DE2813239C2 - Detektor für einen Zweistrahl-Infrarot-Gasanalysator - Google Patents
Detektor für einen Zweistrahl-Infrarot-GasanalysatorInfo
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Description
dadurch gekennzeichnet, daß dieser Detektor (4) folgende Teile enthält
25
— einen Metallblock (4i/ mit zwei konischen
Lichteinlässen (411, 412), die einander kreuzen und Infrarot-Strahlung einführen,
— einen Lichtfühler (43), der auf einer Grundplatte des Metallblockes (41) und im Kreuzungsbe- w
reich der Lichteinlässe (411,412) vorgesehen ist,
— Interferenzfilter (44, 4ϊ), die vor den Lichteinlässen
(411, 412} so liegen, daß sie ungefähr
rechtwinklig zu den {-. igeführten Infrarot-Strahlen
sind und jeweils die Lichteinlässe (411, 412) verschließen,
— eine Brückenschaltung aus dem Lichtfühler (43), Widerständen (n, n, r3) und einer Gleichspannungsquelle
(E0) und
— eine Temperaturregeleinrichtung/Signalwand-Iereinrichtung
(5) zum Empfangen des Ausgangssignales der Brückenschaltung als Eingangssignal,
um über die Gleichspannungskomponente die Temperatur des Metallblockes (41)
auf einen konstanten Wert zu regeln und um « über einen Kondensator (Q) die Wechselstromkomponente
als Eingangssignal der Anzeigeeinheit als Maß für die Konzentration der zu
bestimmenden Komponente zuzuführen.
Die Erfindung betrifft einen Detektor für einen Z'veistrahl-Infrarot-Gasanalysator nach dem Oberbegriff
des Patentanspruches. Ein solcher Detektor dient zur Bestimmung der Konzentration der Komponenten
eines Gases unter Ausnutzung der Absorption von Infrarotstrahlung mittels eines infrarotempfindlichen
Halbleiterelements als Lichtfühler sowie eines mehrla- ^0
gigen Interferenzfilters.
Bei bisherigen Infrarot-Gasanalysatoren ist üblicherweise ein mehrlagiges Interferenzfilter praktisch neben
einer Bezugs- und einer Probenzelle angeordnet, wobei seine Abmessungen entsprechend der Fläche eines
jeweils in den Zellen ausgebildeten Fensters zum Durchlassen einer ausreichend großen Infrarotstrahlungsmenge
gewählt sind. Da das mehrlagige Interferenzfilter zudem einen bestimmten Temperaturkoeffizienten
besitzt, muß es zur Bildung eines Infrarot-Gasanalysators
von hoher Empfindlichkeit auf einer festgelegten Temperatur gehalten werden, wozu geeignete
Einrichtungen erforderlich sind. Weiterhin muß auch das die Infrarotstrahlung messende Halbleiterelement
im Betrieb vom Einfluß von Umgebungstemperaturschwankungen freigehalten werden, wtJialb entsprechende
Einrichtungen vorgesehen sind, welche die Temperatur des Halbieiterelements konstant halten.
Diese bisherigen Infrarot-Gasanalysatoren sind daher mit den folgenden Nachteilen bzw. Mängeln behaftet:
1. Der Einfluß von Umgebungstemperaturschwankungen wird durch eine Temperaturregeleinrichtung
sowohl für das mehrlagige Interferenzfilter als auch für das Infrarotmeß-Halbleiterelement oder
durch Unterbringen dieser beiden Bauteile in einem thermostatisch geregelten Ofen vermieden. Hierdurch
erhält der Infrarot-Gasanalysator unvermeidlich einen komplizierten und teuren Aufbau.
2. Da das mehrlagige Interferenzfilter große Abmessungen praktisch entsprechend der Fläche eines in
der betreffenden Zelle ausgebildeten Fensters besitzt, ist seine Wärmekapazität groß, woraus sich
eine schwierige Temperaturregelung ergibt.
Aus der US-PS 38 60 344 ist ein Infrarot-Analysator für mehrere Gaskomponenten bekannt Dieser Analysator
hat eine temperaturgeregelte Detektorkammer, die eine Mehrzahl von einzelnen Detektoren und diesen
Detektoren jeweils zugeordnete Bauelemente enthält. Von einer Infrarot-Strahlungsquelle ausgehend wird das
Infrarotlicht zunächst durch eine Probenzelle gestrahlt. Anschließend wird das die Probenzelle verlassende
Licht durch eine rotierende Filteranordnung gestrahlt, die aufeinanderfolgend unterschiedliche Filter in den
Strahlengang des Lichtes bringt vnd deren Temperatur
durch die Temperaturregelung der Detektorkammer bestimmt ist. Hinter der rotierenden Filteranordnung
sind nebeneinander mehrere Infrarot-Detektoren angeordnet. Diese weisen jeweils eine einzige Lichteinlaßöffnung
auf, die durch ein optisches Filter verschlossen und hinter der eine Linse angeordnet ist, die das
einfallende Licht auf einen Lichtfühler bündelt. Außerdem ist jedem Detektor, der entsprechend dem vor
seiner Lichteinlaßöffnung angeordneten optischen Filter eine spezielle Lichtkomponente anzeigt, ein eigener
Temperaturfühler zur Temperaturregelung zugeordnet. Dieser bekannte Analysator hat also zwei voneinander
unabhängige Temperaturregelungen für die Detektorkammer und für jeden einzelnen Detektor, so daß sein
Aufbau insgesamt aufwendig und kompliziert ist.
Aus ISA-Journal, VoI. 5, Nr. 9 (1958), Seiten 85 bis 89,
ist ein Infrarot-Gasanalysator bekannt, bei dem zeitlich nacheinander einem Detektor mit einem einzigen
Lichtfühler Lichtstrahlen über eine Probenzelle bzw. eine Vergleichszelle zugeführt werden. Ein Temperaturfühler
zur Temperatureinstellung ist bei diesem Gasanalysator aber nicht vorgesehen.
Schließlich ist aus der DE-OS 14 64 443 noch ein optischer Empfänger bekannt, bei dem einem Detektor
Infrarotstrahlung über einen konusförmigen Kanal zugeführt wird, um so eine möglichst hohe Empfindlichkeit
zu erreichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Detektor zur Verwendung bei einem
Infrarot-Gasanalysator zu schaffen, bei dem eine
einfache Temperaturregelung sowohl des Lichtfühlers als auch eines mehrlagigen Interferenzfilters möglich ist.
Diese Aufgabe wird bei einem Detektor nach dem Oberbegriff des Patentanspruches erfindungsgemäß
durch die in dessen kennzeichnendem Teil enthaltenden Merkmale gelöst.
Bei der Erfindung dient der im Kreuzungspunkt der Lichteinlässe vorgesehene Lichtfühler sowohl als
Temperaturfühler als auch als eigentliche Meßeinrichtung zur Erzeugung eines Signales als Maß für die
Konzentration der zu bestimmenden Probe. Für die Interferenzfilter ist kein gesonderter Temperaturfühler
erforderlich, so daß die Temperaturregelung einfach ist.
Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert Es
zeigt
F i g. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines mit
einem Detektor ausgestatteten Infrarot-Gasanalysators,
F i g. 2 eine Schnittansicht zur Veranschaulichung des
Aufbaus des Detektors,
F i g. 3 eine Aufsicht auf den Detektor gemäß F i g. 2,
F i g. 4 ein Schaltbild einer Signaiwandler/Temperaturregel-Einheit
und
F i g. 5 eine weitere Ausführungsform des Detektors.
In Fig. 1 ist ein mit einem Detektor versehener Infrarot-Gasanalysator dargestellt. Der Detektor selbst
ist dabei in den Fig.2 und 3 näher veranschaulicht. Gemäß F i g. 1 weist der Gasanalysator einen Infrarotstrahler
1 und eine mit einem Probengas gefüllte Probenzelle 2 auf, die einen Einlaß 23 und einen Auslaß
24 zum Einleiten und Auslassen des Probengases hat. Eine mit reinem, gasförmigem Stickstoff gefüllte
Bezugszelle 3 ist mit Fenstern 31, 32 zum Durchlassen von Infrarotstrahlung versehen. Der Gasanalysator
gemäß F i g. 1 ist nämlich für die Bestimmung von gleichzeitig mit Stickstoff auftretenden Komponenten
ausgelegt. Weiterhin sind ein Detektor 4 und ein Signalwandler Temperaturregler 5 vorgesehen. Der
Detektor 4 befindet sich in der Nähe des Brennpunkts eines konkaven Reflexionsspiegel 7, so daß er
intermittierend die durch die Bezugszelle 3 und die Probenzelle 2 hindurchgetretenen Lichtstrahlen aufnimmt.
Das intermittierende Licht wird dadurch erzeugt, daß das vom infrarotstrahler 1 emittierte Licht
zunächst durch einen konkaven Reflexionsspiegel 6 zu parallelen Strahlen geformt wird, die dann durch einen
von einem Motor 9 in Drehung versetzten Unterbrecher 8 unterbrochen werd^'i.
Im folgenden sind der Detektor 4 und der Signalwandl-r/Temperaturregler 5 anhand der Fig. 2
bis 4 näher erläutert.
Die Fig. 2 und 3 zeigen den Detektor 4 im Schnitt
bzw. in Aufsicht. Bei der dargestellten Ausführungsform weist ein Metallblock 41 einen konischen Meßlichteinlaß
411 und einen konischen Bezugslichteinlaß 412 auf, über welche das Meßlicht bzw. das Bezugslicht einfallen
kann. Am Schnittpunkt der Lichteinlässe 4i 1,412 ist im Metallblock 41 eine einen Lichtfühler 43 aufnehmende
Bohrung 413 vorgesehen, während in die Außenfläche
des Metallblocks 41 eine Ringnut 414 eingestochen ist. In die Bohrung 413 des Metallblocks 41 ist eine
Grundplatte 42 unter Befestigung eingesetzt, an der ein Lichtfülller- oder -meßelement 43, etwa ein Thermistor-Bolometer,
befestigt iu. Eine Zuleitung 431 verbindet dieses Meßelement 43 rr.it dem Signalwandler/Temperaturregler
5. Am Metallblock 41 sind zwei mehrlagige Interferenzfilter 44 und 45 so angebracht, daß sie den
Meßlichteinlaß 411 bzw. den Bezugslichteinlaß 412 verschließen und dabei dem einfallenden Licht unmittelbar
zugewandt sind. Der von den lichteinlässen 411,412
und der Bohrung 413 gebildete Raum ist vollständig luftdicht verschlossen und mit gasförmigem Stickstoff
(N2) gefüllt In die Ringnut 414 ist ein Heizelement 46
zum Erwärmen des Metallblocks 41 eingesetzt, wobei das Ausgangssigna] des Reglers 5 über eine Zuleitung
461 dem Heizelement 46 zuführbar ist Der gesamte
ίο Metallblock 41 ist von einem Uberzugselement 47 aus
z. B. Bakelitharz umschlossen und auf diese Weise gegenüber äußeren Temperatureinflüssen abgeschirmt
Für die Lichteinlässe 411 und 412 sind Fenster 471 bzw. 472 vorgesehen.
In dem in Fig.4 dargestellten Schaltungsaufbau des
Signalwandler/Temperaturreglers 5 ist das mit /v bezeichnete Thermistor-Bolometer 43 (Thermoumwandler)
als Widerstandselement dargestellt, das zusammen mit anderen, temperatuTtabilen Wider-Standselementen
ri.r2.r3 und einer o'eichspannungsversorgung
Eo eine Meßbrückenschaltung bildet,
weiche das vom Unterbrecher 8 zerhackte Meßlicht und Bezugslicht empfängt Der Unterschied zwischen der
Spannung der Meßbrücke im unabgeglichenen Zustand und einer vorgewählten Bezugsspannung Es wird durch
einen rauscharmen Verstärker A 1 mit hoher Eingangsimpedanz verstärkt und einer weiteren Verstärkung
durch einen Transistor Q1 unterworfen, dessen
Ausgangsstrom das Heizelement 46 (Widerstandselement η) speist Gleichzeitig wird nur die Wechselstromkomponente
des Ausgangsstroms über einen Kondensator C1 zu einem Verstärker A 2 geleitet, an dessen
Ausgangsklemme ein Meßsignal entsprechend der Konzentration der zu bestimmenden Komponente
Vi geliefert wird.
Der Detektor für den Infrarot-Gasanalysator mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau arbeitet wie folgt:
Das vom Infrarotstrahler 1 emir.ierte Licht wird durch
den Unterbrecher 8 zerhackt und abwechselnd durch
■»o die Probenzelle 2 und die Bezugszelle 3 übertragen. Das
intermittierende Licht wird dann vom konkaven Spiegel 7 gebündelt und in den Detektor 4 gelenkt, wobei es
senkrecht auf die Oberflächen der mehrlagigen Interferenzfilter 44, 45 auftrifft und sodann auf das
■>■>
Thermistor-Bolometer 43 fällt. Hierdurch werden im Gegensatz zu einem schrägen Lichteinfall auf die
Filteroberfläche(n) ideale Verhältnisse gewährleistet, weil dabei weder eine Minderung der Intensität
aufgrund einer Reflexion am mehrlagigen Interferenz-
"ΊΙ filter, noch eine Änderung des Durchlaßbereichs auftritt.
Der Wirkungsgrad des Thermistor-Bolometers 43 ist am größten, wenn die Reflexionsfläche des konkaven
Spiogeij 7 so ausgebildet ist, daß das Thermistor-Bolometer
43 genau im Brennpunkt des Spiegels 7 liegt.
5·'> Selbst wenn diese Bedingung nicht vollständig erfüllt ist,
kann jedoch der Wirkungsgrad dadurch verbessert werden, daß die Lichteinlässe 411, 412 konisch geformt
und ihre Oberfläche"! auf hohe Güte bearbeitet sind.
Versuche haben gezeigt, daß der tatsächlich erreichte Wirkungsgrad mehr als das Doppelte des bei einer
zylindrischen Bohrung erzielten Werts betrpgt.
Der Signalwandler/Temperaturregler 5 arbeitet wie folgt: Der Widerstand rjdes Thermistor-Bolometers 43
wird in Abhängigkeit von dem vom Unterbrecher 8 gelieferten, intermittierenden Licht sowie von der
Erwärmungstemperatur des Heizelements 46 bestimmt. Der erste Faktor liefert Wechselstromänderungen
kurzer Periode, während der letztere Faktor Gleich-
Stromänderungen ergibt, welche aufgrund einer großen Zeitkonstante des Heizelements langsam sind. Das
Ausgangssignal der aus den Widerstandselementen rd, rl, rZ, r3 und der Stromversorgung Eo gebildeten
Meßbrückenschaltung wird daher durch die Gleichspannungskomponente und die dieser überlagerte Wechselstromkomponente gebildet. Die Gleichspannungskomponente ist ein Signal, welches die Temperatur des
Thermistor-Bolometers 43 angibt, und die Wechselstromkomponente kann als MeBsignal betrachtet
werden, welches der im Probengas enthaltenen Komponente entspricht. Das Ausgangssignal der
Meßbrücke und ein einstellbares Bezugssignal Es werden an den Differenzverstärker A 1 angelegt, dessen
Ausgangssignal durch den Transistor Q\ weiter i>
verstärkt wird, um ein Signal zur Speisung des Heizelements 46 zu liefern. Andererseits wird über den \CnnHi*ncalAr /~* X rtiir /4i<» UZpphcelctrnm^ntnnnnpnt^
allein durchgelassen. Diese ist ein Maß für die zu bestimmende Konzentration der Gaskomponente und .?()
wird durch den Verstärker A 1 verstärkt. Auch wenn im Heizelement-Speisesignal die Wechselstromkomponente enthalten ist, hat dies praktisch keinen schädlichen Einfluß auf die Regelung, weil das Heizelement 46
eine große Zeitkonstante besitzt und das Thermistor-Bolometer 43 daher auf einer Temperatur entsprechend
der Vorwählspannung Es gehalten werden kann. Da der Regler 5 die Temperatur des Metallblocks 41 des
Detektors 4 regelt, werden ersichtlicherweise das Thermistor-Bolometer 43 und die in den Metallblock 41
eingebauten mehrlagigen Interferenzfilter 44, 45 auf gleicher Temperatur gehalten.
In Fig.5 ist eine abgewandelte Ausführungsform
dargestellt, bei welcher den Teilen von Fig.2 entsprechende Teile mit denselben Bezugsziffern wie J5
dort bezeichnet und daher nicht näher erläutert sind. Der Unterschied zwischen den beiden A;;sführungsformen nach Fig.2 und Fig.5 besteht im Schaltungsauf- :
bau einer Temperaturreglereinheit für den Metallblock 41 des Detektors 4. Gemäß Fig.5 ist ein Temperaturfühler- oder -meßelement 43' in einen Teil des
Metallblocks 41 eingesetzt, und ein Temperaturregler :y
52 ist getrennt von einem Signalwandler 51 angeordnet. ■ Bei dieser Konstruktion können für den Signalwandler -:|
51 und den Temperaturregler 52 an sich bekannte Vi Schaltkreise verwendet werden.
Das Lichtmeßelement kann auch eine photoleitende Zelle, etwa eine TIS-, PbS-, CdS- o. dgl. Zelle, sein, wobei
die Anordnung so abgewandelt sein kann, daß dieses Element gekühlt wird. Eine zur Verfügung stehende
Kühleinrichtung ist ein mit einem Peltiereffekt-Element ausgerüsteter Tieftemperaturstabilisator.
Heiin beschriebener! Detektor werden die Tem**er2-türen der mehrlagigen Interferenzfilter und eines in
einen Metallblock eingebauten Infrarotmeß-Halbleiterelements durch Einstellung des Metallblocks auf eine
feste Temperatur geregelt. Aus diesem Grund genügt eine einzige Temperaturregelanlage den Anforderungen, wodurch der Aufbau des Analysator* vereinfacht
wird. Da zudem die mehrlagigen Interferenzfilter an den Lichteinlaßöffnungen im Metallblock angeordnet sind,
kann c'-ir Detektor kompakter ausgebildet werden, wie wenn die Filter in der Nähe von Fenstern für eine
Probenzelle und eine Bezugszelle angebracht sind. Durch den erfindungsgemäßen Detektor wird also die
Wärmekapazität verringert und dadurch die Temperaturregelung vereinfacht. Darüber hinaus ergeben sich
durch Miniaturisierung der mehrlagigen Interferenzfilter wirtschaftliche Vorteile. ;
Claims (1)
- Patentanspruch:Detektor für einen Zweistrahl-Infrarot-Gasanalysator bestehend aus— einem Lichlfühler. der in einem blockförmigen Gehäuse angebracht ist,— einem vor dem Lichtfühler angeordneten Lichteinlaß, der durch ein optisches Filter abgeschlossen ist, ·ο— einer Temperaturregeleinheit zur Aufrechterhaltung einer konstanten Temperatur am blockförmigen Gehäuse,— einer Einheit zur elektronischen Aufbereitung der vom Lichtfühler kommenden Signale zur Erzeugung eines Ausgangssignals, welches ein MaB ist für die Konzentration der zu bestimmenden Gaskomponente, und— eine"· Anzeigeeinheit zum Anzeigen der Konzentration der zu bestimmenden Gaskomponente,
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Legal Events
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