分析仪器及其操作方法
【专利摘要】用于光学测量测试介质（4）的至少一个性质的分析仪器（1）包括：光源（20）；光管理单元（22），用于将由所述光源（20）发射的光引导通过所述测试介质（4）中的检测空间（30）；光检测单元（24），用于检测由测试介质（4）散射、反射或传送的所述光的至少一部分；功率管理单元（13）；以及数据管理单元（28）。分析仪器（1）经由源布线（7）而耦合于功率源（10）。所述功率管理单元（13）经由缓冲器布线（18）而使来自功率源（10）的能量分配到所述光源（20），并且经由另外的布线（9，11）而分配到所述光检测单元（24）和所述数据管理单元（28）。数据管理单元（28）适应于经由信号布线（11）而与所述光检测单元（24）以及与接收单元（19）交换测量数据，其中所述分析仪器（1）适应于在潜在危险的环境（5）中操作。
【专利说明】分析仪器及其操作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及根据权利要求1的分析仪器，并且涉及用于操作这样的分析仪器的方法。
【背景技术】
[0002]许多工业过程的控制和优化典型地牵涉加工物质的特定性质的在线分析，例如流体(气体、液体)、固体或固体/流体混合物。对于许多应用，基于光学测量(例如，光的透射、反射、散射)来进行该分析，这是有利或甚至必须的。光学测量具有许多优势:它提供非侵入式原位分析(光谱“指纹”分析)，它免除电磁场以及过程与分析仪之间固有的电流绝缘。
[0003]对于一些工业段(例如化学和石油化学工业)，如果在危险环境中操作，对这样的装置的电子器件施加有特殊要求。例如，为了保证在爆炸性环境中安全的分析仪操作，装置的电子器件的外壳必须满足某些标准。用于对电子电路供电所需要的能量可足够点燃爆炸性气体。从而已知通过将仪器装入密封或净化外壳中或通过使用使分析仪电子器件与传感器链接的光纤使得仅传感器位于恶劣环境中而适合于在爆炸性环境中使用的光学分析仪装置。
[0004]WO 2009/146710 Al公开了管道系统，其包括远程输出系统和气体感测站，该气体感测站包括光声光谱仪(photoacoustic spectroscopic)。由于安全性原因,远程系统(其是分析仪器的部分并且远程位于非危险气氛中)和气体感测站仅光学链接。对于光谱仪的感测光的光源位于远程部分中并且它的光通过光纤从安全气氛馈送到感测区域中的气体感测站。系统提供另外的光源作为位于传感区域中的换能器的部分。后者源的光用于将电测量信号转换成光学测量信号，其通过之前提到的光学通信链路而能传送到遥远的分析仪电子器件。
[0005]EP O 289 200 A2描述了这样的发明，其涉及凭借光而对流体介质光学研究的装置。固有安全性通过远程放置电子器件使得仅感测部分暴露于爆炸性或恶劣环境来实现。再次，感测部分凭借光纤而链接到分析电子器件。现有技术从而包括这样的装置，其将能量密集型电子部件(特别是用于测量的光的光源)与爆炸性气体分离并且因此也与分析仪头分离，同时在部件之间提供光学链路来以安全的方式保证必需的通信。其他装置通过将电子器件装入净化或密封外壳中而使能量密集型电子器件与危险环境分离。
[0006]这些策略对这样的装置的用户施加明显的额外投入和额外成本负担。
【发明内容】
[0007]本发明的目标之一是提供包括电子器件的分析仪器，该电子器件包括用于光学测量的光源，其中该分析仪器在危险环境中能安全操作。
[0008]此目标和其他目标通过具有权利要求1的特征的分析仪器来实现。在从属权利要求中或在说明中给出有利实施例。在该整个申请中，像“可优选”、“优选”或“特别地”等等的术语指示或涉及指代仅可选的实施例。[0009]本发明特别提供用于光学测量测试介质(特别是流体，并且还是使用光束而能分析的任何其他介质)的至少一个性质的分析仪器，所述分析仪器包括
一至少一个光源，用于发射光，
一至少一个可选的光管理单元(发射光管理单元)，用于将由所述光源发射的光引导到所述测试介质中的检测空间上和/或内和/或通过它，以及/或至少一个可选的光管理单元(接收光管理单元)，用于接收与测试介质交互的光的至少一些部分，
一至少一个光检测单元，用于检测由测试介质弹性或非弹性散射和/或反射和/或传送和/或折射的所述光的至少一部分，
一至少一个功率管理单元，以及 一至少一个数据管理单元。
[0010]另外，所述分析仪器包括功率源和/或经由源布线而耦合于功率源。
[0011]所述功率管理单元经由缓冲器布线而使来自功率源的能量分配到至少所述光源，并且经由另外的布线而分配到至少所述光检测单元和/或所述数据管理单元。
[0012]另外，所述数据管理单元适应于经由信号布线而与所述光检测单元以及直接或间接与接收单元交换在所述光检测单元中测量的测量数据。
[0013]根据本发明，所述分析仪器适应于在潜在危险的环境中操作，因为至少在源布线和/或在所述另外的布线中，任何电流限于小于或等于100毫安的电流，并且任何电压限于小于或等于30伏的电压。
[0014]分析仪器所抽取的电流小于100毫安并且它所耗散的能量小于50毫瓦，优选地小于35毫瓦，并且更优选地平均小于25毫瓦。根据国际标准IEC 60079-11，这些值将该分析仪器评定为简单的设备。然而，因为该分析仪器存储几毫焦数量的能量，它不视为简单的设备并且必须采取保护性措施以便确保装置的固有安全性。危险环境中的爆炸可能通过热点火或通过火花点火而发生。
[0015]暴露于危险环境的热表面可以通过自燃而引起热点火。这是为什么每个危险区域具有温度分类(参见根据国际标准IEC 60079-0的温度分类列表的表I)的原因。让我们举温度分类如何运行的一个示例。如果任何表面变得比135°C还热，危险区域归类为T4风险爆炸。出故障的电机绕组例如可以非常快地形成这样的高温。在该特定危险区域内部使用的任何设备件必须不能产生大于135°C的温度。仅评为处于T4、T5或T6的设备将允许在该危险区域中。
[0016]分析仪器电子器件中的任何部件的表面温度应优选地小于或等于最大表面温度(参见表I)。.1ti It2 It3 It4 Its Tre
蕞大表面温度，°C 丨450丨300丨200 |l35 |l00丨85-
[0017]表1，温度分类
如可以从表I看到的，存在若干温度类别。最大表面温度可根据放置电子器件的环境(例如周围温度和气体种类)而变化(参见国际标准IEC 60079-0)。通过使表面温度保持在所述最大表面温度以下，确保这样的表面不热点燃爆炸性气体混合物。限制表面温度通过在电子器件与空气之间具有低的热阻并且通过限制功率和/或通过提供对应的结构冷却和/或耗散部件而实现。电容器将能量存储在它们的板之间电场中，并且该能量可以自身在危险区域中呈现为火花。由电压供应的电容性电路使能量累积为等于电容的一半乘以电压的平方。让我们设想存着使电容器的两个板连接的开关。当电容性电路中触点闭合来使电容器放电时，火花可以恰好在触点触碰之前形成。因为触点几乎触碰，火花的大小是小的。该开关还可以代表被意外短路的场布线。从而，根据最大电压以及最坏情况下的气体组(即，按照IEC 60079-0的IIA、IIB和IIC)，固有安全的装置的最大电容受到限制。
[0018]存储在电感器的磁场中的能量可以在危险区域中采用火花的形式释放。电感器L(由恒定电流I馈电)存储等于电感的一半乘以电流平方的能量。让我们设想存在可以中断电流的开关。当开关断开时，电感器“试图”使电流保持从A流到B，如同在断开开关之前那样。尝试持续该电流流动的电压由方程V=L(di/dt)确定。项“di/dt”是电流di在时间间隔dt中的变化。该数可以非常大，因为当开关断开时电流将从它先前的值变到零。如果电感大，则产生的电压(其等于L* di/dt)是大的，并且火花可以在由开关断开形成的两个电极之间出现。根据该示例的开关还可以代表被意外切断的场布线。从而，根据最大电流以及最坏情况下的气体组(即，按照IEC 60079-0的IIA、IIB和IIC)，固有安全的装置的最大电感受到限制。
[0019]点燃危险气氛的能力还取决于开路电压(V=VOC),和短路电流(ISC=V/R)。来自功率源的能量可以在电路断开或短路的点处以火花的形式释放。从而，根据最坏情况下的气体组(即，按照IEC 60079-0的IIA、IIB和IIC)，固有安全的装置中的最大电流和/或电压受到限制。
[0020]为了防止打火花，与根据本发明的分析仪器有关的电流和电压值受到限制。这些限制还对电子部件的电容和电感施加约束，这将在下文进一步论述。具体地，这意指在所述另外的布线中(和/或在源布线中)，对操作中可以达到的电流、电压和/或功率施加安全限制。主要限制针对装置可以具有的最大温度。它还取决于应用环境中的气体种类以及电子器件的表面温度和/或火花风险。从该应用和布局来推论特定电压和电流限制。这甚至是在装置的外壳未密封包括电子器件的内部以隔离周围危险环境的情况下，因此在电子器件和布线可以暴露于危险环境(然而，密封外壳也可能用于双重保护)的情况下。优选地，进一步选择装置的电子/电部件，它们(无论何处暴露于环境)在内部从未达到这些参量的最大极限值。
[0021]为了安全性利益，满足使仪器布置处的能量限制在任何兼容电路在正常操作条件下正确运行同时它甚至在故障条件下为安全的值的标准，这是可取的。然而，该固有安全性标准迄今为止从未应用于这样的光学装置。固有安全性到目前为止还是基于使电子器件(即在设备内)以及暴露于潜在爆炸性气氛的互连布线的电能量限制在可能通过打火花或加热效应而引起点燃的水平以下的水平的保护类型。对于固有安全系统的要求由“国际电工委员会”(IEC)限定并且在IEC出版物IEC 60079-25中提供。
[0022]在该申请中，优选地，任何电流I限于小于或等于100毫安的电流(Imax)并且任何电压U限于小于或等于3伏的电压(Umax)。在下面，论述若干实施例。
[0023]例如，Ifflax优选地小于或等于50毫安，更优选地小于或等于30毫安，更优选地小于或等于25晕安，并且特定地在0.01晕安与20晕安之间。
[0024]Umax优选地小于或等于24伏，优选地小于或等于24伏，更优选地小于或等于15伏，并且特定地在0.01伏与12伏之间。
[0025]分析仪器的总耗散功率Pdiss平均小于或等于50毫瓦，优选地小于或等于35毫瓦，更优选地小于或等于25毫瓦，更优选地小于或等于20毫瓦，并且特定地在0.001毫瓦与15毫瓦之间。
[0026]分析仪器的最大总体平均功耗Pmax优选地小于或等于200毫瓦，优选地小于或等于112.5毫瓦，更优选地小于或等于60毫瓦。
[0027]上文规定的极限不一定适用于缓冲器布线，但它们还可能适用于缓冲器布线。
[0028]对于固有安全装置的任何电子部件所允许的最大电容Cmax和最大电感Lmax取决于Imax和Umax以及环境(参见例如国际标准IEC 60079-11)。
[0029]在Iniax=IOO毫安的情况下，存储根据本发明的分析仪器中的瞬间能释放的能量的分析仪器的任何电容器具有小于或等于Cmax=SO微法的电容，优选地小于或等于Cmax=15微法，并且更优选地小于或等于Cmax=3微法。可以按照国际标准IEC 60079-11根据环境来选择这些值。
[0030]在Umax=15伏的情况下，存储根据本发明的分析仪器中瞬间能释放的能量的任何电感器具有小于或等于Lmax=S毫亨的电感。可以按照国际标准IEC 60079-11根据环境来选择这些值。
[0031]万一任何电子部件超过这些上限(Tl至T6、Imax、Umax、Cmax、Lmax)，必须采取特殊措施来确保固有安全性。这样的措施可以:
?封装大值电容器(例如通过灌封)并且限制能量流出(例如，通过使用串联电阻器或二极管);
?续流二极管(例如齐纳二 极管)，其限制电压上升(并且对电流提供路径);
?限制可以输送到任何内部部件的电流和/或电压。
[0032]在本发明的上下文中，“测试介质的性质”包括通过光学测量而直接或间接能被获得测量的测试介质的参数或性质，例如气体浓度(像例如氧或CO2浓度)、pH值、折射率、浊度或微粒浓度(像悬浮固体，例如晶体、生物细胞或灰尘等)或其组合，等。测试介质的性质进一步包括等级、距离、接近性、位置、对象测距或相似的测量参数。
[0033]术语“测试介质”优选地指气体或气体混合物。然而，测试介质还可以包括固体(例如，松散固体)、流体(例如(例如有机或无机化学物(像例如油或水)的气体或液体，其包括气体中的微粒和/微滴的悬浮)或其混合物(例如，泥浆、乳胶或具有悬浮微粒的液体或气体)。测试介质可以是不透明或透明的。优选地，测试介质大致上是流体，例如具有特定的折射率，并且特别地，测试介质是气体或液体。优选地，测试介质散射、反射和/或传送光。特别地，测试介质可以是包含微粒(例如，例如晶体、生物细胞、灰、尘等悬浮固体，或其他固体或其混合物)的流体。测试介质还可以包含具有相同或特别地不同性质的两个区域之间的界面，该性质特别是折射率。测试介质可以进一步是具有与吸收相关的参数的分析物。测试介质可以处于大致上静止状态，或它可以处于动态状态，例如旋转、流动或流状态。它可以是蒸发气体的液体或固体，或它可以是部分熔融的固体，其中熔融物质处于大致上静止或动态状态。
[0034]术语“环境”要理解为这样的体积，其中分析仪器至少部分、优选地完全位于该体积中并且/或仪器可以直接影响该体积。环境可以是测试介质本身、测试介质的部分或至少部分包括或接近或覆盖/包围测试介质的介质。在该上下文中，术语“接近”意指对应距离与测量设备的尺寸相当。特别地，环境可以是这样的体积，其包含可从液体测试介质蒸发的潜在爆炸性气体。测试介质和环境可以是安全(例如，惰性气体)或危险的(例如，易燃液体作为测试介质以及爆炸性气体作为所述液体的环境)。例如，测试介质可以是安全的，而环境是危险的。至少一个光源可以是利用在这些限制下的可用功率而可以操作成用于测量的任何光源，特别地它可以是半导体二极管激光器，优选地垂直腔表面发射激光器(VCSEL)，优选地具有小于或等于5伏(优选地3伏，特别地在0.0l伏与2伏之间)的馈电电压。另外，这样的激光器可特征在于小于或等于200毫安(优选地小于或等于100毫安，更优选地小于或等于50毫安，最优选地小于或等于30毫安，以及特定地在0.01毫安与0.5或30晕安之间)的供应电流。
[0035]VCSEL装置产生在红外区域中的光(典型地在670nm与2000nm之间)。VCSEL的示例是利用掩埋隧道结(BTJ)技术的装置，其基于磷化铟系统。这样的VCSEL具有典型地在从1300纳米至2050纳米范围中的波长并且由例如德国Garching的VERTILAS GmbH公司出售。VCSEL允许多至10千兆赫的相对高的调制速率并且提供高于I毫瓦的光功率水平，而馈电功率是几毫瓦量级。市售的其他VCSEL具有670纳米下限的波长范围(例如，来自Optowell公司)。典型的上阈值电流在室温在1.5毫安以下(取决于VCSEL的类型)，这对于低功率应用是非常有利的。VCSEL光源的另外的优势是它高效且高度可靠地产生在旋转对称和低发散光束中的相干光。VCSEL具有从小于-40摄氏度延伸到超过+80摄氏度的操作温度范围。这是有利的，因为工业市场相比环境监测市场(例如，水和废水)对分析仪器施加更严格的约束。例如，环境监测装置操作的温度范围通常是0°C至50°C。由于低操作电压和电流，VCSEL从而对于光学低功率装置并且特别对于计划在危险环境中操作并且其中光源可能是主要负载的装置是有利的(至少按照时间)。另外可能以紧凑且高效的方式产生VCSEL阵列，即光源阵列。这样的光源阵列可用于同时测量测试介质的若干性质。此外，VCSEL的窄波长可以通过改变VCSEL芯片的温度或通过芯片的注入电流而在宽范围(典型地5nm)上调谐。那些测量概念允许介质的光谱学研究或气体温度和/或气体压力测量。为了改变VCSEL芯片的温度的目的，可提供电子部件，例如Peltier元件，其可以冷却或加热所述芯片并且其优选地以所述芯片一起提供在密封外壳中。光管理单元是可选的，即它取决于特定应用和用途，而不管是否提供该部件。光管理单元适应于从光源接收至少部分的光并且用于将它的至少部分引导到检测空间。它可以进一步适应于接收已经在检测空间中与测试介质交互的光的至少部分并且进一步将所述交互光的至少部分引导到光检测单元(如需要的话)。光管理单元可包含从由透镜系统、分裂器、光学滤波器、分散或折射光学器件、光导、光纤、光屏蔽、反射镜等以及其组合组成的组选择的元件。必须强调光管理单元可以是可选的，即，可想象光源将光直接发射到检测空间，并且已经与测试介质交互的光的至少部分直接到达光检测单元。
[0036]术语“检测空间”必须理解为包含与来自光源的光交互的测试介质的至少一部分的空间，其中所述光随后(在已经与测试介质交互后)由光检测单元检测。检测空间的实际体积可取决于光、束几何形状，并且还取决于测试介质，或测量方法。
[0037]在本发明的上下文中，“与测试介质交互”必须理解为被测试介质传送、吸收、反射、折射和/或散射。光从与测试介质不同的介质入射到测试介质的界面上，这也是可能的，这之后它例如被背反射到与测试介质不同的所述介质内。
[0038]功率管理单元经由源布线从功率源接收功率。所述源布线是固有安全的，优选地通过绝缘而是固有安全的，并且进一步适应于交换数据。来自功率源的功率优选地是电力；因此源布线并且缓冲器部件以及另外的布线适应于传导电力。一般，电能的传输需要能量损失，这必须要考虑。源布线以及信号布线可以是适应于同时传送数据和能量两者的2线连接。从分析仪器经由源布线传送的数据被接收单元接收。优选地，接收单元是标准装置，其提供经由2线连接而接收的测量数据用于进一步处理或存储(例如通过计算机)。接收单元可以与功率源一体化或它可以是单独单元。通过源布线到功率管理单元的能量传送优选地以15伏的最大传送电压和25毫安的最大电流来实现。然而，当提供对应的能量转换部件时，其他能量形式也是可想象的，例如光或采用例如流动流体或流气体形式的动能。然后能量传递连接必须相应地修改。来自功率管理单元的用于操作的功率经由另外的布线以适当的电压和电流水平进一步分配到不同的能量消耗部件。优选地，功率管理单元包含优选地可编程微控制器(例如，来自MSP430系列)，其适应于接通/关断电路的不同部分。有利地，所述微控制器也适应于接收测量数据，例如具有对应信噪比的测量值，并且鉴于接收的数据而控制电路的不同部分。所述另外的布线可适应于传输来自部件的数据以及将数据传输到部件(在必要的情况下)，并且可特别地是2线连接。然而，具有用于能量和数据传送的单独连接，或备选地，光学地(优选地通过使用光学链路)或甚至凭借已知技术而无线地至少部分传送数据，这也是可能的。
[0039]根据术语“2线连接”，连接必需理解成仅使用两条线来传送功率和数据两者。如果要传送更多的功率和/或更多的数据，第二对线可用于对仪器馈能。可能的2线技术方案是从现有技术称为4-20mA的模拟信令技术。使用该标准的装置本质上是功率受约束的。
[0040]功率源可以远离分析仪器而定位，优选地在危险环境外部，特别地在安全环境中，其中分析仪器的所有其他元件可以紧凑的方式设置并且优选地在一个或若干平台板或平台板组件(具有对于至少部分部件的可选外壳)上。
[0041]功率源还可位于分析仪器附近，在该情况下优选地在所述平台板中的一个上，例如，采用适应于从测试介质和/或环境收获能量的电池或能量收获器部件的形式。然而，在将功率源放置在危险环境中时应特别注意，即遵循固有安全性必须例如通过选择本质上满足相应要求的功率源、凭借额外的部件或通过凭借净化或密封外壳而使功率源与可从危险环境引起危害的另外的元件分离(如必要的话)而实现。具有例如电池或能量收获器等移动源的分析仪器特别有利，因为它允许构造移动分析仪器，其适应于至少暂时独立于任何实体链路(例如，光学或电气链路)来分析测试介质用于能量供应和/或数据通信目的。低功率装置(像例如根据本发明的分析仪器)可通过电池持续几小时、几天或甚至几月或几年地操作，这取决于性能和用途。优选地，这样的移动分析仪器包括数据存储部件和/或到数据接收单元(或一般，到编组柜或控制柜)的无线连接。
[0042]分析仪器可包括批准的固有安全的关联的设备或单元，由此在所述布线中确保I_、Umax和Pdiss。该设备特别地是保证分析仪器电子器件的固有安全性的屏障或界面。设备优选地位于源布线与功率管理单元之间。屏障限定两个侧。电力布线侧称为在屏障前，另一侧称为在屏障后。批准的固有安全的关联的设备可包含电流和/或功率限制器、二极管和至少一个熔断器并且可安装在所述平台板中的一个上。设备可以是有源，或优选地无源装置，其允许分析仪器在正常条件下的安全功能。然而，在故障条件下，批准的固有安全的关联的设备免受由于危险环境而引起的危害，即它防止电流和/或电压和/或能量堆积或释放大到足以点燃例如爆炸性气体。特别地，在故障条件下可在分析仪器中产生的过多电流和/或电压能安全地传输到批准的固有安全的关联的设备。过多电流和/或电压要理解为超过对应极限的相应值的部分。该设备例如在功率传输在极限以上的情况下使功率源从功率管理单元解耦，由此避免有害量的能量传送到固有安全的装置。在设备位于危险区域中的情况下，它可以安装在防爆外壳中和/或与用于连接线的防爆密封件(其优选地以遵循固有安全性的方式设置在外壳上)一起来安装。优选地，该设备可适应于确保在源布线和在另外的布线中，Imax小于或等于50晕安,优选地25晕安,更优选地20晕安并且/或其中Umax小于或等于24伏，优选地15伏，并且/或其中耗散功率Pdiss小于或等于20毫瓦，优选地15晕瓦。
[0043]功率管理单元可包括直流到直流转换器和后端电子器件，其中这些后端电子器件例如由于通信原因而包括例如人机界面和高速公路可寻址远程换能器等部件。功率管理单元可进一步包括用于存储能量的能量缓冲器。批准的固有安全的关联的设备优选地适应于对于存储的能量的量保证固有安全性，即它适应于安全地接收并且耗散所述能量。优选地，能量缓冲器由限流器、电容缓冲器和直流到直流转换器组成或包括它们。所述限流器确保不超过预定电流极限。通过所述直流到直流转换器管理能量排放。对于电容缓冲器的电容的固有安全性如上文描述的那样来确保。优选地，分析仪器适应于调整到缓冲器布线的能量排放，从而使得光源供能的自适应控制变得可能。电容缓冲器具有小于或等于2毫法的典型电容，优选地小于或等于I毫法，更优选地小于或等于100微法，并且特别地在0.1微法与50微法之间。
[0044]所述能量缓冲器可以适应于经由缓冲器布线而将能量脉冲地释放到光源，其能作为脉冲光源来操作。当分析仪器采用脉冲模式测量时，存在在其期间能对缓冲器充电的时间以及在其期间缓冲的能量能释放的时间。缓冲器充电时间取决于实际分析仪器规格但典型地小于或等于200毫秒，更优选地小于150毫秒，并且最优选地小于或等于100毫秒，并且特别地在I毫秒与50毫秒之间。能量缓冲器充电电流典型地小于或等于100毫安，优选地小于或等于50毫安，并且特别地在0.1毫安与25毫安之间。释放的能量能容易用于分析仪器的至少一个部件，优选地用于光源。
[0045]光源主要通过缓冲的能量而能操作，这是可能的。这是有利的，因为读出电子器件在检测和处理期间需要大量的能量并且因此施加明显的负载。当分析仪器采用脉冲模式操作时，读出电子器件可在没有光可用并且正对能量缓冲器充电时保持在低功率待命模式。该充电过程从而利用来自功率源总可用功率的相当大的部分而能进行。当缓冲器要放电时，充电停止并且已经用于充电的功率对于读出电子器件可用，这是有利的，因为它们必须在能量从缓冲器释放以及随之的发光期间变成有源。
[0046]在本发明的上下文中，必须理解上文规定的对于源布线和另外的布线的极限也可至少在能量缓冲器的充电阶段期间适用于缓冲器布线。典型地，缓冲器充电时间比放电时间(即后面的光脉冲的长度)要长。对缓冲器布线加以单独限制(特别在缓冲器放电时间期间)，这从而可是有利的。因此，对于缓冲器布线的极限可高于对于源布线和另外的布线的极限。然而，对于大部分应用重要的是，在任何时间点遵循对于固有安全性的要求，即缓冲器布线中的电流要与应用的批准的固有安全的关联设备有关，该批准的固有安全的关联设备必须相应地选择，其中放电电流典型地小于或等于250毫安，优选地小于或等于150毫安，更优选地小于或等于100晕安，并且特别地在0.01晕安与50晕安之间，并且对应的电压小于或等于15伏，优选地小于或等于10伏，更优选地小于或等于5伏，并且特别地在
0.01伏与3伏之间。当提供额外的保护手段(例如，缓冲器布线和与之连接的部件的绝缘或分离)时，这些极限可更高，使得尽管是高值但满足固有安全性的要求。
[0047]光脉冲优选地具有小于或等于50毫秒的长度，更优选地小于10毫秒，并且最优选地小于或等于5毫秒，并且特别地在I纳秒与1.5毫秒之间。
[0048]光检测单元可以是如在领域内已知的光检测器。所述光检测单元优选地适应于测量静止或随时间变化的光强度和/或频率和/或脉冲持续时间并且特别地基于具有预定长度的入射光脉冲来提供第一信号。该第一信号经由另外的布线而能传输并且由数据管理单元管理。管理单元还可集成到检测单元内。数据管理单元适应于接收信号并且在与至少接收单元交换，并且优选地还与功率管理单元交换(优选地凭借源布线和/或另外的布线，或备选地通过额外布线和/或无线部件)中管理接收的信息。
[0049]优选地，分析仪器包括分析仪单元，其适应于分析所述第一信号，即它适应于处理所述第一信号并且产生具有对应信噪比的第二信号，即测量值。这样的分析仪例如从现有技术已知。它们可包含模数转换器(例如，LTC1865L ADC类型的)。光检测单元和分析仪单元还可以是单个单元，例如读出单元。由分析仪单元提供的信号对于数据接收单元可以是可用的并且经由数据管理单元而对于功率管理单元也有利地可用，特别地对于微控制器可用。信噪比对于不同的测量体系(例如对于不同的测试介质条件或对于不同的光强度)可是不同的。对于低光强度，性能(即准确性和检测极限)典型地比其中光强度是高的操作体系要更差。
[0050]分析仪器从而可有利地适应于调整光脉冲长度，即电子器件(例如具有微控制器的功率管理单元)鉴于目标信噪比(例如，长于或等于3:1，优选地10:1，特别地在50:1与200:1之间，其取决于测量的性质)和/或目标准确性(例如，小于或等于10%，优选地5%，特别地在0.01%与2%之间，其取决于测量的性质)和/或目标时间分辨率(例如，长于或等于I/秒，优选地5/秒，特别地在7.5/秒与15/秒之间，其取决于测量的性质)按照所述信噪比的函数使脉冲长度缩短或延长。利用较长的光脉冲，由于更长的暴露时间，每光脉冲能收集更多的数据并且对应的信噪比提高。然而，要强调较长的光脉冲需要能量缓冲器存储更大量的能量，这例如在分析仪器要在恶劣环境中操作时有问题。
[0051]由于脉冲光源的后续入射光脉冲，分析仪器可进一步适应于在第一和/或第二信号上求平均。求平均可优选地由分析仪单元或备选地由光检测单元直接处理。该过程产生平均信号。分析仪单元可进一步确定该平均信号的信噪比。如果求平均的窗口是长的，分析仪的响应时间下降。为了实现测量值的合适的更新速率，求平均的窗口必须根据实际值和它的变化速率来适应性修改。根据本发明的分析仪器优选地适应于鉴于平均信号的目标信噪比和/或分析仪器所针对的测试介质的物理参数的测量的目标准确性和/或目标时间分辨率来按照平均信号的所述信噪比的函数调整用于计算平均信号的光脉冲的数量(即求平均的窗口)。使用短光脉冲的操作模式和在这些短光脉冲期间收集的数据的求平均要优于以较少但更长的光脉冲收集数据，因为对于光源的操作需要的能量缓冲器的容量在短光脉冲情况下是较低的。
[0052]分析仪器允许测量测试介质的性质中的至少一个。然而，它还可以适应于同时或连续测量若干这样的性质。优选地，构造分析仪器使得它的部件中的至少部分可容易地更换以便测量另外的性质。这样的另外的性质可以是气体浓度，像例如氧或CO2浓度、pH值、折射率、浊度或微粒浓度(像例如悬浮固体，例如晶体、生物细胞或灰尘等)等。测试介质的这样的性质可以进一步是等级、距离、接近性、位置、对象测距或相似的测量参数，像例如湿度、露点、压强、地形或温度。光管理单元可包括至少一个导光部件。如果这样的话，所述至少一个光导部件有利地免于移动以便减少移动引致的噪声。优选的保护部件是刚性外壳，其至少部分固定或包围至少一个光导部件。为了使投入以及因此成本最小化，光源有利地位于检测空间附近。
[0053]在第二方面，本发明提供用于凭借根据本发明的分析仪器对于在分析仪器位于危险环境中时的情形测量测试介质的至少一个性质的方法。当然，测量在安全环境中也是可能的。分析仪器可以位于测试介质附近、至少部分或完全在测试介质中。分析仪器的实际位点可取决于例如场地条件、测试介质、环境、测量方法或测量性质。操作分析仪使得光源发射光。所述光可被指引或引导到检测空间，例如凭借光导部件，例如透镜系统或光学波导或反射镜/分裂器系统(其中它与测试介质交互)。交互意指它行进通过测试介质同时它例如被散射和/或传送或部分吸收。交互还可包括当光不进入测试介质而在测试介质与环境的界面处反射(例如，由于在该界面处的折射率的突然变化)时的情况。与测试介质交互的所述光的至少部分直接到达光检测单元或例如凭借光导或反射镜而被引导，并且随后能检测。根据测量性质，评估静止和/或随时间变化的光强度。
[0054]在根据本发明的方法中，光源可采用脉冲模式操作，然而，连续光发射也是可能的，这取决于实际测量。
[0055]根据本发明的方法，根据本发明的分析仪器还由于单个光脉冲而可在测量结果上求平均，和/或根据例如目标信噪比、目标准确性或目标时间分辨率等预定测量要求来调整光脉冲长度。
[0056]由于分析仪器相当低的价格、由于它的高能量效率以及由于它遵循固有安全性，它在用于在潜在危险环境中测量测试介质的至少一个性质时特别有利。
[0057]在下面，应该总结本发明的重要要素，其中这些要素可以单独或以任何可能组合地视为优选实施例:
低功率架构:通过使用例如电池或功率受限源(例如能量收获或低功率2线传送器架构)等能量受限源来实现光学分析仪平台的固有安全性。在该后一个方法中，所有分析仪部件的功率由2线回路输送(可用功率典型地:P=9伏3.5晕安=31.5晕瓦)。
[0058]激光光源:分析仪器优选地使用新的光源，其基于受激发射(激光)。垂直腔发射激光器(VCSEL)因为它们与例如LED相比消耗1/10倍数的电力而甚至是适合的。因为光源通常是主要负载，它应该间歇操作。光脉冲的能量可以在充电缓冲器中累积。光脉冲的重复速率可以限制最佳可实现响应时间并且通过信噪比还限制准确性。因为信噪比取决于传感器的运行体系(低光强度vs.高光强度)，提出自适应信号处理控制。
[0059]自适应控制:提出使用来自传感器读数的信息来根据传感器的测量体系(即，根据低/中/高信号)调整数据分析的求平均的窗口。第一想法是在信噪比不足的情况下在若干脉冲上对测量点求平均。第二想法是调整激光的脉冲长度和连接的测量窗口。这些自适应方法允许关于准确性和分辨率实现最佳传感器性能。此外，控制可以适应于信号动力学。如果分析仪在测量的光强度中检测到大的变化率，它适应性地修改用于计算平均值的脉冲的数量(相应地，求平均的窗口的长度)。这使分析仪能够对于流体参数的突然变化快速给出响应(尽管准确性降低)，同时对于稳态测量实现高准确性。
[0060]平台概念:进一步提出应用光学分析仪作为可以解决超过一个流体参数的平台装置。光学探询然后确定流体性质，例如浊度、悬浮固体、折射率、溶解氧、氯、pH、CO2等。预见用于信号评估的各种实施例，例如其中评估静止或随时间变化的光强度。后者例如对于激发脉冲后的荧光衰退测量是重要的。
[0061]架构设置:传送器电子器件采用所有光学光导部件(例如，透镜系统、光学波导)由外壳保护并且从而无法移动这样的方式设置。从而，由于信号变化(其由断开的光链路中的变化(例如光纤弯曲、连接器几何形状)引起)而引起的错误读数被避免。对此的通常前提条件是能够在爆炸性气氛中将传送器直接设置在分析仪头附近，并且这仅在实现遵循固有安全性时以成本有效的方式是可能的。此外，低功率局部分析仪能够利用到编组柜或控制柜的无线连接而实现电池供能或能量收获器供能的仪器。也就是说，避免了任何种类的实体链路(无论是光学还是电气的)。
[0062]【专利附图】
【附图说明】
[0063]本发明的优选实施例在下面参考图描述，这些图是为了图示本发明的当前优选实施例的目的而不是为了限制其的目的。相同的参考符号指示相同的特征。在图中:
图1示出根据本发明的第一实施例的分析仪器；
图2示出根据本发明的第二实施例的分析仪器；
图3示出使用根据本发明的分析仪器的三个不同测量设置。
[0064]【具体实施方式】
[0065]图1图示分析仪器的第一实施例。该分析仪器I包括平台板8，其提供光源20、光检测单元24、数据管理单元28、功率管理单元13和连接7、9、11、18。该功率管理单元13凭借源布线7而耦合于功率源10和接收单元19两者。该功率管理单元13经由缓冲器布线18而连接到光源20，并且经由另外的布线9、11而连接到光检测单元24和数据管理单元28。布线11 (信号布线)还连接光检测单元24和数据管理单元28。此外，存在附连到光源20的光管理单元22。
[0066]所述光管理单元22包括第一光导部件，其适应于从光源20接收光并且将它的至少部分引导到检测空间30。优选地，分析仪器中所包括的任何光导部件被包围在刚性外壳中以便避免移动引致的噪声。为了减少噪声并且节省投入和相关成本，光源20和光检测单元24在检测空间30附近，即任何光导部件的长度优选地被最小化，最优选地没有光导部件。光管理单元22适应于发射光的至少部分，其随后在第一侧上进入检测空间30。光检测单元24位于检测空间30的第二侧，与所述第一侧相对，并且适应于直接接收已经穿过检测空间30的光，由此避免额外的光管理部件。
[0067]在测量期间，平台板8采用特别地检测空间30在测试介质4内这样的方式而位于例如危险环境5中，至少部分在测试介质4中。功率源10远离平台板8定位，在该情况下是在测试介质4外部。功率源10在这里包括接收单元19并且遵循上文规定的极限而经由源布线7将功率传送到功率管理单元13。从功率管理单元13接收的功率凭借缓冲器布线18而能分配到光源20、到光检测单元24以及到数据管理单元28 (凭借另外的布线9、11)。
[0068]光源20是低功率且高效的垂直腔发射激光器，如上文描述的。它适应于产生光，其部分采用上文描述的方式而引导到检测空间30，所述光的至少部分随后行进通过所述检测空间30同时其与测试介质4交互。光检测单元24适应于接收所述光的至少部分。光检测单元24适应于检测入射光的至少部分并且产生和提供第一信号，其是处理信号、模拟或优选地已经是数字信号。数据管理单元28适应于经由信号布线11而接收所述第一信号。优选地，信号布线11以及源布线7是2线连接，如上文描述的。数据管理单元28适应于采集所述信号，优选地存储它们，并且特别地经由功率管理单元13凭借信号布线11和源布线7而将它们传送到数据接收单元。分析仪器I的另一个示例在图2中图示。基本上，该示例提供具有与先前提到的在图1中描绘的实施例相同部分的分析仪器1，相同的标号指示等同部分，且具有一些额外的部件和功能。它额外地包括平台板8上的批准的固有安全的关联设备12和分析仪单元26，其中功率管理单元13另外包含能量缓冲器17、直流到直流转换器14和后端电子器件15。该后端电子器件15由于通信原因而提供人机界面和高速公路可寻址远程换能器。包括光管理单元22、光检测单元24、分析仪单元26和数据管理单元28的光源20在这里由前端电子器件16提供。
[0069]平台板8位于危险环境5中，而包括接收单元19的功率源10位于安全环境6中，其中在所述环境之间存在界面35。该界面35还可以是界面区。功率布线7横过界面35并且连接到批准的固有安全的关联设备12。
[0070]如上文描述的设备12具有保证固有安全性的屏障的功能。在正常条件下，它适应于将从功率源10传送的电流和电压限制在如上文规定的值并且如果传输的功率未遵循所述极限则使功率源10去耦。由此它确保上文规定的对于分析仪器I的另外的布线9、11的极限。特别地，在故障条件下在屏障后(即，在平台板8上)出现的任何过电流或电压能安全地传输到设备12。重要地，屏障前的源布线7优选地通过绝缘而是固有安全的，并且凭借保证遵循固有安全性的防爆密封件而连接到设备12。优选地，从屏障后的侧附连到屏障的布线也与这样的密封件连接。
[0071]直流到直流转换器14属于功率管理单元13并且适应于将从功率源接收的功率分配到后端电子器件15和前端电子器件16。典型地，它适应于向后端电子器件15提供可用功率的大约40%或更少并且将剩余的提供给前端电子器件16和/或能量缓冲器17。
[0072]能量缓冲器17由功率源10通过功率管理单元13并且经由另外的布线9、11而供应并且适应于经由缓冲器布线18而将缓冲能量传输到光源20。通过能量缓冲器17，光源20特别地能采用脉冲模式操作。设备12适应于对于缓冲器布线确保固有安全性，即过多能量能安全地传输到它，如上文描述的。在光脉冲期间发射的光至少部分被光管理单元22引导到检测空间30、至少部分与检测空间30中的测试介质4交互。光检测单元24适应于至少部分地检测所述光并且提供第一信号，其能经由信号布线11而被传输至分析仪单元26。
[0073]分析仪单元26位于光检测单元24与数据管理单元28之间。它凭借信号布线11而连接到光检测单元24和数据管理单元28。存在经由布线9而到功率管理单元13的另外的连接，通过该布线9对分析仪单元26供能。备选地，还可以经由信号布线11对它供能。分析仪单元26适应于从所述第一信号产生第二信号和对应的信噪比。分析仪器I适应于调整由脉冲光源20发射的光脉冲的长度。脉冲长度经由功率管理单元13 (优选地经由适应于接收第二信号和对应的信噪比的可编程微控制器)而能调整。鉴于测试介质4的物理参数的测量的目标信噪比和/或目标准确性和/或目标时间分辨率，该长度特别地按照所述信噪比的函数而能调整。由于脉冲光源20的后续入射光脉冲，分析仪器I进一步适应于在第二信号上求平均。求平均优选地由适应于提供平均信号(其包括该平均信号的信噪比)的分析仪单元26处理。备选地，分析仪器适应于在第一信号上求平均。有利地，鉴于分析仪器I所针对的测试介质4的物理参数的测量的目标信噪比和/或目标准确性和/或目标时间分辨率，分析仪器I可进一步适应于按照平均信号的所述信噪比的函数来调整用于计算平均信号的光脉冲的数量。
[0074]分析仪器设计的若干变化形式是可能的，例如光检测单元24可位于另一处，例如检测空间30的相同的第一侧处。一般，分析仪器I的不同部件应根据要求来选择。而且设计还要适应于分析仪器I的目的，例如光源20和检测单元24的相互位置可根据例如测试介质4的空间条件或测量性质等给定要求来调整。
[0075]图3示出分析仪器I可如何相对于测试介质4定位的不同可能性。在图3a中，仅光管理单元22在测试介质4中，而平台板8位于危险环境5中。所述单元22包括两个部件，优选地是光导部件，其被调整来将来自光源20的光的至少部分引导到检测空间30并且将来自检测空间30的光的至少部分引导到光检测单元24。在图3b中，分析仪器I部分被测试介质4环绕，其中在图3c中分析仪器完全在测试介质4中。
[0076]在用于测量测试介质4的至少一个性质的优选方法中，分析仪器I以相对于测试介质4的预定位点放置在危险环境5中，参见图3。分析仪器I优选地经由被绝缘的源布线7固有安全地耦合于功率源10，其包括接收单元19，由此建立到平台板8的功率和通信链路。功率管理单元13优选地以固有安全的方式从功率源10接收功率。所述功率经由缓冲器布线18分配到光源20并且经由另外的布线9、11而分配到其他能量消耗部件。被供能的光源20发射光。所述光的至少部分优选地通过光导而由光管理单元22能接收，并且随后能引导到检测空间30，其在测试介质4中。光然后与测试介质4交互。该交互是特定的并且允许得出关于测试介质4的至少一个性质的结论，并且分析仪设计根据由例如所研究的性质、测试介质4和/或场所和操作条件所限定的要求来适应性修改。已经与测试介质4交互的光的至少部分然后被光检测单元24接收，其中优选地没有进一步采用光管理单元
22。光检测单元24产生第一信号。所述第一信号凭借信号布线11而传输到数据管理单元28。数据管理单元28接收所述信号，优选地存储它，并且与接收单元交换数据(经由信号布线11和源布线7)。
[0077]在根据本发明的另外优选的方法中，采用根据本发明的分析仪器，其中来自功率源10的功率由功率管理单元13经由能量缓冲器17而传输到光源20，其中经由另外的布线9、11利用来自功率管理单元13的功率连续对所述能量缓冲器17充电并且它经由缓冲器布线18而放电。放电能量采用脉冲的方式释放到光源20。从而操作光源20使得它发射光脉冲。光路是如上文描述的那样。光检测单元24适应于检测来自后续光脉冲的光并且产生和提供后续的第一信号。数据管理单元24接收所述第一信号并且与接收单元19交换它。
[0078]优选地，分析仪器I包括分析仪单元26，其接收第一信号并且产生和提供具有对应信噪比的第二信号。分析仪单元26优选地还从所述第一和/或第二信号计算平均信号，包括平均信号的信噪比。由分析仪单元26提供的信号凭借数据管理单元28经由信号布线11和源布线7而与接收单元19来交换。数据管理系统还可向功率管理单元(特别地向微控制器)提供信号和信噪比，该微控制器使用接收信息用于分析仪器I的自适应控制。分析仪器I优选地鉴于分析仪器I所针对的测试介质4的物理参数的测量的目标信噪比和/或目标准确性和/或目标时间分辨率按照平均信号的所述信噪比的函数来适应性修改光脉冲的脉冲长度和/或信号的数量(由此计算平均信号)。光强度或束几何形状通过适合的部件(如从现有技术已知的)而适应性地修改，这也是可想象的。
[0079]本发明的分析仪器可用于凭借下面的测量方法在潜在危险环境5中测量测试介质4的至少一个性质。必须理解下文论述的方法只是很多种实验分析的示例，其使用遵循固有安全性的配备低功率高效光源的分析仪器是可能的。
[0080]性质:气体浓度，例如氧气:
方法1:激发化学复合物(complex)的发光特性(强度、衰退、相位延迟)
基于光学测量原理的氧传感器使用动态荧光猝灭效应。典型地，分布在薄的可透氧的基质(例如聚合物、溶胶-凝胶材料或硅胶)中的特殊设计的化学复合物通过具有适合的波长范围的光而激发并且发射红移发光的光。氧在复合物附近的存在由于通过与氧分子碰撞造成的非辐射能量传输而导致发射特性变化(发光猝灭)。除氧外，还可以使用该方法来检测其他分子，例如CO2和pH (参见WWW.polestartech.com)。
[0081]发光的光的分析可以采用三个不同的方式进行:i)特定光谱范围中发光强度的测量，ii)相对于正弦调制的激发光的相位延迟的测量，iii)在使用脉冲激发时发光衰退的寿命时间的测量。后两个概念由于它们免除了来自光源老化或光学链路中的传送变化引起的测量伪影而是有利的。概念(iii)关于该发明尤其有利，因为它很好地遵循激发光源的低功率脉冲模式。使用这些概念，可以确定介质中氧的绝对浓度。
[0082]方法2:可调谐二极管激光吸收光谱仪(TDLAS)
对于TDLAS的实验设置需要扫描激光二极管、一些传送光学器件、对于包含分析物的被研究的介质的容器、接收光学器件和检测单元。基本想法是在分析物的特征吸收线的光谱范围上调谐激光频率(温度或电流调谐)。这导致在检测路径中信号强度减小，这可由光电二极管检测并且用于确定分析物浓度(朗伯-比尔定律)或其他吸收相关参数(例如，气体温度、气体流速)。为了使信噪比增加，通常应用调制技术。也可想象脉冲模式波长扫描方案以遵循低功率要求。
[0083]性质:浊度或微粒浓度，例如悬浮固体，例如晶体、生物细胞或灰尘，等:
方法1:使用传播的波的光被微粒散射开
样本的浊度可以通过分析从样本介质(气体、液体或固体)中存在的微粒漫散射的光而测量。在典型的实验配置中，具有特定光谱范围的光通过窗口而照射到样本中的微粒上并且测量散射光的光强度。一个或多个检测通道可以应用于在不同角度下(向前、向后、侧散射)分析或在不同光谱范围中分析或应用于两者。通常，调制光源(例如，正弦或采用脉冲方式)，以便增强信噪比并且允许免除来自其他源的杂散光。脉冲模式操作关于该发明尤其有利，因为它满足包括光源的固有安全低功率电子器件平台的要求。
[0084]方法2:使用倏逝波(evanescent wave)的光被微粒散射开 参见下文的“折射率”。
[0085]参数“等级、距离、接近性、位置、对象测距等”:
方法:反射，例如反射光脉冲的飞行时间测量
为松散固体、泥浆和不透明液体而设计的激光测距可以用于测量反射表面的位置，即容器的填充水位(level)。原理与超声水位传感器的非常相似。然而，使用光的速度而不是使用声音的速度来找到水位。容器顶部处的激光传送器射出短的光脉冲下至工艺液体表面，其将它反射回到检测器。定时电路测量经过时间(飞行时间)并且计算距离。关键是激光器实际上没有发散并且没有虚假回波。因为该测量技术依赖脉冲操作，它特别地非常适合于低功率操作。
[0086]参数“折射率”:
方法:检测发散光束的全内反射角
工艺流体的折射率可以通过确定光束在界面处经历全内反射所处的临界角而测量。这可以通过使用发散光束(例如，如从发光光纤发射的)和棱镜来完成，该棱镜的一个表面与感兴趣的工艺介质接触。棱镜的两个相对表面充当使光线弯曲使得发散光线以不同的角度与界面相遇的反射镜。经受全内反射的光线再次在内部反射以在位置敏感型检测器(例如C⑶芯片)上产生图像。阴影边缘的位置是棱镜与工艺介质之间的折射率的差异的函数。该方案自身适合于脉冲操作，准确性受到芯片的空间分辨率的限制。
[0087]性质“浓度”:
方法:衰减全内反射一使用倏逝波的光散射/吸收
当光线(典型地，IR)在光学介质(例如，窗口)与具有较低折射率的工艺介质之间的界面处全内反射时，形成倏逝波，其延伸到工艺介质内(典型地在0.5与2微米之间)。反射光强度取决于介质特定倏逝波的衰减。该效应可以通过使用多个内部反射而放大。束的衰减是在选择的波长吸收或散射的工艺介质的组分的浓度的直接度量。通过调制光源，强度的改变可以以高信噪比来测量。另外，在其中介质组分不吸收的光谱范围中发射的第二光源可以用作参考。
[0088]方法:拉曼散射
拉曼光谱仪是用于将未知化学物按它们的振动光谱归类的强大工具。光谱的可见或近红外部分中的激光被指引到样本内并且采用与用于浊度测量的相似的光学设置来检测散射光。拉曼光谱仪可以用于检测很多种有机和无机化学物。频移的散射激光被收集、经由光纤缆而传送并且被滤波来使瑞利散射与斯托克斯散射(与感兴趣的样本组分关联)分离。斯托克斯信号的强度与样本中该组分的浓度成比例。因为拉曼散射是低效率过程，具有较高峰值功率或多通道光学布局的脉冲操作是优选的。IR光谱仪上的拉曼的优势是带更尖锐并且没有与水或CO2吸收的干扰。
[0089]根据本发明的分析仪器(B卩，甚至在若干故障条件下无法产生具有足够能量来点燃爆炸性气体的热排放的仪器)因为它允许用于在潜在危险环境中分析测试介质的紧凑构造装置而因此是有利的。重要地，不必远程放置能量密集型电子器件同时建立额外的实体链路或不必提供将潜在点燃性的火花或热点与爆炸性介质屏蔽的密封或净化外壳。从而不需要先前提到的措施所需要的额外且代价高的调试。根据本发明的分析仪器的另外的优势是在默认的情况下功耗是低的，这对于依赖计划用于按照时间的自持操作的移动功率源的仪器设计是有利的。
[0090] 参考符号列表
【权利要求】
1.一种用于光学测量测试介质(4)、特别是流体(4)的至少一个性质的分析仪器(1)，所述分析仪器(I)包括 一至少一个光源(20)，用于发射光， 一可选地，至少一个光管理单元(22)，用于将由所述光源(20)发射的光引导到所述测试介质(4)中的检测空间(30)上和/或内以及通过所述测试介质(4)中的检测空间(30)，以及/或可选地至少一个光管理单元(22)，用于接收与测试介质交互的光的至少一部分， 一至少一个光检测单元(24)，用于检测由测试介质(4)弹性和/或非弹性散射和/或反射和/或传送和/或折射的所述光的至少一部分， 一至少一个功率管理单元(13)，以及 一至少一个数据管理单元(28)， 其中所述分析仪器(I)进一步包括功率源(10 )和/或经由源布线(7 )而耦合于功率源(10)， 其中所述功率管理单元(13)经由缓冲器布线(18)而使来自功率源(10)的能量分配到至少所述光源(20 )，并且经由另外的布线(9，11)而分配到至少所述光检测单元(24 )和/或所述数据管理单元(28) ， 其中所述数据管理单元(28 )适应于经由信号布线(11)而与所述光检测单元(24)以及直接或间接与接收单元(19)交换测量数据， 其中所述分析仪器(I)适应于在潜在危险的环境(5)中操作，其中至少在源布线(7)和/或在所述另外的布线(9，11)中，分析仪器(I)中的任何电流I限于小于或等于100毫安的最大电流(1_)，并且分析仪器(I冲的任何电压U限于小于或等于30伏的最大电压(Umax)。
2.如权利要求1所述的分析仪器(1)，其中分析仪器(I)中的最大耗散功率(Pdiss)小于或等于50毫瓦，优选地35毫瓦，并且更优选地25毫瓦。
3.如权利要求1-2中任一项所述的分析仪器(1)，其中光源(20)是半导体激光器，优选地具有小于或等于5伏、优选地小于或等于3伏的馈电电压，和/或具有小于或等于200晕安、优选地小于或等于50晕安的供应电流。
4.如权利要求3所述的分析仪器(1)，其中所述半导体激光器是垂直腔表面发射激光器。
5.如权利要求1-4中任一项所述的分析仪器(I)，其特征在于，功率源(10)未位于分析仪器(I)中，优选地位于危险环境(5)外部，其中优选地除功率源(10)外的所有元件位于单平台板组件(8)或多个单平台板的组件(8)上，优选地在外壳中，其中进一步地，功率源(10)经由源布线(7)连接到功率管理单元(13)，并且源布线(7)适应于交换数据和能量，其中优选地，源布线(7)是固有安全的，例如通过绝缘而是固有安全的。
6.如权利要求1-5中任一项所述的分析仪器(I)，其特征在于，源布线(7)和/或另外的布线(9，11)和/或缓冲器布线(18)是2线连接，其适应于优选地以24V的最大传送电压和50毫安的最大电流、更优选地以15伏的最大传送电压和25毫安的最大电流传送数据和倉tfi。
7.如权利要求1-6中任一项所述的分析仪器(1)，其特征在于，它进一步包括批准的固有安全的关联设备(12)，由此确保最大电流(Imax)和最大电压(Umax),优选地该批准的固有安全的关联设备(12)位于源布线(7)与功率管理单元(13)之间，并且/或，其中最大电流(Ifflax)小于或等于25毫安，优选地小于或等于20毫安，并且/或，其中最大电压(Umax)小于或等于20伏，优选地小于或等于15伏，并且/或，其中最大耗散功率(Pdiss)小于或等于20毫瓦，优选地小于或等于15毫瓦。
8.如权利要求1-7中任一项所述的分析仪器(I)，其特征在于，其构建成使得暴露于危险环境的分析仪器(I)的任何表面具有小于或等于450°C、优选地小于或等于300°C、更优选地小于或等于200°C、此外优选地小于或等于135°C、甚至更优选地小于或等于100°C并且最优选地小于或等于85°C的表面温度。
9.如权利要求1-8中任一项所述的分析仪器(I)，其特征在于，功率管理单元(13)包括或耦合于能量缓冲器(17)用于存储能量，其中存储的能量经由缓冲器布线(18)而能脉冲地释放到光源(20)，并且其中光源(20)能作为脉冲光源(20)操作。
10.如权利要求1-9中任一项所述的分析仪器(1)，其特征在于，存储瞬间能释放能量的分析仪器(I)的任何电容器具有小于或等于最大电容(Cmax)的电容，所述最大电容(Cmax)小于或等于80微法，优选地小于或等于15微法，并且更优选地小于或等于3微法，并且/或特征在于，存储瞬间能释放能量的分析仪器(I)的任何电感器具有小于或等于最大电感(Lmax)的电感，所述最大电感(Lniax)小于或等于8毫亨。
11.如权利要求1-10中任一项所述的分析仪器(1)，其特征在于，光检测单元(24)适应于基于入射光脉冲提供第一信号，特征在于分析仪器(I)包括分析仪单兀(26),其适应于处理所述第一信号并且提供第二信号和所述第二信号的信噪比，并且特征在于分析仪器(I)适应于鉴于分析仪器(I)所针对的测试介质(4)的物理参数的测量的目标信噪比和/或目标准确性和/或目标时间分辨率来按照所述信噪比的函数调整由脉冲光源(20)发射的光脉冲的光脉冲长度。
12.如权利要求11所述的分析仪器(1)，其特征在于，它进一步适应于由于脉冲光源(20)的后续入射光脉冲而在第一和/或第二信号上求平均，其中求平均优选地由适应于提供平均信号的分析仪单元(26)处理，所述平均信号包括平均信号的信噪比， 并且/或特征在于它适应于鉴于分析仪器(I)所针对的测试介质(4)的物理参数的测量的目标信噪比和/或目标准确性和/或目标时间分辨率来按照平均信号的所述信噪比的函数调整用于计算平均信号的光脉冲的数量。
13.如权利要求1-12中任一项所述的分析仪器(I)，其特征在于它适应于测量测试介质(4 )的性质中的至少一个，其优选地从以下组成的组中选择:浓度-例如是在气体、液体和/或固体中微粒、分子、原子和/或离子的浓度，特别地氧和/或CO2的浓度-、pH值、折射率、浊度、微粒浓度，优选地悬浮固体的浓度，所述悬浮固体特别地是晶体、生物细胞或灰尘，及其组合。
14.如权利要求1-13中任一项所述的分析仪器(1)，其特征在于，光管理单元(22)至少包括用于引导光的部件，优选地采用从透镜系统、分裂器、组合器、光纤、波导或其组合的组中选择的元件的形式，其中所述光导部件被保护免于移动，该移动引起移动引致的信号变化，优选地特征在于提供刚性外壳，其至少部分包围光导部件，并且其中进一步优选地，光源(20)在检测空间(30)附近。
15.如权利要求1-14中任一项所述的分析仪器(I)，其特征在于它是低功率局部分析仪器(I)，其在单平台板组件(8 )或多个单平台板的组件(8 )上构建并且能由电池或能量收获器来供能，所述能量收获器适应于从测试介质(4)和/或从环境(5，6)收获能量，并且特征在于分析仪器(I)包括到控制柜的无线连接并且不需要用于能量供应和/或数据通信目的的任何实体链路。
16.—种用于操作分析仪器(I)、优选地用于操作根据如权利要求1-15中任一项所述的分析仪器(I)来测量测试介质(4)的至少一个性质的方法，其特征在于 所述分析仪器(I)位于测试介质(4)附近或至少部分、优选地完全在测试介质(4)中的危险环境(5)中，其中操作分析仪器(I)使得光源(20)发射光，其与测试介质(4)交互，其中所述光的至少一部分在其中被散射、反射或传送并且随后被光检测单元(24)检测。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，光源(20)发射光脉冲并且分析仪器(I)由于单光脉冲而在测量结果上求平均并且/或根据预定测量要求来调整光脉冲长度。
18.如权利要求1-15中任一项所述的分析仪器(I)的用途，其用于在潜在危险环境(5)中测量测试介质(4)的至少一个性质。
【文档编号】G01N21/49GK103562708SQ201180071451
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2011年4月8日 优先权日:2011年4月8日
【发明者】A.克拉梅, T.鲍尔, Y.马雷特, J.D.洛博 申请人:Abb研究有限公司