NO162436B - Maalehode for en infraroed absorbsjonsgassdetektor. - Google Patents

Description

Denne oppfinnelsen angår en infrarød absorbsjons-gassdetektor, i hvilken mengden av infrarød bestråling som ab-r sorberes av gass-blandingen indikerer nærværet av spesielle komponenter i den gassen.

Den foreliggende oppfinnelsen befatter seg spesielt med infrarøde obsorbsjons-gassdetektorer som blir brukt til å detektere nærværet av en spesiell gass, og f.eks., utløse en alarm når konsentrasjonen av den gassen overstiger en forutbestemt verdi. Slike gass-detektorer kan bli brukt til å detektere mange forskjellige av gasser, hvis nærvær representerer en risi-ko eller en fare. Slike gasser omfatter de vanlige gasser som ikke understøtter liv, f.eks. karbon-dioksyd, giftige gasser slik som karbon-monoksyd eller hydrogensulfid, og brennbare gasser slik som de i metan-serien, metan, etan, propan, butan samt damp fra brennbare væsker.

Nåværende infrarøde absorbsjons-gassdetektorer har målehoder som utgjør to forskjellige og separate kategorier. For det første er det infrarøde absorbsjons-gassdetektorer med et målehode som benytter et system med dobbelt stråle i rommet,

hvor to infrarøde stråler tilbakelegger to forskjellige og adskilte baner i rommet, gjennom en atmosfære som skal overvåkes,

og disse to strålene blir filtrert langs sine baner slik at de har forskjellige bølgelengder. Begge strålene blir vanligvis utledet fra den samme kilde, men følger så forskjellige baner gjennom atmosfæren som skal overvåkes, og de resulterende intensi-teter av strålene blir detektert ved to uavhengige stråledetektorer. En av strålene tjener som en referansestråle, hvor man kan ta hensyn til for variasjoner i stråle-utgangen fra kilden, og hvor man kan ta hensyn til endringer i følsomheten av stråle-detektorene som et resultat av, f.eks. endringer i omgivelses-temperaturen, mens.den andre strålen er den som blir absorbert av gassen som skal detekteres. Siden to adskilte stråledetektorer blir brukt, får man imidlertid vanskeligheter når de to detektorene ikke er nøyaktig tilpasset. Selv om detektorene er rimelig vel tilpasset, vil det fremdeles oppstå forskjeller som følge av forskjeller i aldrings-egenskapene for de to sfråle-detektorene. Derfor kan deres operasjons-forhold også bli forskjellige, f.eks. forskjellige temperaturer. Det kan heller ikke tas hensyn til endringer i transmisjonen av de optiske baner

mellom kilden og detektorene, da de to strålene i det vesentlige beveger seg over forskjellige optiske baner. Transmisjonen av de to optiske baner endrer seg i bruk på grunn av ansamlinger av støv eller rusk på overflater i den optiske bane, og siden de to optiske banene er i det vesentlige uavhengige gjennom den atmosfæren som skal overvåkes, vil en ujevn ansamling av støv eller rusk forårsake en ubalanse mellom de to banene.

Ofte omfatter slike systemer med en dobbelt stråle i rommet et kappehjul som avbryter utgangen av kilden, for å frembringe en pulserende stråle. Kappehjulet kan også bli brukt til å

styre utstrålingen fra kilden, og rette den langs den ene banen eller den andre. Dette er en ytterligere ulempe, da bevegelige deler har en tendens til å slites, noe som fører til upålitelighet. De fører også til at gass-detektorene ikke blir så robuste som mulig.

Et eksempel på denne type av gassdetektor er beskrevet i US-A-4320297. I denne spesifikasjonen følger de to strålene to separate baner gjennom den samme gass-prøvecellen, og omfatter også et kappehjul for å avbryte strålen: For det annet har andre konvensjonelle typer av infrarød gass-absorbsjons-detektorer et målehode som benytter et system med en dobbeltstråle i tid, hvorved to stråler av forskjellig bølgelengde vekselvis passerer over den samme optiske bane, og blir detektert ved bruk av den samme stråle-detektor. Denne typen av gassdetektor må omfatte en anordning for å endre bølge-lengden av strålen. Normalt vil dette ha form av et filter-hjul som innfører spektral-filtre med forskjellige frekvensbånd inn i den optiske banen mellom kilden og stråle-detektoren. Filter-hjulet virker også som et kappehjul, for å frembringe en pulserende strålingskilde. Slike infrarøde absorbsjons-gassdetektorer tillater naturligvis at man i transmisjonen tar hensyn til endringer i alle felles-deler i den optiske banen, dvs. endringer i transmisjonen av alle deler unntatt spektral-filtrene, og således kan man ta hensyn til ikke-uniform ansamling av støv på overflatene i den optiske banen. Den største ulempe med denne type av gassdetektor er behovet for en anordning for å innføre forskjellige spektral-filtre i den optiske banen, noe som gjør det nødvendig å inkludere bevegelige deler i gassdetektoren. Dette forer til slitasje og upålitelighet, og også til at gass-detektoren ikke blir så robust som mulig. Et eksempel på en detektor av denne typen er beskrevet i US-A-4358679.

US-A-3539804 viser en liten, kompakt gassdetektor for å detektere karbondioksyd. Denne gassdetektor bruker i det vesentlige systemet med dobbelt stråle i rommet. Målehodet i gass-detektoren omfatter en enkelt strålingskilde, to detektorer for å detektere infrarød stråling, en optisk bane som strekker seg mellom kilden og detektoren, som omfatter et prøvegass-volum,

og et selektivt-sendende spektralfilter plassert i den optiske banen som leder til minst én av detektorene. I dette eksempelet er den infrarøde strålekilden en konvensjonell, for-fokus lys-pære med volfram-filament, som frembringer en ikke-pulserende, konsentrert men divergerende infrarød stråle gjennom gass-prøvevolumet. De to detektorene mottar stråling som har passert gjennom to forskjellige, men nær adskilte, områder av gass-prøven, da utgans-strålen fra kilden av infrarød stråling divergerer ganske lite. Strålingen som faller på en av detektorene former således en referansestråle, og den som faller på

den andre utgjør den analytiske stråle. Filteret plassert foran minst én av dem modifiserer bølgelengden av den delen av strålen, for å frembringe en forskjell i bølgelengden mellom de to strålene .

Skjønt de to detektorene i dette eksempel mottar stråler fra tilstøtende deler av gass-prøvevolumet, er det i det vesentlige fremdeles to separate og uavhengige stråler, og derfor har dette eksempelet alle begrensningene av det konvensjonelle systemet med dobbelt stråling i rommet, og enhver ujevn forurensning av lys-pæren og for-fokuslinsen eller enhver forurensning av et vindu nedenfor gassdetektoren som leder til de infrarøde stråle-detektorene og filteret fører til en ubalanse i systemet. Ut-redningen i denne spesifikasjonen diskuterer faktisk inkludering av et nøytralt filter som dekker halvparten av inngangsvinduet for<1> den infrarøde bestrålnings-detektorenheten, og hvordan man ved å rotere denne kan forårsake en ubalanse mellom de to strålene for å forsøke å tilpasse responsen av de to strålings-detektorene. En slik fremgangsmåte kan imidlertid bare bli brukt under første oppsetting av instrumentet, og tar ikke i betrakt-ning endringer i forurensningen av målehodet under bruk. Denne spesifikasjonen viser også at noen av disse problemene i sys-ternet kan overkommes ved a flytte det selektivt sendende spektralfilter inn i og ut av den optiske bane mellom kilden og en av stråledetektorene, og så omforme dette apparatet til et som opererer som en dobbelt stråle i tidssystemet.

Nærmere bestemt og på ovenstående bakgrunn tar oppfinnelsen utgangspunkt i et infrarødt målehode av den typen som omfatter en kilde for infrarøde stråler, to detektorer for å detektere infrarøde stråler, en optisk bane som strekker seg mellom kilden og detektorene, hvor detektorene er de to elementene av en to-elements detektor, og hvor den optiske banen omfatter et gass-prøvevolum og et selektivt spektralfilter plassert i den optiske banen som leder til minst én av detektorene, idet den optiske banen videre omfatter en konvergerings-anordning for å frembringe en konvergerende stråle konsentrert på begge elementene i den dobbelte detektoren. Det nye og særegene ved målehodet i følge oppfinnelsen består i første rekke i at filteret er plassert umiddelbart foran et av de to elementene i detektoren og ved at plasseringen av gass-prøvevolumet, adskillelsen av de to elementene i den dobbelte detektoren og konvergerings-anordningen er slik at de infrarøde strålene som emitteres av kilden og som faller på hvert av elementene i den dobbelte detektoren, følger en i det vesentlige felles bane gjennom gass-prøvevolumet.

Målehodet ifølge denne oppfinnelsen gjør det mulig for detektoren å operere med samme effekt som en enkelt stråle både_.

i rom og i tid, mens den ikke krever noen bevegelige deler i det hele tatt. Ved å benytte de to elementene i en dobbelt stråle-detektor kan de to elementene i stråledetektoren, ikke bare bli plassert meget nær hverandre, noe som letter funksjoneringen av en felles bane for de strålene som faller på de to elementene i detektoren, men de kritiske parametre i begge elementene er tilpasset hverandre og i det vesentlige identiske. Detektorer med to elementer har begge elementene på det samme substrat, og er utformet identisk ved den samme serie av produksjons-trinn. Eksempler på slike stråledetektorer med to elementer er dobbelte pyro-elektriske detektorer og dobbelte termosøyle-detektorer. I det typiske tilfelle er de to elementene av slike detektorer mindre enn 2 mm fra hverandre, og ofte er de adskilt bare ved 0,5 mm.

Da de to elementene i stråledetektoren er så nær hverandre,

og da den optiske banen omfatter en anordning for å frembringe en konvergerende stråle som blir konsentrert på begge elementene i detektoren med to elementer, har strålene som faller på

de to elementene i detektoren tilbakelagt i det vesentlige identiske baner gjennom gassvolumet. Derfor vil eventuell forurensning i den banen, f.eks. en ansamling av støv og rust på

en eller annen del i den optiske banen, ha praktisk talt den samme effekt på bestrålningen som mottas av de to detektorene.

Da de to elementene i detektoren er litt adskilt fra hverandre, følger naturligvis ikke bestrålningen som mottas av de to detektorene absolutt den samme bane, men det er typisk så meget som en firfoldig forbedring i målehodets følsomhet for ujevn forurensning i gassdetektorens optiske bane.

Fortrinnsvis skal et selektivt spektralfilter monteres umiddelbart foran hvert av de to elementene i den dobbelte stråle-detektor og i dette tilfelle skal pass-båndet for de to selek-tive spektral-filtre være forskjellig. Filtrene er arrangert slik at et av spektral-filtrene sender et pass-bånd som blir sterkt absorbert av gassen som skal detekteres, og dette filteret definerer analyse-komponenten i strålen. Det andre spektral-filteret sender et pass-bånd som ikke blir sterkt absorbert av gassen som skal detekteres, eller noen annen gass som sannsynligvis kan være tilstede, og dette filteret definerer referanse-komponenten i strålen. Ideelt bør pass-båndene for de to filtrene velges slik at de ligger så nær hverandre som mulig, for å minimalisere forskjellen i deres signal-nivåer.

Når målehodene f.eks. skal brukes til å detektere nærvær av karbon-dioksyd i en luftblanding, har spektral-filteret som skal anordne referanse-strålen vanligvis en sentral bølgelengde 3,95 mikrometer, og en båndbredde på 2%, og analyse-filteret har en sentral bølgelengde på 4,25 mikrometer og igjen en båndbredde på 2%. Når imidlertid målehodet skal brukes for å detektere nærvær av karbondioksyd i en atmosfære hvor det også kan finnes dinitrogenoksyd, f.eks. i et operasjonsrom, blir det brukt et referansefilter med en sentral bølgelengde på 3,75 mikrometer,

da stråling av bølgelengde 3,95 mikrometer blir sterkt absorbert av dinitrogenoksyd. Når man detekterer dinitrogenoksyd, blir faktisk et filter med en sentral bølgelengde på 3,95 mikrometer brukt som analysefilter. For å detektere brennbare gasser i et

miljø slik som et oljefelt, vil de fleste av de brennbare gasser som man sannsynligvis møter, omfatte en karbon-hydrogen-forbindelse som sterkt absorberer infrarøde stråler. For å detektere slike brennbare gasser bruker man et analysefilter med en 3,32 mikrometer sentral bølgelengde, og en båndbredde på 2%.

Kilden er fortrinnsvis utformet ved en konvensjonell wolfram-filament lampe, med en kolbe av kvarts eller glass. En slik kilde kan imidlertid bare brukes med spektralfiltre som har et pass-bånd med en bølgelengde opp til 4,5 mikrometer. Når man opererer utenfor dette området er det foretrukket at kilden omfatter en wolfram-filament lampe med en kolbe som omfatter et vindu som slipper gjennom infrarøde stråler, eller et bart ikke-oksyderende filament som opererer stabilt i luft. Det er typisk at kilden blir drevet av en tids-varierende elektrisk strøm, slik at utgangs-strålingen fra kilden blir pulset. Utgangen kan f.eks. bli pulset ved en frekvens på omkring 10 Hz. Pulsing av den infrarøde kilden ved denne frekvensen er tilpasset den typiske maksimum-frekvens-responskarakteristikk av en termosøyle eller pyroelektrisk type stråledetektor, og puls-frekvensen er vanligvis tilpasset frekvensen for den stråle-detektor som blir brukt. Bruken av en infrarød kilde med varierende intensitet

øker naturligvis følsomheten og stabiliteten av innretningen, og har alle fordelene av andre konvensjonelle infrarøde absorbsjons-gassdetektorer som omfatter en mekanisk kappe-anordning for å avbryte strålen mellom kilden og stråle-detektorene, men har selv-følgelig også den fordelen at den ikke krever bruk av noen bevegelige deler.

Målehodet kan være utformet i en rett linje, med kilden på én ende av linjen og med stråle-detektoren på den andre ende av linjen, fjernt fra kilden. I dette tilfelle er konvergerings-anordningen for å konsentrere infrarøde stråler en linse," plassert mellom kilden og stråle-detektoren, hvor linsen frembringer den konvergerende infrarøde stråle, konsentrert på begge elementene av den dobbelt detektor. Det er imidlertid foretrukket at målehodet har en "foldet" utforming, og at konvergerings-anordningen for å konsentrere infrarøde stråler omfatter en konkav speilflate eller en kombinasjon av et speil og en linse. I dette tilfelle går strålen gjennom gass-prøvevolumet to ganger.

Målehodet kan også ha en "dobbelt-foldet" utforming, og omfatte en kombinasjon av speil såsom et sfærisk, konkavt speil

og et ringformet, plant speil, slik at de infrarøde strålene går gjennom gass-prøvevolumet fire ganger. En slik utforming er spesielt god for å detektere gasser som bare er svakt absorberende for infrarøde stråler.

Når målehodet har en "foldet" utforming, er den infrarøde kilden og stråledetektoren med to elementer fortrinnsvis plassert ved siden av hverandre, og er skjermet fra hverandre for å hindre at strålingen som blir emittert fra kilden faller direkte på elementene i stråle-detektoren. I dette tilfelle er både kilden og stråledetektoren vendt mot speilet, og når speilet er et konkavt, sfæriskt speil, blir strålene fra kilden detektert og konsentrert på stråledetektoren ved det sfæriske, konkave speilet. En slik anordning er spesielt foretrukket, ikke bare fordi det reduserer den totale lengde av apparatet på grunn av den dobbelte passering av infrarøde stråler gjennom gass-prøvevolumet, men også fordi det gjør det mulig at både kilden og detektoren, som begge må ha elektriske forbindelser, blir plassert tett sammen. Speilet, som er fullstendig passivt, er fjernt fra kilden og stråledetektoren. Det er typisk at speilet er plassert mellom 10 og 100 mm fra både kilden og stråledetektoren.

I et målehode som omfatter et sfærisk, konkavt speil, er adskillelsen av de to elementene i stråle-detektoren S; avstanden fra de to elementene i stråledetektoren til deres inngangsvindu er h; adskillelsen av speilet og inngangsvinduet er G, og diameteren for speilet er M. Overlappingsgraden Ov ved inngangsvinduet til stråledetektoren for de stråler som faller på begge elementene i detektoren er gitt ved den følgende formel:

Inngangsvinduet for stråledetektoren er den overflaten inne i gass-prøvevolumet som er plassert nærmest stråle-detektoren, og det er den overflaten som med en ujevn forurensning vil ha den største effekt på strålene som mottas av hvert element i en detektor med to elementer. Hvis man setter inn typiske verdier for det verste praktiske tilfelle av et målehode med kort optisk banelengde, hvor h = 9 mm; M = 10 mm; og G = 11 mm; og, S = 0,5 mm, blir overlappingsgraden ved inngangsvinduet til detektoren større enn 90%. Mer vanlig er det at speilet er 50 mm fra inngangsvinduet, slik at G = 50 mm. I dette tilfelle er det klart at selv med en adskillelse av detektorelementene S på så mye som 2,5 mm, blir overlappingsgraden enda tilstrekkelig høy til å gi tilfredsstillende resultater.

I praksis er volumet av gass-prøvevolumet som blir passert av strålene som mottas av begge elementene meget større enn overlappingen mellom strålene ved inngangsvinduet. En overlappings-grad på så lite som 50% ved inngangsvinduet betyr at det er over 80% overlapping mellom strålene gjennom hele gass-prøvevolumet.

Det skal fortrinnsvis være en anordning for å hindre krysskobling mellom de to elementene i stråledetektoren. Disse an-ordningene kan utformes ved en ugjennomsiktig region plassert mellom de to spektralfiltrene og på linje med et gap mellom de to elementene, eller det kan være en ugjennomsiktig region som dekker øvre eller nedre del av forbindelsen mellom de to spektral-filtrene. Det er imidlertid foretrukket at anordningen for å hindre krysskobling er utformet ved en fysisk, ugjennomsiktig barriere som strekker seg mellom de to elementene i detektoren. I dette tilfelle kan de to spektral-filtrene være montert på den sentrale barrieren som skiller de to detektor-elementene. Målehodet er fortrinnsvis arrangert slik at den optiske innretning ikke er kritisk, for å lette både første-montering og vedlike-holdsoperasjoner såsom skifting av lyskilden. Dette blir oppnådd ved å sikre at billedintensiteten i stråledetektorens plan er—i det vesentlige uniform. Dette blir fortrinnsvis utført ved ikke å fokusere linsen eller detkonkave speilet nøyaktig på stråle-detektorene, slik at utstrålingen fra kilden, mens den er konsentrert, ikke er skarpt fokusert på linsen eller speilet. Alternativt eller i tillegg, kan strålingen fra kilden bli spredt ved å plassere et spredningsfilter foran kilden, eller ved å plassere kilden i en integrerende inneslutning, såsom ved å plassere kilden i det optiske senter av en reflekterende, sfærisk overflate eller ved basen av en reflekterende sylinder.

Gass-prøvevolumet kan simpelthen bli utsatt for atmosfæren som skal overvåkes, eller alternativt atmosfæren som skal overvåkes kan bli ført gjennom gass-prøvevolumet f.eks. med en pumpe.

Det foretrekkes at målehodet utformer en del av en komplett infrarød absorbsjons-gassdetektor, og i dette tilfelle er kilden og stråledetektoren fortrinnsvis plassert i et hus sammen med resten av komponentene i gass-detektoren med kilden og stråle-detektoren i forbindelse med hverandre via et infrarødt-sender-vindu i huset. På denne måten blir alle de aktive komponentene, og elektronikken forbundet med detektoren og kilden isolert fra korroderende og andre skadelige gasser og fra brennbare miljøer. Spesielt når gassdetektoren er anordnet for å overvåke nærvær av brennbare gasser, er det foretrukket at huset er konstruert tilstrekkelig robust til å imøtekomme sikkerhets-standarder for flamme- og eksplosjons-sikkerhet.

Forskjellige eksempler på målehoder og infrarøde absorbsjons-gassdetektorer ifølge denne oppfinnelsen skal nå beskrives, under henvisning til tegningene, hvor: Figur 1 er et elevasjons-riss, delvis i snitt, av det første eksempel på en detektor; Figur 2 er et eksplodert perspektiv-riss av en termoelektrisk detektor med to elementer; Figur 3 er et sideriss, delvis i snitt og delvis diagrama-tisk, av et annet eksempel på en detektor; Figur 4 er et sideriss, delvis i snitt, av et tredje eksempel; og

Figur 5 er et optisk diagram av et fjerde eksempel.

Det første eksempel på gassdetektoren er spesielt konstruert til å bli brukt for deteksjon av brennbare gasser i en potensielt brennbar atmosfære. For å møte kravene for disse forholdene er de elektriske og elektroniske komponenter av gass-detektoren plassert inne i et hus 1, med et gjenget deksel 2 og en gasstett pakning 3. Huset 3 omfatter en skru-gjenget hals 4 med en åpning i enden, dekket av et kvarts-eller safir-vindu 5. En skru-gjenget utgang 6 fra dekselet 2 er festet til et standard, gjenget hull i en standard koblingsboks, og elektriske og elektroniske komponenter i gass-detektoren er montert på kretskort 7, plassert inne i huset 1. Målehodet i gassdetektoren omfatter en volfram-filament lampe 8 som utformer en kilde for infrarød stråling, et sfærisk, konkavt speil 9 og en kombinert detektor og filterenhet 10 som vil bli beskrevet i mer detalj under henvisning til figur 2. Lampen 8 og den kombinerte detektor- og filterenhet 10 blir Sholdt i to hull ved siden av hverandre i monteringsblokken 11, i huset 1. Filamentet i lampen 8, og detektorene i detektor- og filterenheten 10 er montert i omtrent det samme plan, og plassert under vinduet 5. Et uthulet bur 12 er skrudd på utsiden av den skrugjengede halsen 4. Speilet 9 er skrudd inn i enden av buret 12, fjernt fra halsen 4, og buret 12 omfatter et antall åpninger 13 for å la atmosfæren som skal overvåkes sive fritt mellom vinduene 5 og speilet 9. I dette eksemplet strekker gass-prøvevolumet seg mellom overflaten på speilet 9 og den ytre overflate på vinduet 5. Den ytre overflate på vinduet 5 danner inngangsvinduet for stråling som rekker detektorene, og enhver forurensning av den ytre flate på dette vinduet vil sannsynligvis ' ha den største forskjellseffekt på strålene som rekker detektorene. Planet som inneholder detektor-elementene og filamentet i lampen 8 er plassert i det vesentlige ved kurvesenteret for speilet 9, og en divergerende stråle som forlater filamentet i lampen 8 blir således konsentrert: av speilet 9 på de to elementene i detektoren.

Figur 2 viser et eksplosjonsriss av detektor- og filterenheten 10. Den detektoren som blir brukt i dette eksempelet 'er en to-elements, flersjikts termosøyle-detektor, modell nr. DR26, produsert av the Dexter Research Center of Michigan, U.S.A. Detektor-enheten 10 omfatter en T05 type kanne 14, som holder en ringformet keramikkskive 15 med en stav 16 som strekker seg tvers over en diameter. To identiske flersjikts termosøyle-elementer 17 og 18 er utformet på overflaten av en plastikkskive, ikke vist, som er montert på basen av keramikkskiven 15. De to termo-søyle-elementene 17 og 18 er plassert på motsatte sider av stav— en 16. Ledninger 19, forbundet med de to detektor-elementene 17 og 18, strekker seg bakover fra baksiden av kannen 14. Selek-tive spektral-transmisjonsfiltre 20 og 21 er montert på toppen av keramikkskiven 15, og festet i posisjon med lim. Transmi-sjonsfilteret 20 utformer analysefilteret, og har en sentral bølgelengde på 3,32 mikrometer, og 2% båndbredde, og trans-misjonsfilteret 21 utformer referansefilteret og har en sentral båndbredde på 3,89 mikrometer og en 2% båndbredde. En ringformet hette 22 passer over enden på kannen 14. I dette eksempelet er avstanden S mellom de to elementene 17 og 18 1,1 mm; adskillelsen av elementene 17 og 18 fra den ytre overflate av vinduet 5, h, er 11 mm; adskillelsen av speilet 9 og den ut-vendige overflate av vinduet 5, G, er 75 mm; og diameteren av speilet M, er 30 mm. Dette betyr at overlappingsgraden mellom de strålene som faller på detektorelementet 17 og de som faller på detektorelementet 18 på den ytre overflate av vinduet 5 er 73%.

Det annet eksempel av gassdetektoren ifølge denne oppfinn-

elsen er tenkt til å brukes i en dykkerklokke, som en følsom detektor for å detektere nærvær av karbondioksyd. Dette eksemp-

let er konstruert for å sette igang en alarm i nærvær av 1% karbondioksyd i den atmosfæren som blir overvåket. Det annet eksempel er montert i en sylindrisk kasse 23, og omfatter et målehode, generelt lik det som er brukt i det første eksempelet,

og generelt de samme henvisningstallene er brukt. Målehodet om-

fatter en sylindrisk monteringsblokk 11, inneholdende en detek-

tor- og filterenhet 10 og en volfram-filament lampe 18 i to til-støtende utboringer, et infrarødt gjennomsiktig vindu 5 laget av safir eller kvarts er limt til fronten av monteringsblokken 11

for å definere inngangsvinduet for detektor- og filterenheten 10. Målehodet omfatter også et konkavt, sfærisk speil 9 som er mon-

tert ved enden av huset og vendt mot monteringsblokken 11. Dette eksemplet er spesielt tenkt for bruk i dykkerklokker og andre marine anvendelser, hvor det er betydelig fuktighet. For å hindre tåkedannelse på speilet, som forstyrrer responsen av detektorene,

er en varmeanordning 24 plassert på baksiden av speilet 9. Det sylindriske huset 23 inneholder også elektronikken og tilhørende elektriske komponenter i detektoren. De elektroniske komponenter er montert på kretskortene 25 og 26.

Gass-prøvevolumet er definert mellom den ytre overflate av

vinduet 5 og speilet 9. Dette gass-prøvevolumet kan ganske enk-

elt være åpent til atmosfæren som skal overvåkes, men det fore-

trekkes at den atmosfæren som skal overvåkes blir positivt introdusert inn i gass-prøvevolumet. Gassen som skal overvåkes blir introdusert med en pumpe 27 og rørene 28 og 29, som alle er vist i prikkede linjer på figur 3. For å beskytte elektronikken og de elektriske kretsene mot fuktighet er det foretrukket at det innvendige av huset 23, bak monteringsblokken 11, blir fylt med et støpemateriale. Detektor- og filterenheten 10 er lik den som er vist på figur 2, men da dette eksempelet er tenkt for å detek-

tere nærvær av karbondioksyd, er senter-bølgelengden av analyse-filteret 20 lik 4,26 mikrometer, og har igjen en 2% båndbredde.

Referansefilteret 21 er det samme som den som ble brukt i det første eksempelet.

Dimensjonene i dette eksempelet er som følger: S, adskillelsen av de to detektor-elementene er 1,1 mm; h, adskillelsen av stråledetektor-elementene fra inngangsvinduet 5 er 7,5 mm; G, adskillelsen av speilet og inngangsvinduet er 18,5 mm; og M, diameteren av speilet 9 er 11,5 mm. Dette gir en overlapping ved utsiden av vinduet 5 på 75%.

Det tredje eksempelet, vist på figur 4, er tenkt for deteksjon av karbondioksyd i industrien, typisk i kjellerne av barer og andre plasser hvor sylindre inneholdende karbondioksyd blir lagret. Denne detektor er konstruert for ikke å være så følsom som den beskrevet i det annet eksempel, og til å gi et alarm-signal som følge av et nærvær av 50% karbondioksyd i den atmosfæren som blir overvåket. Dette eksempelet krever et gass-prøvevolum som har bare en kort absorbsjons-bane, da karbon-, dioksyd er en sterkt absorberende gass. Figur 4 viser målehodet i det tredje eksempelet, som omfatter en sylindrisk monteringsblokk 30 i hvilken det i tilstøtende utboringer er montert en detektor- og filterenhet 10 og en volfram-filament lampe 8. Blokken 30 omfatter en kontra-utboring 31 i hvilken er plassert en forseglet, luftfylt celle 32, montert umiddelbart foran lampen 8 og detektor- og filterenheten 10. Målehodet omfatter også et konkavt, sfærisk speil 9, utformet på ene overflaten av en endeplugg 33 som passer inn i kontrautboringen 31. Et par store åpninger 34 er utformet i sideveggen av kroppen 30 i kontrautboringen 31. Gass-prøvevolumet er definert mellom overflaten av den luftfylte cellen 32, fjernt fra lampen 8 og detektor- og filterenheten 10, og speilet 9. Atmosfæren som skal overvåkes kan ganske enkelt sive fritt inn i dette rommet ved å entre åpningene 34, men det er foretrukket at målehodet er montert inne i et oppdelt hus (ikke vist) som omfatter en liten vifte (ikke vist) for å trekke atmosfæren som skal overvåkes fra en del av huset til den annen gjennom åpningene 34, og derfor gjennom gass-prøvevolumet .

Den luftfylte celle 32 er anordnet i dette eksempel for å øke adskillelsen av kilden 8 og detektor- og filterenheten 10 fra speilet 9, mens den samtidig ikke har for lang banelengde for atmosfæren som skal detekteres, for å redusere følsomheten av innretningen til de ønskede grenser. Ved å plassere denne

cellen 32 nær kilden 8 og detektoren 10, økes overlappingen mellom den strålen som rekker analysedetektoren 17 og den som rekker referansedetektoren ved inngangsvinduet. En slik luftfylt celle 32 kan bli brukt til å øke overlappingen ved inngangsvinduet i de andre eksemplene. Vinduet i cellen 32 er naturligvis utformet fra et materiale som er gjennomsiktig for infrarøde stråler, såsom kvarts.

Detektor- og filterenheten 10 er lik den som er vist på figur 2, og kan være identisk med den som er beskrevet under henvisning til det annet eksempel. Alternativt kan detektorenheten være basert på en pyroelektrisk detektor med to elementer, slik som de som blir fabrikert og distribuert av Plessey Optoelec-tronics and Microwave Ltd. av Wood Burcote Way, Towcester, Northants, United Kingdom.

Lignende pyroelektriske detektorer kan bli brukt i de andre eksemplene.

Dimensjonene av komponentene i det tredje eksempelet er som følger: S, adskillelsen av de to elementene i detektoren er 1,1 mm; h, adskillelsen av stråledetektor-elementene fra utsiden av cellen 32 er 11 mm, G, adskillelsen av speilet 9 fra inngangsvinduet på prøvecellen 32 er 7 mm, og M, diameteren av speilet 9 er 9 mm. Dette gir en overlapping på 91%.

Mens det i det tredje eksempelet ifølge denne oppfinnelsen var ønsket å redusere banelengden for de infrarøde stråler gjennom gass-prøvevolumet, er det enkelte ganger nødvendig å forlenge banelengden, når gassen som skal detekteres er svakt absorberende av infrarøde stråler. Naturligvis kan dette bli oppnådd ved å flytte speilet bort fra kilden og detektoren for å øke instru-mentets totale lengde. Da gass-detektorer ofte må plasseres på steder hvor det er begrenset plass, er det imidlertid ofte ønske-lig å øke banelengden optisk ved et arrangement som vist på figur 5. I dette arrangementet er monteringen av kilden 8 og detektoren 10 i det vesentlige den samme som i de tre beskrevne eksemplene, men istedenfor å være plassert i det vesentlige ved kurveradien for speilet 90 er de plassert ved i det vesentlige alle kurveradien av speilet 9. Den optiske banen omfatter da i tillegg et ringformet, plant speil 35 plassert nær kilden 8 og detektoren 10. Infrarøde stråler som emitteres fra kilden 8

faller først på speilet 9, hvor de blir reflektert på det ring-

formede speil 35. Strålene blir så returnert fra det ringformede speilet 35 til speilet 9, og derfra blir det reflektert til filter- og detektorenheten 10. De infrarøde strålene gjør så-

ledes fire passeringer gjennom gass-prøvevolumet og dette for-

dobler følsomheten av gassdetektoren uten å øke dens totale dimensjoner.

Claims (7)

1. Målehode for en infrarød absorbsjons-gassdetektor omfattende en kilde (8) for infrarøde stråler, to detektorer (10) for å detektere infrarøde stråler, en optisk bane som strekker seg mellom kilden (8) og detektorene (10), hvor detektorene (10) er de to elementene (17,18) av en to-elements detektor, og hvor den optiske banen omfatter et gass-prøvevolum og et selektivt spektralfilter (20,21) plassert i den optiske banen som leder til minst én av detektorene (10), idet den optiske banen videre omfatter en konvergerings-anordning (9) for å frembringe en konvergerende stråle konsentrert på begge elementene i den dobbelte detektoren (17,18), karakterisert ved at filteret (20,21) er plassert umiddelbart foran et av de to elementene (17,18) i detektoren og ved at plasseringen av gass-prøvevolumet, adskillelsen av de to elementene (17,18) i den dobbelte detektoren og konvergerings-anordningen (9) er slik at de infrarøde strålene som emitteres av kilden (8) og som faller på hvert av elementene (17,18) i den dobbelte detektoren, følger en i det vesentlige felles bane gjennom gass-prøvevolumet.

2. Målehode ifølge krav 1, karakterisert ved at et selektivt spektralfilter (20,21) er plassert foran hvert av elementene (17,18) i stråledetektoren.

3. Målehode ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at den dobbelte stråledetektor (17,18) er en toelements pyroelektrisk detektor eller en toelements termosøyle-detektor.

4. Målehode ifølge krav 3,karakterisert ved at elementene (17,18) i detektoren er adskilt med mindre enn 2 mm.

5. Målehode ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at strålene som faller på de to elementene har 50% eller mer av deres område til felles når de passerer gjennom et inngangsvindu som definerer den nedre ende av gass-prøvevolumet.

6. Målehode ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at den infrarøde kilden (8) og stråledetektoren (10) er plassert ved siden av hverandre i det samme plan, og skjermet fra hverandre for å hindre at strålene som emitteres fra kilden (8) faller direkte på detektoren (10).

7. Målehode ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at den atmosfære som skal overvåkes blir positivt trukket gjennom gass-prøvevolumet med en pumpe eller en vifte (27).