DE2529999A1 - Optisches instrument zur messung der konzentration von verunreinigungsgasen auf langen und kurzen geometrischen wegen - Google Patents
Optisches instrument zur messung der konzentration von verunreinigungsgasen auf langen und kurzen geometrischen wegenInfo
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Description
Tiziano Tirabassi, Ottavio Vittori Antisari, Giulio Cesari,
Giorgio Giovanelli und Ubaldo Bonafe
Optisches Instrument zur Messung der Konzentration von
Verunreinigungsgasen auf langen und kurzen geometrischen Wegen
Priorität: 4. Juli 1974, Italien, Nr. 3431-A/74
Die Erfindung "betrifft ein optisches Instrument zur Messung
der Konzentration von Verunreinigungsgasen auf langen und kurzen geometrischen Wegen und "bezieht sich insbesondere auf
die Messung optischer Wege (Werte der mittleren Gaskonzentration aufgrund des geometrischen Abstandes zwischen der Lichtquelle
und dem Meßinstrument) von Verunreinigungsgasen (z.B. SO^, NOp, NH,, HC-) in der Atmosphäre auf langen (einige
Kilometer) und kurzen geometrischen Wegen.
509884/0903
_i
Es sind optische Instrumente zur Messung der Konzentration von Verunreinigungsgöcen bekannt, welche im Feld der Masken-Korrelationsspektrofotometrie
arbeiten, wobei im wesentlichen ein optisches System dazu dient, das Licht auszurichten,
welches von einer Quelle kommt, die auf einem vorgegebenen Abstand angeordnet ist, wobei weiterhin ein Spektraldispersionselement,
eine Korrelationsmaske und ein Fotodetektor vorhanden sind. Lin vorgegebener Spektralanteil der Quelle
wird mit der Maske korreliert, welche eine relative zyklische Bewegung ausführt.
Die spektrale Form der Lichtquelle wird durch die Absorption aufgrund des Mediums verändert, durch welches das Licht hindurchgeht.
Ein Gas verändert das Quellenspektrum proportional zu dem Wert des molekularen Absorptionsquerschnittes für Jede Wellenlänge
und zu der Konzentration der absorbierenden Moleküle.
Das Produkt aus der Konzentration eines vorgegebenen Gases und dem geometrischen Abstand der Lichtquelle von dem Instrument
wird durch das Lambert1sehe Gesetz für parallele und
monochromatische Lichtbündel gegeben:
N = No exp (-aCL)
509884/0903
worin:
N = die von der Quelle kommende und durch das Gas hindurchgehende Bestrahlungsstärke,
N = die Bestrahlungsstärke der Quelle in bezug auf eine
bestimmte Wellenlänge,
α = der Absorptionskoeffizient für das Gas für dieselbe Wellenlänge
C = die mittlere Konzentration des Gases L = der geometrische Weg, welcher von dem Lichtbündel
zurückgelegt wird»
bedeutet.
bedeutet.
Wenn beispielsweise das Durchlässigkeitsspektrum von SOp im
ο ο Spektralbereich von 2950 bis 3150 A (Angström) betrachtet
wird, so zeigt es eine typische wellige Form. Die Instrumentenmaske weist eine Reihe von Schlitzen auf.
Die Schlitzabstände entsprechen den Abständen der Absorptions-"Bänder"
oder -"Fenster" des Gases, wie sie in der Austritts-
o brennebene des Spektrometers (im Bereich von 2950 bis 3150 A)
vorhanden sind.
Die Maske ist in der Austrittsbrennebene des Spektrometers angeordnet und kann mit einer vorgegebenen Frequenz schwingen,
so daß in den Totpunkten der Maskenschwingung die Schlitze auf der einen Seite mit den "Bändern" und auf der anderen Seite
mit den "Fenstern" des Gasspektrums zusammenfallen (angrenzend an die"Bänder").
50988A/0903
- Jf -- "I
Ein sinusförmiges Signal ergibt sich am Ausgang des Fotovervielfachers.
Betrachtet man das Energieverhältnis P^/Pp, wobei P^, diejenige
Energie anzeigt, welche den Fotovervielfacher erreicht, wenn die Maskenschlitze mit den 6asabsorptions-"Fenstern" zusammenfallen,
und wobei Pp diejenige Energie angibt, welche den Fotovervielfacher erreicht, wenn die Maskenschlitze mit
den Gasabsorptions-"Bändern" zusammenfallen, so läßt sich
sein Mittelwert über die Schlitzbreite folgendermaßen schreiben:
. - CL)
Für diese Gleichung gelten folgende Beziehungen:
K = Instrumentenkonstante (optisches System, Spektrometer-
Faktor, Filter usw.)
n = Anzahl der Schlitze, welche fotografisch auf der Maske hergestellt sind,
n = Anzahl der Schlitze, welche fotografisch auf der Maske hergestellt sind,
N. . = Quellenspektralbeleuchtungsstärke an der Stelle des
A) J-
i-ten Schlitzes (Mittelwert auf der Schlitzbreite)
<x( ■ = Gasabsorptionskoeffizient an der Stelle des i-ten
Schlitzes (Mittelwert auf der Schlitzbreite)
Ν, . = Quellenspektralbeleuchtungsstärke an der Stelle des
j-ten Schlitzes (Mittelwert auf der Schlitzbreite)
509884/0903
Γ - 5 - π
α., . = der Gasabsorptionskoeffizient an der Stelle des
j-ten Schlitzes (Mittelwert auf der Schlitzbreite)
Da angenommen wird, daß unabhängig von der Quellenspektralform und der Quellenintensität die Werte N^ und α ^ während
der Messung nicht verändert werden, liefern die bekannten Instrumente eine Kurve, bei welcher der Meßwert E des Instrumentes
nur eine Funktion des optischen V/eges CL des in der Prüfung befindlichen Gases (SOp) ist und somit der Gaskonzentration.
Eine solche Kurve, welche im Laboratorium erhalten wird, wird zur Messung bekannter optischer V/ege in der Atmosphäre verwendet.
Solche Instrumente, welche auf der Maskenkorrelations-Spektrofotometrie
bei der Messung von Gaskonzentrationen in der Atmosphäre beruhen, haben sich nicht als zufriedenstellend
erwiesen, da sie die Verwendung einer Ansprechkurve oder Kennlinie nicht ermöglichen, welche im Laboratorium gewonnen wurde,
und zwar für Messungen auf langen geometrischen V/egen.
Bei solchen bekannten Instrumenten wird angenommen, daß die Lichtenergie, welche das Instrument erreicht, konstant wäre.
Bei Messungen in der Atmosphäre (auf langen geometrischen V/egen) ist dies jedoch nicht der Fall, weil die Quellenspektralform
durch die Strahlung verändert wird, welche durch die Atmosphäre
J 509884/0903
Γ - 6 ■ -
hindurchgeht (selbst dann, wenn sie von dem zu prüfenden Gas frei ist).
Wenn die Wirkung von anderen möglichen Gasen vernachlässigt wird, welche die Atmosphäre verunreinigen (deren Auswirkung
gering ist), rührt eine solche Veränderung hauptsächlich von der Lichtstreuung her, welche durch die Luftmoleküle und
Partikeln, atmosphärischen Staub, Tröpfchen usw. verursacht wird.
Somit verändert über große Entfernungen zwischen der Quelle und dem Instrument die Streuung den Wert des optischen Weges
CL des zu untersuchenden Gases und läßt die zuvor im Laboratorium aufgenommene Kennlinie unbrauchbar werden.
Diese Tatsache kann auch theoretisch aus der oben angegebenen Gleichung abgeleitet werden, wenn das Interferenz-Phänomen
berücksichtigt wird, welches von der atmosphärischen Streuung herrührt, so daß sich folgende Beziehung angeben läßt:
R = K
I , iNX i exP (-α/ i · LC) · exP C-ßx i · L)
Σ .Hf . exp (-cc, . . LC) exp (-ß. . . L)
Λ Ü Λ)ϋ Al d Aid
wobei weiterhin ß ( . und ß c . (i, j = 1,2 ... η) die Extinktions-
Λ,1 Aid
koeffizienten (Mittelwerte aus der Spaltbreite) aufgrund der atmosphärischen Streuung sind.
50988^/0903
2523999
β, . entspricht den Maskenschlitzen, welche mit den SOp-Absorptions-"Fenstern"
zusammenfallen und ß, . entspricht den Maskenschlitzen, welche mit den SOp-Absorptions-"Bändern"
zusammenfallen.
Die Abhängigkeit der Streufunktion von «A (Extinktionskoeffizientenwert
als Funktion der spektralen Wellenlänge) läßt sich nicht vorhersehen: die Streuung in der Atmosphäre rührt
sowohl von Molekülen als auch von Partikeln her.
Der Querschnitt der molekularen Streuung ist proportional zu &~ , derjenige für die Partikeln zu X~ , wobei b im Bereich
von etwa 1,3 bis 1,9 liegt. Dies bedeutet, die spektrale Form einer Quelle wird abgeschwächt und verändert, und zwar exponentiell
mit dem Abstand, und somit sind diejenigen Messungen, welche in der Atmosphäre mit einem Maskenkorrelations-Spektrofotometer
ausgeführt werden, nicht nur Funktionen des optischen Weges CL des zu untersuchenden Gases (SO2), sondern
auch der Extinktions-(oder der Absorptions-)-koeffizienten
aufgrund der Atmosphäre.
Die Abhängigkeit des Instrumentenmeßwertes R von der atmosphärischen
Streuung wird sowohl ohne Verunreinigungsgas (CL = 0) als auch beim Vorhandensein des zu untersuchenden Gases beobachtet.
Die Kurve des Instrumentenmeßwertes R, welche im Laboratorium zur Kalibrierung des Instrumentes aufgenommen wurde, kann
509884/0903
Γ 8 Π
deshalb für genaue Messungen in der Atmosphäre nicht verwendet werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine optische Meßeinrichtung der eingangs erläuterten Art zu schaffen, und zwar auf der
Grundlage der Maskenkorrelations-Spektrofotometrie, mit welcher es möglich ist, Präzisionsmessungen für Verunreinigungsgas-Konzentrationen
in der Atmosphäre sowohl für kurze als auch für lange (einige Kilometer) geometrische Wege auszuführen.
Weiterhin soll gemäß der Erfindung bei Messungen auf langen geometrischen Wegen eine große Vielseitigkeit erreicht werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß ein Teleskop vorgesehen ist, welches ein Lichtbündel, das
von einer auf einem vorgegebenen Abstand angeordneten Quelle kommt, in den Spalt eines Spektrometers fokussiert,
daß weiterhin wenigstens eine Zelle vorhanden ist, welche eine bekannte Konzentration des zu untersuchenden Verunreinigungsgases
enthält, daß diese Zelle durch eine geeignete Steuereinrichtung entlang dem Weg des Lichtbündels
zwischen das Teleskop und den Spalt bringbar ist, daß das Spektrometer das Lichtbündel streut und in der Austrittsbrennebene fokussiert, daß weiterhin eine Maske vorhanden
ist, welche mit Schlitzen ausgestattet ist, daß die Maske durch eine geeignete Einrichtung bewegt wird und in der
Austrittsebene des Spektrometers angeordnet ist, daß
609884/0903
r _ 9_ π
die Maske zusammen mit der Einrichtung derart ausgebildet ist, daß sie dazu geeignet sind, die Abtastung des gestreuten
Lichtbündels in wenigstens vier Reihen von Wellenlängenbereichen vorzunehmen, daß weiterhin ein Fotodetektor vorhanden
ist, der am Ausgang elektrische Signale abgibt, wenn er am Eingang Lichtsignale empfängt, welche von der
Abtastung herrühren, daß weiterhin eine elektronische Einrichtung vorgesehen ist, welche am Ausgang des Fotodetektors
angeordnet und derart ausgebildet ist, daß sie wenigstens vier numerische V/erte liefert, von denen ein erster
numerischer Wert sich auf das Verhältnis zwischen zwei elektrischen Signalen bezieht, die jeweils auf die Abtastung
einer ersten und einer zweiten Reihe von Wellenlängenbereichen des gestreuten Bündels bezogen sind, wobei ein
zweiter numerischer Wert sich auf das Verhältnis zwischen zwei elektrischen Signalen bezieht, welche jeweils auf die
Abtastung einer dritten und einer vierten Reihe von Wellenlängenbereichen des gestreuten Bündels bezogen sind, wobei
weiterhin ein dritter numerischer Wert sich auf das Verhältnis zwischen zwei elektrischen Signalen bezieht, die jeweils
auf die Abtastung der ersten und der zweiten Reihe von Wellenlängenbereichen des gestreuten Bündels bezogen sind, wenn
die Zelle entlang dem Lichtbündel zwischengeschaltet ist, und wobei ein vierter numerischer Wert sich auf das Verhältnis
zwischen zwei elektrischen Signalen bezieht, welche jeweils auf die Abtastung der dritten und der vierten Reihe
509884/0903
- ίο - n
von Wellenlängenbereichen des gestreuten Lichtbündels bezogen sind, wenn die Zelle entlang dem Weg des Lichtbündels zwischengeschaltet
ist, daß die Erzeugung der numerischen Daten derart erfolgt, daß am Ausgang ein numerischer Wert entsteht,
welcher durch den Wert der bekannten Konzentration des Verunreinigungsgases bestimmt ist, welcher in der Zelle
enthalten ist, multipliziert mit der Länge der Zelle und mit dem Verhältnis, welches als Zähler die Differenz zwischen
dem ersten und dem zweiten numerischen Wert hat und als Nenner das Produkt aus dem Abstand zwischen der Quelle
und der Meßeinrichtung einerseits und dem Wert andererseits, welcher aus einer Subtraktion der Differenz zwischen
dem ersten und dem zweiten numerischen Wert von der Differenz zwischen dem dritten und dem vierten numerischen
Wert gebildet ist.
9884/09
Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der
Zeichnung "beschrieben; in dieser zeigen:
Zeichnung "beschrieben; in dieser zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Meßeinrichtung,
Fig. 2 ein detailliertes Blockschema einer elektronischen Einrichtung,
welche in der Meßeinrichtung vorhanden ist,
Fig. 3 eine grafische Darstellung eines Beispiels des Durchlässigkeit
sspektrums von SOp,
Fig. 4a und 4b jeweils in schematischer Darstellung ein Diagramm
des Durchlässigkeitsspektrums gemäß Fig. 35
und zwar in einem anderen Maßstab, begrenzt auf einen Bereich kürzerer Wellenlänge, und
und zwar in einem anderen Maßstab, begrenzt auf einen Bereich kürzerer Wellenlänge, und
Fig. 5 ein Diagramm eines Beispiels einer vollständigen Folge
von Signalen am Ausgang des Fotodetektors, welcher in der Meßeinrichtung vorhanden ist.
In den Diagrammen der Fig. 3» 4-a und 4b sind auf den Ordinanten
die Durchlässigkeitswerte (T) und auf den Abszissen die Wellenlängen in (A) aufgetragen.
In der grafischen Darstellung gemäß Fig. 5 sind auf den Ordinaten
die Spannungswerte (V) und auf der Abszisse die Zeit (t) aufgetragen.
L _l
509884/0903
Γ -12-
In der Zeichnung ist mit 1 ein Teleskop bezeichnet, insbesondere ein Cassegrain-Teleskop. Dieses Teleskop fokussiert ein
Lichtbündel, welches von einer Lichtquelle kommt, die beispielsweise aus einer Quarz-Jod-Lampe oder einer Xenon-Bogenlampe
besteht, in einen Spalt 2, der am Eingang eines Spektrometers 3 angeordnet ist. Zwischen dem Teleskop 1 und dem
Schlitz 2 sind eine Gruppe von Zellen 4 angeordnet. Jede dieser Zellen 4 enthält eine bekannte Konzentration des Verunreinigungsgases,
dessen Konzentration in der Atmosphäre gemessen werden soll.
Die Zellen 4 können getrennt durch eine geeignete und in der Zeichnung nicht dargestellte Einrichtung in das Lichtbündel
gebracht werden, welches von dem Teleskop 1 kommt, und zwar vor dem Spalt 2.
Das Spektrometer 3 ist ein Gitterspektrometer, insbesondere
kann zweckmäßigerweise ein Fast-Ebert-Gitterspektrometer
verwendet werden.
Das von dem Spalt 2 kommende Lichtbündel, welches auf einen Teil des sphärischen Spiegels 3a auftrifft, wird auf ein Gitter
3b reflektiert. Das Gitter 3b streut (durch spektrale Dispersion) das Bündel und wirft es auf den sphärischen Spiegel
3a, welcher das gestreute Bündel auf den Austrittsbrennspiegel des Spektrometers 3 reflektiert, mit welchem der
Spektrometerausgang 5 fluchtet.
509884/0903
Der Spiegel 3a und das Gitter 3b sind integrale Bestandteile
des Spektrometers 3·
In der Austrittsbrennebene des Spektrometers ist eine rotierende Maske 6 angeordnet, welche durch eine geeignete Einrichtung
in Drehung versetzt wird, insbesondere durch einen Motor 7?
dessen Geschwindigkeit durch eine elektronische Einrichtung gesteuert wird, die im einzelnen anhand der Fig. 2 näher erläutert
wird.
Die rotierende Maske 6 weist eine Quarzscheibe mit einer nicht transparenten Oberfläche für die Strahlung auf. Die Scheibe
weist vier Reihen von Spalten bzw. Schlitzen auf, die auf fotografischem Weg hergestellt sind, und diese Spalte bzw.
Schlitze bestehen aus Abschnitten von konzentrischen Teilen
oder Toroiden, die in Sektoren angeordnet sind, und zwar in der Weise, daß eine Abtastung auf vier verschiedenen Reihen
von Wellenlängenbereichen des gestreuten Lichtbündels erfolgt.
Diese vier Reihen von Schlitzen sind ähnlich (haben dieselbe Länge bei entsprechenden Schlitzen, haben denselben Abstand
zwischen zwei aufeinander folgenden Schlitzen jeder Reihe und haben dieselbe Anzahl von Schlitzen). Diese Reihen unterscheiden
sich nur im Abstand, den sie von der Scheibenachse aufweisen, und somit auch hinsichtlich der unterschiedlichen Anordnung,
in welcher die Abtastung während der Drehung der Scheibe erfolgt, und zwar in unterschiedlichen Zeitpunkten
in bezug auf die jeweiligen Lagen der "Bänder" und "Fenster"
509884/0903
des Absorptionsspektrums des in der Prüfung befindlichen Gases,
und zwar in einer Projektion auf die Austrittsbrennebene des Spektrometers.
Die Anordnung der Schlitze zueinander und in bezug auf die
Scheibenachse ist eine Funktion des in der Prüfung befindlichen Verunreinigungsgases.
Wenn das in der Prüfung befindliche Gas beispielsweise ist, ist das Übertragungsspektrum innerhalb eines Wellenlän-
o
genbereiches von 2900 bis 3150 A beschränkt (siehe Fig. 3)·
genbereiches von 2900 bis 3150 A beschränkt (siehe Fig. 3)·
In diesem Falle ist die Anordnung der vier Schlitzreihen auch
mit Hilfe der Fig. 4a und 4b ableitbar, wo für jede Schlitzreihe
nur drei aufeinanderfolgende Schlitze gezeichnet sind.
Wenn nämlich die vier Schlitzreihen mit i, 0,1 und d bezeichnet
werden, fällt die Schlitzreihe "i" (siehe Fig. 4a) mit den
Absorptions-"Fenstern" von SOp zusammen, und die Schlitzreihe "j" fällt mit den Absorptions-"Bändern" von SOo zusammen.
In den Fig. 4a und 4b entspricht die Breite der Schlitze im
Maßstab den Absorptions-"Bändern" und den Absorptions-"Fenstern"
von
Die Schlitzreihe "1" (siehe Fig. 4b) ist um einen bestimmten
Betrag in Richtung auf den ultravioletten Bereich verschoben,
ο
insbesondere 2,4 A hinsichtlich der Anordnung der Reihe "i".
insbesondere 2,4 A hinsichtlich der Anordnung der Reihe "i".
50988470903
Γ - 15 - π
Die Reihe "d" ist in Richtung auf den ultravioletten Bereich
um. einen ähnlichen Betrag hinsichtlich der Reihe "j" verschoben.
Die Einrichtung der rotierenden Maske kann parallel zu der Brennebene des Spektrometers übertragen und gestattet eine
ordnungsgemäße Zentrierung der vier Schlitzreihen im Hinblick
auf die Anordnung der "Bänder" und "Fenster" des Absorptionsspektrums des Verunreinigungsgases, wie sie auf der Austrittsbrennebene des Spektrometers 3 erscheinen.
Ein Fotovervielfacher 10, welcher hinter der rotierenden Maske 6 angeordnet ist, nimmt das gestreute Lichtbündel auf, welches
durch die Schlitzreihen hindurchgeht, wobei eine Abtastung des Bündels erfolgt, und wandelt das letztere in elektrische
Signale 11 um (siehe Fig. 5)ι welche eine ähnliche Dauer haben,
weil die Maske mit einer konstanten Geschwindigkeit rotiert.
Da vier Schlitzreihen vorhanden sind, und zwar am Ausgang des Fotovervielfachers 10, ergibt sich eine zyklische Folge
von vier elektrischen Signalen 11a, 11b, 11c und 11d, welche sich mit derselben Rotationsfrequenz der Maske 6 wiederholen.
Jedes der elektrischen Signale entspricht einer Abtastung, welche durch die entsprechenden Schlitzreihen in einer Reihe
von Wellenlängenbereichen des gestreuten Lichtbündels durchgeführt wurden.
50988A/0903
Γ -16- Π
Das elektrische Signal 11a mit einer Amplitude V. wird erhalten,
wenn die Schlitzreihe "i" , welche vor der Ausgangsbrennebene
des Spektrometers 5 vorbeigeht, die "Fenster" des
Absorptionsspektrums des Verunreinigungsgases sieht, insbesondere bei SOo.
Das elektrische Signal 11b mit derAmplitude V . wird erhalten,
und zwar in ähnlicher Weise, wenn die Schlitzreihe "j" die
"Bänder" des Absorptionsspektrums sieht.
Das elektrische Signal 11c, dessen Amplitude V, geringer ist
als bei V., wird erhalten, wenn die Schlitzreihe "1" die Spek- «3
tralbereiche sieht, welche um einen bestimmten Betrag in Richtung auf den ultravioletten Bereich hinsichtlich der Anordnung
der Gasabsorptions-"i1enster" verschoben sind.
Das elektrische Signal 11d, dessen Amplitude V, größer ist als bei V., wird erhalten, wenn die Schlitzreihe "d" die
Spektralbereiche sieht, welche um denselben Betrag in Richtung auf den ultravioletten Bereich hinsichtlich der Gasabsorptions-"Bänder"
verschoben sind.
Eine mit Chrom beschichtete Quarzscheibe, welche die Maske bildet, weist an Stellen, welche von den Sektoren verschieden
sind, die sich auf die vier Schlitzreihen beziehen, öffnungen auf, welche ähnlich wie die Schlitze durch ein fotografisches
Verfahren hergestellt wurden, wobei diese öffnungen in gleicher Weise durch drei optische Unterbrecher 12, 13 und 14 abgetastet
. werden. " .
509884/0903
Γ - 17 -
Der erste Unterbrecher 12 liefert ein erstes optisches Signal V an eine Programmierstufe 8. Dieses Signal V ist dasjeni-
C C
ge Signal, welches die Signalfolge in der Reihenfolge 11a, 11b, 11c und 11d auslöst.
Der zweite Unterbrecher 13 liefert ein zweites und ein drittes
elektrisches Signal Vj und Vp, welche der Programmierstufe
8 zugeführt werden. Das zweite und das dritte Signal Vj bzw. Vp stellen jeweils das Startsignal bzw. das Abschlußsignal
für die Dauer der vier elektrischen Signale 11a, 11b, 11c und 11d am Ausgang des Fotovervielfachers 10 dar.
Der Unterbrecher 14 liefert eine Anzahl von elektrischen Signalen (beispielsweise vier für jede Drehung der Scheibe),
welche der Einrichtung 15 zur Regelung der Geschwindigkeit
des Motors 7 zugeführt werden, welcher die Scheibe in Drehung versetzt, welche die Korrelationsmaske 6 darstellt.
Mit 16 ist ein Vorverstärker bezeichnet, der am Ausgang des Fotovervielfachers 10 angeordnet ist. Die elektrischen Ausgangssignale
des Vorverstärkers werden einer Einrichtung 17 zugeführt, welche ein analoges Gatter bzw. ein analoges
logisches Verknüpfungsglied aufweist, welches durch das zweite elektrische Signal Vj eingeschaltet und durch das
dritte elektrische Signal Vp ausgeschaltet wird und mit einem
Digital-Analog-Wandler verbunden ist, welcher die Amplitude
der elektrischen Signale 11a, 11b, 11c und 11d, welche durch den Vorverstärker 11 verstärkt werden, in entsprechende
L _|
509884/0903
r 18 -ι
Impulszüge umwandelt, welche im Binärkode ausgedrückt
sind.
Dieser analoge Wandler ist mit einem sequentiellen Netzwerk 18 zur Adressierung von Daten verbunden.
Das sequentielle Netzwerk 18 weist vier Ausgänge auf, welche jeweils mit einer entsprechenden Anzahl von digitalen Akkumulatoren
19» 20, 21 und 22 verbunden sind.
Das erste elektronische Folgeauslösesignal V- welches dem sequentiellen Netzwerk 18 der Programmierstufe 8 zugeführt
wird, steuert die Entladungsreihenfolge des sequentiellen Netzwerks 18 derart, daß die Impulszüge sich jeweils auf die
verstärkten elektrischen Signale 11a, 11b, 11c und 11d beziehen, und die digitalen Akkumulatoren 19, 20, 21 und 22
erreichen. Die Anzahl der Folgen, welche mit N bezeichnet ist, die in die Akkumulatoren gelangen sollen, ergibt sich
in Vielfachen von V (beispielsweise N = 10 V . 100 V usw.),
welche durch die Programmierstufe vorgewählt werden.
Venn die Folgezahl mit der programmierten Zahl N zusammenfällt, geben die Akkumulatoren 19 und 20 die aufgenommenen
Daten in eine erste logische Schaltung 23, und die Akkumulatoren 21 und 22 geben die aufgenommenen Daten in eine zweite
logische Schaltung 24 ab. Es wird ein erster numerischer Vert angefordert, welcher gleich dem Verhältnis zwischen den Ampli
tuden des elektrischen Signals 11a und des elektrischen
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25?9999
Signals 11b ist. Diese elektrischen Signale sind beide durch den Vorverstärker 16 verstärkt und in entsprechende Impulszüge
im Binärkode durch den Digital-Analog-Vandler umgewandelt worden.
Die Verhältnisschaltung 23 liefert den ersten V/ert, der sich jedoch auf einen Durchschnitt von N -Folgen bezieht: dieser
Wert ist mit R1 angegeben.
Ähnliche Betrachtungen gelten für die zweite Verhältnisschaltung 24, welche einen zweiten numerischen Vert R" liefert,
welcher gleich dem Verhältnis zwischen den Amplituden der Signale 11c und 11d ist, bezogen auf einen Durchschnitt von
N -Folgen. Diese Werte R1 und R" werden einer Differenzschaltung
25 zugeführt, welche eine erste Differenz (R1 - R") bildet. Diese Differenz wird über einen Schalter 26, welcher
durch die Programmierstufe 8 gesteuert wird, einem ersten Speicher 27 zugeführt.
Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen optischen Meßeinrichtungen wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Bestimmung
der SOo-Konzentration in einer verunreinigten Umgebung
beschrieben.
In einer festen Anordnung in bezug auf die Lichtquelle, beispielsweise
in bezug auf eine Quarz-Jod-Lampe oder eine Xenon-Bogenlampe, auf einem vorgegebenen Abstand von der erfindungsgemäßen
optischen Meßeinrichtung ist die Maske 6 derart
_J 509884/0903
zentriert, daß die Schlitzreihe "i" die "Fenster" sieht und
daß die ßehlitzreihe "J" die "Bänder" sieht. Die Zentrierung wird erreicht, wenn das Signal 11a der Amplitude V- den
höchsten Wert erreicht.
Die vier Sehlitzreihen "i", "j", "1" und "d" bewirken eine
Abtastung in vier entsprechenden Reihen von Wellenlängenbereichen des gestreuten Lichtbündels.
Nachdem die Maske 6 zentriert ist und eine vorgegebene Anzahl
von Folgen festgelegt sind, die aufgenommen werden sollen, und zwar durch die Programmierstufe 8, wird eine erste Messung
durchgeführt, deren Wert, welcher der ersten Differenz (R1 R")
gleich ist, im Binärkode dem ersten Speicher 27 zugeführt wird.
Diese erste Messung wird durchgeführt, ohne daß die Zelle 4
zwischen dem Teleskop 1 und dem Spalt 2 angeordnet wird. In diesem Falle geht das Lichtbündel, welches von der Lichtquelle
kommt, nur durch die verunreinigte Umgebung, welche untersucht werden soll. Sobald die vorgewählte Anzahl N0 von Folgen abgeschlossen
ist, weist die Programmierstufe 8 die Einrichtung 30 an, die Zelle 4 in ihre entsprechende Stellung zu bringen,
welche eine Länge L* aufweist und eine bekannte Konzentration
C. von SOg hat, wobei die Anordnung derart getroffen wird,
daß die Zelle zwischen dem Lichtbündel, welches vom Teleskop 1 kommt, und dem Schlitz 2 des Spektrometers 3 angeordnet
wird.
J 509884/0903
" 21 " 2529339
In ähnlicher Weise wird eine zweite Messung ausgeführt, bei welcher in ähnlicher Vorgehensweise die erste Verhältnisschaltung
23 einen dritten Wert R1 liefert, welcher sich von
R' unterscheidet, da er ermittelt wird, wenn die Zelle 4-zwischen dem Teleskop 1 und dem Spalt 2 des Spektrometers 3
angeordnet ist, und die zweite Verhältnisschaltung 24 liefert
einen vierten Wert IF", der sich von R" unterscheidet, da er
ermittelt wird, wenn die Zelle 4- zwischengeschaltet ist, und der dritte Wert R1 sowie der vierte Wert H" werden der
Differenzschaltung 25 zugeführt, wobei eine zweite Differenz
R1 - R" gebildet wird.
Der Wert R1 - R" der zweiten Messung wird über den Schalter
26, welcher durch die Programmierstufe 8 gesteuert wird, einem
zweiten Speicher 28 zugeführt.
Der erste Speicher 27 und der zweite Speicher 28 sind mit einer Verhältnis-Differenz-Schaltung 31 verbunden, welcher sie die
gespeicherten Daten mittels der Speicherentladeeinrichtung zuführen, welche ihrerseits durch die Programmierstufe 8
gesteuert wird.
Die Verhältnis-Differenz-Schaltung 3Ί liefert den Wert
1 - R") - (R1 - R")
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Der oben angegebene Wert, welcher von der Verhältnis-Differenz-Schaltung
31 geliefert wird, multipliziert mit C^Lx.,
liefert den unbekannten optischen Weg von SOp und demgemäß die Konzentration C des Verunreinigungsgases durch folgende
Beziehung:
c s _^_L (R' - R")
Die Verhältnis-Differenz-Schaltung 31 ist derart aufgebaut,
daß sie den Term C^L^/L berücksichtigt, welcher willkürlich
vorgegeben werden kann, und deshalb steht am Ausgang der Verhältnis-Differenz-Schaltung der erforderliche Wert der
Konzentration C des Verunreinigungsgases zur Verfügung (mittlere Konzentration über den gesamten Weg L). Dieser Wert, welcher
im BCD-Code ausgedrückt ist (BCD bedeutet binär codierte Dezimalzahl) und welcher in einen geeigneten Code umgewandelt
wird, ist auf einer numerischen Anzeige 32 sichtbar gemacht.
Sowohl theoretische als auch experimentelle Untersuchungen
zeigen, daß die oben angegebene Beziehung tatsächlich den Wert der unbekannten Konzentration eines Verunrexnigungsgases liefert,
insbesondere von
Es liefert nämlich gemäß den obigen Ausführungen die erste Verhältnisschaltung 23 den Wert:
Γ - 23 -
wobei V- und V. die Amplituden der elektrischen Signale 11a
bzw. 11b sind.
In ähnlicher Weise liefert die zweite Verhältnisschaltung 24 den Wert:
wobei V-, und V, die Amplituden der elektrischen Signale 11c
und 11d sind.
Andererseits ist die folgende Beziehung gültig:
V1
wobei V. und V. die Amplituden der elektrischen Signale 11a
und 11b sind, wie es oben bereits ausgeführt wurde. P,. und P
sind hingegen die mittleren Lichtenergien, welche auf die Fotokathode des lOtovervielfachers auftreffen und beziehen
sich auf die Energien der Lichtsignale, welche jeweils durch
die Schlitzreihen "i" und "j" der Maske 6 hindurchgehen, die
gleichförmig gedreht wird.
Die bekannten Gleichungen liefern andererseits: η
[·Ν , . exp (-α -CL) exp (-ß . L)
1 χ λ , J A5J Aid
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wobei K eine Konstante ist, welche das Teleskop 1 und das Spektrum 3 berücksichtigt, η gibt die Anzahl der Schlitze an,
welche auf fotografischem Weg auf der Korrelationsmaske 6 angebracht sind. N, · gibt den Mittelwert an, und zwar auf der
i-ten Schlitzreihe der spektralen Beleuchtungsstärke der Quelle in der Stellung desselben i-ten Schlitzes; ar . gibt
den Absorptionskoeffxzienten des Gases (SOp) an der Stelle des i-ten Schlitzes an. ß, · ist der Mittelwert des Extinktionskoeffizienten
auf der i-ten Schlitzbreite aufgrund der atmosphärischen Streuung; N/ ., α, . und ß, . sind Jeweils
A»<J Ai«J AiO
die Mittelwerte, welche sich auf den j-ten Schlitz der Quellenspektralbeleuchtung,
des Gasabsorptionskoeffizienten und des Extinktionskoeffizienten aufgrund der Streuung beziehen. C
ist die unbekannte Konzentration des Verunreinigungsgases. L ist der Abstand zwischen der Lichtquelle und dem erfindungsgemäßen
optischen Meßinstrument.
In ähnlicher Weise gilt die Beziehung:
vd
wobei V, und V, jeweils die Amplituden der elektrischen
Signale 11c bzw. 11d am Ausgang des Fotovervielfacher 10 sind. P, und P^ sind die mittleren Lichtenergien, welche auf
die Fotokathode des Fotovervielfachers auftreffen und sich auf die Energien der jeweils durch die Schlitzreihen "1" und
"d" der Maske 6 hindurchgehenden Lichtsignale beziehen. In ähnlicher Weiee liefern die bekannten Gleichungen folgende
Beziehung:
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2523999
E„ m
(-ßxd L)
N/ α , und ßr haben in dieser Gleichung die oben angegebene
Bedeutung, jedoch sind alle Werte auf den Reihen der Schlitze
ο "1" und "d" an der Stellung gewonnen, welche (2, 4 A für
hinsichtlich der Werte verschoben sind, welche sich auf die Beziehung bezogen, welche R1 liefert.
Da mit beliebigen Reihen von Werten Bi1- , ß( ., ß, , und ß c
die Werte R' und R" (welche die Signale des optischen Meßinstrumentes gemäß der Erfindung darstellen) als lineare
!Funktionen angesehen werden können, und zwar innerhalb von bestimmten Bereichen, wobei lineare Funktionen der optischen
Wege des in der Prüfung befindlichen Gases gemeint sind, liefert eine erste Näherung:
+ Au
A(CL)
worin R1 und R" die Reaktionen des optischen Meßinstrumentes
für eine Konzentration Null des in der Prüfung befindlichen Gases auf demselben Abstand L zwischen der Quelle und dem
optischen Meßinstrument darstellen, d. h. CL = O.
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Es läßt sich, theoretisch, und experimentell zeigen, daß
unabhängig von atmosphärischen Bedingungen die Beziehung gilt: R*o - E"q· Daraus ergibt sich:
(E'-R") - γτ#γτ (AR1-AR") = ^L-AR
und damit
C - A(CL).(R'-R")
° ~ L.(AR' -ΔΕ11;
° ~ L.(AR' -ΔΕ11;
A(CL) wird gemäß den obigen Ausführungen von der Zelle 4
geliefert, insbesondere A(CL) = C^L^; &R1 wird durch (R1-R1)
geliefert, und AR" wird durch (R"-R") geliefert, und daraus ergibt sich:
C » 0^ (R'-R")
L
L
wobei dies nämlich der durch das in Frage stehende Instrument gelieferte Wert ist.
In einer zweiten Ausführungsform des in Frage stehenden optischen Meßinstrumentes besteht die Maske 6 aus einer mit Chrom
beschichteten Quarzscheibe, die eine Reihe von Schlitzen aufweist. Der Schlitzabstand stellt den Abstand der Gasabsorptions-"Bänder"
(oder -"Fenster") dar, wobei die "Bänder" (oder "Fenster") auf der Ausgangsbrennebene des Spektrometers 3
erscheinen.
_] 509884/0903
Die auf diese Weise gebildete Maske, welche in der Ausgangsbrennebene
des Spektrometers 3 angeordnet ist, hat die Möglichkeit, eine oszillierende Bewegung auszuführen, indem
sie durch eine zweite Einrichtung mit einer konstanten Frequenz derart angetrieben wird, daß an den zwei Masken-Bchwingungsenden
die Schlitze der Maske zusammenfallen , und zwar an einem Ende mit den "Bändern" und an dem anderen Ende
mit den "Fenstern" (benachbart zu den vorhergehenden "Bändern") des Gasabsorptionsspektrums.
Am Ausgang des Fotovervielfachers 10 steht ein Signal zur Verfügung, dessen Amplitude eine fast sinusförmige Form hat.
Di·-- höchsten und die niedrigsten Werte dieses Signals treten
auf, wenn die Maske jeweils die Gasabsorptions-"Fenster" und -"Bänder" sieht.
Mit einer elektronischen Einrichtung 9, we. ehe sich von der
oben beschriebenen Einrichtung unterscheidet, da das Sigr-il
am Ausgang des Fotovervielfachers 10 eine verhältnismäßig geringe Frequenz hat, und zwar wegen der geringen Schwingungsfrequenz der Maske, ist es möglich, den ersten numerischen
Wert E1 in einem geeigneten Speicher zu speichern oder auf
Papier aufzuzeichnen, wobei dieser Wert die oben beschriebene Bedeutung hat.
Wenn die Zelle 4 eingefügt wird, die eine bekannte Konzentration
des Verunreinigungsgases,wie beispielsweise SOp*hat,
indem die Zelle zwischen das Teleskop 1 und den Spalt 2 des
J 509884/0903
Spektrometer $ eingebaut wird, liefert die elektronische
Einrichtung den dritten numerischen V/ert R1 mit der oben
angegebenen Bedeutung.
Wenn die Schwingung der Maske 6 mit Hilfe der zweiten Einrichtung
angehalten wird, ist es möglich, die Maske entlang der Ausgangsbrennebene des Spektrometers 3 derart zu verschieben,
daß die Schlitze an den zwei Maskenschwingungsenden jeweils Bereiche des Gasabsorptionsspektrums sehen, und zwar
ο
in einer Verschiebung von 2, 4 A (Fall von SCU) in Richtung
in einer Verschiebung von 2, 4 A (Fall von SCU) in Richtung
auf den ultravioletten Bereich, in bezug auf die Stellung der "Fenster" und Bereiche des Gasabsorptionsspektrums sehen,
welches um 1, 4 A in Richtung auf den ultravioletten Bereich
verschoben ist, und zwar in bezug auf die Stellung der Bänder.
Wenn die Zelle 4 zwischen dem Teleskop 1 und dem Spalt 2 des Spektrometers 3 angeordnet ist, wird der vierte numerische
Wert Έ" erhalten, und zwar mit der oben angegebenen Bedeutung.
Wenn die Zelle 4 aus dem Weg herausgenommen wird, welcher von dem Lichtbündel vom Teleskop 1 zum Spalt 2 zurückgelegt wird,
wird der zweite numerische Wert R" erhalten, welcher die oben angegebene Bedeutung hat. Die vier Werte R1, R", "R"1 und I"
werden von der elektronischen Einrichtung ermittelt, so daß sich der folgende Wert ergibt:
R1-R"
CS1-"E11MH1-R")
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In der Tat wird die unbekannte Konzentration des Verunreinigungsgases
exakt gemessen, weil das Instrument in bezug auf die Art der Quelle unempfindlich ist, weil weiterhin
atmosphärische Streuungen nicht in die Messung eingehen und
weil somit der Abstand zwischen der Quelle und dem optischen Meßinstrument ohne Einfluß ist.
Weiterhin ist die erfindungsgemäße optische Einrichtung sehr vielseitig, weil außer der Bestimmung der SOp-Konzentration
auch die Bestimmung der Konzentration weiterer Verunreinigungsgase wie NOo, NEU, L· usw. möglich ist.
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Claims (8)
1.J0ptisch.es Instrument zur Messung von Konzentrationen von
Verunreinigungsgasen auf langen und kurzen geometrischen Wegen, dadurch gekennzeichnet, daß ein
Teleskop vorgesehen ist, welches ein Lichtbündel, das von einer auf einem vorgegebenen Abstand angeordneten
Quelle kommt, in den Spalt eines Spektrometers fokussiert, daß weiterhin wenigstens eine Zelle vorhanden ist, welche
eine bekannte Konzentration des zu untersuchenden Verunreinigungsgases enthält, daß diese Zelle durch eine geeignete
Steuereinrichtung entlang dem Weg des Lichtbündels zwischen das Teleskop und den Spalt bringbar ist, daß das
Spektrometer das Lichtbündel streut und in der Austrittsbrennebene fokussiert, daß weiterhin eine Maske vorhanden
ist, welche mit Schlitzen ausgestattet ist, daß die Maske durch eine geeignete Einrichtung bewegt wird und in der
Austrittsbrennebene des Spektrometers angeordnet ist, daß die Maske zusammen mit der Einrichtung derart ausgebildet
ist, daß sie dazu geeignet sind, die Abtastung des gestreuten Lichtbündels in wenigstens vier Reihen von Wellenlängenbereichen
vorzunehmen, daß weiterhin ein Fotodetektor vorhanden ist, der am Ausgang elektrische Signale abgibt,
wenn er am Eingang Lichtsignale empfängt, welche von der Abtastung herrühren, daß weiterhin eine elektronische Einrichtung
vorgesehen ist, welche am Ausgang des Fotodetektors angeordnet und derart ausgebildet ist, daß sie wenigstens
vier numerische Werte liefert, von denen ein erster
_J 509884/0903
- 51 - ■
2529939
numerischer Wert sich, auf das Verhältnis zwischen zwei
elektrischen Signalen bezieht, die jeweils auf die Abtastung einer ersten und einer zweiten Reihe von Wellenlängenbereichen
des gestreuten Bündels bezogen sind, wobei ein zweiter numerischer Wert sich auf das Verhältnis zwischen
zwei elektrischen Signalen bezieht, welche jeweils auf die Abtastung einer dritten und einer vierten Reihe von Wellenlängenbereichen
des gestreuten Bündels bezogen sind, wobei weiterhin ein dritter numerischer Wert sich auf das Verhältnis
zwischen zwei elektrischen Signalen bezieht, die jeweils auf die Abtastung der ersten und der zweiten Reihe von VeI-lenlängenbereichen
des gestreuten Bündels bezogen sind, wenn die Zelle entlang dem Lichtbündel zwischengeschaltet ist,
und wobei ein vierter numerischer Wert sich auf das Verhältnis zwischen zwei elektrischen Signalen bezieht, welche jeweils
auf die Abtastung der dritten und der vierten Reihe von Wellenlängenbereichen des gestreuten Lichtbündels bezogen
sind, wenn die Zelle entlang dem Weg des Lichtbündels zwischengeschaltet ist, daß die Erzeugung der numerischen Daten derart
erfolgt, daß am Ausgang ein numerischer Wert entsteht, welcher durch den Wert der bekannten Konzentration des
Verunreinigungsgases bestimmt ist, welcher in der Zelle enthalten ist, multipliziert mit der Länge der Zelle und
mit dem Verhältnis, welches als Zähler die Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten numerischen Wert hat und
als Nenner das Produkt aus dem Abstand zwischen der Quelle und der Meßeinrichtung einerseits und dem Wert andererseits,
welcher aus einer Subtraktion der Differenz zwischen
J 509884/0903
dem ersten und dem zweiten numerischen Wert von der Differenz zwischen dem dritten und dem vierten numerischen
Wert gebildet ist.
2. Optisches Meßinstrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Reihe von Bereichen, in welchen eine Abtastung erfolgt, solchen Wellenlängen entspricht,
die den "Fenstern" des in Frage stehenden Gasabsorptionsspektrums entsprechen, daß die zweite Reihe den Wellenlängenwerten
entspricht, welche den "Bändern" entsprechen, daß die dritte und die vierte Reihe den Wellenlängenwerten
entsprechen, welche jeweils gegenüber den "Fenstern" und den "Bändern" etwas verschoben sind.
3. Optisches Meßinstrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Maske als Scheibe ausgebildet ist, welche durch die zweite Einrichtung mit einer konstanten Geschwindigkeit
in Drehung versetzt ist, daß auf der Maske vier Reihen von Schlitzen auf einem Kreisbogen angeordnet sind,
die gleiche Breite und Tiefe haben, wobei Jede Reihe eine gleiche Anzahl von Schlitzen aufweist und die Schlitze
äquidistant angeordnet sind, und daß die einzelnen Reihen unterschiedliche Abstände zu der Scheibendrehachse aufweisen
und Jede Schlitzreihe derart ausgebildet ist, daß sie die Abtastung in einer der Reihen von Wellenlängenbereichen
vornimmt.
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Γ . 33 . ι
4. Optisches Meßinstrument nach. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Maske aus einer kleinen Scheibe besteht, welche eine Reihe von parallelen Schlitzen aufweist, welche
derart ausgebildet sind, daß sie die Abtastung in einer beliebigen Reihe von Bereichen vornehmen und daß die
kleine Scheibe derart betätigt wird, daß sie eine geradlinige hin und her gehende periodische Bewegung ausführt,
und daß die Bewegung durch die zweite Einrichtung erzeugt wird, welche es weiterhin ermöglicht, die Bewegung der kleinen
Scheibe entlang der Brennebene durchzuführen.
5· Optisches Meßinstrument nach Anspruch 1 und 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die elektronische Einrichtung wenigstens drei optische Unterbrecher aufweist, welche entsprechende
öffnungen abtasten, die in der Scheibe vorgesehen sind, daß ein erster Unterbrecher derart ausgebildet ist, daß er
erstes elektrisches Signal liefert, daß ein zweiter Unterbrecher derart ausgebildet ist, daß er zweites und ein drittes
elektrisches Signal liefert, daß weiterhin ein dritter Unterbrecher derart ausgebildet ist, daß er eine Mehrzahl
von elektrischen Signalen liefert, welche über eine geeignete Programmierstufe die zweite Einrichtung steuern, daß
die Programmierstufe, deren Eingang das erste, das zweite und das dritte elektrische Signal zugeführt werden, weiterhin
derart ausgebildet ist, daß sie als erste Einrichtung arbeitet, daß weiterhin ein Vorverstärker vorgesehen ist,
welcher am Ausgang des Fotodetektors angeordnet ist und welcher diejenigen elektrischen Signale verstärkt, welche
L -J
503884/0903
von der Abtastung des gestreuten Lichtbündels herrühren, daß weiterhin ein analoges Gatter am Ausgang des Vorverstärkers
vorhanden ist, daß das analoge Gatter durch das zweite Signal eingeschaltet und durch das dritte Signal ausgeschaltet
wird, wobei das zweite und das dritte Signal von der Programmierstufe zugeführt werden, daß weiterhin ein Digital-Anal
οg-Wandler vorhanden ist, welcher das elektrische Signal
wandelt, das von dem analogen Gatter kommt, wobei sich dieses Signal auf die Abtastung bezieht, und daß der Wandler
in der Weise arbeitet, daß das Signal in entsprechende Impulszüge umgewandelt wird, welche im Binärcode vorhanden
sind, daß weiterhin ein sequentielles Netzwerk vorgesehen ist, um Daten zu adressieren, welche am Ausgang des digitalen
Wandlers vorhanden sind und vier Ausgangssignale darstellen, welche ebenso vielen Digital-Analog-Akkumulatoren
zugeführt werden, daß weiterhin das sequentielle Netzwerk derart ausgebildet ist, daß es dazu geeignet ist, über das
erste Signal, welches von der Programmierstufe zugeführt wird, den ersten digitalen Akkumulator zu adressieren und
ihm den Impulszug zuzuführen, welcher sich auf die Abtastung der ersten Reihe von Wellenlängenbereichen des gestreuten
Lichtbündels bezieht, wobei das sequentielle Netzwerk weiterhin dazu dient, dem zweiten digitalen Akkumulator
denjenigen Impulszug zuzuführen, welcher sich auf dasjenige verstärkte elektrische Signal bezieht, welches von der Abtastung
der zweiten Reihe von Wellenlängenbereichen des gestreuten Lichtbündels herrührt, wobei das sequentielle
Netzwerk weiterhin dazu dient, einem dritten digitalen
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Akkumulator denjenigen Impulszug zuzuführen, welcher sich auf das verstärkte elektrische Signal bezieht, welches von
der Abtastung der dritten Reihe von Wellenlängenbereichen des gestreuten Lichtbündels herrührt, und wobei das
sequentielle Netzwerk weiterhin dazu dient, einem vierten digitalen Akkumulator denjenigen Impulszug zuzuführen,
welcher dem verstärkten elektrischen Signal entspricht, welches von der Abtastung der vierten Reihe von Wellenlängenbereichen
des gestreuten Lichtbündels herrührt, daß weiterhin diese Adressierung während einer vorgegebenen Anzahl
von Folgen zyklisch wiederholt wird, welche durch die Programmierstufe festgelegt wird, daß weiterhin eine erste
Verhältnisschaltung vorgesehen ist, an deren Eingang ein erster und ein zweiter Digital-Analog-Akkumulator vorhanden
sind, welche derart ausgebildet sind, daß sie jeweils über die Programmierstufe den ersten numerischen Wert und den
dritten numerischen Wert liefern, welche erhalten werden, wenn die Zelle zwischen dem Teleskop und dem Spektrometerspalt
angeordnet ist, daß weiterhin eine zweite Verhältnis-
schaltung vorhanden ist, an deren Eingang der dritte und der vierte Digital-Analog-Akkumulator angeordnet sind,
welche derart ausgebildet sind, daß sie jeweils über die Programmierstufe den zweiten numerischen Wert und den vierten
numerischen Wert liefern, welche erhalten werden, wenn die Zelle zwischen dem Teleskop und dem Spektrometerspalt
angeordnet ist, daß weiterhin eine Differenzschaltung vorgesehen
ist, an deren Eingang die erste und die zweite Verhältnxsschaltung angeschlossen sind, wobei die
_J 509884/0903
- 56 - "1
Differenzschaltung derart ausgebildet ist, daß sie dazu
geeignet ist, eine erste Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten numerischen Wert zu liefern und eine zweite
Differenz zwischen dem dritten und dem vierten numerischen Wert zu liefern, daß weiterhin ein Schalter am Ausgang der
Differenzschaltung vorhanden ist, welcher derart ausgebildet ist, daß er durch einen Befehl von der Programmierstufe
einem ersten Speicher die erste Differenz und einem zweiten Speicher die zweite Differenz zuführt, daß weiterhin
eine Speicherentladeeinrichtung vorhanden ist, an deren Eingang ein erster und ein zweiter Speicher vorhanden sind,
daß die Speicherentladeeinrichtung dazu geeignet ist, durch einen Befehl von der Programmierstufe die erste und die
zweite Differenz, welche in den entsprechenden Speichern abgespeichert sind, einer Verhältnis-Differenz-Schaltung
zuzuführen, daß weiterhin die Verhältnis-Differenz-Schaltung dazu geeignet ist, am Ausgang einen Wert zu liefern, welcher
gleich einem Bruch ist, dessen Zähler aus der ersten Differenz besteht und dessen Kenner die Differenz zwischen der
zweiten und der ersten Differenz ist, daß die Verhältnis-Differenz-Schaltung weiterhin dazu geeignet ist, dieses
Verhältnis mit demjenigen Verhältnis zu multiplizieren, welches im Zähler das Produkt aus der unbekannten Konzentration
der Zelle und ihrer Länge und im Nenner den Abstand zwischen der Quelle und dem in Frage stehenden Meßinstrument
darstellt, so daß dadurch somit ein Wert erhalten wird, welcher gleich der Konzentration des Verunreinigungsgases
ist, ausgedrückt in einem geeigneten Binärcode, wobei eine
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numerische Anzeige am Ausgang der Verhältnis-Differenz-Schaltung
vorgesehen ist, die dazu geeignet ist, diesen Wert der Konzentration in einer lichtdarstellung zu liefern,
welche aus dem Binärcode den entsprechenden Zahleriwert
darstellt.
6. Optisches Meßinstrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Fotodetektor ein Fotovervielfacher ist.
7. Optisches Meßinstrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Teleskop ein Cassegrain-Teleskop ist.
8. Optisches Meßinstrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Spektrometer ein Gitterspektrometer ist.
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Leerseite
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