CN1262832C - 气室 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气室(2’)，它包括一个用作容纳所选气体的腔体(20)，一个光源(30)，和一个或数个光束接收部件或检测器(21，22，23，24，25)。腔体(20)是由一个第一局部椭球形镜面(20a)和两个局部椭球形镜面，即面对着第一镜面(20a)的第二(20b)和第三(20c)镜面等形成和限定的，它们彼此之间的方位应使光束(130a，130b)被镜面(20a，20b，20c)反射，以形成一个光学测量路径分支，并终止于处于选定的测量路径分支上的一个光接收部件(21，22，23，24，25)。光源(30)处于腔体(20)的一个端部区域，同时，用来让发射光束会聚于一个焦点(F)的反射器(30a，30b)也处在该端部区域内。

Description

气室

发明领域

本发明总的涉及气室，更具体地说，涉及这样一类气室，它包括一个用于容纳一选定气体体积的腔体、一个光源、和一些用来接收一个或数个光束的部件。

更详细地说，本发明所涉及的气室中的腔体由一个第一部分椭球镜面形成和界定，它面对着两个部分椭球镜面，即第二和第三镜面。

这些椭球镜面彼此间所处的方位应使得从光源发射的光束被这些镜面反射，以提供一个光学测量路径分支，并终止在用于所选路径分支的一个接收部件上。

术语“部分椭球”一方面是指一个全椭球的一部分，另一方面是表示一个与数学上的椭球形基本一致的椭球形。

背景技术

人们早就知道利用电磁波的吸收频谱，然后是频率处在红外区域的光束，并采用不同类型的检测器元件。

对于基于吸收技术的气室的情形，光束将穿过一种包含在气室腔体内的气体样品，所选气体的体积将决定对光束的与频率有关的吸收程度。

因而人们采用一种气体检测器来检测光束对一种相关气体的频谱，或腔体中的气体浓度，而通过估算被测光束相对于一个选定强度的入射光束的强度，以及该光束的吸收系数或在这种气体中的电磁波波长，就可以确定该气体或气体浓度。

至于本发明的特征，我们知道让光束在腔体内多次反射可以将一个气室相对它的物理尺度进行压缩，从而得到一个比较长的光学测量路径分支(波状长度)，或一个相对气室或腔体内部尺寸而言比较长的吸收路径分支。

专利出版物US-A-5,009,493发布的吸收室即是气室的一个例子，它被设计成能在一个确定(或限定)的腔体内提供一个适当长的吸收路径分支或一个光学测量路径分支，这时入射光束要在腔体内反射多次才从腔内出去，并打到一个光检测器上。

在这类气室中，一般是让入射光束通过一个第一开口进入腔体内，而通过一个第二开口从腔体中出去，从而能使本发明所用的检测器构成一个单独的部件，最好将此部件安装在与第二开口相连的气室上。

气室的腔体通常至少是由一个第一和一个第二部分构成的，其内表面经处理后能强烈地反射入射光束。

这种表面处理一般是在内表面上涂覆一层或数层金属，因而反射表面是由最后的金属层形成的。

涂覆过程所用的金属和工艺将取决于所要求的表面光学质量，也与该表面将要反射的光波波长有关。还应该考虑气室本体所用的材料。

要了解本发明的一些主要特征和性能，还应提到一种早已熟知的气体检测器的例子，其中的入射光束按预定的方式在腔体内反射多次。

在这方面，可以参看下列专利中描述过的一种气体检测器：国际专利申请书PCT/SE 96/01448(出版物号WO 97/10460)和国际专利申请书PCT/SE 97/01366(出版物号WO 98/09152)，本发明可以看作是这些专利的一个发展。

发明概要

技术问题

当本领域技术人员考虑为解决他/她碰到的技术问题所必须的技术细节时，一方面要了解为此目的而必须采取的措施和/或采取措施的步骤，另一方面要了解为解决这些问题需要哪些设备。据此，下面所列举的技术问题显然和本发明的提出有密切的关系。

考虑到上面所述的目前的技术现状，对于在引言中描述的那种气室，一个技术问题是要创造条件，使得所选定的光学测量路径分支能比前面列举的国际专利出版物所达到的更长(当所用腔体的尺寸增加不多时)。

另一个技术问题是了解把光源安装在腔体一端区域内的重要性和所带来的好处，以便创造条件提供比先前的技术更多的优点。

还有一个技术问题是了解将一个反射器(它能使发射光束会聚)安装在一端区域内的重要性和提供的好处。

还可看出有一个技术问题是了解由于采用上述反射器的重要性和提供的好处，这样可以使光束会聚在一个处于腔体内的焦点上。

另一个技术问题是了解让该焦点处在邻近一个与腔体相连的平面镜部件的重要性和带来的好处。

再一个技术问题是了解让电平面镜部件产生的虚焦点处在腔体外面的重要性及带来的好处。

还有一个技术问题是了解将平面镜部件置于上述第一个部分椭球形镜面的第一限定表面附近的重要性及带来的好处。

另一个技术问题是了解让该反射器由一个部分椭球段(它靠近第一个部分椭球形镜面的一个第二限定面)构成的重要性及与此相关的优点。

还有一个技术问题是了解让反射器由一个部分椭球段(它由位于腔体内的一个内壁开口形成)构成的重要性。

另一个技术问题是了解在这类气室中创造相关的条件(这些条件可以让我们选择薄的腔体并由至少两个相互作用的部分形成该腔体)的能力的重要性及带来的好处。

还有一个技术问题是了解让气体至腔体的通路靠近上述平面镜部件的重要性及带来的好处。

再一个技术问题是了解让气体至腔体的通路靠近光源和腔体的内壁部分的重要性及带来的好处。

另一个技术问题是了解下列各项的重要性及带来的好处：让光束从一个虚焦点反射到位于第二和第三部分椭球镜面之间的较宽广区域，让光束的第一部分(由第二镜面反射的部分)处在第一光学测量路径分支，以及将光束的另一部分(被第三镜面反射的部分)归属于第二光学测量路径分支。

在引言中描述的那种气室的情况下，一个技术问题是了解让从光源来的直接作用(direct-acting)光束在该光源附近反射并指向平面镜部件(这样就能形成另一个虽然是短的光学测量路径分支)的重要性及带来的好处。

另一个技术问题在于意识到让与腔体相关的主动光学表面集中在光源的各边，并指向部分椭球形反射器适配段和会聚于焦点的光学表面以及一个面向三个部分椭球形镜面的表面区域的重要性及带来的好处。

还有一个技术问题是了解采用将直接作用的光束在光源和与腔体相连的光检测器之间遮档起来的措施的重要性及带来的好处。

再一个技术问题是借助于简单装置和对形状的限制条件较少的气体检测器(以便容易用它来测量湿度或水蒸汽浓度，或者是否存在某些其它的气体-如二氧化碳，一氧化碳，氮氧化物等-及其浓度)来进行创新的能力。

解决方案

本发明将以引言中描述的那种气室为基础，它包括一个腔体(与所选的气体体积相适应)，一个光源，和一个或几个接收光束的部件，其中腔体由一个第一部分椭球形镜面(面对着两个部分椭球形镜面)、一个第二和一个第三表面构成和限定，这些表面的相互取向位置应使得从光源发射的光束被镜面所反射(最好是多次反射)，以形成一个光学测量路径分支，并终止于与所选定的光学测量路径分支相关的一个光束接收部件上。

为了解决上述一个或几个技术问题，本发明建议将光源置于腔体内(而且是处于它们一个端部区域内)，同时在该端部区域内安放一个反射器，使得发射光束会聚于一个焦点上。

作为包含在本发明概念范围内的一些实施例，我们建议这个反射器能使光束会聚于一个焦点，这个焦点处在腔体内，而且是在腔体另一个相对端部区域之内。

我们还建议，该焦点处于靠近与腔体相关的镜面部分并与之分隔开的一个给定路径分支。

就这方面而言，我们建议，由平的镜面部分形成的一个虚焦点位于该腔体之外。

根据本发明，平的镜面部分将处于靠近该第一部分椭球面的一个第一限定表面的地方。

上述反射器是由邻近该第一部分椭球镜面的一个部分椭球段构成的。

该反射器还包含一个由腔体壁部形成的部分椭球段。

我们特别建议，该腔体很薄，而且可以由至少两个相互作用的部分构成。

本发明还建议，在靠近平镜面部分有一个第一气体通路，而且靠近光源和与腔体固定的壁部处有一个第二气体通路。

本发明还建议，气室腔体应这样来构成，以使光束从虚的腔体周边处的焦点反射至第二和第三镜面之间的一个宽广区域，而且由第二镜面反射的第一部分形成一个第一光学测量路径分支，而由第三镜面反射的第二部分形成一个第二光学测量路径分支。

根据本发明，在靠近光源而且在腔体内设置了一个反射由光源来的直接作用光束的装置，它面对着平镜部分，并与之形成另一个光学测量路径分支。

本发明还建议，与腔体相关的主动光学表面集中在光源的各个边，并向着部分椭球形的与反射器相关的段伸展，而且会聚于腔体内部的焦点和一个处于三个部分椭球镜面之间的表面区域。

我们还建议，该装置被设计成用来遮挡投至与腔体相连的光检测器的直接作用光束。

根据本发明，光源可用来产生红外辐射并可测量湿气含量。

接收光束的部件将用来测定是否有其它主气体(如二氧化碳，一氧化碳，氮氧化物等)存在以及/或者它们的浓度。

有益效果

作为本发明的气室的主要特征，其优越性在于能提供外部尺寸小且至少有两个长的光学测量路径分支的气室。此外，还采取了一些使气体容积按层流或基本上层流的方式穿过腔体的措施。

此气室还可用来提供更短的测量路径分支。

本发明的一个气室的主要特性将在后面的权利要求1的特性条款中加以说明。

附图简介

下面将结合附图以实例详细描述具有本发明特征的一个当前为优选的具体实施例，附图中：

图1为本发明一个气室采用的气体检测器的框图；

图2为本发明一个气室形状的平面视图；

图3为沿图2的III-III线的剖面图；

图4为图1的气室，图中示出了各光学主动照明表面；

图5为图2所示主动照明表面的气室和一个由装置形成的观测阴影区，以及能防止光源直接辐射到光检测器或部件上的表面区域。

目前优选实施例的描述

图1为一个检测器装置的示意图，此装置能确定气体是否存在及/或在气体混合物中的气体浓度。

图1所示的装置1包括一个必不可少的气体检测器2，它与通路2a和2b相连，使得被分析的气体能进出气室。

作为另一种方式，可以用壁部20’当作扩散过滤器。

假定气体通过通道2a引入，并或多或少以层流的方式通过气体检测器2中的气室2’，然后从通道2b出去。

图1还绘出了与中央处理装置3相连的一个或数个部件21，22，23，24和25，所述部件是打算用来接收光束的。

中央装置3包括必要的信号处理电路和发射与激发气体检测器(它通过连线3a和光源相连)的电路。

本发明主要与气室2中的气体检测器2’有关，下面将结合图2和3来详细描述这个气体检测器。

气室2’包含腔体20(用来容纳所选气体)，光源30，和一至几个光束接收部件21-25。

腔体20是由一个第一部分椭球形镜面20a和两个部分椭球形镜面(位置正对第一镜面20a的第二镜面20b和第三镜面20c)等形成和限定的。

三个镜面20a，20b，20c彼此的方位是这样配置的，以使从光源30发射的光束在各镜面之间反射，从而能形成一个光学测量路径分支或几个终点，并终止在一个光束接收部件或检测器内，而选定的测量路径分支就处于此检测器上。

光源30位于腔体的一个端部区域内(图2左边区域)，用来使选定光束会聚的反射器处在该端部区内，且包含一个上部30a和一个下部30b，光源30则处在一个焦点上。

反射器部分30a，30b为部分椭球形，用来使选定的光束或光束组(如各个光束130和230)会聚于腔体20内的一个焦点F上。

焦点F位于腔体另一端的区域内(图2中腔体的右边)。

焦点F的位置靠近一个与腔体相连的平镜部分20d。此平镜部分20d相对于光源30和焦点F的连线成某个角度。

平镜部分20d使焦点F形成一个虚焦点F’，从图2可清楚看出，此虚焦点处在腔体20的稍靠外面。

平镜部分20d靠近第一镜面20a的右边限定表面。

反射器的上镜面30a由一个局部椭球段构成，且靠近第一镜面20a的左边限定面。

与反射器相关的部分30b也是由一个局部椭球段(由腔体20内的一个局部椭球壁26形成)构成。

参看图3，可见腔体很薄很窄，且主要由两个相互作用的部分41，42构成。其厚度可能与光源30的发光灯丝的长度相一致(即1.5mm长或者稍微长一点)。

第一气体通道2a处在靠近平镜部分20d的地方。

第二气体通道2b则靠近光源30和腔体20内的壁部26。

壁部26除形成镜部30b外，由于它的特定厚度和形状，还可为被分析的气体体积提供明显的层流，这种气体是从通道2a进入而从通道2b出去的。

按照本发明，光束(如130和230)是从虚焦点F’反射至处于第二镜面20b和第三镜面20c之间的边界区域，由第二镜面20b反射的第一部分130a形成一个第一光学测量路径分支，而由第三镜面20c反射的第二部分130b形成一个第二光学测量路径分支。

下面会看到，当光在表面20a，20b，20c之间反射时，每个这种光学测量路径分支还可按自身的方式进一步分为一些测量路径分支。每个光学测量路径分支分别终止于一个选定的检测器21，22，23，24和25上。

处在光源30附近且面向平面镜部分20d的是装置40，它与直接作用的光束成一定角度，以形成一个对光束接收装置43的另一个(或几个)光学测量路径分支。

图4所示为几个与腔体相连的主动光学表面61，62，它们集中在光源30的两边。

这些光学表面在光源30的两边伸展至局部椭球形表面30a，30b，并将那些向着焦点F会聚的表面盖住。

在局部椭球形镜面20a，20b和20c之间构成另一个光学表面区63。

从图5能清楚看出，所述装置40用来遮挡投至与腔体相连的光检测器21-25的直接作用光束。

光源30可用作红外辐射，并用来测量腔体所包围气体的湿气含量，即测量水蒸汽的浓度。

还可利用选定的光束通过光接收电路或部件来确定是否存在其它的选定气体(如二氧化碳，一氧化碳，氮氧化物)及其/或其浓度。

回过来看图2和3，可以看出，在光源30和部件41间的光学测量路径分支的长度可以很短，例如4-20mm或者8mm左右。

至部件21或23的光学测量路径分支的长度可以分别为13或21cm，而在光源30和各部件23，24，25之间的光学测量路径的长度分别为21，29或37cm。

还应指出，当气室2’的外部尺寸约为45×45cm时，可以提供至少两个相互独立的光学测量路径分支(长度为36cm)，以便确定所含氮气/二氧化碳的浓度，以及气体的含水量及其二氧化碳浓度。

必须指出，本发明并不限于上述例举的具体实施例，而可以在后面权利要求书说明的发明构思的范围内进行各种修改。

Claims (19)

1.一种气室，包括一个适用于选定气体体积的腔体(20)，允许气体通过所述气室的两个气体通道，一个光源(30)，和用来接收一个或几个光束的部件(21，22，23，24，25)，其中腔体是由一个第一局部椭球形镜面(20a)以及面对着第一镜面(20a)设置的第二局部椭球形镜面(20b)和第三局部椭球形镜面(20c)形成和限定的，三个镜面相互间的方位应使从光源(30)发出的光束(130，230)被所述镜面(20a，20b，20c)反射，从而形成光学测量路径分支，并终止于一个用于接收光束的部件(21，22，23，24，25)，此部件接收一个处在选定测量路径分支的指定光束，其特征在于，光源(30)设于腔体(20)的一个端部区域；同时在该端部区域设有反射器(30a，30b)，它使得发射光束会聚于处于所述腔体(20)的另一端部区域的一个焦点(F)。

2.如权利要求1所述的气室，其特征在于，反射器适于使光束会聚于处在腔体内的一个焦点(F)上。

3.如权利要求2所述的气室，其特征在于，所述焦点(F)位于一个与腔体相连的平镜部分(20d)附近。

4.如权利要求3所述的气室，其特征在于，由所述平镜部分形成的虚焦点(F’)处在所述腔体之外。

5.如权利要求3所述的气室，其特征在于，所述平镜部分(20d)靠近所述第一镜面(20a)的限定表面设置。

6.如权利要求1所述的气室，其特征在于，所述反射器包括一个局部椭球段，该段方位靠近所述第一镜面(20a)。

7.如权利要求1所述的气室，其特征在于，所述反射器包括一个由腔体内的壁部形成的局部椭球段。

8.如权利要求1所述的气室，其特征在于，腔体作得很薄，而且是由彼此能相互作用的至少两个部分形成的。

9.如权利要求3所述的气室，其特征在于，一个气体通道位于所述平镜部分附近。

10.如权利要求1或7所述的气室，其特征在于，一个气体通道位于所述光源附近，而且靠近处在腔体内的一个壁部。

11.如权利要求4所述的气室，其特征在于，光束(130，230)从所述虚焦点(F’)反射至位于第二镜面(20b)和第三镜面(20c)之间的一个宽广的区域，由第二镜面(20b)反射的第一部分(130a)形成第一光学测量路径分支，而由第三镜面(20c)反射的第二部分(130b)形成第二光学测量路径分支。

12.如权利要求3所述的气室，其特征在于，有一个靠近光源(30)的装置(40)，其用于使从光源(30)发射的光束以向着平镜部分(20d)的方向偏转，由此形成另一个光学测量路径分支。

13.如权利要求1所述的气室，其特征在于，它包括集中在光源各边并指向所述三个局部椭球形镜面的与腔体相关的主动光学表面，这些主动光学表面向焦点会聚。

14.如权利要求12所述的气室，其特征在于，所述装置(40)用来遮挡投向所述用于接收光束的部件的直接作用光束。

15.如权利要求1所述的气室，其特征在于，所述光源用来产生红外辐射，并可通过所述用于接收光束的部件来确定湿气含量。

16.如权利要求1所述的气室，其特征在于，用来接收光束的所选定的部件用于确定所选气体的浓度。

17.如权利要求1所述的气室，其特征在于，一个与腔体相连的壁部由一个扩散过滤器构成。

18.如权利要求1所述的气室，其特征在于，腔体的厚度与用作光源的发光灯丝的长度相适应。

19.如权利要求16所述的气室，其特征在于，所选气体是二氧化碳，一氧化碳或氮氧化物。

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