具有用于氣體測(cè)量的多個(gè)源的紅外傳感器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】一種閉合路徑紅外傳感器包括外殼、所述外殼內(nèi)的第一能量源、所述外殼內(nèi)的至少第二能量源、所述外殼內(nèi)的至少一個(gè)檢測(cè)器系統(tǒng)和在所述外殼外部且與所述外殼隔開(kāi)的反射鏡系統(tǒng)。所述反射鏡系統(tǒng)經(jīng)由第一分析路徑將來(lái)自所述第一能量源的能量反射到所述至少一個(gè)檢測(cè)器系統(tǒng)，并且經(jīng)由第二分析路徑將來(lái)自第二能量源的能量反射到所述至少一個(gè)檢測(cè)器系統(tǒng)。所述第一分析路徑和所述第二分析路徑中的每一個(gè)的長(zhǎng)度均小于兩英尺。
【專(zhuān)利說(shuō)明】具有用于氣體測(cè)量的多個(gè)源的紅外傳感器
[0001]背景
[0002]提供以下信息以幫助讀者理解下文描述的技術(shù)和其中可使用這種技術(shù)的某些實(shí)施方案。除非本文檔另有明確指出，否則本文所使用的術(shù)語(yǔ)不旨在受限于任一特定的狹義解釋。本文闡述的引用可能會(huì)促進(jìn)對(duì)所述技術(shù)或其背景的理解。本文所引用的所有文獻(xiàn)的公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用的方式并入。
[0003]紅外氣體傳感器使用發(fā)射紅外能量的能量源來(lái)在正被測(cè)試的環(huán)境中檢測(cè)分析物的存在。一般而言，分析物吸收某一波長(zhǎng)的紅外能量，且該吸收可以被量化以確定測(cè)試環(huán)境中的分析物的濃度。在例如轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人的美國(guó)專(zhuān)利號(hào)4，355，234,4, 598，201和4，902，896中討論了紅外流體傳感器或分析器的若干實(shí)施方案，所述專(zhuān)利的公開(kāi)內(nèi)容以引用的方式并入本文。
[0004]例如，在油氣石化工業(yè)或“0GP”工業(yè)中，紅外(IR)氣體檢測(cè)儀在檢測(cè)方案中可使用一個(gè)或兩個(gè)紅外源以及一個(gè)或兩個(gè)紅外檢測(cè)器。對(duì)于使用兩個(gè)源的那些檢測(cè)儀，一個(gè)源用于直接測(cè)量分析路徑中的氣體。為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的目的，具有第二源的那些檢測(cè)儀僅將第二源用于儀器的內(nèi)部，以補(bǔ)償不需要的內(nèi)部分析物或補(bǔ)償儀器中組件的老化或降解。具有第二源的IR氣體檢測(cè)儀通常使用兩種普通配置中的一種。在第一種配置中，寬頻帶源“A”被定位來(lái)使用兩個(gè)窄頻帶傳感器在參考波段或分析波段處測(cè)量?jī)?nèi)部殼體大氣的短路徑的透射。另一寬頻帶源“B”被定位來(lái)采用相同的兩個(gè)窄頻帶檢測(cè)器來(lái)測(cè)量外部分析路徑的透射。第二種配置也使用兩個(gè)源和兩個(gè)檢測(cè)器，然而，與第一種配置不同的是，在第二種配置中，所述兩個(gè)源均是參考波段和分析波段處的窄頻帶。
[0005]這些配置試圖操縱傳遞函數(shù)，使得當(dāng)計(jì)算外部路徑的目標(biāo)透射時(shí)，容易變化的某些參數(shù)(諸如檢測(cè)器響應(yīng)度)可能會(huì)被刪除。然而，實(shí)現(xiàn)是復(fù)雜且昂貴的，并且仍然存在許多問(wèn)題。例如，用于兩者配置的傳遞函數(shù)表明總的氣體路徑是內(nèi)部路徑透射與外部路徑透射的乘積。在長(zhǎng)期部署的情況下，由于殼體內(nèi)的材料的正常放氣，故內(nèi)部路徑往往會(huì)受目標(biāo)氣體或未知分析物的污染。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，外部-內(nèi)部路徑的總透射發(fā)生改變，使其幾乎不可能提供外部路徑中的分析物的濃度的正確估計(jì)。
[0006]概述
[0007]在一方面，閉合路徑紅外傳感器包括外殼、夕卜殼內(nèi)的第一能量源、夕卜殼內(nèi)的至少第二能量源、外殼內(nèi)的至少一個(gè)檢測(cè)器系統(tǒng)和在外殼外部且與外殼隔開(kāi)的反射鏡系統(tǒng)。反射鏡系統(tǒng)經(jīng)由第一分析路徑將來(lái)自第一能量源的能量反射到至少一個(gè)檢測(cè)器系統(tǒng)，并且經(jīng)由第二分析路徑將來(lái)自第二能量源的能量反射到至少一個(gè)檢測(cè)器系統(tǒng)。在大量實(shí)施方案中，第一分析路徑與第二分析路徑不同。第一分析路徑和第二分析路徑中的每一個(gè)的長(zhǎng)度均小于兩英尺。第一分析路徑和第二分析路徑中的每一個(gè)的長(zhǎng)度可(例如)小于一英尺或小于六英寸。
[0008]反射鏡系統(tǒng)可(例如)包括具有在其表面的至少一部分上方的凹形形狀的第一反射鏡區(qū)段和具有在其表面的至少一部分上方的凹形形狀的第二反射鏡區(qū)段。第一反射鏡區(qū)段的表面的凹形形狀部分與第二反射鏡區(qū)段的表面的凹形形狀部分可相交。[0009]第一分析路徑和第二分析路徑的長(zhǎng)度可(例如)大致相同。
[0010]第一反射鏡區(qū)段和第二反射鏡區(qū)段可(例如)在單片基座或整體式基座上形成。在大量實(shí)施方案中，基座由聚合材料(例如，單片地)形成且在聚合材料上支撐有反射面。
[0011]反射鏡系統(tǒng)可(例如)由與外殼隔開(kāi)的反射鏡支架支撐。在大量實(shí)施方案中，反射鏡支架通過(guò)與外殼操作連接的至少一個(gè)延伸構(gòu)件而與外殼隔開(kāi)。
[0012]外殼可(例如)包括透射紅外能量的定位于第一能量源、第二能量源、至少一個(gè)檢測(cè)器系統(tǒng)與反射鏡系統(tǒng)之間的窗口。第一分析路徑在外殼內(nèi)的長(zhǎng)度可(例如)小于第一分析路徑的總長(zhǎng)度的10%。第二分析路徑在外殼內(nèi)的長(zhǎng)度可(例如)小于第二分析路徑的總長(zhǎng)度的10%。在大量實(shí)施方案中，第一分析路徑在外殼內(nèi)的長(zhǎng)度小于第一分析路徑的總長(zhǎng)度的5%，以及第二分析路徑在外殼內(nèi)的長(zhǎng)度小于第二分析路徑的總長(zhǎng)度的5%。
[0013]至少一個(gè)檢測(cè)器系統(tǒng)可(例如)是多通道檢測(cè)器系統(tǒng)，其包括殼體和所述殼體內(nèi)的分束器。多通道檢測(cè)器系統(tǒng)也可包括殼體內(nèi)的參考通道和分析通道或感測(cè)通道。分束器可(例如)適于將入射的紅外光能量分成兩束，其中一束定向到參考通道，而另一束定向到分析通道。
[0014]第一能量源和第二能量源可(例如)被調(diào)制?？?例如)在第一頻率下對(duì)第一能量源進(jìn)行調(diào)制，而第二能量源可(例如)在不同于第一頻率的第二頻率下被調(diào)制。
[0015]反射鏡系統(tǒng)可(例如)包括界定第一分析路徑的第一反射鏡和界定第二分析路徑的第二反射鏡。第一反射鏡可(例如)位于第一位置處，且第二反射鏡可(例如)位于不同于第一位置的第二位置處，使得第一分析路徑的長(zhǎng)度不同于第二分析路徑的長(zhǎng)度。第一分析路徑和第二分析路徑中的每一個(gè)的長(zhǎng)度可(例如)小于一英尺。第一分析路徑和第二分析路徑中的每一個(gè)的長(zhǎng)度可(例如)小于六英寸。
[0016]在另一方面，一種檢測(cè)氣體的方法包括:激勵(lì)定位于外殼內(nèi)的第一能量源，使得來(lái)自第一能量源的能量照射到定位于外殼外部并與外殼隔開(kāi)的反射鏡系統(tǒng)上，反射鏡系統(tǒng)經(jīng)由第一分析路徑將來(lái)自第一能量源的能量反射到定位于外殼內(nèi)的至少一個(gè)檢測(cè)器系統(tǒng)；激勵(lì)定位于外殼內(nèi)的至少第二能量源，使得來(lái)自第二能量源的能量照射到反射鏡系統(tǒng)上，反射鏡系統(tǒng)經(jīng)由不同于第一分析路徑的第二分析路徑將來(lái)自第二能量源的能量反射到所述至少一個(gè)檢測(cè)器系統(tǒng)，第一分析路徑和第二分析路徑中的每一個(gè)的長(zhǎng)度均小于兩英尺；以及基于來(lái)自檢測(cè)器系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)于第一分析路徑的分析信號(hào)輸出和來(lái)自檢測(cè)器系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)于第二分析路徑的分析信號(hào)輸出來(lái)確定所述氣體的濃度。
[0017]在再一方面，反射鏡系統(tǒng)包括具有在其表面的至少一部分上方的凹形形狀的第一反射鏡區(qū)段和具有在其表面的至少一部分上方的凹形形狀的第二反射鏡區(qū)段，其中第一反射鏡區(qū)段的表面的凹形形狀部分與第二反射鏡區(qū)段的表面的凹形形狀部分相交。
[0018]鑒于結(jié)合附圖進(jìn)行的下文詳細(xì)描述，將最好地體會(huì)和理解本文所述的技術(shù)連同其屬性和伴隨的優(yōu)點(diǎn)。
[0019]附圖簡(jiǎn)述
[0020]圖1示出紅外氣體傳感器的實(shí)施方案的透視圖。
[0021]圖2示出圖1的傳感器的另一透視圖。
[0022]圖3示出用于圖1的傳感器的復(fù)雜反射鏡的實(shí)施方案的放大平面圖。
[0023]圖4示意性地示出圖1的傳感器的用于結(jié)合檢測(cè)器系統(tǒng)使用的能量源的檢測(cè)路徑或分析路徑。
[0024]圖5A示出來(lái)自在第一頻率下操作的一個(gè)能量源的測(cè)量信號(hào)。
[0025]圖5B示出來(lái)自在不同于圖5A的第一頻率的第二頻率f2下操作的另一個(gè)能量源的測(cè)量信號(hào)。
[0026]圖6示意性地示出用于結(jié)合單個(gè)檢測(cè)器系統(tǒng)使用的兩個(gè)能量源的分析路徑的另一實(shí)施方案，其中每個(gè)能量源的路徑長(zhǎng)度均不同。
[0027]圖7示出對(duì)于具有兩個(gè)不同長(zhǎng)度的分析路徑的傳感器的作為甲烷濃度(闡述為較低爆炸等級(jí)的百分比或％LEL)的函數(shù)的模擬信號(hào)的圖表。
[0028]詳細(xì)描述
[0029]如在本文及所附權(quán)利要求中使用，除非本文另有明確指出，否則單數(shù)形式“一個(gè)(a, an)”和“所述(the)”包括復(fù)數(shù)的引用。因此，例如，對(duì)“反射鏡系統(tǒng)”的引用包括本領(lǐng)域那些技術(shù)人員已知的多個(gè)此類(lèi)反射鏡系統(tǒng)及其等效物等，以及對(duì)“所述反射鏡系統(tǒng)”的引用是對(duì)本領(lǐng)域那些技術(shù)人員已知的一個(gè)或多個(gè)此類(lèi)反射鏡系統(tǒng)及其等效物等的引用。
[0030]在大量實(shí)施方案中，本文的傳感器是閉合路徑系統(tǒng)或短路徑系統(tǒng)(有時(shí)稱(chēng)為點(diǎn)檢測(cè)器)，其中(例如)與開(kāi)放路徑系統(tǒng)和長(zhǎng)路徑系統(tǒng)相比，分析路徑是相對(duì)較短的。開(kāi)放路徑系統(tǒng)可以(例如)具有延伸許多英尺、實(shí)際上甚至是數(shù)百英尺或更多英尺的分析路徑。閉合路徑系統(tǒng)具有通常小于兩英尺、通常小于一英尺或甚至小于六英寸的分析路徑。
[0031]圖1和圖2示出包括第一能量源20a和至少第二能量源20b的紅外氣體傳感器10的實(shí)施方案。在示出的實(shí)施方案中，一個(gè)檢測(cè)器系統(tǒng)30被提供來(lái)量化沿能量源20a和20b的每一個(gè)的分析路徑而發(fā)生的吸收。能量源20a和20b可(例如)被調(diào)制以能夠使用單個(gè)檢測(cè)器系統(tǒng)30，其中從能量源20a和20b遞送到檢測(cè)器系統(tǒng)30的能量在時(shí)間上是(例如)分開(kāi)的。替代地，可為每個(gè)能量源提供單獨(dú)的檢測(cè)器系統(tǒng)。
[0032]在大量實(shí)施方案中，能量源20a和20b是光源。傳感器10進(jìn)一步包括與光源20a和20b隔開(kāi)并與檢測(cè)器系統(tǒng)30隔開(kāi)的反射鏡系統(tǒng)40。能量從光源20a和20b到反射鏡系統(tǒng)40的透射和反射回檢測(cè)器系統(tǒng)30界定與每個(gè)光源20a和20b相關(guān)的分析路徑。在圖1和圖2的實(shí)施方案中，反射鏡系統(tǒng)40包括被形成為一般整體的且復(fù)雜的反射鏡表面的兩個(gè)凹形反射鏡區(qū)段42a和42b，例如，如在圖1和圖3中所示出。
[0033]在若干實(shí)施方案中，聚合元件包括圖1和圖3中示出的復(fù)雜形狀，其中兩個(gè)凹形區(qū)段或區(qū)域相交，聚合元件在反射鏡系統(tǒng)40中用作基座。在其中形成相交的凹形區(qū)域的基座或支架(例如)涂覆有反射面，以形成反射鏡系統(tǒng)40。如上所述的反射鏡區(qū)段42a和42b的形成是相對(duì)廉價(jià)的。進(jìn)一步地，與基本上平坦的反射鏡相比，凹形反射鏡提供改進(jìn)的信號(hào)。在大量實(shí)施方案中，通過(guò)由聚合材料(諸如環(huán)烯烴(cyclo-olefin)聚合物)形成基座44而產(chǎn)生反射鏡系統(tǒng)40，例如，如在圖4中示意性地示出的。然后，鍍鋁的反射涂層46被氣相沉積在基座44上。隨后，保護(hù)涂層48 (諸如SiO2涂層)被沉積在反射涂層46上。
[0034]—般而言,與光源20a和20b相關(guān)的分析路徑的長(zhǎng)度越長(zhǎng),在一種分析物氣體或多種分析物氣體存在的情況下可以發(fā)生的吸收越大。然而，隨著分析路徑的長(zhǎng)度增加，可發(fā)生更多的散射。存在關(guān)于反射鏡系統(tǒng)40被定位與光源20a和20b以及與檢測(cè)器系統(tǒng)30相距的距離的平衡或優(yōu)化。使用凹形反射鏡區(qū)段42a和42b可(例如)幫助實(shí)現(xiàn)在分析路徑長(zhǎng)度上的增加。[0035]在示出的實(shí)施方案中，反射鏡系統(tǒng)40由反射鏡支架50支撐。在示出的實(shí)施方案中，反射鏡支架50 (且因此反射鏡系統(tǒng)40)通過(guò)延伸支撐構(gòu)件60a和60b而與外殼、傳感器殼體或基座70隔開(kāi)。能量源20a和20b以及檢測(cè)器系統(tǒng)30被定位在外殼或殼體70內(nèi)，且與在外殼或殼體70內(nèi)形成的端口或窗口 72對(duì)齊。延伸支撐構(gòu)件60a和60b的長(zhǎng)度界定能量源20a和20b的分析路徑的長(zhǎng)度。
[0036]在大量實(shí)施方案中，發(fā)射在包括分析波長(zhǎng)(在該波長(zhǎng)下，分析物吸收能量)的波長(zhǎng)的范圍內(nèi)以及在可見(jiàn)光譜中的光能量的鎢絲燈被用于能量源20a和20b。鎢絲燈相對(duì)較廉價(jià)，且在可見(jiàn)光譜中的發(fā)射(經(jīng)由窗口 72 )提供能量源20a和20b可操作的可觀察到的證據(jù)。
[0037]圖5A示出來(lái)自用于能量源20a的檢測(cè)器系統(tǒng)30的輸出信號(hào)。在示出的實(shí)施方案中，能量源20a在第一頻率下被調(diào)制。在圖5A中用虛線示出由于分析物氣體的存在而導(dǎo)致測(cè)量信號(hào)發(fā)生變化(分析信號(hào))，而用實(shí)線示出參考信號(hào)。圖5B示出來(lái)自用于能量源20b的檢測(cè)器系統(tǒng)30的輸出信號(hào)。在示出的實(shí)施方案中，能量源20b在第二頻率f2下被調(diào)制。與圖5A相類(lèi)似，在圖5B中用虛線示出由于分析物氣體的存在而導(dǎo)致測(cè)量信號(hào)發(fā)生變化(分析信號(hào))，而用實(shí)線示出參考信號(hào)。在大量實(shí)施方案中，能量源20a在頻率f2 (例如，5Hz)以外的不同頻率(例如，3Hz)下被調(diào)制，在頻率丨2下，能量源20b被調(diào)制。應(yīng)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)(例如)傅里葉變換算法在不同的頻率下對(duì)能量源進(jìn)行調(diào)制會(huì)產(chǎn)生很好地適用于特性化或分析的信號(hào)。
[0038]在大量實(shí)施方案中，在如上所述的不同頻率(例如，分別在3Hz和5Hz下)使能量源20a和20b通電或斷電。在大量實(shí)施方案中，控制能量源20a和20b的工作周期的方法包括產(chǎn)生用于使來(lái)自檢測(cè)器系統(tǒng)30的兩個(gè)接收通道(即，參考接收通道和分析接收通道)中的每一個(gè)的信號(hào)數(shù)字化的總?cè)勇?。在那方面，在大量?shí)施方案中，檢測(cè)器系統(tǒng)30是多通道(例如，雙通道)檢測(cè)器系統(tǒng)，其包括殼體32和在殼體32內(nèi)的分束器34 (見(jiàn)圖4)。分束器34將入射的能量/紅外光能分成定向到參考通道36和定向到分析通道38的兩束。所產(chǎn)生的取樣率也用于控制能量源20a和20b中的每一個(gè)的通斷(on-off)調(diào)制。通過(guò)使用該技術(shù)，能量源驅(qū)動(dòng)器、接收信號(hào)和解調(diào)制被保持“鎖定”，同時(shí)抑制不需要的噪音。通過(guò)(例如)首先為每次取樣時(shí)間生成正弦值和余弦值來(lái)提取接收波形的振幅。每次取樣處的正弦值和余弦值乘以待解調(diào)制的使用相應(yīng)頻率的接收信號(hào)的相應(yīng)振幅。該乘積的結(jié)果包括原始信號(hào)加上和與差。通過(guò)在這段時(shí)間上的積分，產(chǎn)生過(guò)濾掉除差分量以外的所有的濾波器。為每個(gè)接收通道36和38執(zhí)行這些計(jì)算，以產(chǎn)生參考與分析的比率，該比率指示檢測(cè)到的信號(hào)。在每個(gè)具體頻率下執(zhí)行所述計(jì)算，以產(chǎn)生兩個(gè)獨(dú)立的信號(hào)。
[0039]在大量實(shí)施方案中，源20a和20b的通電(調(diào)制)在時(shí)間上是分開(kāi)的。這個(gè)簡(jiǎn)單的方案允許兩個(gè)源的簡(jiǎn)單調(diào)制相同。在這樣的實(shí)施方案中，解調(diào)制僅基于接收波形的峰值。該調(diào)制方案也消除從一個(gè)源到另一個(gè)源的串?dāng)_。在代表性實(shí)例中，對(duì)第一源20a調(diào)制5秒，并且處理其能量的接收。然后，對(duì)源20b調(diào)制5秒，且接著處理其能量的接收。源20a和20b的調(diào)制在時(shí)間上的分開(kāi)也可允許調(diào)制頻率隨時(shí)間而改變。例如，可在5hz頻率下對(duì)源20a和20b調(diào)制20秒的時(shí)段，其中在前10秒對(duì)第一源20a進(jìn)行調(diào)制，且接著在下一個(gè)10秒對(duì)第二源20b進(jìn)行調(diào)制。然后，在下一個(gè)20秒，源20a和20b的每一個(gè)的調(diào)制頻率可(例如)變成IOhz頻率。對(duì)于源20a和20b的每一個(gè)，入射的紅外能量被分成定向到參考通道36和定向到分析通道38的兩束。[0040]在大量實(shí)施方案中，源20a和20b的調(diào)制在時(shí)間上可以是連續(xù)的，而在頻率上是分開(kāi)的?？蓱?yīng)用數(shù)字傅里葉技術(shù)以提取從參考通道/檢測(cè)器36和分析通道/檢測(cè)器38接收的兩個(gè)單獨(dú)的參考信號(hào)和分析信號(hào)對(duì)。這種類(lèi)型的調(diào)制允許對(duì)外部氣體路徑中的目標(biāo)氣體的階躍變化的快速響應(yīng)。在這種類(lèi)型的調(diào)制中，提高對(duì)接收信號(hào)取樣的頻率具有提高分辨率的效果。在源20a和20b被開(kāi)啟和關(guān)閉(調(diào)制)時(shí)，取樣率也可用做信號(hào)的報(bào)時(shí)信號(hào)(timetick)。因此，調(diào)制和接收可被認(rèn)為是“相位鎖定”或“頻率鎖定”。相位鎖定系統(tǒng)的帶寬可以是非常窄的，從而允許最大噪音抑制。
[0041]外殼或殼體70內(nèi)的組件可(例如)被放置成經(jīng)由通路80而與一個(gè)或多個(gè)電力和/或控制系統(tǒng)200通信，如圖1所示。
[0042]大量目前可用的紅外傳感器包括光源和測(cè)量傳感器殼體內(nèi)部的光路徑/體積的相關(guān)檢測(cè)器系統(tǒng)，所述相關(guān)檢測(cè)器系統(tǒng)用于與具有在殼體外部的分析路徑的光源/檢測(cè)器對(duì)進(jìn)行比較以檢測(cè)分析物。內(nèi)部光源可用于比較或補(bǔ)償。使用這種內(nèi)部光源可(例如)用于檢測(cè)分析光源中的衰弱和/或使由分析光源引起的信號(hào)正?；?。此外，分析物氣體有時(shí)可進(jìn)入傳感器的外殼或殼體內(nèi)。內(nèi)部光源/檢測(cè)器對(duì)可補(bǔ)償在傳感器外殼內(nèi)的這種氣體。
[0043]在大量實(shí)施方案中，相對(duì)于外殼或殼體70外部的路徑,光能從外殼或殼體70內(nèi)的能量源20a和20b并到檢測(cè)器系統(tǒng)30的路徑被縮短或最小化。例如，能量源20a和20b與窗口 72 (例如，透射紅外光的藍(lán)寶石或其它窗口)之間的距離可被縮短或最小化，以及檢測(cè)器系統(tǒng)30與窗口 72之間的距離可被縮短或最小化。因而降低或最小化使用內(nèi)部光源進(jìn)行補(bǔ)償?shù)男枰Ｒ虼?，在本文傳感器的大量?shí)施方案中，外殼或殼體70內(nèi)部不存在光源/檢測(cè)器對(duì)。在若干實(shí)施方案中，與紅外光能的每個(gè)能量源20a和20b相關(guān)的內(nèi)部路徑長(zhǎng)度(即，沿著從能量源20a/20b到窗口 72的光路徑的內(nèi)部距離加上沿著從窗口 72到檢測(cè)器系統(tǒng)30的光路徑的距離)不超過(guò)與每個(gè)能量源20a和20b相關(guān)的總路徑長(zhǎng)度(即，沿著從能量源20a/20b到反射鏡區(qū)段42a/42b的光路徑的總距離加上沿著從反射鏡區(qū)段42a/42b到檢測(cè)器系統(tǒng)30的光路徑的距離)的10%，或甚至不超過(guò)總路徑長(zhǎng)度的5%。在一個(gè)代表性實(shí)施方案中，例如，內(nèi)部路徑長(zhǎng)度是0.23英寸，且外部路徑長(zhǎng)度是5.98英寸。因此，內(nèi)部路徑長(zhǎng)度是總路徑長(zhǎng)度的 3.7% ( (0.23/(0.23+5.98)) X 100%=3.7%)。
[0044]如上所述，在本文的傳感器的若干實(shí)施方案中，多個(gè)光源用于通過(guò)分析量來(lái)產(chǎn)生冗余測(cè)量，從而改進(jìn)儀器可靠性。在OGP工業(yè)中，可靠性例如是一項(xiàng)非常重要的要求。在這種氣體檢測(cè)儀的可靠性方面的任何改進(jìn)均可(例如)增加安全并且減少工廠的故障時(shí)間，從而向最終用戶(hù)提供實(shí)用性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，與使用多個(gè)或冗余源來(lái)進(jìn)行分析測(cè)量的傳感器相比，使用單個(gè)源來(lái)進(jìn)行分析測(cè)量的傳感器更有可能遭遇衰弱傳感器故障。在本文其中兩個(gè)分析光源均有效的大量實(shí)施方案中，來(lái)自本文分析光源的測(cè)量輸出被平均，以獲得準(zhǔn)確的讀數(shù)。
[0045]在結(jié)合圖1至圖4進(jìn)行描述的實(shí)施方案中，光源20a和20b的分析路徑長(zhǎng)度相同或大致相同(例如，在O到5%內(nèi))。如圖6中所示，傳感器110可(例如)包括兩個(gè)光源120a和120b以及檢測(cè)器系統(tǒng)130。兩個(gè)反射鏡140a和140b定位于不同位置處，使得與光源120a和120b中的每一個(gè)相關(guān)的分析路徑長(zhǎng)度不同。使用不同分析路徑長(zhǎng)度可(例如)使能夠檢測(cè)不同分析物氣體和/或特定分析物氣體的不同濃度范圍?？梢园慈舾煞绞浇M合來(lái)自不同分析路徑長(zhǎng)度的信號(hào)，以確定單個(gè)氣體濃度讀數(shù)。例如，在圖7 (在較低氣體濃度下，為研究模擬信號(hào)作為甲烷濃度(％LEL)的函數(shù)而設(shè)置的)中，較長(zhǎng)長(zhǎng)度的分析路徑提供光信號(hào)上的較大降低(或展示出較陡的坡面)，且因此與較短長(zhǎng)度的分析路徑相比提供更大的信噪比。然而，在較高的氣體濃度下，較短長(zhǎng)度的分析路徑提供光信號(hào)上的較大降低(或展示出較陡的坡面)，且因此與較長(zhǎng)長(zhǎng)度的分析路徑相比提供用于氣體濃度改變的更大信噪比。因此，對(duì)于單個(gè)氣體讀數(shù)，每個(gè)分析路徑的權(quán)重貢獻(xiàn)可基于路徑長(zhǎng)度差或基于測(cè)量氣體濃度下的路徑長(zhǎng)度的信噪比來(lái)調(diào)整。本領(lǐng)域那些技術(shù)人員已知的其它算法可用于將兩個(gè)不同的分析路徑長(zhǎng)度信號(hào)組合成一個(gè)氣體讀數(shù)。
[0046]在大量實(shí)施方案中，例如本文傳感器或系統(tǒng)的反射鏡42a和42b、反射鏡140a和140b或其它反射鏡相對(duì)于本文的一個(gè)或多個(gè)檢測(cè)器系統(tǒng)的位置是可移動(dòng)的，以調(diào)整分析路徑的長(zhǎng)度。在具有單獨(dú)的反射鏡系統(tǒng)的傳感器的情況下，可獨(dú)立地調(diào)整單獨(dú)的反射鏡的位置。制造商可(例如)在制造過(guò)程中調(diào)整反射鏡的位置，以使傳感器“符合(tune)”最終用戶(hù)的具體要求(例如，對(duì)一個(gè)或多個(gè)具體分析物氣體的檢測(cè))。可(例如)使用協(xié)作線程經(jīng)由配置有鎖緊固定螺釘?shù)目缮炜s構(gòu)件和/或經(jīng)由機(jī)械領(lǐng)域已知的其它機(jī)制來(lái)調(diào)整傳感器的一個(gè)或多個(gè)反射鏡的位置。在傳感器10的實(shí)施方案中，例如，可如上所述調(diào)整延伸支撐構(gòu)件60a和60b的長(zhǎng)度。在大量實(shí)施方案中，在使用期間，可以改變一個(gè)或多個(gè)反射鏡相對(duì)于本文傳感器的一個(gè)或多個(gè)檢測(cè)器系統(tǒng)的位置的位置，以調(diào)整相關(guān)分析路徑的長(zhǎng)度。例如，反射鏡相對(duì)于檢測(cè)器系統(tǒng)的位置可以隨時(shí)間而持續(xù)或間斷地變化，以取遍路徑長(zhǎng)度的范圍。制動(dòng)器(諸如電動(dòng)機(jī)、壓電制動(dòng)器等)可(例如)被用來(lái)影響反射鏡相對(duì)于相關(guān)檢測(cè)器的位置中的改變。
[0047]前述描述和附圖目前闡述了大量的代表性實(shí)施方案。鑒于未脫離由以下權(quán)利要求而不是由前述描述指示的本文范圍的前述教導(dǎo)，各種修改、添加和替代設(shè)計(jì)當(dāng)然將對(duì)本領(lǐng)域那些技術(shù)人員變得明顯。落在權(quán)利要求的等效物的含義及范圍內(nèi)的所有改變和變更將包含在它們的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種閉合路徑紅外傳感器，其包括: 外殼， 所述外殼內(nèi)的第一能量源， 所述外殼內(nèi)的至少第二能量源， 所述外殼內(nèi)的至少一個(gè)檢測(cè)器系統(tǒng)，以及 反射鏡系統(tǒng)，其在所述外殼外部并與所述外殼隔開(kāi)，所述反射鏡系統(tǒng)經(jīng)由第一分析路徑將來(lái)自所述第一能量源的能量反射到所述至少一個(gè)檢測(cè)器系統(tǒng)，并且經(jīng)由第二分析路徑將來(lái)自所述第二能量源的能量反射到所述至少一個(gè)檢測(cè)器系統(tǒng)，所述第一分析路徑和所述第二分析路徑中的每一個(gè)的長(zhǎng)度均小于兩英尺。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述第一分析路徑和所述第二分析路徑中的每一個(gè)的長(zhǎng)度均小于一英尺。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述第一分析路徑和所述第二分析路徑中的每一個(gè)的長(zhǎng)度均小于六英寸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述反射鏡系統(tǒng)包括具有在第一反射鏡區(qū)段表面的至少一部分上方的凹形形狀的所述第一反射鏡區(qū)段和具有在第二反射鏡區(qū)段表面的至少一部分上方的凹形形狀的所述第二反射鏡區(qū)段。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的傳感器，其中所述第一反射鏡區(qū)段的所述表面和所述第二反射鏡區(qū)段的所述表面相交。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的傳感器，其中所述第一分析路徑和所述第二分析路徑的長(zhǎng)度大致相同。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的傳感器，其中所述第一反射鏡區(qū)段和所述第二反射鏡區(qū)段在單片基座上形成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的傳感器，其中所述單片基座由聚合材料形成且在所述聚合材料上支撐有反射面。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的傳感器，其中所述反射鏡系統(tǒng)由反射鏡支架支撐，所述反射鏡支架通過(guò)與所述外殼操作連接的至少一個(gè)延伸構(gòu)件而與所述外殼隔開(kāi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述外殼包括透射紅外能量的定位于所述第一能量源、所述第二能量源、所述至少一個(gè)檢測(cè)器系統(tǒng)與所述反射鏡系統(tǒng)之間的窗口，所述第一分析路徑在所述外殼內(nèi)的長(zhǎng)度小于所述第一分析路徑的總長(zhǎng)度的10%，以及所述第二分析路徑在所述外殼內(nèi)的長(zhǎng)度小于所述第二分析路徑的總長(zhǎng)度的10%。
11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的傳感器，其中所述外殼包括透射紅外能量的定位于所述第一能量源、所述第二能量源、所述至少一個(gè)檢測(cè)器系統(tǒng)與所述反射鏡系統(tǒng)之間的窗口，所述第一分析路徑在所述外殼內(nèi)的長(zhǎng)度小于所述第一分析路徑的總長(zhǎng)度的10%，以及所述第二分析路徑在所述外殼內(nèi)的長(zhǎng)度小于所述第二分析路徑的總長(zhǎng)度的10%。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的傳感器，其中所述第一分析路徑在所述外殼內(nèi)的所述長(zhǎng)度小于所述第一分析路徑的所述總長(zhǎng)度的5%，以及所述第二分析路徑在所述外殼內(nèi)的所述長(zhǎng)度小于所述第二分析路徑的所述總長(zhǎng)度的5%。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述至少一個(gè)檢測(cè)器系統(tǒng)是包括殼體和所述殼體內(nèi)的分束器的多通道檢測(cè)器系統(tǒng)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的傳感器，其中所述分束器適于將入射的紅外光能量分成兩束，其中一束被定向到參考通道，而另一束被定向到分析通道。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中在第一頻率下對(duì)所述第一能量源進(jìn)行調(diào)制，且在不同于所述第一頻率的第二頻率下對(duì)所述第二能量源進(jìn)行調(diào)制。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述反射鏡系統(tǒng)包括界定所述第一分析路徑的第一反射鏡和界定所述第二分析路徑的第二反射鏡，其中所述第一反射鏡位于第一位置處，且所述第二反射鏡位于不同于所述第一位置的第二位置處，使得所述第一分析路徑的長(zhǎng)度不同于所述第二分析路徑的長(zhǎng)度。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的傳感器，其中所述第一分析路徑和所述第二分析路徑中的每一個(gè)的長(zhǎng)度均小于一英尺。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的傳感器，其中所述第一分析路徑和所述第二分析路徑中的每一個(gè)的長(zhǎng)度均小于六英寸。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的傳感器，其中所述外殼包括透射紅外能量的定位于所述第一能量源、所述第二能量源、所述至少一個(gè)檢測(cè)器系統(tǒng)與所述反射鏡系統(tǒng)之間的窗口，所述第一分析路徑在所述外殼內(nèi)的長(zhǎng)度小于所述第一分析路徑的總長(zhǎng)度的10%，以及所述第二分析路徑在所述外殼內(nèi)的長(zhǎng)度小于所述第二分析路徑的總長(zhǎng)度的10%。
20.—種檢測(cè)氣體的方法，其包括: 激勵(lì)定位于外殼內(nèi)的第一能量源，使得來(lái)自所述第一能量源的能量照射到定位于所述外殼外部并與所述外殼隔開(kāi)的反射鏡系統(tǒng)上，所述反射鏡系統(tǒng)經(jīng)由第一分析路徑將來(lái)自所述第一能量源的能量反射到定位于所述外殼內(nèi)的至少一個(gè)檢測(cè)器系統(tǒng)， 激勵(lì)定位于所述外殼內(nèi)的至少第二能量源，使得來(lái)自所述第二能量源的能量照射到所述反射鏡系統(tǒng)上，所述反射鏡系統(tǒng)經(jīng)由不同于所述第一分析路徑的第二分析路徑將來(lái)自所述第二能量源的能量反射到所述至少一個(gè)檢測(cè)器系統(tǒng)，所述第一分析路徑和所述第二分析路徑中的每一個(gè)的長(zhǎng)度均小于兩英尺；以及 基于來(lái)自所述檢測(cè)器系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)于所述第一分析路徑的分析信號(hào)輸出和來(lái)自所述檢測(cè)器系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)于所述第二分析路徑的分析信號(hào)輸出來(lái)確定所述氣體的濃度。
【文檔編號(hào)】G01N21/3504GK103842801SQ201280046211
【公開(kāi)日】2014年6月4日 申請(qǐng)日期:2012年9月12日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月23日
【發(fā)明者】C·D·斯塔他, R·E·尤伯, T·特勞茲施, F·J·舒勒 申請(qǐng)人:煤礦安全設(shè)備公司