МНОГОХОДОВАЯ КЮВЕТА ДЛЯ ОБРАЗЦА
MULTIPASS SAMPLE CUVETTE

Область изобретения
Настоящее изобретение относится к кювете для образца, например, кювете для образца для использования в анализе газов на основе лазерной абсорбционной спектроскопии.
Предпосылки изобретения
Известные системы для анализа газов включают также одну или более кювет для образцов, например, одну или более кювет Эррио, которые предназначены для содержания образца газа, подлежащего анализу, и через которые проходит пучок лазерного излучения для взаимодействия с образцом газа. Расположение кювет для образцов и других оптических компонентов влияет на геометрию, размер и рабочие характеристики системы анализа газов. Чтобы сделать систему компактной, например, чтобы иметь возможность содержать систему внутри компактного, переносного корпуса, может быть важным обеспечивать подходящее расположение кюветы для образца и других оптических компонентов.
Краткое изложение сущности изобретения
Первый аспект изобретения относится к оптической кювете, содержащей: первый и второй противоположные отражающие элементы; входное отверстие в первом отражающем элементе; и выходное отверстие во втором отражающем элементе. Входное и выходное отверстия могут быть выполнены так, что в процессе работы излучение, введенное в кювету через входное отверстие, отражается по меньшей мере один раз вторым отражающим элементом и по меньшей мере один раз первым отражающим элементом до выхода из кюветы через выходное отверстие.
Излучение может содержать лазерное излучение, например, по меньшей мере один пучок лазерного излучения. Излучение может содержать инфракрасное или видимое излучение, например, инфракрасный или видимый пучок лазерного излучения. Пучок лазерного излучения может содержать импульсный пучок лазерного излучения, содержащий импульсное лазерное излучение. Оптическая кювета может представлять собой многоходовую оптическую кювету.
Оптическая кювета может содержать кювету типа Эррио.
Оптическая кювета может содержать адаптированную или модифицированную кювету Эррио.
Путь, по которому следует излучение между входным и выходным отверстиями, может задавать длину пути, и кювета может содержать регулирующий прибор для получения относительного движения второго отражающего элемента и первого отражающего элемента, так что изменяется длина пути в кювете.
Относительное движение может включать сохранение одного из первого отражающего элемента и второго отражающего элемента в фиксированном положении и движение (например, вращение и/или поступательное перемещение) другого из первого отражающего элемента и второго отражающего элемента. Альтернативно, относительное движение может включать движение (например, вращение и/или поступательное перемещение) обоих из первого отражающего элемента и второго отражающего элемента. Регулирующий прибор может двигать (например, вращать и/или поступательно перемещать) первый отражающий элемент и/или второй отражающий элемент.
Регулирующий прибор может быть выполнен с возможностью изменения длины пути посредством изменения числа отражений излучение между входом в кювету и выходом из кюветы.
Длину пути, на протяжении которого излучение взаимодействует с образцом газа в кювете, можно изменить посредством изменения числа отражений излучения первым отражающим элементом и вторым отражающим элементом до того, как излучение выйдет из кюветы.
Относительное движение может включать вращение второго отражающего элемента и/или первого отражающего элемента.
Относительное движение может включать поступательное перемещение второго отражающего элемента и/или первого отражающего элемента.
При работе упомянутое излучение может отражаться от первого отражающего элемента во множестве первых точек отражения и может отражаться от второго отражающего элемента во множестве вторых точек отражения.
Кювета может содержать регулирующий прибор для получения относительного движения второго отражающего элемента и первого отражающего элемента, чтобы посредством этого располагать выходное отверстие в выбранной точке из вторых точек отражения.
Таким образом, число отражений излучения до выхода из кюветы можно изменять посредством подходящего расположения выходного отверстия.
Регулирующий прибор можно может быть выполнен с возможностью получения упомянутого относительного движения так, чтобы ступенчатым образом менять положение выходного отверстия от одной из вторых точек отражения до следующей выбранной точки из вторых точек отражения.
Регулирующий прибор может быть выполнен с возможностью вызывать относительное движение выходного отверстия и вторых точек отражения на заданные расстояния, соответствующие разнесениям вторых точек отражения.
По меньшей мере некоторые, необязательно, каждая, из упомянутого множества первых точек отражения может быть расположена на практически одинаковом радиальном расстоянии от оси первого отражающего элемента. По меньшей мере некоторые, необязательно, каждая, из упомянутого множества вторых точек отражения может быть расположена практически на одинаковом же радиальном расстоянии от оси второго отражающего элемента.
По меньшей мере некоторые, необязательно, каждая, из упомянутого множества первых точек отражения может быть разнесена с соответствующей соседней точкой из упомянутого множества первых точек отражения на практически одинаковый первый угол. По меньшей мере некоторые, необязательно, каждая, из упомянутого множества первых точек отражения может быть разнесена с соответствующей соседней точкой из упомянутого множества вторых точек отражения на практически одинаковый второй угол.
Первый угол может быть практически таким же, как второй угол.
Входное отверстие может находится во внеосевом положении по отношению к центральной оси первого отражающего элемента. Выходное отверстие может находится во внеосевом положении по отношению к центральной оси второго отражающего элемента.
Первый отражающий элемент может иметь отражающую поверхность, имеющую круговую симметрию. Второй отражающий элемент может иметь отражающую поверхность, имеющую круговую симметрию.
Первый отражающий элемент может содержать параболическое зеркало. Второй отражающий элемент может содержать параболическое зеркало.
Следующий аспект изобретения, который может быть представлен независимо, относится к системе детектирования, содержащей: по меньшей мере один лазер, выполненный с возможностью выдачи по меньшей мере одного пучка лазерного излучения для возбуждения одного или более различных соединений; кювету для образца, предназначенную для содержания некоторого объема образца газа; по меньшей мере одно направляющее устройство, выполненное с возможностью направления упомянутого по меньшей мере одного пучка лазерного излучения в кювету для образца; и детекторный прибор для детектирования выходного излучения из кюветы, причем кювета для образца содержит: первый и второй противоположные отражающие элементы; входное отверстие в первом отражающем элементе; и выходное отверстие во втором отражающем элементе, причем входное и выходное отверстия выполнены так, что в процессе работы излучение, введенное в кювету через входное отверстие, отражается по меньшей мере один раз вторым отражающим элементом и по меньшей мере один раз первым отражающим элементом до выхода из кюветы через выходное отверстие.
Детекторное устройство может быть расположено с первой стороны кюветы для образца, и упомянутый по меньшей мере один лазер может быть расположен со второй, практически противоположной стороны кюветы для образца.
Система может представлять собой систему с непрерывным мониторингом выбросов газа.
2
2
2
4
2
3
2
2
2
По меньшей мере одно соединение может содержать по меньшей мере одно из: NO, NO, HO, CO, CO, CH, SO, NH, CH и O.
Следующий аспект изобретения, который может быть представлен независимо, относится к способу тестирования, измерения или детектирования присутствия газа, включающему: направление излучения в кювету для образца, содержащую газ, через входное отверстие в первом отражающем элементе кюветы для образца; прием излучения из выходного отверстия во втором отражающем элементе кюветы для образца после отражения излучения между первым и вторым отражающим элементами; и детектирование принятого излучения.
Признаки одного аспекта можно использовать в качестве признаков в другом аспекте в любой подходящей комбинации. Например, любой из признаков способа, системы или кюветы можно использовать в качестве любого другого из признаков способа, системы или кюветы.
Краткое описание чертежей
Различные аспекты изобретения в настоящее время описаны только в качестве примера и применительно к сопутствующим чертежам, из которых:
Фигура 1 является схематическим представлением системы лазерной спектроскопии;
Фигура 2 представляет собой схематический вид лазерного модуля системы лазерной спектроскопии; и
Фигура 3 представляет собой перспективный вид корпуса системы лазерной спектроскопии;
Фигура 4 представляет собой схематический вид многоходовой оптической кюветы; и
Фигура 5 представляет собой схематический вид отражающего элемента многоходовой оптической кюветы.
Подробное описание чертежей
Фигура 1 является схематическим представлением системы лазерной спектроскопии для анализа газа, собранного в кювете для образца 10 сенсорного прибора 12. Система содержит лазерный модуль 14, оптически связанный с сенсорным прибором 12. Система включает также контроллер 16, электронным, электрическим или иным образом соединенный с лазерным модулем 14, и сенсорным прибором 12. Лазерный модуль 14 содержит множество лазеров 18 и по меньшей мере одно направляющее устройство в форме множества оптических компонентов 20, выполненных с возможностью направления пучков лазерного излучения от лазеров по общему оптическому пути в кювету для образца 10, как более подробно описано ниже применительно к фигуре 2.
В дополнение к кювете для образца 10, сенсорный прибор 12 также включает направляющие оптические компоненты 22 и детекторный прибор 24, содержащий множество детекторов. Детекторы выполнены с возможностью детектирования излучения из кюветы для образца. Излучение может представлять собой инфракрасное или видимое излучение, или излучение любой другой подходящей длины волны, или из любой подходящей части спектра электромагнитного излучения. Контроллер 16 содержит управляющий модуль 26 и сигнальный процессор 28. Управляющий модуль 26 выполнен с возможностью управления действием лазеров, и сигнальный процессор 28 выполнен с возможностью обработки сигналов, полученных от детекторного прибора 24. Контроллер 16 может находиться в форме, например, подходящим образом запрограммированного PC или другого компьютера, или может содержать предназначенные для этого электронные схемы или другое аппаратное обеспечение, например, один или более ASIC или FPGA, или любую подходящую смесь аппаратного обеспечения и программного обеспечения. Управляющий модуль 26 и модуль обработки могут быть представлены в форме отдельных, различных компонентов в некоторых вариантах осуществления, например, отдельных ресурсов для обработки, вместо представления внутри одного и того же контроллерного компонента, как показано на фигуре 1.
Кювета для образца 10 имеет оптическое входное отверстие и оптическое выходное отверстие. Кювета для образца 10 может, например, представлять собой кювету Эррио или любой другой подходящий тип кюветы для образца. Кювета для образца 10 с фигуры 1 определяет объем, в котором образец газа можно вводить и собирать. Газ может содержать одно или более различных представляющих интерес соединений. Показатель присутствия этих соединений в газе, собранном в кювете для образца 10, можно определять посредством пропускания излучения от лазеров 18 через кювету для образца 10. Если излучение лежит в диапазоне длины волны, который соответствует спектру поглощения или линиям поглощения представляющего интерес соединения, тогда любое поглощение излучения по мере его прохождения через кювету может быть обусловлено присутствием представляющего интерес соединения в образце. Уровень поглощения, после определения, можно использовать для определения физического свойства представляющего интерес соединения в образце, например, концентрации. Поскольку различные соединения имеют спектры поглощения при различной длине волны, излучение различной длины волны подводят в кювету для образца 10.
Фигура 2 представляет собой более подробный схематический вид части лазерного модуля 14 системы лазерной спектроскопии, показанной на фигуре 1. Оптические компоненты 20 содержат набор частично отражающих зеркал 32 и дихроическое зеркало 34. Частично отражающие зеркала 32 содержат первое зеркало 36, второе зеркало 38, третье зеркало 40, четвертое зеркало 42 и пятое зеркало 44. Лазеры 18 содержат первый лазер 46, второй лазер 48, третий лазер 50, четвертый лазер 52, пятый лазер 54 и шестой лазер 56. Частично отражающие зеркала 32 и дихроическое зеркало 34 выполнены с возможностью направления пучков лазерного излучения от лазеров 18 по общему оптическому пути до точки 58. Дополнительные направляющие оптические компоненты для направления объединенным пучком лазерного излучения 30 от точки 58 по общему оптическому пути в кювету для образца 10, включены в систему, но не показаны на фигуре 2. Каждый из лазеров 46, 48, 50, 52, 54, 56 имеет соответствующее зеркало 36, 38, 40, 42, 44, 34. Частично отражающие зеркала 32 и дихроическое зеркало 34 расположены по прямой линии. Каждое зеркало наклонено по отношению к этой прямой линии под углом 45. Прямая линия задает направление распространения от первого зеркала 36 до дихроического зеркала 34 и затем до точки 58. Объединенный пучок лазерного излучения 30 распространяется вдоль направления распространения.
2
2
Можно использовать любые подходящие частично отражающие зеркала. В варианте осуществления с фигуры 2, каждое из частично отражающих зеркал содержит покрытые BaF или CaF инфракрасные окна, имеющие оптическое покрытие, нанесенное для управления широкополосным отражением передней поверхности. Любые другие подходящие материалы можно использовать в альтернативных вариантах осуществления. В варианте осуществления с фигуры 2, используют два покрытия, 80:20 (80% пропускания, 20% отражения) и 50:50 (50% пропускания, 50% отражения). Это может позволить регулирование множества мощностей лазеров, чтобы приводить выходную мощность в соответствие с согласованным значением для каждого лазера (в пределах практических ограничений). Больше или меньше покрытий можно использовать в альтернативных вариантах осуществления. Покрытия частично отражающих зеркал с фигуры 2 выполнены так, чтобы являться широкополосными, так что любое изменение их ответа на изменение длины волны, в частности, около представляющей интерес длины волны, уменьшено или минимизировано.
Можно использовать любые подходящие дихроические зеркала. В варианте осуществления с фигуры 2, дихроическое зеркало содержит покрытое BaF2 инфракрасное окно, имеющее оптическое покрытие, нанесенное, чтобы вызвать отражение излучения с длиной волны ниже упомянутой длины волны и пропускание излучения с длиной волны выше упомянутой длины волны. Любые другие подходящие материалы можно использовать в альтернативных вариантах осуществления. В варианте осуществления с фигуры 2, покрытие является таким, чтобы отражать излучение с длиной волны ниже 1 мкм и пропускать излучение с длиной волны выше 1 мкм.
В других вариантах осуществления другие подходящие типы зеркала или оптических устройств можно использовать вместо частично отражающих зеркал и дихроического зеркала. Например, в некоторых вариантах осуществления зеркало, отличное от дихроического зеркала или частично отражающего зеркала, можно использовать в положении дихроического зеркала 34, например, в положении последнего зеркала перед точкой 58. Такое зеркало можно использовать в последнем положении для введения большей мощности в кювету. Это может быть возможным, поскольку или если последнее положение не имеет никаких дополнительных лазеров позади него, так что никаким лазерам нет необходимости проходить через последнее положение. В альтернативных вариантах осуществления, можно использовать любые подходящие число и комбинацию частично отражающих зеркал и дихроических зеркал.
Каждое из частично отражающих зеркал 32 выполнено с возможностью частичного отражения и частичного пропускания излучения, падающего на них. Свойства отражения и пропускания зеркала выбирают так, чтобы направлять пучки лазерного излучения от лазеров 18 по общему оптическому пути. В варианте осуществления с фигуры 2, каждое из частично отражающих зеркал 32 отражает 20% падающего излучения и пропускает 80% падающего излучения от соответствующего одного из лазеров 18. Частично отражающие зеркала 32 могут иметь различные свойства отражения и пропускания в альтернативных вариантах осуществления. Дихроическое зеркало 34 определяют посредством диапазона длины волны отражения и выполняют с возможностью отражения излучения, имеющего длину волны в диапазоне длины волны отражения, и пропускания излучения с длиной волны вне диапазона длины волны отражения. Диапазон длины волны отражения дихроического зеркала 34 выбирают так, чтобы он соответствовал диапазону длины волны шестого лазера 56, так чтобы излучение от шестого лазера 56 отражалось, и излучение от первого до пятого лазеров пропускалось. Зеркала представляют собой плоские или неклинообразные оптические компоненты. Преимущественно, это позволяет системе работать перпендикулярным образом. Например, система имеет такое геометрическое расположение, что направление распространения от первого зеркала 36 до дихроического зеркала 34 является практически перпендикулярным выходу пучков лазерного излучения из лазеров 18.
-1
Другим преимуществом использования плоских или неклинообразных оптических компонентов в вариантах осуществления является то, что направление пучков лазерного излучения на общий оптический путь может являться практически независимым от длины волны, например, так что любые эффекты дисторсии или другие артефакты, вызванные оптическими компонентами, могут являться практически независимыми от длины волны. Однако использование зеркал может вызывать подвергание полученного оптического сигнала эффектам полос интерференции. Эти эффекты можно уменьшать посредством выбора измерений, в частности, толщины, оптических компонентов для контроля области свободной дисперсии системы. Область свободной дисперсии является мерой различия длины волны между двумя последовательными максимумами или минимумами. Как правило, подходящая толщина оптических компонентов составляет менее 1 мм. Этот выбор обеспечивает в худшем случае область свободной дисперсии 4 см или более. Посредством контроля области свободной дисперсии, частоту, при которой возникают краевые эффекты, можно сдвигать так, чтобы не происходило совмещения и/или помех применительно к измерению соединений в кювете для образца 10.
Область свободной дисперсии этого диапазона обеспечивает спектральное окно, сходное по ширине со спектральным окном, покрываемым полным сканированием лазерного луча. Ожидаемым эффектом является искривление фона лазерного импульса. Этот фон можно легко удалять с использованием алгоритмов подбора спектров в качестве части обработки сигналов. Дополнительных краевых эффектов избегают в направляющих оптических компонентах 22 в сенсорном приборе 12 и в оптике, используемой для направления излучения в кювету для образца 10, посредством использования не плоских или клинообразных оптических компонентов.
Каждый лазер на фигуре 2 имеет соответствующее зеркало, принадлежащее к набору из пяти частично отражающих зеркал 32 и одному дихроическому зеркалу 34. В процессе работы пучок лазерного излучения от первого лазера 46 проходит к первому зеркалу 36 и затем от первого зеркала 36 до точки 58. Первое зеркало 36 повернуто так, что пучок лазерного излучения от первого лазера 46 отражается под правильным углом от первого зеркала 36. Подобным образом, каждый из второго - пятого лазеров имеет соответствующий оптический путь, определенный посредством второго - пятого зеркал. Шестой оптический путь определен таким же образом от шестого лазера 56 до дихроического зеркала 34 и до точки 58. Все из этих зеркал расположены с поворотом на такой же угол, что и первое зеркало 36 так, что каждый из оптических путей отклоняется под правильным углом в точке его пересечения с соответствующим ему зеркалом.
Зеркала расположены так, что пучки лазерного излучения от лазеров 46, 48, 50, 52, 54, 56 проходят по общему оптическому пути до кюветы 10 через точку 58 после отражения от соответствующих им оптических компонентов 36, 38, 40, 42, 44, 34. Общий оптический путь может, например, иметь один конец на первом зеркале 36 и второй конец на входном отверстии 84 в кювету для образца 10, и может простираться через точку 58, и будучи направленными для прохождения по общему оптическому пути, оптические пути от каждого соответствующего лазера присоединяются к общему оптическому пути. Таким образом, оптические пути от каждого лазера могут значительно перекрываться.
В процессе работы, лазеры 18 управляются управляющим модулем 26 или другим управляющим компонентом в других вариантах осуществления для последовательного образования импульсов. Последовательность может быть следующей. Первый лазер 46 выдает первый импульс, который направляется в точку 58 оптическим компонентом и проходит далее в кювету для образца 10. Затем второй лазер 48 выдает второй импульс, который направляется в точку 58 посредством оптических компонентов и проходит далее в кювету для образца 10. За этим следует, в свою очередь, третий импульс, выданный третьим лазером 50, который направляется в точку 58 посредством оптических компонентов и проходит далее в кювету для образца 10, четвертый импульс, выданный четвертым лазером 52, который направляется в точку 58 посредством оптических компонентов и проходит далее в кювету для образца 10, пятый импульс, выданный пятым лазером 54, который направляется в точку 58 посредством оптических компонентов и проходит далее в кювету для образца 10, и шестой импульс, выданный шестым лазером 56, который направляется в точку 58 посредством оптических компонентов и проходит далее в кювету для образца 10. После шестого импульса, эта последовательность повторяется. Импульсные пучки от каждого из лазеров являются чередующимися и/или не перекрывающимися по времени и распространяются по общему пути к кювете для образца 10
После вышеуказанной последовательности, первый импульс падает на первое зеркало 36 и отражается от него, а затем пропускается через второе, третье, четвертое, пятое и дихроическое зеркало 34 до точки 58, и продолжает движение до кюветы для образца 10 и детекторного прибора 24. Затем, второй импульс падает на второе зеркало 38 и отражается от него, и затем пропускается через третье, четвертое, пятое и дихроическое зеркало 34 до точки 58, и далее до кюветы для образца 10 и детекторного прибора 24. Затем, третий импульс падает на третье зеркало 40 и отражается от него, и затем пропускается через четвертое, пятое и дихроическое зеркало 34 до точки 58, и далее до кюветы для образца 10 и детекторного прибора 24. Затем, четвертый импульс падает на четвертое зеркало 42 и отражается от него, и затем пропускается через пятое зеркало 44 и дихроическое зеркало 34 до точки 58, и далее до кюветы для образца 10 и детекторного прибора 24. Затем, пятый импульс падает на пятое зеркало 44 и отражается от него, и затем пропускается через дихроическое зеркало 34 до точки 58, и далее до кюветы для образца 10 и детекторного прибора 24. Последним импульсом в последовательности является шестой импульс, и этот импульс падает на дихроическое зеркало 34 и отражается от него до точки 58 и далее до кюветы для образца 10 и детекторного прибора 24. Затем последовательность импульсов повторяется.
Импульсы распространяются через кювету для образца 10 до сенсорного прибора 12. Направляющие оптические компоненты 22 в сенсорном приборе 12 направляют излучение (происходящее из первого - пятого лазеров) из кюветы к первому детектору, являющемуся чувствительным к излучению от первого - пятого лазеров. Таким образом, в этом варианте осуществления один из детекторов является чувствительным к излучению от более чем одного из лазеров. Направляющие оптические компоненты 22 в сенсорном приборе 12 направляют излучение (происходящее из шестого лазера) из кюветы ко второму детектору, являющемуся чувствительным к излучению от шестого лазера 56. Направляющие оптические компоненты 22 включают второе дихроическое зеркало для направления излучения от шестого лазера 56 к второму детектору и для направления излучения от первого - пятого лазеров к первому детектору. Оптические свойства второго дихроического зеркала могут совпадать со свойствами дихроического зеркала 34 из лазерного модуля 14. Направляющие оптические компоненты 22 включают отдельные внеосевые параболические зеркала для фокусировки двух различных линий излучения на двух детекторах. Управляющий модуль синхронизирует действие лазеров и первого и второго детекторов, так что каждый из сигналов детектирования соответствует излучению, принятому от соответствующего одного из лазеров.
Лазеры 18 с фигуры 1 представляют собой полупроводниковые диодные лазеры, выполненные с возможностью выдавать излучение в пределах поддиапазона длины волны. Лазеры могут представлять собой квантовые каскадные лазеры, например, импульсные квантовые каскадные лазеры с линейной частотной модуляцией, хотя любые другие подходящие типы лазеров можно использовать в альтернативных вариантах осуществления. Лазеры могут, например, выдавать пучки диаметром 2-3 мм или любого другого подходящего размера.
Поддиапазоны длин волн могут находиться в инфракрасном спектре. Диапазоны длин волн выбирают для соответствия измерению одного или более соединений. В совокупности устройство может предоставлять множество диапазонов длин волн излучения и объединяет, например, видимые, ближнее инфракрасное и/или среднее инфракрасное излучение для получения преимуществ наиболее подходящей длины волны для каждого соединения. В таблице 1 показан пример осуществления диапазонов длины волны для лазеров 18, соответствующий диапазон волновых чисел и соответствующее соединение, детектируемое посредством излучения в этом диапазоне длин волн:
Лазер
Диапазон длин волн (мкм)
Диапазон волновых чисел (см<sup>-1</sup>)
Детектируемые соединения
1
5,2632-5,2356
1900-1910
Оксид азота (NO), вода (H2O)
2
6,1538-6,1162
1625-1635
Диоксид азота (NO2)
3
4,4742-4,4743
2225-2235
Монооксид углерода (CO), диоксид углерода (CO2)
4
7,4627-7,4349
1340-1345
Метан (CH4), диоксид серы (SO2)
5
10,0-10,2
980-1000
Аммиак (NH3), ацетилен (C2H2)
6
0,7605-0,7599
13150-13160
Кислород (O2)
Таблица 1
Тщательный подбор диапазонов длин волн лазеров позволяет множественные измерения при длине волны лазера. Как можно видеть в таблице 1, диапазоны длин волн первых пяти лазеров имеют одинаковый порядок величины. Однако, диапазон длины волны шестого лазера для детектирования кислорода на порядок меньше. Первый и второй детекторы выбирают для детектирования излучения в диапазоне длин волн первого - пятого лазера или в диапазоне длины волны шестого лазера, соответственно.
Управляющий модуль 26 выполнен с возможностью посылать один или более электронных управляющих сигналов к лазерам 18. В ответ на электронные управляющие сигналы лазеры 18 выдают объединенный пучок лазерного излучения 30. Управляющий сигнал действует для последовательного получения импульсов лазеров 18. Иными словами, управляющий сигнал действует для задействования каждого из лазеров 18 в такой последовательности, что в интервале времени замера только излучение от одного лазера подается к оптическим компонентам 20. Оптические компоненты 20 выполнены с возможностью направления излучения от каждого лазера по оптическому пути лазера, чтобы следовать общему пути до кюветы для образца 10. Таким образом, управляющий модуль 26 управляет лазерным модулем 14 для получения объединенного пучка лазерного излучения 30 и подачи объединенного пучка лазерного излучения 30 в кювету для образца 10.
Частоту переключения между лазерами выбирают для обеспечения надежного измерения в сенсорном приборе 12. В частности, время, потраченное импульсом излучения на прохождение своего оптического пути в кювете для образца, зависит от физических свойств импульса и измерений кюветы для образца 10. Если излучение от более, чем одного лазера падает на кювету для образца 10 в течение интервала времени замера, тогда может возникать интерференция, приводящая к ненадежному измерению. Таким образом, длиной импульсов и частотой последующих лазерных импульсов управляют и выбирают с учетом времени, потраченного излучением на прохождение своего оптического пути в кювете для образца, чтобы убедиться, что излучение только от одного лазера присутствует внутри кюветы для образца 10 в течение интервала времени замера. Подходящая длительность импульсов для импульсов от лазеров 18 может составлять между 100 наносекунд и 5000 наносекунд. Частота последовательных импульсов может составлять вплоть до 100 кГц в некоторых вариантах осуществления.
Сигнальный процессор 28 обрабатывает сигналы детектирования от детекторов для определения концентраций и/или относительных количеств различных исследуемых соединений или для определения любых других требуемых свойств. В сигнальном процессоре 28 используют любые известные способы обработки для определения концентраций, относительных количеств или других свойств.
Можно предусмотреть также механизм для калибровки. Пример устройства для калибровки включает камеру и механизм для регулировки зеркала. Камеру располагают в точке 58 или около нее для пересечения требуемого направления распространения объединенного пучка лазерного излучения 30. Требуемое направление распространения является таким, что объединенный пучок лазерного излучения 30, при нормальном функционировании будет входить в кювету для образца 10 через общий оптический путь. Во время этапа калибровки пробные пучки получают посредством лазеров 18 и пробные пучки направляют посредством оптических компонентов 20 в камеру. Камера детектирует положение пробных пучков, падающих на нее, относительно требуемого направления распространения. Механизм для регулировки зеркала регулирует положение, в частности, расположение под углом, относительно направления распространения, частично отражающих зеркал 32 и дихроического зеркала 34, чтобы в основном выставлять оптические пути лазеров 18 с требуемым направлением распространения и в основном выставлять оптические пути друг с другом. Например, оптические пути в основном выставляют с погрешностью 1,1°. Этап калибровки повторяют для каждого из лазеров 18.
Фигура 3 представляет собой перспективный вид корпуса системы лазерной спектроскопии. Корпус имеет верхнюю секцию 60 и нижнюю секцию 62. Верхняя секция 60 имеет съемную крышку 64, которую закрепляют в закрытом положении посредством первого и второго расцепляющего механизма 66. Кювета для образца 10 находится в верхней секции 60 корпуса. Узел подачи газа в форме трубки для подачи образца 68 подает газ в кювету для образца. Трубка для возврата образца 70 обеспечивает выход газа из кюветы для образца. Вентиляцию кюветы для образца обеспечивают посредством вентиляционного отверстия 72 в верхней секции 60. Нижняя секция 62 имеет дисплей пользовательского ввода для локального оператора 74 и дисплей для управления продувкой 76. В варианте осуществления с фигуры 3, дисплей пользовательского ввода предназначен для взаимодействия с анализатором и визуальной связи с измерениями и статусом. Некоторое техническое обслуживание обеспечивают посредством дисплея пользовательского ввода в этом варианте осуществления, однако его основной целью является связь между измеряемыми значениями и статусом.
Дисплей для управления продувкой 76 из варианта осуществления с фигуры 3 используют для управления продувкой внутреннего пространства воздухом. Это может являться требованием для установки оборудования в опасной зоне, когда необходимо предпринимать шаги для предотвращения пожарной опасности. В этом случае продувка воздухом, управляемая посредством дисплея для управления продувкой 76, обеспечивает, например, постоянно обеспечивает, внутреннее пространство или корпус системы свежим воздухом для предотвращения образования взрывоопасной среды.
К нижней секции 62 присоединена также разводка из трех труб 78. Разводка обеспечивает разрывы электрической цепи, позволяющие посылать питание и управляющие сигналы в систему и позволяющие передавать данные из системы. Передаваемые данные могут, например, находиться в форме цифровых сигналов, сигналов цифрового здравоохранения, аналоговых сигналов, например, сигналов 4-20 мА, показывающих измеренные уровни газов, в форме более сложных протоколов, таких как Modbus, или в любом другом подходящем формате. Расположение, описанное выше, обеспечивает компактную систему. В некоторых вариантах осуществления, корпус может иметь длину около 550 см, верхняя секция может иметь высоту около 200 см, и нижняя секция может иметь высоту около 370 см.
в месте нахождения
Трубка для подачи образца 68 и трубка для возврата образца 70 обеспечивает путь с проточным соединением через кювету для образца. Образец газа можно собирать в удаленном расположении и можно доставлять через трубку для подачи образца 68 в кювету для образца, подлежащую измерению. Затем образец газа можно выпускать из кюветы для образца через трубку для возврата образца 70. Совместно, трубка для подачи образца 68 и трубка для возврата образца 70 позволяют удаленное управление устройством, в отличие от восприятия выбросов . Любой другой подходящий узел подачи можно использовать в альтернативных вариантах осуществления.
Блок системы обработки образцов (SHS) (не показан) может быть предусмотрен для управления давлением газа в кювете для образца 10. Можно использовать любой подходящий блок SHS или другое устройство для управления давлением, которые могут содержать или не содержать насос или могут приводиться им в действие и могут содержать или не содержать другие компоненты для управления давлением, такие как узел клапанов. В варианте осуществления с фигуры 3, блок SHS включает аспиратор вместо насоса, хотя насос или другие устройства или компоненты для управления давлением можно использовать в других вариантах осуществления.
Кроме того, корпус содержит по меньшей мере один поглощающий компонент для поглощения излучения лазера, не направленного по общему пути в кювету для образца 10. Упомянутый по меньшей мере один поглощающий компонент может содержать дополнительные оптические компоненты, например, клиновидные оптические компоненты.
На фигуре 4 более подробно показана кювета для образца 10 из варианта осуществления с фигуры 1. Кювета содержит первый отражающий элемент 80, второй отражающий элемент 82, входное отверстие 84 и выходное отверстие 86. Входное отверстие 84 имеет достаточно большой диаметр, чтобы позволять вход пучка лазерного излучения. Например, пучок лазерного излучения может иметь диаметр 2-3 мм. Отражающие элементы могут представлять собой параболические зеркала. Первый отражающий элемент 80 и второй отражающий элемент 82 расположены напротив друг друга и разнесены на длину боковой стороны. Центральная ось простирается между центральной точкой первого отражающего элемента 80 и центральной точкой второго отражающего элемента 82 по длине боковой стороны. Входное отверстие 84 расположено в первом отражающем элементе 80, и выходное отверстие 86 расположено во втором отражающем элементе 82. Это расположение отличается от стандартной кюветы Эррио, причем только одно отверстие, обеспечивающее вход и выход, представлено в одном отражающем элементе. Кювета для образца с фигуры 4 позволяет разнесенное в пространстве расположение входных оптических элементов и выходных оптических элементов на противоположных сторонах кюветы. Преимущественным образом, это может уменьшать общий объем системы и может увеличивать простоту доступа для обслуживания и изготовления. Разнесение лазеров с одной стороны кюветы и детекторов с другой стороны может обеспечивать упрощенное расположение, и может требовать менее сложного расположения направляющей оптики или других компонентов внутри корпуса системы.
Выходное отверстие 86 расположено так, что излучение, входящее в кювету через входное отверстие 84, не распространяется напрямую к выходному отверстию, 86 но вместо этого, отражается по меньшей мере один раз от второго отражающего элемента 82 до достижения выходного отверстия 86. Излучение, отраженное от второго отражающего элемента 82, будет отражаться по меньшей мере один раз от первого отражающего элемента 80 до достижения выходного отверстия 86. Положение выходного отверстия 86, таким образом, задает число отражений между первым и вторым отражающим элементом, полученных излучением до выхода из кюветы, и таким образом, длину пути излучения в кювете.
Кювета для образца имеет регулирующий механизм для движения второго отражающего элемента 82 относительно первого отражающего элемента 80 (или наоборот) и таким образом, движения выходного отверстия 86 относительно входного отверстия 84, изменяя посредством этого длину пути в кювете для образца. В одном варианте осуществления регулирующий механизм содержит механизм для поступательного перемещения, выполненный с возможность поступательного перемещения второго отражающего элемента 82 относительно первого отражающего элемента 80 в направлении центральной оси. Посредством поступательного перемещения второго отражающего элемента 82 длину оптического пути в кювете можно изменять, поскольку число отражений зависит от длины боковой стороны между двумя противоположными отражающими элементами.
Второй вариант осуществления регулирующего механизма содержит вращающий механизм, выполненный с возможностью вращения второго отражающего элемента 82 относительно первого отражающего элемента 80. Вращение осуществляют вокруг центральной оси. Вращение второго отражающего элемента 82 изменяет положение выходного отверстия 86 относительно центральной точки второго отражающего элемента 82. Длину пути для оптического пути в кювете для образца можно легко изменить с дискретными интервалами расстояния посредством вращения второго отражающего элемента 82. Например, длину пути можно изменять ступенями по 40 см вплоть до всего 5 метров. Регулирующий механизм, упомянутый в любом из первого или второго вариантов осуществления, может содержать любую подходящую комбинацию механических компонентов и/или электрических компонентов, и/или электромеханических компонентов, и/или один или более приводов.
Фигура 5 представляет собой вид второго отражающего элемента 82 из второго варианта осуществления кюветы для образца. На фигуре 5 показана внутренняя поверхность второго отражающего элемента 82, показанная вдоль центральной оси кюветы для образца. Центральная ось проходит через центральную точку 88 второго отражающего элемента 82. Как можно видеть, второй отражающий элемент 82 имеет вращательную симметрию вокруг центральной оси. Вокруг периферии второго отражающего элемента 82 находится множество точек отражения 90. На фигуре 5, второй отражающий элемент 82, показанный вдоль центральной оси, является круговым и имеет 12 точек отражения. Каждая точка отражения в этом варианте осуществления находится практически на одинаковом радиальном расстоянии от центральной точки 88, хотя любое альтернативное расположение точек отражения можно предоставлять в альтернативных вариантах осуществления. Угол 30 в центральной точке 88 разносит каждую последующую точку отражения в варианте осуществления с фигуры 5.
На фигуре 5 показано также выходное отверстие 86 второго отражающего элемента 82 на радиусе отверстия из центральной точки 88. На фигуре 5 показаны также два альтернативных сдвинутых положения выходного отверстия 86: первое сдвинутое положение 92 и второе сдвинутое положение 94. Первое сдвинутое положение 92 находится под углом 30 градусов от положения выходного отверстия 86, и второе сдвинутое положение 94 находится под углом 60 градусов от положения выходного отверстия 86. Хотя показаны только два альтернативных сдвинутых положения, каждая из множества точек отражения 90 обеспечивает возможное сдвинутое положение для выходного отверстия 86, как описано ниже.
В процессе работы излучение, введенное в кювету для образца через входное отверстие 84 первого отражающего элемента 80, падает на второй отражающий элемент 82 в первой точке отражения из множества точек отражения 90 и отражается от второго отражающего элемента 82 в указанной первой точке отражения. Отраженное излучение проходит обратно к первому отражающему элементу 80 и таким образом, падает на него, где он опять отражается и возвращается ко второму отражающему элементу 82. излучения от первого отражающего элемента 80 ко второму отражающему элементу 82 и обратно к первому отражающему элементу 80 определяет один проход излучения в кювете для образца. Как правило, излучение, введенное в кювету для образца, осуществляет более одного прохода до выхода через выходное отверстие 86 второго отражающего элемента 82. Каждый последующий проход проходит через другую точку отражения из множества точек отражения 90 на втором отражающем элементе 82.
Кювета для образца, таким образом, имеет присущую ей картину излучения, определяемую физическими свойствами отражающих элементов и физическими измерениями кюветы. Можно получать другие картины излучения, и таким образом, другое расположение и/или число точек отражения можно получать посредством изменения физических свойств кюветы для образца, например, посредством изменения физических измерений отражающего элемента или длины по боковой стороне между отражающими элементами. Путь излучения между входным отверстием 84 и выходным отверстием 86 можно характеризовать посредством подгруппы точек отражения 90, через которые излучение проходит на пути между отверстиями. Расположение выходного отверстия 86 над одной из точек отражения, таким образом, определяет путь излучения. Каждый дополнительный проход излучения добавляет расстояние к общей длине пути в кювете для образца. Например, показано, что расстояние, которое излучение проходит между первым и вторым отражающими элементами, составляет 20 см, и таким образом длина пути составляет 40 см.
Как описано выше, второй вариант осуществления регулирующего механизма включает вращающий механизм, выполненный с возможностью вращения второго отражающего элемента 82 относительно первого отражающего элемента 80. Это вращение вызывает вращение выходного отверстия 86. Второй отражающий элемент 82 можно вращать так, что выходное отверстие 86 перекрывает любую из множества точек отражения 90. В качестве неограничивающего примера, выходное отверстие 86 может находиться в первом сдвинутом положении 92 или втором сдвинутом положении 94. Путь излучения между входным отверстием 84 и выходным отверстием в первом сдвинутом положении 92 содержит дополнительную длину пути относительно пути излучения между входным отверстием 84 и выходным отверстием в первом сдвинутом положении 92. Таким образом, вращающий механизм может устанавливать путь излучения и таким образом, длину пути для излучения, введенного в кювету для образца.
Варианты осуществления кюветы для образца, описанные применительно к фигуре 4 и фигуре 5, не являются ограниченными использованием в установке с множеством лазеров. Кювету для образца можно также использовать в различных оптических конфигурациях. Например, кювету для образца можно использовать вместе с использованием одиночного лазера или другого источника излучения, вместо схемы расположения с множеством лазеров с фигур 1 и 2. В такой установке, одиночный источник излучения расположен таким образом, что излучение, образованное источником, входит во входное отверстие 84 кюветы и выходит через выходное отверстие 86. В некоторых альтернативных вариантах осуществления лазерный модуль 14 из системы с фигуры 1 заменяют на лазерный модуль или другой источник лазерного излучения, который имеет одиночный лазер для подачи пучка лазерного излучения в кювету 10 вместо множества лазеров. Другие компоненты могут являться по существу такими же, как компоненты системы с фигуры 1 в некоторых таких альтернативных вариантах осуществления. Дополнительные оптические компоненты можно предоставлять в некоторых вариантах осуществления для направления излучения в кювету для образца и из нее, и/или к фотодетектору.
Специалисту в данной области понятно, что возможны изменения описанных вариантов осуществления без отклонения от объема заявленного изобретения. Например, в то время как обсуждается, что управляющий модуль в контроллере используют для получения последовательных импульсов на выходе из лазеров, позволяя получение объединенного пучка, можно использовать также другие конструкции контроллеров. Одной из альтернатив является узел механического оптического переключения, который физически контролирует излучение лазера так, что только один лазер подает излучение к оптическим компонентам на протяжении данного интервала времени. В качестве другого примера описанные лазеры представляют собой полупроводниковые диодные лазеры, действующие в некотором диапазоне длины волны. Однако лазеры могут представлять собой любой подходящий источник излучения, способный обеспечивать походящие длины волны излучения. Кроме того, лазеры могут иметь одну длину волны. Другим примером модификации является замена внеосевых параболических зеркал на любую подходящую конструкцию для фокусировки. Соответственно, приведенное выше описание конкретных вариантов осуществления сделано только в качестве примера, а не с целью ограничения. Специалисту в данной области понятно, что можно выполнять незначительные модификации без значительных изменений описанных операций.