CN107533002A - 用于非色散式红外气体分析仪的辐射探测器 - Google Patents
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Abstract
一种用于非色散式红外气体分析仪的辐射探测器(2)，其具有两个被壳体(1)包围的并且被可透过红外线且不可透过气体的分隔元件(7)隔开的探测器腔(6)，所述探测器腔能够填充吸收辐射的被测气体，所述辐射探测器还具有能够安置在壳体(1)外侧的贴靠面(8)上的容纳元件(9)以及在所述容纳元件内固定的包含流量传感器或压力传感器的测量系统(10)，其中，每个探测器腔(6)均通过在壳体(1)内延伸的通气的通道(11)与所述测量系统(10)气动地连接。所述辐射探测器(2)的壳体(1)模块化地构造并且包含基础元件(3)以及第一和第二外部元件(4、5)，所述基础元件包括通道(11)、分隔元件(7)和固定在容纳元件(9)内的测量系统(10)，所述外部元件分别能够与所述基础元件(3)相连并且分别包围探测器腔(6)。所述外部元件(4、5)具有位于红外线光路内的开口，并且所述开口通过可透过射线的窗户(12)被气密地封闭，其中，所述容纳元件(9)以及第一和第二外部元件(4、5)与所述基础元件(3)相接合。
Description
本发明涉及一种用于非色散式红外气体分析仪的辐射探测器，其具有两个被壳体包围的并且被可透过红外线且不可透过气体的分隔元件隔开的探测器腔，所述探测器腔能够填充吸收辐射的被测气体，所述辐射探测器还具有能够安置在壳体外侧的贴靠面上的容纳元件以及在所述容纳元件内固定的包含流量传感器或压力传感器的测量系统，其中，每个探测器腔均通过在壳体内延伸的通气的通道与所述测量系统气动地连接。
这种类型的辐射探测器由DE 195 40 072 B4已知并且是非色散式红外气体分析仪的组成部分。通过辐射斩波装置调制的红外线或者射向填充被测气体的槽或者射向与此并排布置的填充惰性气体的槽。该槽与填充待定气体组分的探测器串联。该探测器至少由与压力传感器或流量传感器相连的探测器腔构成。
为了能测量某些腐蚀性的气体，使用铝制探测器，其中，铝在加工后形成非常耐腐蚀的铝氧化层，例如通过等离子聚合作用生成。这样的探测器在DE 10 2006 014 007 B3中已知。
由DE 39 37 141 A1已知一种非色散式红外气体分析仪，其中填充参比气体的槽布置在流过被测气体的槽的旁边。由斩波器调制的红外光源的光束穿过各自的槽和在红外光源的光路中布置的第一辐射接收器。该辐射接收器包括两个填充待定的第一被测气体的腔。这些腔通过通气的通道相连，在通道中集成有压力传感器、例如膜电容。在腔中包围的气体量通过穿过它的辐射的特定波长的吸收而使得加热程度有所不同，由此出现作为量度可被传感器测量的当前气体浓度的压力差。第二辐射接收器和第一辐射接收器串联，在第二辐射接收器内存在待分析的第二被测气体试样。穿过在第一辐射接收器内集成的透明窗户后射线接触第二辐射接收器，在此再次确定第二被测气体试样的浓度。在两个辐射接收器之间布置辐射滤波器。
在DE 25 05 006 C3中已知另外的一种具有多个串联排列布置的探测器的非色散式红外气体分析仪。
此外，JP 2003 065 954 A公开了一种用于非色散式红外气体分析仪的辐射探测器，其中，壳体包括两个腔室。
已公开的红外气体分析仪的缺点是通过制造方法制备探测器，其中仅有少量变形方案而且探测器仅适应于一种特定的待分析的气体组分。探测器的基本元件例如探测器腔或传感器固定集成在探测器内而且不能适应于不同的待测气体。无法实现探测器的灵活变化或者不同结构探测器的组合。
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种不具有已知辐射探测器的缺点并且容易制造的辐射探测器。
所述技术问题按照本发明通过一种具有权利要求1中所述的技术特征的辐射探测器解决。所述辐射探测器的有利的结构在从属权利要求中说明。
按照本发明，所述辐射探测器的壳体模块化地构造并且包含基础元件以及第一和第二外部元件，所述基础元件包括通道、分隔元件和固定在容纳元件内的测量系统，所述外部元件分别能够与所述基础元件相连并且分别包围一个探测器腔，并且所述外部元件具有位于红外线光路内的开口，其中，所述开口通过可透过射线的窗户被气密地封闭，其中，所述容纳元件以及第一和第二外部元件与所述基础元件相接合。在本发明的意义下，所述基础元件和外部元件可以被称为模块化的部件。被测气体按照本发明视作借助气体分析仪待定量分析的混合气体。所述探测器的模块化结构可以实现简易的、尤其是成本低的探测器在各个期望的应用目的和各个待定被测气体组分方面的适应性。使用一种具有用于测量必要的测量系统的基础元件，所述基础元件按照各种应用目的补充以相应的外部元件，所述外部元件根据待分析的被测气体组分来选择。
通过模块化地构造方式，可以设计不同几何形状的探测器腔，而不需要在结构上改变基础元件。外部元件可以按照本发明的优选设计方案不同长度地设计，由此探测器腔在轴向具有不同的长度。在此已知，被测气体组分的不同的吸收性或者通过不同的吸收系数或者通过不同的浓度导致。按照朗伯比尔定律，吸收性还和腔室长度有关。吸收系数、浓度和腔室长度的乘积的值越小，吸收性曲线关于变化浓度的线性越好。在不同吸收性数值下不同的吸收性曲线的曲率导致测量曲线与真实的测量曲线不总是一致，而测量设备通常按照测量曲线来校准。然而，这种偏移通过合适地选择腔室长度可以被补偿。按照优选的设计方案，通过根据待分析的被测气体以及被测气体组分调整外部元件，按照本发明可以容易地改变腔室长度。
不仅是探测器腔室长度而且还有探测器腔室长度间的相互比例关系对辐射探测器的测量质量有影响。所述比例关系一方面可以通过不同的腔室长度改变，另一方面也可以通过分隔元件的安装位置的变化来改变。探测器腔在轴向上的长度也可以通过分隔元件的安装位置的改变而变化，由此一个腔室与另一个腔室相比变小或变大，而且腔室长度比例关系不是1:1。
模块化地构造方式也使多个辐射探测器在光学工作台上的布置简单化。多个辐射探测器可以在光学工作台上同轴地串联布置在红外线的光路中，以此来确定例如被测气体中不同的被测气体组分，其中单个探测器腔室长度可以相应调整适应于待定被测气体组分。由此测量质量可以被显著地改善。
为了达到容纳元件和测量系统之间稳固的连接，按照本发明的设计方案，所述容纳元件由能够焊接的材料构成，其中，所述测量系统焊接在所述容纳元件内。通过更换具有焊接的测量系统的容纳元件，辐射探测器可以以简单的方式事后维修。此外，测量系统的功能可靠性可以在与容纳元件相固定后和装入基础元件之前被检查，这改善了生产率。所述测量系统优选地完全填满容纳元件并且探测器腔分别通过通道和测量系统气动地连接。具有焊接的测量系统的容纳元件尤其气密地与基础元件相连，其中，在测量系统和探测器腔之间存在通道形状的气动的连接，并且由此每个探测器腔和测量系统气动地连接。为此容纳元件具有径向的钻孔，所述钻孔建立起基础元件内的通道与测量系统的连接。所述通道同样可以实施为在基础元件内的径向钻孔。
所述辐射探测器可以具有连接区域、例如法兰，所述连接区域使得探测器事后装入已有的红外气体分析仪成为可能。由此辐射探测器可以借助小法兰技术安装在红外气体分析仪内。模块化的部件可以同样地具有连接区域，通过所述连接区域部件可以相互连接。优选地，所述容纳元件以及第一和第二外部元件通过胶粘、熔焊或钎焊与所述基础元件相连。通过辐射探测器模块化的构造方式，接合方法分别根据模块化部件的材料、辐射探测器的使用目的或者根据其它在辐射探测器中集成的部件而变化。
所述辐射探测器、即模块化的部件可以由金属或者合金、如不锈钢制造。在本发明的另外的设计方案中，所述基础元件以及第一和/或第二外部元件由铝构成。优选设计方案的优点是，模块化的部件不需要互相焊接，这本质上简化了制造过程。此外可以舍弃探测器腔的表面处理，其中，分别根据被测气体有利的是实施表面处理，以此保证当辐射探测器用于腐蚀性气体的分析时的长期稳定性。
按照本发明建议，由铝构成的模块化部件通过钎焊或胶粘相互连接，也就是说，容纳元件以及第一和第二外部元件通过胶粘或钎焊与基础元件相连。由此不仅可以避免在熔焊中出现的高温，而且辐射探测器的制造可以更简单、成本更低。
此外有利的是，位于红外线光路内的光学滤波器安置在所述分隔元件或可透过射线的窗户上。作为光学滤波器例如可使用干涉滤波器、吸收滤波器或透光过滤器。由于胶粘时出现的温度比熔焊时更低，在辐射探测器装配的时，光学滤波器可以预先被安置在分隔元件或支撑在外部元件内的可透过射线的窗户的边上。所述光学滤波器可以降低交叉敏感性，所述交叉敏感性可能是由被测气体中气体组分引起的。
此外建议，为了降低交叉敏感性，作为光学滤波器的附加或补充而使用气体过滤器。为此，至少一个外部元件具有位于红外线光路内的并且与探测器腔气密地隔开的过滤器腔，所述过滤器腔被填充过滤气体。所述气体过滤器的优点是可以针对特定的应用来填充过滤气体。过滤气体有时还可以调整以适应于各种应用。通过气体过滤器可以吸收红外线中的特定波长的光。
按照本发明建议，所述分隔元件设计为可透过红外线且不可透过气体的窗户。所述分隔元件可以由氟化钙或氟化钡制造并且通过胶粘、熔焊或钎焊集成在基础元件内。如此有利的是，通过中间框使分隔元件与基础元件气密地相连以及使窗户与外部元件气密地相连。所述中间框可以通过玻璃焊料气密地封闭。
按照本发明的辐射探测器在一种设计方案中可以设计为不可透射红外线的，方法是，至少一个窗户是配备射线反射层或射线反射玻璃的窗户。
此外按照本发明规定，提供一种非色散式红外气体分析仪，其包含前述类型的辐射探测器，其中，至少一个另外的辐射探测器布置在第一辐射探测器之后，所述另外的辐射探测器被填充相同或另外的被测气体。在光学工作台上多个辐射探测器可以同轴地相继地布置并且通过探测器中可透过红外线的窗户来保证红外线相应地穿过相继布置的探测器。被测气体中的多种被测气体组分通过所述装置被检测，并且通过相应的槽的选择确定浓度。通过优选的非色散式红外气体分析仪，可以进行较强和较弱吸收性的被测气体组分的检测。优选地，辐射探测器作为气体过滤器对连接在下游的辐射探测器起作用，因为红外线按波长地被探测器中填充的被测气体所吸收。为了进一步降低对交叉敏感性的影响，可以规定，光学滤波器布置在第一和另外的辐射探测器之间。
以下根据附图中描述的本发明的实施例进一步阐释本发明。在附图中：
图1示出辐射探测器的壳体的横截面，
图2示出具有光学滤波器的辐射探测器的壳体的横截面，
图3示出具有气体过滤器的辐射探测器的壳体的横截面，
图4示出具有不同长度设计的外部元件的辐射探测器的壳体的横截面，
图5示出具有不同长度设计的探测器腔的辐射探测器的壳体的横截面，和
图6示出辐射探测器的多级布置。
在图1中示出的辐射探测器2的壳体1模块化地构造并且由基础元件3和第一和第二外部元件4、5组成，其中，外部元件4、5根据在红外分析仪中的安装情况可以视作前外部元件4和后外部元件5。基础元件3和外部元件4、5可以称为模块化部件。基础元件3和外部元件4、5形成两个探测器腔6，所述探测器腔通过可透过红外线且不可透过气体的分隔元件7被分隔。分隔元件7可以设计为可透过红外线且不可透过气体的窗户，并且例如布置在基础元件中的未示出的凹槽内。
如图2所示，基础元件3在其上侧具有贴靠面8，所述贴靠面例如可以由台阶或凹槽形成。容纳元件9被固定在贴靠面8上，容纳元件9用于容纳包含流量传感器或压力传感器的测量系统10。每个探测器腔9通过延伸到壳体1、更准确地是基础元件3中的通气的通道11与容纳元件9以及和测量系统10气动地相连。通道11可以作为径向钻孔引入基础元件3中。
容纳元件9由具有焊接能力的材料构成，例如由铁、镍以及钴组成的可伐(Kovar)合金。测量系统10焊入容纳元件9内，其中，测量系统10如此固定在容纳元件9中，从而形成通道11与相应的探测器腔6的通气的连接。通道11尽可能地从探测器腔6到测量系统10直线地延伸，以此获得尽可能强的测量效果。为了使测量效果不受不同通道几何形状的影响，通入各探测器腔6的通道11在几何上设计为相同或至少相似的形状，通道11分别使探测器腔6与测量系统10气动地相连。
外部元件4、5布置在基础元件3的两侧并且相对于基础元件3同轴地布置，并且外部元件4、5分别包围探测器腔6。也就是说，探测器腔6分别由外部元件4、5和基础元件3形成。外部元件4、5具有位于红外线光路内的开口，其中，开口被可透过红外线的窗户12气密地封闭。分隔元件7也可以设计为可透过红外线且不可透过气体的窗户。窗户12和分隔元件7可以例如由氟化钙制造。如果窗户12不是直接通过接合工艺气密地装入所述开口，则窗户12和相应的设计为窗户的分隔元件7通过未在附图中示出的环形的中间框和外部元件4、5以及基础元件3相连。所述中间框可以由铝合金、金合金或银合金制成。具有中间框的窗户12所要求的气密的密封可以借助玻璃焊料通过热学的密封达到。探测器腔6由此可以接收穿过窗户12和分隔元件7的红外线。
基础元件3和外部元件4、5具有未示出的连接区域，所述连接区域可以设计为例如环形的贴靠面、台阶或法兰，并且实现基础元件3和第一以及第二外部元件4、5的连接。容纳元件9、第一以及第二外部元件4、5通过胶粘、熔焊或钎焊与基础元件气密地连接。例如外部元件4、5通过在其周围的焊缝与基础元件3气密地焊接。容纳元件9在壳体的外侧安置基础元件3的贴靠面8上，并且可以通过胶粘或钎焊与基础元件3连接。由此可以实现辐射探测器2的模块化，所述辐射探测器可以适应于不同种类的应用情况。此外测量系统10在固定于容纳元件9内之后和装入辐射探测器2内之前进行性能检测。在失效的情况下也可以进行测量系统10的简单更换。
借助在附图中未示出的填充接管，被测气体可以被注入探测器腔6，以便测量被测气体中的气体组分，其中，探测器腔6被可透过射线的分隔元件7分隔。红外线被两个串联的探测器腔6中的被测气体所吸收，其中，被测气体由于不同的吸收率而被不同程度地加热，并且由此在探测器腔6中出现压力差。所述压力差可以通过测量系统10转换成测量信号，所述测量系统在使两个探测器腔6气动地相互连接的通道11中耦合并且包含流量传感器或压力传感器。
如图2所示，位于分隔元件7和红外线光路内的光学滤波器13可以布置在所述辐射探测器中。光学滤波器13也可以粘在布置于外部元件4、5内的窗户12上。用于降低交叉敏感性的光学滤波器13仅在某个确定的温度以内是稳定的，由此通常不能在辐射探测器制成之前装入其内。按照本发明的辐射探测器2，即基础元件3和外部元件4、5可以由铝制成。第一和第二外部元件4、5然后可以通过胶粘和基础元件3相连。优选地，胶粘剂在合适的温度进行硬化处理，由此已装配的光学滤波器的性能不会被温度损害。
冷焊方法优选作为钎焊方法，所述方法完全放弃焊剂并且在此原材料直接避免了有可能存在的氧化物，由此形成均匀的焊接处。
如果辐射探测器2由铝制成，则测量系统10仅通过焊接装入由具有可焊接性的材料构成的容纳元件9中。具有已装入的测量系统10的容纳元件9可以同样地通过胶粘或钎焊与基础元件相连。
所出现并且由被测气体中存在的次要成分引起的交叉敏感性也可以通过在图3中示出的气体过滤器降低。在此，辐射探测器2的壳体1也包括探测器腔6，所述探测器腔被可透过红外线的分隔元件7分隔并且分别被第一和第二外部元件4、5包围。至少一个外部元件4、5具有位于红外线光路内的并且被探测器腔6气密地分隔的过滤器腔14，所述过滤器腔被填充与红外线敏感的过滤气体并且由此作为气体过滤器发挥作用。所述过滤器腔14作为与探测器腔6气密地隔开的腔室，该腔室例如由附加的可透过红外线且不可透过气体的隔板15和外部元件5的外壁16形成。外壁16可以设计为窗户12。隔板15可以通过胶粘、熔焊或钎焊与外部元件5连接。过滤气体可以根据辐射探测器2的使用目的注入过滤器腔14，并且被测气体通过图3中方向箭头示出的接口或填充接管注入探测器腔6中。当辐射探测器2存在多级布置并且例如在光学工作台上使用时，所述气体过滤器尤其是有利的。所述气体过滤器过滤穿过的射线，用于后面的辐射探测器，由此使得有可能出现的交叉敏感性被降低。
图4和图5示出具有壳体1和基础元件3的辐射探测器2，所述基础元件具有测量系统10以及连接探测器腔6和所述测量系统的通道11，其中，至少一个探测器腔6在轴向上被延长。在图4中通过外部元件4的轴向延长而实现，与此相对地，在图5中辐射探测器2的基础元件3中的分隔元件7的安装位置或安装定位被改变。各个腔室长度通过边界箭头在图4和图5中描绘。探测器腔6具有不同的长度并且由此具有不同的可容纳的气体体积。所述腔室长度以及腔室长度相互间的比例关系导致辐射探测器2具有较好的线性和改善的信噪比，由此测量质量得以显著地改善。
对于辐射探测器2的各种布置方式来说，至少一个窗户12可以是配备射线反射层或射线反射玻璃的窗户，由此提高了辐射效率。所述探测器腔的壁面还可以具有射线反射表面或涂层。
如图6所示，具有基础元件3和外部元件4、5的辐射探测器2由于其模块化的构造也可以以串联的多级布置方式来使用。对于多级布置方式，至少一个另外的辐射探测器17同轴地布置在第一辐射探测器2之后，辐射探测器17填充以相同的或另外的被测气体。光学滤波器13或气体过滤器可以被布置在第一和第二辐射探测器2和17之间。通过所述多级布置可以同时检测被测气体试样中的多种气体组分。红外线射向具有可透过红外线的窗户12的第一辐射探测器2并且穿过的射线射向另外的辐射接收器17，所述辐射接收器同轴地布置在第一辐射接收器2之后。光学滤波器13、例如透光过滤器布置在两个辐射探测器2之间的光路内，所述滤波器对于波长特定的光辐射是可以透过的。由此，可以借助模块化的辐射探测器2、17确定被测气体中的多种组分。为了改善测量，腔室可以具有不同的位置。为了确定被测气体中另外的组分，相应数量的另外的辐射探测器17被布置在第一辐射探测器2的光路内。
Claims (12)
1.一种用于非色散式红外气体分析仪的辐射探测器(2)，其具有两个被壳体(1)包围的并且被可透过红外线且不可透过气体的分隔元件(7)隔开的探测器腔(6)，所述探测器腔(6)能够填充吸收辐射的被测气体，所述辐射探测器(2)还具有能够安置在壳体(1)外侧的贴靠面(8)上的容纳元件(9)以及在所述容纳元件(9)内固定的包含流量传感器或压力传感器的测量系统(10)，其中，每个探测器腔(6)均通过在壳体(1)内延伸的通气的通道(11)与所述测量系统(10)气动地连通，其特征在于，所述辐射探测器(2)的壳体(1)模块化地构造并且包含基础元件(3)以及第一和第二外部元件(4、5)，所述基础元件(3)包括通道(11)、分隔元件(7)和固定在容纳元件(9)内的测量系统(10)，所述外部元件(4、5)分别能够与所述基础元件(3)相连并且分别包围一个探测器腔(6)，并且所述外部元件(4、5)具有位于红外线光路内的开口，并且所述开口通过可透过射线的窗户(12)被气密地封闭，其中，所述容纳元件(9)以及第一和第二外部元件(4、5)与所述基础元件(3)相接合。
2.按照权利要求1所述的辐射探测器(2)，其特征在于，所述容纳元件(9)由能够焊接的材料构成，并且所述测量系统(10)焊接在所述容纳元件(9)内。
3.按照权利要求1或2所述的辐射探测器(2)，其特征在于，所述分隔元件(7)设计为可透过红外线且不可透过气体的窗户。
4.按照前述权利要求之一所述的辐射探测器(2)，其特征在于，通过中间框使所述分隔元件(7)与所述基础元件(3)气密地相连以及使所述窗户(12)与所述外部元件(4、5)气密地相连。
5.按照前述权利要求之一所述的辐射探测器(2)，其特征在于，至少一个窗户(12)是配备射线反射层或射线反射玻璃的窗户。
6.按照前述权利要求之一所述的辐射探测器(2)，其特征在于，所述外部元件(4、5)设计为不同的长度，使得所述探测器腔(6)沿轴向具有不同的长度。
7.按照前述权利要求之一所述的辐射探测器(2)，其特征在于，至少一个外部元件(4、5)具有位于红外线光路内的并且与探测器腔(6)气密地隔开的过滤器腔(14)，所述过滤器腔(14)被填充过滤气体。
8.按照前述权利要求之一所述的辐射探测器(2)，其特征在于，所述容纳元件(9)以及第一和第二外部元件(4、5)通过胶粘、熔焊或钎焊与所述基础元件(3)相连。
9.按照前述权利要求之一所述的辐射探测器(2)，其特征在于，所述基础元件(3)以及第一和/或第二外部元件(4、5)由铝构成。
10.按照权利要求9所述的辐射探测器(2)，其特征在于，位于红外线光路内的光学滤波器(13)安置在所述分隔元件(7)或可透过射线的窗户(12)上。
11.一种非色散式红外气体分析仪，包含按照权利要求1至10所述的辐射探测器(2)，其特征在于，至少一个另外的辐射探测器(17)布置在第一辐射探测器(2)之后，所述另外的辐射探测器(17)被填充相同或另外的被测气体。
12.按照权利要求11所述的非色散式红外气体分析仪，其特征在于，光学滤波器(13)布置在第一和另外的辐射探测器(2、17)之间。
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