氣體測量儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及在原位以吸收光譜的方式確定氣態(tài)測量介質(zhì)（432)的至少一種化學(xué)和/物理參數(shù)的氣體測量儀，其中所述氣體測量儀包括第一殼體（101、201、301、401、501);至少一個(gè)激光器（102、202、302、402)作為輻射源，其被布置在第一殼體（101、201、301、401、501)中；至少一個(gè)過程窗口(114、214、314、414、514)用以將由激光器（102、202、302、402)發(fā)出的輻射耦合輸入測量介質(zhì)(432);和至少一個(gè)檢測器(103、203、303、403)，輻射在與所述測量介質(zhì)（432)相互作用后可以通過該檢測器檢測出來；其特征在于，第一過程窗口(114、214、314、414、514)被構(gòu)造作為無焦點(diǎn)凹凸透鏡，其包括凹形表面和凸形表面。
【專利說明】氣體測量儀

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及具有第一過程窗口（Prozessfenster)的氣體測量儀，其用以在原位 以吸收光譜的方式確定氣態(tài)測量介質(zhì)的至少一種化學(xué)和/物理參數(shù)。

【背景技術(shù)】
[0002] 激光吸收光譜和帶有可調(diào)諧激光的所謂的半導(dǎo)體激光吸收光譜也被稱作可調(diào)諧 半導(dǎo)體激光吸收光譜（TDLAS)，特別適合確定氣態(tài)測量介質(zhì)的至少一種化學(xué)和/物理參數(shù)。
[0003] 借助于激光吸收光譜可以非常準(zhǔn)確地測定測量環(huán)境中所存在的或測量介質(zhì)中所 存在的氣體的濃度或含量。此外還可以測定其他參數(shù)，例如溫度或壓力。
[0004] 如果使用可調(diào)諧半導(dǎo)體吸收光譜（TDLAS)，測量介質(zhì)可通過可調(diào)諧的激光的輻 射而被穿透輻射的波長在預(yù)先確定的波長范圍內(nèi)被周期性調(diào)諧，其中由激光穿透的波長 范圍優(yōu)選包括有待檢測氣體的一個(gè)或幾個(gè)吸收光譜帶。被覆蓋的波長范圍通過所使用的 激光，特別是半導(dǎo)體激光確定。已知大量的激光和半導(dǎo)體激光。所謂的分布反饋型激光 (DFB-激光）可能覆蓋大約700nm至大約3μπι之間的波長范圍。所謂的垂直腔面發(fā)射激光 (VCSEL-激光）可能覆蓋至2· Ιμπι的波長范圍，QCL-激光（量子級(jí)聯(lián)激光）覆蓋的是大約 3. 5 μ m以上的以及甚至大約4. 3 μ m以上的波長范圍。
[0005] 大多數(shù)情況下在透射結(jié)構(gòu)中測量，其中已知在Transflexion-結(jié)構(gòu)中測量。通過 測量介質(zhì)靈活地或通過與其相互作用由適當(dāng)?shù)臋z測器（Detektor)檢測到激光或半導(dǎo)體激 光發(fā)出的輻射。
[0006] 可以檢測到的是在所用的波長范圍內(nèi)具有至少一個(gè)典型吸收光譜帶或吸收線 (Absorptionslinie)的氣體?？梢越柚诩す馕展庾V檢測到的其他包括氧氣（0 2)、二氧 化碳（C02)、一氧化碳（C0)、氮?dú)猓é?Χ)、胺類、氨氣（NH3)、硫化氫（H 2S)、二氧化硫（S02)、鹵 族氫氣復(fù)合物，例如HCI或HF、氣態(tài)水或由其構(gòu)成的混合物。
[0007] 特別是激光，尤其例如可在760nm范圍內(nèi)發(fā)射和調(diào)諧的激光適于確定例如氧氣， 可在1500m范圍內(nèi)發(fā)射和調(diào)諧的激光適于確定NH 3，因?yàn)樵谶@些范圍內(nèi)氧氣和NH3分別具有 很強(qiáng)的吸收光譜帶。
[0008] "測量環(huán)境"和"測量介質(zhì)"概念在此指在該范圍內(nèi)可以測量或分析的環(huán)境和介質(zhì)。
[0009] 美國專利文件US 5, 331，409 A公開了一種帶有可調(diào)諧半導(dǎo)體激光的氣體測量儀 以及連接在其上的氣體測量結(jié)構(gòu)，有待檢測的氣體被導(dǎo)入到該氣體測量結(jié)構(gòu)中并且該氣體 測量結(jié)構(gòu)包括多個(gè)氣體測量工位（Gasmesszelle)。所述輻射通過準(zhǔn)直透鏡被引導(dǎo)至具有射 束分離器第一氣體測量工位，所述射束分離器通過每個(gè)聚焦透鏡將輻射引至另一個(gè)測量工 位或參照工位（Referenzzelle)分別具有檢測器。但使用這些透鏡會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)影響到吸收 光譜帶探測工作的干擾。為盡可能抵制這一效果，所述測量工位應(yīng)被設(shè)計(jì)地盡可能長。
[0010] 在過程環(huán)境中以及由其在容器中使用氣體測量儀時(shí)，激光輻射可以典型地通過過 程窗口被耦合輸入測量介質(zhì)或測量環(huán)境中。如美國專利文件US 5,331，409 A所公開的內(nèi) 容，所述過程窗口可以是透鏡。另外已知具有楔形窗口（Keilfenster)或正常窗口作為過 程窗口的氣體測量儀。所述楔形窗口經(jīng)常被安裝為與光軸稍稍傾斜。正常窗口大多被安裝 在布儒斯特角下方，也就是同樣與光軸傾斜。過程窗口在布儒斯特角下方的安裝可以根據(jù) 激光偏振的方向?qū)е滦盘?hào)損失，而即使通過盡可能準(zhǔn)確的校準(zhǔn)也無法完全消除這一問題。 因此這一解決方案的缺點(diǎn)是比較經(jīng)常安裝成對的窗口，這樣可以充分修正光路，為此必須 為所述過程窗口特別地涂覆增透膜，從而抵制出現(xiàn)的干擾效應(yīng)。干擾效應(yīng)可能消極地影響 測量結(jié)果并導(dǎo)致依賴于溫度的功能變化。另外精確地安裝這種窗口，由于必要的校準(zhǔn)相當(dāng) 耗費(fèi)時(shí)間，而制造非常精準(zhǔn)的楔形窗口成本高昂。
[0011] 在過程裝置或測量環(huán)境中，尤其在惡劣條件控制下的測量環(huán)境中安裝氣體測量儀 時(shí)，安裝被涂層的光學(xué)元件是有缺陷的，因?yàn)橥繉佑袝r(shí)可能被腐蝕和破壞或者毀壞，這樣就 又會(huì)導(dǎo)致測量準(zhǔn)確度受損。惡劣條件在此理解為例如溫度相對高或低的、壓力相對大或小 的和/或在其中使用了有侵略性化學(xué)物質(zhì)的環(huán)境。恰好在將其安裝在過程裝置或大氣研究 中時(shí)，確保在整個(gè)測量周期和/或氣體測量儀使用壽命內(nèi)的充分校準(zhǔn)是非常困難的，因?yàn)?只能將氣體測量儀拆卸后才能對其進(jìn)行校準(zhǔn)。
[0012] 吸收光譜氣體測量儀可以例如在潛在具有爆炸危險(xiǎn)的過程或過程裝置中，例如在 原油精煉廠或燃燒過程中，在原位監(jiān)控氣體濃度，特別是氧氣濃度。另一個(gè)使用領(lǐng)域是大氣 研究。
[0013] 為控制和/或分析這種過程和測量環(huán)境，特別重要的是所使用非常可靠的氣體測 量儀，測量值應(yīng)盡可能不需維護(hù)并具有很強(qiáng)的可復(fù)制性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 因此本發(fā)明的任務(wù)是提供一種針對原位確定的、具有過程窗口的吸收光譜氣體測 量儀，其特別耐用，同時(shí)在惡劣的條件下也盡可能地不會(huì)影響到測量準(zhǔn)確性和可復(fù)制性。
[0015] 該任務(wù)通過在原位以吸收光譜的方式確定氣態(tài)測量介質(zhì)的至少一種化學(xué)和/或 物理參數(shù)的氣體測量儀解決。所述氣體測量儀包括第一殼體、至少一個(gè)激光器作為輻射源、 至少第一過程窗口以將由該激光器發(fā)出的輻射耦合輸入氣態(tài)測量介質(zhì)和至少一個(gè)檢測器， 輻射在與測量介質(zhì)相互作用后可被該檢測器檢測到。如本發(fā)明所述，所述第一過程窗口被 構(gòu)造作為無焦點(diǎn)（afokal)的凹凸透鏡（Meniskuslinse)，其包括凹形表面和凸形表面。
[0016] 使用無焦點(diǎn)的凹凸透鏡是特別有利的，因?yàn)橛捎谶@種無焦點(diǎn)凹凸透鏡缺乏的成像 特性，相對于測量光束特殊對準(zhǔn)或校準(zhǔn)無焦點(diǎn)的凹凸透鏡是不必要的，因?yàn)闊o焦點(diǎn)的凹凸 透鏡不具有成像特性。
[0017] 凹凸透鏡可以是有焦點(diǎn)的，也就是成像的和散光透鏡和/或聚光透鏡，或者無焦 點(diǎn)的，也就是不能成像的透鏡。與具有有限焦距的、有焦點(diǎn)的凹凸透鏡相反，無焦點(diǎn)的焦距 具有基本上無限的焦距。
[0018] 如果有焦距的凹凸透鏡被用作第一過程窗口，那么應(yīng)為每個(gè)氣體測量儀計(jì)算其幾 何形狀，特別是彎曲半徑、折射率和透鏡中心厚度，并且盡可能準(zhǔn)確地適應(yīng)測量距離的長度 和/或其他所使用的元件，例如激光器、檢測器和/或光學(xué)偏轉(zhuǎn)元件。為確保測量結(jié)果的可 復(fù)制性，使用有焦點(diǎn)的凹凸透鏡作為第一和/或第二構(gòu)成窗口時(shí)，所述測量距離應(yīng)具有基 本上固定的長度。為此基于作為第一過程窗口的有焦點(diǎn)凹凸透鏡的成像特性，在校準(zhǔn)凸形 和凹形平面方面基本上預(yù)先確定其結(jié)構(gòu)。
[0019] 如本發(fā)明所述，氣體測量儀的第一過程窗口被構(gòu)造作為無焦點(diǎn)的凹凸透鏡。使用 無焦點(diǎn)凹凸透鏡作為第一過程窗口是有利的，因?yàn)榭梢圆豢紤]測量距離的長度而使用它， 這就在校準(zhǔn)方面導(dǎo)致它很不靈敏并且使氣體測量儀非常牢固。因此凹凸透鏡由于其光學(xué)特 性可以使激光射線耦合輸入和/或耦合脫離測量介質(zhì)或測量環(huán)境，從而盡量避免在檢測器 上形成有干擾作用的干涉。
[0020] 使用無焦點(diǎn)凹凸透鏡作為過程窗口的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是無焦點(diǎn)凹凸透鏡如平板 (Planplatte)可被布置在所述氣體測量儀的任意方向上。無焦點(diǎn)的凹凸透鏡可以使其凸形 或凹形平面對準(zhǔn)測量介質(zhì)，但并不改變所述氣體測量儀的光學(xué)特性。
[0021] 由于無焦點(diǎn)凹凸透鏡的光學(xué)特性，氣體測量儀可以具有沒有涂層，特別是沒有增 透（抗反射）涂層的過程窗口。它恰好在過程裝置中用于在原位確定時(shí)使用氣體測量儀時(shí) 有利，因?yàn)檫@樣可以通過過程窗口盡量避免光學(xué)錯(cuò)誤和干涉。測量穩(wěn)定性和測量結(jié)果的可 復(fù)制性可以長期保持，指示極限可得以提高。被構(gòu)造為無焦點(diǎn)凹凸透鏡的第一過程窗口可 以連同不同已知的、其發(fā)出固定波長的輻射或可調(diào)諧的激光或半導(dǎo)體激光被使用在如本發(fā) 明所述的氣體測量儀中，只要所述第一過程窗口針對所使用的輻射是能被光穿透的。
[0022] 適用于所述過程窗口的材料例如是硅酸硼、玻璃、石英、石英玻璃、藍(lán)寶石、金剛 石、硒化鋅或鍺。當(dāng)然如本發(fā)明所述的過程窗口也可由其他針對光學(xué)透鏡已知的材料制成， 特別是由光學(xué)玻璃制成。
[0023] 根據(jù)所使用的激光的波長范圍，在激光吸收光譜中已知的不同的檢測器，例如光 電二極管、光電倍增管、光電管、GaAs-檢測器或熱電檢測器都適于作為檢測器，其中還可以 使用其他已知的輻射檢測器。
[0024] 如本發(fā)明所述的吸收光譜氣體測量儀可以例如用來在任意測量環(huán)境中檢測氣態(tài) 測量介質(zhì)。使用在過程裝置中時(shí)，所述氣體測量儀優(yōu)選用來確定容器中的參數(shù)，其中過程 裝置的不同零件都可被理解為"容器"，特別是反應(yīng)容器以及所有類型的輸入管道和輸出管 道，在其內(nèi)都能進(jìn)行吸收光譜檢測。此外其他可在其內(nèi)存儲(chǔ)、運(yùn)輸或使用氣態(tài)測量介質(zhì)、氣 體或氣體混合物的容器也屬于這一范圍。
[0025] 在一個(gè)實(shí)施例中，所述氣體測量儀還可以包括光學(xué)偏轉(zhuǎn)元件，其將通過所述第一 過程窗口被耦合輸入到測量介質(zhì)中的輻射又引回第一過程窗口中，這樣所述輻射可以再次 從所述測量介質(zhì)中耦合脫離。
[0026] 所述光學(xué)偏轉(zhuǎn)元件可以包括例如至少一個(gè)下述光學(xué)元件：貓眼透鏡 (Katzenaugenoptik)、三棱鏡、三面鏡、平面鏡（planarer Spiegel)和/或成像的鏡子、
[0027] 在所述氣體測量儀的另一個(gè)實(shí)施例中，所述檢測器和激光器可被布置在第一殼體 中。所述第一過程窗口在該結(jié)構(gòu)中用于將由激光器發(fā)出的輻射耦合輸入所述測量介質(zhì)以及 在其與測量相互作用后將該輻射從測量介質(zhì)中耦合輸出。
[0028] 在另一個(gè)實(shí)施例中，所述氣體測量器可以具有第二殼體和第二過程窗口，其中所 述檢測器或偏轉(zhuǎn)元件被布置在第二殼體中。
[0029] 在第一過程窗口和偏轉(zhuǎn)元件或第二過程窗口之間，用于以吸收光譜方式檢測致死 一個(gè)化學(xué)和/或物理參數(shù)的測量距離在工作中形成。使用偏轉(zhuǎn)元件時(shí)，由激光器發(fā)出的輻 射兩次穿過從激光器到檢測器的路徑上的測量距離。
[0030] 在另一個(gè)實(shí)施例中，所述光學(xué)偏轉(zhuǎn)元件可被布置在第二殼體中，這樣通過所述第 一過程窗口被耦合輸入測量介質(zhì)的輻射首先通過第二過程窗口從測量介質(zhì)中耦合脫并偏 轉(zhuǎn)至所述光學(xué)偏轉(zhuǎn)元件。所述輻射通過光學(xué)偏轉(zhuǎn)元件發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并且再次通過所述第一和 第二過程窗口以及測量介質(zhì)被引回在該結(jié)構(gòu)中被布置在第一殼體中的檢測器。通過輻射穿 過測量介質(zhì)的雙重投射可以增加吸收測量的指示極限，因?yàn)橐罁?jù)朗伯比爾定律，測量距離 的長度與吸收強(qiáng)度直接成比例關(guān)系。
[0031] 激光器、檢測器和/或偏轉(zhuǎn)元件在兩個(gè)殼體中的布置首先適用于使用在所謂的煙 囪結(jié)構(gòu)或開放路徑結(jié)構(gòu)。在煙囪結(jié)構(gòu)中，所述測量介質(zhì)處于封閉的或開放的容器，其被透 射，例如在管道中。在開放路徑結(jié)構(gòu)中首先使用非常長的測量距離，例如在大氣研究或環(huán)境 研究，特別是針對空氣分析。針對煙囪結(jié)構(gòu)或開放路徑結(jié)構(gòu)，激光器被布置在第一殼體，檢 測器被布置在第二殼體中，或者激光器和檢測器被布置在第一殼體，偏轉(zhuǎn)元件被布置在第 二殼體中。
[0032] 同樣所述第二過程窗口優(yōu)選被構(gòu)造作為優(yōu)選無焦點(diǎn)的凹凸透鏡，其具有凹形和凸 形表面。使用兩個(gè)凹凸透鏡作為第一和第二過程窗口是有利的，因?yàn)榭梢圆唤o兩個(gè)過程窗 口涂層。由于無焦點(diǎn)凹凸透鏡的光學(xué)特性，在具有兩個(gè)被構(gòu)造為凹凸透鏡的過程窗口的氣 體測量儀中，所述無焦點(diǎn)的凹凸透鏡可以被定向與所述測量介質(zhì)相同方面或不同方向。在 每個(gè)結(jié)構(gòu)中，所述氣體測量儀相對于幾何結(jié)構(gòu)干擾穩(wěn)定并為此在測量距離方面基本上不依 賴于長度。
[0033] 可以根據(jù)使用條件調(diào)整所述無焦點(diǎn)的凹凸透鏡的厚度，特別是可以根據(jù)所述無焦 點(diǎn)凹凸透鏡的厚度在確定范圍內(nèi)調(diào)整其壓力穩(wěn)定性。所述無焦點(diǎn)凹凸透鏡越厚，被構(gòu)造為 該類型的過程窗口以及所屬的氣體測量儀對壓力越穩(wěn)定。
[0034] 可以借助于下述用于計(jì)算透鏡厚度，更準(zhǔn)確地說用來計(jì)算透鏡中心厚度以及計(jì)算 凸面半徑R2的公式計(jì)算適當(dāng)?shù)臒o焦點(diǎn)凹凸透鏡：
[0035]

【權(quán)利要求】
1. 在原位以吸收光譜的方式確定氣態(tài)測量介質(zhì)（432)的至少一種化學(xué)和/物理參數(shù) 的氣體測量儀，其中所述氣體測量儀包括第一殼體（101、201、301、401、501);至少一個(gè)激 光器（102、202、302、402)作為輻射源，其被布置在第一殼體（101、201、301、401、501)中；至 少一個(gè)過程窗口（114、214、314、414、514)用以將由激光器（102、202、302、402)發(fā)出的輻射 耦合輸入測量介質(zhì)（432);和至少一個(gè)檢測器（103、203、303、403)，輻射在與所述測量介質(zhì) (432)相互作用后可以通過該檢測器檢測出來；其特征在于，第一過程窗口（114、214、314、 414、514)被構(gòu)造作為無焦點(diǎn)凹凸透鏡，其包括凹形表面和凸形表面。
2. 如權(quán)利要求1所示的氣體測量儀，其特征在于，它還包括光學(xué)偏轉(zhuǎn)元件（112、212、 512)，其將耦合輸入測量介質(zhì)的輻射回引至第一過程窗口（114、214、514)。
3. 如權(quán)利要求2所示的氣體測量儀，其特征在于，所述光學(xué)偏轉(zhuǎn)元件（112、212、512)包 括至少一個(gè)貓眼透鏡、至少一個(gè)三菱鏡、至少一個(gè)三面鏡、至少一個(gè)平面鏡或成像鏡。
4. 如權(quán)利要求1或2所示的氣體測量儀，其特征在于，檢測器（103、203)和激光器 (102、202)被布置在第一殼體（101、201、501)中，第一過程窗口（114、214、514)用于將由激 光器（102、202)發(fā)出的輻射耦合輸入到測量介質(zhì)以及在其與測量介質(zhì)相互后將輻射從測 量介質(zhì)中輻射輸出。
5. 如權(quán)利要求1或2所示的氣體測量儀，其特征在于，它還包括第二殼體（217、317、 417)和第二過程窗口（218、318、418)，其中檢測器（303、403)或光學(xué)偏轉(zhuǎn)元件（212)被布 置在第二殼體中。
6. 如權(quán)利要求5所示的氣體測量儀，其特征在于，第二過程窗口（218、318、418)被構(gòu)造 為無焦點(diǎn)凹凸透鏡，其具有凹形和凸形表面。
7. 如權(quán)利要求1至6其中任一項(xiàng)所示的氣體測量儀，其特征在于，它還包括氣體探針 (107、207、307、507)，其包括基本圓柱形的、帶有過程開口（111、211、311、511)的探針殼 體（110、210、310、510)，在工作過程中，測量介質(zhì)通過上述過程開口能夠擠進(jìn)所述探針殼體 (110、210、310、510)的內(nèi)部，其中所述氣體探針（107、207、307、507)的端部在工作過程中 與第一殼體（101、201、301、501)連接。
8. 如權(quán)利要求7所示的氣體測量儀，其特征在于，所述氣體探針包括針對掃氣用氣體 的掃氣用氣體接口（520)和至少一個(gè)掃氣用氣體通道（523)。
9. 如權(quán)利要求8所示的氣體測量儀，其特征在于，在工作過程中，第一過程窗口（514) 和/或第二過程窗口在介質(zhì)一側(cè)具有掃氣用氣體墊。
10. 如權(quán)利要求7至9其中任一項(xiàng)所示的氣體測量儀，其特征在于，所述光學(xué)偏轉(zhuǎn)元件 (512)被無密封地固定并在工作過程中由掃氣用氣體在周圍沖洗。
11. 如權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所示的氣體測量儀，其特征在于，所述激光器（102、 202、302、402)是可被調(diào)諧的。
12. 如權(quán)利要求1至11其中任一項(xiàng)所示的氣體測量儀，其特征在于，有待檢測的化學(xué)和 /或物理參數(shù)包括至少一個(gè)下述參數(shù)：溫度、壓力和/或至少一種氣體的濃度，例如氧氣、二 氧化碳、一氧化碳、氮?dú)?、胺類、氨氣、硫化氫、二氧化硫、鹵族氫氣復(fù)合物、水或由其構(gòu)成的 混合物。
【文檔編號(hào)】G01N21/39GK104220864SQ201280062014
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2012年12月13日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月15日
【發(fā)明者】F·基利希 申請人:梅特勒-托利多公開股份有限公司