專利名稱:紅外流體分析器的制作方法
本發(fā)明涉及利用紅外吸收技術來分析一種流體的裝置，具體地說，涉及應用氣動檢測器的這類裝置。
在本技術領域：
中，美國專利第4004146號公開了多種類型利用紅外吸收技術來分析一種流體的裝置。通常，這類裝置包括一個紅外輻射源讓紅外輻射源交替地通過參比室和試樣室以及一個對在待分析氣體的光譜范圍內從參比室和試樣室發(fā)出的入射光束能量之間的差作出響應的氣動檢測裝置，例如已由美國專利第2681415號、第3968369號以及第3970387號公開。正如美國專利第3212211號中所公開的那樣，在當檢測和放大時得到有關試樣室中流體組成的信息的氣動檢測器中，能差會引起待測氣體的壓力變化。
在該技術領域：
中，“LUFT”型氣動檢測器是眾所周知的，它包括一個檢測該氣動檢測器的氣室中壓力變化的電容器型傳聲器系統(tǒng)。典型的電容器型傳聲器用一個薄的可動的金制隔膜或者鋁箔制作，它形成電容器的第一極板，而彼此隔開的第二極板則當作電容器的定片。隔膜與氣室保持聯(lián)系，并且隨氣室中壓力變化而運動。在隔膜和定片之間串接一個電阻和電動勢源，使電容器電極化，以致隔膜的運動產生一個對應于電容量變化的信號。然后，這個信號被放大，顯示在儀表上。
雖然，這類裝置在過去一段時間內被證明是有用的，但是由于存在使電容器式傳聲器極化的電阻和電動勢源，所以該系統(tǒng)中就存在電噪聲，使其靈敏度受到限制。隨著該系統(tǒng)中電阻的增大，該系統(tǒng)中的噪聲也隨之增大。而且，隨著電阻溫度的提高，噪聲也增大。因此，由于噪聲級(以及氣動檢測器的靈敏度)隨溫度而變化，從而使該問題變得特別麻煩。故而，人們希望有一種在紅外分析器中使用的氣動檢測器，它可使該系統(tǒng)中的噪聲減少到最低限度并且靈敏度不隨溫度變化而變化。
可是，通常的紅外分析器因為其采用一種密閉式且含有一種經選擇的參比氣體的參比室，所以可靠性較差。這類系統(tǒng)的固有的問題可能是參比室密封不嚴密或者密封性在使用中會被破壞，而且“參比氣體”的組成也會變動。在這種情況下，紅外分析器的精確度會受到影響。因此，希望有一種雙光束紅外分析器，其中參比室對于通過的紅外輻射一定要保持恒定。
最后，業(yè)已確定，紅外輻射源和待分析的試樣流體兩者的溫度控制均欠佳，可能使普通的紅外分析器受到限制。另外，還確定了，通常的紅外輻射源的輸出隨其溫度而變化，以致從開始激活到達到穩(wěn)態(tài)輸出的時間可能要花好幾個小時。這種不穩(wěn)定性尤其反映在不用參比室的“單光束”紅外分析器上。此外，試樣流體的冷凝也是通常的紅外分析器的一個問題，而這可以用合適的溫度控制裝置使其減少到最低限度。
因此，人們希望有一種不受溫度不穩(wěn)定性影響且在激結之后短時間內得到可靠結果的紅外流體分析器，還希望有一種裝有可保證試樣流體在試樣室中不致冷凝的裝置的紅外分析器。
本發(fā)明提供了一種改進型的紅外流體分析器，它包括一個氣動檢測器，該檢測器大大地提高了信噪比，并且采用駐極體材料，使電容元件極化來大大地提高該系統(tǒng)的靈敏度。采用這種方式，可以不用已有技術中的電阻和電動勢源，從而簡化了檢測器的電路系統(tǒng)，降低了噪聲級，還消除了該系統(tǒng)的溫度依賴性，提高了穩(wěn)定性。
本發(fā)明還使紅外分析器穩(wěn)定性得以提高，該分析器包括一個能使紅外輻射源和試樣室的溫度保持在預選定的穩(wěn)態(tài)工作溫度下的新型溫度控制系統(tǒng)，從而使紅外輻射源的輸出電平的波動和試樣室中不希望出現的冷凝減至最小。
另外，本發(fā)明還提供一種新型的雙光束分析器型的固體材料參比室結構。由于這一改進，可使參比室保持一個光學常數，這與以前的充氣參比室易漏泄以及光學特性作相應變化不同。
圖1為說明本發(fā)明的一種已有技術的紅外分析器示意圖;
圖2為本發(fā)明的雙光束紅外分析器的示意圖;
圖2a、圖2b、圖2c及圖2d為圖2中的所示分析器的目前的最佳實施例;
圖3為本發(fā)明單光束紅外流體分析器的示意圖;
圖3a和圖3b為圖3中所示分析器的目前的最佳實施例。
參照圖1，圖1為理解本發(fā)明所示意說明的一種通常已有技術的紅外分析器10。已有技術的分析器10包括一個紅外輻射源12，一個聚集定向光之件14，它產生一束大體上準直的紅外輻射光16，一個包含被選定的流體20的參比室18，一個使待分析流體24進、出的試樣室22，一個具有窗28和30的機械斷續(xù)器26，一只以被選定的頻率使斷續(xù)器26旋轉的馬達32，一個氣動檢測器34、放大器50以及一個顯示儀52。氣動檢測器34包括一個由透明前窗38、殼體40以及一個可動隔膜構成的隔室。定片44平行且靠近隔膜42設置，并且由電動率源46和一電阻元件48電極化。
在工作中，已有技術的分析器10一般通過分析試樣吸收的紅外光譜中的特征波長線來檢測待分析的流體試樣中的微粒的出現和存在的相對量。在理論上，輻射源12把一恒定紅外輻射光束射入試樣室22和參比室18。試樣室22中的流體試樣24吸收在參比室18中不吸收的紅外光譜中的特性波長。斷續(xù)器26以恒定的選定的頻率旋轉，以致使窗28和30允許分別來自參比室18和試樣室22的交替脈沖在此通過。
氣動檢測器34接受交替的脈沖，并且通過紅外信號對隔室36中的氣體壓力的影響，檢測紅外信號電平之間的差。隔室36中被選定的氣體要對試樣室22中被吸收的特性波長具有敏感的壓力響應，以使隔室36中以斷續(xù)器26工作時的頻率出現壓力變化。通過由電源46和電阻48極化的隔膜42和定片44構成的電容元件，使這種壓力變化轉換成相應的電信號。由于隔膜42隨隔室36中的壓力變化動作，所以相應隔膜42和定片44之間電容量的變化而產生電信號。電信號經放大器50放大并且方便地由儀表52顯示。
這種裝置雖然在很多方面應用是滿意的，但是由于在該系統(tǒng)中有電源46和電阻48存在，故而其本身的不足之處在于其靈敏度或者信噪比受到限制。
以下的方程式可確定噪聲降低所要消除的一些因素E2＝4RKT·△f式中R＝電阻48的阻值;
K＝玻爾茲曼常數(1.38×1023焦耳/°K);
T＝絕對溫度，°K;
△f＝電氣系統(tǒng)的帶寬，以赫表示;
E＝均方根值噪聲電壓。
電阻48所造成的噪聲直接與電阻48的阻值有關，在圖1所示的這類系統(tǒng)中，其阻值通常約為10，000兆歐姆。另一個重要的因素是系統(tǒng)中所存在的電阻48和噪聲之間的關系，即噪聲隨溫度的升高而增大。因此，該系統(tǒng)中的噪聲隨工作過程中的變化而變化，從而對該分析器的穩(wěn)定性有不好的影響。
參照圖2，圖2示意地說明了本發(fā)明的一種新型紅外流體分析器100。分析器100以與分析器10大體上相似的方式工作，但是其作出了許多重大的改進。
首先，可以看出，極化隔膜142和定片144中完全去除了電源46和電阻48。這就達到了消除全部由已有技術的元件所引入系統(tǒng)中的電噪聲，從而使分析器100具有極大的信噪比。這樣，可得到較高的分析靈敏度，相應地就能鑒別出流體試樣中被選定的物質的更細微的痕跡。
本發(fā)明以隔膜142和(或)定片144的至少一部分由駐極體材料形成，為隔膜142和定片144的大體上無噪聲極化提供了可能性。這里把“駐極體”材料定義為一種只要在低于其居里溫度的溫度下使用就可保持大體上恒定且永久貯存靜電荷的電介質的材料。在本發(fā)明的一個成功的實施例中，隔膜142完全由一種駐極體材料構成，該材料具有靜電荷為3·10庫侖-9/厘米2。這種市場上可以買到的駐極體傳聲器業(yè)已得到確認，可在本發(fā)明的新型紅外流體分析器中滿意地應用。駐極體傳聲器是紐約州11590、韋斯特伯里(Westbury)的默拉公司(MURA Corp.)作為音響工業(yè)應用而銷售的產品。最好采用一種在降低溫度系數場合下使用的無張力的駐極體傳聲器＊(＊注見本文結束處)例如伊利諾斯州、埃爾克·格羅夫鎮(zhèn)(El K Grove Village)的諾里斯電子有限公司(Knowles Electronic Inc)的BT1759型產品。
仍參照圖2，可以看出，分析器100在分析器10的基礎作了很大的改進，即在放射源112和光學元件114的附近設有一個溫度控制室102。與溫度控制室102一起工作的是比例溫度控制系統(tǒng)104，它由接在比例溫度控制器108上的線性溫度傳感器106組成，控制器108控制室102中的電阻發(fā)熱元件110的功率。
在工作中，溫度控制系統(tǒng)104可相當快地使室102中的溫度上升到預先選定的穩(wěn)態(tài)工作溫度，爾后保持該工作溫度，而毋需輻射源12被開始激活之后要待幾個小時。在本發(fā)明的實施中，已基本上消除了已有技術中每一個限制性因素。
為了使該系統(tǒng)在極短的時間內上升到預先選定的工作溫度，最好在輻射源112開始激活的同時接通電阻發(fā)熱元件110。之后，溫度傳感器106和控制器108共同保持室102中的工作溫度恒定。再參照圖2，還可清楚地看出，試樣室122直接靠在室102的出口端，這與圖1中所示以一定間距設置不同。同上述的溫度控制系統(tǒng)104配合，這種配置可保證試樣室122中的溫度保持在高于氣體在該室內冷凝的溫度，如分析器100工作中大于100℃。由于保持溫度精確地控制在高于室102的溫度以及參比室118直接靠室102設置，故而本發(fā)明還有效地控制和保持著流體試樣124的恒定溫度，這樣就消除了已有技術中可能使流體試樣中的溫度波動的任何不穩(wěn)定性。
從圖2中還可看出，在本發(fā)明的實施中，用一種改進的參比室118替代圖1中的參比室18。已有技術的參比室18一般使氣體容納在一個氣密室中，并使準直光束16通過此被當作一個已知的光學常數。實際上，業(yè)已確定的參比室18往往會漏泄，使光學系統(tǒng)中引進了未知數，還有損于儀器的可靠性。本發(fā)明的參比室118由一種選定的固體材料形成，這就保證了該系統(tǒng)中的準確的光學常數。選出的固體材料最好是不吸收要求流體試樣吸收的特性紅外波長線。可以在這方面應用的固體的材料有氟化鈣、氟化鋇、巖鹽、石英等等。
圖2a～圖2d中所示的為本發(fā)明的紅外分析器的目前最佳實施例，這些圖中同樣的參考數字表示圖2中所示的同樣的東西。
具體地說，室102′設有具有電阻發(fā)熱元件110′的溫度控制系統(tǒng)104′。輻射源112′把指向光學元件114′的準直光束送入試樣室。在最佳實施例中，參比室118′是一種固體材料(見圖2c和圖2d)，試樣室122′包括一個密封窗和氣體進、出口。
斷續(xù)器126′包括可使從試樣122′和參比室118′來的射線分別通過的第一窗128′和第二窗130′。靜電傳聲器142′在壓力上與隔室136′中氣體保持暢通。從傳聲器142′中來的信號通過放大電路150′放大，放大電路又經電線151′接在儀表(圖中未畫出)上。
參照圖3，圖中所示為一種結合本發(fā)明特征的單束紅外流體分析器200。分析器200包括好些上面雙束分析器100中所述的元件，特別除了分析器200工作中不采用的參比室之外。因此，氣動檢測器234接受從試樣室222發(fā)出的紅外輻射間斷脈沖，使隔室236中引起壓力變化。通過該技術領域：
中眾所周知的合適的電子電路系統(tǒng)和校準技術，使氣動檢測器234發(fā)出的電信號放大，鑒別確定流體試樣224中的組分。然而，可以看出，單束分析器對從其輻射源發(fā)出的由于溫度變化而出現的輸出變化特別敏感。因此，分析器200增加了重要的元器件，包括溫度控制室202、溫度傳感器206、溫度控制器208以及電阻發(fā)熱元件210，以便保持恒定的(和可迅速達到的)預先選定的工作溫度。
圖3a和圖3b更具體地說明了圖3中的單束分析器的目前最佳的實施例，圖3a、3b中相同的數字表示圖3中的相同的東西。分析器200′在結構上與圖2a～圖2b中所示的分析器100′相似。但是，斷續(xù)器226′僅用一個窗230′，包含流體試樣224′的試樣室222′是一個防漏的室，沒有參比室。
當然，本發(fā)明并不限于上述的特定的最佳實施例，而寧可說是在以下的權利要求
之內。
注＊為提供更多信息，請參閱聲頻工程學會出版的雜志《新設計》，Vol、22，P237(1974年)上刊登“超小型駐極體電容傳感器”一文以及《聽力設備代理商》(Hearing Dealer)雜志4月號(1973年)上刊登的“超小型駐極體電容傳感器”一文。
權利要求
1.一種紅外流體分析器包括一個紅外輻射源，一個內含待分析流體的試樣室，使從所說的輻射源發(fā)出的一束紅外輻射光穿過所說的試樣室的裝置，為接受穿過試樣室之后的紅外輻射光束而設置的氣動檢測裝置以及使從試樣室來的所說的紅外輻射光束間斷地到達氣動檢測裝置的裝置，其中氣動檢測裝置包括一個流體室，內含一種能作出壓力響應的入射在所說的流體室上的紅外輻射光束變化的液體，一個與流體相通，能對室內壓力變化作出響應而運動的隔膜件，與隔膜件相隔一定距離的固定件以及使隔膜件和固定件電極化在它們之間產生電容量的裝置，本發(fā)明的特征在于(a)固定件有一面與隔膜件上另一面相隔一定距離，且有電氣連接；(b)使用一種駐極體極化材料，隔膜件和固定件的相對面上至少有一部分是這種材料形成。
2.如權利要求
1所述的紅外流體分析器，其特征在于所說的分析器還包括用于電信號作電放大的放大裝置以及用于顯示放大后的電信號顯示裝置。
3.如權利要求
2所述的紅外流體分析器，其特征在于所說的分析器還包括一個在所說的輻射源和所說的氣動檢測裝置之間設置的參比室，與所說的定向裝置和所說的間斷裝置配合，以使所說的紅外輻射光束交替地從所說的試樣室和所說的參比室通到所說的氣動檢測裝置，其中所說的參比室由經選定的大體上不吸收由待分析流體吸收的特性頻率的紅外射線的固體材料。
4.如權利要求
3所述的紅外流體分析器，其特征在于經選定的固體材料是從由氟化鈣、氟化鋇、巖鹽或者石英組成的組中選擇。
5.如權利要求
4所述的紅外流體分析器，其特征在于所說的分析器還包括一個容納所說的紅外輻射源的溫度控制室，所說的室包括傳感所說的室中溫度的裝置、發(fā)熱元件以及為改善所說的紅外流體分析器的穩(wěn)定性在所說的室中保持預先選定的工作溫度狀態(tài)而響應控制所說的發(fā)熱元件的所說的傳感裝置的裝置。
6.如權利要求
5所述的紅外流體分析器，其特征在于發(fā)熱元件由控制裝置在大體上與所說的紅外輻射源開始激活的同時接通，在縮短的時間內達到預定的工作溫度狀態(tài)。
7.如權利要求
5所述的紅外流體分析器，其特征在于在紅外流體分析器工作中，為了保持待分析的流體處于其冷凝點以上的溫度，試樣室的設置非常接近紅外輻射源。
8.如權利要求
1所述的紅外流體分析器，其特征在于檢測器的電氣元件包括一個無張力的駐極體傳聲器。
專利摘要
本發(fā)明提供一種高靈敏度、高信噪比的紅外流體分析器。該裝置包括一個用于檢測試樣吸收的特性紅外波長線的電容傳聲器，并且采用一種使電容元件電極化的駐極體材料。還包括以穩(wěn)定輸出功率和提高儀器可靠性的控制紅外輻射源溫度的溫度以及控制流體試樣溫度的裝置。本發(fā)明的雙束實施例中，提供了一種進一步穩(wěn)定儀器的無氣體的參比室。
文檔編號G01N21/37GK86101828SQ86101828
公開日1987年9月30日 申請日期1986年3月18日
發(fā)明者格倫·霍華德·弗梯格, 羅伯特·約瑟夫·沃茨維克 申請人:礦山安全器械公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan