CN114787606A - 气体测量腔 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于气体中的光学测量的可回收测量气室，所述气室由导气管限定，导气管的输入端适于与将气体引入气室的气流输入端连接，输出端适于与气流输出端连接。管端还适于耦合到光学部件，包括向所述气室发射光的光学发射器和适于接收已通过所述气室的光的光学接收器，所述气室中的光束具有预定的形状，所述光学部件包括光源、至少两个反射镜和光接收器，安装在由管端覆盖的外部框架的已知位置。所述气室具有与光束形状相对应的细长形状。

Description

气体测量腔

技术领域

本发明涉及一种用于气体光学测量的可回收测量气室，以及使用该气室的测量仪器。

更详细地说，本发明涉及一种多次反射样品气室，用于气体分析仪,如红外气体分析仪，更具体地说，涉及一种以有限的体积获得长的光路的多次反射样品气室。这种的系统是众所周知的，如US5726752和US2017168275A1所示，并且如US5726752所证实的，样品气室不应大于代表穿过该气室的光束的包络线，以便腔内的气体快速交换。然而，正如US5726752中所示，这些解决方案使用特定的气体样本，这就减慢了测量过程。WO2015/069934显示了一个解决方案的例子，其中光线多次通过一个气体腔，而气体腔中光路外的体积被减少到最小。

此外，如发动机废气的工业废气，可能含有污染光学器件的污染物。这方面的一个例子可能是来自燃烧过程的废气。废气中的颗粒和污染物会沉积在测量气室内和光学元件上。使用一段时间后，通过气室的透射率会降低，因此需要清洁光学元件和气室。这种维护往往是困难和耗时的。因此，本发明的另一个目的是提供一种解决方案，允许以快速和可靠的方式更换气体气室单元。

背景技术

拆卸光学仪器需要时间，并且在实验室外，光学对准在一定程度上是不可能的。该问题通过在框架上安装并对准所有光学元件并将气体导向装置插入框架中来解决。气体导向装置易于拆卸，可以接触到所有需要清洁的光学组件。气体导向装置可以很容易地被新的更换，或者气体导向装置可以被清洗和重新安装。在US2010/0110437中讨论了这种可更换气室。

现有技术的气体气室的主要问题之一是，如果采用连续流动，需要很长时间来交换测量气室内的气体。如果气体入口和气体出口相互靠近，流入气室的新气体通常会与旧气体混合，气体的交换将遵循典型的稀释法，即第一次注入的气体气室体积为50％，第二次为75％，以此类推。如果气体气室与直径相比非常长，就可以获得层流，只需填充一个气体体积就可以交换大部分的气体。在更典型的气室中，在气体入口和气体出口之间生成层流，但这将使气室内的部分气体保持不变。然后通常需要很长的时间来交换气室内的所有气体。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种解决方案，在该解决方案中，当气体成分发生变化时，可以连续地执行测量，以实现短响应时间。

上述目的是使用可交换的气体气室和包括所述气室的测量仪器获得的，其特征如独立权利要求中所述。

因此，为了能够在给定的流量下尽可能快地改变气体体积，根据本发明的气室的壁形成为具有光学测量光束和气体流动的组合入口的射线轨迹。这样，气室内部的体积就最小化。此外，气室被做得细长，并且优选地使光路自身交叉以最小化所使用的体积。。为了避免气室的一部分和气室的其他部分中的层流没有任何流动，在流动过程中会产生强制性湍流或漩涡。优选地，入口流被迫开始旋转流动，其中流型形成穿过气室的螺旋形。这种螺旋流迫使所有的旧气体在新气体前面流动，且不会留下任何旧气体。优选地，在出口处，产生类似结构，以迫使出口气体进入强制性湍流。

附图说明

下面将参照附图对本发明进行描述，通过实例说明本发明。

图1示出了本发明的优选实施例的气体气室的横截面。

图2示出了光学测量光束的光束路径。

图3示出了本发明的优选实施例，气体在气室中的流动运动。

图4a、b示出了本发明的优选实施例的气体气室端部的形状。

图5示出了本发明的优选实施例，包括测量仪器和气体气室的组件。

图6从上面示出了图5所示的组件，以及显示气室和测量仪器之间连接的部分。

图7示出了适用于接受本发明的气体气室的替代测量仪器。

图8示出了图7中的替代仪器，包括气体气室。

具体实施方式

图1示出了本发明的优选实施例的气体气室，该气室由具有气室2的管道1构成，被测气体流经该气室2。所述管道有气体入口3和气体出口4，并且在每一端还设有安装部分1a、1b，例如：包括螺钉和密封元件1c(图8)，以便将气室安装在包括光学元件的测量仪器12(图5)中。

如上所述和图2中所示，通过计算用于测量气体的光束2a的轨迹形状，气室的体积被减少到最小。在图2所示的优选实施例中，包括在测量系统中的光学系统5a包括：光源6，光源发射的波长范围根据待测气体的特性来选择，这对于本领域的技术人员来说是众所周知的。光源6可以包括透镜，用于塑造或准直从第一部分5a向管道1另一端1b的第二部分5b传播的光束。在管道的第二端1b，测量仪器的相应部分5b包括反射镜8b，该反射镜将光束从气室反射到光学系统的第一端部5a的反射镜8a。第一端部5a的反射镜8a通过气室再次向光学系统第二部分5b的接收器7反射，接收器7和发射器6被连接到一个本身已知的分析气体吸收光谱的测量系统。包括传播和交叉光束2a的包络线被计算出来，并且根据这个形状2a确定气室2的形状。

这样，在优选的实施例中，光束在气体中传播三次，因此具有与三倍长测量气室相同效果，如图2所示，光束可以被配置为至少两次穿过相同的体积，增加了系统的灵敏度。

也可以考虑其他的配置，例如在发射器和接收器对立侧上的每一端5a、5b各增加一个额外的反射镜，使光信号在气室中传递五次。另外，光束成形可以选择不同的反射镜形状和透镜。然而，重要的是，气室2的形状或管道体积的内部形状，与光束的形状相对应，以减少气室的体积，如上所述。

图3示出了气流9是如何沿着由管道1限定的气室2传播的。通过提供螺旋流，可以确保即使气体成分分布不均，螺旋气流也会多次通过光束，提供一个实际的气体含量测量，同时迫使旧的气体离开气室，且不会留下任何气窝。

图4a示出了实现混合的方法，显示了测量气室的输入端。在图中，气体在非对称特征10a处的光学元件一侧进入气室，将气体引向气室的一侧，在图示的例子中，这将引导引入的气体至气室的上壁，因此，压力将迫使气体围绕气室的形状，并进入气体导体，实现漩涡流。

图4b示出了在气体导体或气室的输出端上的类似的特征10b，确保旋涡流保持到离开气室。也可以考虑沿气室管保持涡流的微小特征，只要它们不干扰光路或气体在气室中的运动。

可以考虑其他混合气体的解决方案，但要求光束不被管道中的任何特征所遮挡。图示的例子涉及到优选的实施例，包括非对称特征，但也可以使用其他的特征，如插入物或类似的东西，例如在气体进入光束路径之前定位。

图5示出了本发明的优选实施例的组件，其中可更换的测量气室安装在测量单元12内。如上所述，测量单元包括发射、反射和接收通过气室的测量光束的光学部件7、8。当气室被拆下时，光学元件很容易被清洗，气室本身也可以以简单的方式被更换。

测量仪器12还包括气体的入口13和出口14，如上所述，这些都是靠近光学元件的输入端，从而流动优选地与测量光束一起进入测量气室的同一开口。这样就可以沿着或逆着气流涡流获得测量。

使用本领域技术人员可用的适当装置11将气室固定并密封到测量仪器上。

图6示出了从上面看到的测量仪器12，其中截面A-A和B-B部分显示了气室末端1a、1b的连接区域。可以看到，气室端部覆盖和包围着光学元件7、8以及分别连接到入口13和出口14的气体输入13a或输出14a。如图所示，输入侧1a的气室形状在输入和输出端将气体引入旋转流道9。

这样，本发明提供了多次反射型的测量气室，其中入射光线被多次反射。用于分析样品气室中的样品，包括：

-一个外部框架12，所有的光学部件，如光源6、检测器7、反射镜8，以及任何窗口或透镜都安装在测量仪器的正确位置上，并对准和固定，以使仪器完全发挥作用。

-一个易于安装和更换的气体导向装置1，气体导向装置的功能是作为气室的壁以及从输入到输出侧的流体导体，并减少分析所需的气体体积。

如图所示，本发明主要针对诸如废弃的气体测量如废气，但在本发明的范围内，也可以修改为提供液体的测量。

优选地，气体导向体积占据紧邻包络线区域之外的空间，入射光在包络线区域内通过样品气室，并且具有如上所述的产生强制性湍流或混合的装置，当新气体在连续流动下进入样品气室时，不会留下任何旧气窝。优选地，这种流动模式在气室中形成螺旋形。为了提供有效的气体交换，气室的长度至少是设备直径的4倍。这是为了避免留下一些旧的气体，以及新旧气体的混合。

图7和8显示了另一种仪器15外壳，其中，偏心螺栓16用于将气室固定在仪器内部。正如本领域技术人员所熟知的，通过将螺栓插入仪器和气室的适当开口1e，并将螺栓转动180度，在所示示例中，将气室锁定在适当位置。如图8所示，气室的优选实施例在两端都有密封装置，在这种情况下由密封环1c和压力板1d表示，因此，当安装在仪器腔体中时，气室对腔体末端进行密封，确保系统中的气体不会逸出。

优选地，流体测量气室由坚硬的材料制成，并且该装置在每一端具有装置，使用户能够迫使垫圈密封气体导向装置和框架之间的流体，，使其对现在的流体产生密封作用。优选地，气室材料是聚合物，如POM(聚甲醛)、聚四氟乙烯、PE(聚乙烯)或PP(聚丙烯)。

综上所述，本发明涉及一种用于气体中光学测量的可回收测量气室。所述气室由导气管限定，导气管的输入端适于与使气体引入气室的气流输入端相连，输出端适于与气流输出端相连。

气室的管端也适于耦合到光学部件，包括向所述气室发射光的光学发射器和适于接收通过所述气室的光的光学接收器。光学元件包括光源、至少两个反射镜和光接收器，它们安装在由管端覆盖的外部框架的已知位置上，并因此限定了已知的光束形状。

所述管端的第一端适于与发射器和至少一个反射镜相连接，所述管道的第二端适于与接收器和与第一端相同数量的反射镜相连接。然后，根据反射镜的数量，光束将至少穿过所述气室3次，其中，所述气室具有与光束形状相对应的细长形状。光束形状可以用光束整形镜、透镜等来限定。

优选地，管道输入端的气室具有不对称的形状，适于迫使旋转的气流或湍流通过所述管道，确保通过气室的气体被混合。流动路径中的特征也可以使用，只要它不干扰气体通过量。

所述管道可包括连接到测量仪器的密封装置，该测量仪器与包括所述流体输入和输出以及所述光发射器、接收器和反射镜的光学部件相连。

本发明还涉及一种测量仪器，用于在规定的空间内接收可回收的测量气室。所述仪器包括流体输入部分，适于在所述空间的第一端的框架中为流体输入管道提供密封连接，以及流体输出部分，适于在流体输出处为所述管道的输出端提供密封的流量输出连接，所述测量仪器还包括光学元件，在所述密封连接处发射和接收所述气室中的光。

所有的光学元件都安装在由管端覆盖的已知位置，并在由测量仪器构成的外部框架上对准和固定在预定的位置上，这样，无论是否有气室，光学元件都能完全发挥作用。

Claims (5)

1.用于气体中光学测量的可回收测量气室，所述气室由导气管限定，导气管的输入端适于与将气体引入气室的气流输入端连接，并且导气管的输出端适于与气流输出端连接，管端还适于耦合到光学部件，所述光学部件包括将光发射到所述气室的光学发射器和适于接收已通过所述气室的光的光学接收器，所述气室中的光束具有预定的形状，光学部件包括的光源、至少两个反射镜和光接收器，安装在由管端覆盖的外部框架的已知位置上，其中，所述管端的第一端适于与发射器和至少一个反射镜相连，所述管端的第二端适合于与接收器和与第一端相同数量的反射镜相连，因此，光束至少穿过所述气室3次，其中，所述气室具有与光束形状相对应的细长形状，其中，管道输入端处的气室适于迫使旋转气流或气流中的湍流通过所述管道。

2.根据权利要求1所述的测量气室，其特征在于，在所述管道输入端的气室具有不对称的形状，提供流过所述管道的旋转气体。

3.根据权利要求1所述的测量气室，其特征在于，所述管道包括用于连接到测量仪器的密封装置，所述测量仪器包括所述流体输入端和输出端以及所述光发射器、接收器和反射镜。

4.测量仪器，包括用于容纳根据前述权利要求中任一项的可回收测量气室的空间，包括适于在所述空间的第一端处提供与流体输入管端密封连接的流体输入部分和适于为流体输出处的所述管道的输出端提供流体输出密封连接的流体输出端，所述测量仪器还包括在所述密封连接处的所述光学部件，在所述气室中传输和接收光。

5.根据权利要求5所述的测量仪器，其特征在于，所有安装在由管端覆盖的已知位置的光学元件对准并固定在由测量仪器构成的外部框架上的预定位置，以使光学元件在有无气室的情况下都能完全发挥作用。

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