專利名稱：改進(jìn)的氣體取樣室的制作方法
本專利申請(qǐng)是美國(guó)專利申請(qǐng)No.07/604，615(1990，10，16已提交申請(qǐng))的繼續(xù)，而后者是美國(guó)專利申請(qǐng)No.07/503，216(于1990，4，12提交申請(qǐng)，以專利號(hào)5，060，508名稱為氣體取樣室于1991，10，29公布)的繼續(xù)。
本發(fā)明涉及氣體分析儀器領(lǐng)域，特別是涉及一種用于大家熟知的一種非擴(kuò)散的紅外線(NOIR)型的氣體分析儀的氣體取樣室。
非擴(kuò)散紅外線技術(shù)長(zhǎng)期來被認(rèn)為是用于氣體測(cè)量的最好方法。非擴(kuò)散紅外線氣體分析儀除了有特別高效的特點(diǎn)外，還具有特別靈敏、穩(wěn)定、可靠及容易維護(hù)保養(yǎng)的優(yōu)點(diǎn)。非擴(kuò)散紅外線氣體測(cè)量技術(shù)的主要缺點(diǎn)是使用的儀器比較復(fù)雜和昂貴。
一個(gè)非擴(kuò)散紅外線氣體分析儀典型地包括一紅外線源，一個(gè)用作調(diào)整紅外線源使之能適用于同步檢測(cè)的由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械調(diào)制盤，一個(gè)把氣體壓入或引入到取樣室的泵、一帶道濾波器、一靈敏的紅外線探測(cè)器加上用作把紅外線能從紅外線源聚集到探測(cè)器上的昂貴的紅外線透鏡和窗口。這樣，盡管事實(shí)上非擴(kuò)散紅外線氣體測(cè)量技術(shù)是一種最好的技術(shù)之一，但是由于比較復(fù)雜和比較昂貴的儀器而使該技術(shù)未能得到廣泛應(yīng)用。
本發(fā)明大大地簡(jiǎn)化了非擴(kuò)散紅外線氣體測(cè)量技術(shù)的儀器，而這種簡(jiǎn)化相應(yīng)地使它的成本大大降低，因此使非擴(kuò)散紅外線技術(shù)在許多方面開始應(yīng)用，以前由于這種儀器的成本高及比較復(fù)雜的應(yīng)用，非擴(kuò)散紅外線技術(shù)被認(rèn)為是不實(shí)用的。
例如，本發(fā)明的取樣室是安置在傳感相當(dāng)快速和靈敏地傳感火焰的二氧化碳探測(cè)器的中心(本發(fā)明申請(qǐng)人的于1991年10月1日)公布的號(hào)為5053，754美國(guó)專利)它還可被安置在一通風(fēng)控制器或通風(fēng)恒溫器的中心(該通風(fēng)恒溫器已在本發(fā)明人于1991年6月6日提出的申請(qǐng)?zhí)枮?7/611，630，題為“通風(fēng)控制器”的美國(guó)專利申請(qǐng)中闡述)，這種通風(fēng)恒溫器或通風(fēng)控制器對(duì)監(jiān)檢室內(nèi)的空氣中的二氧化碳濃度并在其超過限值時(shí)及時(shí)地引入新鮮空氣以防止室內(nèi)空氣的污染是極為有用的。
本發(fā)明的簡(jiǎn)化氣體取樣室，它取消昂貴的光學(xué)器件、機(jī)械式調(diào)制盤和把氣體壓入或引入到取樣室的泵因而提供了一種減少非擴(kuò)散的紅外線分析儀的復(fù)雜性的新途徑。此外本發(fā)明的取樣室還提供一增加探測(cè)靈敏度的高效率的長(zhǎng)通道。
在布魯?shù)热说挠?987年11月24日公布的專利號(hào)為4，709，150的美國(guó)專利中，對(duì)一種用多孔材料如塑料或燒結(jié)金屬組成的氣體取樣室作了描述。布魯?shù)忍岢鑫⒖壮叽鐟?yīng)為0.3至100微米，但并未指明和建議用多孔管壁作為反射的輻射導(dǎo)向元件。或許是這個(gè)原因，他并未提出有關(guān)氣體在取樣室內(nèi)部凝聚成微滴的問題。
布魯?shù)热宋粗该骰蛱岢鰪溺R反射表面的多次反射問題。這種多次反射嚴(yán)重影響他們發(fā)明的系統(tǒng)的性能。由于沒有本發(fā)明的取樣室的聚輻射能力的優(yōu)點(diǎn)，布魯?shù)热说陌l(fā)明系統(tǒng)具有相當(dāng)差的輻射聚集能力，結(jié)果產(chǎn)生了比較低的信噪比。此外，布魯?shù)热说陌l(fā)明系統(tǒng)不具有一長(zhǎng)通道，因此與本發(fā)明的系統(tǒng)相比較，他的發(fā)明系統(tǒng)的靈敏度要受到較大損失。
關(guān)于氣體擴(kuò)散到布魯?shù)热说陌l(fā)明的室內(nèi)的情況，對(duì)照本發(fā)明，可注意到用于他們發(fā)明的取樣室上的多孔材料有幾百微米厚?？墒牵景l(fā)明中，氣體擴(kuò)散到取樣室是通過一層大約25至50微米厚的半滲透性薄膜而發(fā)生的。因此與本發(fā)明相比，要花費(fèi)很多時(shí)間使氣體(或氣體中的濃度變化)擴(kuò)散到布魯?shù)热税l(fā)明的室中。這就大大地延長(zhǎng)了布魯?shù)热税l(fā)明的室的反應(yīng)時(shí)間，因此把它選作火焰探測(cè)傳感器是很不理想的，而本發(fā)明的室對(duì)二氣化碳濃度變化卻反應(yīng)極快并且實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)已證實(shí)本發(fā)明的取樣室具有極快的反應(yīng)時(shí)間，用于火焰探測(cè)器中是極為理想的。
在專利號(hào)為59-173734(A)的日本專利中，米雅扎井描述了一種紅外線氣體分析儀，其中，輻射是沿著一個(gè)取樣管和一個(gè)基準(zhǔn)管而平行地進(jìn)行的。這些管子具有一螺旋管的結(jié)構(gòu)。
在米雅扎井的專利中所描述的系統(tǒng)屬于一種傳統(tǒng)的非擴(kuò)散的紅外線氣體測(cè)量系統(tǒng)。要不是入射的幅射在取樣管和基準(zhǔn)管內(nèi)部都經(jīng)歷多次反射這一事實(shí)，他的發(fā)明系統(tǒng)與傳統(tǒng)的非擴(kuò)散紅外線系統(tǒng)就沒有不同，也根本沒有優(yōu)點(diǎn)。米雅扎井的設(shè)計(jì)還需要一機(jī)械式調(diào)制盤、數(shù)個(gè)引導(dǎo)多種氣體通過取樣管及基準(zhǔn)管的泵及兩個(gè)探測(cè)器。這樣，當(dāng)考慮到這些因素時(shí)，米雅扎井的發(fā)明在簡(jiǎn)易性和效能方面是比不上本發(fā)明的。
在專利號(hào)為63-298031(A)的日本專利中，富士繆拉公開了一種濾波器的用途，在他的發(fā)明中，濾波器是需要的，因?yàn)樵谒l(fā)明的系統(tǒng)中使用的輻射源和探測(cè)器是安置在取樣室的內(nèi)部，并因此使它們受到取樣的污染。
Miyatake等人的于1985年2月12日公布的專利號(hào)為4，499，379的美國(guó)專利及Ebi等人的于1985年2月26日公布的專利號(hào)為4，501，968的美國(guó)專利中，已闡述了一氣體分析儀器，它具有一個(gè)用于在一定溫度下盛放待測(cè)定氣體成分濃度的試樣氣體的，并發(fā)射特征波長(zhǎng)的紅外線輻射的加熱的取樣氣體容器。這種氣體分析儀是根據(jù)放射原理工作的并不是一種非擴(kuò)散紅外線吸收分析儀。在取樣管壁內(nèi)的一加熱器把取樣氣體加熱到至少100℃的溫度以使氣體輻射紅外線。這就是說，要增加來自氣體取樣的輻射，同時(shí)，減少來自相對(duì)于氣體幅射的本底幅射。所述的取樣管的內(nèi)表面被看作是一鏡面，但該專利未給出其理由。由于氣體本身就是各向同性的輻射源，因此看來室壁就不可能以任何有用的方式用來引導(dǎo)輻射。
在Vennos的于1976年6月29日公布的專利號(hào)為3，966，439的美國(guó)專利中，闡述了一種流體取樣裝置，它包括一個(gè)泵并被用作積聚存在于工廠、發(fā)電廠、礦山等環(huán)境空氣中的微粒樣品。
Vennous未談及紅外線穿過氣體取樣以確定其濃度的問題，這樣Vennous的濾波系統(tǒng)是由一種不相似的技術(shù)制成的。
同樣地，在安德森等人的于1990年8月14日公布的專利號(hào)為4，947，578的美國(guó)專利中，描述了一種用于誘蟲的受控放氣系統(tǒng)。在此專利中誘引蒸氣可通過薄膜而擴(kuò)散。由于微孔的尺寸是由需要的放氣速率確定，安德森等人使用這種薄膜就與本發(fā)明的不類似。
本發(fā)明的氣體取樣室的第一目的是用來作為光管，以有效地把來自紅外線源的輻射通過一氣體取樣引導(dǎo)到一探測(cè)器。
本發(fā)明的氣體取樣室的第二目的是有選擇地把大于0.1微米的煙氣和灰塵微粒排斥在取樣室外，這樣就不導(dǎo)致一種特定氣體濃度的測(cè)量誤差，而又同時(shí)允許氣體分子得以自由進(jìn)入和離開所述的取樣室。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，取樣室的內(nèi)面壁包括一作為光管的鏡反射表面，該光管通過紅外線源把在細(xì)長(zhǎng)的取樣室一端傳入的輻射引導(dǎo)到位于取樣室另一端的探測(cè)器。
根據(jù)本發(fā)明還包括在室壁內(nèi)的一小孔，該小孔由一層半滲透薄膜所覆蓋，可阻止大于0.1微米的微粒進(jìn)入室內(nèi)的空間。
本發(fā)明的又一目的是提供一氣體取樣室以防止在其內(nèi)面壁上的氣體或煙氣的凝聚。
根據(jù)本發(fā)明的一最佳實(shí)施例，提供了一用于加熱取樣室的裝置因?yàn)槿我粴怏w或蒸汽有凝聚在取樣室內(nèi)壁上的傾向，因此取樣室室溫應(yīng)高于任何氣體或蒸汽的露點(diǎn)。
下面結(jié)合對(duì)照以舉例方式說明本發(fā)明的一最佳實(shí)施例的附圖，將會(huì)很好地理解被認(rèn)為是本發(fā)明特點(diǎn)的那些新穎特征，無論是關(guān)于其結(jié)構(gòu)和使用方法還是其目的和優(yōu)點(diǎn)。然而特別要了解的是這些圖僅是為了講解和描述之用而并非用來作為本發(fā)明范圍的限定。


圖1是一根據(jù)本發(fā)明所示的一個(gè)氣體分析儀的主要部件的側(cè)面立視圖;
圖2是一通過所述氣體取樣室的典型輻射線路徑的示意圖。
圖3是一根據(jù)本發(fā)明的最佳實(shí)施例的氣體取樣室的部分橫剖視圖。
如圖1所示，一氣體分析儀包括一個(gè)含有一輻射源的光源室12。該光源可以是一個(gè)小白熾燈，而輻射可以是由燈泡產(chǎn)生的可見光和/或紅外線輻射。該光源室12與氣體取樣室10連結(jié)氣體取樣室含有一用來確定一種特定氣體成分濃度的待分析的氣體試樣。輻射從光源室12穿過包含在取樣室10內(nèi)的氣體試樣，然后照射到位于探測(cè)室14內(nèi)的一探測(cè)器上。該探測(cè)器產(chǎn)生一個(gè)照射到它上面的模擬輻射強(qiáng)度的電信號(hào)。為了增強(qiáng)裝置的靈敏度，大家通曉的是在該探測(cè)器前的光路中安放一狹通頻帶濾波器，使探測(cè)器接收由待確定濃度的氣體所強(qiáng)烈吸收的大部分波長(zhǎng)輻射。該由探測(cè)器產(chǎn)生的電信號(hào)被施加到一電子電路15上以便把一電信號(hào)轉(zhuǎn)換到一個(gè)表征所述氣體濃度的信號(hào)。
圖2是一光學(xué)圖，顯示一由光源16發(fā)射的典型射線18所采用的光路，射線是沿著氣體取樣室的長(zhǎng)度方向傳送且呈現(xiàn)多次反射，最后照射到探測(cè)器20上。
圖3是穿過該氣體取樣室的一局部橫剖視圖。該氣體取樣室體是一個(gè)含有一內(nèi)向的鏡狀反射面22的細(xì)長(zhǎng)空心管21。在本實(shí)施例中，這個(gè)表面22是管21的壁的單一部分，而在一替代實(shí)例中，其表面可以用一涂層或一層鏡反射材料。
所述的細(xì)長(zhǎng)空心管21至少包括一個(gè)小孔(其中小孔24是典型的一種)。這些小孔是用來使周圍氣體進(jìn)入或離開取樣室。然而，能自由地進(jìn)入室中塵和煙氣微粒是不合乎要求的，為此，小孔24由一半滲透性薄膜片28所復(fù)蓋，使尺寸大于0.1微米的顆粒被排斥在外。為了獲得對(duì)尺寸小于0.1微米的顆粒的高擴(kuò)散速率，該半滲透薄膜片28必須相當(dāng)薄，因此它被支承在一篩網(wǎng)26上。在本最佳實(shí)施例中，該半滲透薄膜是由硅橡膠組成的。
由于該氣體取樣室始終充滿著氣體，如果環(huán)境溫度下降到一定程度，在取樣室內(nèi)的水蒸汽或其他的一種氣體就有可能凝聚成液體狀并以許多小滴的形式沉淀在鏡反射表面22以及探測(cè)器20上。這將會(huì)干擾取樣室的工作所必需的鏡反射，并導(dǎo)致錯(cuò)誤的測(cè)量結(jié)果。
為了防止這種情況發(fā)生，在本最佳實(shí)施例中，在氣體取樣室10上安置一加熱線圈30一測(cè)量取樣室壁溫的熱敏電阻32。該熱敏電阻及加熱線圈都連結(jié)到用作伺服機(jī)構(gòu)的一加熱器控制電路34上，以眾所熟知的方式使取樣室維持在一調(diào)定溫度下工作。
這樣，上面已描述了一個(gè)細(xì)長(zhǎng)管形元件形狀的管形元件氣體取樣室，它具有一從光源將輻射線通過氣體引導(dǎo)到探測(cè)器的內(nèi)向鏡反射表面?；覊m和煙氣微粒由復(fù)蓋小孔半滲透薄膜片阻擋在取樣室外，薄膜片所覆蓋小孔是貫穿取樣室的管壁的。為了防止在室內(nèi)的各種的氣體成份的凝聚可加熱取樣室壁，而在本實(shí)施例中，一預(yù)調(diào)溫度是由一伺服機(jī)構(gòu)維持的。
上述詳細(xì)描述是以本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例以例證來說明的，而應(yīng)理解到本發(fā)明的另外的實(shí)施例對(duì)熟知該技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員來說將是顯而易見的。在本文中所描述的及連同別的有關(guān)實(shí)施例都被認(rèn)為是包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一個(gè)用于通過氣體引導(dǎo)輻射的取樣室，它總體包括一由一種氣密材料制成的細(xì)長(zhǎng)空心管具有一內(nèi)向鏡反射表面，借助于來自內(nèi)向鏡反射面的多次反射而高效率地，把在所述細(xì)長(zhǎng)空心管一端傳入的輻射引導(dǎo)到其另一端；所述的細(xì)長(zhǎng)管的一部分至少有一位于其兩端中間的小孔；一層復(fù)蓋在所述的至少一個(gè)小孔的半滲透性薄膜片，所述的薄膜片允許小于0，1微米的氣載微粒穿過膜片擴(kuò)散到該細(xì)長(zhǎng)管內(nèi)部空間，且阻止大于0.1微米氣載微料進(jìn)入所述空間。
2.所述的權(quán)利要求1的取樣室總體上還包括加熱所述的鏡反射表面的裝置以達(dá)到一高于氣體露點(diǎn)的溫度，防止氣體在所述的鏡反射表面上的凝聚作用。
全文摘要
一種用于氣體分析儀的氣體取樣室包括一具有內(nèi)向鏡反射表面的細(xì)長(zhǎng)空心管，該表面還起光管作用，以將來自光源的輻射通過取樣氣體引導(dǎo)到探測(cè)器。在該細(xì)長(zhǎng)空心管的壁內(nèi)的許多小孔使取樣氣體可自由進(jìn)入和排出。由于采用覆蓋空心管內(nèi)的小孔的一層半滲透性薄膜片，使尺寸大于0.1微米的煙氣及灰塵微粒就被擋在室外。用電加熱方式加熱取樣室以達(dá)到一溫度高于取樣氣體成分的露點(diǎn)來防止其凝聚。
文檔編號(hào)G01N21/03GK1075549SQ9211289
公開日1993年8月25日 申請(qǐng)日期1992年11月5日 優(yōu)先權(quán)日1991年11月18日
發(fā)明者亞科伯·Y·翁 申請(qǐng)人:葛茲國(guó)際有限公司