DE4135843A1 - Analysator fuer absorptionsspektralanalysen, insbesondere von gasen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Analysator für Absorptions­ spektralanalysen, insbesondere von Gasen, nach dem Prinzip der Vergleichsstrahlmessung, bei dem das Licht einer Licht­ quelle eine in einer Meßkammer befindliche Probe und ein in einer der Meßkammer benachbarten Vergleichskammer befindli­ ches Vergleichsmedium durchdringt und bei dem die aus der Meßkammer und die aus der Vergleichskammer austretenden Strahlen getrennt voneinander von einem Detektor gemessen und miteinander verglichen werden.

Analysengeräte der angegebenen Art werden zur Bestimmung von Art und Konzentration eines Gases oder einer Flüssig­ keit in einem Gas- oder Flüssigkeitsgemisch verwendet. Es wird dabei die selektive Strahlungsabsorption des unter­ suchten Mediums photometrisch gemessen und in eine intensi­ tätsproportionale Spannung umgesetzt. Das gemessene Span­ nungssignal entspricht dann der jeweils zwischen der Probe und dem Vergleichsmedium vorhandenen Konzentrationsdiffe­ renz der beobachteten Gas- oder Flüssigkeitskomponente. Hierbei zeigt sich, daß die Strahlungsabsorption und dementsprechend auch das Meßsignal in der Regel nicht linear mit der Konzentration ansteigt, sondern bei höheren Konzentrationen ein Sättigungsverhalten aufweist. Entspre­ chend nimmt die Empfindlichkeit der Messung mit zunehmender Konzentration ab. Um diesen Nachteil zu verringern, ist es bekannt, die elektronische Signalverstärkung mit einer signalabhängigen Verstärkungsregelung zu versehen, die das Meßsignal im Sinne einer Linearisierung korrigiert. Die durch den physikalischen Teil des Analysators vorgegebene Abnahme der Meßempfindlichkeit läßt sich dadurch jedoch nicht beseitigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Analysator der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem das vom Detektor erfaßte Meßsignal im wesentlichen direkt propor­ tional der vorhandenen Konzentrationsdifferenz ist, so daß die Empfindlichkeit über den gesamten Meßbereich weitgehend konstant ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Meßkammer und die Vergleichskammer durch eine optisch transparente Wand voneinander getrennt sind und daß die optische Transparenz der Wand durch streuende, reflektie­ rende oder absorbierende Mittel auf ein solches Maß begrenzt ist, daß der Quotient aus der Konzentration der zu analysierenden Stoffkomponente und den Meßsignalen des Detektors im wesentlichen konstant ist.

Die Erfindung beruht auf der überraschenden Erkenntnis, daß durch eine optische Koppelung von Meßkammer und Vergleichs­ kammer das Verhältnis der Strahlungsabsorption, die von dem Detektor gemessen wird, zu der Konzentration der beobachte­ ten Gas- oder Flüssigkeitskomponente in einem solchen Maße variiert werden kann, daß sich eine lineare Charakteristik zwischen Konzentration und Meßsignal erreichen läßt. Wäh­ rend bei vollständiger optischer Trennung von Meßkammer und Vergleichskammer die Empfindlichkeit des Meßsignals mit steigender Konzentration abnimmt, zeigt sich bei einer nahezu vollständigen optischen Kopplung von Meß- und Ver­ gleichskammer bei anfangs geringerer Empfindlichkeit mit steigender Konzentration eine Empfindlichkeitszunahme. Wird nun die optische Koppelung von Meß- und Vergleichskammer auf einen geeigneten Wert reduziert, so läßt sich für eine bestimmte Meßaufgabe eine weitgehend konstante Empfindlich­ keit über den gesamten Meßbereich erzielen Maßnahmen zur Linearisierung bei der Verarbeitung des Meßsignals sind daher entbehrlich.

Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die streuenden, reflektierenden oder absorbieren­ den Mittel in ihrer Wirkung veränderbar sind, um die opti­ sche Transparenz der Wand zwischen Meß- und Vergleichskam­ mer an die jeweilige Meßaufgabe anpassen zu können.

Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die transparente Wand durch eine Blende teilweise abgedeckt ist. Die Blende kann eine feste Öffnung von vorher bestimm­ ter Größe haben oder ihre Öffnung kann in der Größe ver­ stellbar sein. Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung kann ferner vorgesehen sein, daß die Blende aus einer Schicht aus elektro-optischem Material besteht, dessen Transparenz mittels einer elektrischen Steuerung auf unter­ schiedliche Werte einstellbar ist. Kann auf eine Veränder­ barkeit der optischen Transparenz verzichtet werden, so kann die Blende auch aus einer optisch undurchlässigen Schicht bestehen, mit der die transparente Wand teilweise bedeckt ist. Erfindungsgemäß kann weiterhin vorgesehen sein, daß die transparente Wand aus einem optisch nur teil­ weise durchlässigen Material besteht oder mit einer optisch teildurchlässigen Schicht überzogen ist.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Analysenkü­ vette eines erfindungsgemäßen Analysators kann dadurch erreicht werden, daß die Meßkammer und die Vergleichskammer jeweils aus einem rohrförmigen Hohlkörper aus Glas oder einem anderen lichtdurchlässigen Material bestehen, wobei die einander benachbarten Wandabschnitte der beiden Hohl­ körper eben ausgebildet und in geringem Abstand parallel zueinander angeordnet sind. Mit Hilfe derartiger Hohlkörper läßt sich die erforderliche optische Transparenz zwischen Meß- und Vergleichskammer auf einfache Weise verwirklichen. Die Hohlkörper lassen sich einfach und kostengünstig her­ stellen, indem beispielsweise runde Glasrohre mit einer Abflachung versehen werden Glas zeichnet sich weiterhin durch eine hohe chemische Resistenz aus und ermöglicht daher auch die Analyse aggressiver Medien. Die offenen Enden der Hohlkörper können erfindungsgemäß mit Fenstern aus einem für die jeweilige Strahlung besonders durchlässi­ gen Material verschlossen sein, wobei die Fenster von einem verformbaren Zwischenring aus Metall gehalten sind, der jeweils über ein Glaslot mit dem Fenster einerseits und dem Hohlkörper andererseits verbunden ist.

Zur Reduzierung der optischen Kopplung kann in dem Zwi­ schenraum zwischen den ebenen Wandabschnitten der Hohlkör­ per eine feste oder verstellbare Blende angeordnet sein. Wird eine feste Blende verwendet, so kann vorgesehen sein, daß die Blende auswechselbar ist, um die Lichtdurchlässig­ keit auf diese Weise dem jeweiligen Anwendungsfall anpassen zu können. Erfindungsgemäß kann weiterhin vorgesehen sein, daß die Hohlkörper auf ihrer Innen- oder Außenseite bis auf einen definierten Bereich der ebenen Wandabschnitte mit einer reflektierenden Schicht überzogen sind. Hierdurch können Wandabsorptionsverluste reduziert werden. Im Bereich der ebenen Wandabschnitte kann durch die Größe der beschichteten Flächenabschnitte die geeignete Lichtdurch­ lässigkeit für bestimmte Anwendungsfälle geringerer Anfor­ derung festgelegt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einzelner Ausfüh­ rungsbeispiele näher erläutert, die in der Zeichnung darge­ stellt sind. Es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Analysenküvette für einen erfindungsgemäßen Gasanalysator,

Fig. 2 eine Stirnansicht, teilweise durchbrochen, der Analysenküvette gemäß Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III durch die Analysenküvette gemäß Fig. 1,

Fig. 4 einen Querschnitt durch ein anderes Ausführungs­ beispiels einer Analysenküvette für einen erfin­ dungsgemäßen Analysator,

Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Analysen­ küvette für einen erfindungsgemäßen Analysator und

Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel einer Analysenküvette mit mechanisch verstellbarer Blende für einen erfin­ dungsgemäßen Analysator.

Die in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Analysenküvette 1 ist für einen Infrarot-Gasanalysator vorgesehen. Sie besteht aus einem metallischen Gehäuse 2 in Form eines länglichen Quaders, das an seinen entgegengesetzten Stirn­ seiten koaxiale Ringflansche 3 aufweist, mit denen das Gehäuse 2 in Stapelbauweise an benachbarte Bauelemente der optischen Bank des Analysators anschließbar ist. Das Gehäuse 2 besteht aus zwei Halbschalen 4, 5, die durch Schrauben 6 fest miteinander verbunden sind. Das Gehäuse 2 ist in Längsrichtung von einer zylindrischen Bohrung 6 durchdrungen. In der Bohrung 6 sind parallel nebeneinander zwei rohrförmige Hohlkörper 7, 8 angeordnet, von denen einer eine Meßkammer 9 und der andere eine Vergleichskammer 10 bildet. Die Hohlkörper 7, 8 haben die Form eines Halbzy­ linders und sind aus einem Glasrohr hergestellt. Die stirn­ seitigen Enden der Hohlkörper 7, 8 sind durch ebene Fenster 11 verschlossen, die aus einem infrarot-transparenten Mate­ rial, beispielsweise Calcium-Fluorid oder Barium-Fluorid bestehen. Die Fenster 11 sind an den Hohlkörpern 7, 8 mit Hilfe eines verformbaren Ringes aus Gold befestigt, der durch Glaslot mit den Fenstern 11 und Hohlkörpern 7 bzw. 8 verbunden ist. Die Ringe 12 haben einen im wesentlichen U-förmigen Querschnitt. In axialer Richtung werden die Hohl­ körper 7, 8 von Anschlagscheiben 13 gehalten, die im Bereich der Fenster 11 mit halbkreisförmigen Öffnungen ver­ sehen sind.

Der Hohlkörper 7 weist zwei Anschlußstutzen 14 auf, die über Anschlußhülsen 15 gasdicht mit Gehäuseanschlüssen 16 verbunden sind. Über die Gehäuseanschlüsse 16 wird die Meß­ kammer 9 mit einem zu analysierenden Meßgas gefüllt. Der Hohlkörper 8 weist einen Anschlußstutzen 17 auf, der nach dem Füllen der Vergleichskammer 10 mit einem geeigneten Vergleichsgas verschlossen worden ist.

Die halbzylindrischen Innenflächen 18, 19 der Hohlkörper 7, 8 sind zur Verringerung von Absorptionsverlusten mit einer Reflexionsschicht, beispielsweise mit Gold überzogen Lediglich die einander gegenüberliegenden, ebenen Wandab­ schnitte 20, 21 der Hohlkörper 7, 8 sind unbeschichtet, so daß entsprechend der Transmissionseigenschaft des verwende­ ten Glases Streu- und Reemissionsanteile der die Meßkammer 9 passivierenden Strahlung über die Wandabschnitte 20, 21 in die Vergleichskammer 10 gelangen können. Um diesen Strahlungsfluß auf ein zur Begradigung der Konzentrations- Meßsignal-Kennlinie erforderliches Maß zu begrenzen, ist zwischen den Wandabschnitten 20, 21 ein elektro-optisches Element 22, beispielsweise eine Flüssigkristallschiene angeordnet, dessen Transmissionsverhalten durch Anlegen einer Spannung veränderbar ist. Das Element 22 ist über Anschlüsse 27 mit einer Steuerschaltung verbunden, über die das Element 22 derart steuerbar ist, daß die Strah­ lungstransmission zwischen Meßkammer 9 und Vergleichskammer 10 ein solches Maß erreicht, daß sich ein linearer Verlauf der Kennlinie und damit eine konstante Empfindlichkeit bei der Strahlungsabsorptionsmessung ergibt.

Die Fig. 4 und 5 veranschaulichen vereinfachte Ausfüh­ rungsformen einer erfindungsgemäßen Analysenküvette, der in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Bauart. Anstelle des elektro­ optischen Elements 22 sind bei diesen Ausführungsbeispielen die Wandabschnitte 20, 21 der Hohlkörper 7, 8 bis auf einen Längsspalt b mit einer Reflexionsschicht 23 bedeckt, mit der auch die zylindrischen Abschnitte der Hohlkörper 7, 8 beschichtet sind. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 ist die Reflexionsschicht 23 jeweils auf der Innenseite der Hohlkörper 7, 8 angeordnet. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 befindet sich die Reflexionsschicht 23 jeweils auf der Außenseite der Hohlkörper 7, 8. Diese bei­ den Ausführungsbeispiele eignen sich für Anwendungsfälle, bei denen die Größe der zur Begradigung der Kennlinie erforderliche Strahlungstransmission zwischen Meßkammer 9 und Vergleichskammer 10 vorherbestimmt ist und auf eine nachträgliche Justierung verzichtet werden kann.

Fig. 6 zeigt einen Querschnitt durch eine Analysenküvette 24, die in ihrem grundsätzlichen Aufbau ebenfalls der Küvette 1 gemäß den Fig. 1 bis 3 entspricht. Bei der Analysenküvette 24 ist anstelle des elektro-optischen Ele­ ments 22 eine aus zwei Platten 25, 26 bestehende, verstell­ bare Blende vorgesehen, die in dem Zwischenraum zwischen den Wandabschnitten 20, 21 angeordnet ist. Durch radiales Verstellen der Platten 25, 26 läßt sich die Größe eines Spalts b und damit der Transmissionsgrad zwischen der Meß­ kammer 9 und der Vergleichskammer 10 verändern. Hierdurch läßt sich ebenso wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 1 bis 3 eine feinfühlige Begradigung der Konzentra­ tions-Meßsignal-Kennlinie erreichen.

Anstelle der verstellbaren Platten 25, 26 können auch aus­ wechselbare Blendeneinsätze mit festem Längsspalt b vorge­ sehen sein, wobei die Längsspalten b der einzelnen Ein­ sätze unterschiedlich breit bemessen sind. Weiterhin bietet dieses Ausführungsbeispiel die Möglichkeit, die Oberflächen der Platten 25 oder der Blendeneinsätze mit einem unter­ schiedlichen Reflexionsgrad zu versehen, wobei der Reflexi­ onsgrad auf der der Meßkammer zugekehrten Blendenfläche von dem der Vergleichskammer zugekehrten Blendenfläche abwei­ chen kann. Auch durch solche Ergänzungsmaßnahmen kann das Absorptionsverhalten im Sinne einer Begradigung des Kennli­ nienverlaufs zusätzlich unterstützt werden.

Claims (10)

1. Analysator für Absorptionsspektralanalysen, insbeson­ dere von Gasen, nach dem Prinzip der Vergleichsstrahl­ messung, bei dem das Licht einer Lichtquelle eine in einer Meßkammer befindliche Probe und ein in einer der Meßkammer benachbarten Vergleichskammer befindliches Vergleichsmedium durchdringt und bei dem die aus der Meßkammer und die aus der Vergleichskammer austretenden Strahlen getrennt voneinander von einem Detektor gemes­ sen und miteinander verglichen werden, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Meßkammer (9) und die Vergleichskam­ mer (10) durch eine optisch transparente Wand (20, 21) voneinander getrennt sind und daß die optische Transpa­ renz der Wand (20, 21) durch streuende, reflektierende oder absorbierende Mittel (22, 23, 25, 26) auf ein sol­ ches Maß begrenzt ist, daß der Quotient aus der Konzen­ tration der zu analysierenden Stoffkomponente und den Meßsignalen des Detektors im wesentlichen konstant ist.

2. Analysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die streuenden, reflektierenden oder absorbierenden Mittel (22, 25, 26) in ihrer Wirkung veränderbar sind.

3. Analysator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die transparente Wand (20, 21) durch eine Blende (22, 23, 25, 26) teilweise abgedeckt ist.

4. Analysator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (25, 26) ein in ihrer Größe verstellbare Blendenöffnung (b) hat.

5. Analysator nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende aus einem Element (22) aus elektro-optischem Material besteht, dessen Transpa­ renz mittels einer elektrischen Steuerung einstellbar ist.

6. Analysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die transparente Wand (20, 21) ganz oder teil­ weise mit einer optisch teildurchlässigen Beschichtung versehen ist.

7. Analysenküvette für einen Analysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkammer (9) und die Vergleichskammer (10) jeweils aus einem rohrförmigen Hohlkörper (7, 8) aus Glas oder einem anderen lichtdurchlässigen Material bestehen, wobei die einander benachbarten Wandabschnitte (20, 21) der beiden Hohlkörper (7, 8) eben ausgebildet und in geringem Abstand parallel zueinander angeordnet sind.

8. Analysenküvette nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß in dem Zwischenraum zwischen den ebenen Wandabschnitten (20, 21) der Hohlkörper (7, 8) eine feste oder verstellbare Blende (22, 25, 26) angeordnet ist.

9. Analysenküvette nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Hohlkörper (7, 8) auf ihrer Innen- oder Außenseite bis auf einen definierten Bereich der ebenen Wandabschnitte (20, 21) mit einer reflektierenden Schicht (23) überzogen sind.

10. Analysenküvette nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die offenen Enden der Hohl­ körper (7, 8) mit Fenstern (11) verschlossen sind, wobei die Fenster (11) von einem verformbaren Zwischen­ ring (12) aus Metall gehalten sind, der jeweils über ein Glaslot mit dem Fenster (11) bzw. dem Hohlkörper (7 bzw. 8) verbunden ist.