DE2225319A1 - Strahlungsanalysator - Google Patents
StrahlungsanalysatorInfo
- Publication number
- DE2225319A1 DE2225319A1 DE19722225319 DE2225319A DE2225319A1 DE 2225319 A1 DE2225319 A1 DE 2225319A1 DE 19722225319 DE19722225319 DE 19722225319 DE 2225319 A DE2225319 A DE 2225319A DE 2225319 A1 DE2225319 A1 DE 2225319A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- analyzer according
- sample
- radiation
- detector
- rays
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000005855 radiation Effects 0.000 title claims description 61
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 18
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 17
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 claims description 17
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 16
- 230000002745 absorbent Effects 0.000 claims description 15
- 239000002250 absorbent Substances 0.000 claims description 15
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims description 8
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 6
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 53
- 238000000295 emission spectrum Methods 0.000 description 21
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 20
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 19
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 11
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 10
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
- 229910000673 Indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 7
- RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N indium arsenide Chemical compound [In]#[As] RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 6
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 6
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 5
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 4
- YBNMDCCMCLUHBL-UHFFFAOYSA-N (2,5-dioxopyrrolidin-1-yl) 4-pyren-1-ylbutanoate Chemical compound C=1C=C(C2=C34)C=CC3=CC=CC4=CC=C2C=1CCCC(=O)ON1C(=O)CCC1=O YBNMDCCMCLUHBL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 3
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 3
- WPYVAWXEWQSOGY-UHFFFAOYSA-N indium antimonide Chemical compound [Sb]#[In] WPYVAWXEWQSOGY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 2
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 2
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 2
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 2
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 2
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 206010073306 Exposure to radiation Diseases 0.000 description 1
- 235000010044 Hernandia moerenhoutiana Nutrition 0.000 description 1
- 244000084296 Hernandia moerenhoutiana Species 0.000 description 1
- 229910000661 Mercury cadmium telluride Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001245 Sb alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 235000011089 carbon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000006735 deficit Effects 0.000 description 1
- 239000003085 diluting agent Substances 0.000 description 1
- 229940079593 drug Drugs 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 238000004868 gas analysis Methods 0.000 description 1
- 238000002329 infrared spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004177 patent blue V Substances 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 229910002059 quaternary alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005316 response function Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
- 229910002058 ternary alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001429 visible spectrum Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
- G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Description
Hewlett-Packard Comp. ·
1501 Page Mill Road
Palo Alto
California 94304
USA ·
Case 649 , 19. Mai 1972
STRAHLUNGSANALYSATOR
Die Erfindung betrifft einen nichtdispersiven, optischen Strahlungsanalysator zum Messen der Konzentration eines
speziellen Absorptionsmittels in einer Probe.
Nichtdispersive, mit Infrarotstrahlung arbeitende Gasanalysatoren,
d.h. Geräte, die kein optisches Beugungselement wie ein Prisma oder ein Gitter benötigen, um eine
Strahlung entsprechend der Wellenlänge der Strahlungskomponenten räumlich zu zerlegen, werden zur Zeit häufig,
insbesondere zur Festeilung und Messung von Verunreinigungen in Gasen verwendet. Diese Geräte lassen sich grob in zwei
Gruppen einteilen, und zwar in solche Geräte, welche eine selektive Detektorstufe benutzen und solche, welche eine
selektive Emissionsquelle benutzen. Es lassen sich Untergruppen bilden, je nachdem ob es sich um eine Vorrichtung
mit räumlicher oder zeitlicher Doppelstrahlbildung handelt.
Am häufigsten wird ein Gerät mit räumlicher Doppelstrahl-,
bildung verwendet, das einen selektiven Detektor mit einem
209851/1050
kompensierten Kondensatormikrophon, d.h. einen mit Gas oder Dampf gefüllten Detektor mit zwei durch eine bewegliche
Membran getrennten Hohlräume aufweist.
Eine vollständige Beschreibung dieser Art von Analysator
sowie andererähnlicher Geräte istdem Aufsatz "Non-Dispersive
Infrared Gas Analysis in Science, Medicine and Industry" d.W. Hill und T. Powell, 1968, Plenum Press of New York,
New York, zu entnehmen.
Die üblichen nichtdispersiven mit Infrarotstrahlung arbeitenden Gasanalysatoren sind sperrig, arbeiten langsam und
sind in mechanischer Hinsicht anfällig. Der langsame Betrieb und die mechanische Störanfälligkeit gehen hauptsächlich
darauf zurück, daß solche Geräte mechanische Einrichtungen, beispielsweise durch Motoren getriebene rotierende Zerhackerscheiben
aufweisen, um die infrarote Strahlung der Quelle zu modulieren. Die Bewegung der Mikrophon-Membran
im Detektor trägt auch zu diesen unerwünschten Eigenschaften bei.
Ein weiteres Problem derartiger Analysatoren besteht in ihrer hohen Anfälligkeit für spektrale Störungen zwischen
den Absorptionsspektren der Moleküle, von denen die Konzentration gemessen werden soll, sowie der Spektren der
Verdünnungsmittel oder der zufälligerweise vorhandenen Gase und Dämpfe. Um diese Schwierigkeiten zu mildern,
209851 / 1050
wurde große Sorgfalt auf den Bau sehr selektiver Formen
von Detektoren, Quellen, Filtern und Kombinationen dieser Elemente gelegt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mit infraroter Strahlung arbeitenden nichtdispersiven Gasanalysator
bzw. ein Konzentrationsmeßgerät zu schaffen, welcher keinerlei mechanisch bewegliche Teile aufweist und bezüglich
der Selektivität, Genauigkeit, Empfindlichkeit, Geschwindigkeit, Größe, des Gewichtes, der Leistung und der Stabilität
die herkömmlichen Instrumente übertrifft.
Ausgehend von einem Strahlungsanalysator der eingangs genannten
Gattung wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein optoelektronisches Netzwerk mit zwei optischen
Zweigen, eine Einrichtung zur Abgabe eines Paares optischer durch die Probe gelangender Strahlen und dadurch,
daß in jedem Zweig ein Strahl verläuft und die Strahlen einander ähnliche Spektren haben, der Strahl in dem einen
Zweig durch die Absorptionsprobe anders moduliert ist als der Strahl in dem andern Zweig, eine erste Einrichtung
in dem optoelektronischen Netzwerk die Modulation der Strahlung in dem Zweigpaar beim Durchgang durch die Probe
erfaßt und eine zweite Einrichtung in dem optoelektronischen Netzwerk, die relativen Strählungen in den beiden Zweigen
steuert. Es können erfindungsgemäß Festkörperemissionsquellen,
beispielsweise Injektionsdioden sowie Festkörper-
209851/1050
222S319
Fotodetektoren für die Quelle und die Detektorstufen mit Regelkreisen verwendet werden, um die Beeinträchtigung
durch die Umgebungsbedingungen, insbesondere durch Temperaturschwankungen
und Verunreinigungen herabzusetzen. Es ist erfindungsgemäß im wesentlichen ein optoelektronisches
Netzwerk mit zwei Zweigen vorgesehen, von denen jeder einen getrennten optischen Strahl führt, wobei die beiden
Strahlen nahe verwandte Strahlungsspektren haben. Eines dieser Spektren ist durch das zu untersuchende Absorptionsmittel
beim Durchgang des Strahls durch die Probe anders moduliert als das andere Spektrum. Diese Differenzmodulation
wird in einer Potoleiterstufe des Gerätes erfaßt und es wird daraus eine für.die Konzentration des Absorptionsmittels signifikante Anzeige gebildet. Es ist eine Einrichtung
in dem optoelektronischen Netzwerk vorgesehen, um die relativen Strahlungsflüsse in den beiden Zweigen des Netzwerkes
zu steuern. Weiterhin ist eine Einrichtung vorgesehen, um die Amplitude der Flüsse in den beiden Zweigen
zu steuern.
Die optoelektronischen Zweige werden elektronisch moduliert, beispielsweise im Multiplexverfahren durch zeitliche
Modulation oder Frequenzmodulation, so daß sich eine sehr schnelle Einrichtung ohne die mechanischen Probleme
ergibt, welche mechanische Modulationseinrichtungen, beispielsweise rotierende Zerhaker oder schwingende Schutzgasrelais
mit sich bringen.
209 8 51/1050
■!|lj|i!!f||l||IIS|S!!l!7!lllil"!l"i:!lli.rl iV.»· ■" 'V j1:
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann die Quelle selektiv sein, indem eine Emissionsquelle für die Probe
verwendet wird, die ein Emissionsspektrum hat, welches das Absorptionsspektrum des zu messenden Gases bzw. der Verunreinigung umfaßt, und es kann dabei eine Referenzemissionsquelle mit einem Emissionsspektrum verwendet werden, das das Absorptionsspektrum der Verunreinigung nicht aufweist.
verwendet wird, die ein Emissionsspektrum hat, welches das Absorptionsspektrum des zu messenden Gases bzw. der Verunreinigung umfaßt, und es kann dabei eine Referenzemissionsquelle mit einem Emissionsspektrum verwendet werden, das das Absorptionsspektrum der Verunreinigung nicht aufweist.
Bei einer Ausfuhrungsform ist die Referenzemissionsquelle
unterschiedlich von der Probenemissionsquelle und hat ein Emissionsspektrum, das ähnlich dem Emissionsspektrum der
Probenemissionsquelle jedoch gegenüber diesem verschoben ist. Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind
die beiden Emissionsquellen gleich und das Absorptionsspektrum der Verunreinigung ist in der Referenzemissions—
quelle nicht vorhanden, bevor es durch die Probe gelangt, indem es zuerst durch eine Menge des glejcheri Gases tritt,
wie das zu untersuchende Gas.
Bei einer anderen Ausführungsform ist die Detektorstufe
des Gerätes dadurch selektiv gemacht, daß zwei Fotodetektoren vorgesehen werden, von denen sich je einer in einem Zweig des optoelektronischen Netzwerkes befindet und von denen jeder einen Strahl oder beide Strahlen nach dem Durchgang durch die Probe untersuchen. Dabei dient ein Fotodetektor als Referenzphotodetektor, und der auf diesen.auftreffende Strahl gelangt zunächst durch eine Menge des
des Gerätes dadurch selektiv gemacht, daß zwei Fotodetektoren vorgesehen werden, von denen sich je einer in einem Zweig des optoelektronischen Netzwerkes befindet und von denen jeder einen Strahl oder beide Strahlen nach dem Durchgang durch die Probe untersuchen. Dabei dient ein Fotodetektor als Referenzphotodetektor, und der auf diesen.auftreffende Strahl gelangt zunächst durch eine Menge des
209851/1050
gleichen Gases, wie das zu untersuchende Gas.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert; es stellen
Fig. 1 ein Diagramm eines nichtdispersiven, für infrarote
Strahlung geeigneten Gasanalysators mit einer selektiven Quelle mit verschiedenen Strahlungsemissionsquellen;
Fig. IA Diagramme der Emissionsspektren typischer Dioden
für die Proben- und Referenzemissionsquelle, sowie die spektrale Ausgangsfunktion eines typischen
in der Vorrichtung nach Fig. 1 verwendeten Fotoleiters;
Fig. IB das Emissionsbandenzentrum für InAS Sb bei drei
verschiedenen Betriebstemperaturen;
Fig. 2 ein Zeitfolgediagramm zur Erläuterung des Multiplexverfahrens
der Vorrichtung nach Fig. 1;
Fig. 3 ein Diagramm einer anderen Form einer selektiven Quelle, die in der Vorrichtung nach Fig. 1 verwendet
werden kann;
Fig. 3A Emissionsspektren der beiden in der Vorrichtung nach
Fig. 3 verwendeten Emissionsdioden sowie die spektrale Ausgangsfunktion des Fotoleiters;
Fig. 4 ein Diagramm einer möglichen Ausfuhrungsform der
Quelle und des Detektors nach Fig. 1;
209851/1050
Fig. 5· ein Diagramm einer anderen Ausführungsform eines
nichtdispersiven, infrarote Strahlung verwenden- ■
den Gasanalysators mit einer selektiven Fotodetektorstufe;
Fig. 5A Emissionsspektren der beiden Emitterdioden und
die spektrale Anwortfunktion der beiden in der Vorrichtung nach Fig. 5 verwendeten Detektoren;
Fig. 6 ein Diagramm zur Erläuterung des Multiplexverfahrens
der Vorrichtung nach Fig. 5;
Fig. 7 eine andereAusfuhrungsform einer Quelle und eines
Detektors gemäß Fig. 5;
Fig. 8 ein Diagramm einer weiteren Ausführungsform der Erfindung
zur Analyse von Verunreinigungen bei relativ weiten Entfernungen.
Gemäß Fig. 1 weist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
in dem Abschnitt mit der selektiven Quelle ein Paar Dioden E und E„ zur Emission infraroter Strahlung
auf. Die Probenguelle E gibt ein Strahlungsspektrum ab,
das ein Grundabsorotionsspektrum des ausgewählten zu analysierenden
Gases umgibt. Beispielsweise liegt im Falle eines Analysators für CO -Gas eines der.Basisabsorptionsspektren
des C02-Moleküles bei 4,3 ym,und die meistens
angestrebte Probenquelle E_ liegt auch bei etwa dieser
Frequenz (vgl. Fig. IA). Geeignet ist eine Quelle für
infrarote Strahlung, wie sie beschrieben ist in dem Artikel
209851/1050
"Electroluminescent Properties of InAs1 Sb Alloys",
χ—χ χ
J.Y. Wong et al, Extended Abstracts of the Los Angeles,
May 10-15, 1970, Meetings of the Electrochemical Society Seiten 232-235. Eine Diode aus InAs^ noSb^ _o liegt im
Absorptionsspektrum von CO9 und hat eine Halbwertsbreite
die das Absorptionsband bedeckt.
Die Referenzdiode En hat ein Emissionsspektrum, das um die
Wellenlänge 3,55 ym zentriert ist und nahe dem Emissionsspektrum der Probendiode jedoch von diesem entfernt liegt
und vorzugsweise ergibt sich wenig oder keine Überlappung in den Emissionsspektren. Eine geeignete Referenzquelle
ist eine Diode mit InAs.
Eine Injektionsdiode ist im wesentlichen aus zwei Gründen die bevorzugte Quelle E0, E für diese Vorrichtung. Ihre
Emissxonshalbwertbreite für Strahlungsrekombinationen nahe dem Absorptionsrand des Halbleitermateriales, bei dem die
Rekombination auftritt, ist in der Regel einige kT breit. In Wellenzahlen \j in cm" ausgedrückt^ ergibt 2kT bei 3000K
etwa 200 cm . Bei tieferen Temperaturen ist die Halbwerts^ breite entsprechend proportional kleiner und bei höheren
Temperaturen größer. Diese Halbwertsbreiten haben die gleiche Größe wie die Halbwertsbreite der(Vibrations/Rotations)Absorptionsspektren
der Gasmoleküle (Fig. IA). Wenn sich das Gas nicht auf einer sehr viel höheren Temperatur als die
infrarote Strahlung emittierende Diode befindet, umgibt das
209851 / 1 050
Emissionsspektrum der Diode das AbsorbtionsSpektrum des
Gasmoleküles. . '
Die zweite wünschenswerte Eigenschaft von Strahlung emittierenden Halbleiterdioden ist die chemische Steuerung,
welche erreicht werden kann, indem man das Zentrum des Emissionsbandes sucht. Jede Halbleiterverbindung hat ein
charakteristisches Zentrum des Emissionsbandes,'dessen
Spektrallage durch die Temperatur und den Druck bestimmt ist, bei dem die Diode arbeitet. Dies führt zu einer bedeutenden
Anzahl von Wahlmöglichkeiten über die sichtbaren und infraroten Spektren hinweg. Noch wichtiger ist, daß
eine große Anzahl ternärer und quaternärer Legierungen zwischen den durch die Halbleiterverbindungen dargestellten
endgültigen Zusammensetzungen gebildet werden können. Beispielsweise kann durch die Synthese von Legierungsverbindungen
von InAs1- Sb zwischen den endgültigen Verbindungen
InAs und InSb der Absorptionsrand irgendwo zwischen 3 und 12 ym im infraroten Bereich gesetzt werden.
Aus der vorgenannten Vorveröffentlichung geht hervor, daß
Dioden mit Emissionsspektren hergestellt worden sind, die in dem Intervall zwischen 3,2 und 5,1 pm zentriert sind.
Eine Legierung mit 8 % InSb und 92 % InAs ergibt eine Diodenemission, die in dem Absorptionsband von C0_ zentriert
ist, wenn die Diode bei 300 K, d.h. bei Raumtemperatur be-
209851 /1050
trieben wird, wie aus Fig. IB hervorgeht. Wenn die Dioden
bei der Temperatur von Trockeneis oder flüssigem Stickstoff betrieben werden, werden Legierungszusammensetzungen
zwischen 13 bzw. 18 % InSb gewählt.
Beide Dioden sind derart angeordnet, daß ein Teil der Strahlung von jeder Diode auf einen "balance"-Detektor
D_, beispielsweise einen PbSe-Fotoleiter auftrifft, der
vor der zu untersuchenden Probe angeordnet ist. Diese Probe ist durch einen Pfeil in der für Licht transparenten Leitung
oder Kammer 11 dargestellt. Ein anderer Anteil des Lichtes von jeder Emitterdiode gelangt durch das Probengas und
fällt auf einen Probendetektor Dc, beispielsweise einen
PbSe-Fotoleiter auf, der sich auf der entfernten Seite der Leitung 11 befindet.
Bei der Auswahl der PbSe-Fotoleiter ist es wichtig, daß sie
nahezu identische Ausgangspektren über den ganzen Bereich des Spektrums haben, in dem die Dioden E_ und E emittieren.
Noch wichtiger ist, daß abgesehen von der Größe der Ausgangsspektren, diese sich über den ganzen Spektralbereich unter
ändernden Umgebungs- und Betriebsbedingungen gleichartig verändern. Bei der Auswahl eines geeigneten Fotodetektors
muß auf die Spektralposition des AbsQrptionsrandes des Halbleitermater iales geachtet werden, aus dem der Detektor hergestellt
ist. Diese Position bestimmt die Grenzwellenlänge
209851 / 1 050
für langwellige Strahlung des Fotodetektors und sollte
derart gewählt werden, daß die Ausgangsfunktion des Fotodetektors
die Emissionsspektren beider Emissionsdiode!! E,_ und E 131Af aßt, Wie im Emissionsfall ist die spektrale
Position des Absorptionsrandes eine Funktion der Temperatur, Im Fall von i»bSe hat der Temperaturkoeffizient der
Lage des Absorptionsrandes das entgegengesetzte Vorzeichen wie die InAsSb Legierungen. Dies setzt eine obere Grenze
für die Betriebstemperatur der hier beschriebenen Ausführungsform bei etwa 40°C.
Andere Detektoren können verwendet werden,beispielsweise
Legierungen aus HgCdTe und auch aus InAsSb, falls sie den obigen Bedingungen genügen. Ihre Zusammensetzung sollte
derart ausgewählt sein, daß sie eine Absorptionsgrenze bei einer größeren Wellenlänge als der Absorptionsrand
der Emissionsquellen haben. Auch andere Fotodetektoren, beispielsweise Fotovolta- oder fotoelektromagnetische
Fotodetektoren können verwendet werden.
Diese Halbleiterquellen und Detektoren sind sehr selektiv und auch bezüglich Temperatur und Druck sehr empfindlich,
beispielsweise sind die Amplitude, die Halbwertsbreite und die Spektrallage derartiger Emissionsquellen temperaturabhängig.
Die hier beschriebenen Vorrichtungen kompensieren diese Einflüsse.
2 0 9 8 5 1/10 5 0
In Betrieb betätigt eine Multiplex- oder Taktgeberschaltung
10 die Schalter Sl bis S8 gemäß Fig. 2 erneut bei jedem Zyklus, der vier Intervalle aufweist. Während des größten
Teiles des Intervalles A wird die Referenz-Emissionsdiode E„ gespeist und es folgt ein dunkles Intervall S, B, C
und D. Die Proben-Emissionsdiode E„ wird in einem Intervall'
C gespeist, und es folgt ein dunkles Intervall in den Zeiträumen D, A und B. Das angegebene Tastverhältnis von
etwasweniger als 25 % ist jedoch nur beispielshalber zu verstehen.
Während des Intervalles A sind die Schalter Sl bis S4 geschlossen und die Referenzdiode E wird gespeist und ihre
Strahlung betätigt den ( balance) Detektor D_ und den
Signaldetektor D . Das Ausgangssignal des Detektors D
D D
wird im Verstärker 32 verstärkt und im Kondensator Cl gespeichert,
und dieser Kondensator.speichert bis zu dem Wert, der durch den Ausgang des Detektors Dn und damit
durch die Intensität der Strahlung von der Emissionsdiode E bestimmt ist.
Während des folgenden Intervalles B ist die Referenzemissionsdiode
E abgeschaltet und der Detektor D ist dem
R B ■
Strahlungspegel "dunkel" ausgesetzt. Jedes Detektoraus- . gangssignal während dieses dunklen Intervalles lädt auch
den .Kondensator Cl, so daß die Ladung auf dem Kondensator
209851 /1050
Cl der Durchschnittswert des Verstärkerausganges während der Einschaltzeit der Referenzemissionsquelle E1, und der
folgenden dunklen Periode ist. Diese Durchschnittsladung des Kondensators Cl ist während der folgenden zwei Perioden
C und D gespeichert, wenn der Schalter S2 geöffnet ist.
Während der Periode C sind die Schalter S6, S7 und S8 geschlossen,
und der Schalter S6 schließt den Schaltkreis zur Speisung der Diode E_. Das auf den Detektor D während
S . B
dieser Periode auftreffende Licht ruft ein Ausgangssignal
hervor, das proportional der Lichtstärke ist, und eine für dieses Detektorausgangssignal signifikante Ladung wird
dem Kondensator C2 zugeführt. Da dieser Kondensator C2 auch mit dem Detektor Dn während des folgenden dunklen Intervalles
D verbunden ist, wenn der Schalter S6 geöffnet und die Emitterdiode
Ec geöffnet ist, ist die tatsächliche Ladung des Kondensatprs C2 der Durchschnittswert des Ausganges des Verstärkers
12 während der Einschaltzeit der Diode E und des nachfolgenden dunklen Intervalles D. ■
Der Verstärker 13 verstärkt die Wechselspannungskomponente des von den beiden Kondensatoren Cl und C2 während der einen
Hälfte der Taktfrequenz erhaltenen Eingangssignales wegen des Schaltens der beiden Schalter Sl und S2. Diese Wechselspannungskomponente
liegt vor, wenn die beiden Kondensatoren keine gleichen Spannungen gespeichert haben. Falls die auf
jedem der beiden Kondensatoren gespeicherte Spannung nahezu
209851/1050
gleich ist, hat die Eingangsspannung für den Verstärker
eine kleine Wechselspannungskomponente, die sie an den synchronen Detektorschalter Sl weitergibt, der während
der Intervalle A und B geschlossen und während der Intervalle C und D geöffnet ist.
Das Eingangssignal für das Tiefpaßfilter 14 besteht daher aus einer kleinen Gleichspannungskomponente, deren Vorzeichen
davon abhängt, welcher der beiden Kondensatoren Cl und C2 eine hohe Spannung gegenüber dem anderen hat
und die Amplitude hängt von der Spannungsdifferenz der durch die Kondensatoren gespeicherten Spannungen ab. Das
Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 14 wird an den Gleichspannungsverstärker 15 übertragen, der Speisestrom an die
Diode E während der Periode C über den Schalter S6 zuführt. Die Ausgangsspannung des Verstärkers 15 steuert die Intensität
des Lichtes von der Quelle E und führt daher die
Diode E der Referenzdiode E nach, um ein angestrebtes
ο R
Verhältnis der Lichtintensitäten beider Emissionsquellen zu erhalten.
Im Betrieb kann es wünschenswert sein, daß das Verhältnis des Referenzlichtes zu dem von der Probendiode äusgesandten
Licht, das auf den Signaldetektor D auf trifft, wenn in der Leitung kein ausgewähltes Gas vorliegt, eins ist, und daher
kann das Verhältnis der beiden auf den Detektor D_ auftreffenden Lichtstärken so eingestellt werden, daß man
die angestrebte gleiche Intensität am Probendetektor D„
erhält* 209851/1050
Während des Intervalles A, bei dem die Schalter S3 und
S4 geschlossen und die Referenzdiode En gespeist ist, gelangt das Licht von dieser Diode durch die Probenleitung
11 und trifft auf den Detektor D für das Licht der Probe auf. Wie schon angemerkt wurde, liegt das Emissionsspektrum
dieses Lichtes außerhalb des Absorptionsspektrums des ausgewählten
Gases,und die gleiche Lichtintensität fällt auf den Signaldetektor D , unabhängig davon, ob irgendeine
zu untersuchende Gasirtenge in der Leitung 11 vorhanden ist.
Das Ausgangssignal des Detektors D„, welches von der auftreffenden
Lichtintensität abhängt, wird in dem Verstärker
17 verstärkt und dann an einen zusätzlichen Verstärker 18 übertragen. Während eines Teiles jedes der dunklen Intervalle
ist der Schalter S5 geschlossen und von der Quelle 19 wird eine Referenzspannung an den Eingang des Verstärkers
18 abgegeben, um den Verstärker auf einen ausgewählten Referenzeingang mittels eines Ladekondensators 16 einzustellen.
Das Ausgangssignal des Verstärkers 18 während des Intervalles A hängt von der Differenz zwischen der Referenzspannung
im Intervall D und dem Signal vom Verstärker 17 während der Intervalle A und B ab. Das Ausgangssignal des
Verstärkers 18 wird über den Schalter S3 und das Tiefpaßfilter 21 übertragen und erscheint als Fek£rsignal am Eingang
des Verstärkers 22. Der Ausgang des Verstärkers 22 wird über den Schalter S4 während des Intervalles A übertragen,
um die Lichtintensität der Referenzdiode E auf
209851 /1050
dem gewünschten Amplitudenpegel zu halten. Das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 21 gelangt auch an einen Eingang
des Ausgangsverstärkers 23 während der Intervalle A und B. Der Schalter S5 ist nur während des letzten
Teiles des Intervalles B geschlossen, um die Lichtmessung des Detektors D während der Abfallzeit des Detektors
maximal zu machen, nach dan die Diode E abschaltet.
Während des Zeitintervalles C wird die Diode Ec gespeist
und das Licht gelangt durch die Probenleitung 11 und in den Probendetektor D . Die erfaßte Lichtintensität ist
eine Funktion der Menge oder Konzentration des ausgewählten Gases in der Gasprobe. Jegliche Differenzen in der Lichtintensität
erscheinen als Differenz in der Amplitude am Eingang des Verstärkers 18 gegenüber dem Referenzsignal
von der Quelle 19, das während des dunklen Intervalles zugeführt wird. Das Ausgangssignal des Verstärkers 18 wird
über den Schalter S7 und das Tiefpaßfilter 24 an den anderen Eingang des Ausgangsverstärkers 23 übertragen. Der Ausgang
e des Verstärkers 23 ist auf die Differenz zwischen den
ο
beiden Eingangssignalen während den Intervallen A und C bezogen und ist daher meßbar auf die Lichtabsorption durch
das ausgewählte Gas in der Leitung 11 von der Diode Ec bezogen.
Dieses Ausgangssignal e wird an ein Aufzeichnungsgerät,
ein Meßgerät oder dergleichen als Maß der Konzentration des ausgewählten in der Leitung vorhandenen Gases
übertragen. Das Ausgangssignal e ist nicht linear bei
2 0 9 8 S 1 / 1 0 5 0
•piPI"!»"1" t '·■'■
einer abnehmenden Änderungsgeschwindigkeit der Amplitude mit zunehmender CO9 Konzentration, und es ergibt sich eine
nichtlineare Auslesung (NLRO). Zusätzlich kann.zur Abgabe · einer linearen Anzeige (LRO) mit dem Ausgangsverstärker 23
eine Schaltung zur Linearisierung verbunden werden.
Eine andere Ausführungsform der 'Erfindung ist in Fig. 3
dargestellt und weist eine Emissionsquelle auf/ die selektiver als die Quelle gemäß Fig, 1. Die letzte Quelle verwendet
zwei verschiedene Emissionödioden. In Fig. 3 sind die beiden Emissionsdioden E0 und E gleich, beispiels-
fc> K
weise aus InAs^ n-,Sb Q, und die Referenzdiode E ist
u,y^ u,Uo κ '
in- einer transparenten Zelle 25 eingeschlossen, die das
ausgewählte Gas, beispielsweise CO2 aufweist. Das von der
Zelle 25 abgegebene Licht hat nicht das Absorptionsspektrum von CO2 in seinem Emissionsspektrum und daher findet wie
bei der InAS-Diode der Fig. 1 keine bedeutende Absorption dieses Lichtes statt, wenn es durch das CO- in der Probenleitung
11 gelangt. Die Emissionsspektren von E0 und E_. sind
in Fig. 3A einander überlagert dargestellt/ wobei die C02~
Absorption von dem E_-Spektrum herrührt.
Eine bevorzugte Ausführungsform einer Emissionsquelle in Form einer Diode und eines Diodendetektors ist in Fig. 4
dargestellt, wo alle vier optoelektronischen Vorrichtungen E , E , D und D0 wechselseitig rechtwinklig zu einem Strahl-
2098 5 1/1050
spalter 26 im Zentrum angeordnet sind. Das Licht von der
Probenemissionsdiode E für infrarote Strahlung ist auf den Strahlspalter gerichtet und ein Teil dieses Lichtes
wird auf den Detektor D reflektiert und der Rest gelangt durch den Strahlspalter und dieselbe Leitung oder Kammer
27 auf die Signaldetektoren D .
Die Referenzdiode Dn ist in einer Kammer 28 angeordnet,
die mit Absorptionsgas, beispielsweise CO „ gefüllt ist,
so daß das emittierte Licht kein CO Absorptionsspektrum hat. Ein Teil dieses Lichtes gelangt durch den Strahlspalter
26 zu dem Detektor D und der Rest wird durch die
Gasprobenkammer 27 auf den Signaldetektor D reflektiert.
Wenn erwartet wird, daß ein Gas mit einem Absorptionsspektrum
nahe dem Absorptionsspektrum oder in Überlappung mit dem Absorptionsspektrum des untersuchten Gases, beispielsweise
N„ in einem CO^-Analysator in der Probenkammer
27 auftreten und die Konzentrationsablesung beeinträchtigen könnte, kann dieses Gas auch der Hauptkammer 29 zugeführt
werden. Das Licht von beiden Emittern ED und Ec weist nicht
mehr das Emissionsspektrum dieses störenden Gases auf, bevor dieses durch die Probenkammer 27 gelangt, so daß die
durch den Detektor D erfaßten Intensitätsänderungen des
Lichtes auf das ausgewählte zu untersuchende Gas zurückgehen.
Gemäß Fig. 5 ist eine Ausfuhrungsform dargestellt, bei der
209851/1050
die Lichtdetektorstufe der Vorrichtung anstelle der Lichtquellenstufe
in den vorangehenden Ausführungsbeispielen selektiv gemacht wird.
Eine geeignete (balance) Diode E für die Emission infra-
roter Strahlung wird während des Intervalles A beim Schließen
des Schalters SIl (vgl. Fig. 6) gespeist. Die Intensität des emittierten Lichtes ist auf einen gewünschten Pegel
einstellbar, indem der Strom für die Diode gesteuert wird. Die Strahlung trifft auf einen Referenzdetektor D auf,
JK.
nachdem sie zunächst durch eine Menge des ausgewählten Gases 31, beispielsweise C0_ hindurchgelangt ist, so daß
das Hauptabsorptionsspektrum des ausgewählten Gases entfernt ist, bevor die Strahlung auf den Detektor D auftrifft.
Die Strahlung trifft auch auf eine Probendetektordiode D„ ohne Filterung auf. Die Emissionsspektren von E_
und ED und die spektralen" Ausgangssignale von D und D
sind in Fig. 5A dargestellt, wobei die Absorption von- C0„ in dem Ausgangssignal des Detektors Dn fehlt.
ix
Die beiden Detektoren D und D sind in Reihe geschaltet
R S
über eine Schaltung zur Einstellung der Vorspannung mit Widerständen 32 und 33, die mit positiven und negativen
Quellen verbunden sind. Eine Regelschaltung wird verwendet, um die beiden Ausgänge der beiden Detektoren in einem gewünschten
Verhältnis, beispielsweise mit gleichen Amplituden
20985 1 /10 50
- 2Ü -
während des Referenzintervalles A zu halten. Diese Regelschaltung weist ein Paar Verstärker 34 und 35 auf, bei
denen je ein Eingang eines Verstärkers mit einem der Detektoren verbunden ist. Die Ausgänge der beiden Verstärker
sind miteinander über eine Widerstandsschaltung mit dem Widerstand des Potentiometers 36 verbunden, dessen
Abgriff mit einem Eingang des Rückkopplungsverstärkers 37 verbunden ist. Das Potentiometer 36 wird anfangs verwendet,
um den Abgleich der Brücke mit den Detektoren D , D , den Verstärkern 34 und 35 und dem Widerstandskreis einzustellen.
Der Ausgang des Verstärkers 37 ist mit einem synchronen Detektorkreis mit Kondensatoren C3 und C4 und Schaltern S12
und S13 verbunden. Das Ausgangssignal des synchronen Detektors ist über den Verstärker 38 mit dem Verbiridungspunkt
der beiden Detektoren Dn und D_ verbunden, um eine Ausgleichsschleife
mit den beiden Lichtdetektoren zu bilden.
Der Ausgang des Verstärkers 34 ist auch mit einem Verstärker 39 verbunden, dessen Eingang mit einer Referenzspannungsquelle
41 über den Schalter S16 während jedes dunklen Intervalles D verbunden ist, das dem Intervall A vorhergeht.
Der Ausgang des Verstärkers 39 ist über den Schalter S14 mit einer Probenemissionsdiode E verbunden, die während
der Speisung im Intervall C Licht durch das Probengas in der lichttransparenten Leitung oder Kammer 11 und auf die
beiden Detektoren Dn und Dc überträgt und dadurch einen
209851/1050
Regelkreis für die Lichtintensität der Probenemissionsquelle bildet.
Der Ausgang des Verstärkers 42 ist über einen synchronen Detektor mit Kondensatoren C5 und C6 und Schaltern S15
und S17 mit dem Ausgangsverstärker 43 verbunden, der das Ausgangssignal e abgibt, das das Vorhandensein einer
reichlichen Menge des ausgewählten Gases in dem Probengas darstellt.
In Betrieb ist die Emissionsquelle E_ während des IntervallesA
(Fig. 6) bei geschlossenen Schaltern SIl und S12 gespeist und das davon emittierte Licht trifft auf die
beiden Detektoren D_, und D^. Das Ausgangssignal vom Ver-
o JK.
stärker 34 ist proportional dem Ausgangsverstärker des
Detektors D_. und das Ausgangssignal des Verstärkers 35
ist proportional dem Ausgangssignal des Detektors D . Jedes am Verstärker 37 wegen eines Ungleichgewichtes in den Ausgängen
der Verstärker 34 und 35 auftretende Eingangssignal führt zu einer Ausgangsspannung, die am Kondensator C3
gespeichert ist.
Während des folgenden dunklen Intervalles B bei geschlossenem
Schalter S13 führt jeder Unterschied zwischen den Ausgangsspannungen
der Verstärker 34 und 35 wegen eines Unterschiedes in den Ausgangsspannungen der Detektoren Dn und Dc zu
209851/1050
einer Ausgangsspannung vom Verstärker 37, die im Kondensator C 4 gespeichert ist.
Die synchrone durch die Kondensatoren C3 und C4 und die Schalter S12 und S13 gebildete Detektorschaltung gibt an
eine Verbindungsstelle der beiden Detektoren D und D
R ο
eine Ausgangsspannung ab, deren Vorzeichen von der Richtung des Unterschiedes der Ausgangssignale der Verstärker 34
und 35 und deren Amplitude von der Größe dieser Differenz abhängt. Ein negatives Ausgangssignal vom Verstärker 38
erhöht die Vorspannung am Detektor D und vermindert die
Vorspannung am Detektor D , während ein positives Ausgangssignal eine entgegengesetzte Änderung in der Vorspannung bewirkt.
Diese Rückkopplung dient dazu, die Ausgangssignale der Verslärker 34 und 35 während der Periode mit den Intervallen
A und D gleich zu halten.
Während des Intervalles C wird das Ausgangssignal des Verstärkers
39 über den Schalter S14 der Diode E zugeführt. Das Licht von dieser aktivierten Diode gelangt durch die
Gasprobenleitung 11 und trifft auf die beiden Detektoren D-. und D0 auf.
Der Ausgang des Detektors D_, der von der Menge des in
der Leitung vorhandenen ausgewählten Gases unabhängig ist, da das Absorptionsspektrum durch das den Detektor D in
jedem Fall umgebende Gas 31 entfernt ist, wird an den Ein-
2098B 1/1050
gang des Verstärkers 39 übertragen, wo es mit der Referenzspannung
von der Quelle 41 verglichen wird, die über den Schalter S16 während des dunklen Intervalles D zugeführt
wird. Das Ausgangssignal des Verstärkers 39 entspricht
der Differenz der beiden Eingangsspannungen und dient dazu, die Intensität des Ausgangssignales der Emissionsdiode E zu regeln um die Exngaiigsspannungen für den Verstärker
39 nahezu gleich zu halten.
Der Ausgang des Verstärkers 34 ist auch mit einem Eingang des Verstärkers 42 verbunden, und der andere Eingang ist
mit dem Ausgang des Verstärkers 35 verbunden. Während des Intervalles C der Einschaltzeit der Emissionsdiode E ,
lädt das Ausgangssignal des Verstärkers 42, das der Differenz der Ausgangssignale der beiden Detektoren D_ und Dg
proportional ist, den Kondensator C5 über den Schalter S15. Während des folgenden dunklen Intervalles D ist die Ausgangsspannung
des Verstärkers 42 am Kondensator C6 gespeichert wobei der Schalter S15 offen und der Schalter S17 geschlossen
, ist. Diese synchrone Detektorschaltung ergibt eine Ausgangsgleichspannung,
die proportional der Differenz zwischen den beiden Eingangsspannungen von den Verstärkern 34 und 35 ist,
und die Ausgangsgleichspannung des Verstärkers 43 dient daher als Maß der Intensität des Lichtes, das auf den Lichtdetektor Dg wegen der Absorption durch das ausgewählte
Gas in der Probenleitung 11 auftrifft.
2 0 9 8 5 1/10 5 0
Die Emissionsquellen und Detektoren der Vorrichtung nach Fig. 5 können in einer ähnlichen Anordnung wie diejenige
der Fig. 4 gemäß Fig. 7 angeordnet sein.
Aus den vorstehenden Beschreibungen der Vorrichtungen der Fig. 1, 3, 4, 5 und 7 ist ersichtlich, daß das neue optoelektronische
in diesem optischen Analysator verwendete Netzwerk zwei optische Zweige mit Einrichtungen zur Erzeugung
eines Paares optischer Strahlen aufweist, die durch die Probe gelangen, wobei ein Strahl in jedem Zweig verläuft
und die Strahlen sehr ähnliche Strahlungsspektren haben. Dabei ist der Strahl in einem Zweig durch das Probenabsorptionsmittel
unterschiedlich moduliert gegenüber dem Strahl in dem anderen Zweig. Es ist eine Einrichtung vorgesehen,
um die Modulation der Strahlung in jedem der Zweige durch das Absorptionsmittel zu erfassen, und eine zusätzliche
Einrichtung dient dazu, die relativen Strahlungsflüsse in den beiden Zweigen zu regeln.
Im Falle der Fig. 1, 3 und 4 weist ein optischer Zweig die
Emissionsquelle E auf, die den durch die Probe in dem Behalter
11 gelangenden Strahl erzeugt und der andere optische Zweig weist die Emissionsquelle E_. in Fig. 1 oder die
Emissionsquelle E und die umgebende Gaszelle in Fig. 3 und
4 auf, die den durch die Probe gelangenden Strahl erzeugt. Diese beiden Strahlen treffen auf den Detektor Dg auf, der
2 0 9 8 B 1 / 1 0 5 0
mit einer Schaltung versehen ist, um die Modulation jedes der beiden Strahlen aufgrund der Probe zu erfassen.
Der Detektor D und die angeschlossene Schaltung bewirkt die Regelung der relativen Strahlungsflüsse, d.h. der
Strahlungsintensität in den beiden Zweigen.
Im Fall der Fig. 5 und 7 werden die beiden Strahlen in den beiden Zweigen durch die gleiche Quelle E erzeugt und der
auf den Detektor D auftreffende Strahl ist unterschiedlieh
durch die Probe in dem Behälter 11 bezüglich des auf dem Detektor D auftreffenden Strahles moduliert, da der
Detektor D_. von einer Menge des zu untersuchenden Gases umgeben und daher bezüglich Änderungen des Strahles aufgrund
der Probenmodulation unempfindlich ist. Daher erfaßt die selektive Detektoranordnung mit den Detektoren D„ und D
die Modulation eines Strahles bezüglich der Modulation des anderen Strahles. Die Lichtstrahlen von der Quelle E
treffen auf die Detektoren D und D auf und dienen dazu,
die relativen Strahlungsflüsse, d.h. die Ströme in den Detektoren in den beiden Zweigen zu regeln.
In Fig. 8 ist ein Detektor für infrarote Strahlung dargestellt,
die die Gasabsorption über relativ weite Entfernungen
messen kann. '-; ;'■ ■ ·"■-'
Die Emissionsdiode E für infrarote Strahlung, welche ein ■■■■■:■<
Emissionsspektrum hat, das das Absorptionsspektrum des zu
20985 1/1050
messenden Gases umgibt, ist amplitudenmoduliert bei einer Trägerfrequenz f, durch den geregelten Leistungsgenerator
51. Ein Teil der Strahlung-von der Quelle E
wird durch einen Strahlspalter 52 übertragen und durch einen Spiegel 53 durch den zentralen Abschnitt 54 eines
konzentrischen optischen Systemes an das zu untersuchende Gasmedium reflektiert. Je nach der Art der Verunreinigung
und deren Intensität, die erfaßt werden soll, kann dieses Medium ein offenes System bis zu einigen tausend Meter
Länge sein oder es kann sich um ein örtliches oder Punktsystem handeln, dessen optische Wellenlänge bis zu einigen
hundert Metern reicht. Der Strahl gelangt an einen einzigen nichtdargestellten Reflektor oder an ein System derartiger
Reflektoren, falls eine derartige Ablenkung des Strahles angestrebt wird.
Der reflektierte Strahl wird durch den äußeren Abschnitt 55 des konzentrischen optischen Systemes eingefangen und
auf den Fotodetektor Dc durch einen Strahlspalter 56 fokussiert.
Eine Emissionsquelle E_. für infrarote Strahlung hat ein
Emissionsspektrum, das nahe dem Spektrum der Emissionsquelle E ist, aber das Absorptionsspektrum des zu untersuchenden
Gases nicht umgibt und bei einer Trägerfrequenz f2 durch den geregelten Leistungsgenerator 57 amplituden-
2 0 9 8 5 1/10 5 0
moduliert ist* Ein Teil der Strahlung von der Quelle E_
wird von dem Strahlspalter 52 und dem Spiegel 53 reflektiert und gelangt zentral durch die Optik 54 in das Probenmedium.
Diese Strahlung wird zurückreflektiert, um auf den Detektor D aufzutreffen.
Ein Teil der Strahlung von Quelle E wird von dem Strahlspalter
52 reflektiert und ein Teil der Strahlung von der Quelle E wird durch den Strahlspalter 52 übertragen, wobei
diese beiden Strahlungen durch den Strahlspalter 58 gelangen und auf einen geeigneten Fotodetektor D auftreffen. ;
Der Ausgang des Detektors D_ wird in dem Bandpaßverstärker
59 verstärkt, und dieses Ausgangssignal wird in zwei Frequenzkomponenten
Fl und F2 durch zwei synchrone Detektoren 61 und 62 zerlegt. Das Gleichspannungs-Fehlersignal vom
synchronen Detektor 61, welches der Intensität der Lichtübertragung von der Emissionsquelle E entspricht,· wird
verwendet, um den Ausgangspegel des Generators 61 zur Speisung des Emitters E zu regeln. In ähnlicher Weise
regelt das Gleichspannungsfehlersignal am Ausgang des Detektprs
62 den Ausgangspegel des Generators 57 für die Emissionsquelle E . Auf diese Weise wird" das gewünschte
Verhältnis der Lichtintensität der beiden Emissions- ' quellen E und E automatisch aufrechterhalten.
O ti.
Ein Teil der zurückkehrenden Strahlung mit den beiden
2 ü 9 8 S 1 / 10 50
■J Q _
Komponenten f, und f wird durch den Strahlspalter 56
auf den Fotodetektor D reflektiert, und ein anderer Teil wird durch den Strahlspalter 56 auf den Fotodetektor D
übertragen. Die Referenzkomponente f_ der eintreffenden
Strahlung, welche zum Unterschied von dem untersuchten Hauptabsorptionsmittel durch Hintergrund-Absorptionsstoffe
in der Probe moduliert ist, wird über den Detektor D und
das Bandpaßfilter 62 an den synchronen Detektor 63 übertragen. Auch wird an den synchronen Detektor 63 ein Referenzsignal
fp vom Hauptgenerator 57 für die Frequenz f„ nach
geeigneter Phasenangleichung in dem Phasenschieber 64 übertragen. Das Ausgangssignal des Detektors 63 wird über das
Tiefpaßfilter 65 zu einem Komparator 66 für das Amplitudenverhältnis
übertragen.
Das mit der Frequenz f.. modulierte und vom Lichtdetektor D
erfaßte Licht wird über das Bandpaßfilter 67 zu dem Komparator für das Amplitudenverhältnis übertragen, wo das Amplitudenverhältnis des Verunreinigungsgases gegenüber dem
optischen Hintergrundpegel erhalten wird. Das Ausgangssignal dieses Komparators wird an einen synchronen Detektor.
6S übertragen, der ein Referenzsignal über den Phaseneinsteilkreis 59 vom Generator 51 für die Frequenz f, erhält.
Die Ausgangsgleichspannung zur Darstellung der Konzentration des Verunreinigungsgases wird bezüglich der Bandbreite in
dem Tiefpaßfilter 71 für entweder analoge oder digitale Darstellung begrenzt.
2098 Π 1/1050
— 9Q —
Ein Teil des Lichtes von den Dioden Eft und E wird vom
Strahlspalter 58 auf einen Detektor reflektiert, der die drei Photonendetektoren D , D und D und die angeschlossenen
χ y ζ
optischen Schmalbandfilter F , F und F aufweist. ·
^ χ y ζ
Das Detektorsystem F , D ist derart ausgelegt., daß es das
Licht im zentralen Bereich des Emissionsspektrums der Diode Ec erfaßt, während die Detektorsysteme F , D und F , D
O XXZZ
das Licht in den zeitlichen Bereichen des Spektrums der
Diode E0 erfassen. Die Ausgangssignale der drei Detektoren
D , D und D werden in einem Komperator 52 verglichen,
und das Ausgangssignal wird dazu verwendet, um einen geregelten Umgebungsmpdulator 73 zu steuern, der die elektroakustische
(druckabhängige) oder thermische Umgebungsbedingung der Diode E steuert und sie damit bei der Bandmittenfrequenz
des Absorptionsgases oder der zu untersuchenden Verunreinigung abgestimmt hält.
209851/1050
Claims (1)
- Hewlett-Packard Comp.Case 64919. Mai 1972Patentansprüche1. Nichtdispersiver optischer Strahlungsanalysator zum Messen der Konzentration eines speziellen Absorptionsmittels in einer Probe, gekennzeichnet durch ein optoelektronisches Netzwerk mit zwei optischen Zweigen, eine Einrichtung zur Abgabe eines Paares optischer durch die Probe gelangender Strahlen und dadurch daß in j.edem Zweig ein Strahl verläuft, und die Strahlen einander ähnliche Spektren haben und der Strahl in dem einen Zweig durch die Absorptionsprobe anders moduliert ist als der Strahl in dem andern Zweig, eine erste Einrichtung in dem optoelektronischen Netzwerk die Modulation der Strahlung in dem Zweigpaar beim Durchgang durch die Probe erfaßt und eine zweite Einrichtung in dem optoelektronischen Netzwerk die relativen Strahlungen in den beiden Zweigen steuert.2. Analysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß er eine dritte Einrichtung in dem optoelektronischen Netzwerk zur Regelung der Amplitude der Flüsse in den beiden Zweigen aufweist.209851 /10503. Analysator nach Anspruch 1 mit einer Einrichtung zur Modulation der Strahlung vor dem Durchgang durch die Probe und einer Einrichtung zur Demodulation des Strahlungsflusses in den Zweigen zur Unterscheidung zwischen beiden Strahlen.4. Analysator nach Anspruch 3, dadurch g e k e η η ζ e i' c h net , daß die Modulationseinrichtung eine Multiplexschaltung aufweist. .5. Analysator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich net, daß die Multiplexschaltung eine Zeitmultiplexschaltung aufweist.6. Analysator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Multiplexschaltung eine Frequenzmultiplexschaltung aufweist.7. Analysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Einrichtung zur Erzeugung eines Paares von Strahlen ein Paar Festkörper-Emissionsquellen aufweist, die erste Einrichtung einen Detektor für die Strahlung des Festkörpers aufweist, welche derart angeordnet ist, daß er die beiden Strahlen nach dem Durchgang durch das Absorptionsmittel aufnimmt und die zweite Einrichtung einen zweiten Detektor für Festkörperstrahlung aufweist, der2098B 1 / 10 5 0derart angeordnet ist, daß er die Strahlung der beiden
Strahlen vor dem Durchgang durch das Absorptionsmittel
aufnimmt.8. Analysator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß er eine dritte Einrichtung in dem optoelektronischen Netzwerk aufweist, die die Amplitude der Flüsse
in den beiden Zweigen regelt und die dritte Einrichtungden Strahlungsdetektor in der ersten Einrichtung aufweist.9. Analysator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Einrichtung zum Modulieren" der Strahlen vor dem Durchgang durch die Probe und eine Einrichtungzum Demodulieren der Strahlung nach dem Durchgang durch die Probe, zu Unterscheidung beider Strahlen, aufweist.10. Analysator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich net , daß die Modulationseinrichtung eine Multiplexschaltung aufweist.11. Analysator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich net, daß die Multiplexschaltung eine Zeitmultiplexschaltung aufweist.12. Analysator nach Anspruch 10, dadurch g e k e η η ζ e i c h net , daß die Multiplexschaltung eine Frequenzmültiplexschaltung aufweist.2098 rj 1/105013. Analysator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Menge des speziellen Absorptionsmittels derart angeordnet ist, daß einer der Strahlen hindurchgelangt und sein Spektrum dadurch selektiv absorbiert ist vor dem Durchgang durch die Probe, wodurch der andere Strahl selektiv andersartig durch das Probenab'sorptionsmittel absorbiert ist bezüglich dieses einen Strahles. ,14. Analysator nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet., daß er eine dritte Einrichtung in dem optoelektronischen Netzwerk zur Regelung der Amplitude der Flüsse in den beiden Zweigen aufweist und diese dritte Einrichtung den Strahlungsdetektor in der ersten Einrichtung aufweist.15. Analysator nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Einrichtung zur Modulation der Strahlen vor dem Durchgang durch die Probe und eine Einrichtung zur Demodulation der Strahlen nach dem Durchgang durch die Probe zur Unterscheidung beider Strahlen aufweist.16. Analysator nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , daß die Modulationseinrichtung eine Multiplexschaltung aufweist.209 8-5 1 /105017. Analysator nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet , daß die Multiplexschaltung eine Zeitmultiplexschaltung aufweist.18. Analysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung eines Paares von Strahlen eine Festkörperstrahlungsquelle aufweist, die erste Einrichtung ein Paar Detek--toren für Festkörperstrahlung aufweist, die derart angeordnet sind, daß sie jeweils einen anderen Strahl nach dem Durchgang durch die Probe aufnehmen und die zweite Einrichtung eine zweite Emissionsquelle für Festkörperstrahlung aufweist, die derart angeordnet ist, daß sie Strahlung auf das Paar Detektoren ohne den Durchgang durch die Probe richtet.19. Analysator nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet , daß eine Menge des speziellen Absorptionsmittels derart angeordnet ist, daß die Strahlen auf einen Detektor des Detektorpaares auftreffen und durch die Menge des Absorptionsmittels vor dem Auftreffen auf den Detektor gelangen.20. Analysator nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet , daß er eine dritte Einrichtung in dem optoelektronischen Netzwerk zur Regelung der Amplitude209851/1050der Flüsse in den beiden Zweigen aufweist und diese dritte Einrichtung das Paar Detektoren in der ersten Einrichtung aufweist. ■21. Analysator nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet , daß er eine Einrichtung zur Modulation der Strahlen vor dem Durchgang durch die Probe und eine Einrichtung zur Demodulation des Flusses, in den beiden Zweigen zur Unterscheidung zwischen den beiden Strahlen aufweist.22. Analysator nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet , daß die Modulationseinrichtung eine Multiplexschaltung aufweist.23. Analysator nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet , daß die Multiplexschaltung eine Zeitmultiplexschaltung aufweist. '24. Analysator nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet , daß eine Menge des speziellen Absorptionsmittels derart angeordnet ist, daß einer der Strahlen hindurchgelangt und sein Spektrum selektiv dadurch absorbiert ist, bevor er auf einen der Detektoren auftrifft, so daß der andere Strahl anders selektiv absorbiert ist durch die Probe im Vergleich zu dem einen Strahl.209-8-S 1/105025. Analysator nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet , daß er eine dritte Einrichtung in dem optoelektronischen Netzwerk zur Regelung der Amplitude der Flüsse in den beiden Zweigen aufweist und diese dritte Einrichtung ein Paar Detektoren in der ersten Einrichtung aufweist.26. Analysator nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet , daß er eine Einrichtung zur Modulation der Strahlen vor dem Durchgang durch die Probe und eine Einrichtung zur Demodulation des Flusses in den Zweigen zur Unterscheidung der beiden Strahlen aufweist.27. Analysator nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet , daß die Modulationseinrichtung eine Multiplexschaltung aufweist.28. Analysator nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet , daß die Multiplexschaltung eine Zeitmultiplexschaltung aufweist.209BB 1/1050Leerseite
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US14778871A | 1971-05-28 | 1971-05-28 |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2225319A1 true DE2225319A1 (de) | 1972-12-14 |
DE2225319B2 DE2225319B2 (de) | 1974-03-28 |
DE2225319C3 DE2225319C3 (de) | 1979-06-28 |
Family
ID=22522901
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE2225319A Expired DE2225319C3 (de) | 1971-05-28 | 1972-05-25 | Nichtdispersiver optischer Strahlungsanalysator |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US3734631A (de) |
JP (1) | JPS522637B1 (de) |
DE (1) | DE2225319C3 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102004028077A1 (de) * | 2004-06-09 | 2005-12-29 | Tyco Electronics Raychem Gmbh | Gassensoranordnung mit verkürzter Einschwingzeit |
Families Citing this family (30)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3887473A (en) * | 1971-09-07 | 1975-06-03 | Bergishagen & Associates | Method and system for the infrared analysis of gases |
US3892492A (en) * | 1972-10-16 | 1975-07-01 | Loepfe Ag Geb | Optoelectrical apparatus with directional light sources for detecting reflection behaviour of an object |
DE2337413C3 (de) * | 1972-10-16 | 1979-09-06 | Gebrueder Loepfe Ag, Wetzikon (Schweiz) | Optoelektrische Messeinrichtung zur Messung der Querdimensionen von laufenden Fäden |
US3910701A (en) * | 1973-07-30 | 1975-10-07 | George R Henderson | Method and apparatus for measuring light reflectance absorption and or transmission |
US3873843A (en) * | 1973-11-29 | 1975-03-25 | Mohawk Data Sciences Corp | Document detection apparatus |
US3979589A (en) * | 1973-11-29 | 1976-09-07 | Finn Bergishagen | Method and system for the infrared analysis of gases |
US4017190A (en) * | 1975-07-18 | 1977-04-12 | Halbert Fischel | Blood leak detector comparing intensities of high absorption band and low absorption band of a single beam of light passing through a sample |
US4286327A (en) * | 1979-09-10 | 1981-08-25 | Trebor Industries, Inc. | Apparatus for near infrared quantitative analysis |
US4350441A (en) * | 1980-06-30 | 1982-09-21 | Baxter Travenol Laboratories, Inc. | Photometric apparatus and method |
JPS5719207U (de) * | 1980-07-09 | 1982-02-01 | ||
JPS5719206U (de) * | 1980-07-09 | 1982-02-01 | ||
DE3149869A1 (de) * | 1981-12-16 | 1983-06-23 | Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München | "vorrichtung zur schnellen bestimmung der feuchte einer probe mit hilfe von infrarot-lumineszenzdioden" |
DE3238179A1 (de) * | 1982-10-15 | 1984-04-19 | Dr. Kamphausen GmbH, 1000 Berlin | Anordnung zur messung der konzentration eines gases |
JPS6039536A (ja) * | 1983-08-12 | 1985-03-01 | Hochiki Corp | ガスセンサ |
DE3544015A1 (de) * | 1985-12-13 | 1987-06-19 | Leybold Heraeus Gmbh & Co Kg | Gasanalysevorrichtung |
DE3615259A1 (de) * | 1986-05-06 | 1987-11-12 | Krieg Gunther | Verfahren und system zur kontinuierlichen bestimmung der konzentrationen von molekuehlverbindungen in fluessigkeiten und gasen |
US4928014A (en) * | 1988-10-03 | 1990-05-22 | Futrex, Inc. | Near-infrared apparatus and method for determining percent fat in a body |
US5028787A (en) * | 1989-01-19 | 1991-07-02 | Futrex, Inc. | Non-invasive measurement of blood glucose |
DE4133131C2 (de) * | 1991-10-05 | 1996-07-04 | Ultrakust Electronic Gmbh | Anordnung zum Bestimmen von die Lichtintensität beeinflussenden chemischen und/oder physikalischen Größen |
DE19926121C2 (de) | 1999-06-08 | 2001-10-18 | Cs Halbleiter Solartech | Analysegerät |
US6791692B2 (en) * | 2000-11-29 | 2004-09-14 | Lightwind Corporation | Method and device utilizing plasma source for real-time gas sampling |
US6538734B2 (en) * | 2000-11-29 | 2003-03-25 | Lightwind Corporation | Method and device utilizing real-time gas sampling |
US6995841B2 (en) * | 2001-08-28 | 2006-02-07 | Rice University | Pulsed-multiline excitation for color-blind fluorescence detection |
US7072028B2 (en) * | 2003-07-25 | 2006-07-04 | Lightwind Corporation | Method and apparatus for chemical monitoring |
WO2013188914A1 (en) * | 2012-06-21 | 2013-12-27 | The University Of Sydney | Sensitive rapid response optical sensor and method |
EP2924459A1 (de) * | 2014-03-25 | 2015-09-30 | ELMOS Semiconductor AG | Sensorsystem zur Erkennung mindestens eines Objekts in einer Übertragungsstrecke |
EP2924466B1 (de) * | 2014-03-25 | 2020-06-03 | Elmos Semiconductor Aktiengesellschaft | Sensorsystem zur Erkennung mindestens eines Objekts in einer Übertragungsstrecke |
EP2924460A1 (de) * | 2014-03-25 | 2015-09-30 | ELMOS Semiconductor AG | Sensorsystem zur Erkennung mindestens eines Objekts in einer Übertragungsstrecke mittels einer Diode |
US11346775B2 (en) | 2018-08-29 | 2022-05-31 | Asahi Kasei Microdevices Corporation | NDIR gas sensor and optical device |
JP7348826B2 (ja) | 2019-12-05 | 2023-09-21 | 旭化成エレクトロニクス株式会社 | Ndirガスセンサ及び光学デバイス |
Family Cites Families (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US2703844A (en) * | 1951-02-05 | 1955-03-08 | Phillips Petroleum Co | Infrared gas analyzer |
US3005097A (en) * | 1956-08-18 | 1961-10-17 | Hartmann & Braun Ag | Method and apparatus for the analysis by radiation of mixtures of substances |
US3332313A (en) * | 1962-04-02 | 1967-07-25 | Du Pont | Apparatus for absorption spectra analysis |
US3174037A (en) * | 1962-05-28 | 1965-03-16 | Litton Systems Inc | Method and apparatus for measuring the concentration of a gas in a mixture of gases |
US3435209A (en) * | 1966-03-10 | 1969-03-25 | Beckman Instruments Inc | Two wavelength infrared analyzer having a pair of variable interference filters for determining the respective wavelengths |
US3413482A (en) * | 1966-10-07 | 1968-11-26 | Ling Clement | Atomic absorption spectrophotometry |
US3457412A (en) * | 1967-03-29 | 1969-07-22 | Cary Instruments | Infrared radiation detector employing tensioned foil to receive radiation |
NL6810428A (de) * | 1967-10-16 | 1969-04-18 | ||
US3521958A (en) * | 1969-01-30 | 1970-07-28 | Kettering Scient Research Inc | Rapid scanning spectrophotometer |
US3588253A (en) * | 1969-05-05 | 1971-06-28 | Us Army | Temperature tunable laser diode spectrograph |
-
1971
- 1971-05-28 US US00147788A patent/US3734631A/en not_active Expired - Lifetime
-
1972
- 1972-05-25 DE DE2225319A patent/DE2225319C3/de not_active Expired
- 1972-05-29 JP JP47053253A patent/JPS522637B1/ja active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102004028077A1 (de) * | 2004-06-09 | 2005-12-29 | Tyco Electronics Raychem Gmbh | Gassensoranordnung mit verkürzter Einschwingzeit |
DE102004028077A8 (de) * | 2004-06-09 | 2006-04-20 | Tyco Electronics Raychem Gmbh | Gassensoranordnung mit verkürzter Einschwingzeit |
US7166842B2 (en) | 2004-06-09 | 2007-01-23 | Tyco Electronics Raychem Gmbh | Gas sensor arrangement with reduced settling time |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US3734631A (en) | 1973-05-22 |
JPS522637B1 (de) | 1977-01-22 |
DE2225319C3 (de) | 1979-06-28 |
DE2225319B2 (de) | 1974-03-28 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE2225319A1 (de) | Strahlungsanalysator | |
DE2365605C3 (de) | Spektralphotometer | |
DE1939034C2 (de) | Photometer zum Durchfuehren von Messungen bei unterschiedlichen Wellenlaengen | |
DE2362935A1 (de) | Anordnung zur ueberwachung der luftverunreinigung | |
DE3643629A1 (de) | Verfahren zur stabilisierung der wellenlaenge eines halbleiterlasers und halbleiterlaser-wellenlaengenstabilisators | |
DE2333326B2 (de) | Einrichtung zum Messen der Dicke eines auf einer Unterlage abgelagerten dünnen Films | |
DE2363180C2 (de) | Reaktionskinetisches Meßgerät | |
DE1916486A1 (de) | Hochempfindlicher Strahlungsfuehler | |
DE3502059A1 (de) | Laserspektralfluorometer | |
DE3215249C2 (de) | Photometer zur Messung der Atomfluoreszenz | |
DE2605345B2 (de) | Piezooptischer Meßumformer | |
DE69507176T2 (de) | Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Absorption einer elektromagnetischen Strahlung durch ein Gas | |
DE1598965C3 (de) | Verfahren und Vorrichtung zur Messung des magnetischen zirkulären Dichroismus von absorbierenden Stoffen | |
DE1473249B1 (de) | Infrarotstrahlungsdetektor | |
DE102012007609A1 (de) | Optisches Weitbereichsspektrometer | |
DE2631454A1 (de) | Flammenmelder | |
DE102007006082B4 (de) | Spektrales Messsystem | |
DE1547136B2 (de) | ||
DE2745011C2 (de) | Farbpyrometer | |
DE1547136C (de) | Verstärkerschaltung fur photoelektn sehe Spektralphotometer | |
DE2903328B1 (de) | Verfahren und Vorrichtung zur pyrometrischen Messung der Graphitrohrtemperatur in einner Graphitrohrkuevette | |
DE2243552A1 (de) | Verfahren und einrichtung zur messung der konzentration von stoffen in ihrer gasphase | |
DE1909671A1 (de) | Stromwandler mit optischer Verbindung | |
DE3142978A1 (de) | Verfahren und vorrichtung zur feststellung des ein- bzw. ausfahrens von kraftfahrzeugen in einen bzw. aus einem bestimmten abschnitt (messfeld) einer verkehrsflaeche | |
DE102015114103B4 (de) | Messverfahren und Vorrichtung zur Charakterisierung eines optischen Sensors sowie Verwendung eines Ultrakurzpulslasers zur Vermessung eines optischen Sensors |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |