CN103969224A - 包含透射测量单元的红外光学传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于连续分析在管道中流动的液体的红外光学传感器。所述传感器（100）在壳体（1）中包括：导管（2'）的中心部段，液体（3）流动通过所述导管；以及使用光束（30）的频谱分析装置，包括发射信号（30）的红外源（22），已经通过液体的信号（30）由接收装置（28）接收；光学部件（9），允许光束通过液体；以及支撑板（13），所述支撑板（13）支承红外源（22）和接收装置（28）。待分析液体循环通过由光学部件（9）的拱门（52）形式的壁且由壳体（1）在所述光学部件中的凸起（60）形成的回路（4）。密封垫圈（10）在光学部件和壳体之间被压缩，以便防止液体有任何扩散到壳体（1）内部中。

Description

包含透射测量单元的红外光学传感器
技术领域
本发明涉及包含透射测量单元的红外光学传感器，用于液体的实时分析，其中，所述传感器能够具体地用于在管道中流动的液体的连续分析。
背景技术
在其主要但非排他的应用中，本发明涉及车辆中的燃料的质量和成分的监测，借助于所述车辆中的车载传感器。该监测响应于来自于各个源且具有不同成分的生物柴油的推广使用而变得关键。
如果该监测实时地进行，其将允许车辆控制系统为了改进燃烧效率而调节各个发动机设置参数，例如喷射燃料量、点火定时、入口压力或排放控制设置。
燃料的成分可以在燃料站泵处监测，其中，质量必须保持在恒定水平，给定基于石油的燃料或包含可变百分比乙醇的生物燃料的宽范围选择。建立该成分的简单手段涉及使用安装在燃料箱中或者在燃料箱和发动机之间的传感器，以允许车辆的电子控制系统调节发动机设置参数。红外频谱现在识别为与燃料和润滑剂的特性（包括辛烷指数、氧化和稀释）的光学分析有关。
许多类型的传感器可用于流体分析。然而，仅仅某些传感器设计成实时地操作，这是发动机燃烧效率管理的必要条件。专利文献US 6,842,234描述了这种类型的传感器，包括两束式光纤，其一个端部作为探头插入到待分析液体中，另一端部连接到信号处理装置。
信号处理装置在所述光纤的第一束中产生红外光学信号，其终止于与反射器相对的液体中。该反射器将光学信号朝向光纤的第二束反射。因此，在光纤的另一端部，处理装置分析已经通过沉浸在待分析液体中的探头的光学信号。待分析液体的温度和成分将修正至处理装置的返回光学信号。
为了确保光学信号在光纤束内完全反射，必须满足两个条件：光纤玻璃的折射率必须高于光纤通过的液体的折射率，且光纤的曲率半径必须足够大。因此，这种传感器在构造和成本方面庞大。
较不庞大和较便宜传感器的示例在专利文献US 7,339,657中描述。该文献描述了基于反射红外频谱原理的传感器。根据该原理，由多面晶体型的光学结构内部上的发光二极管（LED）发射红外光线，其外面与待分析液体接触，其内部容积容纳光线的通路。
该多面结构确保光线在其内部容积内有至少两次反射。来自于LED的光线的向外路径和该光线至其分析点的返回路径平行地延伸，但是以相反方向。光线的该向外/返回路径允许红外发射器和分析装置安装在单个电路板上。在分析返回光线后，红外光线从光学结构的内壁反射允许在光学结构的另一侧上推断待分析液体的各个物理或化学参数。这些传感器的结构（包含LED、单个电路板和有限容积）持续地具有相对低的生产成本和所述传感器在车辆中的车载安装。
然而，所述光学结构在待分析液体的体积内部产生凸起。由于该凸起，循环的液体在光学结构前面（以流动方向）形成保持坑，从而残留物（碳烟、杂质等）将积聚在所述保持坑中。此外，所使用的晶体是昂贵且易碎的。
发明内容
本发明旨在克服这些缺陷，通过应用透射红外频谱学和使用连续分析通过未受阻碍导管的燃料的总体积的装置，从而允许分析在所述导管中流动的燃料，而不在液体中形成保持坑，且没有引起残留物滞留。
更具体地，本发明的主题是一种用于分析液体的光学传感器，其中，所述传感器在壳体中包括：导管的中心部段，液体流动通过所述导管；以及使用波长频带中的光束的频谱分析装置。在该装置中，光束由红外源发射且在已经经由光学部件穿过待分析液体的情况下由接收装置接收。设置在基部上的支撑板支承红外源和接收装置。在该传感器中，待分析液体流动通过导管的中心部段中的由光学部件（形成拱门）和壳体（在所述拱门中形成凸起）的壁包围的回路。密封垫圈在光学部件和壳体之间被压缩，以便防止液体有任何扩散到壳体内部中。
用于在光学部件内液体循环的导管的回路配置允许通过透射频谱学分析液体，而不在液体路径中形成任何障碍物，因此，不形成滞留液体坑和引起的沉积物积聚（在采用反射频谱学的传感器的情况下如此）。
根据如下具体有利特征：
－所述光学部件包括由第一和第二反射壁构成的至少一个组合，所述第一和第二反射壁相对于光束倾斜，从而在红外源和接收装置之间的支撑板上形成向外/返回光学路径；
－第一反射壁和第二反射壁配置为平面或非球面凹表面；
－所述光束在配置为凹壁的第一反射壁的引导下发散，使得所述光束基本上穿过在由导管的中心部段形成的回路中流动的待分析液体，且在到达接收装置之前在第二反射壁上聚集；
－所述反射壁中的至少一个包括紧固到光学部件上的反射器；
－在工作中，所述光学部件形成双拱门，籍此，第一拱门在光束传播平面中形成，第二拱门在垂直于所述传播平面的平面中形成；
－所述拱门和壳体的凸起在光学部件的容纳待分析液体的核心处形成导管的中心部段中的回路；
－波长频带位于近红外频谱中；
－红外源是发光二极管（或LED）；
－提供附连器件，以将支撑板可靠固定到壳体，以允许垫圈的可调节压缩。
本发明还涉及一种用于分析液体的方法，在所述方法中，使用上述传感器。该方法包括如下：
－第一步骤，其中，待分析液体在上述传感器的回路中循环；
－第二步骤，其中，打开传感器的红外源，以发射发散光束；
－第三步骤，其中，光束在光学部件中朝向使得所述光束发散的第一反射壁取向，且然后经由回路发送，之后，其在第二反射壁上经受第二次反射，且最后朝向支撑板上的接收装置。
根据该方法的一个变型，光束被发散，使得不是整个光束都到达接收装置；在该情况下，基部配置用于至少部分地接收所述发散光束。基部的该接收补充接收装置的接收，从而增加测量的光学效率。
附图说明
本发明的进一步信息、特性和优点将从不是通过限制的方式提供的如下说明参考附图变得清楚，在附图中：
图1示出了根据本发明的红外光学传感器的示例在待分析流体的循环平面中的横截面图；
图2示出了根据本发明的红外光学传感器在图1中的X'X处在垂直于流体的循环平面的光线传播平面中的横截面图；和
图3示出了根据本发明的红外光学传感器在光学部件和压缩壳体之间的螺钉平面中的横截面图。
具体实施方式
参考图1所示的视图，红外光学传感器100的实施例的示例在待分析流体3的循环平面中以横截面示出。该流体3，在所示示例中为燃料，在包括外部导管2的导管中流动到传感器3，传感器3由紧固件20连接到在传感器100内形成的导管2'的中心部段。所述传感器100设置有塑料材料壳体1，壳体1封装用于分析燃料3 的所有专用部件，如下文详述。所述燃料3的光学分析将基于穿过导管2'的该中心部段的红外光束执行。导管2'的该中心部段设置有回路4，回路4包括拱状轮廓5，在玻璃光学部件9中形成的上部部段中的拱门50，以及在所述光学部件9中的壳体1的凸起60的下表面6。拱门50的足部51在凸起60的任一侧上终止于水平面7和7'处。
图1还示出了位于基部16上且借助于螺钉（在图1中仅所述螺钉的头部150可见）紧固到光学部件9上的设备支撑板13（参见图2）。O形环10将光学部件的足部51抵靠壳体1的圆形边角19紧固，以便防止燃料从导管2'的中心部段有任何泄漏到壳体1中。
提供另外的螺钉（在图1中仅所述螺钉的头部170可见），以紧密附连壳体1的支撑板13，从而压缩O形环10且确保导管2'的中心部段的不泄漏性。
光束跨过导管2'的所述中心部段的全部上部高度H（即，在拱状轮廓5和凸起60的顶点之间）经过导管2'的中心部段。这允许执行如下文所述的透射频谱学。
图2在光束30的传播平面中示出了根据本发明的红外光学传感器100的横截面图，在平面X'X处垂直于图1所示的横截面图。玻璃光学部件9的回路4设置有拱门52，垂直于图1所示的拱门50，从而这两个拱门具有相同的拱状轮廓5。导管2'的中心部段在由其上部高度H限定的回路4水平面处表示。导管2'的中心部段的轮廓于是由传感器100的玻璃光学部件9在其所有表面上形成，除了下表面（由塑料材料壳体1的凸起60的表面6形成）。图2还示出了外部导管2的轮廓，其与导管2'的中心部段在光学部件9外的轮廓一致。
O形环10被压缩到壳体1的边角19中，从而紧固光学部件9的足部51。
该横截面图示了光束30经过待分析燃料的路径。其基本上跨过拱状轮廓5和表面6的顶点之间的全部高度H经过所述燃料。所述光束30由紧固到支撑板13且配备有LED的红外源22发射，在所考虑的示例中，用于发射在1500 nm至2000 nm范围内波长的红外光。
光束30然后跨过其全部宽度经过光学部件9，描述了这样的路径，所述路径平均上从光学部件9的完全倾斜表面91和92产生两次直角反射，从而使得光束30返回紧固到支撑板13的接收装置28。反射由紧固到光学部件9的表面91的第一反射器24且由紧固到光学部件9的表面92的第二反射器26产生。
第一反射器24是非球面凹反射器，第二反射器是平面反射器26。发散光束30朝向第一反射器24发射，从而允许光束30在朝向第二反射器26会聚且然后朝向接收装置引导之前实质上跨过导管2'的中心部段内的回路4的全部上部高度H经过导管2'的中心部段。
图3示出了根据本发明的传感器100的示例在螺钉17的平面中的横截面图，螺钉17用于将光学部件9经由支撑板13的基部16附连到壳体1而抵靠壳体1附连。螺钉17压缩O形环10（图1或2），形成光学部件9和壳体1之间的密封，从而确保其不泄漏性。其余螺钉，仅其头部150可见，位于不同的横截平面中。这些螺钉将支撑板13紧固到光学部件9。此外，在图3上，虚线表示在平行于附图平面的平面中形成回路4的导管2'的中心部段，与传感器100的接收装置28一起。
本发明并不限于所述和所示的实施例的示例。除了燃料之外，许多液体适合于使用这种类型的光学传感器通过透射来连续分析，只要所涉及的液体具有零以外的透射率系数即可。
这种类型的传感器可以安装在发动机的燃料供应管线中，在燃料箱的出口处，或者在需要监测流体质量的任何回路中。
光束还可以在垂直或平行于待分析流体的循环平面的平面中传播。
关于光束在发射时的孔径角，根据反射壁的曲率，该孔径可以设定用于发散或会聚。
此外，为了丰富从使用在其通过液体之后接收的光束进行的分析获得的结果，可以同时应用多个波长。
可以使用除了近红外频谱以外的波长，例如中红外或远红外。测量可以使用单个波长或者波长范围进行。
由传感器内部上的导管形成的回路还可以配置为相对于重力以不同方向取向的拱门；不仅向下，而且向上或横向取向也是可能的。循环流体的压力防止回路中的杂质的任何沉积。

Claims (12)

1. 一种用于分析液体的光学传感器，其中，所述传感器（100）在壳体（1）中包括：导管（2'）的中心部段，液体（3）流动通过所述导管；使用波长频带中的光束（30）的频谱分析装置，光束（30）由红外源（22）发射且在已经经由光学部件（9）穿过待分析液体（3）的情况下由接收装置（28）接收；以及设置在基部（16）上的支撑板（13），所述支撑板（13）支承红外源（22）和接收装置（28），其特征在于，待分析液体（3）流动通过导管（2'）的中心部段中的由光学部件（9）的壁包围的回路（4），所述光学部件（9）形成拱门（50）；壳体（1）在所述拱门（50）中形成凸起（60）；密封垫圈（10）在光学部件（9）和壳体（1）之间被压缩，以便防止液体有任何扩散到壳体（1）内部中。
2. 根据权利要求1所述的用于分析液体的光学传感器，其中，所述光学部件（9）包括由第一反射壁（91）和第二反射壁（92）构成的至少一个组合，所述第一反射壁（91）和第二反射壁（92）相对于光束（30）倾斜，从而在红外源（22）和接收装置（28）之间的支撑板（13）上形成向外/返回光学路径。
3. 根据前述权利要求所述的用于分析液体的光学传感器，其中，第一反射壁（91）和第二反射壁（92）配置为平面或非球面凹表面。
4. 根据权利要求2或3中任一项所述的用于分析液体的光学传感器，其中，所述光束（30）在配置为凹壁的第一反射壁（91）的引导下发散，使得所述光束（30）基本上穿过在回路（4）中流动的待分析液体（3），且在到达接收装置（28）之前在第二反射壁（92）上聚集。
5. 根据权利要求2－4中任一项所述的用于分析液体的光学传感器，其中，所述反射壁中的至少一个包括紧固到光学部件（9）上的反射器（24，26）。
6. 根据前述权利要求中任一项所述的用于分析液体的光学传感器，其中，所述光学部件（9）形成双拱门（50，52），籍此，第一拱门（52）在光束（30）传播平面中形成，第二拱门（50）在垂直于所述传播平面的平面中形成。
7. 根据前述权利要求中任一项所述的用于分析液体的光学传感器，其中，所述拱门（50，52）和壳体（1）的凸起（60）在光学部件（9）的容纳待分析液体（3）的核心处形成导管（2'）的中心部段中的回路（4）。
8. 根据前述权利要求中任一项所述的用于分析液体的光学传感器，其中，波长频带位于近红外频谱中。
9. 根据前述权利要求中任一项所述的用于分析液体的光学传感器，其中，红外源（22）是发光二极管。
10. 根据前述权利要求中任一项所述的用于分析液体的光学传感器，其中，提供附连器件（15，17），以将支撑板（13）可靠固定到壳体（1），以允许垫圈（10）的可调节压缩。
11. 一种使用根据前述权利要求中任一项所述的传感器（100）来分析液体的方法，其特征在于，所述方法包括：
－第一步骤，其中，待分析液体（3）在传感器（100）的导管（2'）的中心部段的回路（4）中循环；
－第二步骤，其中，打开传感器的红外源（22），以发射发散光束（30）；
－第三步骤，其中，光束（30）在光学部件（9）中朝向使得所述光束发散的第一反射壁（91）取向，且然后经由回路（4）发送，之后，其在第二反射壁（92）上经受第二次反射，且最后朝向支撑板（13）上的接收装置（28）。
12. 根据前述权利要求所述的分析方法，其中，光束（30）被发散，使得不是整个光束都到达接收装置（28），基部（16）配置用于至少部分地接收所述发散光束（30），其中，基部（16）的该接收补充接收装置（28）的接收。
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