CN104903700B - 用于分光计气体池的光学反射器 - Google Patents

Abstract

一种分光计池可包括间隔件、至少一个端盖以及具有反射表面的至少一个镜。端盖可被定位成接近间隔件的第一接触端以使得端盖和间隔件至少部分地封闭分光计池的内容积。镜可通过机械附接而被紧固在适当位置，所述机械附接可包括对于至少一种反应气体化合物呈化学惰性的附接材料，在高于至少120℃的温度下是热稳定的，且能够将反射表面的光轴相对于分光计池和或包括分光计池的分光计装置的其它组件保持在固定取向上。镜可选地由例如不锈钢、铜、铝、硅酸铝盐、陶瓷等材料构造而成。描述了相关方法、制品、系统等。

Description

用于分光计气体池的光学反射器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2012年12月12日申请的美国专利申请No.13/712,923的优先权，其全部内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本文所述的主题一般来说涉及光学反射器，且更具体来说，在至少一些实施方案中涉及一种分光仪器中可用于分析气体混合物的光学反射器。

背景技术

依赖于光的吸收或发射的测量的分光分析器和其它仪器或设备(本文中，通常称为“分光计”)可用于确定气体体积或流动气流中的一种或多种目标分析物的存在和数量的广泛范围的应用中。一些分光计包括分光计池，该分光计池通常可以一个或多个光学组件(例如，窗或镜)为特征，所述一个或多个光学组件用于从一个或多个光源接纳光且在该光达到检测器之前引导光穿过气体的样品至少一次，该侦测器用于对光与气体样品的组份的交互作用所引起的吸收、荧光或其它发射等进行量化。

在一些应用中，正被分光计分析的气体体积或流动气流可包括化学反应性化合物，所述化学反应性化合物有可能以不合需要的方式与分光计池的各种组件交互。具体来说，光学材料和通常与光学材料一起用来产生用于将光传递或反射到样品气体中的窗或镜的光学涂层可对污染相当敏感。作为实例，光学材料及其光学涂层可被暴露到酸性和碱性气体、液体、氯化化合物、氟化化合物、高分子量化合物(高分子量化合物因此通常具有相对低的蒸气压力和凝结到表面上的趋势)等中的一种或多种，其可更改、影响或以其它方式改变这些材料的光学性能，因而可能导致错误的或另外带有缺陷的分光分析。

此外，当前可用的用于分光计中的样品池构造通常不与需要广温度范围上的操作的应用兼容。尤其对于多通道样品池(所述多通道样品池包括被定位成使一个或多个光源所产生的一个或多个光束在样品池内反射的一个或多个反射性光学元件，例如，镜等(例如，以增大一个或多个光束在样品池内所包含的气体样品内行进的路径长度))来说，温度的改变可需要在操作条件下将反射性光学元件重新对准。

发明内容

相比先前可用于构造分光计池的手段，本主题可提供各种优点。在一个方面中，一种具有用于包含样品气体的内容积的分光计池包括间隔件、端盖和镜。间隔件至少部分地限定内容积并且包括第一接触端。端盖被定位成接近第一接触端并且也至少部分地封闭内容积。镜包括反射表面，该反射表面用于沿着源于至少一个光源的光学路径长度接收和重定向光束至少一次。光学路径长度穿过内容积至少一次。镜通过机械附接而被紧固在适当位置，该机械附接包括对于至少一种反应气体化合物呈化学惰性的附接材料。机械附接将光轴相对于分光计池和包括分光计池的分光计装置的其它组件保持在固定取向上。

在另一方面中，一种分光计包括端盖，该端盖包括凹陷在间隔件结构内的内表面。间隔件结构和内表面至少部分地限定分光计池的内容积。镜可包括反射表面，该反射表面用于沿着源于至少一个光源的光学路径长度接收和重定向光束至少一次。反射表面具有光轴，且光学路径长度穿过内容积至少一次。镜通过机械附接而在内表面上被紧固在适当位置，该机械附接将光轴相对于分光计池和包括分光计池的分光计装置的其它组件保持在固定取向上。

在另一相关方面中，一种方法包括：利用间隔件至少部分地限定分光计池的内容积；利用连接到第一接触端的端盖进一步封闭内容积；以及沿着源于至少一个光源的光学路径长度接收和重定向光束至少一次。间隔件包括第一接触端。光学路径长度穿过内容积至少一次。接收和重定向是在镜处发生，该镜包括具有光轴且通过机械附接而被紧固在适当位置的反射表面，该机械附接将光轴相对于分光计池和包括分光计池的分光计装置的其它组件保持在固定取向上。

在一些变体中，可视情况以任何可行组合包括以下情况中的一种或多种。反射表面可包括多个(例如，两个或更多个)反射性特征，所述反射性特征可具有不同曲率。间隔片与端盖和镜中的至少一个可具有近似的热膨胀系数。反射表面可由包括以下材料中的至少一种的材料形成：不锈钢、铜、铝、硅酸铝合金、陶瓷或类陶瓷材料、复合材料(例如，聚氯乙烯、聚乙烯或其它塑料)等。镜可还包括在反射表面上的一个或多个额外的反射涂层。机械附接可包括对于选自酸性气体化合物、碱性气体化合物、氟化化合物和氯化气体化合物的至少一种反应气体化合物呈化学惰性的附接材料，且可选地是热稳定的，以使得紧固的机械附接在高于约120℃或可选地高于200℃的温度下得以维持。反射表面可具有处于以下范围中的一个或多个中的表面粗糙度：小于约约到约约到约 约到约约到约以及约到约反射表面可包括以下中的至少一个：平面表面、球面曲率、具有空间上改变的曲率的任意弯曲的表面和抛物线曲率以及可选地这些表面形状中的两种或更多种。

反射表面可被集成到端盖的内表面。内表面可向内朝向内容积。机械附接可包括由至少一个附接装置所紧固的间隔件与端盖之间的直接且稳定的物理接触。当间隔件和端盖被组装时，直接且稳定的物理接触可确保光轴相对于光束的可再现对准和可再现取向中的至少一个。

反射表面可替选地被设置在可拆卸镜部件上。可拆卸镜部件可机械连接到端盖的表面。可拆卸部件和端盖的内表面可具有配合参考表面，在可拆卸镜部件和端盖被接合、以及端盖被组装到间隔件、以及端盖与间隔件之间的直接且稳定的物理接触由至少一个附接装置紧固时，所述配合参考表面确保光轴相对于光束的特定对准和特定定向中的至少一个。

内间隔件可被设置在内容积内。内间隔件可具有接触端。镜可包括不直接附接到端盖的镜片。镜片可包括与反射表面处于镜片的同一侧上的前接触表面以及与前接触表面相对的后接触表面。镜片可被设置成接近端盖的内表面，以使得内表面接触后接触表面，以及内间隔件的接触端接触前接触表面，进而保持镜片稳固以当间隔件、内间隔件、镜片和端盖被组装时，确保使得相对于光束的光轴的可再现对准和可再现取向中的至少一个。疏水性涂层可被包括在分光计池的至少一个浸润表面上。

在一些实施方案中可为分光计(例如诸如，可调谐二极管激光吸收分光计)的设备可包括分光计池，该分光计池包括本文所述的一个或多个特征。该设备可选地还包括：一个或多个光源，用于产生一个或多个光束；检测器，该检测器对沿着路径长度从光源发射的光的接收强度进行量化；以及至少一个处理器，所述至少一个处理器执行包括控制激光光源的驱动电流和从检测器接收强度数据的操作。至少一个处理器可选地使激光光源提供具有波长调制频率的光，且可对从检测器接收的强度数据进行解调以执行谐波分光分析方法。至少一个处理器可对测量光谱进行数学校正，以计量光所穿过的样品气体中的化合物的吸收。在一些实例中，数学校正可包括(例如)作为差分吸收分光手段的一部分而从测量光谱减去参考光谱，其中参考光谱是针对目标分析物的浓度已降低的样品气体的样品而收集的。

本文所述的主题的一个或多个变体的细节阐述在附图和下文描述中。本文所述的主题的其它特征和优点将从描述和附图以及权利要求书显而易见。

附图说明

并入本说明书中且构成本说明书的一部分的附图示出本文所公开的主体的某些方面，且与描述一起帮助解释与所公开的实施方案相关联的原理中的一些。在附图中，

图1A和图1B示出分别图示多通道分光计池的实例的截面图和部分剖视立视图的视图；

图2示出图示根据本主题的实施方案的多通道分光计池的实例的部分剖视立视图的视图；

图3A和图3B示出分别图示可用于根据本主题的实施方案的分光计池中的端盖的俯视图和侧视图的视图；

图4示出图示根据本主题的实施方案的分光计池的侧视图的视图；以及

图5是图示根据本主题的实施方案的具有一个或多个特征的方法的方面的过程流程图。

实际上，类似附图标记表示类似结构、特征或元件。

具体实施方式

多通道分光计池的一个实例是赫里奥特池，其中镜被定位在圆柱体或以其它方式封闭的气体体积的每一末端处。所述镜包括反射表面，用于沿着源于一个或多个光源的光学路径长度接收和重定向光束至少一次。图1A和图1B分别示出实例赫里奥特池100的截面图和部分剖视立视图。由一个或多个光源(未示出)产生的一个或多个光束102可(例如)穿过镜104中的一个中的孔、窗或口110而被递送到两个镜104、106之间的空间。一个或多个光束可在镜104、106之间被反射多次(可选地，至少一次)，以使得延长的分光路径长度在相对紧凑的气体体积内产生。两个镜可由分光计池100的一个或多个结构组件相互保持在所要距离处。例如，如图1A所示，间隔件112可被设置成在两个镜104、106之间提供结构支撑。图1B的立视图示出赫里奥特池100，其中间隔件112被移除以使得在两个圆柱镜104、106之间反射的一个或多个光束的复杂路径长度是可见的。

用于分光计池(包括但不限于赫里奥特池)中的常规镜可难以(例如)在可发生其中工艺异常、背景气体污染等的分析环境中保持镜表面清洁。此外，如上所述，通常由玻璃制成的常规镜通常具有与其它材料(例如，不锈钢、铜、铝、硅酸铝合金、铝、其它金属、陶瓷或类陶瓷材料、复合材料(例如，塑料)等)不同的热膨胀系数，所述其它材料常用于形成分光计池的结构元件(例如，间隔件112)。如果分光计池是在与分光计池组装和原始对准的温度显著不同的操作温度下使用，那么具有与分光计池的结构组件不同的热膨胀特性的镜可导致光学失准问题。此外，由于玻璃和类玻璃材料的相对脆性，玻璃镜通常不能直接机械附接(例如，使用螺杆、螺栓、压合接头、机械夹具等)到分光计池的结构或流路径部件。实际上，在常规分光计中，玻璃镜通常使用柔性粘合材料(例如，室温硫化(RTV)硅酮)而被安装到由结构材料(例如，金属或另一材料)形成的支架。支架接着被机械附接到分光计池的其它结构特征，且镜与分光计的其它光学组件、光源、检测器等的对准通常是在具有极严格公差的工厂条件下设置。

通常用于分光计池中的许多柔性粘着剂不与一种或多种反应气体混合物兼容，所述一种或多种反应气体混合物可包括在使用包括分光计池的分光计装置来分析的气体混合物中。例如，气体样品中所存在的氯化化合物可倾向于化学侵蚀RTV硅酮。所得反应可具有以下不合需要的效果：减弱RTV硅酮，从而可能导致镜安装的结构完整性的损失；或将气相反应副产物释放到正被分析的气体样品中，从而可能相对于不存在该污染的气体样品的实际组成更改了分光计读数。通常用于常规分光计中的镜安装中的柔性粘合剂(例如，RTV硅酮)还可在高温操作(例如，高于约120℃、高于约200℃等)中存在困难，这是因为这些材料通常在高温下具有差的热稳定性。

高操作温度可对于包含氨气(NH₃)、硫化氢(H₂S)和其它可能感兴趣的化合物的流的分析应用来说是重要的。例如，在硫回收单元排放控制中，气流可通常被保持在高于至少120℃以防止形成会人为扰乱排放测量的硫化物(根据美国环境保护局的法规)。其它可能的高温分光应用可包括从石油化工产品流移除硫化合物的克劳斯单元中的H₂S测量。这些工艺中的气流可通常处于超过约180℃的温度，以防止单质硫的凝结和升华。马达试验台上的马达排放的量化是高温分光术的另一可能应用，针对高温分光术，本主题的实施方案可解决常规的当前可用的分光手段的可能问题。随着排放减少要求越来越严格，可调谐二极管激光(TDL)分光分析器可用于分析马达尾气。由于常规分光计的温度限制，导致尾气通常必须在分析之前被冷却。高温样品池TDL测量可用于改进定量测量，从而避免与排放气体于冷凝水中的溶解相关的不确定性，而冷凝水可为内燃机尾气中的较大组份。

本主题的实施方案可(例如)通过提供可用于分光计中的分光计池来解决当前可用的分光计池构造和手段的一个或多个弱点，该分光计池可消除或至少减少化学反应性化合物对分光计池的镜和元件(所述元件与将所述镜安装且紧固到分光计池的其它组件相关联)的影响。该效果可经由使用机械附接来实现，该机械附接使用对于至少一种反应气体化合物呈化学惰性的附接材料而将镜紧固在适当位置。在各种实例中，至少一种反应气体化合物可包括酸性气体化合物、碱性气体化合物、氟化化合物和氯化气体化合物中的至少一种。其它反应气体化合物可也受到关注，且附接材料可也对于这些其它反应气体化合物呈惰性。

以这种方式，可减轻可能错误的或另外带有缺陷的分光结果的发生，且可延长分光计的使用寿命。此外，镜可由热膨胀属性密切匹配分光计池的间隔件和分光计池的其它结构组件的材料构造而成。该分光计池可实际上或至少大致上是非热的，且可在任何操作温度或至少在预期操作温度范围上不需要镜的重新对准。可结合本主题的实施方案而实现的另一优点可包括对分光计池的镜进行清洁而不需要分光计池的工厂重新校准的提高的能力。

在本主题的一些实施方案中，分光计池可包括反射表面，该反射表面的材料基于光学测量与传统用于分光计和其它分析设备的光学组件上的材料不同。根据本主题的实施方案的镜可由一种或多种材料形成，所述一种或多种材料可有利地对一种或多种化合物的侵蚀有化学耐性，所述一种或多种化合物预期存在于分光计池内将包含的样品气体中。例如，代替玻璃等，本文中通称为镜的反射器可由以下形成：抛光金属表面、被涂覆有一个或多个额外的反射涂层的抛光金属表面、抛光陶瓷表面、被涂覆有一个或多个额外的反射涂层的抛光陶瓷表面、被涂覆有一个或多个额外的反射涂层的复合材料表面等。

可用于根据本主题的实施方案的镜中的块状材料可包括：不锈钢，例如，316不锈钢或320不锈钢；铜；铝；硅酸铝合金；陶瓷或类陶瓷材料，例如，氮化硅、氧化铝等；复合材料，例如，塑料，如，聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚碳酸酯；等。可根据本主题的实施方案而涂覆的额外的反射涂层的实例可包括但不限于用于增强镜表面的反射率的金属涂层、介电材料涂层等。可用作反射涂层的金属可包括金、银、铝、铬、铜、其它金属、两种或更多种金属的组合等。在一些实例中，分光计池内的其它表面例如也可被涂覆有镍或一些其它非反应性材料。仍在其它实例中，疏水性涂层可被包括在分光计池的一个或多个浸润表面上，例如以将痕量分析物到分光计池的表面、到内表面或管道或其它组件等的粘着减到最少。这些涂层可改进测量能力以及对改变的分析物浓度的响应时间。如本文中所使用，术语“浸润”指分光计池的表面与正被分光计分析的样品气体接触。

因为根据所描述的实施方案的金属、陶瓷或陶瓷类材料、复合材料和其它材料通常可具有实现由这些材料形成的组件到分光计池的其它结构组件的直接连接的机械特性，所以由这些材料中的一种或多种形成的镜可被紧固在分光计池组装件内而不需要柔性粘合剂，例如，RTV硅酮等。换句话说，机械附接可将镜紧固在适当位置，以使得反射表面的光轴(例如，穿过镜的反射表面的曲率中心且大体上与反射表面的旋转对称轴重合的轴)相对于分光计池和包括分光计池的分光计装置的其它组件被保持在固定且可再现的定向上。

分光计池的镜组件到分光计池的一个或多个其它结构组件的直接机械附接可因各种原因而是有利的。例如，使用柔性粘合剂或不导致可靠的实体接触的其它安装手段以传统方式安装的镜可在工厂或其它受控服务场所中需要精细调谐或其它校准和对准，以确保一个或多个光束沿着所要轴而被反射，进而入射在检测器上。该对准过程可由于将一个或多个光束适当地对准所需的高公差而是相当精密的，所述一个或多个光束可在一些实施方案中在达到检测器之前被反射多次。因此，如果分光计池暴露到导致一种或多种凝相(例如，液态的、固态的、被吸附的、使用化学方法吸附的)污染物沉积在镜的反射表面上的工艺异常，或如果正被分析的气体样品的背景成分包含具有足够低的蒸气压力或高反应性的化合物以致于背景成分倾向于积聚在镜表面上，那么镜表面的清洁可为通常无法在现场进行的不同寻常的工作。该问题的一个实例可在用于监视天然气、烃流、精炼工序的分光计中产生，或光可暴露到各种相对低的蒸气压力的化合物中产生，所述相对低的蒸气压力的化合物可倾向于在镜表面上凝结。

不能在现场(或另外在不将整个分光计或分光计池返回到校准设施的情况下)对分光计池中的镜进行清洁可导致以下问题中的一个或多个：在将分光计从服务中移除以在工厂或另一受控场所清洁且重新校准时的过量停机时间；低于最佳性能，这是因为这些清洁和重新校准之间的周期被延长以减少分析系统的部分停机时间；等。

包括能够直接地且紧固地机械附接到分光计池的一个或多个其它结构组件的镜的本主题的实施方案可克服这些难点。该镜可从分光计池移除，使用一种或多种手段(例如，擦拭、抛光、浸渍在一种或多种溶剂中、超声波清洁等)来清洁，且接着在现场返回到分光计池。因为直接且稳定的物理接触存在于该镜与其它分光计池组件之间，所以关于重新安装所移除的镜时的对准误差的顾虑可显著减少。

在图2所示的分光计200的另一实例中，具有一个或多个反射镜表面(所述反射镜表面可为弯曲的(例如，球面的、抛物线的、具有空间上变化的曲率，等)或平坦的(例如，平面的))的一个或多个镜104、106可被支撑或锚定到分光计池100的一个或多个结构元件。反射表面可选地包括两种或更多种类型的曲率，例如，具有一个或多个平面刻面的球面镜。可替选地或另外，反射表面可具有空间上改变的曲率。例如，具有任意弯曲的表面的反射器可类似绗缝枕或任何其它形状。使用除玻璃外的材料(所述材料可使用金刚石车削、模制或其它手段而形成)，反射器表面可在镜表面上的任一点处都具有改变的曲率半径。

图2示出包括分光计池100的分光计200，来自光源202的光102在达到检测器204之前穿过分光计池100而在两个镜104、106之间反射多次。光源202和检测器可选地包含在头单元206内，头单元206可选地包括温度控制电子器件以控制光源(例如，激光)且从检测器等接收信号。气体样品可经由气体入口208而流动到分光计池100中，且经由气体出口210而从分光计池100传递出。可包括温度传感器212、压力传感器214或其它感测装置(未示出)中的一个或多个以监视分光计池100内的条件。

图3A和图3B示出根据本主题的实施方案的两种手段，所述两种手段与可用于分光计池100中的镜或镜表面的构造相关。应理解，用于根据本主题的实施方案的分光计池100中的一个或多个镜可包括类似于所描述和示出的特征的一个或多个特征。

在示出分光计组件300的立视图的图3A中，镜302被形成为分光计池(图3A中未示出)的端盖304的连续部分。如图3A所示，镜302的反射表面被集成到端盖304的内表面。当被组装为分光计池的一部分时，内表面且因此镜302的反射表面向内朝向分光计池的内容积。在这实例中，端盖304包括机械加工的孔306以接受将端盖304紧固到圆柱形间隔件组件(图3A中未示出)的螺栓，圆柱形间隔件组件维持端盖304与定位在分光计池的相对端处的另一组件(该组件可选地也包括镜)之间的距离。间隔件还可用于封闭气体体积，来自光源的光穿过该气体体积一次或多次。端盖304可沿着中心轴机械加工且接着抛光以形成弯曲镜表面，该弯曲镜表面可进而以极严格的公差来对准。端盖304利用一个或多个附接装置(例如，螺杆、夹具等)直接栓接或以其它方式紧固到分光计池的间隔件组件上的实体配合表面以形成机械附接，该机械附接可包括端盖与间隔件之间的直接且稳定的物理接触。因此，即使移除端盖304以进行清洁、抛光或其它维护活动时，也可以可再现地实现镜光轴的固定取向。

在示出另一分光计组件320的侧视截面图的图3B中，独立的可拆卸镜部件322可以是从端盖324可移除的。端盖324可被构造为收纳可拆卸镜部件322。可拆卸镜部件322和端盖324可具有配合参考表面，在可拆卸镜部件322和端盖被组装时，配合参考表面确保光轴相对于光束的特定对准和特定定向中的至少一个。换句话说，可进行与可拆卸镜部件322的可靠且实体的连接，以使得可拆卸镜部件322相对于端盖324和使用一个或多个附接装置端盖324被机械紧固到的分光计池的其它结构组件(在图3B中未示出)的对准可得以维持，即使在端盖324从分光计池的其它结构组件拆卸且重新附接到分光计池的其它结构组件或可拆卸镜部件322在端盖324的一个表面上从端盖324移除且重新附接到端盖324也是这样。在图3B所示的实例中，端盖324包括机械加工的孔306以接受将端盖324紧固到间隔件组件(图3B中未示出)的螺栓，间隔件组件维持端盖324与定位在分光计池的相对端处的另一组件(该组件可选地也包括镜)之间的距离。可拆卸镜部件322可选地被定位在机械加工到端盖324的一侧或表面中的凹处中。凹处可有利地以极严格的公差来机械加工，以使得可拆卸镜部件322紧密地(例如，紧固地)装配到凹处中。更一般来说，可拆卸镜部件322和端盖324的表面上的匹配参考表面可被机械加工或另外形成为能够以一种方式配合，该方式确保可拆卸镜部件322相对于由光源发射的光束的特定对准和定向。螺杆或其它机械连接件可在与凹处相对的端盖324的一侧中(例如)穿过螺杆或螺栓孔326来添加。

在一些实例中，图3B的手段便于制造，这是因为仅可拆卸镜部件322需要抛光且使其光轴以高精确度相对于可拆卸镜部件322的一个或多个参考表面(例如，可拆卸镜部件322的背面、可拆卸镜部件322的圆周)对准，而端盖324仅需要以必要公差机械加工或以其它方式形成为与可拆卸镜部件322接合，以使得当分光计池被组装时，光轴被准确地对准。为了进行清洁或其它维护，端盖324可从分光计池的其它结构组件移除或以其它方式拆卸且接着重新安装，而不需要额外对准程序。类似地，可拆卸镜部件322可从端盖324移除或以其它方式拆卸。由于可拆卸镜部件322和端盖324的一个或多个参考表面之间的可靠的机械连接，可在一个或多个分解和重新组装过程期间实现准确对准，而不需要复杂重新对准过程。

在根据本主题的一个或多个实施方案的另一实例构造中，端盖可包括凹陷在间隔件结构内的内表面。间隔件结构可被集成到端盖。换句话说，内表面可选地作为内孔(例如，圆柱形内孔)的末端而形成到实体结构中，以使得内孔的壁和内孔的末端形成部分限定内容积的中空区域。本文中所公开的根据本主题的一个或多个实施方案的镜或镜片可被设置在内孔的末端处。例如，内孔的末端可被机械加工或另外形成为所要反射器表面形状且抛光，和/或涂布有反射涂层。可替选地，独立的可拆卸镜片可被添加在内孔内，且通过机械附接来紧固在内孔的末端处。根据这实施方案的镜可具有一个或多个反射表面，所述反射表面用于沿着源于至少一个光源的光学路径长度接收和重定向光束至少一次。一个或多个反射表面可包括至少一个光轴。机械附接可包括对于预期存在于样品气体(针对该样品气体，分光计池出于分析用途而被构造)中的至少一种反应气体化合物(例如，如本文中其它处所限定的一种或多种反应气体)呈化学惰性的附接材料，且可将光轴相对于分光计池和包括分光计池的分光计装置的其它组件保持在固定取向上。

在一些实例中，根据本主题的一个或多个实施方案的镜不需要被抛光成与玻璃镜一样平滑。例如，与依赖于谐波分光技术的可调谐二极管激光分光计一起使用的镜不需要实现与用于直接吸收方法中的镜一样高的反射率等级。谐波分光方法的补偿从一个或多个光源发射的光的强度的损失的能力可起因于以下事实：用于确定分析物的浓度的度量是谐波信号与直接吸收信号的比率。由于光学路径中的反射率损失所致的光强度的衰减大体上同等地影响谐波信号与直接信号两者。因此，如本文所述的镜可被研磨，该研磨的表面粗糙度参数未必与通常以玻璃镜实现的表面粗糙度参数一样平滑。例如，根据本主题的实施方案的镜的表面粗糙度可选地处于约(均方根)到的范围中。在本主题的各种实施方案中，镜的表面粗糙度可为约 约约约约约 或包括这些值中的两个作为外部界限的任何范围。其它表面粗糙度范围也在本主题的范围内。

在本主题的一些实施方案中，分光计池可被设计成可在处于120℃到180℃的范围中的温度下操作。该分光计池可在第一温度(例如，约室温)下对准，且该对准可即使在高温下也保持一致。相反，包括玻璃镜以及由具有与镜的玻璃材料不同的热膨胀系数的材料形成的其它结构组件的传统分光计池可在高操作温度下经历不平衡的热膨胀。该不平衡的热膨胀可使在组装温度下建立的原始对准在高操作温度下不再有效。尤其在其中一个或多个光束在一个或多个镜或其它反射性元件之间反射多次的分光计池中，分光计池的形状的小偏差可导致光束不入射在检测器上或仅部分入射在检测器上。这效果可使分光计不再工作或以降低的准确性工作，或有可能引入显著误差。为了解决这些顾虑，本主题的实施方案可选地包括其中所有元件(包括间隔件与一个或多个端盖两者)由相同材料或(如果由不同材料形成)由具有相当的热膨胀系数的材料形成的分光计池。在一些实例中，用于这些组件中的单一材料可为不锈钢(可选地包括一种或多种合金)、铜、铝、硅酸铝合金、陶瓷或类陶瓷材料、复合材料或其它相当的材料，或其组合。在一些实施方案中，不锈钢可为有利的，因为不锈钢是用于制造管道和气体管道的其它连接件的便利材料，其中，气体管道可用于将气体样品递送到分光计池的容积且使该样品从分光计池排出。一种或多种其它材料(例如，陶瓷或复合材料，尤其是具有相对低的热导率的陶瓷或复合材料)可有利地辅助控制气体样品温度，进而减少对分光计外壳中的积极温度控制的需要。

在本主题的另一相关实施方案中，非热分光计池可由双层结构形成，例如，如图4所图示。如图4所示，根据本主题的一些实施方案，分光计池400可包括外部结构和内部结构。外部结构可由一种或多种结构材料形成，例如，不锈钢、铜、铝、硅酸铝合金、陶瓷或类陶瓷材料、复合材料等。如图4所示，外部结构包括至少一个，可选地两个端盖402和外间隔件404。气体连接件406、物理支撑和附接点等可附接到外间隔片404。端盖402和外间隔片404可由结构上稳定的材料形成，例如，不锈钢、铜、铝、硅酸铝合金、铝、陶瓷或类陶瓷材料、复合材料等。内部结构可包括一个或多个镜片410，镜片410可被定位成接近端盖402中的一个或两个。一个或多个镜片可包括与反射表面处于镜片的同一侧上的前接触表面以及与前接触表面相对的后接触表面。

内间隔件412可被包括且可具有分别与一个或多个镜片410中的一个接触的接触端(或两个接触端，如图4所示)。在一个实例中，内间隔件412和一个或多个镜片410可全部由例如，玻璃的相同材料形成。端盖402中的一个或两个可包括至少一个光学通路以随着光束在光源与检测器之间传递而使光束进入和/或离开。镜片410可被设置成接近对应端盖402的内表面，以使得内表面接触后接触表面，且内间隔件的接触端接触前接触表面，进而当外间隔件404、内间隔件412、一个或多个镜片410和一个或多个端盖402被组装时，保持镜片以确保使得镜的反射表面的光轴相对于光束的可再现对准和可再现取向中的至少一个。

一个或多个镜片410可选地为圆形的且可包括围绕外部圆形边缘的环形对齐表面。内间隔件412的形状可为圆柱形，其中接触边缘位于圆筒的至少一个末端上用于与镜片410的环形对齐表面配合。以这种方式，一个或多个镜片410可以紧密公差机械加工或以其它方式形成，且机械保持为与内间隔片上的一个或多个硬质、实体接触表面接触，以使得一个或多个镜片410的对准经由这可靠的机械接触来确保，且柔性粘合剂或其它紧固材料未被需要。被组装成产生内部结构的部件可通过外部结构来保持相互接触(例如，镜片410的环形对齐表面可保持与位于内间隔件412的至少一个末端上的接触边缘物理接触)。在其中外部结构由金属、陶瓷或陶瓷类材料、复合材料或可被栓接、拧紧或以其它方式机械连接在一起的其它材料形成的实例中，该外部结构可将一个或多个镜片410和内间隔件412封装、保护、支撑和保留为相互接触。由单一类型的材料或具有相同或类似的热膨胀系数的两种或更多种材料形成内部结构可减轻上文关于光学路径的失准而论述的问题，该失准是由分光计池的操作温度的改变所致的失配的膨胀或收缩引起的。

根据本主题的实施方案，内间隔件412可为圆筒或其它形状，其中其它形状具有至少部分地封闭在该形状的中空部分内的容积。在其它实施方案中，内间隔件412可为杆或具有接触端的其它实体形状，所述接触端与一个或多个镜片410中的每一个上的接触区域接触以产生可靠的机械连接。在本主题的一些实施方案中，内间隔件412可包括用于稳定且紧固一个或多个镜片410的两个或更多个零件。例如，内间隔件412可呈三脚架状构造，其中各自具有接触端的三个(或两个，或可选地超过三个)杆产生与一个或多个镜片410中的每一个上的接触区域的可靠的机械连接。

图5示出图示方法的特征的过程流程图。这些特征中的一个或多个可存在于本主题的各种实施方案中。在502，利用包括第一接触端的间隔件，至少部分地限定分光计池的内容积。在504，利用连接到第一接触端的端盖，进一步封闭内容积，以及在506，沿着源于至少一个光源的光学路径长度接收和重定向光束至少一次。光学路径长度穿过内容积至少一次。接收和重定向是在镜处发生，该镜包括具有光轴的反射表面并且通过机械附接而被紧固在适当位置，该机械附接包括可选地对于至少一种反应气体化合物呈化学惰性的附接材料，所述至少一种反应气体化合物预期存在于使用包括分光计池的分光计装置来分析的气体混合物中。所述反应气体可包括但不限于酸性气体化合物、碱性气体化合物、芳族化合物、氟化化合物和氯化气体化合物。机械附接将光轴相对于分光计池和包括分光计池的分光计装置的其它组件保持在固定取向上。机械附接可为热稳定的，以使得紧固的机械附接在高于约120℃或可选地高于200℃的温度下得以维持。反射表面可选地由包括以下材料中的至少一种的材料形成：不锈钢、铜、铝、硅酸铝合金、陶瓷和复合材料。反射表面的材料或支撑形成反射表面的反射涂层的材料可有利地是与用于分光计池的其它结构部件(例如，间隔片、一个或多个端盖等)的相同材料。

本文所述的主题可取决于所要构造而体现为系统、设备、方法和/或制品。前文描述中所阐述的实施方案不代表根据本文所述的主题的所有实施方案。实际上，这些实施方案仅为根据与所描述的主题相关的方面的一些实例。虽然已在上文详细描述几个变体，但其它修改或添加是可行的。具体来说，除本文所阐述的特征和/或变体外，还可提供其它特征和/或变体。例如，上文所述的实施方案可表示所公开的特征的各种组合和子组合，和/或上文公开的若干其它特征的组合和子组合。分光计池的特定构造可采用根据如权利要求所主张的主题的大量形状中的任一个。此外，附图所描绘和/或本文所述的逻辑流程未必需要所示出的特定次序或顺序次序来实现所要结果。其它实施方案可处于随附权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种具有用于包含样品气体的内容积的分光计池(100)，所述分光计池包括：

间隔件(112)，所述间隔件至少部分地限定所述内容积并且包括第一接触端；

端盖(304，324)，所述端盖被定位成接近并且接触所述第一接触端并且至少部分地封闭所述内容积；以及

镜(104，106，302，322)，所述镜包括反射表面，所述反射表面用于沿着源于至少一个光源的光学路径长度接收和重定向光束(102)至少一次，所述反射表面具有光轴，并且其中，所述反射表面由包括以下材料中的至少一种的材料形成：不锈钢、铜、铝、硅酸铝合金、陶瓷、和复合材料，所述光学路径长度穿过所述内容积至少一次，所述镜(104，106，302，322)通过机械附接而被紧固在适当位置，所述机械附接将所述光轴相对于所述分光计池和包括所述分光计池的分光计装置的其它组件保持在固定取向上，

所述分光计池的特征在于：

所述机械附接包括由至少一个附接装置所紧固的所述间隔件(112)与所述端盖(304，324)之间的直接且稳定的物理接触，使得所述端盖(304，324)是可拆卸的，当所述间隔件和所述端盖被组装时，所述直接且稳定的物理接触确保所述光轴相对于所述光束(102)的可再现对准和可再现取向中的至少一个。

2.根据权利要求1所述的分光计池(100)，其中，所述间隔片(112)与所述端盖(304，324)和所述镜(104，106，302，322)中的至少一个具有相同的热膨胀系数。

3.根据权利要求1所述的分光计池(100)，其中，所述镜(104，106，302，322)还包括在所述反射表面上的一个或多个额外的反射涂层。

4.根据权利要求1所述的分光计池(100)，其中，所述机械附接包括对于选自酸性气体化合物、碱性气体化合物、氟化化合物和氯化气体化合物的至少一种反应气体化合物呈化学惰性的附接材料。

5.根据权利要求1所述的分光计池(100)，其中，所述反射表面具有处于以下范围中的一个或多个中的表面粗糙度：小于 到到到 到以及到

6.根据权利要求1所述的分光计池(100)，其中，所述反射表面包括平面表面、球面曲率、具有空间上改变的曲率的任意弯曲的表面、和抛物线曲率中的至少一个。

7.根据权利要求1所述的分光计池(100)，其中，所述反射表面被集成到所述端盖(304，324)的内表面，所述内表面向内朝向所述内容积。

8.根据权利要求1所述的分光计池(100)，其中，所述反射表面被设置在可拆卸镜部件(322)上，所述可拆卸镜部件(322)可机械连接到所述端盖(304，324)的表面，所述可拆卸部件(322)和所述端盖(304，324)的内表面具有配合参考表面，在所述可拆卸镜部件(322)和所述端盖(304，324)被接合、以及所述端盖(304，324)被组装到所述间隔件(112)时，所述配合参考表面确保所述光轴相对于所述光束(102)的对准和定向中的至少一个。

9.根据权利要求1所述的分光计池(100)，还包括被设置在所述内容积内的内间隔件(412)，所述内间隔件具有接触端，其中，所述镜包括不直接附接到所述端盖的镜片，所述镜片包括与所述反射表面处于所述镜片的同一侧上的前接触表面以及与所述前接触表面相对的后接触表面，所述镜片被设置成接近所述端盖的内表面，以使得所述内表面接触所述后接触表面，以及所述内间隔件的接触端接触所述前接触表面，进而保持所述镜片紧固以当所述间隔件、所述内间隔件、所述镜片和所述端盖被组装时，使得确保所述光轴相对于所述光束的可再现对准和可再现取向中的至少一个。

10.根据权利要求1所述的分光计池(100)，还包括处于所述分光计池的至少一个浸润表面上的疏水性涂层。

11.一种使用根据权利要求1到10中任一项所述的分光计池(100)的方法，包括：

沿着源于所述至少一个光源的所述光学路径长度接收和重定向光束(102)至少一次，所述光学路径长度穿过所述内容积至少一次，所述接收和重定向是在包括所述反射表面的所述镜(104，106，302，322)处发生。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述间隔片(112)与所述端盖和所述镜中的至少一个具有相同的热膨胀系数。

13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述反射表面由包括以下材料中的至少一种的材料形成：不锈钢、铜、铝、硅酸铝合金、陶瓷、和复合材料。

14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述镜(104，106，302，322)还包括在所述反射表面上的一个或多个额外的反射涂层。

15.根据权利要求11所述的方法，其中，所述机械附接包括对于选自酸性气体化合物、碱性气体化合物、氟化化合物和氯化气体化合物的至少一种反应气体化合物呈化学惰性的附接材料。

16.根据权利要求11所述的方法，其中，所述反射表面具有处于以下范围中的一个或多个中的表面粗糙度：小于到到到到以及到

17.根据权利要求11所述的方法，其中，所述反射表面包括平面表面、球面曲率、具有空间上改变的曲率的任意弯曲的表面、和抛物线曲率中的至少一个。

18.根据权利要求11所述的方法，其中，所述反射表面被集成到所述端盖(304，324)的内表面，所述内表面向内朝向所述内容积。

19.根据权利要求11所述的方法，其中，所述反射表面被设置在可拆卸镜部件(322)上，所述可拆卸镜部件(322)可机械连接到所述端盖(304，324)的表面，所述可拆卸部件(322)和所述端盖(304，324)的内表面具有配合参考表面，在所述可拆卸镜部件(322)和所述端盖(304，324)被接合、以及所述端盖(304，324)被组装到所述间隔件(112)时，所述配合参考表面确保所述光轴相对于所述光束(102)的对准和定向中的至少一个。

20.根据权利要求11所述的方法，其中，所述分光计池(100)还包括被设置在所述内容积内的内间隔件(412)，所述内间隔件具有接触端，其中，所述镜包括不直接附接到所述端盖的镜片，所述镜片包括与所述反射表面处于所述镜片的同一侧上的前接触表面以及与所述前接触表面相对的后接触表面，所述镜片被设置成接近所述端盖的内表面，以使得所述内表面接触所述后接触表面，以及所述内间隔件的接触端接触所述前接触表面，进而保持所述镜片紧固以当所述间隔件、所述内间隔件、所述镜片和所述端盖被组装时，使得确保所述光轴相对于所述光束的可再现对准和可再现取向中的至少一个。