CN106198449B - 一种具有防爆外壳的气体光学感测装置 - Google Patents

Abstract

一种气体光学感测装置包括防爆的装置电子器件外壳。防爆的感测外壳具有允许光穿出和穿入感测外壳的光传送元件。感测外壳通过馈通可操作地连接至防爆的装置电子器件外壳。一方面，感测外壳的内部容积小于或等于防爆的装置电子器件外壳的容积的约1/50。在另一方面，光传送元件具有小于或等于约3毫米的厚度。光源设置在感测外壳内，并可操作地连接至装置电子器件。探测器设置在感测外壳内，并也可操作地连接至装置电子器件。

Description

一种具有防爆外壳的气体光学感测装置

技术领域

本发明涉及用于气体的光学感测装置。

背景技术

通常，气体吸收光谱技术通过将光束穿过样品并检测在所感兴趣物类的特定光谱吸收特征的波长处的吸收来测量气体样品中所感兴趣物类的存在和/或浓度。通常，这种特征为吸收谱线，其代表与所感兴趣气体分子的振动、旋转或电子跃迁对应的光频率。对于这种气体吸收光谱测量技术，可调谐二极管激光器具有许多优势：激光可被调整到光谱特征的中心，并能够提供相对于光谱特征宽度相对窄的信号。

激光吸收光谱技术也能提供高速并相对高精度的性能，以在相对于其它气体物类或成分具有相对低的交叉灵敏度的大气压力下检测在气体样品中多种痕量气体物类。可调谐二极管激光器光谱分析仪特别适于高灵敏度的研究，部分原因在于它们可被调频以降低低频激光噪声和电子噪声。通常地，激光光谱分析仪包括频率可调谐激光器，其产生照明输出光束，照明输出光束被引导穿过容纳由气体混合物的样品室。然后光束被引至光学检测器，并且检测器的信号被解调以获得感应吸收信号。该感应吸收信号可用于在气体样品中鉴别一种或多种感兴趣的物类。

发明内容

一种气体光学感测装置包括防爆的装置电子器件外壳。防爆的感测外壳具有用以允许光穿出和穿入感测外壳的光传送元件。感测外壳通过馈通可操作地耦接至防爆的装置电子器件外壳。一方面，感测外壳的内部容积小于或等于防爆的装置电子器件外壳的容积的约1/50。在另一方面，光传送元件具有小于或等于约3毫米的厚度。光源设置在感测外壳内并可操作地耦接至装置电子器件。探测器设置在感测外壳内并也可操作地耦接至装置电子器件。

附图说明

图1图解示出本发明的实施例特别有用的激光光谱系统。

图2图解示出根据本发明的实施例的具有防爆外壳的气体光学感测装置。

具体实施方式

光谱测量的一项挑战是控制测量路径(即，光源与测量路径之间，以及测量路径与光探测路径之间)之外空间内的气体成分。在测量路径之外的流体成分的非常小的变化也会影响测量值，并由此影响仪器的精度。一种对付该挑战的方法是将非测量光学路径封闭在受控容积内，例如在密封的外壳内。

除了上面的挑战，测量路径可能穿过必须与例如激光或其它电子器件的潜在的火源分离的爆炸性流体电子器件。这些部件(激光器或其它电子器件)通常置于防爆壳体内，其足够结实以便在外壳内的爆炸性气体被点燃的情况下保持内部的爆炸。因此防爆壳体可与测量路径接触。当电子器件容纳在防爆外壳中时，这种外壳可阻止气体进入外壳的内腔。此外，如果这种气体确实进入了外壳，并引起了爆炸，火焰将不能传播到外壳的外部。

对于潜在的爆炸性气氛的防爆等级的一个实例是以Ex d标准EN60079-0和EN60079-1的ATEX认证。通常地，防爆壳体的体积是相对庞大的，以便机械上足够结实以保持内部的爆炸而不会破裂。然而，对于基于光学的仪器，光必须从可能成为潜在的火源的火源，例如激光器，到达潜在的爆炸环境，这种结实的结构也会产生挑战。在这种情况下，光源、光探测元件和上面描述的受控容积通常一起置于防爆壳体内。由于壳体内部部件的数量，壳体的尺寸——以及任何潜在的爆炸的内压——将达到使得传送光进入测量路径的元件将需要足够厚以承受并保持经受任何可能爆炸的量级。然而，这种光传送元件在测量中会产生光学干扰。

例如，美国专利US7,864,323提供了一种用于在测量气体中测量气体成分浓度的方法。该专利给出了一种装置，其能够经受防爆壳体。当制造出根据该专利的装置，光路必须穿过相对较厚的光学透镜。此外，光源和透镜之间的容积必须由净化气体填充，以排出可能潜在地影响测量的气体成分，例如氧气。另外的缺点是厚透镜会影响装置的性能。而且，净化气体成分的精度也会影响整个仪器的精度。最终，为操作使用的净化气体的花费相当大。

本发明的实施例大体提供了一种光谱气体感测装置，其中一个或多个元件置于防爆外壳内。气体感测装置包括防爆外壳，防爆外壳与带有光传送元件的测量路径相接。防爆外壳包括位于其中的光源，以及一个或多个光感测部件和合适的气体。防爆外壳的体积保持相对较小，以降低潜在的爆炸压力。该相对小的体积，以及相应的小的潜在爆炸压力，允许光传送元件比大体积外壳所需要的光传送元件薄。由于外壳是防爆的，因此这种更薄的窗口可与潜在的有害气氛接触。因此，本发明的实施例允许大量的合适的气体——和一直保持不变的成分——被置于光源/光敏元件和测量路径之间。这减少光路中不确定的气体成分或昂贵的净化气体，而不会减少被测气体。

图1示出了一种本发明的多方面特别有用的激光光谱系统100的一个实例。激光光谱系统100包括激光器110，激光器产生激光照明112。发射的光112穿过参考室114，并穿过光学传送元件116，并穿过处理区域118，在处理区域光反射离开反射表面120。光112从反射表面120反射后，它返回通过处理区域118、元件116和参考室114，在参考室光被探测器111接收。装置电子器件102与探测器111耦接，以便所接收的光被检测或测量。为了确定在处理区域118内气体的浓度，所发射的光112的频率必须准确并已知。装置电子器件102，除了接收和响应用户的输入，还能控制从激光器110发射的光112的波长。激光器110为可调谐二极管激光器，其产生或者由用户输入或者由装置电子器件确定的设定波长的发射光112。

在一个实例中，穿过光112的参考室114包含具有已知吸收值的已知浓度的流体。在一个实施例中，处理区域118为样品室。

图2图解示出了根据本发明的实施例的具有防爆外壳的气体光学感测装置。气体感测装置100包括置于第一防爆外壳104内的装置电子器件102。装置电子器件102包括任何合适的电子器件，包括电源电子器件，配置为接收来自任何合适来源的电能，例如AC电源，并配置为调节功率以为装置100内的各种部件供应电力。此外，装置电子器件还可包括合适的处理电路，例如微处理器，其能适当地控制可调谐二极管激光器并接收来自光学探测器的输出。基于从光学探测器接收的输出信号，控制器可根据响应确定光谱特征，并根据现有技术提供合适的感兴趣气体的指示。

在图2所示出的实施例中，外壳104遵从例如上面提出的至少一个防爆等级。因此，如果装置电子器件在外壳内引起爆炸，爆炸将不会传到外壳104外部，因此不会引燃周围环境。在一些实施例中，外壳104由合适的惰性气体106填充，或者甚至加压。为了容纳装置电子器件，外壳104具有大约500cm³或者更大的内部容积。

根据本发明的实施例，装置100包括比外壳104小的第二防爆外壳108。在一个实例中，外壳108的体积为电子器件外壳体积大约1/50，或比电子器件外壳体积小大约50倍。更具体地，第二防爆外壳108的体积等于或小于约10cm³。通过将感测外壳108与电子器件外壳104分开，感测外壳108的体积可保持非常小。发生在第二防爆外壳108内的爆炸能量将随外壳体积的增大而增大，原因是外壳内将有更多的爆炸性气体混合物。同时，该能量所作用的外壳内部区域并不以同样比率增大。例如，球形体积与半径的立方成比例，而表面面积与半径的平方成比例。因此在更小的外壳体积情况下，作用在内壁上的压力更小，并且由此允许更薄的窗口玻璃。在第二防爆外壳108的体积保持在10cm³或小于10cm³的实施例中，光传送元件的厚度可为3mm或更薄。这显著改善了光学性能。

在图2所示出的实施例中，在感测外壳108内只有光探测器111、光学光源10，例如可调谐二极管激光器，和合适的非爆炸性气体115。感测外壳108内的气体115可以一直保持不变，以为装置100提供参考。来自源110的光被引导穿过感测外壳108内的气体115，穿过光传送元件115，进入气体容积部118，并在反射镜120处反射回进入感测外壳118，传播至一个或多个光探测器111。

这样，设备100允许沿气体容积部118之外的整个光路，从光源110到元件116并从元件116到一个或多个光探测器111测量受控的气体成分115。根据本发明的实施例，光传送元件116可以被保持薄，并且提供比厚的设计更好的光学性能。由于感测外壳108内的容积远小于防爆电子器件外壳104的体积，因此元件116可设置得更薄。相应地，任何发生在感测外壳108内的爆炸或燃烧不会达到电子器件外壳104内可能出现的压力。这样，因为只需要容纳更小的压力，因此元件116能够实现更薄的设计。电子器件壳体104和感测外壳108通过防爆的馈通122耦接在一起。馈通122被设计为能够承受外壳104或108内的爆炸压力，不允许压力或火焰传播到其它外壳。现有技术中存在配置为承受爆炸压力并阻止火焰从感测外壳传播到待测量的气体容积部的安装机构和/或技术。

感测外壳108可具有合适的气体入口/出口，以根据需要周期性地填充或排放气体。在一个实施例中，外壳108简单地填充并密封有预定的非爆炸性气体或气体混合物。附加地，或可选地，感测外壳108内的气体可以为波长参考气体。最后，在感测外壳108内设置一个或多个附加的传感器，而在电子器件外壳104内可以设置与这些附加的传感器相互作用的合适的电子器件。因此，在电子器件外壳104内的电子部件与在感测外壳108内的装置和电子器件分离。在感测外壳108内的装置通过防爆的馈通122与装置电子器件电连接，以附图标记124图解示出。这些附加的传感器的实例包括压力和/或温度传感器126，其也可通过馈通122与装置电子器件耦接。

外壳104和108中的每个设计为遵从至少一个防爆等级，例如上面提出的。因此，测量路径不会受每个外壳内的爆炸的影响。而且，在一个实施例中，外壳足够长使得电子器件部件不受测量路径的超出每个外壳104、108内部件允许的操作范围之外的温度的影响。以耐高温、高压和不受化学性质影响的密封结合将元件116粘附、熔合或以其它方式安装至感测外壳108。在一个实施例中，感测外壳108内的电子器件部件被预安装在罐内，电子器件部件依次被粘附或焊接至壳体上，以确保气体密封。

虽然这里参考优选实施例描述了本发明，然而本领域技术人员能够认识到在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节方面做出改变。

Claims (19)

1.一种气体光学感测装置，包括

装置电子器件外壳，构造成符合防爆等级，所述装置电子器件外壳容纳装置电子器件；

防爆级的感测外壳，具有用以允许光穿出和穿入所述感测外壳的光传送元件，所述感测外壳通过馈通可操作地耦接至所述装置电子器件外壳，其中所述感测外壳的内部容积等于或小于所述电子器件外壳的容积的1/50；

光源，设置在所述感测外壳内并可操作地耦接至所述装置电子器件，其中所述装置电子器件配置成控制由所述光源发射的照射光的波长；以及

探测器，设置在所述感测外壳内并可操作地耦接至所述装置电子器件。

2.根据权利要求1所述的气体光学感测装置，其中所述电子器件外壳填充有惰性气体。

3.根据权利要求1所述的气体光学感测装置，其中所述感测外壳填充有具有已知成分的气体。

4.根据权利要求1所述的气体光学感测装置，其中所述馈通是防爆的。

5.根据权利要求1所述的气体光学感测装置，其中所述光源通过所述馈通耦接至所述装置电子器件。

6.根据权利要求1所述的气体光学感测装置，其中所述探测器通过所述馈通耦接至所述装置电子器件。

7.根据权利要求1所述的气体光学感测装置，其中所述电子器件外壳和所述感测外壳彼此相邻地设置。

8.根据权利要求1所述的气体光学感测装置，还包括至少一个附加的传感器，所述至少一个附加的传感器设置在所述感测外壳内并可操作地耦接至所述装置电子器件。

9.根据权利要求1所述的气体光学感测装置，其中所述光源为可调谐二极管激光器。

10.根据权利要求1所述的气体光学感测装置，其中所述光传送元件的厚度被选择为遵从于一防爆等级。

11.根据权利要求10所述的气体光学感测装置，其中所述光传送元件的所述厚度小于或等于3毫米。

12.根据权利要求1所述的气体光学感测装置，还包括反射镜，所述反射镜设置在所述感测外壳的外部并被配置为通过所述光传送元件将光反射回到所述感测外壳中。

13.根据权利要求1所述的气体光学感测装置，其中所述感测外壳的所述内部容积小于或等于10立方厘米。

14.一种气体光学感测装置，包括

防爆的装置电子器件外壳；

防爆的感测外壳，具有用以允许光穿出和穿入所述感测外壳的光传送元件，所述光传送元件具有小于或等于3毫米的厚度，所述感测外壳通过馈通可操作地耦接至所述防爆的装置电子器件外壳；

光源，设置在所述感测外壳内并可操作地耦接至所述装置电子器件并通过所述装置电子器件控制；以及

探测器，设置在所述感测外壳内并可操作地耦接至所述装置电子器件；和

其中所述防爆的装置电子器件外壳和防爆的感测外壳都构造成使得每一个配置成保持内部的爆炸符合防爆等级。

15.根据权利要求14所述的气体光学感测装置，其中所述电子器件外壳填充有惰性气体。

16.根据权利要求14所述的气体光学感测装置，其中所述感测外壳填充有具有已知成分的气体。

17.根据权利要求14所述的气体光学感测装置，其中所述馈通是防爆的。

18.根据权利要求14所述的气体光学感测装置，其中所述光源通过所述馈通耦接至所述装置电子器件。

19.一种气体光学感测装置，包括

防爆的装置电子器件外壳，具有外壳体积；

防爆的感测外壳，具有感测体积，防爆的感测外壳具有以允许光穿出和穿入所述感测外壳的光传送元件，所述感测外壳通过馈通可操作地耦接至所述防爆的装置电子器件外壳，其中所述感测外壳的内部容积小于或等于10立方厘米；

光源，设置在所述感测外壳内并可操作地耦接至所述装置电子器件；以及

探测器，设置在所述感测外壳内并可操作地耦接至所述装置电子器件；和

其中所述防爆的装置电子器件外壳和防爆的感测外壳都构造成使得每一个配置成保持内部的爆炸符合防爆等级，并且，其中所述感测体积小于所述外壳体积。