DE2438294B2

DE2438294B2 - Infrarotgasanalysator

Info

Publication number: DE2438294B2
Application number: DE19742438294
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Phys. 6051 Waldacker; Preier Horst Dr.-Ing. 6078 Neu-Isenburg Riedel
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: ABB Training Center GmbH and Co KG
Priority date: 1974-08-09
Filing date: 1974-08-09
Publication date: 1977-05-18
Also published as: FR2281564A1; JPS5142588A; NL175228B; GB1523605A; NL175228C; US4061918A; NL7509470A; DE2438294A1; FR2281564B1

Description

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Die Erfindung betrifft einen Infrarotgasanalysator mit einem IR-Laser als Strahlungsquelle, mit Einrichtungen zur Durchstimmung des Lasers über den Bereich einer druckverbreiterten Absorptionslinie des zu untersuchenden Gases, mit einem Strahlteiler zur Aufteilung der vom IR-Laser emittierten Strahlung auf einen durch das zu untersuchende Gas führenden Meßstrahlengang und einen Referenzstrahlengang, mit Detektoreinrichtungen zum Empfang der Meß- und Referenzstrahlung, sowie mit einer an die Detektoreinrichtungen ange- (.0 schlossenen Auswerteschaltung.

Die meisten Molekülgase zeigen im infraroten Spektralbereich von etwa 2 bis 20 μΓη ausgeprägte Schwingungs-Rotations-Absorptions-Linien, die für einen selektiven und quantitativen Nachweis sehr kleiner Konzentrationen des entsprechenden Gases herangezogen werden können. Derartige Messungen haben in letzter Zeit insbesondere für die Bestimmung von gesundheitsschädlicher. Abgasen im Rahmen der Verhütung von Umweltverschmutzungen Bedeutung erlangt Zur Durchführung derartiger Messungen sind für eine ausreichende Meßgenauigkeit Lichtquellen mit guter Monochromasie bei gleichzeitiger Durchstimmbarkeit der Wellenlänge erforderlich. Derartige im infraroten Spektralbereich arbeitende Lichtquellen stehen seit einiger Zeit in verschiedener Ausführungsform als Laserlichtquellen zur Verfügung.

Aus der DT-OS 23 62 935 ist ein Infrarotgasanalysator mit einem IR-Laser als Strahlungsquelle bekannt, wobei eine abstimmbare Laserdiode vorgesehen ist, um die Strahlungsquelle auf die Absorptionslinie des zu untersuchenden Gases abzustimmen. Bei dem bekannten Gasanalysator wird die von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung mittels eines Strahlungsteilers auf einen durch das zu untersuchende Gas führenden Meßstrahlengang und einen Referenzstrahlengang aufgeteilt Zum Empfang der Meß- und Referenzstrahlung dienen Detektoreinrichtungen, an die eine Auswerteschaltung angeschlossen ist Zur Eliminierung des Untergrundes muß gesondert die Absorption des Fremdgases in Abwesenheit des zu untersuchenden Gases gemessen werden. Diese Art der Transmissionsmessung stellt erhebliche Anforderungen an die Konstanz der einzelnen Parameter, wie z. B. Intensität der Lichtquelle, Wellenlänge oder optische Effektivität der Meßanordnung. Ferner muß während der Messung auch die durch Fremdgase bedingte Untergrundabsorption konstant gehalten werden. Aus diesen Gründen kann die bekannte Methode nur für relativ große Konzentrationen mit der erforderlichen Genauigkeit angewandt werden.

Aus der US-PS 38 19 945 ist es auch bekannt, den störenden Untergrundanteil im Meßsignal mit Hilfe von bei weiteren Wellenlängen ermittelten Transmissionswerten zu eliminieren. Dabei wird die Probe mit einer brdtbandigen Strahlung durchstrahlt und die Absorption in der transmittierten Strahlung mittels eines Spektrometer bestimmt. Nach der DT-OS 21 32 458 wird zur Eliminierung des Untergrundes die Transmission im Bereich und beiderseits der Absorptionslinie bei drei Frequenzen gemessen und ausgewertet. Auch bei diesem Verfahren wird die Probe breitbandig durchstrahlt und der transmittierte Strahl in drei Strahlengänge aufgeteilt, in denen mittels eines Filters oder Monochromators jeweils eine Wellenlänge erfaßt wird. Bei den beiden vorgenannten Verfahren reicht die Monochromasie der üblichen Monochromatoren jedoch nicht aus, um eine ausreichende Meßgenauigkeit zu erzielen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Infrarotgasanalysator verfügbar zu machen, der bei hoher Monochromasie und Meßgenauigkeit eine einfache Eliminierung des .Untergrundanteils gestattet.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs definierten Infrarotgasanalysator dadurch gelöst, daß die Auswerteschaltung mindestens zwei Paare von Abtast- und Halteschaltungen enthält, von denen jedes aus einer Abtast- und Halteschaltung für den Meßstrahlengang und einer Abtast- und Halteschaltung für den Referenzstrahlengang besteht, daß eine Ansteuerschaltung zur aufeinanderfolgenden Aktivierung jeweils eines Paares von Abtast- und Halteschaltungen zu wählbaren Zeitpunkten innerhalb des für die Durchstimmung des Lasers über den Bereich der Absorptionslinie benötigten Zeitintervalls vorgesehen ist, und daß die Auswerteschaltung Schaltungen zur Erzeugung von logarithmi-

sehen Verhälinissignaien aus den in jeweils einem Paar von Abtast- und Halteschaltungen gespeicherten Signalen umfaßt

Bei dem Infrarotgasanalysator gemäß der Erfindung werden die Transmissionswerte bei den einzelnen Wellenlängen während der Durchstimmung des Lasers gewonnen. Im Falle einer starken Untergrundabsorption und einer darüber nur schwach ausgeprägten Absorptionslinie des zu messenden Gases ist es günstig, die Messungen bei drei Frequenzen durchzuführen, und zwar einmal beim Maximum der Absorptionslinie und dann außerhalb oder in der Nähe der abfallenden Flanken. Demzufolge sind in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung drei Paars von Abtast- und Halteschaltungen vorgesehen.

In einer Weiterbildung der Erfindung wird der IR-Laser, insbesondere ein Halbleiurinjektionslaser gepulst betrieben. Zur definierten Einstellung der Meßfrequenzen wird in vorteilhafter Weise zwischen dem IR-Laser und dem Strahlteiler eine Referenzzelle angeordnet, die das nachzuweisende Gas bei einem niedrigen Druck enthält

Die Messung der transmittierten Emission erfolgt im Bereich der bei Atmosphärendruck druckverbreiterten Absorptionslinie. Die Monochromasie herkömmlicher Laserlichtquelle ist ausreichend, um im Bereich einer solchen druckverbreiterten Absorptionslinie die Transmission bei zwei oder drei Frequenzen messen zu können. Erfolgt die Messung bei zwei Frequenzen, so berechnet sich die Konzentration nach der Formel

C =

wobei Tu T₂ und αϊ, <x₂ die relativen Transmissionen bzw. Absorptionskoeffizienten bei den Frequenzen vi, V₂ und / die Länge der durchstrahlten Meßstrecke sind. Die Berechnung der Konzentration erfolgt bei dieser Zwei-Frequenz-Methode unter der Voraussetzung, daß die Untergrundabsorption im Meßbereich frequenzunabhängig ist Wie noch ausgeführt wird, läßt sich der vor dem Logarithmus stehende Faktor unter Verwendung eines Gases bekannter Konzentration als Eichfaktor ermitteln. Es brauchen dann lediglich die relativen Transmissionen Ti und Ti bestimmt zu werden.

Für den Fall, daß die Messung bei drei Frequenzen erfolgt, berechnet sich die Konzentration nach der Formel

c= - L ("3 ~ ''2) In T, + (v, - v₃) In T₂ + (v_z - V₁) In T₃

' (»'3 - 'l) *1 + ('Ί - V₃) Λ₂ + (r₂ - V₁) IX₁

wobei ΤΊ, T2, Ti und &\, «₂, 0C3 die relativen Transmissionen bzw. Absorptionskoeffizienten bei den Frequenzen v_t, V₂, V₃ und / die Länge der Meßstrecke sind.

Die Berechnung der Gaskonzentratton bei der Drei-Frequenz-Methode setzt voraus, daß der Logarithmus der durch die Fremdgase bedingten Untergrundtransmission im Bereich der drei Meßfrequenzen frequenzlinar verläuft, was einer frequenzlinearen Absorption entspricht Ebenso wie bei der Zwei-Frequenz-Methode werden auch hier die relativen Transmissionen durch Quotientenbildung der emittierten und der transmittierten Intensität bestimmt Die Berechnung erfolgt dann im wesentlichen durch Addition bzw. Subtraktion der Logarithmen von sechs Meßwerten, von denen jeweils zwei durch Quotientenbildung bei der gleichen Frequenz gewonnen werden. Der Nenner des Bruchs und die Länge der Meßstrecke lassen sich bei Verwendung eines Gases bekannter Konzentration als Eichfaktor bestimmen. Die Berechnung nach den Formeln (1) und (2) kann auch näherungsweise durchgeführt werden.

Als Laserlichtquellen kommen Farbstofflaser, optische parametrische Oszillatoren oder Spin-Flip-Raman-Laser in Frage. Als besonders vorteilhaft zeigt sich die Verwendung eines Halbleiterinjektionslasers, der sowohl im Dauerstrich als auch im Impulsbetrieb vorteilhaft eingesetzt werden kann. Die Durchstimmung des Halbleiterlaser kann über Druck, Magnetfeld oder in einfachster Weise durch die Temperatur eingestellt werden, die sich wiederum durch Änderung der zugeführten Leistung leicht einregeln läßt.

Im folgenden werden als Ausführungsbeispiele für den optischen Teil des Infrarotgasanalysators gernäß der Erfindung drei Meßanordnungen beschrieben. Ein gepulster Betrieb setzt eine Anordnung voraus, bei der als IR-Lichtquelle ein gepulster Laser vorgesehen ist, dessen Strahlung mittels eines Strahlteilers in einen die MelWrecke durchlaufenden Strahl und einen zur Messung der emittierten Intensität verwendeten Strahl aufgeteilt wird, bei der der Strahl zur Messung der emittierten Intensität und der Strahl zur Messung der transmittierten Intensität von nur einem Detektor erfaßt werden und bei der die Laufzeit des transmittier ten Strahls in der Meßstrecke länger als die Impulsdauer des Lasers ist so daß der emittierte und der transmittierte Strahl zeitlich getrennt auf den Detektor fallen.

Das Wesen der Erfindung soll anhand einiger Figuren

erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 bis 3 Meßanordnungen für einen Infrarotgasanalysator,

Fig.4 eine Abwandlung der Meßanordnungen nach den F i g. 1 bis 3 zur Bestimmung der Meßfrequenz,

F i g. 5 die Prinzipschaltung einer Signale verarbeitenden Elektronik zur Erfassung und Auswertung der Meßwerte.

In den Figuren sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Das aus dem Laser 1 kommende Licht wird ühcr pine schaltbare Umlenkeinrichtung 2 entweder auf die Meßstrecke 3 oder über einen sphärischen Spiegel 4 direkt auf einen Detektor 5 gegeben. In letzterem Fall dient der Referenzstrahl zur Messung der emittierten Intensität. Die transmittierte Intensität ergibt sich aus dem Strahl, der nach Durchlaufen der Meßstrecke 3 auf den Detektor 5 fällt. Als Detektor kann beispielsweise eine Fotodiode dienen. Die Signale werden über einen Vorverstärker 6 verstärkt und einer elektronischen Auswerteinrichtung 7 zur Speicherung und Weiterverarbeitung zugeführt. Eine Lasersteuereinrichtung 8 dient zur Ansteuerung des Lasers. Um sowohl beim Betrieb im Dauerstrich als auch mit Laserimpulsen eine Zuordnung zu der jeweiligen Laseransteuerung, die auch die Frequenz der ausgestrahlten Strahlung bestimmt, zu der elektronischen Auswerteinrichtung sicherzustellen, ist eine durch die Linie 9 symbolisch dargestellte Synchronisation zwischen der Laseran-

steuerung 8 und der Auswerteinrichtung 7 vorgesehen. Ebenso wird über die Leitung 10 der Schaltzustand der Umlenkeinrichtung 2 der Auswertungseinrichtung 7 zur Identifizierung der Meßgrößen signalisiert.

In der Meßanordnung gemäß Fig.2 wird das von dem Laser 1 kommende Licht mittels eines Strahlteilers 11 in zwei Strahlen geteilt, von denen der eine die Meßstrecke 3 durchläuft und auf einen Detektor 5a geleitet wird, während der andere Strahl zur Messung zelle ist verringert, so daß die Breite der Absorptionslinie wesentlich kleiner als die druckverbreiierte Linie im Meßkanal ist. Durch eine geeignete Elektronik (z. B. Hochpaß) kann aus dem Referenz- oder Meßsignal dieses scharfe zusätzliche Absorptionssignal separiert werden und als Marke für die genaue zeitliche Lage der Absorptionslinie relativ zum Pulsbeginn des Lasers aufgearbeitet werden. Dadurch ist eine Messung der Zeiten /,· relativ zu dieser Zeitmarke möglich und damit

der emittierten Intensität einem zweiten Detektor 5b io die Lage der Meßfrequenzen v, relativ zur Absorptions-

zugeleitet wird. Die von den Detektoren empfangenen Lichtsignale werden als elektrische Signale in den Verstärkern 6a und üb verstärkt und wiederum der elektronischen Auswerteinrichtung 7 zugeführt. Bei linie bestimmt

Da dieses zusätzliche Absorptionssignal im Referenz-„nd Meßkanal erscheint, wird es bei der Bestimmung der relativen Transmission eliminiert Durch Laufzeit-

dieser Anordnung findet eine gleichzeitige Messung der 1₅ unterschiede können jedoch die Meßfrequenzen in den

" beiden Kanälen differieren, was infolge der scharfen

Linie einen großen Meßfehler bewirken kann. Durch geeignete elektronische Signalaufbereitung (z. B. Tiefpaß) kann in den Meßsignalen das zusätzliche

transmittierten und der emittierten intensität statt.

Dadurch werden Fehler, die durch das Rauschen des Lasers oder eine Instabilität der Amplitude der emittierten Strahlung hervorgerufen werden, weitge- . ,

hend vermieden. Die unterschiedlichen Laufzeiten im 20 Absorptionssignal unterdrückt werden, wodurch die

Referenz- und Meßkanal werden in bekannter Weise Empfindlichkeit gegen Laufzeitunterschiede reduziert

auf elektronischem Wege ausgeglichea wird. Ebenso ist es von Vorteil, die Meßfrequenzen (r,)

Die Anordnung nach F i g. 3 ist für eine Messung mit so zu wählen, daß sie etwas neben dem Maximum der

gepulster Laserstrahlung vorgesehen. Der Strahlteiler Absorptionslinie liegen.

11 teilt den ankommenden Strahl in einen Meßstrahl 25 Anhand von F i g. 5 wird im folgenden ein Beispiel der

signal verarbeitenden Elektronik für die Drei-Frequenz-Methode in einer der Anordnungen nach F i g. 1 bis 3 erläutert Als Laserlichtquelle dient hierbei vorzugsweise ein gepulster Halbleiterinjektionslaser, der im

zum Durchlaufen der Meßstrecke 3 und einen Referenzstrahl auf, der direkt auf den Detektor 5 geleitet wird. Eine Voraussetzung für die Arbeitsweise dieser Meßanordnung ist, daß die

Laufzeit der

transmittierten Strahlung in der Meßstrecke 3 größer ist 30 Bereich einer geeigneten druckverbreiterten Absorp-

als die Impulsdauer des Lasers zuzüglich der Laufzeit in der Referenzstrecke. Die Figur gibt insofern die wirklichen Verhältnisse nicht korrekt wieder, als die Meßstrecke bei der praktischen Anwendung wesentlich länger als der Strahlverlauf außerhalb der Meßstrecke bis zur Lichtquelle bzw. bis zum Detektor ist Die emittierte Strahlung wird während der Impulsdauer gemessen, während in der Pausenzeit die entsprechend zeitlich verzögerte transmittierte Strahlung auf den Detektor trifft und damit zeitlich getrennt von der emittierten Intensität gemessen und in der elektronischen Auswertungseinrichtung gespeichert werden kann.
Zur Bestimmung der Meßfrequenzen ν, kann im Falle tionslinie des nachzuweisenden Gases infolge Erwärmung durch den Diodenstrom während des Pulses um einige Zehntel Wellenzahlen kontinuierlich abgestimmt wird.

Über Tiefpässe zur Begrenzung der Bandbreite und zur Unterdrückung des zusätzlichen Absorptionssignais der Referenzzelle werden die verstärkten Signale für die emittierte und transmittierte Intensität Abtast- und Halteschaltungen 14,14', 14" bzw. 13,13', 13" zugeführt

Zu den Zeiten t(v)_e bzw. t(v)_t stehen die Meßwerte für die emittierte bzw. tfansmittierte Intensität bei der Frequenz ν an. Durch Ansteuern der einzelnen Abtast- und Halteschaltungen zu den den Meßfrequenzen ν entsprechenden Zeiten ti. _e bzw. ti, werden die Werte füi

e Und /,;

einer kontinuierlichen Abstimmung der Laserwellenlän- 45 die emittierte bzw. transmittierte Intensität
ge eine Weiterbildung nach Fig.4 dienen. Dabei ist zu abgespeichert Durch einen Multiplexer werden nachbeachten, daß sich die Frequenz in Abhängigkeit von einander jeweils die Werte für die emittierte unc der Zeit ändert und damit eine Frequenzmairke auch transmittierte Intensität an ein Logarithmierwerk Ii eine Zeitmarke darstellt In den gemeinsamen Strahlen- bzw. 16 weitergeschaltet, wo die Logarithmen dei gang von Meß- und Referenzkanal in einer Anordnung 50 Transmissionen errechnet und in drei Abtast- unc nach Fig. 1 bis 3 wird eine Referenzzelle 12 Halteschaltungen 17, 17', 17" abgespeichert werden eingebracht, die sine geringe Menge des nachzuweisen- Aus diesen Werten wird entsprechend einer umge den Gases enthält Der Gesamtdruck in der Referenz- schriebenen Form von Gleichung (2)

c = E f>₃ - I₂)(In T₁ - In T₂) + (>·₂ - V₁)On T₃ - In T₂)]

mit den durch drei Koeffizientenpotentiometer eingegebenen Größen {v₂—Vi), (v₃—V₂) sowie einem Eichfaktor £ der sich aus den Frequenzen, den dazugehörenden Absorptionskoeffizienten und der Länge der Meßstrekke zusammensetzt und sich mittels eines Gases bekannter Konzentration bestimmen läßt, ein Wert für

60 die Konzentration c errechnet, der dann in eine: abschließenden Abtast- und Halteschaltung 18 bis zurr nächsten Pulszyklus gespeichert wird. Ein Tiefpaß an Ausgang mittelt die Meßergebnisse mehrerer Pulszyk len zur Unterdrückung von Rauscheffekten.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Infrarotgasanalysator mit einem IR-Laser als Strahlungsquelle, mit Einrichtungen zur Durchstimmung des Lasers über den Bereich einer druckverbreiterten Absorptionslinie des zu untersuchenden Gases, mit einem Strahlteiler zur Aufteilung der vom IR-Laser emittierten Strahlung auf einen durch das zu untersuchende Gas führenden Meßstrahlengang und einen Referenzstrahlengang, mit Detektoreinrichtungen zum Empfang der MeB- und Referenzstrahlung, sowie mit einer an die Detektoreinrichtungen angeschlossenen Auswerteschiitung, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung mindestens zwei Paare von Abtast- und Halteschaltungen (13,14; 13', 14') enthält, von denen jedes aus einer Abtast- und Halteschaltung (13; 13') für den Meßstrahlengang und einer Abtast- und Halteschaltung (14; 14') für den Referenzstrahlengang besteht, daß eine Ansteuerschaltung zur aufeinanderfolgenden Aktivierung jeweils eines Paares von Abtast- und Halteschaltungen zu wählbaren Zeitpunkten innerhalb des für die Durchstimmung des Lasers (1) über den Bereich der Absorptionslinie benötigten Zeitintervalls vorgesehen ist, und daß die Auswerteschaltung Schaltungen (15,16) zur Erzeugung von logarithmischen Verhältnissignalen aus den in jeweils einem Paar von Abtast- und Halteschaiuingen gespeicherten Signalen umfaßt

2. Infrarotgasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß drei Paare von Abtast- und Halteschaltungen (13, t4; 13', 14'; 13", 14") vorgesehen sind.

3. Infrarotgasanalysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der IR-Laser (1) ein Halbleiterinjektionslaser ist

4. Infrarotgasanalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der IR-Laser (1) gepulst betrieben ist

5. Infrarotgasanalysator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem IR-Laser (1) und dem Strahlteiler (11) eine Referenzzelle (12) angeordnet ist, die das nachzuweisende Gas bei einem Infrarotgasanalysator Druck enthält.