DE69007291T2

DE69007291T2 - Infrarot-gasdetektor.

Info

Publication number: DE69007291T2
Application number: DE69007291T
Authority: DE
Inventors: Philip Howe
Original assignee: Atomic Energy of Canada Ltd AECL
Current assignee: Atomic Energy of Canada Ltd AECL
Priority date: 1989-09-29
Filing date: 1990-09-10
Publication date: 1994-09-22
Anticipated expiration: 2010-09-11
Also published as: US5170064A; EP0493401A1; EP0493401B1; WO1991005240A1; JP2895622B2; JPH05503352A; DE69007291D1; AU6291090A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Diese Erfindung bezieht sich auf einen nichtdispersiven Analysator, der zum überwachen der Konzentration eines oder mehrerer Gase verwendet werden kann.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Nichtdispersive Analysatoren sind Analysatoren, welche diskrete Strahlungspfade von einer Quelle zu einem oder mehreren Mitteln für die Erkennung der Intensität von Strahlung aufweisen. Einer dieser Pfade verläuft durch die zu analysierende Probe, wie auch durch eine isolierte, festliegende Quantität des Analytgases, und ein anderer dieser Pfade verläuft nur durch die zu analysierende Probe. Deshalb wird jener Teil der Strahlung, der bei der Wellenlänge liegt, welche von dem Analytgas absorbiert wird, aus einem Pfad entfernt, jedoch nicht aus dem anderen, was zu einer Differenz in den Ausgängen von den Energieerfassungsmitteln, die jedem dieser Pfade zugeordnet sind, führt. Demgemäß wird nur dann, wenn die Probe das Analytgas enthält, diese Differenz zwischen den Intensitäten der Strahlung längs der beiden Pfade herabgesetzt. Andere absorbierende Verbindungen beeinflussen beide Detektoren in gleichem Maße.
Um sicherzustellen, daß kein Fehler eingeführt wird aufgrund irgendeiner Veränderung zwischen den Strahlungsquellen, wird üblicherweise eine einzige Quelle verwendet zum Erzeugen der Strahlenbündel über beide Pfade. Demgemäß ist ein Strahlenaufspalter oder Chopper erforderlich. Analysatoren dieser Art können relativ groß sein. Darüber hinaus wird merkbar Energie verbraucht, oft in der Größenordnung von einigen zehn Watt. Dies ist erforderlich, um die Quelle zu speisen, um den Choppermotor für den Strahlenaufspalter zu versorgen und um die Meßschaltkreise mit Leistung zu versorgen.
Diese Erfindung schafft einen nichtdispersiven Analysator, der relativ klein und leichtgewichtig ist und der weder einen Strahlenaufspalter noch einen mechanischen Chopper benötigt. Er benötigt sehr wenig Leistung, näherungsweise ein Watt, und dies nur intermittierend. Er kann deshalb während mehrerer Wochen betrieben werden auf Basis der Energie, die in einer leichtgewichtigen Batterie gespeichert ist. Er verwendet einen elliptischen Reflektor, um das Licht von der Energiequelle zu fokussieren.
Ellipsenzylinder- und Ellipsoidreflektoren werden üblicherweise in der Optik zum Fokussieren von Licht eingesetzt. Solche Reflektoren werden häufig in Meßeinrichtungen verwendet. Demgemäß zeigt U.S.P. 3,266,313 (Litterest) eine Temperaturmeßvorrichtung, wo das Objekt, dessen Temperatur zu messen ist (ein Draht), an einem Brennpunkt einer Ellipse ist und der Detektor an einem anderen Brennpunkt. U.S.P. 4,810,658 (Shanks) zeigt in Figur 4a ein System, bei dem eine Flüssigkeitsprobe in Kontakt mit einem festen Wellenleiter an einem Brennpunkt einer Ellipse angeordnet ist und eine Lichtquelle an dem anderen Brennpunkt.
Teilelliptische oder ellipsoide Spiegel sind in den canadischen Patenten 1,126,977 (Hogg) und 1,127,867 (Brunsting) für Partikelzähler gezeigt. Die Probe und die Lichtquelle befinden sich an einem Brennpunkt der Ellipse. Ein Detektor ist entweder auf der Achse der beiden Brennpunkte (in Brunsteig) angeordnet oder wird aus dieser Achse durch einen Spiegel herausreflektiert (in Hogg).
C.P. 1,228,748 (Oetliker) zeigt eine Auswahl an Lichtführungskonstruktionen für verschiedene Zwecke unter Verwendung von Ellipsoiden. In einigen der Konstruktionen befinden sich die Lichtquelle und die Probe an einem Brennpunkt eines Ellipsoids und ein Detektor befindet sich an dem anderen Brennpunkt. In anderen Konstruktionen befindet sich eine Lichtquelle an einem Brennpunkt und eine mit dem Licht zu behandelnde Probe (beispielsweise in einem chemischen Prozeß) befindet sich am zweiten Brennpunkt.
Elliptische oder ellipsoide Reflektoren sind in der Spektrometrie nicht üblich. Drei Patente von Oehler, U.S.P. 4,557,603; 4,657, 397 und 4,740,086 und eines von Miyatake (U.S.P. 4,808,825) offenbaren Infrarot-Spektrophotometer. Solche Spektrophotometer sind jedoch nicht vom nichtdispersiven Typ und haben nur eine Gaszelle, die von dem Licht durchsetzt wird. Sie unterstützen nicht die Konstruktion eines nichtdispersiven Gasanalysators, wo Lichtstrahlen mehrere Gaszellen durchlaufen müssen, um eine Vergleichsmessung zu ergeben.
U.S.P. 4,808,825 offenbart einen Fluidanalysator, umfassend eine Zelle, die alternativ mit Referenz- und Probegas beschickt wird und die ein Fenster besitzt, das ein Ende eines hohlen Lichtquellenkorpus verschließt, der einen ovalen Längsschnitt aufweist und eine mit Spiegelfinish versehene innere Umfangsoberfläche.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Analysator geschaffen, der einen Korpus umfaßt mit einem Hohlraum mit einem elliptischen, reflektierenden Oberflächenmittel, das einen ersten und einen zweiten Brennpunkt definiert für die Übertragung von Strahlung zwischen den Brennpunkten, eine Kammer für das Halten einer zu analysierenden Gasprobe, wobei einer der Brennpunkte innerhalb der Probekammer liegt, eine Kammer für das Halten eines Inertgases und eine Kammer für das Halten eines Analytgases, wobei die Inertgas- und Analytgaskammern längs eines Pfades positioniert sind, der sich zwischen dem zweiten Brennpunkt und mindestens einem Abschnitt des reflektierenden Oberflächenmittels befindet, wobei eine Strahlungsquelle an einem der Brennpunkte angeordnet ist, und Detektormittel, zugeordnet jeweils der Inertgaskammer und der Analytkammer für das Erfassen von Strahlung, welche das Probegas und seine zugeordnete Gaskammer durchläuft.
Die Kammern sind so positioniert, daß Strahlung, fokussiert durch die elektrische, reflektierende Oberfläche, immer die Probekammer durchläuft und entweder die Analytkammer oder die Inertgaskammer, wenn es sich auf die Erfassungsmittel zu ausbreitet. In bestimmten Ausführungsformen der Erfindung gibt es eine Mehrzahl von Analytkammern und Detektoren, so daß das Probegas bezüglich mehrerer unterschiedlicher Komponenten (Analyten) analysiert werden kann. Diese Erfindung kann beispielsweise angewandt werden für das Überwachen der Luftqualität, für das Erkennen von Leckage oder als Sensorelement in einem Strömungssteuersystem.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

FIGUR 1 ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform des neuartigen Analysators, dargestellt längs Linie 1-1 der FIGUR 2.
FIGUR 2 ist eine geschnittene Seitenansicht derselben Ausführungsform nach Linie 2-2 der FIGUR 1.
FIGUR 3 ist eine geschnittene Seitenansicht ähnlich FIGUR 2 einer anderen Ausführungsform, die verwendet werden kann, um eine Probe gleichzeitig bezüglich dreier unterschiedlicher Gase zu analysieren.
FIGUR 4 ist eine geschnittene Draufsicht nach Linie 4-4 der FIGUR 5 einer weiteren Ausführungsform des neuartigen Analysators.
FIGUR 5 ist eine geschnittene Seitenansicht nach Linie 5-5 der FIGUR 4 der Ausführungsform nach FIGUR 4.
FIGUR 6 ist eine abgebrochene, perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform, bei der ein Ellipsoidreflektor verwendet wird, um noch mehr die Anzahl von Gasen zu erhöhen, die gleichzeitig gemessen werden können.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

FIGUREN 1 und 2 zeigen einen Analysator für das Analysieren des Gehalts eines bestimmten Gases in einer unbekannten Probe. Beispielsweise kann die Probe Umgebungsluft sein und Kohlendioxid kann das Gas sein, dessen Konzentration zu messen ist.
Ein nicht dargestelltes Analysatorgehäuse ist vorgesehen. Innerhalb des Gehäuses befindet sich eine Kammer 2 (nachstehend als Probekammer bezeichnet) zum Aufnehmen der zu analysierenden Probe, eine Kammer 3 (nachstehend als Analytkammer bezeichnet), welche das Analytgas enthält, und eine Kammer 4 (nachstehend als Inertgaskammer bezeichnet) zum Aufnehmen eines inerten Gases, das zweckmäßigerweise das Probegas sein kann, das nicht das Analytgas enthält. Die Kammer 2 umfaßt eine Seitenwandung 10, zwei Endabschnitte 12a und 12b, Deckwandung 14a und Bodenwandung 14b. Die Seitenwandung 10 ist ein Abschnitt einer Ellipse mit ihren Brennpunkten bei f1 und f2. Die Endabschnitte laufen in zwei Öffnungen 13a bzw. 13b aus. Die Form der beiden Endabschnitte 12a und 12b ist nicht kritisch und sie können, falls erwünscht, elliptisch sein. Ihr Zweck ist es, die offene Seite des elliptischen Reflektors zu verschließen und zwei Öffnungen 13a und 13b zu bilden, welche die Detektoren tragen. Geeigneterweise ist die Seitenwandung ein Material, das Strahlung effizient reflektiert, beispielsweise poliertes Aluminium, oder ein Compositematerial, beschichtet mit einem reflektiven Material.
Der obere Abschnitt der Seitenwandung 10 stößt auf die Deckwandung 14a. Der Bodenabschnitt stößt auf die Bodenwandung 14b. Die Deck- und Bodenwandungen bestehen aus geeignet refklektierendem Material, wie poliertem Aluminium.
Jede der Wandungen 14a und 14b ist mit einer Mehrzahl von Löchern 15 versehen, damit das Probegas in die Vorrichtung eintreten und sie verlassen kann. Wenn die Vorrichtung als ein Lufttester verwendet wird, ist das Probegas normalerweise die Umgebungsluft, die zu untersuchen ist.
In dem von den Endabschnitten 12a und 12b begrenzten Bereich befindet sich eine Trennwandung 16 parallel zu der Deck- und Bodenwandung. Vorzugsweise ist die Trennwand in der Mitte zwischen Deck- und Bodenwandungen angeordnet.
Zwei Fenster 17 und 18 erstrecken sich gasdicht zwischen der Deckwandung 14a und der Bodenwandung 14b und der Trennwandung 16. Diese Fenster können aus irgendeinem gasundurchlässigen Material hergestellt werden, das im wesentlichen transparent bei der Wellenlänge ist, bei der der Analyt absorbiert, wie dies im Stand der Technik bekannt ist. Beispielsweise sind Saphir oder Kaliumbromid geeignete Materialien, wenn der Kohlendioxidgehalt von Luft mittels Infrarot-Absorption zu messen ist.
Am Brennpunkt f1 der Ellipse innerhalb der Kammer 2 befindet sich die Strahlungsquelle 24. Die Quelle ist vorzugsweise linear und hat einen kleinen Querschnitt. Wenn der Analysator Infrarotstrahlung verwenden soll, kann es sich um ein konventionelles Detektorelement thermischer Leitfähigkeit aus der Gaschromatographie handeln. Ein geeignetes solches Element ist ein Gow-Mac #13-470P-Element. Geeignete Verdrahtungen 25 führen von der Quelle 24 durch die Boden- und/oder Deckwandungen zu einer geeigneten Leistungsquelle und Steuerschaltung.
Am Brennpunkt f2 der Ellipse sind gasdicht abgedichtet in den Öffnungen 13a und 13b zwei Detektoren plaziert.
Die Deckwandung 14a, elliptische Seitenwandung 10 und Bodenwandung 14b begrenzen zusammen mit den Fenstern 17 und 18 die Probekammer 2. Der Detektor 27, Fenster 17, Deckwandung 14a und Trennwandung 16 begrenzen zusammen mit den Seitenwandungen 12 die Analytkammer 3. Der Detektor 26, das Fenster 18, die Bodenwandung 14b und die Trennwandung 16 begrenzen zusammen mit der Seitenwandung 12 die Inertgaskammer 4. Diese Detektoren können irgendwelche Detektoren sein, die kompatibel sind mit der Wellenlänge der Strahlung und der Wellenlänge, die von dem Analyt absorbiert wird. Wenn der Analysator beispielsweise eingesetzt wird, um Kohlendioxid in Luft zu analysieren, können die Detektoren Thermoelementdetektoren, Thermistoren oder pyroelektrische Detektoren sein. Ein geeigneter Detektor für eine solche Analyse ist beispielsweise ein Modell 2M-Thermoelementdetektor, erhältlich von Dexter Research Centre.
Die Strahlungsquelle 24 und die Detektoren 26 und 27 werden jeweils so genau als möglich in den Brennpunkten f1 beziehungsweise f2 des elliptischen Reflektors 10 plaziert.
Die Detektoren sind über geeignete Verdrahtung 28a beziehungsweise 28b an eine geeignete Instrumentensteuerungs- und Datensammelvorrichtung 29 angeschlossen. Die Vorrichtung 29 kann beispielsweise einen Mikroprozessor umfassen, angeschlossen und programmiert zum Steuern der Betriebs- und Schaltfunktionen, die erforderlich sind für das Betreiben des Gerätes zum Speichern und Analysieren der Daten und zum Anzeigen der verarbeiteten Daten, je nach Erfordernis.
Eine geeignete Leistungsquelle (nicht dargestellt) ist für die Strahlungsquelle 24 und die Instrumentensteuerungs- und Datensammelvorrichtung 29 vorgesehen. Eine solche geeignete Leistungsquelle kann beispielsweise aus mehreren Alkalizellen von AA-Größe, die in Serie und/oder parallel geschaltet sind, bestehen.
Wenn es erwünscht ist, bezüglich Änderungen der Umgebungstemperatur Korrekturen vorzunehmen, kann ein Thermistor 31 nahe an den Detektoren plaziert werden und seine Reaktion in bekannter Weise verwendet werden, um die Datensammelvorrichtung 29 über Verdrahtung 32 zu kompensieren.
Ein geeignetes Mittel für die Bestätigung des richtigen Betriebes der Vorrichtung kann, falls erwünscht, vorgesehen werden. Dies kann beispielsweise erfolgen durch Vorsehen eines Schirmes mit bekannten Strahlungsdämpfungscharakteristiken, der in den Strahlengang bewegt werden kann von der Strahlungsquelle zu einem Detektor. Die Detektorablesung sollte sich dann in aus den Schirmchararkteristiken bekannter Weise verändern.
Vor der Inbetriebnahme wird die Analytkammer 3 mit dem Analytgas gefüllt und die Inertgaskammer 4 mit Inertgas gefüllt. Wenn beispielsweise beabsichtigt ist, die Konzentration von Kohlendioxid in Umgebungsluft zu messen, kann in Kammer 4 Luft ohne Kohlendioxid eingesetzt werden und die Kammer 3 wird mit Kohlendioxid gefüllt.
Das zu analysierende Gasgemisch läßt man in die Kammer 2 durch Löcher 15 diffundieren oder in anderer Weise gelangen. Die Strahlungsquelle wird erregt. Da die Seitenwandung 10 elliptische Form hat, wobei die Quelle 24 sich an einem Brennpunkt f1 befindet, wird die von der Quelle 24 ausgehende Strahlung auf f2 fokussiert. Ein Teil dieser Strahlung gelangt durch die Probekammer 2 und Analytkammer 3 bis zum Auftreffen auf den Detektor 27 bei f2. Ein weiterer Anteil gelangt durch die Probekammer 2 und die Inertgaskammer 4 zum Auftreffen auf den Detektor 26.
Diese Fokussierung durch den elliptischen Reflektor ermöglicht Detektorablesungen zu gewinnen bei geringem Energieverbrauch, was den Einsatz einer mit relativ niedriger Leistung betriebenen Strahlungsquelle zuläßt. Es hat sich beispielsweise gezeigt, daß die Quelle, die Detektoren und die Datensammel- und Analysevorrichtung in einer Ausführungsform mit einer Gesamtleistung von etwa 400 mW betrieben werden können.
Die von den beiden Detektoren 26 und 27 empfangenen Daten werden in bekannter Weise analysiert. Wenn die unbekannte Probe in der Probekammer 2 das Analytgas nicht enthält, bleibt die Differenz zwischen den Ausgängen der Detektoren 26 und 27 bei einem festen bekannten Wert (bei Korrektur bezüglich Temperaturveränderung mittels Thermistor 31). Wenn jedoch etwas von dem Analytgas in der Probe in Probekammer 2 enthalten ist, wird die Differenz zwischen den Ablesungen der Detektoren 26 und 27 einen herabgesetzten Wert aufweisen, der charakteristisch ist für die Konzentration des Analyts in der Probekammer 2.
FIGUR 3 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Analyse gleichzeitig bezüglich dreier Analytgase ausgeführt wird. In dieser Figur wird die gleiche Numerierung verwendet wie in FIGUREN 1 und 2, wo die Teile einander entsprechen. Anstelle der einzigen Analytkammer 3 jedoch sind drei Analytkammern 3a, 3b und 3c für drei unterschiedliche Analyte vorgesehen und diese werden getrennt durch Wandungen 16a, 16b und 16c. Wie zuvor enthält die Kammer 4 ein Gas, das inert ist bezüglich der auszuführenden Messungen. Wenn die Vorrichtung Luft analysieren soll, kann das Inertgas Luft sein, aus der die Analytgase entfernt worden sind. Vier Detektoren 27a, 27b, 27c und 26 sind im Brennpunkt f2 vorgesehen zum Messen der Strahlung, die durch die Kammern 3a, 3b, 3c beziehungsweise 4 verläuft.
Wie aus der Beschreibung hervorgeht, braucht nur ein Teil der Wandung 10 elliptisch zu sein. Sogar ein kleines Segment einer elliptischen Wandung ist hilfreich, da es einige Energie von der Strahlungsquelle als ein Bündel direkt auf die Detektoren richtet. Generell ist es bevorzugt, daß die Wandung 10 mindestens ein Viertel einer Ellipse bildet und daß dies am Ende der Vorrichtung ist nahe am Brennpunkt f1 und fern vom Brennpunkt f2. Die Vorrichtung kann jedoch ausgebildet werden mit der Wandung 10 als vollständiger Ellipse. Alternativ können die Wandungen 10, 14a und 14b zusammen ein Ellipsoid bilden oder einen Abschnitt eines Ellipsoids, um die Strahlungen noch weiter zu fokussieren.
Der Analysator wurde beschrieben bezüglich einer Quelle von Infrarotstrahlung und eines Detektors für solche Strahlung. Abhängig jedoch von dem ins Auge gefaßten Analyts kann es bevorzugt sein, die Strahlungsquelle 24 als Glühlampe für sichtbares oder ultraviolettes Licht auszubilden oder als Lichtröhre von einer äußeren Lampe und geeignete Detektoren für ultraviolettes oder sichtbares Licht vorzusehen.
FIGUREN 4 und 5 zeigen eine weitere Ausführungsform eines Analysators für das Analysieren des Gehalts verschiedener Gase in einer unbekannten Probe. Gleiche Bezugszeichen wurden verwendet, um einander entsprechende Teile zu bezeichnen.
Ein Analysatorgehäuse (nicht dargestellt) ist vorgesehen. Innerhalb des Gehäuses befindet sich eine Kammer 2 (nachstehend als Probekammer bezeichnet) zur Aufnahme der zu analysierenden Probe, Kammern 3, 3a, 3b, 3c und 3d (nachstehend als Analytkammern bezeichnet), welche jeweils eines aus einer Mehrzahl von Gasen enthalten, bezüglich derer die Analyse vorzunehmen ist, und eine Kammer 4 (nachstehend als Inertgaskammer bezeichnet) zur Aufnahme eines Inertgases, bei dem es sich geeigneterweise um das Probegas handelt, in welchem keines der Analytgase vorhanden ist. Die Kammer 2 umfaßt eine Seitenwandung 10, Deckwandung 14 und Bodenwandung 14a. Die Seitenwandung 10 ist eine Ellipse mit ihren Brennpunkten bei f1 und f2, obwohl sie als Teil einer Ellipse ausgeführt werden könnte mit einem nichtelliptischen oder mehreren nichtelliptischen Abschnitten, falls dies erwünscht ist. Dies reduziert die Effizienz der Vorrichtung, kann jedoch brauchbar sein, wenn ein gewisser zusätzlicher Leistungsverlust toleriert werden kann. Geeigneterweise ist die Seitenwandung 10 aus einem Material, das wirksam Strahlung reflektiert, beispielsweise poliertem Aluminium, oder ein Compositematerial, das mit reflektivem Material beschichtet ist.
Der Deckabschnitt der Seitenwandung 10 paßt zu einer Deckwandung 14. Der Bodenabschnitt paßt zu einer Bodenwandung 14a. Die beiden Wandungen bestehen aus geeignetem reflektivem Material, wie poliertem Aluminium.
Jede der Wandungen 14 und 14a ist mit einer Mehrzahl von Löchern 15 versehen, damit Probegas in die Vorrichtung gelangen und aus ihr entweichen kann.
Am Brennpunkt f1 der Ellipse ist innerhalb der Kammer 2 eine Strahlungsquelle 24 positioniert. Die Quelle ist vorzugsweise linear und hat einen kleinen Querschnitt, wie bei einem konventionellen gaschromatographischen, thermischen Leitfähigkeitsdetektorelement. Ein geeignetes solches Element ist ein Gow-Mac #13-470P-Element.
Eine mehrfach facettierte, reflektive Säule 31 ist beim Brennpunkt f2 zentriert. Die Säule 31 hat etwa hexagonalen Querschnitt. Es ist bevorzugt, von einem echten Hexagon dahingehend abzuweichen, daß eine geringe Krümmung der reflektierenden Seiten 31a, 31b, 31c, 31d, 31e, 31f benötigt wird zum Fokussieren der von diesen Flächen reflektierten Strahlung in Richtung der entsprechenden Detektoren 26, 27, 27a, 27b, 27c und 27d. Die Säule ist aus einem geeigneten Material und ist poliert, so daß die Seiten entsprechend den Seiten des Hexagons die Strahlung reflektieren. Beispielsweise kann die Säule aus poliertem Aluminium bestehen.
Wenn die Quelle 24 eingeschaltet wird, wird die Strahlung in Richtung des Zentrums der Säule 31 fokussiert. Jede der Flächen der Säule 31 reflektiert ein Strahlenbündel in Richtung einer bestimmten Stelle auf der Wandung 10. Beispielsweise sind zwei Strahlenbündel dargestellt, die von der Quelle 24 ausgehen. Diese Bündel werden in Richtung f2 durch den elliptischen Reflektor 10 fokussiert. Sie werden dann reflektiert durch die Seite 31d in Richtung des Loches 40, das die Wandung 10 durchsetzt. Hinter dem Loch 40 sind hintereinander Fenster 50 und Detektor 27b angeordnet, welche zwischen ihnen in Kombination mit einer zylindrischen Seitenwandung 60 eine Kammer 3b begrenzen.
In ähnlicher Weise sind andere Löcher 41, 42, 43, 44 und 45 gezeigt, welche Reflexionen von den Seiten 31e, 31f, 31a, 31b beziehungsweise 31c erhalten. In einer solchen Struktur können eine Mehrzahl von Detektoren und ihre entsprechenden Kammern vorgesehen werden.
Mit einem Gerät mit sechs Kammern ist es möglich, gleichzeitig die Konzentrationen von fünf Analyten in der Probe in Kammer 2 zu messen. Die sechste Kammer enthält ein Inertgas, beispielsweise das Probegas, welches nicht die Analytgase enthält.
Die Detektoren sind wiederum durch geeignete Verdrahtung 28 mit einer geeigneten Instrumentensteuerungs- und Datensammelvorrichtung 29 verbunden. Beispielsweise kann die Vorrichtung 29 einen Mikroprozessor enthalten, angeschlossen und programmiert zum Steuern der Zeitlage- und Schaltfunktionen, die erforderlich sind für den Betrieb des Instruments, zum Speichern und Analysieren der Daten und zum Anzeigen der erforderlichen Daten, je nach Erfordernis.
Eine geeignete Leistungsquelle (nicht dargestellt) ist für die Quelle 24 und die Instrumentensteuerungs- und Datensammelvorrichtung 29 vorgesehen. Eine geeignete Leistungsquelle ist beispielsweise eine Mehrzahl von Alkalizellen in Größe AA, in Serie und/oder parallel geschaltet zum Bereitstellen der verschiedenen erforderlichen Spannungen.
Wenn es erforderlich ist, eine Korrektur bezüglich Änderungen der Umgebungstemperatur vorzunehmen, kann ein Thermistor 31 installiert werden und seine Reaktion in bekannter Weise ausgenützt werden zum kompensieren der Datensammelvorrichtung 29 über die Verdrahtung 32.
Ein geeignetes Mittel für die Bestätigung des ordentlichen Betriebs der Vorrichtung kann, falls erwünscht, vorgesehen werden. Dies kann beispielsweise erfolgen durch Entnehmen eines bekannten und reproduzierbaren Teils der Strahlung von einem Bündel durch Einführen eines Schirms in ein Bündel, wie dies im Stand der Technik bekannt ist.
Vor der Betriebsaufnahme werden die Analytkammern 3, 3a, 3b, 3c und 3d mit den Analytgasen gefüllt und die Gaskammer 4 wird mit Inertgas gefüllt. Beispielsweise kann Luft, aus dem das Kohlendioxid entfernt worden ist, in Kammer 4 verwendet werden, wenn das Analyt Kohlendioxid ist und es beabsichtigt ist, die Konzentration von Kohlendioxid in der Umgebungsluft zu messen.
Das zu analysierende Gasgemisch läßt man in die Kammer 2 durch Löcher 15 diffundieren oder in anderer Weise gelangen. Die Quelle wird erregt. Da die Seitenwandung 10 elliptische Form aufweist, mit der Quelle 24 an einem Brennpunkt f1 positioniert, wird die Strahlung, die von der Quelle 24 ausgeht, auf f2 fokussiert. Solche Strahlung wird dann durch die Reflektoren 31a, 31b, 31c, 31d, 31e und 31f durch die Analytkammern 3, 3a, 3b, 3c, 3d und die Inertgaskammer 4 reflektiert.
Dieses Fokussieren durch den elliptischen Reflektor auf reflektierende Oberflächen der Säule 31 ermöglicht Detektorablesungen zu erlangen mit einem geringen Energieverbrauch, was den Einsatz einer Quelle mit relativ niedrigem Leistungsumsatz zuläßt. Es hat sich beispielsweise gezeigt, daß die Quelle, die Detektoren und die Datensammel- und Analysevorrichtung in einer Ausführungsform mit einer Gesamtleistung von etwa 400 mW betrieben werden kann.
Die von den Detektoren 26, 27, 27a, 27b, 27c und 27d empfangenen Daten werden in bekannter Weise analysiert. Wenn die unbekannte Probe in der Probekammer 2 das Analytgas nicht enthält, wird die Differenz zwischen dem Ausgang von Detektor 26 und den anderen Detektoren bei einem festen bekannten Wert bleiben (wenn eine Temperaturänderungskorrektur vorgenommen wird mittels Thermistor 31). Wenn jedoch irgendein Anteil eines der Analytgase in der Probe in Probekammer 2 vorliegt, wird die Differenz zwischen dem Ausgang von Detektor 26 und dem Detektor, der dem betreffenden Analytgas zugeordnet ist, einen herabgesetzten Wert aufweisen, der charakteristisch ist für die Konzentration des Analyts in der Probekammer 2.
In FIGUR 6 ist der Reflektor ein Ellipsoid (statt eines elliptischen Zylinders), wobei f3 und f4 die Brennpunkte des Ellipsoids sind. Demgemäß ist die gesamte Wandung 50 als ein Ellipsoid ausgebildet. Eine Quelle 51, die einer Punktquelle so nah wie irgendmöglich kommt, ist am Brennpunkt f3 plaziert. Ein mehrfach facettierter Reflektor 52 ist am Brennpunkt f4 plaziert und Löcher sind in dem Ellipsoid eingebracht an den Punkten auf der Wandung 50, auf welche die Facetten des Reflektors 52 Strahlungsbündel richten. Hinter jedem dieser Löcher ist eine Analyt- oder Inertgaskammer und ein Detektor plaziert. Zwei Löcher 53 und 54 sind gezeigt und eine zugeordnete Baugruppe aus Kammer und Detektor 55 ist schematisch angedeutet.
In dem gegebenen Beispiel sind nur zwei von vielen möglichen Strahlungspfaden gezeigt, und das Probegas könnte beispielsweise durch poröse Stützen 56 und 57 strömen.
Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen dargestellt, doch ist es offensichtlich, daß Abänderungen von Fachleuten vorgenommen werden können, ohne von der Erfindung abzuweichen, die in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.

Claims

1. Ein Analysator, umfassend:

einen Korpus mit einem Hohlraum mit einem elliptischen, reflektierenden Oberflächenmittel, das

einen ersten und einen zweiten Brennpunkt definiert für die Übertragung von Strahlung zwischen den Brennpunkten, eine Probekammer für das Halten einer Probe von zu analysierendem Gas, wobei einer der Brennpunkte sich innerhalb der Probekammer befindet, eine Inertgaskammer für das Halten eines Inertgases und eine Analytgaskammer für das Halten eines Analytgases, welche Inertgaskammer und Analytgaskammer längs einer Strecke positioniert sind, die sich zwischen dem zweiten Brennpunkt und zumindest einem Abschnitt des reflektierenden Oberflächenmittels befindet;

eine Strahlungsquelle, die in einem der Brennpunkte angeordnet ist; und Detektormittel, zugeordnet jeder der Inertgaskammer und Analytkammer für die Erfassung von Strahlung, die durch die zugeordnete Kammer und durch die Probekammer verläuft.

2. Ein Analysator nach Anspruch 1, bei dem der Korpus Seitenwandungen und einander gegenüberliegende Endwandungen aufweist, welche den Hohlraum begrenzen, wobei zumindest ein Abschnitt der Seitenwandung eine elliptische, zylindrische innere Oberfläche aufweist, in welche die reflektierende Oberfläche definiert derart, daß jeder Brennpunkt eine parallel zu der Seitenwandung verlaufende Brennachse ist, wobei ein transparentes Fenster sich über die Seitenwandung zwischen den Brennachsen erstreckt, um so die Probekammer mit den gegenüberliegenden Endwandungen und der Seitenwandung zu begrenzen, und wobei zumindest eine Trennwandung sich zwischen der Seitenwandung und dem Fenster entfernt von der Probekammer erstreckt und mit dieser die Inertgaskammer und die Analytkammer begrenzt.

3. Ein Analysator nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem das Strahlungsmittel innerhalb der Probekammer angeordnet ist und das Detektormittel ein aktives Detektorelement, angeordnet an dem zweiten Brennpunkt, aufweist.

4. Ein Analysator nach Anspruch 2, bei dem die Strahlungsquelle längs der Brennachse innerhalb der Probekammer angeordnet ist und das Detektormittel einen Gasdetektor umfaßt, der in der Brennachse angeordnet ist, die sich durch jede der Inertgaskammer und der Analytkammer erstreckt.

5. Ein Analysator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Probegaskammer, die Inertgaskammer und die Analytkammer in gasdichter Beziehung zueinander stehen.

6. Ein Gasanalysator, umfassend:

einen Korpus mit einer Kammer für das Halten eines zu analysierenden Probegases, welche Probegaskammer eine reflektierende innere Oberfläche aufweist, wobei zumindest ein Abschnitt der inneren Oberfläche elliptisch ist und einen ersten Brennpunkt definiert und einen zweiten Brennpunkt innerhalb der Probegaskammer, und benutzbar ist zum Reflektieren von Strahlung zwischen den Brennpunkten;

zumindest zwei abgedichtete Gaskammern, von denen eine eine abgedichtete Inertgaskammer ist für das Halten eines Inertgases und die andere eine abgedichtete Analytgaskammer ist für das Halten eines Analytgases;

eine an dem ersten Brennpunkt in der Probegaskammer angeordnete Strahlungsquelle;

rings um den zweiten Brennpunkt angeordnete Mittel für das Reflektieren von Strahlung, die von der Strahlungsquelle ausgeht und durch die reflektierende innere Oberfläche auf den zweiten Brennpunkt in Richtung jeder der beiden abgedichteten Gaskammern fokussiert wird; und

Detektormittel, zugeordnet der abgedichteten Inertgaskammer und der abgedichteten Analytkammer für die Erfassung von Strahlung, die von der Quelle emittiert wurde und das Probegas und das Gas in seiner zugeordneten abgedichteten Gaskammer durchlaufen hat, und für das Erzeugen eines Signals, das repräsentativ ist für die Konzentration in dem Probegas des in der ihm zugeordneten abgedichteten Gaskammer enthaltenen Gases.

7. Ein Gasanalysator nach Anspruch 6, wobei der Abschnitt der reflektierenden inneren Oberfläche die Form eines elliptischen Zylinders aufweist, wobei der erste Brennpunkt und der zweite Brennpunkt eine erste bzw. eine zweite Achse sind.

8. Ein Gasanalysator nach Anspruch 6, bei dem der Abschnitt der Innenoberfläche die Form eines Ellipsoids hat.

9. Ein Gasanalysator nach Anspruch 7 oder 8, bei dem das Reflektormittel eine mehrseitige Säule ist, die koaxial längs der zweiten Brennachse angeordnet ist und eine Mehrzahl von reflektierenden Oberflächen aufweist, welche zu der zweiten Brennachse parallel verlaufen und jede benutzbar ist zum Reflektieren von Strahlung, emittiert von der Quelle und fokussiert durch die reflektierende innere Oberfläche in Richtung einer vorbestimmten Kammer von der Inertgas- und Analytkammer.

10. Ein Analysator nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit Trennwandungsmitteln für das abdichtende Separieren der Inertgaskammer und jeder Analytkammer voneinander und zum Verhindern des Austauschs von Strahlung des Typs, der von der Strahlungsquelle emittiert wird.

11. Ein Analysator nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit für von der Strahlungsquelle ausgehende Strahlung transparenten Fenstermitteln für das abdichtende Separieren der Probekammer von jeder der Inertgaskammer und der Probekammer von der Analytkammer, während der Durchlaß von Strahlung des von der Strahlungsquelle emittierten Typs möglich ist.

12. Ein Gasanalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, ferner umfassend eine Mehrzahl von Analytgaskammern für das Halten einer Mehrzahl von unterschiedlichen Analytgasen.

13. Ein Gasanalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 12, ferner umfassend Mittel für das Einlassen eines Probegases in die Probegaskammer.

14. Ein nichtdispersiver Gasanalysator für die Anwendung bei der Überwachung von Konzentrationen eines oder mehrerer Gase, umfassend:

einen Korpus mit einer Seitenwandung und gegenüberliegenden Endwandungen, welche einen Hohlraum begrenzen, wobei zumindest ein Abschnitt der Seitenwandung eine reflektierende, elliptische, zylindrische Innenoberfläche aufweist, welche eine erste Brennachse und eine zweite Brennachse parallel zu der Seitenwandung definiert, ein transparentes Fenster, das sich über den Hohlraum quer zu einer Ebene erstreckt, welche die Brennachsen enthält und in gasdichter Anlage an der Seitenwandung und den gegenüberliegenden Endwandungen ist, um so eine Probekammer für ein zu analysierendes Probegas zu begrenzen, zumindest eine Trennwandung, die sich senkrecht zu den Brennachsen und dem Fenster auf einer Seite desselben entfernt von der Probekammer erstreckt, welche Trennwandung in gasabdichtender Anlage an dem Korpus und an dem Fenster ist, um so eine Inertgaskammer und eine Analytkammer zu begrenzen, wobei die erste Brennachse sich durch die Probekammer erstreckt und die zweite Brennachse sich durch sowohl die Inertgaskammer als auch die Analytkammer erstreckt, wobei der Korpus Mittel aufweist für das Einlassen von Umgebungsgas in die Probekammer;

eine innerhalb der Probekammer längs der ersten Brennachse angeordnete Strahlungsquelle;

und

einen Detektor, zugeordnet der Inertgaskammer und jeder der Analytkammern für das Erzeugen eines elektrischen Signals, das repräsentativ ist für die Strahlung, die durch das Probegas und das Analytgas verläuft, enthalten innerhalb der zugeordneten Kammer.

15. Ein nichtdispersiver Infrarot-Gasanalysator, umfassend:

einen Korpus mit einer Kammer für das Halten eines zu analysierenden Gases, welche Probegaskammer eine Deckwandung, eine Bodenwandung und eine reflektierende Seitenwandung in Form eines elliptischen Zylinders umfaßt, die sich zwischen der Deck- und der Bodenwandung erstreckt und eine erste Brennachse und eine zweite Brennachse definiert, und mit Mitteln für das Einlassen eines Probegases in die Probegaskammer;

eine lineare Infrarot-Strahlungsquelle kleinen Querschnitts, die längs der ersten Brennachse in der Probegaskammer angeordnet ist;

eine koaxial längs der zweiten Brennachse angeordnete Säule, welche Säule eine Mehrzahl von reflektierenden Oberflächen aufweist, wobei jede der Mehrzahl reflektierender Oberflächen benutzbar ist zum Reflektieren von Strahlung, emittiert von der Strahlungsquelle und reflektiert durch die Seitenwandung, auf eine vorbestimmte Stelle auf der Seitenwandung;

eine Mehrzahl von abgedichteten Gaskammern, die außerhalb der Probegaskammer angeordnet sind für das Aufnehmen eines von einer Mehrzahl von Gasen, wobei eine der abgedichteten Gaskammern benutzbar ist für das Aufnehmen eines Inertgases, wobei jede der abgedichteten Gaskammern einen für Strahlung, die von der Strahlungsquelle emittiert wird, transparente Trennwand aufweist, die an einer der Stellen auf der Seitenwandung angeordnet ist; und

einen Detektor, zugeordnet jeder der abgedichteten Gaskammern für die Erfassung von Strahlung von der Strahlungsquelle, welche das Probegas und das Gas in der ihm zugeordneten abgedichteten Gaskammer durchlaufen hat für das Erzeugen eines Signals, das repräsentativ ist für die Konzentration des in der ihm zugeordneten abgedichteten Gaskammer enthaltenen Gases in dem Probegas.

16. Ein Gasanalysator nach Anspruch 15, bei dem die Reflektormittel ein Polygon sind, zentriert auf den zweiten Brennpunkt und mit einer Mehrzahl von reflektierenden Oberflächen, wobei jede reflektierende Oberfläche der Mehrzahl von reflektierenden Oberflächen benutzbar ist zum Reflektieren von Strahlung, die von der Quelle in Richtung einer vorbestimmten der abgedichteten Gaskammern emittiert wird.

17. Ein Gasanalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 16 mit Aperturen in dem Korpus, die es ermöglichen, daß Umgebungsgas in die Probegaskammer diffundiert.

18. Ein nichtdispersiver Infrarot-Gasanalysator, umfassend:

einen Korpus mit einer Kammer für das Halten eines zu analysierenden Probegases, welche Probegaskammer eine Deckwandung, eine Bodenwandung und eine reflektierende Seitenwandung in Form eines Ellipsoids aufweist, welche Seitenwandung einen ersten Brennpunkt und einen zweiten Brennpunkt definiert, und welcher Korpus Mittel aufweist für das Einlassen eines Probegases in die Probegaskammer;

eine Infrarot-Strahlungsquelle kleinen Querschnitts, die an dem ersten Brennpunkt in der Probegaskammer angeordnet ist;

ein polygonaler Korpus, der auf den zweiten Brennpunkt zentriert ist und eine Mehrzahl von reflektierenden Oberflächen aufweist, wobei jede Oberfläche der Mehrzahl von reflektierenden Oberflächen benutzbar ist zum Reflektieren von von der Strahlungsquelle emittierter und durch die Innenwandung fokussierter Strahlung auf eine vorbestimmte Stelle an der Innenwandung;

eine Mehrzahl von abgedichteten Gaskammern, die außerhalb der Probegaskammer angeordnet sind und eines von einer Mehrzahl von Gasen enthalten, wobei eine der abgedichteten Gaskammern benutzbar ist zum Aufnehmen eines Inertgases, wobei jede abgedichtete Gaskammer eine für von der Strahlungsquelle ausgehende Strahlung transparente Trennwand aufweist und an einer der Stellen an der Innenwandung angeordnet ist;

und

einen Detektor, zugeordnet jeder der abgedichteten Gaskammern für das Erfassen von Strahlung, ausgehend von der Strahlungsquelle, welche durch das Probegas und das Gas in der ihm zugeordneten abgedichteten Gaskammer sich ausgebreitet hat, und für das Erzeugen eines Signals, das repräsentativ ist für die Konzentration des in der ihm zugeordneten abgedichteten Gaskammer enthaltenen Gases in dem Probegas.