DE2833831C2 - Optoakustischer Analysator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen optoakustischen Analysator in Form eines Gaslaserresonators mit einer Laserentladeröhre, der von zwei totalreflektierenden Spiegeln begrenzt wird, wobei im Resonator im Laserlichtweg zwischen beiden Spiegeln eine Meßkammer und eine Vergleichskammer angeordnet sind, die eine Differenzmeßzelle bilden, deren Ausgangssignal den Druckunterschied in beiden Kammern aufgrund der verschiedenen Laserlichtabsorption wiedergibt.

Ein derartiger optoakustischer Analysator ist aus der US-PS 40 19 056 bekannt.

Bisher wurde im typischen Fall ein erhitzter Nichromdraht als Lichtquelle für die Infrarotabsorptionsanalyse verwandt. In der letzten Zeit haben jedoch Laseroszillatoren als leistungsfähige Lichtquellen zum Messen von Stoffen mit extrem niedriger Konzentration Beachtung gefunden, da das Laserlicht stark monochromatisch ist, Laseroszillatoren eine hohe Ausgangsleistung haben und eine gute Richtwirkung zeigen.

Bei einer bekannten Analysevorrichtung, die mit Laserlicht arbeitet, geht das von einem Gaslaserresonator ausgesandte Laserlicht durch eine Meßkammer und eine Vergleichskammer eines als Differentialmeßzelle ausgebildeten lichtdurchlässigen optoakustischen Detektors. Dieser Detektor benötigt jedoch Laserlicht mit hoher Energie, da das vom Resonator ausgesandte Licht auf dem Wege zur Meß- und Vergleichskammer in seiner Energie gedämpft wird. Darüber hinaus bleibt die Genauigkeit der Messung hinter den Anforderungen zurück, da die Lichtabsorption durch die Fenster der Differentialmeßzelle zu Fehlern führt

Bei einer weiteren bekannten Analysevorrichtung dieser Art befindet sich eine Meßzelle in einem Gaslaserresonator, während der Detektor außerhalb des Resonators angeordnet ist Bei dieser Ausbildung kann der Fehler aufgrund der Absorption des Lichtes durch das Fenster der Meßzelle zwar vernachlässigt werden, diese Vorrichtung ist jedoch nicht in Form einer Differentialmeßzelle ausgebildet, so daß der nachteilige Einfluß von irgendwelchen Störstoffanteilen niedriger Konzentration im Meßgas, deren Lichtabsorptionsband das Lichtabsorptionsband des zu messenden Stoffes überlappt schwierig auszuschalten ist Dazu wäre ein kompliziertes Doppelstrahlsystem erforderlich. Verglichen mit der Lichtmenge im Resonator beträgt darüber hinaus das den Detektor über einen Spiegel erreichende Licht lediglich einige Prozent dieser Uchtmenge, was zu einer stark herabgesetzten Empfindlichkeit führt

Bei dem bekannten optoakustischen Analysator der eingangs genannten Art sind sowohl die MeSkammer als auch die Vergleichskammer im Resonator aufgenommen, so daß das Laserlicht im Gegensatz zu den anderen bekannten Vorrichtungen auf seinem Weg zu beiden Kammern in seiner Energie nicht gedämpft wird und somit dieser bekannte Analysator eine hohe Empfindlichkeit hat, ohne daß Laserlicht mit hoher Energie verwandt werden muß. Dadurch, daß die Kammern im Resonator vorgesehen sind, ergibt sich weiterhin eine höhere Meßgenauigkeit, da keine Fehler aufgrund der Energieabsorption durch die Fenster auftreten. Da der Detektor die Form einer Differentialmeßzelle hat, kann der nachteilige Einfluß von Störstoffanteilen niedriger Konzentration in der Probe wirksam ausgeschlossen werden. Wenn weiterhin ein bestimmter Anteil einer Gasprobe analysiert werden soll, indem die Gasprobe mit einem Basisgas verdünnt wird, und die Gasprobe in die Meßkammer dicht eingeschlossen wird, während in eir Vergleichskammer nur das Basisgas dicht eingeschlossen ist, ist die durch das Basisgas absorbierte Energiemenge in beiden Kammern gleich groß, so daß als Meßwert die Menge der Probesubstanz erhalten werden kann, die genau der absorbierten Energie entspricht. Meßfehler aufgrund von Störstoffanteilen können dadurch ausgeschlossen werden, daß in der Vergleichskammer dasjenige Gas eingeschlossen wird, das dadurch erhalten wird, daß aus der Probe mit Hilfe eines Absorptionsrohres, eines Verbrennungsrohres usw. der Anteil entfernt wird, auf den die Messung gerichtet ist.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe Gesteht demgegenüber darin, die Meßgenauigkeit und die Meßempfindlichkeit eines derartigen bekannten optoakustischen Analysators der eingangs genannten Art noch weiter zu verbessern.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Laserentladeröhre zwischen der Meßkammer und der Vergleichskammer angeordnet ist und die Meßkammer und die Vergleichskammer jeweils auf einer Seite von einem der Spiegel und auf der anderen Seite von einem der Fenster der Laserentladeröhre begrenzt sind.

Bei dem erfindungsgemäßen Analysator ist im Gegensatz zu dem bekannten Analysator die Laserentladeröhre somit nicht auf einer Seite der Differenzmeßzelle, sondern zwischen der Meßkammer und der Vergleichskammer angeordnet und sind die Begrenzun-

gen der Meßkammer und der Vergleichskammer jeweils einer der Spiegel des Gaslaserresonators und andererseits eines der Fenster der Laserentladeröhre.

Aufgrund der symmetrischen Anordnung der beiden Kammern zur Laserentladeröhre wird bei dem erfindungsgemäßen Analysator auch eine symmetrische Laserlichtintensitätsverteilung in beiden Kammern erreicht, während bei dem bekannten Analysator das Laserlicht, das in die von der Entladeröhre entfernt liegende Kamm ir eintritt, immer bereits durch die der Entladeröhre näherliegende Kammer gegangen ist und dort einer gewissen Absorption unterliegt. Da die erfindungsgemäße Ausbildung derart ist daß der Spiegel des Resonators und die Fenster der Entiaderöhre als Begrenzungen der beiden Kammern ausgenutzt werden, ergibt sich weiterhin eine geringe Anzahl an Fenstern, was zu niedrigeren Absorptionsverlusten führt.

Der erfindungsgemäße Analysator bietet weiterhin den Vorteil, daß die Entladeröhre, die beiden Kammern und die Spiegel in einem Stück ausgebildet sind und im Hohlraumresonator kein Leerrauin vorhanden ist, wie es bei dem bekannten Analysator der Fai ist Aus diesem Grunde sind Einflüsse auf das Meßergebnis aufgrund der Umgebungsluft ausgeschlossen. Unter diesen Einflüssen sind das Vorhandensein von Störgasen, die Absorption des Laserstrahles H2O und beispielsweise die Streuung des Laserstrahles durch Staub oder Wasserdampf in der Umgebungsluft zu verstehen. Beim Betrieb des erfindungsgemäßen Analysators ist daher auch kein Schutzgas, wie beispielsweise N2 oder ein ähnliches Gas erforderlich.

Besonders bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Analysators sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 5.

Im folgenden wird anhand der Zeichnung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

F i g. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des bekannten Analysators. *o

Fig.2 zei&E ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Analysators.

In F i g. 1 ist ein Ausführungsbeispiel des bekannten Analysators, d. h. ein optoakustischer Analysator zum Messen einer niedrigen Konzentration von Methan CH4 in einer Gasprobe, beispielsweise in der Umgebungsluft dargestellt. In einem Gaslaserresoi.ator 11 sind eine Laserentladungsröhre 12, die mit einem Heliumneongas gefüllt ist und zwei Resonanzspiegel 13 aufgenommen. Ein in Form einer Differentialmeßzelle ausgebildeter lichtdurchlässiger optoaiaistischer Detektor 14 weist eine Meßkammer 15, eine Vergleichskammer 16, Fenster 17,18 und 19 und ein Kondensatormikrofon 20 auf. Die Meßkammer 15 und die Vergleichskammer 16 befinden sich innerhalb des Laserresonators 11. Der Analysator ist weiterhin mit Elektroden 21 und 22 einer Hochspannungsquelle 23, einem Unterbrecher 24 im Laserresonator 11, einem Synchronsignaldetektor 25, Gaszuleitungen 26 und 27, Gasableitungen 28 und 29, Ventilen 30, 31, 32 und 33, einem Vorverstärker 34, einem Synchronverstärker 35 und einem Anzeigegerät 36 versehen.

Bei einem Analysator mit dem oben beschriebenen Aufbau wird das von der Laserentladungsröhre 12 ausgesandte Licht unter Einhaltung der Resonanzbedingung durch die Spiegel 13 reflektiert so daß sich Laserlicht mit einer Wellenlänge von 339 μπι ergibt Das Laserlicht geht durch die Meßkammer 15 und die Vergleichskammer 16, die sich im Resonator 11 befinden. Das Licht wird auch durch den Unterbrecher 24 mit einer gegebenen Frequenz unterbrochen und zur stabilisierten Verarbeitung der Signale in ein Wechselspannungssignal umgewandelt.

Die Meßkammer 15 des Detektois 14 wird über die Zuleitung 26 mit Außenluft beladen, die Methan CH₄ in niedriger Konzentration enthält, während die Vergleichskammer 16 über die Zuleitunr.27 mit N2 Gas, das Laserücht nicht absorbiert oder mit AuQenluft beladen wird, aus der der CH₄-AnIeH unter Verwendung eines oxidierenden Katalysators entfernt wurde. Jede Kammer wird dann durch das Schließen der Ventile 30 bis 33 dicht abgeschlossen. Das Laserlicht, das die Meßkammer 15 durchstrahlt, wird durch das CH₄-GaS absorbiert, das eine Absorptionsbande bei 339 μπι, der Wellenlänge des Laserlichtes, aufweist Die Temperatur der Gasprobe nimmt anschließend proportional zur enthaltenen CH₄-Konzentration zu, wodurch der Druck des Gases ansteigt In der Vergleichskammer 16, die kein CH₄ enthält tritt jedoch keine Zunahme des Druckes auf. Das hat zur Folge, daß sich zwischen den beiden Kammern 15 und 16 ein Druckunterschied entwickelt der die Membran 37 des Kondensatormikrofons bewegt Diese Bewegung wird durch den Vorverstärker 34 verstärkt mit einem Signal vom Synchronsignaldetektor 36 synchronisiert und gleichgerichtet, vvn das Anzeigegerät 36 zu betätigen.

In F i g. 2 ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Analysators dargestellt, bei dem die Fenster 17, 18 und 19, die die Meßkammer 15 und die Vergleichskammer 16 bei dem bekannten Analysator begrenzen, fehlen und statt dessen die Stirnwände 38,39 der Laserentladeröhre 12 und die Spiegel 13 dazu dienen, die beiden Kammern zu begrenzen. Ein Entladungsunterbrecher 40 ersetzt den Unterbrecher 24, um die Lichtabgabe von der Laserentladungsröhre 12 zu unterbrechen und dem Synchronverstärker 35 ein Signal zum Synchronisieren und Gleichrichten zu liefern.

Der erfindungsgemäße Analysator kann neben der Gasanalyse auch zum Analysieren von Feststoff- und Flussigkeitsproben verwandt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Optoakustischer Analysator in Form eines Gaslaserresonators mit einer Laserentladeröhre, der von zwei totalreflektierenden Spiegeln begrenzt wird, wobei im Resonator im Laserlichtweg zwischen beiden Spiegeln eine Meßkammer und eine Vergleichskammer angeordnet sind, die eine Differenzmeßzelle bilden, deren Ausgangssignal den Druckunterschied in beiden Kammern aufgrund der ι ο verschiedenen Laserlichtabsorption wiedergibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserentladeröhre (12) zwischen der Meßkammer (15) und der Vergleichskammer (16) angeordnet ist und die Meßkammer (15) und die Vergleichskammer (16) ι -„ jeweils auf einer Seite von einem der Spiegel (13) und auf der anderen Seite von einem der Fenster (38, 39) der Laserentladeröhre (12) begrenzt sind.

2. Optoakustischer Analysator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Entladungsunterbrechereinrichtung (40), die die Lichtemission von der Laserentladeröhre (12) unterbricht

3. Optoakustischer Analysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkammer (15) und die Vergleichskammer (16) jeweils mit einer Fluidzuleitung und einer Fluidableitung versehen sind.

4. Optoakustischer Analysator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Meßkammer (15) und/oder der Vergleichskammer (16) ein Gas dicht eingeschlossen ist

5. Optoa!"ustischer Analysator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich in der Meßkammer (15) eine Feststoffprobe oder eine Flüssigkeitsprobe befindet