DE4314535C2

DE4314535C2 - Inferferometrisches Gaskomponenten-Meßgerät

Info

Publication number: DE4314535C2
Application number: DE19934314535
Authority: DE
Inventors: Rolf Dipl Phys Disch; Davorin Dipl Ing Jaksic
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 1993-05-03
Filing date: 1993-05-03
Publication date: 1997-05-07
Anticipated expiration: 2013-05-04
Also published as: DE4314535A1

Description

Die Erfindung betrifft ein interferometrisches Gaskomponenten- Meßgerät nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 oder nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 7.

Es dient dazu, die Konzentration eines Gases, dessen in einem Wellenlängenband liegendes Absorptionsspektrum bekannt ist, festzustellen. Hierbei soll der Einfluß von Gasen mit sehr ähnlichen - jedoch nicht identischen - Absorp tionsspektren im betreffenden Wellenlängenband, den sogenann ten Querkomponenten, weitgehend ausgeschaltet werden.

Ein derartiges, bekanntes interferometrisches Gaskompo nenten-Meßgerät (FR 2 619 621) überlagert das Durchlaß spektrum des Interferometers (Interferometerkamm), das Spek trum des zu messenden Gases und den vom Polychromator ausge blendeten Spektralbereich oder einen ausgefilterten Teil dieses Spektralbereiches, der eine Vielzahl von Maxima und Minima des Interferometerkammes bzw. Absorptionslinien der zu messenden Gaskomponente(n) umfaßt. Durch eine (gedachte) kontinuierliche Veränderung der Dicke der feststehenden doppelbrechenden Haupt- und/oder Hilfsplatte, d. h. der optischen Wegdifferenz, wird in der Auswerteschaltung ein aus Minima und Maxima bestehendes Interferogramm gebildet. Nimmt die Plattendicke bzw. die optische Wegdifferenz einen solchen Wert an, daß die Transmissionsmaxima des Interferometerkammes mit dem Absorptionsmaxima des Gasspektrums zur Deckung gelangen, erhält man im Interferogramm ein Minimum. Wenn die Platten dicke bzw. die optische Wegdifferenz dagegen einen Wert auf weist, daß die Transmissionsminima des Interferometerkamms auf Absorptionsmaxima des Gasspektrums fallen, weist das Interferogramm ein Maximum auf.

Durch einen die effektive Plattendicke im Bereich einer hal ben Wellenlänge variierenden photoelastischen Modulator, der außer der doppelbrechenden Haupt- und Hilfsplatte im Raum zwischen Polarisator und Analysator angeordnet ist, kann nun ein sich über eine halbe Wellenlänge erstreckender, ausge wählter Bereich des Interferogramms, der durch die Platten dicke bestimmt ist, abgetastet werden, indem der Modulator zu einer mechanischen Schwingung im kHz-Bereich angeregt wird.

Ein solches Gaskomponenten-Meßgerät arbeitet dann einwand frei, wenn das Zentrum des ausgewählten Bereichs an eine ganz bestimmte Stelle des Interferogramms, z. B. in eine Flanke oder ein Maximum gelegt werden kann. Dies ist bei dem bekannten Meßgerät mittels der Hilfsplatte möglich, welche eine veränderliche Dicke aufweist.

Durch geeignete Wahl des Arbeitspunktes mittels Temperatur einstellung kann eine zunächst möglicherweise vorhandene Querempfindlichkeit für eine unerwünschte Gaskomponente nahezu unterdrückt werden, während die Linie oder das Band der interessierenden Gaskomponente weitgehend ungestört von der unerwünschten Querkomponente gemessen werden kann.

Die erste Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein inter ferometrisches Gaskomponenten-Meßgerät zu schaffen, mittels dem unabhängig von Veränderungen der Temperatur, also auch bei absolut gleichbleibender oder sogar durch besondere Maßnahmen konstant gehaltener Tempera tur und ohne Veränderung der Dicke der Hilfsplatte eine sehr schnelle und präzise Arbeitspunkteinstellung möglich ist, wobei gleichzeitig das Kriterium einer stabilen Funktion erfüllt sein soll.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des kennzeichnen den Teils des Patentanspruchs 1 vorgesehen. Vorzugsweise ist nach Anspruch 2 dabei auch ein photoelastischer Modulator zur Abtastung eines ausgewählten Bereiches des Interfero gramms vorgesehen.

Der Erfindungsgedanke ist also darin zu sehen, daß zusätz lich zu der feststehenden doppelbrechenden Hauptplatte eine zweite, kippbare Hilfsplatte hinzugenommen wird, wobei deren optische Kristallachse parallel oder senkrecht zu der der Hauptplatte verläuft und die effektive optische Gangdifferenz beider Platten so gewählt sind, daß man sich im Bereich maximalen Kon trastes des Interferogramms befindet. Die genaue Arbeits punkteinstellung erfolgt relativ schnell über die Winkel stellung der kippbaren Hilfsplatte, wobei der maximale Kipp winkel und die Dicke der Hilfsplatte abhängig sind von der gewünschten Auflösung und der spektralen Lage der Absorp tionsbanden.

Weiter sollte gewährleistet sein, daß der Verstellbereich der optischen Gangdifferenz über den Winkel der kippbaren Hilfsplatte größer als die halbe Periode des Interferogramms ist. Für HCL ist z. B. bei λ = 3,6 µm eine MgF₂-Platte mit einer Dicke von 3 mm und einem maximalen Kippwinkel von ungefähr 20° ausreichend. Durch die Wahl eines Schrittmotors mit Untersetzung kann eine Auflösung der optischen Gangdif ferenz von etwa λ/1000 pro mm MgF₂-Platte (λ = 3,6 µm) er reicht werden.

Innenliegende Heizmatten sollen bei dem in Sandwichbauweise konstruierten Interferometer zusammen mit einer geeigneten Temperaturregelung eine Temperaturkonstanz von besser als 0,1° gewährleisten, was bei einer 1 mm dicken Rutilplatte einer Genauigkeit von ungefähr λ/1000 der optischen Gangdif ferenz entspricht.

Die Arbeitspunktregelung über den Kippwinkel der Hilfsplatte ermöglicht bei einer vorhandenen Querempfindlichkeitskompo nente, d. h. beim Vorhandensein eines Gases, das die Messung nicht beeinflussen soll, dessen Linien jedoch im selben Spektralbereich wie die der Hauptkomponente liegen, das nahezu simultane Messen beider Komponenten, indem durch die kippbare Hilfsplatte alternierend die Minima (Nulldurch gänge) des Gangunterschiedes der beiden Komponenten im Inter ferogramm angefahren werden und bei vorhandener Restempfind lichkeit die jeweils andere Komponente gemessen wird.

Weiterhin besteht erfindungsgemäß auch die Möglichkeit, zwei oder mehrere Gaskomponenten, deren Absorptionsbanden sich nicht überlappen und für deren Reziproken der Linienaufspal tung Δ₁ ≈ n·δ₂ ≈ m·Δ₃ . . . (n, m ganzzahlig) gilt, durch Verdrehen der kippbaren Hilfsplatte im Bereich maximaler Empfindlichkeit zu messen.

Die vorteilhafte Weiterbildung nach Anspruch 2 bedeutet, daß die Dicke und der Winkelverstellbereich der Hilfsplatte so gewählt sind, daß die optische Gangdifferenz um mehr als die halbe Wellenlänge des verwendeten Lichtes verstellbar ist.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstandes des Anspruches 1 sind durch die Patentansprüche 3 bis 6 gekenn zeichnet.

Ein photoelastischer Modulator, wie er vorzugsweise verwendet wird, ist z. B. in der DE 36 12 733 A1 oder in APPLIED OPTICS, Vol. 15, No. 8, August 1976, Seiten 1960 bis 1965, beschrieben. Ein derartiger Modulator schwingt vorzugsweise derart, daß der durch ihn bewirkte Gangunterschied um etwas mehr als eine halbe Periode des Interferogramms schwankt. Auf diese Weise kann z. B. der Arbeitspunkt durch geeignete Kippung der Hilfsplatte in eine Flanke des Interferogramms derart verlegt werden, daß der Gangunterschied zwischen dem Maximum und Minimum des Inter ferogramms schwankt, so daß ein maximales Wechselsignal in der Auswerteschaltung erhalten wird.

Man kann aber auch beispielsweise durch geeignete Winkelein stellung der Hilfsplatte den Arbeitspunkt auf ein Maximum oder Minimum des Interferogramms einstellen, wodurch dann bei Erzeugung eines wechselnden Gangunterschiedes von etwas mehr als der halben Periode des Interferogramms ein Wechsel signal mit doppelter Frequenz erzeugt wird, welches in der Auswerteschaltung leicht ausgeblendet werden kann, so daß die betreffende Gaskomponente bei der Auswertung vollständig unterdrückt wird.

Der bekannte Schwinger nach der DE 36 12 733 A1 weist eine Länge auf, welche gerade der Schallwellenlänge λ im Modula tormaterial entspricht. Ein derartiger Modulator muß in zwei Punkten längs seiner Schwingungsachse in den Bewegungsknoten gelagert werden und besitzt nicht zu vernachlässigende, durch die Aufhängung induzierte Spannungsdoppelbrechung, welche sich störend auf das Meßsignal auswirken kann.

Bei derartigen photoelastischen Modulatoren sind auch 3/2 λ- oder oktogonale Schwinger üblich, welche aus verschiedenen Materialien, nämlich einem transparenten Schwinger und einem piezoelektrischen Wandler, zusammengesetzt sind. Dies be dingt einen erhöhten Aufwand bei der Verbindung (mehrere Klebflächen), bei der Frequenzregelung (Anpassung der Resonanzfrequenzen von optischem und piezoelektrischem Element) und nicht zuletzt bei der Materialwahl. Die Länge des Modulators ist abhängig von der Schallwellenlänge des verwendeten Materials und der antreibenden Frequenz und sollte, um Preis und Bauform klein zu halten, möglichst gering sein. Dies wird im allgemeinen durch eine hohe mecha nische Schwingungsfrequenz und kleine Schallwellenlängen erreicht. Die maximale Frequenz ist im wesentlichen durch die Wahl des Detektors festgelegt. Im Bereich von 2 bis 4,7 µm bietet sich der relativ günstige PbSe-Detektor an, was eine obere mechanische Grenze von 25 bis 30 kHz für die Frequenz bedingt. Als Modulatormaterial zeigt ZnSe in diesem Spektralbereich die besten spannungsoptischen Materialkon stanten bei der relativ geringen Schallgeschwindigkeit von 3700 m/sec. CaF₂ hat dagegen eine Schallgeschwindigkeit von 6800 m/sec. Dennoch beträgt auch bei Verwendung von ZnSe die Stablänge etwa 15 cm, gegenüber 27 cm bei CaF₂.

Da die Resonanzfrequenz des photoelastischen Modulators temperaturabhängig ist und dieser eine hohe Güte aufweist, muß sie geregelt werden. Es hat sich gezeigt, daß eine Rege lung der Phase zwischen Strom und Spannung auf 0 nicht be friedigend arbeitet, da zwischen elektronischer und mechani scher Resonanz ein Phasenversatz besteht, welcher von äuße ren Parametern, insbesondere der Befestigung und Temperatur, abhängt und nicht definiert angegeben werden kann. Folglich kann die mechanische Auslenkung des Modulators bis zu 30% geringer sein, als das in mechanischer Resonanz möglich ist.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, ein interferometrisches Gaskomponenten-Meßgerät der durch den Oberbegriff des Anspruches 7 definierten Gattung zu schaf fen, bei dem der photoelastische Modulator eine deutlich verringerte Bauhöhe hat und die Richtung der über die Längenmodulation induzierten optischen Achse stabil gehalten wird.

Dies wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruches 7 erreicht. Eine vorteilhafte Weiterbildung ist im Anspruch 8 definiert.

Der photoelastische Modulator ist also nicht nur in seiner Länge halbiert, so daß der für seine Unterbringung erforder liche Platz entsprechend reduziert ist und er auch ent sprechend wirtschaftlicher verfügbar ist, sondern es wird auch die Richtung der über die Längenmodulation induzierten optischen Achse stabil genug festgelegt bei gleichzeitig geringer Dämpfung der Modulation und nahezu verschwindender, durch die Lagerung induzierter Spannungsdoppelbrechung. Es wird also in der Stabmitte am Ort eines Bewegungsknotens über die die mechanische Schwingung erzeugenden Piezokeramikelemente auf einer Länge von etwa 20 mm eine ca. 5 mm dicke Schicht eines Silikonkautschuks aufgegossen, womit dann der Modulator in einer geeigneten Fassung befestigt wird.

Nach Anspruch 9 ist zusätzlich zu den die Schwingung anre genden Piezokeramikelementen am Stabende ein Schwingungs sensor angebracht, in dem eine der mechanischen Auslenkung proportionale Spannung induziert wird, mit deren Hilfe ein Mikroprozessor eine exakte Einstellung der Frequenz in der mechanischen Resonanz gewährleistet.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht des Strahlenganges innerhalb eines erfindungsgemäßen interferometri schen Gaskomponenten-Meßgerätes,

Fig. 2 eine vergrößerte entsprechende Ansicht der bei dem Gaskomponenten-Meßgerät nach Fig. 1 verwendeten Hilfsplatte,

Fig. 3 eine schematische perspektivische Ansicht eines photoelastischen Modulators, wie er bei dem Gas- Meßgerät nach Fig. 1 verwendet werden kann, wobei schematisch auch der den Modulator steuernde Mikro prozessor angedeutet ist,

Fig. 4 die Definition eines Interferogramms bei Vorhanden sein eines Gases mit Spektrallinienabständen δν, wo bei auf der Ordinate die am Ausgang des Polychroma tors insgesamt vorhandene Lichtintensität I und auf der Abszisse der durch eine bestimmte Dicke der feststehenden doppelbrechenden Platte bedingte Gangunterschied Δ(m) aufgetragen ist und etwa bei 1/δ der Arbeitspunkt der tatsächlich verwendeten doppelbrechenden Platten liegt,

Fig. 5 einen vergrößerten Ausschnitt aus dem Interferogramm nach Fig. 4 zur Veranschaulichung einer Einstellung des Arbeitspunktes für die optimale Messung bei einem Gangunterschied Δ₀ = 1/δ und

Fig. 6 einen entsprechenden Ausschnitt zur Veranschau lichung der Unterdrückung der Messung einer Gas komponente bei einem Gangunterschied Δ₁.

Nach Fig. 1 wird eine die erforderliche Bandbreite für die Erfassung der ausgewählten Frequenzbanden der zu messenden Gaskomponenten aufweisende Lichtquelle 27 durch einen schema tisch angedeuteten Kondensor 28 in ein Eingangsobjektiv 29 abgebildet, welches seinerseits die Kondensoröffnung ins Unendliche abbildet, so daß aus dem Eingangsobjektiv 29 ein paralleles Lichtbündel 16 austritt, welches durch eine mit den zu messenden Gasen gefüllte Meßstrecke 30 hindurchtritt und anschließend auf einen Polarisator 11 trifft, der bei spielsweise als Wollaston-Prisma ausgebildet sein kann. Die Polarisationsachse des Polarisators 11 verläuft unter 45° zur Zeichenebene, so daß die Darstellung des Wollaston- Prismas in Fig. 1 rein schematisch zu verstehen ist.

Hinter dem Polarisator 11 befindet sich ebenfalls auf der Strahlengangachse 15 des optischen Systems und senkrecht zu diesem eine feststehende doppelbrechende planparallele Platte 12, deren optische Achse unter 45° zur Polarisationsrich tung des Polarisators 11 angeordnet ist und somit in der Zeichenebene oder senkrecht dazu verläuft. Die doppelbrechen de Platte 12 hat eine Dicke d₁, die in auf die zu messenden Gaskomponenten abgestimmter Weise so gewählt ist, wie das weiter unten im einzelnen beschrieben wird.

Der feststehenden doppelbrechenden Platte 12, die als Haupt platte bezeichnet wird, folgt eine Hilfsplatte 20, welche ebenfalls doppelbrechend ist und deren optische Achse parallel zu derjenigen der Hauptplatte 12 verläuft. Die Hilfsplatte 20 ist um eine senkrecht auf der Zeichnungsebene der Fig. 1 stehend angenommene Querachse 17 verschwenkbar, welche mit der optischen Kristallachse oder einer senkrecht zu dieser verlaufenden Achse, also Achsen, welche unter ±45° zu den Polarisatorachsen stehen, zusammenfällt.

Von einem Schrittmotor 37 mit angeschlossenem Getriebe kann die Hilfsplatte 20 um die Querachse 17 in verschiedene Win kelpositionen α verstellt werden. Wenn die Querachse 17 mit der optischen Kristallachse zusammenfällt, wird gemäß Fig. 2 lediglich der Weg von Lichtstrahlen 38, die parallel zur Strahlengangachse 15 in die Hilfsplatte 20 eintreten, ent sprechend dem Kippwinkel α und dem Brechungsindex n der Hilfsplatte 20 verlängert, so daß mit zunehmender Vergröße rung des Kippwinkels α die relativ zur Dicke d₂ der Hilfs platte 20 größere effektive Dicke d_eff zunehmend größer wird. Steht die Querachse 17 senkrecht auf der optischen Kristallachse, wird zusätzlich zur Änderung der effektiven Dicke der Hilfsplatte 20 auch noch die Brechzahldifferenz zwischen ordentlichem und außerordentlichem Strahl in Abhän gigkeit vom Kippwinkel α verändert.

Nach Fig. 1 folgt der kippbaren Hilfsplatte 20 ein durch Piezokeramikelemente 23 (Fig. 3) erregter photoelastischer Modulator 14, der aus dem in ihn eintretenden Gleichlicht Wechsellicht macht, welches in einer Auswerteschaltung 39 besser ausgewertet werden kann. Im Ruhezustand des Modula tors 14 existiert keine Doppelbrechung. Durch Anlegung einer elektrischen Spannung an die Piezokeramikelemente 23 wird dieser mechanisch gestreckt oder gestaucht und so eine mecha nische Spannung induziert. Beim Betrieb in Resonanz ist diese induzierte Spannung und die daraus resultierende Doppelbrechung bei gegebener elektrischer Spannung maximal, aber zeitabhängig, da die Anordnung mit Wechselspannung be trieben wird.

Um nun die größte Dynamik zu erzielen, muß die erreichbare Gangdifferenz, welche durch den Modulator 14 bewirkt wird, mindestens ± λ/4 sein (λ = die mittlere Wellenlänge des absorbierenden Gases). So ist bei λ = 2 µm bei gleicher Spannung eine geringere Modulation erforderlich, um eine Gangdifferenz von λ/4 = 0,5 µm zu erreichen, als bei λ = 5 µm (λ/4 = 1,25 µm).

Aus dem photoelastischen Modulator 14 tritt das Lichtbündel in einen Analysator 13 ein, dessen Polarisationsrichtung parallel oder senkrecht zu der des Polarisators 11 steht, also ebenfalls - entgegen der rein schematisch zu verstehen den zeichnerischen Darstellung - unter ± 45° zur Zeichenebene verläuft.

An den Analysator 13 schließt sich ein Ausgangsobjektiv 31 an, in dessen Brennpunkt sich eine Ausgangsspaltblende 32 befindet, welche den Eingang eines Polychromators darstellt, der ein schräggestelltes holographisches Konkavgitter 33 und eine aus Einzeldioden 21 bestehende Diodenzeile 22 aufweist. Das Konkavgitter 33 reflektiert die auftreffenden Lichtstrah len entsprechend ihrer Wellenlänge in unterschiedliche Win kelbereiche, so daß jede Einzeldiode 21 der Diodenzeile 22 Licht eines mehr oder weniger engen Wellenlängenbereiches, z. B. Δλ₁, Δλ₂ oder Δλ₃ empfängt. Die Diodenzeile 22 kann z. B. aus 256 Einzeldioden 21 bestehen.

Der Ausgang der Diodenzeile 22 ist über eine Leitung 35 an eine elektronische Auswerteschaltung 39 angeschlossen, in welcher aus den von der Diodenzeile 22 empfangenen Signalen die Konzentration der gesuchten Gaskomponenten errechnet wird.

Die Arbeitsweise des beschriebenen Gaskomponenten-Meßgeräts ist wie folgt:
Die z. B. aus MgF₂, SiO₂ oder TiO₂ bestehenden doppelbrechen den Platten 12, 20 werden hinsichtlich ihrer Dicke so ausge wählt, daß der bei einer vorgegebenen Zwischen-Winkelstel lung oder Hilfsplatte 20 und Kippung um die optische Kristallachse auftretende effektive optische Gangunterschied den folgenden Wert besitzt:

Δ₀= d₁·Δn₁ + d_eff·Δn₂ (1)

In dieser Formel bedeuten:
Δ₀: optischer Gangunterschied;
d₁: Dicke der feststehenden doppelbrechenden Haupt platte 12;
Δn₁: Differenz der Brechungsindizes zwischen ordentlichem und außerordentlichem Lichtstrahl in der Hauptplatte 12;
d_eff: effektive Dicke der unter dem Winkel α angeordneten Hilfsplatte 20, wobei sich diese Dicke aus dem opti schen Brechungsgesetz errechnet;
Δn₂: Differenz der Brechungsindizes zwischen ordentlichem und außerordentlichem Lichtstrahl in der Hilfsplatte 20.

Erfolgt die Kippung um die senkrecht zur optischen Kristall achse verlaufende Achse, ist der Gangunterschied wie folgt:

Δ₀ = d₁·Δn₁-d_eff·Δn_2eff (2)

Darin bedeutet:
Δn_2eff: effektive Differenz der Brechungsindizes zwischen ordentlichem und außerordentlichem Lichtstrahl bei dem Kippwinkel α.

Die effektive Dicke d_eff der Hilfsplatte 20 im Sinne von Fig. 2 berechnet sich aus der Dicke der Hilfsplatte d₂, dem Kippwinkel α (dieser ist gleich dem Einfallswinkel des Licht bündels 16) und dem mittleren Brechungsindex n der Hilfs platte 20 wie folgt:

Die Dicken d₁ und d_eff werden nun so gewählt, daß der effektive optische Gangunterschied Δ₀ gerade dem Reziproken der Linienaufspaltung der quasiperiodischen Vibrations-/ Rotationsbanden der nachzuweisenden Gasmoleküle entspricht. Die genaue Arbeitspunkteinstellung geht nun wie folgt vor sich:
Ein erfindungsgemäßes Interferometer liefert in der Auswerte schaltung einen sog. Interferometerkamm, der eine Sinusfunk tion mit einer Folge von Minima und Maxima ist. Befindet sich zwischen Sender und Empfänger sowohl ein Gas mit einem bestimmten Spektrum als auch das erfindungsgemäße Polarisa tionsinterferometer mit dem besagten Interferometerkamm, so sieht die einen bestimmten Wellenlängenbereich abdeckende Diodenzeile 22 (oder ein ausgewählter Teil derselben) nur die integrale Information, welche durch diesen Wellenlängen bereich durchgelassen wird.

Bei der Wahl der Dicke der Platten 12, 20 wird nun wie folgt vorgegangen:
Aus Fig. 4 erkennt man, daß das Interferogramm nur in einem z. B. 10 Perioden umfassenden Bereich K der optischen Wegdif ferenzen einen vernünftigen Kontrast aufweist. Die Dicke der Platten 12, 20 wird nun so gewählt, daß der bei einer mitt leren Kippstellung der Hilfsplatte 20 durch sie hervorgerufene Gangunterschied Δ₀ irgendwo in dem Bereich K zu liegen kommt. Bevorzugt ist die Mitte des Bereiches K, wo der Kontrast, d. h. der Unterschied zwischen Minimum und Maximum am größten ist.

Nun erfolgt die Feinjustierung in der Weise, daß der Arbeitspunkt bei vorgegebener konstanter Temperatur über die Winkelstellung der Hilfsplatte 20 so einjustiert wird, daß nach Fig. 5 bei Modulatorbetrieb die Intensität des integralen Ausgangssignals der Diodenzeile 22, welches in der Auswerteschaltung 39 gebildet wird, zwischen I_max und I_min variiert. Sitzt der Arbeitspunkt genau in der Flanke des Interferogramms (siehe Δ₀ in Fig. 5), so ist das durch den Modulator 14 erzeugte Wechselsignal maximal, wenn er mit einer Amplitude von ± λ/4 schwingt. Der durch den schwingen den Modulator 14 bedingte Gangunterschied ist in dem inner halb von Δ₀ wiedergegebenen Hilfsdiagramm 5′ in Abhängigkeit von der Zeit t angedeutet. Das Meßgerät ist nun für ein Gas, dessen Spektrallinienabstände δ betragen, maximal empfindlich.

Wird der Arbeitspunkt durch Verkippen der Hilfsplatte 20 auf ein Maximum des Interferogramms gelegt, wie das bei Δ₁ in Fig. 6 angenommen ist, so erhält man zwar auch ein Wechsel signal (Änderung von I_a über I_max nach I_b), jedoch mit doppelter Frequenz, was folglich durch eine Lock-In-Technik unterdrückt werden kann (Minimum). Das Interferometer ist nun gegen ein Gas, dessen Spektrallinienabstände l/Δ₁ betragen, unempfindlich.

Das Meßgerät für ein Gas empfindlich oder unempfindlich zu machen, bedeutet somit den Gangunterschied Δ über die Hilfs platte 20 so zu verändern, daß das durch die ±λ/4 Gangunter schiedsmodulation des Modulators 14 erzeugte Wechselsignal maximal oder minimal gemacht wird.

Die (effektiven) Dicken der Platten 12, 20 und damit die effektive Gangdifferenz werden also so gewählt, daß man sich im Bereich K des maximalen Kontrastes (Fig. 4) des Interfero gramms befindet. Dieser Bereich kann bis zu zehn Maxima und Minima (fast gleicher Amplitude) aufweisen, was u. a. eine Folge der Tatsache ist, daß bei den Spektren der Gase die Absorptionslinien nicht äquidistant, sondern nur quasiäqui distant sind. Somit ist die Winkelstellung der Hilfsplatte 20 für die Grobeinstellung nicht relevant.

Der maximale Kippwinkel α_max und die Dicke der Hilfsplatte 20 sind abhängig von der gewünschten Auflösung und der spektralen Lage der Absorptionsbanden.

Zwischen den optischen Bauelementen 11, 12; 12, 20; 20, 14; und 14, 13 sind nach Fig. 1 blendenartig ausgebildete Heiz matten 18 befestigt, mittels deren durch geeignete Tempera tursteuerung eine exakte Temperatur mit einer Konstanz von besser als 0,1° in dem Raum erzeugt werden kann, wo sich die optischen Bauelemente befinden. Dies ergibt bei einer 1 mm dicken Rutilplatte eine Genauigkeit von ungefähr λ/1000 beim Gangunterschied. Alle optischen Bauelemente sollten in einem wärmeisolierenden Gehäuse untergebracht sein.

Nach Fig. 3 ist der photoelastische Modulator 14 nach Fig. 1 als ein im Querschnitt rechteckiger Modulatorstab 19 mit einer Länge L ausgebildet, welche halb so lang ist wie die Wellenlänge, mit der der Modulatorstab 19 in seiner Längs richtung schwingen soll. Dadurch ergibt sich ein Schwingungs knoten in der Stabmitte. Dort sind auf gegenüberliegenden Seiten des Modulatorstabes 19 Piezokeramikelemente 23 ange bracht, welche auf einer Länge von etwa 20 mm mit einer 5 mm dicken Silikon-Kautschuk-Schicht 24 abgedeckt sind. Durch den Lichtstrahl 38 ist angedeutet, wie das Lichtbündel 16 nach Fig. 1 den Modulatorstab 19 durchquert. Die Piezokera mikelemente 23 befinden sich also an um 90° um die Stabachse 42 gegenüber den Lichtdurchtrittsflächen versetzten Flächen.

In einem Endbereich des Modulatorstabes 19 ist an einer sei ner Seiten ein Schwingungssensor 25 angebracht. Der Schwin gungssensor 25 und die Piezokeramikelemente 23 sind über nur gestrichelt angedeutete Leitungen mit einem Mikroprozessor 26 verbunden, welcher über den Schwingungssensor 25 die Ist- Frequenz und die Schwingungsamplitude des zu einer Längs schwingung angeregten Modulatorstabes 19 mißt und dement sprechend die Piezokeramikelemente 23 derart mit einer Anre gungsfrequenz beaufschlagt, daß diese mit einer vorbestimm ten Sollfrequenz arbeiten, die einer Wellenlänge gleich dem Doppelten der Stablänge L entspricht.

Der Mikroprozessor 26 kann Bestandteil der Auswerteschaltung 29 nach Fig. 1 sein. Die die Piezokeramikelemente 23 mit Spannung versorgenden Leitungen sind der Einfachheit halber in Fig. 3 nicht dargestellt.

Weiter sind auch die Fassungen in Fig. 3 nicht gezeigt, welche von beiden Seiten her an den Silikon-Kautschuk- Schichten 24 angreifen und auf diese Weise den Modulatorstab 19 in seinem Schwingungsknoten einspannen. Durch die Einspan nung über die erfindungsgemäß über den Piezokeramikelementen 23 vorgesehenen Silikon-Kautschuk-Schichten 24 wird die Richtung der über die Längenmodulation induzierten optischen Achse stabil auf einen Wert genauer als 1° festgelegt, und zwar bei gleichzeitig geringer Dämpfung der Modulation und nahezu verschwindender, durch die Lagerung induzierter Span nungsdoppelbrechung.

Erfindungsgemäß ist also eine schnelle Arbeitseinstellung und eine Stabilisierung desselben möglich. Da die Temperatur im Innern des Interferometers nicht verändert werden muß und in engen Grenzen konstant gehalten werden kann, ist die Arbeitspunkteinstellung nicht nur schnell, sondern auch sehr genau möglich.

An sich störende Querkomponenten können nicht nur elimi niert, sondern sogar durch geeignete Kippstellung der Hilfs platte 20 gemessen werden.

Der wesentliche Bestandteil des erfindungsgemäßen Gas-Meß gerätes ist das beschriebene Polarisationsinterferometer, bei dem die Dicke der doppelbrechenden Platten auf die quasi periodische Struktur in den Vibrations-/Rotationsbanden, die des Modulators auf die zu erreichende Retardation und damit den Wellenlängenbereich der Absorption des zu messenden Gases abgestimmt ist.

Die Grobeinstellung des beschriebenen Polarisationsinterfero meters geschieht also durch geeignete Wahl der Dicken d₁ und d₂ der Hauptplatte 12 bzw. der Hilfsplatte 20. Die Fein justierung kann dann durch geeignete Einstellung des Winkels α der Hilfsplatte 20 erfolgen. Zweckmäßigerweise wird bei der Wahl der Dicke d₂ der Hilfsplatte 20 bereits von einem mittleren Winkel α ausgegangen, so daß nach Fertigstellung des Interferometers die Hilfsplatte 20 unter einem Ausgangs winkel von beispielsweise 10° steht, der dann nach beiden Richtungen verändert werden kann, um die erforderliche Fein einstellung auf eine bestimmte Absorptionsbande vorzunehmen.

Claims

1. Interferometrisches Gaskomponenten-Meßgerät, insbesonde re für kleine Gasmoleküle, mit einem von einer Licht sendeanordnung (27, 28, 29) erzeugten Lichtbündel (16), welches ein Wellenlängenband aufweist, in dem auszu nutzende Absorptionsspektren der festzustellenden Gaskomponenten liegen, mit einer die Gaskomponenten enthaltenden Meß strecke (30), durch die das Lichtbündel (16) hindurch tritt, einem das aus der Meßstrecke (30) austretende Licht empfangenden Polarisator (11), hinter dem eine feststehende doppelbrechende Hauptplatte (12) angeordnet ist, deren optische Achse einen Winkel von 45° mit der Polarisationsrichtung des Polarisators (11) einschließt und eine solche Dicke (d₁) aufweist, daß die optische Gangdifferenz (Δ₀) zwischen den in der Hauptplatte (12) erzeugten, senkrecht zueinander polarisierten Licht strahlen beim Reziproken (1/δν) der quasiperiodischen Linienaufspaltung einer ausgewählten Vibrations- Rotationsbande der Gasmoleküle einer Gas komponente liegt, mit einem hinter der Hauptplatte (12) angeordneten Analysator (13), dessen Polarisations richtung parallel oder senkrecht zu der des Polarisators (11) verläuft, einem dahinter angeordneten Ausgangsobjek tiv (31), welches das aus dem Analysator (13) austreten de Licht zu einem Polychromator (22, 33) mit einer Aus werteschaltung (39) lenkt, die für die Konzentration der betreffenden Gaskomponenten repräsentative elektri sche Konzentrationssignale abgibt, wobei zusätzlich zwischen Polarisator (11) und Analysator (13) eine doppelbrechende Hilfsplatte (20) angeordnet ist, deren optische Kristallachse parall oder senkrecht zu der der Hauptplatte (12) verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsplatte (20) um die optische Kristallachse oder eine senkrecht dazu verlaufende Achse (17) verdrehbar ist, und daß die Dicken (d₁ bzw. d₂) der Hauptplatte (12) und der Hilfsplatte (20) so gewählt sind, daß die durch Haupt- und Hilfsplatte (12, 20) gemeinsam hervorgerufene optische Gangdifferenz (Δ₀) sich in einem Bereich (K) maximalen Kontrastes des Interferogramms befindet, welches bei einer bestimmten Wellen länge die Abhängigkeit der Lichtintensität von der Gangdifferenz wiedergibt.

2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Polarisator (11) und dem Analysator (13) ein photoelastischer Modulator (14) vorgesehen ist, welcher die Gangdifferenz vorzugsweise mit einer halben Periode (±λ/4) des Interferogramms moduliert.

3. Meßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (d₂) der Hilfsplatte (20) so gewählt ist, daß durch Drehen der Hilfsplatte (20) um ihre Dreh achse (17) deren effektive Dicke (d_eff) so verändert wird, daß der Arbeitspunkt um etwas mehr als eine halbe Periode des Interferogramms verschiebbar ist.

4. Meßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsplatte (20) beim Arbeiten im µm-Wellenlän genbereich eine Dicke im mm-Bereich hat.

5. Meßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkelverstellbereich der Hilfsplatte (20) bei 0° beginnt, da für kleine Winkel die höchste Auflösung erreicht wird.

6. Meßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Polarisators (11), der feststehenden Hauptplatte (12), des Analysators (13), des photoelasti schen Modulators (14) und der verdrehbaren Hilfsplatte (20) eine Heizvorrichtung (18) angeordnet ist.

7. Interferometrisches Gaskomponenten-Meßgerät, insbesondere für kleine Gasmoleküle, mit einem von einer Licht sendeanordnung (27, 28, 29) erzeugten Lichtbündel (16), welches ein Wellenlängenband aufweist, in dem auszu nutzende Absorptionsspektren der festzustellenden Gaskomponenten liegen, mit einer die Gaskomponenten enthaltenden Meß strecke (30), durch die das Lichtbündel (16) hindurch tritt, einem das aus der Meßstrecke (30) austretende Licht empfangenden Polarisator (11), hinter dem eine feststehende doppelbrechende Hauptplatte (12) angeordnet ist, deren optische Achse einen Winkel von vorzugsweise 45° mit der Polarisationsrichtung des Polarisators (11) ein schließt und eine solche Dicke (d₁) aufweist, daß die optische Gangdifferenz (Δ₀) zwischen den in der Hauptplatte (12) erzeugten, senkrecht zueinander polarisierten Lichtstrahlen in der Größenordnung des Reziproken (1/δν) der quasiperiodischen Linienaufspaltung einer ausgewähl ten Vibrations-Rotationsbande der Gasmoleküle einer Gaskomponente liegt, mit einem hinter der Hauptplatte (12) angeordneten Analysator (13), dessen Polarisations richtung parallel oder senkrecht zu der des Polarisators (11) verläuft, einem dahinter angeordneten Ausgangsobjek tiv (31), welches das aus dem Analysator (13) austreten de Licht zu einem Polychromator (22, 33) mit einer Aus werteschaltung (39) lenkt, die für die Konzentration der betreffenden Gaskomponenten repräsentative elektri sche Konzentrationssignale abgibt,
mit einem zwischen dem Polarisator (11) und dem Analysa tor (13) und insbesondere zwischen der feststehenden Hauptplatte (12) und dem Analysator (13) angeordneten photoelastischen Modulator (14),
dadurch gekennzeichnet,
daß als photoelastischer Modulator (14) ein durchsichtiger, photoelastischer Modulatorstab (19) mit vorzugsweise rechteckigem oder quadratischem Querschnitt in der Stabmitte beidseits der Lichtdurchtritts stelle (28) mechanisch eingespannt und zu einer mechani schen Längsschwingung mit einer dem doppelten seiner Länge (L) entsprechenden Wellenlänge anregbar ist,
daß weiterhin in der Stabmitte auf den eingespannten Seiten des Modulatorstabes (19) Piezokeramikelemente (23) angebracht sind, die zu einer mechanischen Schwingung mit der obigen Wellenlänge anregbar sind,
daß die Piezokeramikelemente (23) jeweils mit einer Silikon- Kautschukschicht (24) überzogen sind und
daß mittels der Silikon-Kautschukschichten der Modulatorstab (19) in einer Fassung gehalten ist.

8. Meßgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Silikon-Kautschukschicht (24) sich allseits über die Piezokeramikelemente (23) hinauserstreckt.

9. Meßgerät nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich eines der Enden des Modulatorstabes (19) ein Schwingungssensor (25) befestigt ist, der die Schwingungsamplitude an einen Mikroprozessor (26) meldet, der die Piezokeramikelemente (23) dadurch auf die mechanische Resonanzfrequenz entsprechend der doppelten Länge (L) des Modulatorstabes (19) einregelt.