專利名稱：紅外線氣體分析儀和運(yùn)行該分析儀的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種紅外線氣體分析儀，它主要用作氣體檢測器來檢查泄漏，它具有一個流過測量氣體的器皿(測量器皿)，一個產(chǎn)生穿過測量器皿的紅外(IR)光的IR光源，以及一個能夠測量在測量氣體中的IR光吸收量的檢測器。此外本發(fā)明還涉及運(yùn)行這種形式的氣體分析儀的方法。
泄漏探測經(jīng)常用于含有致冷劑或碳水化合物的被檢物(例如冰箱冷凝器)。在此泄漏檢查方法中在被檢物中存在的介質(zhì)用作試驗或測量氣體。如果存在泄漏，微量的相應(yīng)測量氣體經(jīng)探測軟管到達(dá)一個氣體檢測器，它被設(shè)計成能夠識別出這種氣體。
在泄漏探測中存在的問題是，從泄漏探針不僅吸進(jìn)了由存在的泄漏所排出的測量氣體，而且也吸進(jìn)了泄漏探針周圍的氣體。如果環(huán)境中已含有微量的測量氣體，例如可能來自以前已確認(rèn)的泄漏或一個產(chǎn)品生產(chǎn)線的充氣站，則氣體檢測器對其同樣有反應(yīng)。在高的測量氣體基底情況下這可能導(dǎo)致錯誤測量，也就是說嚴(yán)密的被檢物被“確認(rèn)”為破損的。
通常在泄漏探測中質(zhì)譜計被用作測量氣體檢測器。質(zhì)譜計雖然有高的探測靈敏度，但是昂貴和不堅實(shí)的。
在上述測量氣體對紅外線有反應(yīng)時，紅外線氣體分析儀也可以被用作氣體檢測器。紅外線吸收光譜學(xué)現(xiàn)已用作氣體分析的方法(參見例如Hansel/Neumann著“物理”，Spektrum Akademic出版社，海德堡)。然而正如那里所述，攝譜儀是昂貴和靈敏的儀器，它不適應(yīng)于日常工業(yè)使用。此外，已有工業(yè)用的裝置(例如Drger公司的MULTIWARN)，然而它們對于泄漏探測的應(yīng)用來說靈敏度低1至2個數(shù)量級并且/或者其響應(yīng)時間明顯太慢(30至60秒)。
本發(fā)明的目的在于給出一個適于日常使用且廉價的IR氣體分析儀，它尤其適用作為泄漏探測用的氣體檢測器。此外通過應(yīng)用IR氣體分析儀應(yīng)能避免上述在泄漏探測中出現(xiàn)的錯誤測量。
按照本發(fā)明，在本說明書開始處所述方式的紅外線氣體分析儀的情況下完成上述任務(wù)的解決方案如下除了流過測量氣體的測量器皿外還有一個參考器皿，它流過參考?xì)怏w，參考?xì)怏w從測量氣體吸入處的四周吸進(jìn)，并且為其配置相同的或另一個光源和相同的檢測器，另外的一個措施是穿過器皿的IR光被調(diào)制，用通過測量在測量器皿中IR光的吸收量而獲得的信號建立測量值時可考慮基底信號的影響，它通過測量參考器皿的氣體中IR光的吸收量而獲得。這樣，不僅探測了測量氣體，而且也探測了探測器四周來的參考?xì)怏w，從而可以在建立測量值時考慮測量氣體或干擾的其它氣體的全部基底濃度。在最簡單的情況下由探測參考?xì)怏w而得到的信號被從由探測測量氣體而得到的信號中減去。
重要的是只用一個IR檢測器，因為兩個不同的檢測器的噪聲成份是不相關(guān)的，從而在相減時不會消失。應(yīng)用一個公共的IR光源或應(yīng)用兩個分開的光源(每個器皿用一個)是可能的。有意義的是存在能實(shí)現(xiàn)對穿過器皿的IR光進(jìn)行調(diào)制的方法，因為否則的話就不可能只應(yīng)用一個檢測器。
下面借助在

圖1至5中簡要示出的實(shí)施例說明本發(fā)明其它優(yōu)點(diǎn)和細(xì)節(jié)。附圖中圖1是符合本發(fā)明的一個氣體分析儀實(shí)施例，圖2是調(diào)制圖1所示IR光的一種方案，圖3是構(gòu)成一個測量器皿和一個參考器皿的雙射線管的例子，圖4是聚焦兩個器皿的光線到一個公共檢測器上的一種方案，圖5是對紅外線有反應(yīng)的氣體的例子，這些氣體是可以用本發(fā)明的分析儀探測的。
圖1所示的紅外線氣體分析儀包含兩個器皿2和3，它們各被配置一個IR光源4及5。應(yīng)該用具有小的熱時間常數(shù)的IR光源作為光源，它們主要被設(shè)計成薄層輻射器。一個例子是CAL公司型號為SVF350-5M3的傳感器。
器皿分別由三個段6，7，8或9，10，11組成。中間的段7，10位于封閉室14中，其上連接著真空泵15(最好是一個隔膜泵)。
在所示實(shí)施例中，器皿2是測量器皿。它的中間段流過測量氣體。為此在這個段上，例如在其接近中間的地方，連接一個測量氣體輸入管(軟管17)，它與探針18用手扶塊19連接起來。例如在段7的兩端區(qū)域有開口21(例如它們可以設(shè)計成段之間的裂縫)，開口匯入室14中，這樣在工作時段7流過測量氣體。真空泵15用于保持此氣流。此外在手持塊19中可配置一個傳送泵。
測量器皿2段6的前端設(shè)置IR光源，且段6伸進(jìn)室14內(nèi)部。在鄰近段7的一端安裝著一個能透過IR光，但是對氣體是嚴(yán)密的窗口22。這樣保證了維持室14中的壓力。
參考器皿3的結(jié)構(gòu)類似于上述結(jié)構(gòu)。不同之處在于，其中間段10連接著軟管25，其吸入口26接受從探針18四周來的氣體。段10匯入室14的開口用27表示，段9的可穿過IR光的窗口用28表示。
兩個器皿2和3的段8和11在相對于室14內(nèi)部的那端用可透過IR光的窗口31，32密封，它們在室14外部如此被設(shè)計它們構(gòu)成一個聚焦裝置12，它使得從兩個分開的器皿2，3來的光射線會聚到一個檢測面上。在圖1所示實(shí)施例中兩個器皿的軸逐漸相互接近，端連到一個公共的開口34，此開口34安裝在一個紅外線檢測器35上，這樣可以用此檢測器測量兩個器皿2和3中IR光的吸收量。檢測器最好光和氣密封地安裝在合在一起的兩個器皿的輸出開口上，這樣進(jìn)一步防止環(huán)境的干擾影響。適用于作為廉價和可用于中間頻率紅外線的檢測器的例如有Heimann公司的LHi807TC檢測器，它與集成的溫度補(bǔ)償器同時供貨。在檢測器35上連接一個放大器36和一個測量/顯示裝置37。
為了能先后測量兩個器皿2和3中的IR光吸收量，調(diào)制通過器皿穿過的IR光是必要的。為此在圖1所示實(shí)施例中有一個頻率發(fā)生器38，它連接到兩個IR光源4和5并且對其進(jìn)行調(diào)制。頻率發(fā)生器38產(chǎn)生周期性的方波信號，它們相移180°饋送給光源4和5。頻率發(fā)生器38還通過導(dǎo)線39與放大器36相連接，以便利用鎖定測量方法。這個測量方法是眾所周知的。用此方法可以通過調(diào)制有用信號和接著的相位敏感檢波，可以高靈敏度檢測“含噪聲”的信號。
IR光的調(diào)制的另一可能性是采用一個機(jī)械的光調(diào)制盤41(圖2)。該方案具有僅需一個光源42的優(yōu)點(diǎn)。為此兩個器皿2和3的兩個段6和9被如此設(shè)計它們端接于一個公共的開口43，光源42裝在此端口上。此外段6和7在室14外部中斷。光調(diào)制盤41位于如此構(gòu)成的裂縫44中，它周期性地切換通過器皿2和3的IR光通道。用光調(diào)制盤41同樣可以產(chǎn)生一個參考信號，此信號通過導(dǎo)線39送到鎖定放大器36。
圖3示出一個用雙射線管的實(shí)施例，其結(jié)構(gòu)可以用作測量和參考器皿2及3。制造方法是首先彎曲單根管的端部，接著銑端部使得在單根管的端部相互聯(lián)結(jié)處形成一個公共的開口34或43。兩根管子為此由壓制鋁或拉伸的鋁構(gòu)成，其內(nèi)壁還可涂復(fù)一層特別好的反射金屬。
在圖1所示IR氣體分析儀的實(shí)施例中雙管的僅一個終端區(qū)域按上述方式構(gòu)造。在圖2所示實(shí)施例中其兩個終端區(qū)域都必須有此結(jié)構(gòu)。在公共IR光源42的區(qū)域(圖2)上述成為兩根管子的分裂起到射線分配器46的作用。每個被分配的射線在重又走到一起的管子區(qū)域中抵達(dá)檢測器35。
替代圖1所示實(shí)施例中的聚焦裝置12，也可利用一個拋物面鏡，其焦點(diǎn)基本上位于檢測器探測面上。圖4示出一個這種方案的實(shí)施例。與一個公共的對紅外線透明的，對氣體密封的窗口49相連接的兩個器皿輸出開口47，48安裝在拋物面鏡50上。其焦點(diǎn)位于檢測器35的檢測器探測面38上。為此拋物面鏡50是一個塑料零件，它涂復(fù)著金，銀或鋁反射層并且其直徑在一側(cè)與器皿輸出口47，48適配，另一側(cè)與檢測器相適配。檢測器35在這里也是光和氣體都密封地安裝在拋物面鏡50的輸出開口上，拋物面鏡在對IR光透明的窗口49的一側(cè)氣體密封地連接真空室14。
上述實(shí)施例中符合本發(fā)明設(shè)計的IR傳感器可以達(dá)到小于百萬分之一(ppm)的探測靈敏度，同時反應(yīng)時間約為1秒。這種方式的IR傳感器是堅實(shí)的，因而可用于日常工業(yè)運(yùn)行。器皿的生產(chǎn)無需高的費(fèi)用，因而它們可作為可更換的和廉價的易損零件生產(chǎn)。這一點(diǎn)對于日益嚴(yán)重的污染來說尤為有意義。
本發(fā)明分析儀可應(yīng)用于對紅外線有反應(yīng)的氣體。通過應(yīng)用一個參考器皿提供了下述可能性從總信號中減去可能也含有其它氣體的環(huán)境大氣的基底信號。
為了在兩個大信號相減時也得到一個可評估的測量信號(差分信號)，應(yīng)用一個紅外線濾波器，它允許部分頻譜通過，在這些頻譜成份上被檢測氣體有高的吸收量。
因為使用具有不同帶寬的紅外線濾波器，可以通過選擇帶寬改變氣體分析儀的性能。例如如果采用了一個非常窄帶的濾波器并且一種測量氣體在此帶寬內(nèi)有高的吸收譜線，則可以精確地探測這種氣體。如果利用了一個非常寬帶的濾波器，可以檢測出從泄漏處泄漏出的幾乎每種氣體，只要這種氣體在此寬的濾波通帶中至少有一根吸收譜線。在選擇適中帶寬的適當(dāng)濾波器時，可以探測某些少量的被檢測氣體；即精確檢測出在所選濾波器帶寬內(nèi)具有吸收譜線的氣體。確定分析儀性能的濾波器因而直接安裝在檢測器35上，在圖1中它用標(biāo)號40簡要示出。
圖5舉例示出三種不同的致冷劑(R22，R134a，R600)在7μm(微米)至8μm波長范圍內(nèi)的IR吸收量。具有不同帶寬的IR濾波器的性能通過垂直的點(diǎn)劃線或區(qū)段線及雙箭頭給出。
用于單獨(dú)的R600探測，例如利用一個相對窄帶的IR濾波器，其特性由雙箭頭51描述。只有R600在此IR濾波器的帶寬內(nèi)有高的吸收量。
適用于探測R22或R134a的一個相對窄帶的濾波器用雙箭頭52示出。如果需要不僅能探測R600，而且也能探測R22和R134a，可以應(yīng)用一個具有雙箭頭53所標(biāo)出的中間帶寬的濾波器。當(dāng)然在這種方式的紅外線檢測中不能獲得以下結(jié)論不同氣體中的哪種氣體被檢測到。
可用于圖5所示氣體的IR濾波器的一個例子是LOT Oriel公司的FC-70520U型濾波器，它具有7.69μm(用于R134a)的中心波長和4.2％的相對帶寬。
權(quán)利要求
1.紅外線氣體分析儀(1)，它特別適合于在泄漏探測時用作氣體檢測器，它具有一個流過測量氣體的器皿(測量器皿2)，一個IR光源(4，5，42)，它產(chǎn)生穿過測量器皿(2)的IR光，分析儀還具有一個檢測器(35)，它能夠測量在測量氣體中的IR光吸收量，其特征在于，除了流過測量氣體的測量器皿(2)外，存在一個參考器皿(3)，其中流過在測量氣體吸入位置四周吸入的參考?xì)怏w，并且對參考器皿配置同一個或一個其它的光源(4，5，42)和同一個檢測器(35)，此外存在調(diào)制穿過器皿(2，3)的IR光的裝置(38，41)，并且存在形成測量值的裝置(36)，它們可以在通過測量在測量器皿中的IR吸收量而獲得的信號上考慮通過測量參考器皿(3)中的IR吸收量而得到的基底信號的影響。
2.如權(quán)利要求1所述的分析儀，其特征在于，測量器皿(2)和參考器皿(3)分別包含三個段(6，7，8或9，10，11)，并且相應(yīng)的中間段(7或10)中流過測量氣體或參考?xì)怏w。
3.如權(quán)利要求2所述的分析儀，其特征在于，存在導(dǎo)管(17，24)，它們用作送入測量氣體或參考?xì)怏w，并且存在氣流輸出口(21或27)，它們在真空室(14)內(nèi)部。
4.如權(quán)利要求1，2或3所述的分析儀，其特征在于，光源(4，5或42)及用于調(diào)制穿過器皿(2，3)的IR光的裝置(38，41)位于段(6，9)的區(qū)域內(nèi)。
5.如權(quán)利要求4所述的分析儀，其特征在于，對器皿(2，3)的段(6，9)的每一個配置一個光源(4或5)，并且存在一個用于調(diào)制兩個IR光源(4，5)的頻率發(fā)生器(38)。
6.如權(quán)利要求4所述的分析儀，其特征在于，僅存在一個光源(42)，它發(fā)出的光通過一個射線分配器(46)送給器皿(2，3)，并且存在一個用于調(diào)制IR光的機(jī)械光調(diào)制盤。
7.如權(quán)利要求3和權(quán)利要求4，5或6中任一項所述的分析儀，其特征在于，輸入段(6，9)伸入真空室(14)中，并且在內(nèi)部用對IR光透明的窗口(22，28)密封。
8.如權(quán)利要求2和3和其它權(quán)利要求中任一項所述的分析儀，其特征在于，器皿(2，3)的檢測器側(cè)的段(8，11)也伸入到真空室(14)中，并且在內(nèi)部用對IR光透明的窗口(31，32)密封。
9.如權(quán)利要求1至8中任一項所述的分析儀，其特征在于，穿過器皿(2和3)的IR光通過聚焦裝置(12)會聚到檢測面上。
10.如權(quán)利要求9所述的分析儀，其特征在于，存在一個拋物面鏡作為聚焦裝置(12)。
11.如權(quán)利要求8和9所述的分析儀，其特征在于，器皿(2，3)的檢測側(cè)的段(8，11)如此被結(jié)構(gòu)成聚焦裝置(12)它們以逐漸相互靠近的軸線端接到一個公共的窗口(34)中。
12.如前述權(quán)利要求中任一項所述的分析儀，其特征在于，用作形成測量值的裝置的組成部份是一個鎖定放大器(36)。
13.如前述權(quán)利要求中任一項所述的分析儀，其特征在于，測量和參考器皿(2，3)分別由一根金屬管-最好是鋁管-構(gòu)成。
14.如權(quán)利要求13所述的分析儀，其特征在于，兩根管子至少在一個終端區(qū)域如此成形它們以逐漸相互靠近的軸線端接到一個公共的窗口(34，43)中。
15.如權(quán)利要求13或14所述的分析儀，其特征在于，管子的內(nèi)壁用反射的金屬涂復(fù)。
16.如前述權(quán)利要求中任一項所述的分析儀，其特征在于，一個IR光濾波器(40)安裝在檢測器(35)前。
17.運(yùn)行具有前述權(quán)利要求中一項或多項特征的氣體分析儀的方法，其特征在于，交替完成在器皿(2，3)中的IR光吸收量的測量，并且在形成測量值時考慮了通過檢查在參考器皿(3)中的參考?xì)怏w而獲得的信號。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，鎖定測量被應(yīng)用，并且為此所需的參考信號由調(diào)制裝置(38或41)產(chǎn)生。
19.如權(quán)利要求17或18所述的方法，其特征在于，氣體分析儀的性能通過應(yīng)用具有不同帶寬的紅外線濾波器(40)而被改變。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種紅外線氣體分析儀(1),它特別適合于在泄漏探測時用作氣體檢測器,它具有一個流過測量氣體的器皿(測量器皿2),一個IR光源(4,5,42),它產(chǎn)生穿過測量器皿(2)的IR光,分析儀還具有一個檢測器(35),它能夠測量在測量氣體中的IR光吸收量;為了得到日常適用的和廉價的分析儀,本發(fā)明建議:除了流過測量氣體的測量器皿(2)外,存在一個參考器皿(3),其中流過在測量氣體吸入位置四周吸入的參考?xì)怏w,并且對參考器皿配置同一個或一個其它的光源(4,5,42)和同一個檢測器(35),此外存在調(diào)制穿過器皿(2,3)的IR光的裝置(38,41),并且存在形成測量值的裝置(36),它們可以在通過測量在測量器皿中的IR吸收量而獲得的信號上考慮通過測量參考器皿(3)中的吸收量而得到的基底信號的影響。
文檔編號G01N21/31GK1340158SQ00803825
公開日2002年3月13日 申請日期2000年1月20日 優(yōu)先權(quán)日1999年3月13日
發(fā)明者沃納·G·布雷, 岡特·沃斯, 尤里奇·多布勒, 托馬斯·伯恩 申請人:因菲康有限公司