CN108226038A - 气体分析 - Google Patents

气体分析 Download PDF

Info

Publication number
CN108226038A
CN108226038A CN201711415103.4A CN201711415103A CN108226038A CN 108226038 A CN108226038 A CN 108226038A CN 201711415103 A CN201711415103 A CN 201711415103A CN 108226038 A CN108226038 A CN 108226038A
Authority
CN
China
Prior art keywords
reflector
configuration
sample
radiation beam
optical radiation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201711415103.4A
Other languages
English (en)
Inventor
D.P.罗宾逊
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Technology GmbH
Original Assignee
Alstom Technology AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Alstom Technology AG filed Critical Alstom Technology AG
Publication of CN108226038A publication Critical patent/CN108226038A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/26Oils; Viscous liquids; Paints; Inks
    • G01N33/28Oils, i.e. hydrocarbon liquids
    • G01N33/2835Specific substances contained in the oils or fuels
    • G01N33/2841Gas in oils, e.g. hydrogen in insulating oils
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B17/00Systems with reflecting surfaces, with or without refracting elements
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N21/03Cuvette constructions
    • G01N21/0303Optical path conditioning in cuvettes, e.g. windows; adapted optical elements or systems; path modifying or adjustment
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N21/03Cuvette constructions
    • G01N21/031Multipass arrangements
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/33Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using ultraviolet light
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3504Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84Systems specially adapted for particular applications
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/10Scanning systems
    • G02B26/12Scanning systems using multifaceted mirrors
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N21/03Cuvette constructions
    • G01N2021/036Cuvette constructions transformable, modifiable
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/02Mechanical
    • G01N2201/022Casings
    • G01N2201/0227Sealable enclosure
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/06Illumination; Optics
    • G01N2201/066Modifiable path; multiple paths in one sample
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/12Circuits of general importance; Signal processing
    • G01N2201/124Sensitivity
    • G01N2201/1241Multirange
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00Optical elements other than lenses
    • G02B5/08Mirrors

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Optical Measuring Cells (AREA)

Abstract

本发明公开了一种用于气体分析的方法和设备。设备(200)可以具有定位在用于气体样品的样品容积部(202)的任一侧上的第一反射器(103)和第二反射器(104)。第一反射器的配置可以在至少第一配置(103)和第二配置(103a)之间是可变的,其中,第一和第二配置中的每一个被布置成使得来自光束原点(210)的光学辐射束经由样品容积部被引导到检测器位置(212)。在第二配置中,光学辐射束从第一和第二反射器中的每一个被反射至少一次,并且通过样品容积部的光学辐射束的路径长度比在第一配置中更大。

Description

气体分析
技术领域
本发明涉及用于痕量气体分析的方法和设备,特别是涉及光学气体分析,尤其涉及指示绝缘油的分解的目标种类的检测。
背景技术
可以分析样品以确定存在一种或多种目标气体种类的气体分析在一系列应用中是有用的。
一个特定的应用是用于在高压发电或配电系统中监测诸如变压器的电气部件。大型电力变压器可以在各种发电或配电系统中使用。变压器的各个部分需要与变压器的其它部分和/或周围环境电绝缘,并且绝缘的至少一部分通常由绝缘油提供。绝缘油例如可以设置在外壳内以冷却和绝缘变压器绕组。
绝缘油选择成对于预期的正常操作条件具有合适的性能。然而,如果发生电气故障,这可能会导致异常操作条件。例如,在发生一些电气故障的情况下,可能会出现高于正常情况下可以预期的绝缘油的显著的局部加热和/或绝缘油内的放电。这种电气故障可能导致绝缘油的组分的分解,并生成溶解在油中的分解气体。
诸如矿物油的合适的绝缘油通常含有长链烃分子。电气故障可导致绝缘油分解为各种不同的组分,例如乙炔、乙烷或乙烯。这些分解组分可以作为溶解在绝缘油中的气体产生,并且可以仅在绝缘油已经经受一些异常的操作条件时才存在。因此,检测这种分解气体的存在提供了关于电气故障的发生的有用信息,其作为例如用于预防性维护的监测系统的一部分是有用的。
溶解气体分析是一种已知的技术,其中绝缘油样品可以从变压器中取出并且测试任何感兴趣的分解气体的存在。检测分解气体的存在可以指示故障,并且分解气体的类型、浓度和变化率可以提供关于故障的类型和/或严重程度的信息。然而,这样的溶解气体分析通常要求将油从变压器中移除,并且通常需要将油送到专门的测试实验室。
发明内容
本发明的实施例涉及这样的方法和设备,其用于气体分析、尤其是用于检测样品中的痕量气体,例如用于检测与绝缘油的分解气体相对应的目标种类。
因此,根据第一方面,本发明提供了一种用于气体分析的设备,包括:第一反射器和第二反射器,定位在用于气体样品的样品容积部的任一侧上;其中,所述第一反射器的配置能够在至少第一配置和第二配置之间变化;其中,所述第一配置和第二配置中的每一个被布置成使得来自光束原点的光学辐射束经由所述样品容积部被引导至检测器位置;其中,在所述第二配置中,所述光学辐射束从所述第一反射器和第二反射器中的每一个反射至少一次,并且通过所述样品容积部的所述光学辐射束的所述路径长度比在所述第一配置中更大。
通过在第一和第二配置之间改变第一反射器的配置,可以改变通过样品容积部的光学辐射束的路径长度。这将根据样品容积部中的气体中的感兴趣的目标种类与光学辐射束相互作用的程度而变化,并且因此改变气体分析的灵敏度。如将在下面更详细地解释的,路径长度可以根据穿过样品容积部的不同遍次数而变化。
该设备可以包括外壳,第一反射器和第二反射器位于外壳内。该设备还可以包括致动器,用于将第一反射器移动到外壳内的第一位置以提供第一配置、以及移动到外壳内的第二位置以提供第一配置。在一些实施例中,相比于第一位置,第一反射器的第二位置与第二反射器具有更大的间距。换句话说,从第一位置移动到第二位置增加了第一和第二反射器之间的间距。
在一些实施例中,第一反射器安装在用于待分析气体的样品室的壁上或形成该样品室的壁的一部分,使得第一反射器从第一位置到第二位置的移动导致样品室的容积部增加。如果样品室在使用中密封,这可以降低样品室内的压力。
光束原点的位置和/或检测器位置可以相对于外壳固定。在一些实施例中,第二反射器的位置相对于外壳固定。因此,第一和第二配置可以仅通过在外壳内移动的第一反射器提供。
第一反射器和第二反射器中的至少一个可以具有非平面反射表面,使得在第一配置中,光学辐射束以与第二配置不同的入射角入射在第一反射器和第二反射器中的至少一个上。
在一个实施例中,第一配置对应于光学辐射束通过样品容积部的一个或多个遍次,第二配置对应于光学辐射束通过样品容积部的三个或更多个遍次。
光束原点可以包括用于定位光源的安装件。光源可以位于光束原点处。光电检测器可以位于检测器位置处。在一些实施方式中,检测器位置位于第二反射器的中心。
进一步地,所述设备包括外壳(201),其中,所述第一反射器(103)和所述第二反射器(104)位于所述外壳内。
进一步地,包括致动器(107),所述致动器(107)用于将所述第一反射器(103)移动到所述外壳内的第一位置,用于提供所述第一配置,并且用于将所述第一反射器(103)移动到所述外壳内的第二位置,用于提供所述第一配置。
进一步地,所述第一反射器(103)的所述第二位置与所述第一位置相比,具有到所述第二反射器(104)的更大的间距。
进一步地,所述第一反射器安装在用于待分析气体的样品室(202)的壁上,或者形成所述样品室(202)的所述壁的一部分,使得所述第一反射器(103)从所述第一位置到所述第二位置的移动导致所述样品室的容积增加。
进一步地,所述光束原点(210)的位置和所述检测器位置(212)相对于所述外壳固定。
进一步地,所述第二反射器(104)的位置相对于所述外壳固定。
进一步地,所述第一反射器(103)和所述第二反射器(104)中的至少一个具有非平面反射表面,使得在所述第一配置中,所述光学辐射束以与所述第二配置不同的入射角入射在所述第一反射器(103)和所述第二反射器(104)中的至少一个上。
进一步地,所述第一配置对应于所述光学辐射束通过所述样品容积部的一个或多个遍次,所述第二配置对应于所述光学辐射束通过所述样品容积部的三个或更多个遍次。
进一步地,所述光束原点(210)包括用于定位光源的安装件。
进一步地,还包括位于所述光束原点处的光源(101)和位于所述检测器位置处的光电检测器(102)。
进一步地,所述检测器位置位于所述第二反射器(103)的中心处。
在另一方面中,提供了一种气体分析的方法,该方法包括:将待分析气体引入位于第一反射器和第二反射器之间的样品容积部中;利用处于第一配置的第一反射器将光学辐射束从光源经由样品容积部引导到光电检测器;和利用处于第二配置的第一反射器将光学辐射束从光源经由样品容积部引导到光电检测器;其中,在第二配置中,光学辐射束从第一和第二反射器中的每一个反射至少一次,并且通过样品容积部的光学辐射束的路径长度比在第一配置中更大。
该方法可以涉及将第一反射器进一步移动远离第二反射器。以从第一配置移动到第二配置,并且还减小样品容积部内的气体的压力。
该方法可以进一步包括将第一反射器相对于第二反射器移动并且监测光电检测器处的强度,以确定第一和第二配置中的至少一个的最佳位置。
该方法可以使用所讨论的任何变型的设备来实现。
附图说明
现在将参照附图仅以举例的方式描述本发明的各个方面,在附图中:
图1为根据一个实施例的气体分析仪设备的示意图;
图2为根据另一个实施例的气体分析仪设备的示意图;和
图3为操作方法的流程图。
具体实施方式
本发明的实施例涉及气体分析,且尤其涉及光学气体分析。光学气体分析是一种已知的技术,其中来自光源的光学辐射束在入射到光电检测器之前穿过含有待分析气体的样品容积部。光学辐射束被选择为包括至少一个已知与目标种类相互作用的波长,例如包括可以被目标种类相对强烈地吸收或散射的波长。在感兴趣的波长下分析由光电检测器检测到的光学辐射。如果目标种类存在于气体样品中,则在感兴趣的波长下检测到的光学辐射的强度可低于目标种类不存在的情况下的强度。在感兴趣波长下检测到的辐射强度与已知校准强度和/或不与目标种类相互作用的光学辐射束的波长的强度的比较可用作目标种类的存在的指标器,并且检测到的相对强度可以提供该种类中气体样品浓度的指示。
用于产生光学辐射束的光源和光电检测器的特性,以及它们相对于彼此和样品容积部的布置被选择为提供一定的灵敏度和检测范围。这种气体分析仪可以有效地用于痕量气体分析。
本发明的实施例涉及具有改善的灵敏度范围的光学气体分析,即对气体样品中的目标种类的不同浓度的更宽的灵敏度范围。本发明的实施例通过改变样品容积部内的光学辐射束的光学路径长度来改变气体分析仪的灵敏度范围。改变样品容积部内的光学辐射束的路径长度,可以在到达检测器之前有效地改变光束和样品气体之间的相互作用的量。对于给定浓度的目标种类,改变样品容积部内的路径长度将因此改变在光学辐射束到达光电检测器之前所经历的吸收的量。
例如,考虑到气体分析器被布置成如果在光电检测器处针对感兴趣的波长检测到的强度降低到限定的阈值以下,则指示气体样品中存在目标种类。如果通过样品容积部的路径长度是第一长度,则可能存在目标种类的最小浓度,该最小浓度将引起足够的散射/吸收,以将到达光电检测器的强度降低到限定的阈值以下。因此,可以存在可以被可靠地识别的最小浓度水平。显著增加通过气体样品的路径长度可以允许目标种类有更大的机会与光束相互作用,并且因此通过样品容积部的较长路径长度可以允许检测到较低浓度的目标种类。
通过将光源布置成将在通过样品容积部的光学轴线上的光学辐射束直接引导到光电检测器,并且通过将光电检测器沿着光学轴线相对于光源移动,可以实现光学路径长度的变化。然而,这将需要显著程度的移动来实现路径长度的可感知的变化。
在本发明的实施例中,可以通过改变光学辐射束通过样品容积部的遍次数来改变光学路径长度。第一和第二反射器布置在样品容积部的相对侧上,并且第一反射器能够在至少第一和第二配置之间移动。在每个配置中,来自原点位置的光学辐射束将经由样品容积部引导到光电检测器。在第二配置中,光学辐射束从第一和第二反射器中的每一个反射至少一次,并且由于通过样品容积部的次数更多,通过样品容积部的辐射束的路径长度比在第一配置中更大。
图1示出了一个实施例的原理。图1示出了相对于光电检测器102以及在样品容积部105的任一侧上的第一反射器103和第二反射器104布置的光源102。在使用中,待分析的气体被引入到样品容积部105中,并且光源101被激活以产生光学辐射束106。图1的左侧示出处于第一配置的第一反射器103。在该配置中,光学辐射束106入射在反射器103上并被直接反射到光电检测器102。因此,在该第一配置中,光学辐射束两次通过样品容积部106。图1的右侧示出了第二配置。在该配置中,光学辐射束入射在第一反射器103上,但是在该配置中,不是被直接反射到光检测器102,而是光学辐射束朝向第二反射器104被反射,其在第二反射器104处被反射回到第一反射器103,并且仅在之后到达光电检测器102。因此,在第二配置中,光学辐射束四次通过样品容积部106。因此,第二配置中的样品容积部105内的光学辐射束106的路径长度基本上是第一配置的路径长度两倍。
第一反射器可以通过致动器107在第一和第二配置之间移动。应当理解,为了提供不同的遍次数,在第一反射器103的相关部分处的光学辐射束106的入射角在第一和第二配置中是不同的。有多种方式可以实现这一目的。例如,第一反射器103可以被旋转,使得在第一和第二配置中的每一个中第一反射器的不同部分位于光学辐射束106的路径中。另外或替代地,第一反射器103的至少一部分可以在第一和第二配置中倾斜到不同的角度。
在一些实施例中,第一反射器的第一和第二配置可以通过使第一反射器移位来实现。图2示出了根据这样的实施例的设备200。图2示出至少部分地限定密封的样品室202的外壳201。至少一个流体通道203可以为待分析气体的样品室202提供入口/出口。在一些实施例中,(多个)流体通道203可以提供到容纳待分析气体的贮存器205的流体连通。
在用于分析绝缘油的应用中,贮存器205可以是其中容纳绝缘油206的样品的贮存器。绝缘油例如可以经由传送布置207从变压器中抽出,和/或贮存器205可以是变压器的一部分。可以允许贮存器205中的绝缘油以某种方式沉降和/或被处理,使得绝缘油206中的任何溶解气体排出到顶部空间容积部208中。与每个流体通道203相关联的阀209可以打开以允许顶部空间区域中的气体填充样品室202。然后可以在气体分析期间关闭(多个)阀209。
在一些情况下,外壳201可以具有用于安装、即定位光源101的安装件210。光源101可以例如是二极管激光器等,并且可以产生具有相对窄的线宽的光学辐射束,特别是具有调谐到感兴趣的特定目标种类的波长的红外辐射束。应注意,本文使用的术语“光学辐射”不应当仅限于电磁光谱的可见部分,并且术语“光学”应当被认为包括红外和紫外辐射。红外辐射对于感兴趣的目标种类(诸如乙炔)可具有特别的兴趣。光源101可以包括光学部件,用于聚焦或准直光学辐射束,以产生相对紧密地聚焦的光学辐射束。安装件210可以被配置成便于光源101的定位和对准。安装件210可以将光源保持在外壳201的密封部分内,即以形成样品室202的一部分,或者光源可以被布置成联接到外壳201以形成密封。在其他实施例中,光源可以被布置成经由外壳201的窗口部分211将光学辐射束引导到样品室202中。
在该实施例中,光学辐射束被导向可移动的第一反射器103。第一反射器103位于样品室202内的样品容积部的一侧上,并且与样品室202的另一侧上的第二反射器104相对。然而,应当理解,光源101被布置成初始地将光学辐射束导向第二反射器104。
第一反射器能够在至少第一位置(即布置成第一配置)和第二位置(即布置成第二配置)之间移动。图2示出处于第二位置的第一反射器103,其中第一位置由灰色轮廓103a表示。
在第一位置处,入射光束可以行进通过样品容积部的至少一部分,并且从第一反射器的第一位置103a朝向光电检测器102反射。在该实施例中,光电检测器102可以位于第二反射器104中的检测器端口212内或其一侧上。检测器端口212可以方便在设备200内的光电检测器102的定位和/或对准。然而,还应当理解,图2中示出的配置仅仅是一个示例,并且在不同的实施例中可以使用光源101和光电检测器102的不同布置。
在图2所示的实施例中,如虚线213所示,光学辐射束可以直接从第一反射器(在第一位置103a)引导到光电检测器102。因此,光学辐射束通过样品容积部的遍次为两次,其中遍次表示光学辐射束在设备200的部件之间的自由空间行程。这将提供通过样品容积部的第一光学路径长度L1。
在第一反射器103的第二位置,光学辐射束入射在第一反射器103的不同部分上,并且相对于第一反射器103的表面具有局部不同的入射角。因此,光学辐射束在远离第一反射器103的不同方向上被反射,并且在该实施例中,在由虚线214所示的路径上行进。在该示例中,光学辐射束在第二反射器104和第一反射器103之间来回反射,以提供通过样品室202的样品容积部的六个遍次。这提供了比第一位置明显更长的通过样品容积部的路径长度L2。
在类似于图2所示的设计的一种设计中,在第一位置通过样品室的光学路径长度L1为约30mm,而在第二位置通过样品室的光学路径长度L2为约105mm,第一反射器的线性移动为约7mm。因此,第一反射器的相对较小的线性移动可以提供通过样品容积部的路径长度的明显增加,例如增加约三倍或更多。
第一反射器103可以通过线性致动器107在第一位置和第二位置之间移动。如上所述,线性移动的程度不需要特别大以实现路径长度的显著变化,和因此实现与气体样品的相互作用的量的明显变化,以及因此实现检测器的灵敏度的量的明显变化。
应当注意,在图2所示的实施例中,相比于在第二位置中,在第一位置中,第一反射器103定位为更靠近第二反射器102。因此,第一反射器103和第二反射器104相对于彼此被配置成使得增加反射器之间的间距可以增加通过样品容积部的遍次数,以及单个遍次的光学路径长度。
图2示出可在外壳内移动的第一反射器103具有变化的表面轮廓,即它具有非平坦的或非平面的表面,并且相对于外壳固定的第二反射器104具有大体的平坦表面。然而,应当理解,第一可移动反射器103可以是平面的,并且第二固定反射器104可以具有异形表面,或者反射器103和104均可以具有合适的异形表面,以在各个位置处提供期望的光学路径。
第一反射器103和第二反射器104的表面轮廓被共同配置成在第一和第二配置中提供光源101和光电检测器102之间的不同光学路径。在每种情况下,光学辐射束将入射在第一反射器103或第二反射器104的不同部分上和/或以不同的入射角入射到反射器的该部分。
图2示出第二反射器104相对于外壳201是固定的。这是一种便利的实施方式,因为仅提供一个移动反射器103是相对简单的,然而在一些实施方式中,第一反射器和第二反射器都可以是相对于外壳可移动的。
另外地或可替代地,在一些实施方式中,光源101和光电检测器102中的至少一个的位置可以是在外壳内可移动的,以改变在样品室202内的光电检测器102和光源101之间的光学路径长度。以这种方式改变光源101的位置可以导致光学辐射束入射在第一反射器103和/或第二反射器104的不同部分上,并且因此在不同的方向上被反射以提供通过样品室202的不同遍次数。移动光电检测器102的位置可以改变光电检测器102拦截光学辐射束的位置,并因此改变通过样品室202的遍次数。
然而,移动光源101和/或光电检测器102可引起保持对准的问题,因此可能优选的是将光源101和光电检测器102保持在外壳201内的固定位置,并且仅移动反射器103或104中的一个的位置。
基于气体传感器的设计,即光源101和光电检测器102的相对位置以及第一反射器103和第二反射器104的表面轮廓已知第一反射器103的第一和第二位置。然而,在实践中,光源101的对准和/或反射器103和104的对齐可以与设计规格略微不同和/或可以由于操作条件(例如温度)而改变。在一些实施例中,可以在校准步骤中确定在第一和第二配置中的第一反射器的实际位置。第一反射器103可以位于预期对应于第一或第二位置的位置中或附近。光源101和光检测器102可以是有源的,并且致动器107可以调整第一反射器的位置。可以从预期的第一或第二位置周围的各种位置获取强度读数,以确定对应于最高检测强度的第一反射器的位置,并且该位置可以用作相关的第一或第二配置。
应该注意,虽然图2已经关于第一反射器103的纯线性位移进行了讨论,但是这可以与第一反射器103和/或第二反射器104的部分的旋转或倾斜相结合。
图2的实施例示出了安装在外壳201的边缘处的光源,但是应该理解,光源可以位于任何方便的位置处。然而,具有安装在中央的检测器的如图2所示的定位于边缘处的光源将允许使用多个光源(为了清楚起见,在图2中未示出)。在其他实施例中,光源101和光电检测器101的位置可以改变成任何方便的相对位置。
在第一和第二配置中的每一个中,例如在反射器的第一和第二位置,应当注意,光学辐射束仅被预期为入射在反射器103和104的表面的部分上。因此,反射器103和104不一定在其整个表面上是连续地反射性的,并且可仅于在使用中光学辐射束将入射到的那些部分中是反射性的。
如上所述,在一些情况下,光学辐射可以被选择为具有相对窄的波长范围,例如,在感兴趣的波长下是具有窄线宽的辐射束。窄线宽对于为感兴趣的目标种类提供良好的灵敏度可以是有用的。
然而,在某些情况下,光学气体传感器可受到大气增宽或压力增宽的影响。压力增宽是一种已知的效应,其中其他气体分子的存在干扰处于特定频率的辐射的吸收或发射,导致有效的频谱扩展。这可能导致气体分析中的问题,特别是在目标种类的低浓度的情况下,因为在光电检测器处强度的明显下降可能是由于压力增宽而不是目标种类的存在。
为了减少压力增宽的影响,一些气体分析仪可以设置有抽空泵,以在进行分析时至少部分地抽空样品室并降低样品室内的压力。然而,这确实需要泵的存在,这会增加设备的成本和复杂性。
在本发明的实施例中,在样品室已经被密封之后,反射器中的一个的线性移动可以用于引起样品室202中的容积变化,以便实现样品室202内的压力变化,例如以降低样品室内的压力。
因此,再参考图2,第一反射器103可以形成为样品室202的可移动端壁的一部分或附接到样品室202的可移动端壁,即,第一反射器103可以与外壳201的边缘形成密封,或者被安装在确实形成这种密封的可移动壁上。在使用中,可以移动第一反射器103,以改变样品室内的光学辐射束的光学路径长度,同时也改变样品室内的压力。
图3示出了阐述一个示例方法的流程图。在步骤301中,第一反射器可以移动到第一位置,即最靠近第二反射器104,以限定样品室202的最小容积。(一个或多个)流动通道203的(一个或多个)阀209打开以允许气体逸出。然后可以将感兴趣的气体引入302到样品室202中。(多个)流动通道203的阀209可以简单地保持打开足够长的时间,以使感兴趣的气体填充样品室202,或者在一些实施例中可以使用一些流动刺激。样品室202因此可以以贮存器205中的气体的压力填充待分析的气体,该压力可以例如是大气压力。然后关闭303(多个)阀,以密封样品室。然后可以激活光源101和光电检测器102,以执行304感兴趣的目标种类的检测。在第一反射器103处于第一位置的情况下,通过样品室的路径长度是路径长度L1,其为短路径长度。这有效地提供了最高的检测极限,即提供一定的可检测强度下降所需的目标种类的浓度是最大的。因此,如果存在高浓度的目标种类,则目标种类将被检测到并且强度下降将揭示关于在第一范围内的目标种类浓度的信息。
该方法然后可以进行到步骤305,其中第一反射器103被致动器107移动到第二位置。在一些情况下,该步骤可以始终作为方法的一部分来执行,但是在其它实施方式中,只有在第一感测步骤304中存在否定检测时才可以执行该方法的该部分。
将第一反射器103移动到第二位置增加了样品室202内的容积。在(多个)阀209关闭的情况下,样品室被密封,因此容积的增加导致压力的降低。降低的压力减小了压力增宽的影响,因此意味着气体分析测量306更精确。路径长度L2的增加意味着目标种类和光学辐射束之间存在更多的相互作用机会,从而提供更灵敏的测量。应当理解,降低的压力确实意味着对于每单位长度的光束路径目标种类的相互作用也减小了,但是如上所述,路径长度L2可以显著大于路径长度L1,并因此多于对相互作用速率的减少的补偿。因此,在该第二位置中,气体分析仪对目标种类浓度的灵敏度增加,并且实现了较低的检测极限,且由于减小的压力增宽而实现了更高的精度。
通过第二反射器的增量移动,直到达到最佳信号,详述的系统还可以使用检测器输出来克服第一和第二反射器的未对准。
因此,本发明的实施例允许在样品容积部内的压力减小的同时,增加通过样品容积部的光学辐射束的路径长度。路径长度变化和压力降低都可以通过气体分析设备的元件(例如可移动反射器或其上安装有可移动反射器的壁)的移动来实现。这避免了对分离的真空泵的需求。
上面描述的实施例已经结合两种不同的配置进行了描述,由于光学辐射束通过样品容积部的遍次数的变化,以及因此可选地样品容积部的容积变化,每种配置具有通过样品容积部的不同的光学路径长度。然而,在其他实施例中,可以存在至少一个另外的配置以提供通过样品容积部的不同路径长度、和/或不同的样品容积部。
实施例对于用于检测来自绝缘油的分解气体的痕量气体分析特别有用,但通常这些原理适用于任何类型的痕量气体分析。
应当理解,上述实施例仅仅以举例的方式给出,并且可以改变特征和配置。除非由上下文以其他方式明确排除,否则结合一个实施例描述的特征可以在任何其他实施例中单独或组合地使用。

Claims (10)

1.一种用于气体分析的设备(200),包括:
第一反射器(103)和第二反射器(104),定位在用于气体样品的样品容积部(202)的任一侧上;
其中,所述第一反射器的配置能够在至少第一配置(103)和第二配置(103a)之间变化;
其中,所述第一配置和第二配置中的每一个被布置成使得来自光束原点(210)的光学辐射束经由所述样品容积部被引导至检测器位置(212);
其中,在所述第二配置中,所述光学辐射束从所述第一反射器和第二反射器中的每一个反射至少一次,并且通过所述样品容积部的所述光学辐射束的所述路径长度比在所述第一配置中更大。
2.根据权利要求1所述的设备,其中,所述设备包括外壳(201),其中,所述第一反射器(103)和所述第二反射器(104)位于所述外壳内。
3.根据权利要求2所述的设备,包括致动器(107),所述致动器(107)用于将所述第一反射器(103)移动到所述外壳内的第一位置,用于提供所述第一配置,并且用于将所述第一反射器(103)移动到所述外壳内的第二位置,用于提供所述第一配置。
4.根据权利要求3所述的设备,其中,所述第一反射器(103)的所述第二位置与所述第一位置相比,具有到所述第二反射器(104)的更大的间距。
5.根据权利要求4所述的设备,其中,所述第一反射器安装在用于待分析气体的样品室(202)的壁上,或者形成所述样品室(202)的所述壁的一部分,使得所述第一反射器(103)从所述第一位置到所述第二位置的移动导致所述样品室的容积增加。
6.根据权利要求2至4中任一项所述的设备,其中,所述光束原点(210)的位置和所述检测器位置(212)相对于所述外壳固定。
7.根据权利要求2至4中任一项所述的设备,其中,所述第二反射器(104)的位置相对于所述外壳固定。
8.根据前述权利要求中任一项所述的设备,其中,所述第一反射器(103)和所述第二反射器(104)中的至少一个具有非平面反射表面,使得在所述第一配置中,所述光学辐射束以与所述第二配置不同的入射角入射在所述第一反射器(103)和所述第二反射器(104)中的至少一个上。
9.根据前述权利要求中任一项所述的设备,其中,所述第一配置对应于所述光学辐射束通过所述样品容积部的一个或多个遍次,所述第二配置对应于所述光学辐射束通过所述样品容积部的三个或更多个遍次。
10.根据前述权利要求中任一项所述的设备,其中,所述光束原点(210)包括用于定位光源的安装件。
CN201711415103.4A 2016-12-22 2017-12-22 气体分析 Pending CN108226038A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP16206168.3A EP3339837A1 (en) 2016-12-22 2016-12-22 Miltipass gas cell with variable optical path lentgh and method for gas analysis
EP16206168.3 2016-12-22

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN108226038A true CN108226038A (zh) 2018-06-29

Family

ID=57680100

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201711415103.4A Pending CN108226038A (zh) 2016-12-22 2017-12-22 气体分析

Country Status (6)

Country Link
US (1) US10718748B2 (zh)
EP (1) EP3339837A1 (zh)
JP (1) JP2018119953A (zh)
CN (1) CN108226038A (zh)
CA (1) CA2987817A1 (zh)
MX (1) MX2017016773A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113324934A (zh) * 2021-06-16 2021-08-31 深圳市英宝硕科技有限公司 一种气体检测定位系统

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114047133A (zh) * 2022-01-12 2022-02-15 山东省科学院激光研究所 一种光程可调的多点反射气体吸收池
KR102407279B1 (ko) * 2022-02-25 2022-06-10 주식회사 창성에이스산업 도파관을 이용한 확산식 복합 가스 감지기
KR102407278B1 (ko) * 2022-02-25 2022-06-10 주식회사 창성에이스산업 도파관을 이용한 흡입식 복합 가스 감지기
DE102023102768A1 (de) * 2023-02-06 2024-08-08 Dräger Safety AG & Co. KGaA Optische Messeinrichtung

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3704955A (en) * 1970-02-19 1972-12-05 Cary Instruments Radiation entrapping, multi-reflection raman sample cell employing a single concave mirror
WO1997049983A1 (en) * 1996-06-24 1997-12-31 Ametek (Canada), Inc. Apparatus and method for measuring gases using an athermal optical multipass cell
JP2006058009A (ja) * 2004-08-17 2006-03-02 Shimadzu Corp レーザ式多重反射セル式ガス分析計
US20060158644A1 (en) * 2004-07-21 2006-07-20 Southwest Sciences Incorporated Near re-entrant dense pattern optical multipass cell
JP2009080017A (ja) * 2007-09-26 2009-04-16 Shimadzu Corp 多重反射セル式ガス分析システム用のフローセル、多重反射セル式ガス分析システム及びフローセルのミラー間距離の調整方法
US20100238446A1 (en) * 2009-03-17 2010-09-23 Shimadzu Corporation Optical gas-analysis system and a gas flow cell
US20130003045A1 (en) * 2010-02-09 2013-01-03 Steven Wilkins Optical absorption spectroscopy with multi-pass cell with adjustable optical path length
CN103487401A (zh) * 2013-09-25 2014-01-01 河南省日立信股份有限公司 带微调机构的长光程气体检测装置
CN103884677A (zh) * 2012-12-19 2014-06-25 北京大方科技有限责任公司 一种便于光路调整的气体分析仪样气室装置
CN105548014A (zh) * 2015-12-29 2016-05-04 中国科学院合肥物质科学研究院 可调光程的双吸收光程光学吸收装置
CN205620291U (zh) * 2015-12-07 2016-10-05 潘晨骋 一种可调光程多通池及发射、接收端的装置

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3614243A (en) * 1969-08-01 1971-10-19 Reno A Del Ben Variable path-length gas cell
US4209232A (en) * 1979-02-26 1980-06-24 Chernin Semen M Multiple reflection optical system
US5039224A (en) * 1990-02-12 1991-08-13 Rourke Patrick E O Self-referencing remote optical probe
KR101090014B1 (ko) * 2004-07-15 2011-12-05 엘지전자 주식회사 무선단말기의 롬 이미지 다운로드 시스템 및 그 방법
US9733133B2 (en) 2013-10-07 2017-08-15 Xiaotian Steve Yao Faraday current and temperature sensors
WO2015183298A1 (en) 2014-05-30 2015-12-03 General Electric Company Systems for monitoring power transformers and method of operating the same
EP2988116B8 (en) 2014-08-19 2017-06-07 ABB Schweiz AG Optical sensor for detecting hydrogen in fluid and use of thin alloy film in the hydrogen sensor

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3704955A (en) * 1970-02-19 1972-12-05 Cary Instruments Radiation entrapping, multi-reflection raman sample cell employing a single concave mirror
WO1997049983A1 (en) * 1996-06-24 1997-12-31 Ametek (Canada), Inc. Apparatus and method for measuring gases using an athermal optical multipass cell
US20060158644A1 (en) * 2004-07-21 2006-07-20 Southwest Sciences Incorporated Near re-entrant dense pattern optical multipass cell
JP2006058009A (ja) * 2004-08-17 2006-03-02 Shimadzu Corp レーザ式多重反射セル式ガス分析計
JP2009080017A (ja) * 2007-09-26 2009-04-16 Shimadzu Corp 多重反射セル式ガス分析システム用のフローセル、多重反射セル式ガス分析システム及びフローセルのミラー間距離の調整方法
US20100238446A1 (en) * 2009-03-17 2010-09-23 Shimadzu Corporation Optical gas-analysis system and a gas flow cell
US20130003045A1 (en) * 2010-02-09 2013-01-03 Steven Wilkins Optical absorption spectroscopy with multi-pass cell with adjustable optical path length
CN103884677A (zh) * 2012-12-19 2014-06-25 北京大方科技有限责任公司 一种便于光路调整的气体分析仪样气室装置
CN103487401A (zh) * 2013-09-25 2014-01-01 河南省日立信股份有限公司 带微调机构的长光程气体检测装置
CN205620291U (zh) * 2015-12-07 2016-10-05 潘晨骋 一种可调光程多通池及发射、接收端的装置
CN105548014A (zh) * 2015-12-29 2016-05-04 中国科学院合肥物质科学研究院 可调光程的双吸收光程光学吸收装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
J.ALTMANN ET AL.: "Two-mirror multipass absorption cell", 《APPLIED OPTICS》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113324934A (zh) * 2021-06-16 2021-08-31 深圳市英宝硕科技有限公司 一种气体检测定位系统

Also Published As

Publication number Publication date
MX2017016773A (es) 2018-11-09
US20180180588A1 (en) 2018-06-28
JP2018119953A (ja) 2018-08-02
CA2987817A1 (en) 2018-06-22
BR102017027712A2 (pt) 2018-10-30
US10718748B2 (en) 2020-07-21
EP3339837A1 (en) 2018-06-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108226038A (zh) 气体分析
US10508989B2 (en) Optical chemical analyser and liquid depth sensor
KR20160132467A (ko) 신속한 시료 분석을 위한 공정 및 시스템
CN107907502B (zh) 叠片电弧加热器高焓气流参数诊断系统
CN105628637B (zh) 一种三参考通道的红外气体分析方法与装置
US20070147467A1 (en) Apparatus and Method for Measuring a Condensable Component of a Gas Sample
US20230014558A1 (en) Self-calibrated spectroscopic and ai-based gas analyzer
US9285308B2 (en) Interference-compensating NDIR gas sensor for measuring acetylene
CN110426371A (zh) 一种检测sf6电气设备中的hf气体的系统
WO2019034802A1 (en) ANALYSIS OF CONCENTRATION OF DISSOLVED GASES IN A LIQUID
CN102103071A (zh) 一种在位式吸收光谱气体分析系统
EP3686578B1 (en) Inspecting method and inspection system
CN105424618A (zh) 具有改善灵敏度的光学检测装置和方法
CA2812687A1 (en) Computer implemented method for analyzing a gas sample using an inline gas analyzer
Kramer et al. UV-LED based fiber-optic sensor system for gas analysis
JP6715798B2 (ja) ガス分析装置
US9689795B2 (en) Methods and systems to analyze a gas-mixture
US20230056282A1 (en) Open path gas detector based on spectrometer
CN116242783A (zh) 一种可用于消除交叉影响的光声光谱测量系统
Jiang et al. Dissolved acetylene detection in power transformer oil based on near-infrared absorption spectrum method
CN104884935A (zh) 用于激光光谱的对准系统
BR102017027712B1 (pt) Aparelho para análise de gás e método de análise de gás
CN110207906B (zh) 一种变参数的电弧加热器轨道试验漏水诊断系统
US20230417717A1 (en) Gas analyzer calibration
CN116026777A (zh) 基于窄带差分光谱法的空间痕量气体检测定位方法及装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20180629