分析儀器及其操作方法
【專利摘要】用于光學(xué)測(cè)量測(cè)試介質(zhì)（4）的至少一個(gè)性質(zhì)的分析儀器（1）包括：光源（20）；光管理單元（22），用于將由所述光源（20）發(fā)射的光引導(dǎo)通過所述測(cè)試介質(zhì)（4）中的檢測(cè)空間（30）；光檢測(cè)單元（24），用于檢測(cè)由測(cè)試介質(zhì)（4）散射、反射或傳送的所述光的至少一部分；功率管理單元（13）；以及數(shù)據(jù)管理單元（28）。分析儀器（1）經(jīng)由源布線（7）而耦合于功率源（10）。所述功率管理單元（13）經(jīng)由緩沖器布線（18）而使來自功率源（10）的能量分配到所述光源（20），并且經(jīng)由另外的布線（9，11）而分配到所述光檢測(cè)單元（24）和所述數(shù)據(jù)管理單元（28）。數(shù)據(jù)管理單元（28）適應(yīng)于經(jīng)由信號(hào)布線（11）而與所述光檢測(cè)單元（24）以及與接收單元（19）交換測(cè)量數(shù)據(jù)，其中所述分析儀器（1）適應(yīng)于在潛在危險(xiǎn)的環(huán)境（5）中操作。
【專利說明】分析儀器及其操作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1的分析儀器，并且涉及用于操作這樣的分析儀器的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]許多工業(yè)過程的控制和優(yōu)化典型地牽涉加工物質(zhì)的特定性質(zhì)的在線分析，例如流體(氣體、液體)、固體或固體/流體混合物。對(duì)于許多應(yīng)用，基于光學(xué)測(cè)量(例如，光的透射、反射、散射)來進(jìn)行該分析，這是有利或甚至必須的。光學(xué)測(cè)量具有許多優(yōu)勢(shì):它提供非侵入式原位分析(光譜“指紋”分析)，它免除電磁場(chǎng)以及過程與分析儀之間固有的電流絕緣。
[0003]對(duì)于一些工業(yè)段(例如化學(xué)和石油化學(xué)工業(yè))，如果在危險(xiǎn)環(huán)境中操作，對(duì)這樣的裝置的電子器件施加有特殊要求。例如，為了保證在爆炸性環(huán)境中安全的分析儀操作，裝置的電子器件的外殼必須滿足某些標(biāo)準(zhǔn)。用于對(duì)電子電路供電所需要的能量可足夠點(diǎn)燃爆炸性氣體。從而已知通過將儀器裝入密封或凈化外殼中或通過使用使分析儀電子器件與傳感器鏈接的光纖使得僅傳感器位于惡劣環(huán)境中而適合于在爆炸性環(huán)境中使用的光學(xué)分析儀裝置。
[0004]WO 2009/146710 Al公開了管道系統(tǒng)，其包括遠(yuǎn)程輸出系統(tǒng)和氣體感測(cè)站，該氣體感測(cè)站包括光聲光譜儀(photoacoustic spectroscopic)。由于安全性原因,遠(yuǎn)程系統(tǒng)(其是分析儀器的部分并且遠(yuǎn)程位于非危險(xiǎn)氣氛中)和氣體感測(cè)站僅光學(xué)鏈接。對(duì)于光譜儀的感測(cè)光的光源位于遠(yuǎn)程部分中并且它的光通過光纖從安全氣氛饋送到感測(cè)區(qū)域中的氣體感測(cè)站。系統(tǒng)提供另外的光源作為位于傳感區(qū)域中的換能器的部分。后者源的光用于將電測(cè)量信號(hào)轉(zhuǎn)換成光學(xué)測(cè)量信號(hào)，其通過之前提到的光學(xué)通信鏈路而能傳送到遙遠(yuǎn)的分析儀電子器件。
[0005]EP O 289 200 A2描述了這樣的發(fā)明，其涉及憑借光而對(duì)流體介質(zhì)光學(xué)研究的裝置。固有安全性通過遠(yuǎn)程放置電子器件使得僅感測(cè)部分暴露于爆炸性或惡劣環(huán)境來實(shí)現(xiàn)。再次，感測(cè)部分憑借光纖而鏈接到分析電子器件?，F(xiàn)有技術(shù)從而包括這樣的裝置，其將能量密集型電子部件(特別是用于測(cè)量的光的光源)與爆炸性氣體分離并且因此也與分析儀頭分離，同時(shí)在部件之間提供光學(xué)鏈路來以安全的方式保證必需的通信。其他裝置通過將電子器件裝入凈化或密封外殼中而使能量密集型電子器件與危險(xiǎn)環(huán)境分離。
[0006]這些策略對(duì)這樣的裝置的用戶施加明顯的額外投入和額外成本負(fù)擔(dān)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目標(biāo)之一是提供包括電子器件的分析儀器，該電子器件包括用于光學(xué)測(cè)量的光源，其中該分析儀器在危險(xiǎn)環(huán)境中能安全操作。
[0008]此目標(biāo)和其他目標(biāo)通過具有權(quán)利要求1的特征的分析儀器來實(shí)現(xiàn)。在從屬權(quán)利要求中或在說明中給出有利實(shí)施例。在該整個(gè)申請(qǐng)中，像“可優(yōu)選”、“優(yōu)選”或“特別地”等等的術(shù)語(yǔ)指示或涉及指代僅可選的實(shí)施例。[0009]本發(fā)明特別提供用于光學(xué)測(cè)量測(cè)試介質(zhì)(特別是流體，并且還是使用光束而能分析的任何其他介質(zhì))的至少一個(gè)性質(zhì)的分析儀器，所述分析儀器包括
一至少一個(gè)光源，用于發(fā)射光，
一至少一個(gè)可選的光管理單元(發(fā)射光管理單元)，用于將由所述光源發(fā)射的光引導(dǎo)到所述測(cè)試介質(zhì)中的檢測(cè)空間上和/或內(nèi)和/或通過它，以及/或至少一個(gè)可選的光管理單元(接收光管理單元)，用于接收與測(cè)試介質(zhì)交互的光的至少一些部分，
一至少一個(gè)光檢測(cè)單元，用于檢測(cè)由測(cè)試介質(zhì)彈性或非彈性散射和/或反射和/或傳送和/或折射的所述光的至少一部分，
一至少一個(gè)功率管理單元，以及 一至少一個(gè)數(shù)據(jù)管理單元。
[0010]另外，所述分析儀器包括功率源和/或經(jīng)由源布線而耦合于功率源。
[0011]所述功率管理單元經(jīng)由緩沖器布線而使來自功率源的能量分配到至少所述光源，并且經(jīng)由另外的布線而分配到至少所述光檢測(cè)單元和/或所述數(shù)據(jù)管理單元。
[0012]另外，所述數(shù)據(jù)管理單元適應(yīng)于經(jīng)由信號(hào)布線而與所述光檢測(cè)單元以及直接或間接與接收單元交換在所述光檢測(cè)單元中測(cè)量的測(cè)量數(shù)據(jù)。
[0013]根據(jù)本發(fā)明，所述分析儀器適應(yīng)于在潛在危險(xiǎn)的環(huán)境中操作，因?yàn)橹辽僭谠床季€和/或在所述另外的布線中，任何電流限于小于或等于100毫安的電流，并且任何電壓限于小于或等于30伏的電壓。
[0014]分析儀器所抽取的電流小于100毫安并且它所耗散的能量小于50毫瓦，優(yōu)選地小于35毫瓦，并且更優(yōu)選地平均小于25毫瓦。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 60079-11，這些值將該分析儀器評(píng)定為簡(jiǎn)單的設(shè)備。然而，因?yàn)樵摲治鰞x器存儲(chǔ)幾毫焦數(shù)量的能量，它不視為簡(jiǎn)單的設(shè)備并且必須采取保護(hù)性措施以便確保裝置的固有安全性。危險(xiǎn)環(huán)境中的爆炸可能通過熱點(diǎn)火或通過火花點(diǎn)火而發(fā)生。
[0015]暴露于危險(xiǎn)環(huán)境的熱表面可以通過自燃而引起熱點(diǎn)火。這是為什么每個(gè)危險(xiǎn)區(qū)域具有溫度分類(參見根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 60079-0的溫度分類列表的表I)的原因。讓我們舉溫度分類如何運(yùn)行的一個(gè)示例。如果任何表面變得比135°C還熱，危險(xiǎn)區(qū)域歸類為T4風(fēng)險(xiǎn)爆炸。出故障的電機(jī)繞組例如可以非?？斓匦纬蛇@樣的高溫。在該特定危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)部使用的任何設(shè)備件必須不能產(chǎn)生大于135°C的溫度。僅評(píng)為處于T4、T5或T6的設(shè)備將允許在該危險(xiǎn)區(qū)域中。
[0016]分析儀器電子器件中的任何部件的表面溫度應(yīng)優(yōu)選地小于或等于最大表面溫度(參見表I)。.1ti It2 It3 It4 Its Tre
蕞大表面溫度，°C 丨450丨300丨200 |l35 |l00丨85-
[0017]表1，溫度分類
如可以從表I看到的，存在若干溫度類別。最大表面溫度可根據(jù)放置電子器件的環(huán)境(例如周圍溫度和氣體種類)而變化(參見國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 60079-0)。通過使表面溫度保持在所述最大表面溫度以下，確保這樣的表面不熱點(diǎn)燃爆炸性氣體混合物。限制表面溫度通過在電子器件與空氣之間具有低的熱阻并且通過限制功率和/或通過提供對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)冷卻和/或耗散部件而實(shí)現(xiàn)。電容器將能量存儲(chǔ)在它們的板之間電場(chǎng)中，并且該能量可以自身在危險(xiǎn)區(qū)域中呈現(xiàn)為火花。由電壓供應(yīng)的電容性電路使能量累積為等于電容的一半乘以電壓的平方。讓我們?cè)O(shè)想存著使電容器的兩個(gè)板連接的開關(guān)。當(dāng)電容性電路中觸點(diǎn)閉合來使電容器放電時(shí)，火花可以恰好在觸點(diǎn)觸碰之前形成。因?yàn)橛|點(diǎn)幾乎觸碰，火花的大小是小的。該開關(guān)還可以代表被意外短路的場(chǎng)布線。從而，根據(jù)最大電壓以及最壞情況下的氣體組(即，按照IEC 60079-0的IIA、IIB和IIC)，固有安全的裝置的最大電容受到限制。
[0018]存儲(chǔ)在電感器的磁場(chǎng)中的能量可以在危險(xiǎn)區(qū)域中采用火花的形式釋放。電感器L(由恒定電流I饋電)存儲(chǔ)等于電感的一半乘以電流平方的能量。讓我們?cè)O(shè)想存在可以中斷電流的開關(guān)。當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，電感器“試圖”使電流保持從A流到B，如同在斷開開關(guān)之前那樣。嘗試持續(xù)該電流流動(dòng)的電壓由方程V=L(di/dt)確定。項(xiàng)“di/dt”是電流di在時(shí)間間隔dt中的變化。該數(shù)可以非常大，因?yàn)楫?dāng)開關(guān)斷開時(shí)電流將從它先前的值變到零。如果電感大，則產(chǎn)生的電壓(其等于L* di/dt)是大的，并且火花可以在由開關(guān)斷開形成的兩個(gè)電極之間出現(xiàn)。根據(jù)該示例的開關(guān)還可以代表被意外切斷的場(chǎng)布線。從而，根據(jù)最大電流以及最壞情況下的氣體組(即，按照IEC 60079-0的IIA、IIB和IIC)，固有安全的裝置的最大電感受到限制。
[0019]點(diǎn)燃危險(xiǎn)氣氛的能力還取決于開路電壓(V=VOC),和短路電流(ISC=V/R)。來自功率源的能量可以在電路斷開或短路的點(diǎn)處以火花的形式釋放。從而，根據(jù)最壞情況下的氣體組(即，按照IEC 60079-0的IIA、IIB和IIC)，固有安全的裝置中的最大電流和/或電壓受到限制。
[0020]為了防止打火花，與根據(jù)本發(fā)明的分析儀器有關(guān)的電流和電壓值受到限制。這些限制還對(duì)電子部件的電容和電感施加約束，這將在下文進(jìn)一步論述。具體地，這意指在所述另外的布線中(和/或在源布線中)，對(duì)操作中可以達(dá)到的電流、電壓和/或功率施加安全限制。主要限制針對(duì)裝置可以具有的最大溫度。它還取決于應(yīng)用環(huán)境中的氣體種類以及電子器件的表面溫度和/或火花風(fēng)險(xiǎn)。從該應(yīng)用和布局來推論特定電壓和電流限制。這甚至是在裝置的外殼未密封包括電子器件的內(nèi)部以隔離周圍危險(xiǎn)環(huán)境的情況下，因此在電子器件和布線可以暴露于危險(xiǎn)環(huán)境(然而，密封外殼也可能用于雙重保護(hù))的情況下。優(yōu)選地，進(jìn)一步選擇裝置的電子/電部件，它們(無論何處暴露于環(huán)境)在內(nèi)部從未達(dá)到這些參量的最大極限值。
[0021]為了安全性利益，滿足使儀器布置處的能量限制在任何兼容電路在正常操作條件下正確運(yùn)行同時(shí)它甚至在故障條件下為安全的值的標(biāo)準(zhǔn)，這是可取的。然而，該固有安全性標(biāo)準(zhǔn)迄今為止從未應(yīng)用于這樣的光學(xué)裝置。固有安全性到目前為止還是基于使電子器件(即在設(shè)備內(nèi))以及暴露于潛在爆炸性氣氛的互連布線的電能量限制在可能通過打火花或加熱效應(yīng)而引起點(diǎn)燃的水平以下的水平的保護(hù)類型。對(duì)于固有安全系統(tǒng)的要求由“國(guó)際電工委員會(huì)”(IEC)限定并且在IEC出版物IEC 60079-25中提供。
[0022]在該申請(qǐng)中，優(yōu)選地，任何電流I限于小于或等于100毫安的電流(Imax)并且任何電壓U限于小于或等于3伏的電壓(Umax)。在下面，論述若干實(shí)施例。
[0023]例如，Ifflax優(yōu)選地小于或等于50毫安，更優(yōu)選地小于或等于30毫安，更優(yōu)選地小于或等于25暈安，并且特定地在0.01暈安與20暈安之間。
[0024]Umax優(yōu)選地小于或等于24伏，優(yōu)選地小于或等于24伏，更優(yōu)選地小于或等于15伏，并且特定地在0.01伏與12伏之間。
[0025]分析儀器的總耗散功率Pdiss平均小于或等于50毫瓦，優(yōu)選地小于或等于35毫瓦，更優(yōu)選地小于或等于25毫瓦，更優(yōu)選地小于或等于20毫瓦，并且特定地在0.001毫瓦與15毫瓦之間。
[0026]分析儀器的最大總體平均功耗Pmax優(yōu)選地小于或等于200毫瓦，優(yōu)選地小于或等于112.5毫瓦，更優(yōu)選地小于或等于60毫瓦。
[0027]上文規(guī)定的極限不一定適用于緩沖器布線，但它們還可能適用于緩沖器布線。
[0028]對(duì)于固有安全裝置的任何電子部件所允許的最大電容Cmax和最大電感Lmax取決于Imax和Umax以及環(huán)境(參見例如國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 60079-11)。
[0029]在Iniax=IOO毫安的情況下，存儲(chǔ)根據(jù)本發(fā)明的分析儀器中的瞬間能釋放的能量的分析儀器的任何電容器具有小于或等于Cmax=SO微法的電容，優(yōu)選地小于或等于Cmax=15微法，并且更優(yōu)選地小于或等于Cmax=3微法?？梢园凑諊?guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 60079-11根據(jù)環(huán)境來選擇這些值。
[0030]在Umax=15伏的情況下，存儲(chǔ)根據(jù)本發(fā)明的分析儀器中瞬間能釋放的能量的任何電感器具有小于或等于Lmax=S毫亨的電感。可以按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 60079-11根據(jù)環(huán)境來選擇這些值。
[0031]萬一任何電子部件超過這些上限(Tl至T6、Imax、Umax、Cmax、Lmax)，必須采取特殊措施來確保固有安全性。這樣的措施可以:
?封裝大值電容器(例如通過灌封)并且限制能量流出(例如，通過使用串聯(lián)電阻器或二極管);
?續(xù)流二極管(例如齊納二 極管)，其限制電壓上升(并且對(duì)電流提供路徑);
?限制可以輸送到任何內(nèi)部部件的電流和/或電壓。
[0032]在本發(fā)明的上下文中，“測(cè)試介質(zhì)的性質(zhì)”包括通過光學(xué)測(cè)量而直接或間接能被獲得測(cè)量的測(cè)試介質(zhì)的參數(shù)或性質(zhì)，例如氣體濃度(像例如氧或CO2濃度)、pH值、折射率、濁度或微粒濃度(像懸浮固體，例如晶體、生物細(xì)胞或灰塵等)或其組合，等。測(cè)試介質(zhì)的性質(zhì)進(jìn)一步包括等級(jí)、距離、接近性、位置、對(duì)象測(cè)距或相似的測(cè)量參數(shù)。
[0033]術(shù)語(yǔ)“測(cè)試介質(zhì)”優(yōu)選地指氣體或氣體混合物。然而，測(cè)試介質(zhì)還可以包括固體(例如，松散固體)、流體(例如(例如有機(jī)或無機(jī)化學(xué)物(像例如油或水)的氣體或液體，其包括氣體中的微粒和/微滴的懸浮)或其混合物(例如，泥漿、乳膠或具有懸浮微粒的液體或氣體)。測(cè)試介質(zhì)可以是不透明或透明的。優(yōu)選地，測(cè)試介質(zhì)大致上是流體，例如具有特定的折射率，并且特別地，測(cè)試介質(zhì)是氣體或液體。優(yōu)選地，測(cè)試介質(zhì)散射、反射和/或傳送光。特別地，測(cè)試介質(zhì)可以是包含微粒(例如，例如晶體、生物細(xì)胞、灰、塵等懸浮固體，或其他固體或其混合物)的流體。測(cè)試介質(zhì)還可以包含具有相同或特別地不同性質(zhì)的兩個(gè)區(qū)域之間的界面，該性質(zhì)特別是折射率。測(cè)試介質(zhì)可以進(jìn)一步是具有與吸收相關(guān)的參數(shù)的分析物。測(cè)試介質(zhì)可以處于大致上靜止?fàn)顟B(tài)，或它可以處于動(dòng)態(tài)狀態(tài)，例如旋轉(zhuǎn)、流動(dòng)或流狀態(tài)。它可以是蒸發(fā)氣體的液體或固體，或它可以是部分熔融的固體，其中熔融物質(zhì)處于大致上靜止或動(dòng)態(tài)狀態(tài)。
[0034]術(shù)語(yǔ)“環(huán)境”要理解為這樣的體積，其中分析儀器至少部分、優(yōu)選地完全位于該體積中并且/或儀器可以直接影響該體積。環(huán)境可以是測(cè)試介質(zhì)本身、測(cè)試介質(zhì)的部分或至少部分包括或接近或覆蓋/包圍測(cè)試介質(zhì)的介質(zhì)。在該上下文中，術(shù)語(yǔ)“接近”意指對(duì)應(yīng)距離與測(cè)量設(shè)備的尺寸相當(dāng)。特別地，環(huán)境可以是這樣的體積，其包含可從液體測(cè)試介質(zhì)蒸發(fā)的潛在爆炸性氣體。測(cè)試介質(zhì)和環(huán)境可以是安全(例如，惰性氣體)或危險(xiǎn)的(例如，易燃液體作為測(cè)試介質(zhì)以及爆炸性氣體作為所述液體的環(huán)境)。例如，測(cè)試介質(zhì)可以是安全的，而環(huán)境是危險(xiǎn)的。至少一個(gè)光源可以是利用在這些限制下的可用功率而可以操作成用于測(cè)量的任何光源，特別地它可以是半導(dǎo)體二極管激光器，優(yōu)選地垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)，優(yōu)選地具有小于或等于5伏(優(yōu)選地3伏，特別地在0.0l伏與2伏之間)的饋電電壓。另外，這樣的激光器可特征在于小于或等于200毫安(優(yōu)選地小于或等于100毫安，更優(yōu)選地小于或等于50毫安，最優(yōu)選地小于或等于30毫安，以及特定地在0.01毫安與0.5或30暈安之間)的供應(yīng)電流。
[0035]VCSEL裝置產(chǎn)生在紅外區(qū)域中的光(典型地在670nm與2000nm之間)。VCSEL的示例是利用掩埋隧道結(jié)(BTJ)技術(shù)的裝置，其基于磷化銦系統(tǒng)。這樣的VCSEL具有典型地在從1300納米至2050納米范圍中的波長(zhǎng)并且由例如德國(guó)Garching的VERTILAS GmbH公司出售。VCSEL允許多至10千兆赫的相對(duì)高的調(diào)制速率并且提供高于I毫瓦的光功率水平，而饋電功率是幾毫瓦量級(jí)。市售的其他VCSEL具有670納米下限的波長(zhǎng)范圍(例如，來自O(shè)ptowell公司)。典型的上閾值電流在室溫在1.5毫安以下(取決于VCSEL的類型)，這對(duì)于低功率應(yīng)用是非常有利的。VCSEL光源的另外的優(yōu)勢(shì)是它高效且高度可靠地產(chǎn)生在旋轉(zhuǎn)對(duì)稱和低發(fā)散光束中的相干光。VCSEL具有從小于-40攝氏度延伸到超過+80攝氏度的操作溫度范圍。這是有利的，因?yàn)楣I(yè)市場(chǎng)相比環(huán)境監(jiān)測(cè)市場(chǎng)(例如，水和廢水)對(duì)分析儀器施加更嚴(yán)格的約束。例如，環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置操作的溫度范圍通常是0°C至50°C。由于低操作電壓和電流，VCSEL從而對(duì)于光學(xué)低功率裝置并且特別對(duì)于計(jì)劃在危險(xiǎn)環(huán)境中操作并且其中光源可能是主要負(fù)載的裝置是有利的(至少按照時(shí)間)。另外可能以緊湊且高效的方式產(chǎn)生VCSEL陣列，即光源陣列。這樣的光源陣列可用于同時(shí)測(cè)量測(cè)試介質(zhì)的若干性質(zhì)。此外，VCSEL的窄波長(zhǎng)可以通過改變VCSEL芯片的溫度或通過芯片的注入電流而在寬范圍(典型地5nm)上調(diào)諧。那些測(cè)量概念允許介質(zhì)的光譜學(xué)研究或氣體溫度和/或氣體壓力測(cè)量。為了改變VCSEL芯片的溫度的目的，可提供電子部件，例如Peltier元件，其可以冷卻或加熱所述芯片并且其優(yōu)選地以所述芯片一起提供在密封外殼中。光管理單元是可選的，即它取決于特定應(yīng)用和用途，而不管是否提供該部件。光管理單元適應(yīng)于從光源接收至少部分的光并且用于將它的至少部分引導(dǎo)到檢測(cè)空間。它可以進(jìn)一步適應(yīng)于接收已經(jīng)在檢測(cè)空間中與測(cè)試介質(zhì)交互的光的至少部分并且進(jìn)一步將所述交互光的至少部分引導(dǎo)到光檢測(cè)單元(如需要的話)。光管理單元可包含從由透鏡系統(tǒng)、分裂器、光學(xué)濾波器、分散或折射光學(xué)器件、光導(dǎo)、光纖、光屏蔽、反射鏡等以及其組合組成的組選擇的元件。必須強(qiáng)調(diào)光管理單元可以是可選的，即，可想象光源將光直接發(fā)射到檢測(cè)空間，并且已經(jīng)與測(cè)試介質(zhì)交互的光的至少部分直接到達(dá)光檢測(cè)單元。
[0036]術(shù)語(yǔ)“檢測(cè)空間”必須理解為包含與來自光源的光交互的測(cè)試介質(zhì)的至少一部分的空間，其中所述光隨后(在已經(jīng)與測(cè)試介質(zhì)交互后)由光檢測(cè)單元檢測(cè)。檢測(cè)空間的實(shí)際體積可取決于光、束幾何形狀，并且還取決于測(cè)試介質(zhì)，或測(cè)量方法。
[0037]在本發(fā)明的上下文中，“與測(cè)試介質(zhì)交互”必須理解為被測(cè)試介質(zhì)傳送、吸收、反射、折射和/或散射。光從與測(cè)試介質(zhì)不同的介質(zhì)入射到測(cè)試介質(zhì)的界面上，這也是可能的，這之后它例如被背反射到與測(cè)試介質(zhì)不同的所述介質(zhì)內(nèi)。
[0038]功率管理單元經(jīng)由源布線從功率源接收功率。所述源布線是固有安全的，優(yōu)選地通過絕緣而是固有安全的，并且進(jìn)一步適應(yīng)于交換數(shù)據(jù)。來自功率源的功率優(yōu)選地是電力；因此源布線并且緩沖器部件以及另外的布線適應(yīng)于傳導(dǎo)電力。一般，電能的傳輸需要能量損失，這必須要考慮。源布線以及信號(hào)布線可以是適應(yīng)于同時(shí)傳送數(shù)據(jù)和能量?jī)烧叩?線連接。從分析儀器經(jīng)由源布線傳送的數(shù)據(jù)被接收單元接收。優(yōu)選地，接收單元是標(biāo)準(zhǔn)裝置，其提供經(jīng)由2線連接而接收的測(cè)量數(shù)據(jù)用于進(jìn)一步處理或存儲(chǔ)(例如通過計(jì)算機(jī))。接收單元可以與功率源一體化或它可以是單獨(dú)單元。通過源布線到功率管理單元的能量傳送優(yōu)選地以15伏的最大傳送電壓和25毫安的最大電流來實(shí)現(xiàn)。然而，當(dāng)提供對(duì)應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換部件時(shí)，其他能量形式也是可想象的，例如光或采用例如流動(dòng)流體或流氣體形式的動(dòng)能。然后能量傳遞連接必須相應(yīng)地修改。來自功率管理單元的用于操作的功率經(jīng)由另外的布線以適當(dāng)?shù)碾妷汉碗娏魉竭M(jìn)一步分配到不同的能量消耗部件。優(yōu)選地，功率管理單元包含優(yōu)選地可編程微控制器(例如，來自MSP430系列)，其適應(yīng)于接通/關(guān)斷電路的不同部分。有利地，所述微控制器也適應(yīng)于接收測(cè)量數(shù)據(jù)，例如具有對(duì)應(yīng)信噪比的測(cè)量值，并且鑒于接收的數(shù)據(jù)而控制電路的不同部分。所述另外的布線可適應(yīng)于傳輸來自部件的數(shù)據(jù)以及將數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲考?在必要的情況下)，并且可特別地是2線連接。然而，具有用于能量和數(shù)據(jù)傳送的單獨(dú)連接，或備選地，光學(xué)地(優(yōu)選地通過使用光學(xué)鏈路)或甚至憑借已知技術(shù)而無線地至少部分傳送數(shù)據(jù)，這也是可能的。
[0039]根據(jù)術(shù)語(yǔ)“2線連接”，連接必需理解成僅使用兩條線來傳送功率和數(shù)據(jù)兩者。如果要傳送更多的功率和/或更多的數(shù)據(jù)，第二對(duì)線可用于對(duì)儀器饋能?？赡艿?線技術(shù)方案是從現(xiàn)有技術(shù)稱為4-20mA的模擬信令技術(shù)。使用該標(biāo)準(zhǔn)的裝置本質(zhì)上是功率受約束的。
[0040]功率源可以遠(yuǎn)離分析儀器而定位，優(yōu)選地在危險(xiǎn)環(huán)境外部，特別地在安全環(huán)境中，其中分析儀器的所有其他元件可以緊湊的方式設(shè)置并且優(yōu)選地在一個(gè)或若干平臺(tái)板或平臺(tái)板組件(具有對(duì)于至少部分部件的可選外殼)上。
[0041]功率源還可位于分析儀器附近，在該情況下優(yōu)選地在所述平臺(tái)板中的一個(gè)上，例如，采用適應(yīng)于從測(cè)試介質(zhì)和/或環(huán)境收獲能量的電池或能量收獲器部件的形式。然而，在將功率源放置在危險(xiǎn)環(huán)境中時(shí)應(yīng)特別注意，即遵循固有安全性必須例如通過選擇本質(zhì)上滿足相應(yīng)要求的功率源、憑借額外的部件或通過憑借凈化或密封外殼而使功率源與可從危險(xiǎn)環(huán)境引起危害的另外的元件分離(如必要的話)而實(shí)現(xiàn)。具有例如電池或能量收獲器等移動(dòng)源的分析儀器特別有利，因?yàn)樗试S構(gòu)造移動(dòng)分析儀器，其適應(yīng)于至少暫時(shí)獨(dú)立于任何實(shí)體鏈路(例如，光學(xué)或電氣鏈路)來分析測(cè)試介質(zhì)用于能量供應(yīng)和/或數(shù)據(jù)通信目的。低功率裝置(像例如根據(jù)本發(fā)明的分析儀器)可通過電池持續(xù)幾小時(shí)、幾天或甚至幾月或幾年地操作，這取決于性能和用途。優(yōu)選地，這樣的移動(dòng)分析儀器包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部件和/或到數(shù)據(jù)接收單元(或一般，到編組柜或控制柜)的無線連接。
[0042]分析儀器可包括批準(zhǔn)的固有安全的關(guān)聯(lián)的設(shè)備或單元，由此在所述布線中確保I_、Umax和Pdiss。該設(shè)備特別地是保證分析儀器電子器件的固有安全性的屏障或界面。設(shè)備優(yōu)選地位于源布線與功率管理單元之間。屏障限定兩個(gè)側(cè)。電力布線側(cè)稱為在屏障前，另一側(cè)稱為在屏障后。批準(zhǔn)的固有安全的關(guān)聯(lián)的設(shè)備可包含電流和/或功率限制器、二極管和至少一個(gè)熔斷器并且可安裝在所述平臺(tái)板中的一個(gè)上。設(shè)備可以是有源，或優(yōu)選地?zé)o源裝置，其允許分析儀器在正常條件下的安全功能。然而，在故障條件下，批準(zhǔn)的固有安全的關(guān)聯(lián)的設(shè)備免受由于危險(xiǎn)環(huán)境而引起的危害，即它防止電流和/或電壓和/或能量堆積或釋放大到足以點(diǎn)燃例如爆炸性氣體。特別地，在故障條件下可在分析儀器中產(chǎn)生的過多電流和/或電壓能安全地傳輸?shù)脚鷾?zhǔn)的固有安全的關(guān)聯(lián)的設(shè)備。過多電流和/或電壓要理解為超過對(duì)應(yīng)極限的相應(yīng)值的部分。該設(shè)備例如在功率傳輸在極限以上的情況下使功率源從功率管理單元解耦，由此避免有害量的能量傳送到固有安全的裝置。在設(shè)備位于危險(xiǎn)區(qū)域中的情況下，它可以安裝在防爆外殼中和/或與用于連接線的防爆密封件(其優(yōu)選地以遵循固有安全性的方式設(shè)置在外殼上)一起來安裝。優(yōu)選地，該設(shè)備可適應(yīng)于確保在源布線和在另外的布線中，Imax小于或等于50暈安,優(yōu)選地25暈安,更優(yōu)選地20暈安并且/或其中Umax小于或等于24伏，優(yōu)選地15伏，并且/或其中耗散功率Pdiss小于或等于20毫瓦，優(yōu)選地15暈瓦。
[0043]功率管理單元可包括直流到直流轉(zhuǎn)換器和后端電子器件，其中這些后端電子器件例如由于通信原因而包括例如人機(jī)界面和高速公路可尋址遠(yuǎn)程換能器等部件。功率管理單元可進(jìn)一步包括用于存儲(chǔ)能量的能量緩沖器。批準(zhǔn)的固有安全的關(guān)聯(lián)的設(shè)備優(yōu)選地適應(yīng)于對(duì)于存儲(chǔ)的能量的量保證固有安全性，即它適應(yīng)于安全地接收并且耗散所述能量。優(yōu)選地，能量緩沖器由限流器、電容緩沖器和直流到直流轉(zhuǎn)換器組成或包括它們。所述限流器確保不超過預(yù)定電流極限。通過所述直流到直流轉(zhuǎn)換器管理能量排放。對(duì)于電容緩沖器的電容的固有安全性如上文描述的那樣來確保。優(yōu)選地，分析儀器適應(yīng)于調(diào)整到緩沖器布線的能量排放，從而使得光源供能的自適應(yīng)控制變得可能。電容緩沖器具有小于或等于2毫法的典型電容，優(yōu)選地小于或等于I毫法，更優(yōu)選地小于或等于100微法，并且特別地在0.1微法與50微法之間。
[0044]所述能量緩沖器可以適應(yīng)于經(jīng)由緩沖器布線而將能量脈沖地釋放到光源，其能作為脈沖光源來操作。當(dāng)分析儀器采用脈沖模式測(cè)量時(shí)，存在在其期間能對(duì)緩沖器充電的時(shí)間以及在其期間緩沖的能量能釋放的時(shí)間。緩沖器充電時(shí)間取決于實(shí)際分析儀器規(guī)格但典型地小于或等于200毫秒，更優(yōu)選地小于150毫秒，并且最優(yōu)選地小于或等于100毫秒，并且特別地在I毫秒與50毫秒之間。能量緩沖器充電電流典型地小于或等于100毫安，優(yōu)選地小于或等于50毫安，并且特別地在0.1毫安與25毫安之間。釋放的能量能容易用于分析儀器的至少一個(gè)部件，優(yōu)選地用于光源。
[0045]光源主要通過緩沖的能量而能操作，這是可能的。這是有利的，因?yàn)樽x出電子器件在檢測(cè)和處理期間需要大量的能量并且因此施加明顯的負(fù)載。當(dāng)分析儀器采用脈沖模式操作時(shí)，讀出電子器件可在沒有光可用并且正對(duì)能量緩沖器充電時(shí)保持在低功率待命模式。該充電過程從而利用來自功率源總可用功率的相當(dāng)大的部分而能進(jìn)行。當(dāng)緩沖器要放電時(shí)，充電停止并且已經(jīng)用于充電的功率對(duì)于讀出電子器件可用，這是有利的，因?yàn)樗鼈儽仨氃谀芰繌木彌_器釋放以及隨之的發(fā)光期間變成有源。
[0046]在本發(fā)明的上下文中，必須理解上文規(guī)定的對(duì)于源布線和另外的布線的極限也可至少在能量緩沖器的充電階段期間適用于緩沖器布線。典型地，緩沖器充電時(shí)間比放電時(shí)間(即后面的光脈沖的長(zhǎng)度)要長(zhǎng)。對(duì)緩沖器布線加以單獨(dú)限制(特別在緩沖器放電時(shí)間期間)，這從而可是有利的。因此，對(duì)于緩沖器布線的極限可高于對(duì)于源布線和另外的布線的極限。然而，對(duì)于大部分應(yīng)用重要的是，在任何時(shí)間點(diǎn)遵循對(duì)于固有安全性的要求，即緩沖器布線中的電流要與應(yīng)用的批準(zhǔn)的固有安全的關(guān)聯(lián)設(shè)備有關(guān)，該批準(zhǔn)的固有安全的關(guān)聯(lián)設(shè)備必須相應(yīng)地選擇，其中放電電流典型地小于或等于250毫安，優(yōu)選地小于或等于150毫安，更優(yōu)選地小于或等于100暈安，并且特別地在0.01暈安與50暈安之間，并且對(duì)應(yīng)的電壓小于或等于15伏，優(yōu)選地小于或等于10伏，更優(yōu)選地小于或等于5伏，并且特別地在
0.01伏與3伏之間。當(dāng)提供額外的保護(hù)手段(例如，緩沖器布線和與之連接的部件的絕緣或分離)時(shí)，這些極限可更高，使得盡管是高值但滿足固有安全性的要求。
[0047]光脈沖優(yōu)選地具有小于或等于50毫秒的長(zhǎng)度，更優(yōu)選地小于10毫秒，并且最優(yōu)選地小于或等于5毫秒，并且特別地在I納秒與1.5毫秒之間。
[0048]光檢測(cè)單元可以是如在領(lǐng)域內(nèi)已知的光檢測(cè)器。所述光檢測(cè)單元優(yōu)選地適應(yīng)于測(cè)量靜止或隨時(shí)間變化的光強(qiáng)度和/或頻率和/或脈沖持續(xù)時(shí)間并且特別地基于具有預(yù)定長(zhǎng)度的入射光脈沖來提供第一信號(hào)。該第一信號(hào)經(jīng)由另外的布線而能傳輸并且由數(shù)據(jù)管理單元管理。管理單元還可集成到檢測(cè)單元內(nèi)。數(shù)據(jù)管理單元適應(yīng)于接收信號(hào)并且在與至少接收單元交換，并且優(yōu)選地還與功率管理單元交換(優(yōu)選地憑借源布線和/或另外的布線，或備選地通過額外布線和/或無線部件)中管理接收的信息。
[0049]優(yōu)選地，分析儀器包括分析儀單元，其適應(yīng)于分析所述第一信號(hào)，即它適應(yīng)于處理所述第一信號(hào)并且產(chǎn)生具有對(duì)應(yīng)信噪比的第二信號(hào)，即測(cè)量值。這樣的分析儀例如從現(xiàn)有技術(shù)已知。它們可包含模數(shù)轉(zhuǎn)換器(例如，LTC1865L ADC類型的)。光檢測(cè)單元和分析儀單元還可以是單個(gè)單元，例如讀出單元。由分析儀單元提供的信號(hào)對(duì)于數(shù)據(jù)接收單元可以是可用的并且經(jīng)由數(shù)據(jù)管理單元而對(duì)于功率管理單元也有利地可用，特別地對(duì)于微控制器可用。信噪比對(duì)于不同的測(cè)量體系(例如對(duì)于不同的測(cè)試介質(zhì)條件或?qū)τ诓煌墓鈴?qiáng)度)可是不同的。對(duì)于低光強(qiáng)度，性能(即準(zhǔn)確性和檢測(cè)極限)典型地比其中光強(qiáng)度是高的操作體系要更差。
[0050]分析儀器從而可有利地適應(yīng)于調(diào)整光脈沖長(zhǎng)度，即電子器件(例如具有微控制器的功率管理單元)鑒于目標(biāo)信噪比(例如，長(zhǎng)于或等于3:1，優(yōu)選地10:1，特別地在50:1與200:1之間，其取決于測(cè)量的性質(zhì))和/或目標(biāo)準(zhǔn)確性(例如，小于或等于10%，優(yōu)選地5%，特別地在0.01%與2%之間，其取決于測(cè)量的性質(zhì))和/或目標(biāo)時(shí)間分辨率(例如，長(zhǎng)于或等于I/秒，優(yōu)選地5/秒，特別地在7.5/秒與15/秒之間，其取決于測(cè)量的性質(zhì))按照所述信噪比的函數(shù)使脈沖長(zhǎng)度縮短或延長(zhǎng)。利用較長(zhǎng)的光脈沖，由于更長(zhǎng)的暴露時(shí)間，每光脈沖能收集更多的數(shù)據(jù)并且對(duì)應(yīng)的信噪比提高。然而，要強(qiáng)調(diào)較長(zhǎng)的光脈沖需要能量緩沖器存儲(chǔ)更大量的能量，這例如在分析儀器要在惡劣環(huán)境中操作時(shí)有問題。
[0051]由于脈沖光源的后續(xù)入射光脈沖，分析儀器可進(jìn)一步適應(yīng)于在第一和/或第二信號(hào)上求平均。求平均可優(yōu)選地由分析儀單元或備選地由光檢測(cè)單元直接處理。該過程產(chǎn)生平均信號(hào)。分析儀單元可進(jìn)一步確定該平均信號(hào)的信噪比。如果求平均的窗口是長(zhǎng)的，分析儀的響應(yīng)時(shí)間下降。為了實(shí)現(xiàn)測(cè)量值的合適的更新速率，求平均的窗口必須根據(jù)實(shí)際值和它的變化速率來適應(yīng)性修改。根據(jù)本發(fā)明的分析儀器優(yōu)選地適應(yīng)于鑒于平均信號(hào)的目標(biāo)信噪比和/或分析儀器所針對(duì)的測(cè)試介質(zhì)的物理參數(shù)的測(cè)量的目標(biāo)準(zhǔn)確性和/或目標(biāo)時(shí)間分辨率來按照平均信號(hào)的所述信噪比的函數(shù)調(diào)整用于計(jì)算平均信號(hào)的光脈沖的數(shù)量(即求平均的窗口)。使用短光脈沖的操作模式和在這些短光脈沖期間收集的數(shù)據(jù)的求平均要優(yōu)于以較少但更長(zhǎng)的光脈沖收集數(shù)據(jù)，因?yàn)閷?duì)于光源的操作需要的能量緩沖器的容量在短光脈沖情況下是較低的。
[0052]分析儀器允許測(cè)量測(cè)試介質(zhì)的性質(zhì)中的至少一個(gè)。然而，它還可以適應(yīng)于同時(shí)或連續(xù)測(cè)量若干這樣的性質(zhì)。優(yōu)選地，構(gòu)造分析儀器使得它的部件中的至少部分可容易地更換以便測(cè)量另外的性質(zhì)。這樣的另外的性質(zhì)可以是氣體濃度，像例如氧或CO2濃度、pH值、折射率、濁度或微粒濃度(像例如懸浮固體，例如晶體、生物細(xì)胞或灰塵等)等。測(cè)試介質(zhì)的這樣的性質(zhì)可以進(jìn)一步是等級(jí)、距離、接近性、位置、對(duì)象測(cè)距或相似的測(cè)量參數(shù)，像例如濕度、露點(diǎn)、壓強(qiáng)、地形或溫度。光管理單元可包括至少一個(gè)導(dǎo)光部件。如果這樣的話，所述至少一個(gè)光導(dǎo)部件有利地免于移動(dòng)以便減少移動(dòng)引致的噪聲。優(yōu)選的保護(hù)部件是剛性外殼，其至少部分固定或包圍至少一個(gè)光導(dǎo)部件。為了使投入以及因此成本最小化，光源有利地位于檢測(cè)空間附近。
[0053]在第二方面，本發(fā)明提供用于憑借根據(jù)本發(fā)明的分析儀器對(duì)于在分析儀器位于危險(xiǎn)環(huán)境中時(shí)的情形測(cè)量測(cè)試介質(zhì)的至少一個(gè)性質(zhì)的方法。當(dāng)然，測(cè)量在安全環(huán)境中也是可能的。分析儀器可以位于測(cè)試介質(zhì)附近、至少部分或完全在測(cè)試介質(zhì)中。分析儀器的實(shí)際位點(diǎn)可取決于例如場(chǎng)地條件、測(cè)試介質(zhì)、環(huán)境、測(cè)量方法或測(cè)量性質(zhì)。操作分析儀使得光源發(fā)射光。所述光可被指引或引導(dǎo)到檢測(cè)空間，例如憑借光導(dǎo)部件，例如透鏡系統(tǒng)或光學(xué)波導(dǎo)或反射鏡/分裂器系統(tǒng)(其中它與測(cè)試介質(zhì)交互)。交互意指它行進(jìn)通過測(cè)試介質(zhì)同時(shí)它例如被散射和/或傳送或部分吸收。交互還可包括當(dāng)光不進(jìn)入測(cè)試介質(zhì)而在測(cè)試介質(zhì)與環(huán)境的界面處反射(例如，由于在該界面處的折射率的突然變化)時(shí)的情況。與測(cè)試介質(zhì)交互的所述光的至少部分直接到達(dá)光檢測(cè)單元或例如憑借光導(dǎo)或反射鏡而被引導(dǎo)，并且隨后能檢測(cè)。根據(jù)測(cè)量性質(zhì)，評(píng)估靜止和/或隨時(shí)間變化的光強(qiáng)度。
[0054]在根據(jù)本發(fā)明的方法中，光源可采用脈沖模式操作，然而，連續(xù)光發(fā)射也是可能的，這取決于實(shí)際測(cè)量。
[0055]根據(jù)本發(fā)明的方法，根據(jù)本發(fā)明的分析儀器還由于單個(gè)光脈沖而可在測(cè)量結(jié)果上求平均，和/或根據(jù)例如目標(biāo)信噪比、目標(biāo)準(zhǔn)確性或目標(biāo)時(shí)間分辨率等預(yù)定測(cè)量要求來調(diào)整光脈沖長(zhǎng)度。
[0056]由于分析儀器相當(dāng)?shù)偷膬r(jià)格、由于它的高能量效率以及由于它遵循固有安全性，它在用于在潛在危險(xiǎn)環(huán)境中測(cè)量測(cè)試介質(zhì)的至少一個(gè)性質(zhì)時(shí)特別有利。
[0057]在下面，應(yīng)該總結(jié)本發(fā)明的重要要素，其中這些要素可以單獨(dú)或以任何可能組合地視為優(yōu)選實(shí)施例:
低功率架構(gòu):通過使用例如電池或功率受限源(例如能量收獲或低功率2線傳送器架構(gòu))等能量受限源來實(shí)現(xiàn)光學(xué)分析儀平臺(tái)的固有安全性。在該后一個(gè)方法中，所有分析儀部件的功率由2線回路輸送(可用功率典型地:P=9伏3.5暈安=31.5暈瓦)。
[0058]激光光源:分析儀器優(yōu)選地使用新的光源，其基于受激發(fā)射(激光)。垂直腔發(fā)射激光器(VCSEL)因?yàn)樗鼈兣c例如LED相比消耗1/10倍數(shù)的電力而甚至是適合的。因?yàn)楣庠赐ǔＪ侵饕?fù)載，它應(yīng)該間歇操作。光脈沖的能量可以在充電緩沖器中累積。光脈沖的重復(fù)速率可以限制最佳可實(shí)現(xiàn)響應(yīng)時(shí)間并且通過信噪比還限制準(zhǔn)確性。因?yàn)樾旁氡热Q于傳感器的運(yùn)行體系(低光強(qiáng)度vs.高光強(qiáng)度)，提出自適應(yīng)信號(hào)處理控制。
[0059]自適應(yīng)控制:提出使用來自傳感器讀數(shù)的信息來根據(jù)傳感器的測(cè)量體系(即，根據(jù)低/中/高信號(hào))調(diào)整數(shù)據(jù)分析的求平均的窗口。第一想法是在信噪比不足的情況下在若干脈沖上對(duì)測(cè)量點(diǎn)求平均。第二想法是調(diào)整激光的脈沖長(zhǎng)度和連接的測(cè)量窗口。這些自適應(yīng)方法允許關(guān)于準(zhǔn)確性和分辨率實(shí)現(xiàn)最佳傳感器性能。此外，控制可以適應(yīng)于信號(hào)動(dòng)力學(xué)。如果分析儀在測(cè)量的光強(qiáng)度中檢測(cè)到大的變化率，它適應(yīng)性地修改用于計(jì)算平均值的脈沖的數(shù)量(相應(yīng)地，求平均的窗口的長(zhǎng)度)。這使分析儀能夠?qū)τ诹黧w參數(shù)的突然變化快速給出響應(yīng)(盡管準(zhǔn)確性降低)，同時(shí)對(duì)于穩(wěn)態(tài)測(cè)量實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確性。
[0060]平臺(tái)概念:進(jìn)一步提出應(yīng)用光學(xué)分析儀作為可以解決超過一個(gè)流體參數(shù)的平臺(tái)裝置。光學(xué)探詢?nèi)缓蟠_定流體性質(zhì)，例如濁度、懸浮固體、折射率、溶解氧、氯、pH、CO2等。預(yù)見用于信號(hào)評(píng)估的各種實(shí)施例，例如其中評(píng)估靜止或隨時(shí)間變化的光強(qiáng)度。后者例如對(duì)于激發(fā)脈沖后的熒光衰退測(cè)量是重要的。
[0061]架構(gòu)設(shè)置:傳送器電子器件采用所有光學(xué)光導(dǎo)部件(例如，透鏡系統(tǒng)、光學(xué)波導(dǎo))由外殼保護(hù)并且從而無法移動(dòng)這樣的方式設(shè)置。從而，由于信號(hào)變化(其由斷開的光鏈路中的變化(例如光纖彎曲、連接器幾何形狀)引起)而引起的錯(cuò)誤讀數(shù)被避免。對(duì)此的通常前提條件是能夠在爆炸性氣氛中將傳送器直接設(shè)置在分析儀頭附近，并且這僅在實(shí)現(xiàn)遵循固有安全性時(shí)以成本有效的方式是可能的。此外，低功率局部分析儀能夠利用到編組柜或控制柜的無線連接而實(shí)現(xiàn)電池供能或能量收獲器供能的儀器。也就是說，避免了任何種類的實(shí)體鏈路(無論是光學(xué)還是電氣的)。
[0062]【專利附圖】

【附圖說明】
[0063]本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例在下面參考圖描述，這些圖是為了圖示本發(fā)明的當(dāng)前優(yōu)選實(shí)施例的目的而不是為了限制其的目的。相同的參考符號(hào)指示相同的特征。在圖中:
圖1示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的分析儀器；
圖2示出根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的分析儀器；
圖3示出使用根據(jù)本發(fā)明的分析儀器的三個(gè)不同測(cè)量設(shè)置。
[0064]【具體實(shí)施方式】
[0065]圖1圖示分析儀器的第一實(shí)施例。該分析儀器I包括平臺(tái)板8，其提供光源20、光檢測(cè)單元24、數(shù)據(jù)管理單元28、功率管理單元13和連接7、9、11、18。該功率管理單元13憑借源布線7而耦合于功率源10和接收單元19兩者。該功率管理單元13經(jīng)由緩沖器布線18而連接到光源20，并且經(jīng)由另外的布線9、11而連接到光檢測(cè)單元24和數(shù)據(jù)管理單元28。布線11 (信號(hào)布線)還連接光檢測(cè)單元24和數(shù)據(jù)管理單元28。此外，存在附連到光源20的光管理單元22。
[0066]所述光管理單元22包括第一光導(dǎo)部件，其適應(yīng)于從光源20接收光并且將它的至少部分引導(dǎo)到檢測(cè)空間30。優(yōu)選地，分析儀器中所包括的任何光導(dǎo)部件被包圍在剛性外殼中以便避免移動(dòng)引致的噪聲。為了減少噪聲并且節(jié)省投入和相關(guān)成本，光源20和光檢測(cè)單元24在檢測(cè)空間30附近，即任何光導(dǎo)部件的長(zhǎng)度優(yōu)選地被最小化，最優(yōu)選地沒有光導(dǎo)部件。光管理單元22適應(yīng)于發(fā)射光的至少部分，其隨后在第一側(cè)上進(jìn)入檢測(cè)空間30。光檢測(cè)單元24位于檢測(cè)空間30的第二側(cè)，與所述第一側(cè)相對(duì)，并且適應(yīng)于直接接收已經(jīng)穿過檢測(cè)空間30的光，由此避免額外的光管理部件。
[0067]在測(cè)量期間，平臺(tái)板8采用特別地檢測(cè)空間30在測(cè)試介質(zhì)4內(nèi)這樣的方式而位于例如危險(xiǎn)環(huán)境5中，至少部分在測(cè)試介質(zhì)4中。功率源10遠(yuǎn)離平臺(tái)板8定位，在該情況下是在測(cè)試介質(zhì)4外部。功率源10在這里包括接收單元19并且遵循上文規(guī)定的極限而經(jīng)由源布線7將功率傳送到功率管理單元13。從功率管理單元13接收的功率憑借緩沖器布線18而能分配到光源20、到光檢測(cè)單元24以及到數(shù)據(jù)管理單元28 (憑借另外的布線9、11)。
[0068]光源20是低功率且高效的垂直腔發(fā)射激光器，如上文描述的。它適應(yīng)于產(chǎn)生光，其部分采用上文描述的方式而引導(dǎo)到檢測(cè)空間30，所述光的至少部分隨后行進(jìn)通過所述檢測(cè)空間30同時(shí)其與測(cè)試介質(zhì)4交互。光檢測(cè)單元24適應(yīng)于接收所述光的至少部分。光檢測(cè)單元24適應(yīng)于檢測(cè)入射光的至少部分并且產(chǎn)生和提供第一信號(hào)，其是處理信號(hào)、模擬或優(yōu)選地已經(jīng)是數(shù)字信號(hào)。數(shù)據(jù)管理單元28適應(yīng)于經(jīng)由信號(hào)布線11而接收所述第一信號(hào)。優(yōu)選地，信號(hào)布線11以及源布線7是2線連接，如上文描述的。數(shù)據(jù)管理單元28適應(yīng)于采集所述信號(hào)，優(yōu)選地存儲(chǔ)它們，并且特別地經(jīng)由功率管理單元13憑借信號(hào)布線11和源布線7而將它們傳送到數(shù)據(jù)接收單元。分析儀器I的另一個(gè)示例在圖2中圖示?；旧?，該示例提供具有與先前提到的在圖1中描繪的實(shí)施例相同部分的分析儀器1，相同的標(biāo)號(hào)指示等同部分，且具有一些額外的部件和功能。它額外地包括平臺(tái)板8上的批準(zhǔn)的固有安全的關(guān)聯(lián)設(shè)備12和分析儀單元26，其中功率管理單元13另外包含能量緩沖器17、直流到直流轉(zhuǎn)換器14和后端電子器件15。該后端電子器件15由于通信原因而提供人機(jī)界面和高速公路可尋址遠(yuǎn)程換能器。包括光管理單元22、光檢測(cè)單元24、分析儀單元26和數(shù)據(jù)管理單元28的光源20在這里由前端電子器件16提供。
[0069]平臺(tái)板8位于危險(xiǎn)環(huán)境5中，而包括接收單元19的功率源10位于安全環(huán)境6中，其中在所述環(huán)境之間存在界面35。該界面35還可以是界面區(qū)。功率布線7橫過界面35并且連接到批準(zhǔn)的固有安全的關(guān)聯(lián)設(shè)備12。
[0070]如上文描述的設(shè)備12具有保證固有安全性的屏障的功能。在正常條件下，它適應(yīng)于將從功率源10傳送的電流和電壓限制在如上文規(guī)定的值并且如果傳輸?shù)墓β饰醋裱鰳O限則使功率源10去耦。由此它確保上文規(guī)定的對(duì)于分析儀器I的另外的布線9、11的極限。特別地，在故障條件下在屏障后(即，在平臺(tái)板8上)出現(xiàn)的任何過電流或電壓能安全地傳輸?shù)皆O(shè)備12。重要地，屏障前的源布線7優(yōu)選地通過絕緣而是固有安全的，并且憑借保證遵循固有安全性的防爆密封件而連接到設(shè)備12。優(yōu)選地，從屏障后的側(cè)附連到屏障的布線也與這樣的密封件連接。
[0071]直流到直流轉(zhuǎn)換器14屬于功率管理單元13并且適應(yīng)于將從功率源接收的功率分配到后端電子器件15和前端電子器件16。典型地，它適應(yīng)于向后端電子器件15提供可用功率的大約40%或更少并且將剩余的提供給前端電子器件16和/或能量緩沖器17。
[0072]能量緩沖器17由功率源10通過功率管理單元13并且經(jīng)由另外的布線9、11而供應(yīng)并且適應(yīng)于經(jīng)由緩沖器布線18而將緩沖能量傳輸?shù)焦庠?0。通過能量緩沖器17，光源20特別地能采用脈沖模式操作。設(shè)備12適應(yīng)于對(duì)于緩沖器布線確保固有安全性，即過多能量能安全地傳輸?shù)剿?，如上文描述的。在光脈沖期間發(fā)射的光至少部分被光管理單元22引導(dǎo)到檢測(cè)空間30、至少部分與檢測(cè)空間30中的測(cè)試介質(zhì)4交互。光檢測(cè)單元24適應(yīng)于至少部分地檢測(cè)所述光并且提供第一信號(hào)，其能經(jīng)由信號(hào)布線11而被傳輸至分析儀單元26。
[0073]分析儀單元26位于光檢測(cè)單元24與數(shù)據(jù)管理單元28之間。它憑借信號(hào)布線11而連接到光檢測(cè)單元24和數(shù)據(jù)管理單元28。存在經(jīng)由布線9而到功率管理單元13的另外的連接，通過該布線9對(duì)分析儀單元26供能。備選地，還可以經(jīng)由信號(hào)布線11對(duì)它供能。分析儀單元26適應(yīng)于從所述第一信號(hào)產(chǎn)生第二信號(hào)和對(duì)應(yīng)的信噪比。分析儀器I適應(yīng)于調(diào)整由脈沖光源20發(fā)射的光脈沖的長(zhǎng)度。脈沖長(zhǎng)度經(jīng)由功率管理單元13 (優(yōu)選地經(jīng)由適應(yīng)于接收第二信號(hào)和對(duì)應(yīng)的信噪比的可編程微控制器)而能調(diào)整。鑒于測(cè)試介質(zhì)4的物理參數(shù)的測(cè)量的目標(biāo)信噪比和/或目標(biāo)準(zhǔn)確性和/或目標(biāo)時(shí)間分辨率，該長(zhǎng)度特別地按照所述信噪比的函數(shù)而能調(diào)整。由于脈沖光源20的后續(xù)入射光脈沖，分析儀器I進(jìn)一步適應(yīng)于在第二信號(hào)上求平均。求平均優(yōu)選地由適應(yīng)于提供平均信號(hào)(其包括該平均信號(hào)的信噪比)的分析儀單元26處理。備選地，分析儀器適應(yīng)于在第一信號(hào)上求平均。有利地，鑒于分析儀器I所針對(duì)的測(cè)試介質(zhì)4的物理參數(shù)的測(cè)量的目標(biāo)信噪比和/或目標(biāo)準(zhǔn)確性和/或目標(biāo)時(shí)間分辨率，分析儀器I可進(jìn)一步適應(yīng)于按照平均信號(hào)的所述信噪比的函數(shù)來調(diào)整用于計(jì)算平均信號(hào)的光脈沖的數(shù)量。
[0074]分析儀器設(shè)計(jì)的若干變化形式是可能的，例如光檢測(cè)單元24可位于另一處，例如檢測(cè)空間30的相同的第一側(cè)處。一般，分析儀器I的不同部件應(yīng)根據(jù)要求來選擇。而且設(shè)計(jì)還要適應(yīng)于分析儀器I的目的，例如光源20和檢測(cè)單元24的相互位置可根據(jù)例如測(cè)試介質(zhì)4的空間條件或測(cè)量性質(zhì)等給定要求來調(diào)整。
[0075]圖3示出分析儀器I可如何相對(duì)于測(cè)試介質(zhì)4定位的不同可能性。在圖3a中，僅光管理單元22在測(cè)試介質(zhì)4中，而平臺(tái)板8位于危險(xiǎn)環(huán)境5中。所述單元22包括兩個(gè)部件，優(yōu)選地是光導(dǎo)部件，其被調(diào)整來將來自光源20的光的至少部分引導(dǎo)到檢測(cè)空間30并且將來自檢測(cè)空間30的光的至少部分引導(dǎo)到光檢測(cè)單元24。在圖3b中，分析儀器I部分被測(cè)試介質(zhì)4環(huán)繞，其中在圖3c中分析儀器完全在測(cè)試介質(zhì)4中。
[0076]在用于測(cè)量測(cè)試介質(zhì)4的至少一個(gè)性質(zhì)的優(yōu)選方法中，分析儀器I以相對(duì)于測(cè)試介質(zhì)4的預(yù)定位點(diǎn)放置在危險(xiǎn)環(huán)境5中，參見圖3。分析儀器I優(yōu)選地經(jīng)由被絕緣的源布線7固有安全地耦合于功率源10，其包括接收單元19，由此建立到平臺(tái)板8的功率和通信鏈路。功率管理單元13優(yōu)選地以固有安全的方式從功率源10接收功率。所述功率經(jīng)由緩沖器布線18分配到光源20并且經(jīng)由另外的布線9、11而分配到其他能量消耗部件。被供能的光源20發(fā)射光。所述光的至少部分優(yōu)選地通過光導(dǎo)而由光管理單元22能接收，并且隨后能引導(dǎo)到檢測(cè)空間30，其在測(cè)試介質(zhì)4中。光然后與測(cè)試介質(zhì)4交互。該交互是特定的并且允許得出關(guān)于測(cè)試介質(zhì)4的至少一個(gè)性質(zhì)的結(jié)論，并且分析儀設(shè)計(jì)根據(jù)由例如所研究的性質(zhì)、測(cè)試介質(zhì)4和/或場(chǎng)所和操作條件所限定的要求來適應(yīng)性修改。已經(jīng)與測(cè)試介質(zhì)4交互的光的至少部分然后被光檢測(cè)單元24接收，其中優(yōu)選地沒有進(jìn)一步采用光管理單元
22。光檢測(cè)單元24產(chǎn)生第一信號(hào)。所述第一信號(hào)憑借信號(hào)布線11而傳輸?shù)綌?shù)據(jù)管理單元28。數(shù)據(jù)管理單元28接收所述信號(hào)，優(yōu)選地存儲(chǔ)它，并且與接收單元交換數(shù)據(jù)(經(jīng)由信號(hào)布線11和源布線7)。
[0077]在根據(jù)本發(fā)明的另外優(yōu)選的方法中，采用根據(jù)本發(fā)明的分析儀器，其中來自功率源10的功率由功率管理單元13經(jīng)由能量緩沖器17而傳輸?shù)焦庠?0，其中經(jīng)由另外的布線9、11利用來自功率管理單元13的功率連續(xù)對(duì)所述能量緩沖器17充電并且它經(jīng)由緩沖器布線18而放電。放電能量采用脈沖的方式釋放到光源20。從而操作光源20使得它發(fā)射光脈沖。光路是如上文描述的那樣。光檢測(cè)單元24適應(yīng)于檢測(cè)來自后續(xù)光脈沖的光并且產(chǎn)生和提供后續(xù)的第一信號(hào)。數(shù)據(jù)管理單元24接收所述第一信號(hào)并且與接收單元19交換它。
[0078]優(yōu)選地，分析儀器I包括分析儀單元26，其接收第一信號(hào)并且產(chǎn)生和提供具有對(duì)應(yīng)信噪比的第二信號(hào)。分析儀單元26優(yōu)選地還從所述第一和/或第二信號(hào)計(jì)算平均信號(hào)，包括平均信號(hào)的信噪比。由分析儀單元26提供的信號(hào)憑借數(shù)據(jù)管理單元28經(jīng)由信號(hào)布線11和源布線7而與接收單元19來交換。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)還可向功率管理單元(特別地向微控制器)提供信號(hào)和信噪比，該微控制器使用接收信息用于分析儀器I的自適應(yīng)控制。分析儀器I優(yōu)選地鑒于分析儀器I所針對(duì)的測(cè)試介質(zhì)4的物理參數(shù)的測(cè)量的目標(biāo)信噪比和/或目標(biāo)準(zhǔn)確性和/或目標(biāo)時(shí)間分辨率按照平均信號(hào)的所述信噪比的函數(shù)來適應(yīng)性修改光脈沖的脈沖長(zhǎng)度和/或信號(hào)的數(shù)量(由此計(jì)算平均信號(hào))。光強(qiáng)度或束幾何形狀通過適合的部件(如從現(xiàn)有技術(shù)已知的)而適應(yīng)性地修改，這也是可想象的。
[0079]本發(fā)明的分析儀器可用于憑借下面的測(cè)量方法在潛在危險(xiǎn)環(huán)境5中測(cè)量測(cè)試介質(zhì)4的至少一個(gè)性質(zhì)。必須理解下文論述的方法只是很多種實(shí)驗(yàn)分析的示例，其使用遵循固有安全性的配備低功率高效光源的分析儀器是可能的。
[0080]性質(zhì):氣體濃度，例如氧氣:
方法1:激發(fā)化學(xué)復(fù)合物(complex)的發(fā)光特性(強(qiáng)度、衰退、相位延遲)
基于光學(xué)測(cè)量原理的氧傳感器使用動(dòng)態(tài)熒光猝滅效應(yīng)。典型地，分布在薄的可透氧的基質(zhì)(例如聚合物、溶膠-凝膠材料或硅膠)中的特殊設(shè)計(jì)的化學(xué)復(fù)合物通過具有適合的波長(zhǎng)范圍的光而激發(fā)并且發(fā)射紅移發(fā)光的光。氧在復(fù)合物附近的存在由于通過與氧分子碰撞造成的非輻射能量傳輸而導(dǎo)致發(fā)射特性變化(發(fā)光猝滅)。除氧外，還可以使用該方法來檢測(cè)其他分子，例如CO2和pH (參見WWW.polestartech.com)。
[0081]發(fā)光的光的分析可以采用三個(gè)不同的方式進(jìn)行:i)特定光譜范圍中發(fā)光強(qiáng)度的測(cè)量，ii)相對(duì)于正弦調(diào)制的激發(fā)光的相位延遲的測(cè)量，iii)在使用脈沖激發(fā)時(shí)發(fā)光衰退的壽命時(shí)間的測(cè)量。后兩個(gè)概念由于它們免除了來自光源老化或光學(xué)鏈路中的傳送變化引起的測(cè)量偽影而是有利的。概念(iii)關(guān)于該發(fā)明尤其有利，因?yàn)樗芎玫刈裱ぐl(fā)光源的低功率脈沖模式。使用這些概念，可以確定介質(zhì)中氧的絕對(duì)濃度。
[0082]方法2:可調(diào)諧二極管激光吸收光譜儀(TDLAS)
對(duì)于TDLAS的實(shí)驗(yàn)設(shè)置需要掃描激光二極管、一些傳送光學(xué)器件、對(duì)于包含分析物的被研究的介質(zhì)的容器、接收光學(xué)器件和檢測(cè)單元?；鞠敕ㄊ窃诜治鑫锏奶卣魑站€的光譜范圍上調(diào)諧激光頻率(溫度或電流調(diào)諧)。這導(dǎo)致在檢測(cè)路徑中信號(hào)強(qiáng)度減小，這可由光電二極管檢測(cè)并且用于確定分析物濃度(朗伯-比爾定律)或其他吸收相關(guān)參數(shù)(例如，氣體溫度、氣體流速)。為了使信噪比增加，通常應(yīng)用調(diào)制技術(shù)。也可想象脈沖模式波長(zhǎng)掃描方案以遵循低功率要求。
[0083]性質(zhì):濁度或微粒濃度，例如懸浮固體，例如晶體、生物細(xì)胞或灰塵，等:
方法1:使用傳播的波的光被微粒散射開
樣本的濁度可以通過分析從樣本介質(zhì)(氣體、液體或固體)中存在的微粒漫散射的光而測(cè)量。在典型的實(shí)驗(yàn)配置中，具有特定光譜范圍的光通過窗口而照射到樣本中的微粒上并且測(cè)量散射光的光強(qiáng)度。一個(gè)或多個(gè)檢測(cè)通道可以應(yīng)用于在不同角度下(向前、向后、側(cè)散射)分析或在不同光譜范圍中分析或應(yīng)用于兩者。通常，調(diào)制光源(例如，正弦或采用脈沖方式)，以便增強(qiáng)信噪比并且允許免除來自其他源的雜散光。脈沖模式操作關(guān)于該發(fā)明尤其有利，因?yàn)樗鼭M足包括光源的固有安全低功率電子器件平臺(tái)的要求。
[0084]方法2:使用倏逝波(evanescent wave)的光被微粒散射開 參見下文的“折射率”。
[0085]參數(shù)“等級(jí)、距離、接近性、位置、對(duì)象測(cè)距等”:
方法:反射，例如反射光脈沖的飛行時(shí)間測(cè)量
為松散固體、泥漿和不透明液體而設(shè)計(jì)的激光測(cè)距可以用于測(cè)量反射表面的位置，即容器的填充水位(level)。原理與超聲水位傳感器的非常相似。然而，使用光的速度而不是使用聲音的速度來找到水位。容器頂部處的激光傳送器射出短的光脈沖下至工藝液體表面，其將它反射回到檢測(cè)器。定時(shí)電路測(cè)量經(jīng)過時(shí)間(飛行時(shí)間)并且計(jì)算距離。關(guān)鍵是激光器實(shí)際上沒有發(fā)散并且沒有虛假回波。因?yàn)樵摐y(cè)量技術(shù)依賴脈沖操作，它特別地非常適合于低功率操作。
[0086]參數(shù)“折射率”:
方法:檢測(cè)發(fā)散光束的全內(nèi)反射角
工藝流體的折射率可以通過確定光束在界面處經(jīng)歷全內(nèi)反射所處的臨界角而測(cè)量。這可以通過使用發(fā)散光束(例如，如從發(fā)光光纖發(fā)射的)和棱鏡來完成，該棱鏡的一個(gè)表面與感興趣的工藝介質(zhì)接觸。棱鏡的兩個(gè)相對(duì)表面充當(dāng)使光線彎曲使得發(fā)散光線以不同的角度與界面相遇的反射鏡。經(jīng)受全內(nèi)反射的光線再次在內(nèi)部反射以在位置敏感型檢測(cè)器(例如C⑶芯片)上產(chǎn)生圖像。陰影邊緣的位置是棱鏡與工藝介質(zhì)之間的折射率的差異的函數(shù)。該方案自身適合于脈沖操作，準(zhǔn)確性受到芯片的空間分辨率的限制。
[0087]性質(zhì)“濃度”:
方法:衰減全內(nèi)反射一使用倏逝波的光散射/吸收
當(dāng)光線(典型地，IR)在光學(xué)介質(zhì)(例如，窗口)與具有較低折射率的工藝介質(zhì)之間的界面處全內(nèi)反射時(shí)，形成倏逝波，其延伸到工藝介質(zhì)內(nèi)(典型地在0.5與2微米之間)。反射光強(qiáng)度取決于介質(zhì)特定倏逝波的衰減。該效應(yīng)可以通過使用多個(gè)內(nèi)部反射而放大。束的衰減是在選擇的波長(zhǎng)吸收或散射的工藝介質(zhì)的組分的濃度的直接度量。通過調(diào)制光源，強(qiáng)度的改變可以以高信噪比來測(cè)量。另外，在其中介質(zhì)組分不吸收的光譜范圍中發(fā)射的第二光源可以用作參考。
[0088]方法:拉曼散射
拉曼光譜儀是用于將未知化學(xué)物按它們的振動(dòng)光譜歸類的強(qiáng)大工具。光譜的可見或近紅外部分中的激光被指引到樣本內(nèi)并且采用與用于濁度測(cè)量的相似的光學(xué)設(shè)置來檢測(cè)散射光。拉曼光譜儀可以用于檢測(cè)很多種有機(jī)和無機(jī)化學(xué)物。頻移的散射激光被收集、經(jīng)由光纖纜而傳送并且被濾波來使瑞利散射與斯托克斯散射(與感興趣的樣本組分關(guān)聯(lián))分離。斯托克斯信號(hào)的強(qiáng)度與樣本中該組分的濃度成比例。因?yàn)槔⑸涫堑托蔬^程，具有較高峰值功率或多通道光學(xué)布局的脈沖操作是優(yōu)選的。IR光譜儀上的拉曼的優(yōu)勢(shì)是帶更尖銳并且沒有與水或CO2吸收的干擾。
[0089]根據(jù)本發(fā)明的分析儀器(B卩，甚至在若干故障條件下無法產(chǎn)生具有足夠能量來點(diǎn)燃爆炸性氣體的熱排放的儀器)因?yàn)樗试S用于在潛在危險(xiǎn)環(huán)境中分析測(cè)試介質(zhì)的緊湊構(gòu)造裝置而因此是有利的。重要地，不必遠(yuǎn)程放置能量密集型電子器件同時(shí)建立額外的實(shí)體鏈路或不必提供將潛在點(diǎn)燃性的火花或熱點(diǎn)與爆炸性介質(zhì)屏蔽的密封或凈化外殼。從而不需要先前提到的措施所需要的額外且代價(jià)高的調(diào)試。根據(jù)本發(fā)明的分析儀器的另外的優(yōu)勢(shì)是在默認(rèn)的情況下功耗是低的，這對(duì)于依賴計(jì)劃用于按照時(shí)間的自持操作的移動(dòng)功率源的儀器設(shè)計(jì)是有利的。
[0090] 參考符號(hào)列表
【權(quán)利要求】
1.一種用于光學(xué)測(cè)量測(cè)試介質(zhì)(4)、特別是流體(4)的至少一個(gè)性質(zhì)的分析儀器(1)，所述分析儀器(I)包括 一至少一個(gè)光源(20)，用于發(fā)射光， 一可選地，至少一個(gè)光管理單元(22)，用于將由所述光源(20)發(fā)射的光引導(dǎo)到所述測(cè)試介質(zhì)(4)中的檢測(cè)空間(30)上和/或內(nèi)以及通過所述測(cè)試介質(zhì)(4)中的檢測(cè)空間(30)，以及/或可選地至少一個(gè)光管理單元(22)，用于接收與測(cè)試介質(zhì)交互的光的至少一部分， 一至少一個(gè)光檢測(cè)單元(24)，用于檢測(cè)由測(cè)試介質(zhì)(4)彈性和/或非彈性散射和/或反射和/或傳送和/或折射的所述光的至少一部分， 一至少一個(gè)功率管理單元(13)，以及 一至少一個(gè)數(shù)據(jù)管理單元(28)， 其中所述分析儀器(I)進(jìn)一步包括功率源(10 )和/或經(jīng)由源布線(7 )而耦合于功率源(10)， 其中所述功率管理單元(13)經(jīng)由緩沖器布線(18)而使來自功率源(10)的能量分配到至少所述光源(20 )，并且經(jīng)由另外的布線(9，11)而分配到至少所述光檢測(cè)單元(24 )和/或所述數(shù)據(jù)管理單元(28) ， 其中所述數(shù)據(jù)管理單元(28 )適應(yīng)于經(jīng)由信號(hào)布線(11)而與所述光檢測(cè)單元(24)以及直接或間接與接收單元(19)交換測(cè)量數(shù)據(jù)， 其中所述分析儀器(I)適應(yīng)于在潛在危險(xiǎn)的環(huán)境(5)中操作，其中至少在源布線(7)和/或在所述另外的布線(9，11)中，分析儀器(I)中的任何電流I限于小于或等于100毫安的最大電流(1_)，并且分析儀器(I沖的任何電壓U限于小于或等于30伏的最大電壓(Umax)。
2.如權(quán)利要求1所述的分析儀器(1)，其中分析儀器(I)中的最大耗散功率(Pdiss)小于或等于50毫瓦，優(yōu)選地35毫瓦，并且更優(yōu)選地25毫瓦。
3.如權(quán)利要求1-2中任一項(xiàng)所述的分析儀器(1)，其中光源(20)是半導(dǎo)體激光器，優(yōu)選地具有小于或等于5伏、優(yōu)選地小于或等于3伏的饋電電壓，和/或具有小于或等于200暈安、優(yōu)選地小于或等于50暈安的供應(yīng)電流。
4.如權(quán)利要求3所述的分析儀器(1)，其中所述半導(dǎo)體激光器是垂直腔表面發(fā)射激光器。
5.如權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的分析儀器(I)，其特征在于，功率源(10)未位于分析儀器(I)中，優(yōu)選地位于危險(xiǎn)環(huán)境(5)外部，其中優(yōu)選地除功率源(10)外的所有元件位于單平臺(tái)板組件(8)或多個(gè)單平臺(tái)板的組件(8)上，優(yōu)選地在外殼中，其中進(jìn)一步地，功率源(10)經(jīng)由源布線(7)連接到功率管理單元(13)，并且源布線(7)適應(yīng)于交換數(shù)據(jù)和能量，其中優(yōu)選地，源布線(7)是固有安全的，例如通過絕緣而是固有安全的。
6.如權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的分析儀器(I)，其特征在于，源布線(7)和/或另外的布線(9，11)和/或緩沖器布線(18)是2線連接，其適應(yīng)于優(yōu)選地以24V的最大傳送電壓和50毫安的最大電流、更優(yōu)選地以15伏的最大傳送電壓和25毫安的最大電流傳送數(shù)據(jù)和倉(cāng)tfi。
7.如權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的分析儀器(1)，其特征在于，它進(jìn)一步包括批準(zhǔn)的固有安全的關(guān)聯(lián)設(shè)備(12)，由此確保最大電流(Imax)和最大電壓(Umax),優(yōu)選地該批準(zhǔn)的固有安全的關(guān)聯(lián)設(shè)備(12)位于源布線(7)與功率管理單元(13)之間，并且/或，其中最大電流(Ifflax)小于或等于25毫安，優(yōu)選地小于或等于20毫安，并且/或，其中最大電壓(Umax)小于或等于20伏，優(yōu)選地小于或等于15伏，并且/或，其中最大耗散功率(Pdiss)小于或等于20毫瓦，優(yōu)選地小于或等于15毫瓦。
8.如權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的分析儀器(I)，其特征在于，其構(gòu)建成使得暴露于危險(xiǎn)環(huán)境的分析儀器(I)的任何表面具有小于或等于450°C、優(yōu)選地小于或等于300°C、更優(yōu)選地小于或等于200°C、此外優(yōu)選地小于或等于135°C、甚至更優(yōu)選地小于或等于100°C并且最優(yōu)選地小于或等于85°C的表面溫度。
9.如權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的分析儀器(I)，其特征在于，功率管理單元(13)包括或耦合于能量緩沖器(17)用于存儲(chǔ)能量，其中存儲(chǔ)的能量經(jīng)由緩沖器布線(18)而能脈沖地釋放到光源(20)，并且其中光源(20)能作為脈沖光源(20)操作。
10.如權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的分析儀器(1)，其特征在于，存儲(chǔ)瞬間能釋放能量的分析儀器(I)的任何電容器具有小于或等于最大電容(Cmax)的電容，所述最大電容(Cmax)小于或等于80微法，優(yōu)選地小于或等于15微法，并且更優(yōu)選地小于或等于3微法，并且/或特征在于，存儲(chǔ)瞬間能釋放能量的分析儀器(I)的任何電感器具有小于或等于最大電感(Lmax)的電感，所述最大電感(Lniax)小于或等于8毫亨。
11.如權(quán)利要求1-10中任一項(xiàng)所述的分析儀器(1)，其特征在于，光檢測(cè)單元(24)適應(yīng)于基于入射光脈沖提供第一信號(hào)，特征在于分析儀器(I)包括分析儀單兀(26),其適應(yīng)于處理所述第一信號(hào)并且提供第二信號(hào)和所述第二信號(hào)的信噪比，并且特征在于分析儀器(I)適應(yīng)于鑒于分析儀器(I)所針對(duì)的測(cè)試介質(zhì)(4)的物理參數(shù)的測(cè)量的目標(biāo)信噪比和/或目標(biāo)準(zhǔn)確性和/或目標(biāo)時(shí)間分辨率來按照所述信噪比的函數(shù)調(diào)整由脈沖光源(20)發(fā)射的光脈沖的光脈沖長(zhǎng)度。
12.如權(quán)利要求11所述的分析儀器(1)，其特征在于，它進(jìn)一步適應(yīng)于由于脈沖光源(20)的后續(xù)入射光脈沖而在第一和/或第二信號(hào)上求平均，其中求平均優(yōu)選地由適應(yīng)于提供平均信號(hào)的分析儀單元(26)處理，所述平均信號(hào)包括平均信號(hào)的信噪比， 并且/或特征在于它適應(yīng)于鑒于分析儀器(I)所針對(duì)的測(cè)試介質(zhì)(4)的物理參數(shù)的測(cè)量的目標(biāo)信噪比和/或目標(biāo)準(zhǔn)確性和/或目標(biāo)時(shí)間分辨率來按照平均信號(hào)的所述信噪比的函數(shù)調(diào)整用于計(jì)算平均信號(hào)的光脈沖的數(shù)量。
13.如權(quán)利要求1-12中任一項(xiàng)所述的分析儀器(I)，其特征在于它適應(yīng)于測(cè)量測(cè)試介質(zhì)(4 )的性質(zhì)中的至少一個(gè)，其優(yōu)選地從以下組成的組中選擇:濃度-例如是在氣體、液體和/或固體中微粒、分子、原子和/或離子的濃度，特別地氧和/或CO2的濃度-、pH值、折射率、濁度、微粒濃度，優(yōu)選地懸浮固體的濃度，所述懸浮固體特別地是晶體、生物細(xì)胞或灰塵，及其組合。
14.如權(quán)利要求1-13中任一項(xiàng)所述的分析儀器(1)，其特征在于，光管理單元(22)至少包括用于引導(dǎo)光的部件，優(yōu)選地采用從透鏡系統(tǒng)、分裂器、組合器、光纖、波導(dǎo)或其組合的組中選擇的元件的形式，其中所述光導(dǎo)部件被保護(hù)免于移動(dòng)，該移動(dòng)引起移動(dòng)引致的信號(hào)變化，優(yōu)選地特征在于提供剛性外殼，其至少部分包圍光導(dǎo)部件，并且其中進(jìn)一步優(yōu)選地，光源(20)在檢測(cè)空間(30)附近。
15.如權(quán)利要求1-14中任一項(xiàng)所述的分析儀器(I)，其特征在于它是低功率局部分析儀器(I)，其在單平臺(tái)板組件(8 )或多個(gè)單平臺(tái)板的組件(8 )上構(gòu)建并且能由電池或能量收獲器來供能，所述能量收獲器適應(yīng)于從測(cè)試介質(zhì)(4)和/或從環(huán)境(5，6)收獲能量，并且特征在于分析儀器(I)包括到控制柜的無線連接并且不需要用于能量供應(yīng)和/或數(shù)據(jù)通信目的的任何實(shí)體鏈路。
16.—種用于操作分析儀器(I)、優(yōu)選地用于操作根據(jù)如權(quán)利要求1-15中任一項(xiàng)所述的分析儀器(I)來測(cè)量測(cè)試介質(zhì)(4)的至少一個(gè)性質(zhì)的方法，其特征在于 所述分析儀器(I)位于測(cè)試介質(zhì)(4)附近或至少部分、優(yōu)選地完全在測(cè)試介質(zhì)(4)中的危險(xiǎn)環(huán)境(5)中，其中操作分析儀器(I)使得光源(20)發(fā)射光，其與測(cè)試介質(zhì)(4)交互，其中所述光的至少一部分在其中被散射、反射或傳送并且隨后被光檢測(cè)單元(24)檢測(cè)。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，光源(20)發(fā)射光脈沖并且分析儀器(I)由于單光脈沖而在測(cè)量結(jié)果上求平均并且/或根據(jù)預(yù)定測(cè)量要求來調(diào)整光脈沖長(zhǎng)度。
18.如權(quán)利要求1-15中任一項(xiàng)所述的分析儀器(I)的用途，其用于在潛在危險(xiǎn)環(huán)境(5)中測(cè)量測(cè)試介質(zhì)(4)的至少一個(gè)性質(zhì)。
【文檔編號(hào)】G01N21/49GK103562708SQ201180071451
【公開日】2014年2月5日 申請(qǐng)日期:2011年4月8日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月8日
【發(fā)明者】A.克拉梅, T.鮑爾, Y.馬雷特, J.D.洛博 申請(qǐng)人:Abb研究有限公司