CN1885011A - 光学分析仪 - Google Patents
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Abstract
一种光学分析仪(1)，具有一带至少一个射线可穿透的壳体单元(3)的壳体(2)、至少一个第一射线源(4)和第一反射器(5)、一第二射线源(6)和一第二反射器(7)、至少一个第一检测器(8)和一个第二检测器(9)以及一个设置在壳体外部的反射器(10)，其中射线源和检测器设置在壳体内部，由外部反射器和射线可穿透的壳体单元构成一吸收腔(11)，由第一射线源和第一反射器发射的测量射线(12)在被外部反射器反射后重新进入壳体，第二射线源和第二反射器发射一基准射线(13)，测量射线在穿过吸收腔后被设置在壳体内的测量射线反射器(14a、14b)直接偏转到第一检测器和第二检测器上，基准射线从第二射线源和第二反射器直接落在第一检测器和第二检测器上。
Description
技术领域
本发明涉及一种按射线吸收原理的光学分析仪，具有一带至少一个射线可穿透的壳体单元的壳体、至少一个第一射线源和一个配设于它的第一反射器和一个第二射线源和配设于它的第二反射器、至少一个第一检测器和一个第二检测器、以及一个设置在壳体之外的外部反射器，其中射线源和检测器设置在壳体内，由外部反射器和射线可穿透的壳体单元构成一吸收腔，由第一射线源和第一反射器发出的测量射线在被外部反射器反射后重新进入壳体，并由第二射线源和第二反射器发出一基准射线。
背景技术
很久以来已知不同实施形式的这里所述类型的光学分析仪，并利用被电磁辐射穿透的材料的射线吸收效应。这里电磁辐射大多是宽带的，并至少覆盖使待检测物质吸收射线的频区。其中每种需要了解的物质显示一种特征性的吸收频谱，其特征是，所发射的电磁辐射在穿过待识别物质所在的吸收腔后在一定的通常窄带的吸收区内相对于相邻频区的射线功率比较大地削弱。通过对吸收频谱的记录可以确认存在的物质，而通过在吸收频区内相对削弱的强度可以对一定的物质浓度作出结论。
特别是在检测气体时采用非扩散红外分析，它不用谱分解所发射的电磁辐射即可。在非扩散频谱测量仪中用可选择的检测器工作，它们仅仅在有限的辐射区内是敏感的，亦即在待识别物质是吸收辐射的频区内是敏感的。这里所用滤波器的可选择性常常通过连接在检测器前面的干扰滤波器造成。作为检测器大多采用热电检测器或连接成热柱的热元件。
很容易理解，在仅仅采用一个检测器时实际上不能对待检测物质的实际浓度得出结论，如果不能排除测量射线的削弱不可能由其他原因、例如由于在吸收腔内存在干扰气体或其他杂质引起的话。同样仅仅用一个检测器也不能识别例如由老化引起的辐射源的强度削弱。因此为了补偿上述效应在现有技术中已知，采用至少两个检测器，其中一个检测器在待检测物质的吸收区内是敏感的。另一个检测器在通过其他物质不能吸收的频区内是敏感的(基准检测器和测量检测器)。通过使由测量检测器获得的信号与由基准检测器获得的信号相联系的方法，可以补偿一定的使测量产生误差的效应。
例如已知，由一射线源发射的射线通过一镜子分成一测量射线和一基准射线，其中测量射线和基准射线由两个不同的检测器测量。由于仅仅采用一个射线源不能补偿例如由于老化或温度因素引起的各个检测器的灵敏度偏差，从而对最终的测量信号产生影响(DE 44 37 188C2)。
由DE 197 13 928 C1已知一种所述类型的光学分析仪，其中在壳体内设一射线分配器，它既使测量射线又使基准射线部分向第一检测器和第二检测器方向偏转或透射。在射线分配器和第一检测器或第二检测器之间分别连接一聚能器，它们用来使测量和基准射线均匀化。这种结构的缺点一方面是，通过射线分配器可能造成与温度有关的测量和基准射线的非对称强度分配或强度损失，它们不可补偿地进入测量信号中，其次通过采用聚能器强制地使测量和基准射线在安装在后面的相应检测器或安装在检测前面的干扰滤波器上的入射角减小，由此使其带通特征带宽更宽，从而减小气体针对性。此外通过多次反射测量和基准射线都显著衰减，这对光学分析仪的灵敏度产生不利影响。
采用这里所述的光学分析仪时的根本问题是，物质在其吸收区内的谱吸收性能是非常不同的。一些气体仅仅非常弱地并仅仅在非常窄的波长范围内吸收。为了实现良好的验证灵敏度，对于仅仅弱吸收的组分与强吸收的组分相比需要较长的吸收路程，以便在浓度相同的情况下得到类似的信号。已知光学分析仪与不同强弱地吸收的物质或者与不同灵敏区的简单的匹配对于作为本发明出发点的分析仪不是毫无困难就可以做到的。
发明内容
因此本发明的目的是，这样地设计和改进以射线吸收原理为基础的光学分析仪，使得至少部分避免上述缺点。
用来实现上面所提和所示目的的本发明的光学分析仪的特征首先和主要是，测量射线在穿过吸收腔后被一设置在壳体内的测量射线反射器直接向第一检测器和第二检测器偏转，而第二射线源和第二反射器的基准射线直接落到第一检测器和第二检测器上。通过本发明分析仪的特殊结构可以不用在壳体内的射线分配器，这使结构在总体上更简单并且使成本更低，此外避免由射线分配器引起的与温度有关的非对称强度损失。
现有有很多种方案构造和改进发明的技术方案，对此参照从属权利要求。对于本发明特殊的结构作以下提示。
在本发明光学分析仪的一种优选实施方式中测量射线反射器设计成环形，其中测量射线反射器的一定区域将一定量的测量射线反射到一定的检测器上。亦即由测量射线反射器的第一区域反射的一部分测量射线可以仅仅提供用来照射第一检测器的份额，而测量射线反射器的另一区域使另一部分测量射线仅仅向第二检测器偏转。
在另一种优选的实施方式中测量射线反射器的表面设计得使射线混合和射线均匀化，使得由测量测量射线反射器的每个区反射的测量射线基本上向存在的检测器偏转和分配。这具有特别有利的效果，即不需附加的起光学作用的元件(聚能器，扩散器)就能使测量射线不同部分充分混合。因此测量射线的局部干扰不仅影响一个检测器，而且影响所有检测器，使得可以均衡测量射线的非对称影响。在一种特别优选的实施方式中通过表面的中凹和/或中凸微型构造使射线混合和均匀化。
在本发明光学分析仪的一种特别优选的实施方式中外部反射器与壳体的距离是可调的。通过这种措施可以用加大测量射线在吸收腔内走过的距离来扩大吸收腔。由此可以非常方便地使本发明的分析仪与吸收强度不同的物质匹配，从而使光学分析仪可以在最佳敏感区内运行。在分析仪的另一种优选实施方式中，测量射线的射线通路是可调的。这是指，测量射线的集束或扩散是可变的，使得可以控制检测器的照度。测量射线可调性特征和外部反射器离壳体距离的可调性相结合则特别有利，但不是必须的。通过两种调整方案相互协调的共同作用可以通过测量射线较强的集束克服在外部反射器离壳体的距离加大时测量射线可能出现的过大扩散，反之亦然。在一种特别优选的实施方式中测量射线射线通路的可调性通过第一射线源相对于第一反射器的移动实现。通过第一射线源沿第一反射器的光轴的移动-特别是移出反射器的焦点-达到测量射线相对于光轴对称的扇形展开，其前提是反射器本身做成对称的。通过第一射线源移出光轴还可以实现测量射线相对于反射器光轴的倾斜。
具体来说有不同的方案来构造和改进本发明的光学分析仪。现结合附图对优选实施例进行说明。附图中表示：
附图说明
图1本发明光学分析仪一种优选实施例的剖视图；
图2本发明光学分析仪另一种优选实施例的剖视图；
图3可用本发明的分析仪的优选实施例产生的测量射线的射线通路。
具体实施方式
图1表示本发明光学分析仪1的一种优选实施例，它具有一带一射线可穿透的壳体单元3的气密性壳体2。射线可穿透的壳体单元3对于第一射线源发射的射线基本上是可穿透的，因此由第一射线源4发射的射线可以从一侧离开壳体2。第一射线源4配设一第一反射器5，它在在图1中所示的实施例中做成碗碟状，因此通过它可以使由第一射线源4发射的射线一定程度地集束。其次在气密性壳体2内设有一第二射线源6连同配设于它的第二反射器7。此外在壳体2内设有对于由第一射线源4或第二射线源6发射的射线敏感的第一检测器8和第二检测器9。在在图1中所示实施例的具体情况下第一检测器8和第二检测器9分别是一热电检测器，它对于电磁辐射的红外区是敏感的。因此所示光学分析仪是一非扩散红外分析仪(NDIR)。
离气密性壳体2或射线可穿透的壳体单元3一定距离设一外部反射器10，它反射由第一射线源4发射的射线，使它穿过射线可穿透的壳体单元3重新反射回气密性壳体2内。在按图1的实施例中外部反射器10是一平面镜。由外部反射器10和射线可穿透的壳体单元3-至少部分-围成一吸收腔11。气态、液态或固态物质试样放在吸收腔11内，此试样应该检测一定物质成分的存在性和浓度。在图1中所示的分析仪1用来对气态试样进行频谱试验。但是原则上本发明绝不局限于气态物质的检测。
由第一射线源4通过与第一反射器5的共同作用发射一定向测量射线12，它通过射线可穿透的壳体单元3离开壳体内腔，并被外部反射器10通过射线可穿透的壳体单元3反射入气密性壳体2内。因此测量射线12两次横向穿过吸收腔11。由第二射线源6与第二反射器7共同作用发射一基准射线13，但它不离开气密性壳体2。
按照本发明，由吸收腔11通过射线可穿透的壳体单元3反射入气密性壳体2内的测量射线12被一设置在壳体2内的测量射线反射器14a、14b直接偏转到第一检测器8和第二检测器9上，而来自第二射线源6和第二反射器7的基准射线13同样直接落在第一检测器8和第二检测器9上。这里重要的是，测量射线12在测量射线反射器14a、14b上一次反射后，而基准射线13在第二反射器7上一次反射后直接地(亦即中间不经过其他光学元件)落在检测器8，9上。通过这种特别简单的结构避免了由采用附加光学元件例如射线分配器所产生的特别缺点，由于射线分配器可能产生测量射线12和基准射线13附加的强度损失和与温度有关的非对称强度分布。
在图1中所示的优选的实施例中测量射线反射器14a、14b设计成环形，其中在按图1的剖视图中只能看到上切边和下切边。在所示实施例中环形的测量射线反射器14a、14b设计成抛物面的一段，使得落在测量射线反射器14a、14b不同区域内的测量射线12的组成部分向检测器8，9方向反射。测量射线反射器14a、14b足够光滑的表面促使，被测量射线反射器14a、14b的第一区域反射的测量射线12的一部分基本上反射到第一检测器8上，而测量射线12落到测量射线反射器14a、14b另一个区域上的部分反射到第二检测器9上。如果测量射线12的不同的部分受不同强度的影响是不利的，它可能是由于不同强弱的试样浓度或由于吸收腔11内光学表面的非对称污染引起的，这种影响也不能通过应用基准射线13补偿。但是这个问题可以用测量射线反射器14a、14b按图2的结构的优选实施例克服。在按图2的局部放大图中可以看到，测量射线反射器14a、14b的表面具有一中凹的微型构造15a(左面的细节图)或一中凸的微型构造15b(右面的细节图)。测量射线反射器14的微型构造15a、15b设计成这样，使测量射线反射器14a、14b对反射的测量射线12起射线混合和射线均匀化作用。这里射线混合不是随意进行的，而是被测量射线反射器14a、14b的一定区域反射的一部分测量射线12基本上扩展到所有检测器8，9上，但是不扩展到其它地方。由此保证，在测量射线12在受空间的不均匀影响时由此造成的同样不均匀的强度分布不仅造成检测器8，9的误差，而且这个误差在两个检测器8，9上基本上产生相同的影响，从而可以用已知的方法补偿。
在图1中所示的优选实施例中外部反射器10到壳体2或者说到射线可穿透的壳体单元3的距离A是可调的。在按图1的实施例中可以通过更换间隔件16产生不同的距离A，通过间隔件确定感兴趣的距离A。由于吸收腔11在沿测量射线12的扩展方向的尺寸是可变的，光学分析仪1可以和不同强弱地吸收的物质相匹配，因此分析仪1可以用最佳的方式例如与检测器8，9的测量范围匹配。
在按图1的光学分析仪1中测量射线的射线通路是可调的，由此可以控制检测器8，9的照度。在图1中所示的分析仪中测量射线12射线通路的调整(这里未详细画出)通过第一射线源4相对于第一反射器5的移动实现。在图3a和3b中表示第一射线源4相对于第一反射器5移动的效果，这里移动限于第一射线源4沿第一反射器5的光轴的运动。图3a和3b分别由一表示第一射线源4相对于第一反射器5的位置的细节图和一获得的展开表示的测量射线12的完整射线通路的图示组成。当第一射线源如图3a中所示离开焦点位置向第一反射器5方向运动时，造成测量射线12射线通路的扩散；这种调整用在外部反射器10离壳体2的距离A比较小时。与此相比在图3b中第一射线源4非常接近第一反射器5的焦点位置，仅仅向第一反射器5的方向略微偏移。通过这种调整测量射线12的射线通路较少扩散，其结果是(与图3a相比)可以跨接长得多的测量路程，直至在所示射线通路的末端处达到相同的扩散为止。因此如果外部反射器10离壳体2的距离A大，那么便选择按图3b的测量射线12的射线通路调整。
在本发明的分析仪中吸收腔朝侧面开口，使得待检验物质可***地进入吸收腔11，并可以重新离开它。在图1中所示的光学分析仪1的优选实施例中吸收腔11通过一环绕封闭的间隔件16与外界隔离，从而设计成封闭的测量比色计。
在图1中所示的光学分析仪1的壳体2制成铝压铸件，因此设置在壳体2内的反射面，第一反射器5、第二反射器7和测量射线反射器14a，14b的表面与壳体做成一体。在所示实施例中反射面通过金属蒸镀和抛光。在另一种这里未画出的优选实施例中壳体，除射线可穿透的壳体单元外，做成塑料注塑件，内部涂高反射膜。
为了避免设置在壳体2中的分析仪1的元件腐蚀，在图1中所示的气密性壳体2填充保护气体。此外保护气体防止起光学作用的表面受撞击。在所示实施例中采用氮气作为保护气体。此外在图1中的光学分析仪1的壳体2装灌吸收射线源4，6部分射线的气体，由此可优化分析仪1的测量性能。
在本发明分析仪1按图1和2的优选实施例中第一检测器8和第二检测器9安装在一共同的检测器壳体18内，其中在检测器8，9前面连接光学滤波器19，20，它们同样内置在检测器壳体18内。在图1中所示的实施例中光学滤波器19，20是窄带干扰滤波器，其中第一干扰滤波器19的穿透区在待验证物质的吸收区内，第二光学滤波器20的穿透区设置在可能的吸收区之外，因此穿过它的射线不受吸收效应的影响。
在所示光学分析仪1中射线源4，6的辐射强度以不同的频率电动调制。通过对由检测器8，9测出的信号的调制可以识别追溯到第一射线源4和第二射线源6的对应信号成分。由第一检测器8和第二检测器9测量的信号成分通过求商产生一测量值。这个测量值是表示待检测物质浓度的一个量。这里如果对于每个检测器8，9将第一射线源4的信号分量与第二射线源6的分量相联系，证明是有利的。如果将由每个单独的检测器8和9测出的测量射线12和基准射线13的信号分量这样形成的商再一次相互联系，那么产生的唯一总值便与在射线源4，6辐射特性方面的***变化以及检测器和放大器灵敏度的变化无关。
在光学分析仪的另一种未画出的优选实施例中为了避免冷凝将吸收腔的光学边界面附加地加热。
Claims (13)
1.根据射线吸收原理的光学分析仪，具有一带至少一个射线可穿透的壳体单元的壳体、至少一个第一射线源和一配设于它的第一反射器、一个第二射线源和一配设于它的第二反射器、至少一个第一检测器和一个第二检测器、以及一设置在壳体之外的外部反射器，其中射线源和检测器设置在所述壳体内，由外部反射器和射线可穿透的所述壳体单元构成一吸收腔，由第一射线源和第一反射器发射的测量射线在被外部反射器反射后重新进入壳体，第二射线源和第二反射器发射一基准射线，
其特征为：
该测量射线(12)在穿过吸收腔(11)后被设置在壳体(2)内的测量射线反射器(14a、14b)直接偏转到第一检测器(8)和第二检测器(9)上，基准射线(13)从第二射线源(6)和第二反射器(7)直接落在第一检测器(8)和第二检测器(9)上。
2.按权利要求1的光学分析仪，其特征为：所述测量射线反射器(14a、14b)设计成环形，特别是作为抛物面或球形外壳的一块。
3.按权利要求1或2的光学分析仪，其特征为：所述测量射线反射器(14a、14b)的表面设计得使射线混合和射线均匀化，特别是通过表面中凹和/或中凸的微型构造(15b)，使得被测量射线反射器(14a，14b)的每个区反射的测量射线(12)基本上分配到检测器(8、9)上。
4.按权利要求1至3之任一项的光学分析仪，其特征为：所述外部反射器(5)离壳体(2)的距离(A)是可调的。
5.按权利要求1至4之任一项的光学分析仪，其特征为：所述测量射线(12)的射线通路是可调的。
6.按权利要求5的光学分析仪，其特征为：所述测量射线(12)射线通路的调整通过第一射线源(4)相对于第一反射器(5)的移动，特别是通过第一射线源(4)沿第一反射器(5)光轴的移动进行。
7.按权利要求1至6之任一项的光学分析仪，其特征为：所述设置在壳体(2)内的反射面经过表面处理，特别是通过电镀、蒸镀、等离子涂膜和/或抛光。
8.按权利要求1至7之任一项的光学分析仪，其特征为：所述设置在壳体(2)内的反射面，特别是第一反射器(5)、第二反射器(7)和测量射线反射器(14a、14b)的表面与壳体(2)做成一体，其中壳体(2)特别是做成注塑件、压铸件或铸件。
9.按权利要求1至8之任一项的光学分析仪，其特征为：所述壳体(2)装灌保护气体。
10.按权利要求1至9之任一项的光学分析仪，其特征为：所述壳体(2)装灌吸收射线源(4，6)部分射线的气体。
11.按权利要求1至10之任一项的光学分析仪，其特征为：所述第一检测器(8)和第二检测器(9)，特别是热电检测器或热柱检测器，特别是和连接在检测器(8、9)前面的光学滤波器(19、20)一起安装在一共同的检测器壳体内。
12.按权利要求11的光学分析仪，其特征为：采用窄带干扰滤波器作为光学滤波器(19、20)，其透射区特别位于待验证物质的吸收区内。
13.按权利要求1至12之任一项的光学分析仪，其特征为：为了避免冷凝，加热所述吸收腔(11)的光学边界面。
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