DE2334964B2 - Spektralphotometer - Google Patents
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Description
-4x1 =
xl ■ Vxl
Vi
wobei Wbzw. VVi das von dem Hintergrundsignal
befreite Bezugs- bzw. Meßsignal und Kx 1
einen bei Füllung der Küvette (15) mit einem neutralen Medium ermittelten Kalibrierfaktor
darstellen, und
h) die Anordnung der Filtereinrichtung (71,80,84,
90) zwischen Küvette (15) und photoelektrischem Wandler (30).
2. Spektralphotometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste, zweite und dritte
Speicherschaltung (112, 114) Abtast- und Haltestromkreise sind.
3. Spektralphotometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinrichtung
(78; 80; 84; 92) zur Bestimmung weiterer Komponenten des strömenden Mediums eine entsprechende
Anzahl weiterer Meßfilter (76; 82; 94; 96) mit jeweils auf die weiteren Komponenten abgestimm- b5
ten Durchlaßbereichen aufweist und daß die Auswerteschaltung eine entsprechende Anzahl weiterer
erster Speicherschaltungen (144) zur Aufnahme der bei Anwesenheit der weiteren Meßfilter (76;
82; 94; 96) im Strahlengang anfallenden Meßsignale sowie eine entsprechende Anzahl weiterer Rechenschaltungen
(112,116,138,146) zur Bildung weiterer
Meßwerte enthält.
4. Spektralphotometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Filtereinrichtung aus einem drehbaren Filterrad (71, 78, 84) besteht, auf dem die einzelnen Filter (72,73,
76) und das strahlungsuridurchlässige Element (75) angeordnet sind.
5. Spektralphotometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Filter (72, 73, 76) und das
strahlungsundurchlässige Element (75) entlang einer konzentrischen Kreislinie des Filterrads (71, 78, 84)
im Abstand zueinander angeordnet sind.
6. Spektralphotometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfilter aus einem
Verlauffilter (82) bestehen.
7. Spektralphotometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Rechenschaltung eine über einen einstellbaren Widerstand (130) rückgekoppelte Verstärkerschaltung
(132) enthält, die über eine Ausgleichsschaltung (112) zur Elimination des Hintergrundsignals aus
dem Meß- und Bezugssignal mit dem Ausgang des Wandlers (30) verbunden ist, weiter eine Standardspannungsquelle
(136), eine Vergleicherschaltung (118, 122) zur Erzeugung eines dem Unterschied
zwischen der Standard-Spannung und dem verstärkten hintergrundkompensierten Bezugssignal entsprechenden
Differenzsignals, sowie eine von dem Differenzsignal beaufschlagte Einstellvorrichtung
(128) zur Justierung des einstellbaren Widerstands (130) in der Rückkopplung der Verstärkerschaltung
(132) bei Anwesenheit des Bezugsfilters (73) im Strahlengang derart, daß das Differenzsignal verschwindet.
8. Spektralphotometer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der einstellbare Widerstand
(130) eine Photozelle und die Einstellvorrichtung (128) eine die Photozelle beleuchtende Strahlungsquelle
ist, deren Intensität gemäß dem Differenzsignal variiert.
9. Spektralphotometer nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerschaltung
ein Differenzverstärker (132) ist, dessen Ausgang auf den invertierenden Eingang rückgekoppelt
ist.
10. Spektralphotometer nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung eine Kalibriervorrichtung (140)
umfaßt, die eine einzige Steuereinrichtung enthält, mit der die Anzeige auf Null stellbar ist, während
sich in der Küvette (15) ein neutrales, im wesentlichen nicht absorbierendes Fluid befindet
11. Spektralphotometer nach Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung ein variabler Widerstand (140) ist
12. Spektralphotometer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtabsorbierende
Fluid Luft ist.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Spektralphotometer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der US-Patentschrift 30 89 382 ist ein Spektralphotometer zur Analyse eines Fluids zwecks Bestimmung
der Konzentration einer darin enthaltenen Komponente bekannt. Es weist eine Strahlungsquelle,
einen Detektor und eine zwischen diesen beiden Elementen angeordnete, von dem zu untersuchenden
Fluid durchströmte Küvette mit Fenstern für den Durchtritt der Strahlen der Lichtquelle auf. Weiterhin
besitzt dieses bekannte Gerät eine Filtereinrichtung mit mindestens zwei Filtern, die nacheinander in den
Strahlengang einführbar sind und im Bereich einer spezifischen bzw. einer unspezifischen Wellenlänge der
zu analysierenden Komponente durchlässig sind. Ferner ist bei diesem bekannten Gerät eine an den Detektor
angeschlossene Auswerteschaltung vorgesehen, die Einrichtungen zum getrennten Empfang und zur
getrennten Speicherung der während der Einführung der beiden Filter in den Strahlengang am Detektor
entstehenden Signale sowie Einrichtungen zur Verhältnisbildung der bei den beiden Wellenlängen empfange- 2«
nen Signale aufweist Darüber hinaus weist das bekannte Spektralphotometer eine in den optischen
Weg bringbare Vorrichtung zur Unterbrechung der Strahlung auf.
Aus der DE-AS 20 39 451, die ein Atom-Absorptionsspektrometer
beschreibt, ist es bekannt, bei der Analyse einer Probe anhand von Absorptionssignalen bei einer
spezifischen und einer unspezifischen Wellenlänge auch ein Hintergrundsignal in Form des sich während der
völligen Unterbrechung des Strahlenganges ergeben- jo
den Detektorausgangssignals zu erzeugen und mit invertiertem Vorzeichen den Speichern für das Meß-
und das Bezugssignal zuzuführen, so daß jedes dieser beiden Signal in bezug auf ein hier durch elektrisches
Rauschen entstehendes Hintergrundsignal kompensiert wird.
Bei diesen bekannten Vorrichtungen wird von dem photoelektrischen Wandler, der die empfangene Strahlung
in elektrische Signale umsetzt, nicht allein die von dem Filter emittierte Strahlung gemessen, sondern
ebenfalls die der Küvette, die der sich in der Küvette befindlichen Gase und zum Teil sogar des Unterbrechers
der Strahlung. Ein derartiges Konglomerat von Einzelstrahlungen vergrößert zwangsläufig die Fehlerquote
und beeinträchtigt somit die Genauigkeit der Apparatur.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einem speziellen Arbeitsgang die Strahlung zu besiimmen, die
von dem Filter selbst ausgeht. Um eine exakte Angabe der tatsächlichen, vom Probegas absorbierten Infrarotstrahlung
zu erhalten, müssen die Meßwerte um diesen Strahlungswert der von dem Filter ausgesandten
Strahlung korrigiert werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Merkmale
gelöst
Das erfindungsgemäße Spektralphotometer wird eingesetzt zur Analyse von Gasmischungen und ist
insbesondere als Gasanalysator zur Bestimmung der Konzentration eines Bestandteils in einer Mischung von bo
Gasen wie z. B. Autoauspuffgase geeignet. Aus Gründen des Umweltschutzes ergab sich die Notwendigkeit,
Autoabgase auch außerhalb von Labors zu kontrollieren. Zur Analyse der Auspuffgase ist es notwendig,
tragbare Spektralphotometer zu schaffen. Durch die b5 vorliegende Erfindung wird ein tragbarer Gasanalysator
geschaffen, der die Konzentration eines oder mehrerer gasförmiger Bestandteile aus einer Mischung
von Gasen schnell, einfach und genau bestimmt. Ein Gasanalysator nach vorliegender Erfindung benötigt
keine Meßgase zur Kalibrierung; das Instrument wird nach einem Nullverfahren kalibriert, bei dem gewöhnliche
Luft verwendet wird. Die Hintergrundstrahlung wird erfaßt und zum entsprechenden Ausgleich der
Ausgangssignale des Analysators benutzt, so daß man echte Anzeigen der Konzentration der gesuchten
gasförmigen Bestandteile erhält. Die Kalibriervor.richtung
enthält nur eine einzige Stelleinrichtung, im einfachsten Fall in Form eines variablen Widerstandes,
mit der die Verstärkung bei einem der verwendeten Operationsverstärker veränderbar ist; damit wird die
Anzeige auf Null eingestellt. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Anhand der Zeichnungen soll nachfolgend das erfindungsgemäße Spektralphotometer in Aufbau und
Wirkungsweise eingehender beschrieben werden. Es zeigt
F i g. 1 die schematische Darstellung eines Einweg-Mehrfilter-Spektraiphotometers,
F i g. 2 die zeitliche Beziehung zwischen den Stellungen der Filterscheibe des Spektralphotometers nach
F i g. 1 und den Synchronisationsimpulsen,
F i g. 3 bis 6 zeigen verschiedene Ausführungen der Filter- und Zerhackerscheibe, die in Verbindung mit der
in F i g. 1 gezeigten Ausführung verwendet wird,
Fig.7 ist ein Querschnitt der in Fig.6 gezeigten
drehbaren Zerhack- und Filtervorrichtung entlang der Linie 13-13, zusammen mit Lichtquelle und Photozellen,
F i g. 8 ist eine perspektivische Darstellung einer alternativen Ausführung einer drehbaren Zerhack- und
Filtervorrichtung, und
Fig.9 ist eine schematische Darstellung eines Verarbeitungsstromkreises.
F i g. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Spektralphotometers 70. Anhand dieses Spektralphotometers
sollen nachfolgend verschiedene Effekte der Spektralanalyse beschrieben werden.
Während sich die folgende Beschreibung vor allem auf die spezielle Spektralabsorptions-Analyse von
Kohlenmonoxid bezieht, ein Gebiet, dem im Augenblick großes öffentliches Interesse entgegengebracht wird,
kann man das dargestellte Prinzip und den Stromkreis genauso gut für die infrarote, sichtbare oder ultraviolette
Spektralanalyse verschiedener anderer Medien verwenden.
In F i g. 1 wird mit dem Bezugszeichen 12 eine geeignete Strahlungsquelle für infrarote Energie bezeichnet.
Die Strahlen durchqueren eine Küvette 15, wobei der mittlere Strahl mit 17 angezeigt wird. Die
Küvette 15, die zum Prüfen des prozentualen Koh'enmonoxidgehaltes
von Autoabgasen vei wendet wird, enthält entsprechende Ein- und Auslaßöffnungen 19 und
20, wobei die erstere über eine Pumpe mit dem Auspuffrohr des Autos verbunden werden kann.
Eine entsprechende Leitung für die Probeentnahme wird verwendet, um eine Durchschnittsprobe des
Verbrennungsmotorabgases in einer für die Analyse geeigneten Form zum Einlaß 19 der Zelle 15 zu führen.
Da Kohlenmonoxid als sehr wichtig für eine genaue Bestimmung des Wirkungsgrades eines Motors angesehen
wird, muß die der Probeentnahme dienende Leitung die Abgasprobe so heranführen, daß die relative
Konzentration des Kohlenmonoxids nicht zerstört wird, d. h. sie sollte bei erhöhter Temperatur inert gegenüber
dem Kohlenmonoxid sein. Zu diesem Zweck können rostfreier Stahl oder Kunststoff wie Polytetrafluoräthy-
len, Polyäthylen usw. verwendet werden. Die wichtigen
Kritierien sind die, daß die Leitung zur Probeentnahme flexibel ist und beständig gegen hohe Temperaturen.
Aus diesem Grunde sollte das Rohr aus rostfreiem Stahl, das entweder starr oder flexibel ist, im vorderen Teil der
der Probeentnahme dienenden Leitung verwendet werden, der in unmittelbarer Berührung mit dem zur
Analyse austretenden Auspuffgas steht.
Dann gelangt das Abgas in eine Wasserabscheidevorrichtung, danach in eine Pumpe, die es zur Küvette 15
zur Messung weiterleitet. Der Strahl 17 trifft nach Durchqueren der Küvette auf ein drehbares scheibenförmiges
Filterrad 71, auf dem entlang einer konzentrischen Kreislinie zwei Filter 72 und 73 sowie ein
undurchlässiger Teil 75 vorgesehen sind; durch Drehen der Scheibe werden diese drei Abschnitte nacheinander
in den Strahl geführt. Befindet sich das Filter 73 im Strahl, ist die Stellung der Filterscheibe die in der F i g. 2
mit »1« bezeichnete Stellung, befindet sich das undurchlässige Element 75 im Strahl, weist die
Filterscheibe die Stellung »2« auf, und wird der Strahl durch Filter 72 geführt, weist die Filterscheibe die
Stellung »3« auf.
Es ist vorgesehenen, daß photoelektrische Empfangseinrichtungen mit der Stellung der Scheibe zur
Erfassung der Stellungen, 1, 2 und 3 synchronisiert werden und somit die Synchronisationsvorrichtungen
34,35 und 36 betreiben, auf die später Bezug genommen wird.
Nach Durchgang durch die Filtervorrichtung trifft der
Strahl auf den Wandler 30. Das Ausgangssignal des Wandlers wird einem Wechselstromverstärker 32
zugeführt, der noch beschrieben wird und dessen Ausgang an ein elektronisches Verarbeitungssystem 33
gelegt ist Dieses System wird durch Vorrichtungen zur Erzeugung von Synchronisierungsimpuisen ausgelöst,
die mit »SYNC.l«, »SYNC.2« und »SYNC.3« in Fig. 1 bezeichnet sind. Der Ausgang des elektronischen
Verarbeitungsnetzwerks 33 liegt an einem geeigneten Meßgerät und an einem entsprechenden Anzeigegerät
38, das geeicht ist für die Ablesung des prozentualen Gehalts der Gasprobe, die untersucht werden soll.
Die Synchronisationsvorrichtungen 34, 35 und 36 erzeugen schmale Auslöseimpulse. F i g. 2 zeigt graphisch
den zeitlichen Zusammenhang zwischen Stellung der Filterscheibe und Auftreten der Impulse auf jedem
der drei Synchronisierungskanäle wie in der Zeichnung beschriftet.
Bei dem beschriebenen System dient die Filtereinrichtung dazu, (a) bei der für die Probe charakteristischen
Wellenlänge die auf den Wandler 30 auftreffende Energie spektral zu filtern, (b) eine vergleichende auf
den Wandler auftreffende Hintergrundenergie zu liefern, und (c) eine auf den Wandler auftreffende
Bezugsenergie zu schaffen, die aus einer Strahlung mit einer nicht von dem Gasförmigen Bestandteil der
untersuchten Probe absorbierten Wellenlänge besteht. Die Analyse kann auch in bezug auf ein anderes
strömendes Medium als auf Gas erfolgen, es kann auch eine andere Strahlungsenergie als infrarote Strahlung
Verwendung finden. Anwendungsmöglichkeiten für die Analyse von anderen Gasen als Kohlenmonoxid wurden
oben erwähnt. Ferner können bei geeigneter Ausgestaltung der Filtereinrichtung im wesentlichen gleichzeitig
auch mehrere Komponenten untersucht werden.
Eine weitere Ausführungsform eines Filterrades 71 ist in F i g. 3 dargestellt.
Für den Fall, daß man zwei oder mehr verschiedene gasförmige Bestandteile einer Probe in einem Arbeitszyklus
analysieren will, kann eine abgeänderte Filter-Zerhackvorrichtung 78 wie in F i g. 4 gezeigt verwendet
werden. Dabei ist bei 76 ein weiteres optisches
-, Filtersegment vorhanden, so daß der Verstärker, der
Wandler und die elektrischen Verarbeitungs- und Meßvorrichtungen entsprechend abgeändert werden
müssen. Durch Löcher 77 zur Synchronisation, die sich am Rad 71 bzw. 78 befinden, kann sichtbares Licht
ίο hindurchtreten, das die Synchronisationsvorrichtungen
des Systems 70 photoelektrisch auslöst. Weitere Änderungen an der Filtereinrichtung sind möglich. In
F i g. 5 ist z. B. eine Filtereinrichtung 80 gezeigt mit einem Filterfenster 82, das ca. 180° der Filtereinrichtung
is einnimmt. Das Filterfenster ist im wesentlichen ein
schmalbandiges Verlauffilter, dessen Bandmitte sich als Funktion der Winkelstellung zwischen den sich radial
erstreckenden Enden des Fensters 82 kontinuierlich ändert. Ähnlich wie bei den vorhergehenden Ausführungen
von Filter-Zerhackvorrichtungen sind Löcher 77 zur Synchronisation in Winkelabständen entlang dem
Fenster 82 in vorher festgelegter Form angebracht, so daß Bandendurchlässe für vorher gewählte Wellenlängen
geschaffen werden. Da also, wie gezeigt, die gewählten Wellenlängen, die man zur optischen
Verarbeitung benötigt, sich in ungleichmäßigen Abständen ergeben können, können die Löcher 77 zur
Synchronisation ebenfalls in ungleichmäßigen Abständen angebracht sein. Wie man aus A b b. 11 erseher
kann, ist ein Loch 77 zur Synchronisation in einer Zone angebracht, in der die Strahlungsquelle ausgeblendet ist
so daß man ein Hintergrundsignal erhält. Der momentane tatsächliche spektrale Bandendurchlaß des
Filters wird durch eine Öffnung bestimmt, die den Strahl
j5 begrenzt. Die Filteröffnung kann auf jede beliebige
geeignete Art und Weise gesteuert werden, ζ. Β dadurch, daß man eine Blende einfügt, die mit einem
Schlitz entsprechend einem engen Sektor des Fensters 82 versehen ist, oder daß man einen Detektor mil
entsprechend begrenzter Fläche verwendet
In den F i g. 6 und 7 wird ein bevorzugtes Schema zui
Synchronisation einer Filtereinrichtung gezeigt Ir Fig.6 wird ein Filterrad 84 mit drei kreisförmiger
Filtern 76, 72 und 73 gezeigt, die den vorstehenc beschriebenen Filtern entsprechen, die die gleiche
Nummernbezeichnung haben, und einem Unterbrecherteil 75 für die Strahlungsquelle. Das Filterrad 84 hai
Synchronisationsöffnungen 77, die an radial genai festgelegten Stellen angebracht sind. Aus F i g. 7 ersiehi
so man, daß die Filtereinrichtung 84 mit einer radia länglichen Lichtquelle 86 und einer Vielzahl vor
Photozellen 88 verbunden ist, die in Anzahl und radialei
Anbringung den Synchronisationsöffnungen 77 entspre chen. Die Anbringungsstelle eines Synchronisationslo
ches 77 auf einer Achse zwischen der Lichtquelle 86 unc einer der Photozellen 88 ist bestimmend für di<
Winkelstellung der Filtereinrichtung 84 in bezug auf der Durchlaßweg der Infrarot-Energie von der Strahlungs
quelle 12 zum Wandler 30.
bo In F i g. 8 wird als Alternative eine weitere Filterein
richtung 90 gezeigt. Die Vorrichtung 90 hat ein Filterrac 92 mit Filtern 76, 72, 73, 94 und 96, wobei das Filterrac
direkt auf eine Antriebswelle 98 eines Motors 100 zui Rotation montiert ist; ferner hat die Vorrichtung 90 eil
Zerhackrad 102, das über eine Antriebsvorrichtung 1<V mit einer Reduktion von 2 zu 1 auf der Antriebswelle 91
montiert ist, so daß das Zerhacksegment 102 wahrem jeder zweiten Drehung der Hauptwelle 98 in den Wej
zwischen Strahlungsquelle 12 und Detektor 30 eingeschoben wird. Somit kann man die Hintergrundstrahlung
für jedes Filter 72, 73, 76, 94 und 96 bei jeder zweiten Drehung der Welle 98 erhalten, wenn das
Zerhack-Segment 102 so steht, daß es den Durchlaß der Infrarot-Energie von der Strahlungsquelle 12 zum
Detektor 30 blockiert, wobei das Synchronisations-System für die entsprechenden Filter 72, 73, 76,94 und 96
verwendet wird. Zu diesem Zweck sollte der Detektor nahe bei dem Filterrad 92 angebracht werden.
Als Wandler-Detektor in F i g. 1 und 9 wird z. B. ein Blei-Selentyp oder ein Indium-Antimon-Photowiderstand
verwendet, wie bei Raumtemperatur arbeiten. Bei diesen Wandlern wie bei den meisten Quanten-Detektoren
kann man den Detektor-Kurzschlußstrom I5 in Ampere wie folgt ausdrücken (bei Vorspannung Eins):
Is = qAd J nß) Nß)<ü,
■wobei
■wobei
q = Elementarladung (Coulomb)
Ad = Detektorfläche (cm2)
Ad = Detektorfläche (cm2)
nß)= spektrale Quantenleistung (dimensionslos) und
Nß)= spektraler Photonenstrom (cm-2sec~'μ-')
Nß)= spektraler Photonenstrom (cm-2sec~'μ-')
Wenn man diese Beziehung anwendet, erhält man den Detektor-Kurzschlußstrom bei jeder der drei Stellungen
der Filterscheibe.
In Stellung »1« befindet sich das Filter 73 im Strahlengang, das nur für Strahlung einer von der
gesuchten Komponente nicht absorbierbaren Wellenlänge durchlässig ist. In diesem Fall gibt es zwei additive
Komponenten zum Photonenstrom. Es handelt sich um die Photonen, die aus Quelle 12 kommen und um die, die
aus dem gesamten Hintergrund kommen, der sich im Gesamtgesichtsfeld des Detektors 30 befindet. Dementsprechend
wird das Spektralfilter 73 so nahe an den
10
15
Detektor herangebracht, daß es das Gesichtsfeld des Detektors ausfüllt und so bei weitem die größte Quelle
für die Hintergrundstrahlung darstellt. Der Teil der Hintergrundstrahlung, der durch das Spektralfilter
hindurchgeht, kann zur gesamten Hintergrundstrahlung nur innerhalb des Durchlaßbereiches des Filters
beitragen, und dieser Teil ist vernachlässigbar, wenn die Temperatur der Hintergrundstrahlung weniger als
beispielsweise 400° K beträgt. Bezeichnet man den vom Filterhintergrund kommenden Photonenstrom als N2ß)
und den Photonenstrom am Detektor, der durch den Strahl entsteht, der durch das Bezugsfilter 73 geht, als
N\ß) (wobei zu vermerken ist, daß dieser Wert eine Funktion der Temperatur der Strahlungsquelle ist), so
erhält man folgende Beziehung:
N1 (A) = A.
T11U)- TyU)- T,\
wobei
20
A5 = projizierte Fläche der Strahlungsquelle (cm2);
= Anzahl der aus der Quelle kommenden Photonen pro Einheit der Strahlungsfläche pro Sekunde pro Mikrometer (μπι) pro
Steradiant(cm-2sec-^m-'ster-');
r = optische Weglänge von der Strahlungsquelle
zum Detektor;
Teß) = Transmission (Durchlässigkeit) des Gases in der Küvette;
Tpß) = Transmission des Spektralfilters;
Teß) = Transmission (Durchlässigkeit) des Gases in der Küvette;
Tpß) = Transmission des Spektralfilters;
TJX) = optischer Wirkungsgrad über den optischen Weg bei der Wellenlänge X.
Der Kurzschlußstrom h\ des Detektors ist dann bei
Stellung»!«:
hi = qAd jn U) [N1 U) + N2 U)I dk
= qAlljn(X)N2(X)dX + j n {λ) N1 (λ) d X]
= qAd [J1 (A) N2 (λ) d'A + φ-J η (λ) N, (λ) TB (X] TF (X) Tn (X) dkl.
Der Spektralfilter 73 ist nur in einer schmalen spektralen Bandbreite, beispielsweise 0,1 μητι, deren
Mitte bei Ai =3,9 μιη liegt, durchlässig, so daß das zweite Integral wie folgt gut angenähert werden kann:
Jn(X) N5(X) T8(X) TF(X) T. (X)dλ « /1(I1)NS
a1)T;, (I1) IA,
wobei A1 = 3,9 μΐη.
Somit ist
Somit ist
hi = qAAJn(X)N2(X)dX + -ß- ["(A1) N5(A1) T8(A1)T
l1)T11(A1) U
1]
In Stellung »2« läßt das Filterrad 71 nicht zu, daß 71 ist dann Photonen aus der Quelle 12 den Detektor 30 erreichen, 65
und allein die Hintergrundstrahlung trägt zu dem Photonenstrom zum Detektor bei. Der Kurzschlußstrom
Is2 des Detektors in Stellung »2« des Filterrades In Stellung »3« des Filterrades befindet sich das Filter
= qAd\ η(λ) N2U) d'·-
10
72 im Strahlengang, das in einem schmalen Wellenlän- z.B. Α3=4,6μιη. Der Kurzschlußstrom /53 ist dann
genband Δλ durchlässig ist, dessen mittlere Wellenlänge analog wie bei Stellung »1«
JI3 von einer gesuchten Komponente absorbier ist. Es sei
(η(λ)Ν
2{λ)άλ+
n(h) Ns (J3
IA3J
Man verwendet zur Weiterverarbeitung jeweils die Deren relativer Unterschied stellt sich dar als
um das Hintergrundsignal lsi verminderten (wahren) 10
Signale _ Islfy- IS3W
Signale _ Islfy- IS3W
Is\w=ls\-Is2
Is3w=ls3~ls2-
JfI It'
Man erkennt:
hiw = hi - hi = <iAd ^f [π(Α,) NsGx) T11(M) TF(M) T0 (A1) I A1]
hi w = hi - hi = qAd ^f- ^n (I3) A-S (I3) Tn (I3) TF (I3) T, (J3) 113]
Die optischen Weglängen r und die optischen Wirkungsgrade T, sind in beiden Fällen gleich. Man erhält dann:
= Ns(J1)IiGi) Ty(I1) I A^ - T8Jl1) -_NS (I3) η (I3^ TF (I3).! A3 · T8(A3)
Man erkennt daraus, daß man stattdessen direkt die relative Transmission
— h
mr
— Is3 erhalten kann, wenn man statt des hintergrundkompen-
1% sierten Meßsignals IS3w ein mit einem Faktor M
modifiziertes Signal verwendet:
TF (A1), U1
Tp(X3). U3"
Der hinzugefügte Faktor M enthält die Einflußgrö-Ben,
die für das Arbejten bei zwei verschiedenen Wellenlängen ß.\ und A3) von Bedeutung sind. Der
Faktor Menthält als ersten Anteil,
das Verhältnis der Quellen-Photonenströme. Dieses Verhältnis bleibt bei Änderungen der Quellentemperatür
nicht konstant. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die dadurch möglichen Fehler nur klein sind. Der zweite
Anteil des Faktors M, nämlich
ist das Verhältnis der Quantenwirkungsgrade des Wandlers.
Die Quantenwirkungsgrade η des Wandlers sind bei verschiedenen Wellenlängen nicht notwendigerweise
gleich, ihr Verhältnis ist jedoch konstant.
Der dritte Anteil des Faktors,
Τφι)Μι/1(λ3)Δλ3,
enthält lediglich konstante Parameter der verwendeten Filter und ist somit konstant.
In der Praxis kann der Faktor M durch einen einstellbaren Verstärker (oder Abschwächer) verwirklicht
werden. Wie ohne weiteres zu erkennen ist, kann man den Faktor M dadurch einstellen, daß man ein von
der gesuchten Komponente freies Gas, z.B. saubere
v> Luft, in die Küvette füllt, dessen Transmission bei A, und
A3 gleich sind, und die Verstärkung so einstellt, daß die
hintergrundkompensierten Signale /si wund Z53^gleich
sjnd pür ane folgenden Messungen ist dann das auf das
Bezugsfilter bezogene (normierte) hintergrundkompensierte und modifizierte Meßsignal gleich der relativen
(oder 1/IOOderprozentualen)Absorption:
/si w — M lS3w
hi ic
T8(A1) - T11(J3)
Dieses Ergebnis ist unabhängig von der Größe der Strahlungsquelle und der Quanten-Effizienz und Größe
des Wandlers, sowie im Rahmen der praktisch vorkommenden Schwankungen der Quellentemperatur
auch praktisch unabhängig von der Quellentemperatur.
Im Vergleich zu Spektrometern, bei denen das
Referenzsignal aus einem zweiten Strahlweg mit derselben Wellenlänge wie beim Meßsignal erhalten
wird, besteht ein Hauptvorteil des hier beschriebenen Einweg-Zweiwellenlängen-Geräts darin, daß Änderungen
der Transmissionsbeiträge der Apparateteile, beispielsweise durch Verschmutzung, sich praktisch
gleichermaßen beim Meßstrahl wie beim Bezugsstrahl
auswirken, und daß diesem Vorteil nicht der Nachteil eines umständlicheren Kalibrierverfahrens gegenübersteht.
In Fig.9 ist ein schematisches Diagramm eines Einweg-Infrarotanalysators 106 gezeigt, der besonders
zur Bestimmung der Konzentration von mehr als einer gasförmigen Komponente eines Gasgemisches geeignet
ist. Das System 106 in Fig.9 enthält eine Strahlungsquelle
12, eine Küvette oder Zelle 15 zur Aufnahme des zu analysierenden Gasgemisches mit Ein- und Auslaßöffnungen
19 bzw. 20, und ein Filterrad 78, das vorzugsweise so ausgebildet ist wie das in Fig.4
gezeigte und das eine Vielzahl von Filtern hat, die zwischen die Strahlungsquelle 12 und den Detektor oder
Wandler 30 geschoben werden. Das System 106 enthält ferner ein Synchronisationssystem 108 wie z. B. das in
F i g. 7 gezeigte. Der Detektor oder Wandler 30 liefert ein Ausgangssignal auf eine Leitung 110, das die
Signalkomponenten Vx^... Vxn, Vrund Vsenthält, wie
über der Leitung 110 dargestellt ist. Eine Hir.tergrund-Ausgleichsschaltung
oder Nullinien-Festhalteschaltung 112 ist vorgesehen, die durch eine entsprechende
Synchronisationsleitung 113 mit dem Hintergrundsignalindikator des Synchronisationsstromkreises 108
verbunden ist und die einen Abtast- und Haltestromkreis enthält zur Speicherung des Signals Vb zur
Subtraktion von jedem einzelnen der Signale Vr, Vx \... Vxn, um auf einer Ausgangsleitung 114 der Nullinien-Festhalteschaltung
112Signale Vx\... V'x„znerhalten,
deren Nullinie festgehalten und deren Hintergrundanteil
kompensiert ist Die Signale an der Ausgangsleitung 114 werden durch eine Analogdivisionsvorrichtung 116
normiert, die die hintergrundkompensierten Signale an Leitung 114 durch ein Signal dividiert, das repräsentativ
ist für das hintergrundkompensierte Bezugssignal Vr, das man erhält, wenn das Bezugsfilter 73 in den Weg
zwischen der Strahlungsquelle 12 und dem Detektor 30 gebracht wird.
Der Divisionsstromkreis 116 hat einen Abtast- und Haltestromkreis 118, ein Filter 119, einen Steuer-Differenzverstärker
122, eine variable Widerstandsvorrichtung, die bei diesem Beispiel eine Lichtquelle 128 und
eine damit verbundene photoempfindliche Vorrichtung 130 enthält, einen Hauptdifferenzverstärker 132 und
einen Generator 136 einer festen Standard-Spannung. Die Aufgabe des Spannungs-Divisionskreises 116
besteht darin, jedes ankommende Signal durch das Negative der hintergrundkompensierten Bezugsspannung,
— V«, zu dividieren, wenn sich die Divisionsvorrichtung im eingeschwungenen Zustand (nicht in einem
Übergangszustand) befindet. Anders gesagt, multipliziert der Divisionsstromkreis 116 die ankommende
Signalfolge mit einer Größe -MVr, von der man willkürlich sagen kann, daß sie der Größe — Kr
entspricht, wobei Kr= 1/ Vr. Das aus der Divisions vorrichtung
116 auf eine Ausgangsleitung 134 gelangende Signal wird als »normiert« angesehen. Im eingeschwungenen
Zustand ist dann das hintergrundkompensierte normierte Bezugssignal -K'rV'r=-\. Um die Arbeitsweise
der Analogdivisionsvorrichtung 116 genau zu verstehen, betrachtete man den Hauptverstärker 132,
der wie dargestellt in einer einfachen Invertierschaltung angeschlossen ist, wobei der Verstärkungsfaktor co„,/e,„
des Verstärkers im wesentlichen gleich -RiK-IRin ist,
wenn R;„ der Eingangswiderstand zum Verstärker 132
ist. Der Ausgang des Hauptverstärkers 132 wird an die Abtast- und Halteschaltung 118 gelegt, deren Öffnungszeit
durch den Bezugs-Synchronisationsslromkreis 108
gesteuert wird. Die Abtast- und Halteschaltung 118 entnimmt dann jedesmal eine Probe aus dem Bezugspegel
innerhalb des Ausgangs des Hauptverstärkers 132, wenn der Bezugs-Synchronisationsimpuls erfolgt, und
hält diesen Pegel an seinem Ausgang aufrecht. Der Ausgang der Abtast- und Halteschaltung 118 ist über ein
Tiefpaßfilter 119 an den invertierenden Einlaß des Steuer-Differenzverstärkers 122 gelegt Das Standard-Spannungssignal
an Leitung 124, das vom Generator
ίο 136 kommt und dessen Wert auf — K\ Volt fortgesetzt
wird, wobei dieser Wert willkürlich als minus »eins« betrachtet wird, wird an die nicht invertierende
Eingangsklemme des Differenzverstärkers 122 gelegt. Jedesmal wenn der Bezugspegel innerhalb des Ausj
gangs des Verstärkers 122 von — K\ Volt abweicht, wird ein Fehlersignal am Ausgang des Steuer-Differenzverstärkers
122 auf Leitung 126 erzeugt. Das Fehlersignal an Leitung 126 wird an den Steueranschluß des
spannungsgesteuerten Widerstandselementes gelegt, in diesem Fall auf eine Lichtquelle 128. Der Wert des
Widerstands Rpcder damit verbundenen photoempfindlichen
Vorrichtung 128 und somit der Verstärkungsfaktor des geschlossenen Stromkreises des Verstärkers 132
ändert sich entsprechend der Intensität des Lichts, das von der Lichtquelle 128 ausgestrahlt wird, so daß der
Bezugspegel eo„t des Ausgangs des Hauptverstärkers
132 nahezu zum Wert — Ki zurückgeführt wird. Wenn
z. B. ein Unterschied besteht zwischen dem hintergrundkomnensierten
Bezugssignal, das vom Hauptverstärker
jo 132 kommt, und dem Signal, das mit Minus »eins«
angenommen wird und vom Standardgenerator 136 mit fester Spannung kommt, so ergibt sich auf der Leitung
126 ein Signal, das zur Differenz der Signale proportional ist. Somit ist die Intensität des Lichts 128
eine Funktion der Differenz derart, daß der Widerstand Rpc der Photozelle 130 entsprechend verringert und
dadurch der Rückkopplungswiderstand so eingestellt wird, daß die Ausgangsspannung eo„, des Hauptverstärkers
132 positiver wird, wenn das hintergrundkompensierte Bezugssignal Vr negativer ist als minus »eins«,
oder daß die Ausgangsspannung eou, des Hauptverstärkers
132 dadurch negativer wird, daß sich der Widerstand Rpc der Photozelle erhöht wenn das
hintergrundkompensierte Bezugssignal Vr positiver ist als der angenommene Signalwert von minus »eins«, so
daß dip Beziehung eou, = - KRejn aufrechterhalten bleibt.
Das im Diagramm gezeigte System kann insbesondere nach jeder der beiden folgenden Arbeitsweisen
arbeiten. Bei der ersten der beiden Arbeitsweisen findet
,ο der Rückführungsprozeß gänzlich innerhalb einer
Zeitspanne statt, die der Impulsbreite eines einzelnen Bezugs-Synchronisationsimpulses entspricht Zwis :hen
den Synchronisationsimpulsen findet keine weitere Rückführung statt. Die Theorie der Regeltechnik würde
generell besagen, daß für den Fall, daß das System stabil sein soll, die Reaktionszeit der Abtast- und Halteschaltung
118, des Steuer-Differenzverstärkers 122 und des spannungsgesteuerten Widerstandes 128 und 130 kurz
sein müßte in bezug auf die Breite des Bezugsimpulses.
no In diesem Fall würde kein Tiefpaßfilter 119 verwendet
werden. Verwendet man eine sehr hohe Rotationsrate für das Filterrad, so kann die Impulsbreite der
Bezugssynchronisation ziemlich klein sein (100 Mikrosekunden). Die Abtast- und Halteschaltung 118 sowie
b5 der Steuer-Differenzverstärker 122 können so ausgelegt
sein, daß sie wesentlich schneller reagieren, es ist jedoch schwierig, eine spannungsgesteuerte Widerstandsvorrichtung
zu bekommen, die so schnell reagiert.
Feldeffekt-Transistoren können als spannungsgesteuerte Widerstände verwendet werden und reagieren so
schnell, sie verhalten sich jedoch nur bei sehr kleinen Spannungen als fast reine Widerstände von Senke zu
Quelle. Phototransistoren oder Photodioden, die mit Licht aussendenden Dioden verwendet werden, wie hier
speziell beschrieben, reagieren ebenfalls schnell, verhalten sich jedoch nur bei einigen besonderen Bedingungen
wie fast reine Widerstände. Diese zuerst beschriebene Arbeitsweise ist somit ziemlich schwierig durchzuführen.
Der zweiten der beiden Arbeitsweisen wird in dieser Anmeldung der Vorzug gegeben. Bei dieser zweiten
Arbeitsweise findet der Rückführungsprozeß fast kontinuierlich statt und beruht auf einem Vergleich des
Bezugs-Pegels mit dem Ausgang des Verstärkers 132, den man dadurch vornehmen kann, daß man den
Ausgang der Abtast- und Halteschaltung 118 durch irgendein geeignetes Tiefpaßfilter 119 filtert. Der
Vergleich führt im wesentlichen zu einem gewichteten Durchschnittswert von vielen einzelnen Abtastwerten
am Ausgang. So wird die Rückführungsrate relativ langsam sein in bezug auf die Rotationszeit des
Filterrades. Sie muß relativ langsam sein, damit man ein stabiles System erhält. Die Rückführungsgeschwindigkeit
wird durch die gewünschte Rückführungsgenauigkeit bestimmt Die Theorie der Regeltechnik besagt
allgemein, daß man jede gewünschte Rückführungs-Genauigkeit erhalten kann, aber je höher die Rückführungs-Genauigkeit
ist, desto langsamer muß die Rückführungsrate sein, wenn das System stabil bleiben
soll.
Aus Fig. 9 kann man ersehen, daß die den einzelnen
gasförmigen Komponenten des Gasgemisches entsprechenden Signale aufeinanderfolgend vom Analog-Dividierer
116 aufgenommen werden zur Konversion und Normierung durch Division durch das Bezugssignal
— Vr, um invertierte und normierte Signale —KrV'x,
..., -KgVxn mit festgehaltener Nullinie zu erhalten.
Demgemäß arbeitet das Analoggerät 116 zur Division im Zeitmultiplexbetrieb, um jede beliebige Anzahl von
Komponenten-Signalen aufzunehmen. Alle Komponenten-Signale werden zu entsprechenden linearen Verstärkern
geleitet, von denen der erste bei 138 für das Komponentensignal — KrVx^ gezeigt wird. Zum Kalibrieren
enthält die Auswerteschaltung eine Kalibriervorrichtung mit einer einzigen Steuereinrichtung. Zu
diesem Zweck kann der linerare Verstärker 138 entweder von Hand kalibriert werden wie z. B. durch
einen entsprechenden Justierknopf 140, oder automa tisch wie z. B. durch eine digitale Nullschaltung oder
eine andere automatische Steuerung. Es kann auch ein Verstärker mit ausreichend großem festem Verstärkungsfaktor
und als Steuereinrichtung einfach ein abschwächender variabler Widerstand vorgesehen sein.
Jeweils ein zusätzlicher linearer Verstärker 138 ist für jedes zu verarbeitende Signal vorgesehen, das einer dei
untersuchten gasförmigen Komponenten entspricht. Es wird lediglich ein zusätzlicher Hnearer Verstärker 13i
für den verallgemeinerten Fall einer gasförmiger Komponente Angezeigt.
Wenn sich in der Küvette 15 reine Luft befindet, wird zum Kalibrieren der Verstärkungsfaktor der linearer
Verstärker 138 so justiert, daß der Ausgang an einei Auslesevorrichtung 142 für die jeweilige Komponente
ίο Null beträgt.
Genauer gesagt, multipliziert der lineare Verstärkei
138 das normierte invertierte Signal mit festgehaltenei Nullinie wie z. B. - KRVX:(t)mit einer Konstanten Kx ,
die durch das Kalibrierverfahren so bestimmt wird, daC
ii man ein Ausgangssignal -Kx [KrVx \(t)erhä\L
Um jedes Signal, das repräsentativ ist für eine entsprechende Gaskomponente, einzeln auslesen zi
können, muß eine Signalunterscheidung vorgeseher werden. Die Signalunterscheidung ist bequem durchführbar
durch Verwendung einer Abtast- und Halteschaltung 144, die das Ausgangssignal des linearer
Verstärkers 138 empfängt und zu entsprechender Zeitpunkten, wie es von dem Synchronisationsstromkreis
108 vorgegeben wird, das Signal speichert zur kontinuierlichen Abgabe an den AdditionsanschluG
eines Verstärkers 146, während die festgelegte Standardspannung vom minus-»eins«-Generator 136 zurr
Subtraktionsanschluß des Verstärkers 146 geführt wird um ein Signal von minus »eins« von der Menge
— Kx[KrV'x\ abzuziehen. Wenn sich also in dei
Probenzelle 15 reine Luft befindet, gibt der Verstärkei
146 ein Ausgangssignal »Null« an eine Ausgangsleitung 148, die mit der Auslesevorrichtung 142 verbunden ist
Wenn bei einem zu analysierenden Gasgemisch eine Komponente X\ in einer Konzentration vorliegt, die
größer ist als die Konzentration der zur Kalibrierung verwendeten Luft, so ist das Signal — KxKr Vx \ größei
als minus »eins«, so daß sich an der Auslesevorrichtung 142 ein positives Signal Ax \ ergibt. Wie ober
beschrieben, gibt die Anzeige Ax ι der Auslesevorrichtung
142 die Konzentration der gasförmigen Komponente X\ im Gasgemisch in der Küvette 15 an. Eir
gleiches Verfahren wird durchgeführt, um das Signa Axn für die Konzentration der gasförmigen Komponente
Xn zu bestimmen, wie in F i g. 9 gezeigt.
Aus der oben gegebenen Erklärung geht hervor, da£ jeder entsprechende lineare Verstärker 138, Abtast- unc
Haltestromkreis 144 und Verstärker 146 für du entsprechenden zu untersuchenden gasförmigen Korn-
se ponenten mit entsprechenden Auslesevorrichtunger
142 verbunden ist, von denen nur eine in Fig. 13 mi einem Bezugszeichen versehen ist, so daß die Konzen
trationen der anderen gasförmigen Bestandteile nach einander bestimmt werden, wenn das Filter für die
betreffende Komponente in den Weg zwischen die Quelle 12 und den Wandler 30 gebracht wird.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
1. Spektralphotometer zur Bestimmung der Konzentration mindestens einer Komponente eines
Fluids, mit
a) einer Strahlungsquelle,
b) einer von dem Fluid durchströmten und strahlungsdurchlässige Fenster aufweisenden
Küvette,
c) einem photoelektrischen Wandler zum Empfang der durch die Küvette getretenen Strahlung,
d) einer Filtereinrichtung zur aufeinanderfolgenden wiederholten Einbringung mindestens eines
Meßfilters für eine spezifische, von der Komponente stark absorbierbare Wellenlänge, eines
Bezugsfilters für eine unspezifisehe, von der Komponente nur schwach absorbierbare Wellenlänge
und eines strahlungsundurchlässigen Elements in den Strahlengang zwischen der Strahlungsquelle und dem photoelektrischen
Wandler, und
e) einer an den photoelektrischen Wandler angeschlossenen Auswerteschaltung, die mindestens
eine erste Speicherschaltung zur Aufnahme des jeweils bei Anwesenheit des Meßfilters im
Strahlengang am Ausgang des Wandlers anfallenden Meßsignals, sowie eine zweite Speicherschaltung zur Aufnahme des jeweils jo
bei Anwesenheit des Bezugsfilters im Meßstrahlengang anfallenden Bezugssignals aufweist,
gekennzeichnet durch
f) eine in der Auswerteschaltung enthaltene dritte Speicherschaltung (112) zur Aufnahme eines
jeweils während der Anwesenheit des strahlungsundurchlässigen Elements (75, 102) im
Strahlengang am Ausgang des Wandlers (30) anfallenden Hintergrundsignals,
g) einer in der Auswerteschaltung enthaltenen Rechenschaltung zur Ermittlung eines für die
Konzentration der Komponente repräsentativen Meßwerts Ax laus der Beziehung
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