增加导致需要对硫的氧化物和氮的氧化物进行监测。在将来，其它的成分无疑地亦要监测。例如氨气加到烟囱中以保持沉积器的频率在欧州已提出的规范将需要监测氨气。近期的研究指出，例如监测一氧化碳，可以提高燃烧效率。因此，对商业机构感兴趣的气体种类已很快地增长到较大的数目。历史上介决的方法是对每一种监测气体分别装设一指示器器。这种做法变得愈来愈昂贵，当需要监测的气体的种类增长时变为较不可取的做法。
已经知道所使用的分析装置是利用紫外及红外分光光度技术以及气体和液体色谱法去满足上述工业的需要。这些光学仪器利用被分析物质的以下重要特性，一特定分子具有与所有其它分子不同的吸收特微光谱。分子混合物的光谱是可以叠加的，而吸收是与各种分子的浓度成正比。光吸收谱可从任意形式样品得到只要样品能透光，它们可以是固体、液体或气体，光谱能在不破坏样品的试验中得到。几乎所有的气体分子吸收红外辐射。每种分子只对特定的特微波长的光有吸收。因此从在特定波长下监测到的光吸收的大小可以推断出烟囱中所含该气体的量。这是靠红外辐射透过烟囱到达探测器而完成的。透射的光辐射的波长被调谐到与被测气体的特定波长相吻合，在给定的波长下探测器的信号强度与在那个波长下吸收气体的浓度有关。红外辐射的有选择的调谐是靠在光路中插入狭带干涉滤光器或插入充有合适气体的气匣。这两种做法都包含机械动作而且能采用的气匣及滤光器的数量显然是有限的。因此可靠性及精确度受制于这些调谐元件的非理想的性质。
最近已认识到某些双折射光学物质并称为声光物质能够在光谱分析器中用作滤波器。美国专利号3，792，287的说明书中讲授了一个有效的透红外光的声光物质，铊-砷-硒化物的用途，它可能应用在1到约16微米的接近中红外光谱区。一种利用声光技术的自动声光红外分析器系统在美国专利号4，490，845的说明书中描述并讲授了一种自动声光可调谐滤波器的红外分析器系统，它允许利用与经过样品的红外辐射的声光相互作用将滤波器快速电子调谐到一予先选好的红外带通。红外分析器系统包括能探测通过被分析的样品的红外辐射装置，此样品具有预定的红外吸收特性，还有定向装置使红外辐射通过一声光可调谐滤波器。一个声光可调谐滤波器包括一个光学准直的声光晶体，通过它红外辐射与晶体光轴成一预定角度。一个声换能器耦合到晶体上，利用一可复频率的射频源在晶体中激励声波，使它与偏振的红外辐射中精选出的狭带宽部分相互作用，以使后者与辐射的其余部分区分开来。调谐的或精选的狭带宽辐射与经声换能器联结到滤波器的射频源的频率成函数关系。红外辐射控制装置与滤波器相耦合以便探测滤波后红外辐射的输出，并产生与滤波后输出的红外辐射成函数关系的输出信号。自动计算装置与探测装置的输出电信号相联。计算装置包括用于有选择地触发射频源的装置以测定加到声换能器上射频源的时间和频率，然后决定出选出的或滤波后的狭带宽红外光的有用波长。
一种特定用途的声光红外分析器系统用于监测烟囱排气已发表在美国专利用途序号为736，199的说明书中，1985年5月20日归档。在这样一个基于声光可调谐滤波器的光谱仪中，可以测量大量不同的气体。为了建立此系统的正确操作参数以及对此系统进行校准，所需的标定气体会包括一个大范围的各种气体及浓度。显然这使得它很昂贵而且也不实际在装置中制造大量的标定气体匣或提供它们用于像现在实际使用的联机气体光谱仪的装置中。此外，对于用包含各种红外波长的标定气体的光学窗口所增加的费用是不可取的。
本发明的目的是提供一种改进的用于光谱仪中探测器组件，它包含一聚焦透镜和一个密封的探测器。设计中增加一个腔，联结并密封到聚焦透镜与探测器腔或探测器窗口作为标定气体室，并处于此两透光元件之间，从而标定气体以有选择地引入和从此标定气体室排出。
进一步的目的是提供一标定气体室，其中以聚焦透镜作为在探测器装置与要分析的气体样品或工业废气之间的唯一封板。
再进一步的目的是提供一种对自动声光红外分析器系统的改进，此改进包括一整体标定气体室。
另外一目的是提供一标定气体室的设计，使气室体积为极小并仍不妨碍光聚焦于探测器装置上。并提供一标定气体室具有独特的气体引入方式，它在标定气体室中建立一种切向流道。
按照本发明，一个用于光谱仪设备的标定气体室包括一个腔装置作为一个室，其初始端具有第一尺寸的初始孔和一终端具有第二个较小尺寸的终端孔并与上述初始孔相面对着。透光窗口装置放在上述初始及终端孔中以封住上述初始端与终端。上述室具有一锥形内表面使上述初始孔逐渐向上述终端孔缩小。上述腔装置具有一标定气体入口装置与上述室相连通并位于上述初始端附近以及一个标定气体出口装置与上述室相连通并位于上述终端附近;上述标定气体入口装置的取向是使标定气体沿上述初始端的初始孔切向进入上述室，并在上述锥形室中形成切向流道。
方便的是此发明提供用于光谱仪装置的探测器组件的设计包括一机内的标定气体室。此标定气体室装置包括一个腔作为一个室，其初始端具有第一尺寸的初始孔以及一终端具有第二个较小尺寸的终端孔并与初始孔相面对着。此室具有一锥形内表面使初始孔逐渐向终端孔缩小。此腔装置有一个标定气体入口装置与室连通并位于初始端附近。一个标定气体的出口装置与室连通并位于上述终端附近。标定气体入口装置的取向是使标定气体沿初始端的初始孔切向进入室，结果是在锥形室中形成切向流道。室的锥形尺寸减少了标定气体室的体积并因此减少了所需标定气体的量。
有利的是本发明提供的光谱仪装置的型式包括一聚焦透镜装置用于将光导向一探测器装置，还包括一个整体的标定气体装置作为一个室，此室位于初始端的聚焦透镜和终端的密封的探测器之间，后两者并作为整体的部件。在此结构中不需附加费用提供附加窗口或透镜。在工业废气的探测器侧的聚焦透镜既可作为一透镜又可兼作封板以防工业废气泄漏。此外，作为探测器的整体而安装的红外窗口可作为第二封板，因为探测器是在真空中制成并密封真空。结果是由于利用第○圈密封的室与探测器的园柱形腔和聚焦透镜相联结，这样提供的与标定气体连用的室，使它并不需要任何附加红外窗口。
标定气体室以需用的标定气体冲洗或溢流，标定气体从第一个位置处进入并从标定气体室的第二个位置处排出。冲洗或溢流操作所需的时间以及所用的气体量是减少了，因为标定气体室的体积已由于其形状正好与透镜聚焦到探测器上的光锥形状相匹配而为最小。由于标定气体的引入是切向于室的大直径端并在室的小直径端排出，探测器室的冲洗及溢流操作变得很方便。
本发明现在将参照附图通过例子描述，其中图1为一个改进的带有标定气体室的声光红外分析器系统的实施例的示意图;
图2为标定气体室的剖面图，室内包含有作为整体的聚焦透镜和探测元件。
图3A、3B和3C示意地表示了标定气体在标定气体室内的流道;及图4为双光束短程光谱仪，含有探测器装置。
光谱仪的标定气体室是用在自动声光可调谐滤波器的红外分析器系统中。这种系统11示真地表示在图1中。声光可调谐滤波器的红外分析器系统(AOTF)11由几个子系统及部件构成，它包括一个声光可调谐滤波器13。分析器系统11可认为具有二个主要子系统，一个光学子系统15和一个电子学子系统17。分析器系统11的光学系统15主要是一个红外固态光谱仪，它设计成允许在较宽的光谱区工作。一个红外辐射源19，例如纳斯特(Nernst)炽热体，用作系统的宽带红外辐射的初始流。从源19输出的一部分红外辐射由镜21收集并准直。由镜21准直的光束通过AOTF13，在其中将辐射中的狭带部分选出以区别于红外辐射中的其余部分，像图1中虚线所表示的。一个探测器装置23调整到可收集相互作用过的在空间中分散的狭带辐射，它是由AOTF13输出的并经过欲监测的环境例如工业废气烟囱，图中以25表示。探测器装置23将结合图2、3A、3B和3C在下面详细描述。探测器装置23在27处提供一输出用于信号处理，其方式将在下面描述。在特定用途中的欲监测的环境在此处例如为工业加工厂或机构的烟囱，并一般地以参考号码25表示。从图1中的示意图中可见到烟囱25包括两侧墙29和31。在此结构中，探测器23和包括AOTF13的光源装置处于烟囱25的两侧。由于探测器与AOTF分开，相互作用过的狭带辐射的角位移是足够使其在探测器处与未受相互作用的宽带辐射在空间上分开。这个过程在美国专利号4，490，845的说明书中描述过。此外，在美国专利号4，505，550的说明书中讲授了用于AOTF的输入和输出的偏振器。
声光可调谐滤波器13通过声波与光波在适当的晶体14中的相互作用而工作。典型地，一个声换能器35与光学晶体14相联结并由可控射频信号所驱动，在下文中将描述它。已研制出各种各样的光学材料用于声光器件。这些材料包括铊-砷硒化物或硫化物，已描述在美国专利号3，792，287;3，929，970和3，799，659的说明书中。
现在将描述图示于图1中的电子学系统17。红外探测器装置23的模拟输出信号通过27输到放大器51及模数转换器53，将转换后的数字信息输到微电脑55。电子学系统17通过与射频放大器57相连的换能器35与光学系统15在声光可调谐滤波器13处连接。选频后的射频驱动能在通过换能器35后被应用于激励声波到晶体14中。这样，光学滤波过的红外辐射可被探测出并被微电脑用于测定在烟囱25中存在的被选择的气体所产生的光吸收。微电脑55一般具有一视频输出装置59用于被探测的信号的可见显示，以及贮存装置例如软盘驱动器61和打印机63。贮存装置61贮存系统控制和操作信号，已从贮存装置61接受控制信号的微电脑55通过适当的接口装置65去控制频率合成器67的输出频率与振幅，此合成器靠门装置69与射频放大器57相连，以用于脉冲调制操作作。门69与一脉冲阻塞电路装置71联用，以便保证适当宽度的射频脉冲加到换能器上而使射频功率的有荷因数限制在不使得晶体14过热的荷载水平上。因此这种系统不但可作为快速可调谐狭带红外滤波器还可作为固态光学遮光器而工作。
从贮存装置61的控制信号加到微电脑55是为了顺序地将射频脉冲加到声光可调谐滤波器13的换能器35上。这些脉冲被设计成使滤波器在参考波长下透光，此时没有吸收;然后再在已知气体具有较强吸收的波长下透光。除了对各类气体的吸收波长快速取样外，此系统是予置在没有气体存在时产生取样振幅信号，这类似于由模数转换器对参考波长的测量。然后能用微电脑产生控制加工的反馈信号，它为分析结果的函数，并去控制特定的加工过程，例如正在被分析的燃烧。
图1的探测器装置23的详细剖面图示于图2中，并包括一标定气体装置71用腔装置73具体表示。腔装置73包括一个室75其初始端77具有第一尺寸的初始孔79。腔装置73还包括一具有终端孔83的终端81，终端孔的尺寸小于初始端77的初始孔79并处于腔的另一端与初始孔79相面对着。腔71可用一块整体制成整体结构或由数个部件制成。室75具有锥形内表面或面85，从初始孔79逐渐向终端孔83缩小。腔装置71还包括一标定气体入口装置87与锥形室75相连通并位于腔71的初始端77附近。一个标定气体出口装置89与室75相连通并位于终端83附近。
在本发明最佳实施例中，一个红外探测器91放在腔的终端83处。探测器91包括一红外窗口，它与探测器构成一整体，此探测器窗口可作为标定气体室的一个封板，因为这些探测器91是在真空中制成并真空密封。适用的探测器可从Infrared Industries Easfern Division Orlando Florida和Opto Elecfronics Petalama California买到。在腔装置的另一端及初始孔79处，一个聚焦透镜93作为透镜外还兼作封板以防工业废气漏入锥形标定气体室75。透镜93在腔体中安装在座95中并用○圈97密封。同样地，在探测器91与腔71的终端孔83之间至少用一个○圈99密封。
必须认识到由于使用探测器91和聚焦透镜93作为标定气体室的部件，这样就可能省去在腔体中安装附加的红外窗口。由于室的设计中采用○圈密封于探测器的园柱形腔和聚焦透镜连接处，结果不需要任何附加红外窗口就可得到用于标定气体目的的室。
通过入口装置87，标定气体室可用所要的标定气体冲洗或溢流，只要将构成气体通过孔87进入室再通过孔装置89排出。必须认识到标定气体室75的体积由于与透镜93聚焦到探测器91的锥形光束相匹配而成形为极小。再者，由于标定气体为切向在大直径端进入并在室的小直径端排出，这就缩短了必要的冲洗时间。
标定气体能够通过一带有可得到切向流道的小孔的管进入。通过对图3A、3B和3C的考察，这种方向的气体流道能更清楚地觉察出来。在图3A和3B中标定气体入口装置87相对于室75的位置示意地图示为能在那室中产生环形的气体流动。能见到标定气体的出口装置89是处于园锥的小端。以参考号码101表示的箭头指示出用于冲洗或溢流标定气体室75的标定气体的环形流动。在图3C中给出另一种标定气体入口装置87′，它位于与切向气体流道101大致相垂直的位置。由于在标定气体入口装置87′上开了一个孔88，就得到了所需的气体流动方式。
现在看图4，它示意地图示了另一种光谱仪的实施方案，它体现了本发明的要点。此替代实施方案在以参考号码103表示的双光束短程光谱仪中所提供的探测器组件。此短程光谱仪103安装在工业废气通道例如图1中烟囱25的一个墙上。光谱仪103装有已在本文其它处描述的声光可调谐滤波器并用105表示。一个红外光源107位于AOTF105的一侧。聚焦透镜109将红外辐射从源107导向AOTF105。经AOTF选出的输出再通过聚焦透镜111和光束分离器113。一个红外窗口115将光源和探测器组件与工业废气区分开。一个反射器117装在延伸到废气区121的室119的终端。光束分离器113允许经反射器装置117反射的红外辐射通向探测器组件123。探测器组件123与在图2及3A3B和3C中所描述的探测器装置相当并能体现其主要原理。此探测器组件包括一聚焦透镜125和一红外探测器装置127，它们作为锥形室129的相面对的两端。探测器组件127和聚焦透镜125用○圈133和135装在探测器组件123的腔131内。将定气体入口装置137和标定气体出口装置139也装在探测器组件的腔131内，并像以上描述的那样操作。
已描述过的为一用于光谱仪等中的改进了的标定气体室。标定气体室能与任何种类的标定气体混合物联用并不要将此装置从烟囱道处取出。
用于图中的参考号码的识别图例 参考号 图号放大器 51 1模数转换器 53 1微电脑 55 1射频放大器 57 1视频输出 59 1软盘驱动器 61 1打印机 63 1IE8接口 65 1频率合成器 67 1门电路 69 1脉冲阻塞电路装置 71 权利要求
1.用于光谱仪设备的标定气体室其特征在于包括一个腔装置作为一个室，其初始端具有第一尺寸的初始孔和终端具有第二个较小尺寸的终端孔并与上述初始孔相面对着，透光窗口装置位于上述的初始与终端孔中并封住上述的初始和终端，上述室具有一锥形内表面从上述初始孔逐渐向上述终端孔缩小，上述腔装置具有一标定气体入口装置与上述室相连通并位于上述的初始端附近以及一个标定气体出口装置与上述室相连通并位于上述终端附近，上述标定气体入口装置的取向使得标定气体沿切向于上述初始端的初始孔进入上述室，在上述锥形室中形成一个切向流道。
2.根据权利要求
1的标定气体室还包括一光谱仪设备带有将光导向探测器装置的聚焦透镜装置，包括一标定气体装置，它含有形成室的腔装置，其初始端具有第一尺寸的初始孔和终端具有第二个较小尺寸的终端孔并与上述初始孔相面对着，在此上述聚焦透镜装在上述的初始孔中而上述探测器装置放在上述终端孔中，上述室具有锥形内表面并由上述初始孔逐渐向上述终端孔缩小，上述腔装置具有一标定气体入口装置与上述室相连通并位于上述初始端附近以及一标定气体出口装置与上述室相连通道位于上述终端附近;上述标定气体入口装置的取向是使标定气体切向于上述初始端的初始孔进入上述室，在上述锥形室中形成一切向流道。
3.根据权利要求
1或2的标定气体室包括形成室的腔装置其初始端具有初始孔而终端具有终端孔，透光窗口装置放在上述的初始孔与终端孔中以封住上述的初始与终端。上述室具有一标定气体入口装置与上述室相连通并位于上述初始端附近以及一标定气体出口装置与上述室相连通并位于上述终端附近。
4.根据权利要求
2或3的标定气体室，其中形成室的腔装置其初始端具有一初始孔以及终端具有一终端孔，并且上述聚焦透镜装在上述初始孔中而上述探测器装置放在上述终端孔中，上述腔装置有一标定气体入口装置与上述室相连通并位于上述初始端附近以及一标定气体出口装置与上述室相连通并位于上述终端附近。
5.根据权利要求
4的标定气体室其中的标定气体入口装置的取向是使标定气体切向于初始端的初始孔进入该室，在此锥形室中形成切向流道。
6.一个宽带自动声光可调谐滤波器的多种气体红外分析器系统其特征为包括用于使红外辐射通过被分析物质的使人感兴趣的环境的装置，这些物质具有予先测定的红外吸取特性，一个包括光学准直的声光晶体的声光可调谐滤波器，红外辐射与晶体光轴成以予定的角度通过该晶体，一个声换能器装置耦合于可变频率的射频源和声光晶体，并在晶体中激励声波使它与辐射中选出的狭带宽部分相互作用，使后者区别于辐射的其余部分，此选出的狭带宽部分为射频源的频率和声波的函数，通过上述声光可调谐滤波器后上述选出的狭带宽部分相对于未被选出的红外辐射有一角位移;包括用于引导红外辐射到上述声光可调谐滤波器的装置;红外辐射探测装置用以探测红外辐射中选出的有角位移的狭带宽部分，此探测装置产生一电输出信号，作为已探测到的辐射的函数;聚焦透镜装置用于把红外辐射中选出的狭带宽部分引导到上述红外辐射探测装置，探测装置的电输出信号加到计算装置上以测定在样品匣中存在的样品的类别;还包括用于脉冲控制射频源的装置以测定加在联结到声光晶体上的声换能器上的射频能的时间与频率，以得知对红外波长的选择性或声光可调谐滤波器的调谐情况，从而受脉冲控制的操作允许上述探测装置从使人感兴趣的环境中在脉冲控制的发射装置所选出的狭带宽部分及发明部分之间进行鉴别;其中分析器系统包括一个标定气体装置，它包括一个腔装置作为一个室其初始端具有一初始孔及一个终端具有一终端孔并与上述初始孔相面对着，其中上述聚焦透镜装在上述初始孔中而上述红外辐射探测装置装在上述终端孔中从而构成一封闭的室，上述腔装置具有一标定气体入口装置与上述室相连通并位于上述初始端附近以及一标定气体出口装置与上述室相连通并位于上述终端附近。
7.根据权利要求
6的一个分析器系统，其中计算装置包括一微电脑及贮存装置用于将被探测到的信号与贮存在贮存装置中的预定分子类别的示类信号相比较，而其中贮存装置提供一预定顺序的信号加在微电脑再转到频率合成器去变更加到与声光晶体耦合的换能器装置上的射频源的频率，再去变更对要分析的红外辐射的狭带宽部分的选择，相应于预定分子样品类别的预定频率就这样施加于其中。
8.根据权利要求
6或7的分析器系统，其中的射频源包括一射频能的频率合成器，它通过受电子信号控制的门装置耦合到与声换能器相连的放大器上;计算装置包括一微电脑和贮存装置用于将顺序的脉冲控制信号加到射频频率合成器上，按预定方式变更加到声光可调谐滤波器上的射频能的频率，同时控制信号加到受电子信号门装置上以向射频放大器提供受脉冲宽度调制的射频能。
9.根据权利要求
6到8中任一项的分析器系统其光学准直声光晶体为-铊-砷-硒化物的晶体。
10.根据权利要求
9的一个分析器系统，其中的红外探测装置的安装与声光可调滤波器有关，应使得选出的狭带宽部分的角位移足够大以致在探测装置处于与宽带非选出的辐射在空间上分开。
11.根据权利要求
10中的分析器系统，其中的声光可调谐滤波器包括一个输入偏振器用于有选择地偏振射向声光可调谐滤波器的红外辐射以及一个输出偏振器其与输入偏振器光学准直并相对于输入偏振器为横向地取向。
12.根据权利要求
11中的分析器系统，其中的室具有一锥形内表面从初始孔逐渐向终端孔缩小。
专利摘要
一个光谱仪装置的探测器组件带有机内标定气体室。一个腔体作为一个室，其初始端具有一初始孔而其终端具有终端孔并与初始孔相面对着。透光窗口装在两相互面对着的孔中以封住此室。一聚焦透镜安在初始孔中而一个探测器装在终端孔中以封住此腔体的两端。此室具有一锥形内表面使初始孔逐渐向终端孔缩小。此腔体具有一标定气体入口与室相连通并位于初始端。一标定气体出口与室相连通并位于终端附近。
文档编号G01N21/03GK87101679SQ87101679
公开日1987年9月16日 申请日期1987年3月5日
发明者罗伯特·莱奥纳德·纳尔森, 威廉姆·约翰·丹利, 威廉姆·哈维·麦克英蒂 申请人:西屋电气公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan