DE3736673A1 - Infrarot-analysengeraet - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Infrarot-Analysengerät zum Bestimmen der Konzentration eines Gases mit einer breitbandigen Strahlungsquelle, die über eine Meß­ strecke und mindestens ein Interferenzfilter einen Detektor beaufschlagt, und mit einer an den Detektor­ ausgang angeschlossenen Steuer- und Auswerteschaltung.

Derartige Meßgeräte sind beispielsweise aus der Zeit­ schrift "messen + prüfen/automatik", Mai 1983, Seite 264 ff bekannt. Geräte zur Gasanalyse durch Strahlungs­ absorptionsmessung sind auch in der DE-PS 11 59 184, der DE-OS 29 39 735, der DE-OS 26 55 062, der DE-OS 26 25 431 und der DE-OS 23 50 004 beschrieben. Zur Auswahl verschiedener Wellenlängenbereiche werden entweder verschiedene Interferenzfilter, die auf einem Filterrad angeordnet sind, oder verhältnismäßig teure Verlaufsfilter herangezogen. Bei den bekannten Geräten handelt es sich um relativ aufwendige Geräte und zwar insbesondere dann, wenn der zu erfassende Konzentra­ tionsbereich über drei Größenordnungen hinausgeht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Analysen­ gerät der eingangs genannten Art zu schaffen, das sich durch einen einfachen Aufbau sowie dadurch auszeichnet, daß es Konzentrationsunterschiede von mindestens vier Größenordnungen erfaßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Steuer- und Auswerteschaltung ein Strahlunterbre­ cher sowohl zum wechselseitigen Durchlaß von zwei unter verschiedenen Winkeln durch ein Interferenzfilter gelangenden Strahlenbündeln als auch zum wechselseiti­ gen Abblocken beider Strahlenbündel zugeordnet ist und die Einfallsrichtungen der beiden Strahlen so gewählt sind, daß den unterschiedlichen Einfallsrichtungen benachbarte Wellenlängen mit stark unterschiedlichen Absorptionen für das untersuchte Gas zugeordnet sind.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Dadurch, daß für die zu erfassenden Konzentrationen zwei Meßwellenlängenbereiche zur Verfügung stehen, die bei schwachen Gaskonzentrationen einer stärkeren Absorptionsbande und bei hohen Gaskonzentrationen einer schwächeren Absorptionsbande zugeordnet sind, erfolgt eine Meßbereichserfassung und Meßbereichszuordnung und damit eine jeweils optimale Signalverarbeitung. Es ist somit ein großer Dynamikbereich ohne die Gefahr eines zu großen Rauschanteils in dem Detektorsignal möglich.

Die Absorption des jeweils zu untersuchenden Gases erfolgt in benachbarten Wellenlängenbereichen stark unterschiedlicher Absorption mit ein und derselben Detektoranordnung. Durch die Veränderung der Einfalls­ richtung der Strahlung auf das Interferenzfilter wird die Wellenlängenänderung bewirkt, die innerhalb der Absorptionsbanden des betreffenden Gases bzw. der Gase derart ausgesucht wird, daß sich die Absorption der Strahlung in beiden Fällen sehr stark unterscheidet und dadurch ein besonders großer Dynamikbereich des Meß­ gerätes entsteht.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind zwei Konkavspiegel, auf die das Licht der breitbandigen Lichtquelle trifft, räumlich gegeneinander versetzt, so daß die von ihnen reflektierte Strahlung nach dem Durchqueren des Meßraums unter unterschiedlichen Win­ keln auf das Interferenzfilter vor dem Detektor auf­ trifft. Ein Ausblenden des Lichtes von den beiden Spiegeln erfolgt durch einen Strahlunterbrecher, der wechselseitig jeweils das Licht von nur einem der beiden Konkavspiegel durch das Interferenzfilter auf den Detektor gelangen läßt oder in einer Zwischen­ stellung das von beiden Spiegeln reflektierte Licht vom Detektor fernhält und so eine genauere Untergrundbe­ stimmung zuläßt.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur ein Analysengerät mit zwei Konkavspiegeln zeigt.

Das Analysengerät zum qualitativen und quantitativen Nachweis von Gasen über einen großen Dynamikbereich verfügt über eine breitbandige Strahlungsquelle 1, beispielsweise eine Glühlampe oder sonstige thermische Strahlungsquelle.

Das von der Strahlungsquelle 1 ausgesandte infrarote Lichtbündel 11 durchquert einen Meßraum 12, in dem sich das zu analysierende und auf seine Konzentration zu überwachende Gas befindet. Das Lichtbündel 11 wird mit Hilfe zweier sphärischer Spiegel 13, 18 die das der Strahlungsquelle 1 gegenüberliegende Ende des Meßraums 12 bilden, zurückreflektiert und als fokussierte Licht­ bündel 14 und 19 unter verschiedenen Winkeln auf einen Detektor 15 konzentriert.

Unmittelbar vor dem Detektor 15 befindet sich im Weg der fokussierten Lichtstrahlenbündel 14 und 19 ein Interferenzfilter 16, das beispielsweise rechtwinklig zum Strahlenbündel 14 des ersten Spiegels 13 angeordnet ist, während das Lichtbündel 19 des zweiten Spiegels 18 mit einem dazu unterschiedlichen Winkel durch das Interferenzfilter 16 gelangt. Wegen der Abhängigkeit der Transmissionswellenlänge des Interferenzfilters 16 vom Einfallswinkel der Strahlung werden zwei unter­ schiedliche Wellenlängenbereiche aus dem von der Licht­ quelle 1 emittierten Kontinuum selektiert. Diese beiden Wellenlängenbereiche sind aufgrund der gegenseitigen geometrischen Anordnung der optischen Komponenten derart eingestellt, daß einer im Bereich einer beson­ ders starken Absorptionsbande liegt und somit niedri­ gere Gaskonzentrationen erfaßt, während der andere im Bereich einer schwächeren Absorptionsbande vorgesehen ist und folglich zur Bestimmung höherer Gaskonzentra­ tionen dient.

Die Trennung der beiden Signale erfolgt mit Hilfe eines Strahlunterbrechers 5, der bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel als Schwingschirm ausgestaltet ist. Der Strahlunterbrecher 5, dessen Abschirmfläche in der in der Zeichnung eingezeichneten Richtung des Doppelpfeils 20 am festgelegten Ort min­ destens die Ausdehnung des dort vorhandenen Quer­ schnitts der beiden Strahlenbündel 14, 19 einschließ­ lich des Zwischenraums 21 zwischen den Strahlenbündeln 14, 19 hat, wird beispielsweise nach dem Stimmgabel­ prinzip elektromechanisch derart hin- und herbewegt, daß jeweils das Licht von einem oder keinem der beiden Spiegel 13, 18 auf den Detektor 15 gelangt.

Das vom Detektor 15 umgesetzte Signal wird mit einem Vorverstärker 24 verstärkt und gesteuert von zwei Lichtschranken 3 und 4, über zwei Torschaltungen 22, 23 im Gegentakt zwei Lock-in-Verstärkern 25 und 26 zuge­ führt, die ihrerseits von einer Steuerschaltung 9 des Strahlunterbrechers 5 angesteuert werden (Referenzsig­ nal).

Auf diese Weise werden die elektrisch umgesetzten und verstärkten Signale von den beiden Spiegeln 13, 18 getrennt, wobei während der gleichzeitigen Strahlunter­ brechung von beiden Spiegeln 13, 18 die jeweiligen Untergrundsignale gewonnen werden. Die getrennten Signale werden einer Auswerteschaltung 27 zugeführt, die die gemessenen Konzentrationen bestimmt und über eine Anzeigeeinheit 29 anzeigt.

Claims (7)

1. Infrarot-Analysengerät zum Bestimmen der Konzen­ tration eines Gases mit einer breitbandigen Strah­ lungsquelle, die über eine Meßstrecke und min­ destens ein Interferenzfilter einen Detektor beaufschlagt, und mit einer an den Detektorausgang angeschlossenen Steuer- und Auswerteschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuer- und Auswerteschaltung (27) ein Strahlun­ terbrecher (5) sowohl zum wechselseitigen Durchlaß von zwei unter verschiedenen Winkeln durch ein Interferenzfilter (16) gelangenden Strahlenbündeln (14, 19) als auch zum zeitweisen Abblocken beider Strahlenbündel zugeordnet ist und die Einfalls­ richtungen der beiden Strahlenbündel (14, 19) so gewählt sind, daß den unterschiedlichen Einfalls­ richtungen benachbarte Wellenlängen mit stark unterschiedlichen Absorptionen für das jeweils untersuchte Gas zugeordnet sind.

2. Analysengerät nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Umschaltung zwischen zwei Wellenlängen zur Meßbereichsumschaltung erfolgt.

3. Analysengerät nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwei Meßstrecken mit unterschiedlichen Einfallsrichtungen vorgesehen sind, zwischen denen eine Umschaltung erfolgt.

4. Analysengerät nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwei im Abstand voneinan­ der angeordnete wahlweise ausblendbare Spiegel (13, 18) vorgesehen sind.

5. Analysengerät nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Strahlungsquelle (1) vorgesehen ist, deren Strahlungsrichtung bezüglich des Interferenzfilters (16) umschaltbar ist.

6. Analysengerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß einer Strahlungsquelle (1) zwei Spiegel (13, 18) zuge­ ordnet sind.

7. Analysengerät nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Spiegel feststehende sphärische Konkavspiegel (13, 18) sind.