DD159368A1

DD159368A1 - OPTICAL URBAN DEVICE IN A NON-DISPERSIVE INFRARED ANALYZER DEVICE

Info

Publication number: DD159368A1
Application number: DD22661080A
Authority: DD
Inventors: Heinz Gatzmanga; Norbert Gaertner
Original assignee: Heinz Gatzmanga; Norbert Gaertner
Priority date: 1980-12-24
Filing date: 1980-12-24
Publication date: 1983-03-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Umlenkeinrichtung in einem nichtdispersiven Infrarotanalysengeraet, welches zur Messung eines gasfoermigen oder fluessigen Bestandteils in einem Gemisch beruhend auf der Absorption infraroter Strahlung dient. Aufgabe der Erfindung ist es, in einen nichtdispersiven Infrarotanalysator mit Festkoerperempfaenger eine optische Umlenkeinrichtung zu schaffen, mit Hilfe der die spektrale Charakteristik der Zweikammerempfaenger erreicht wird. Das Wesen der Erfindung wird darin gesehen, mittels einen zweiten optischen Filters u. eines Umlenkspiegels eine Umlenkeinrichtung in einem nichtdispersiven Infrarotanalysengeraet derart zu gestalten, dass das zweite optische Filter einen Teil d. einfallenden Infrarotstrahlung herausfiltert u. den Rest d. Weiterverarbeitung fuer den Strahlungsdetektor zur Verfuegung gestellt wird.The invention relates to an optical deflecting device in a non-dispersive infrared analyzer, which serves to measure a gaseous or liquid component in a mixture based on the absorption of infrared radiation. The object of the invention is to provide in a non-dispersive infrared analyzer with Festkoerperempfaenger an optical deflection device, by means of which the spectral characteristics of the Zweikammerempfaenger is achieved. The essence of the invention is seen therein, by means of a second optical filter u. a deflecting mirror to make a deflection device in a non-dispersive Infrarotanalysengeraet such that the second optical filter is a part d. infiltrating incident infrared radiation u. the rest d. Further processing for the radiation detector is provided.

Description

Optische Umlenkeinrichtung in einem nichtdispersiven InfrarotanalysengerätOptical deflection device in a non-dispersive Infrarotanaly sen device

, Anwendungsgebiet der Erfindung, Application of the invention

Die Erfindung betrifft eine optische Umlenkeinrichtung in einem nichtdispersiven Infrarοtanalysengerät, was. zur Messung eines gasförmigen oder flüssigen Bastandteils in einem zu untersuchenden Gemisch beruhend auf der Absorption infraroter Strahlung dient_β The invention relates to an optical deflection device in a non-dispersive infrared analyzer, which. for measuring a gaseous or liquid Bastandteils in a mixture to be examined based on the absorption of infrared radiation is _β

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharakteris tik de r known tec hnischen solutions

Pur die Messung eines gasförmigen oder flüssigen Bestandteils in einem zu untersuchenden Gemisch auf der Grundlage der Absorption infraroter Strahlung ist eine Reihe von nichtdispersiven Analysengeräten bekannt. Die meisten von ihnen arbeiten mit gasgefüllten Strahlungsempfängern, in. denen die Infrarotstrahlung durch ein fest eingeschlossenes Volumen der zu messenden Komponente des Gemisches oder eine; Ersatzgases aufgefangen wird und durch einen Membrankondensator oder einen Mikroströmungsfühler nachgewiesen wird. Durch die Verwendung von Gasvolumina sind diese Empfänger auf die nachzuweisende Komponente sensibilisiert.Purely the measurement of a gaseous or liquid constituent in a mixture to be assayed on the basis of the absorption of infrared radiation is known from a number of non-dispersive analyzers. Most of them work with gas-filled radiation receivers in which the infrared radiation through a tightly enclosed volume of the component of the mixture to be measured or a; Substitute gas is collected and detected by a membrane capacitor or a micro flow sensor. By using gas volumes, these receivers are sensitized to the component to be detected.

Die Selektivität derartiger nichtdispersivtoi' Analysengeräte hangt wesentlich davon ab, ob das zu untersuchende Gasgemisch Bestandteile enthält, deren Infrarotabsorptionsbanden sich mit den des zu messenden Bestandteils teilweise oder ganz überlappen.The selectivity of such nichtdispersivtoi 'analyzers depends essentially on whether the gas mixture to be examined contains components whose infrared absorption bands partially or completely overlap with those of the component to be measured.

_ Ο_ Ο

Ein derartiger Bestandteil erzeugt ebenfalls ein Meßeffekt, das heißt, die Messung ist nicht selektiv.Such a component also produces a measuring effect, that is, the measurement is not selective.

Um derartige Meßfehler auszuschalten, wird bei nichtdispersiven Infrarotanalysengex-äte eine hohe Selektivität angestrebt. Von den gasgefüllten Empfängern besitzen die sogenannten Zweikammerempfänger die höchste Selektivität (DE - AS 1773 177 und DE - AS 23 25 502).In order to eliminate such measurement errors, a high selectivity is aimed for in non-dispersive infrared analysis techniques. Of the gas-filled receivers, the so-called two-chamber receivers have the highest selectivity (DE-AS 1773 177 and DE-AS 23 25 502).

Allen diesen Empfängern ist gemeinsam, daß die Empfängergaszusammensetzung konstant gehalten v/erden muß, da jede Änderung der Gasfüllung zu einer Änderung der Geräteparameter führt« Deshalb sind in letzter Zeit Geräte mit Pestkörperdetektoren bekanntgeworden, die die spektrale Charakteristik der Geräte mit Zweischichtempfängern aufweisen (DD WP c. Anmeldung WP G 01 N/224 233). Die hierbei angewandten optischen Mittel gestatten einerseits nicht, alle für die Prozeßanalyse interessanten Bestandteile zu messen zum anderen sind die angegebenen optischen Mittel teilweise sehr kostspielig«All these receivers have in common that the receiver gas composition must be kept constant, since any change in the gas filling leads to a change in the device parameters. Therefore, devices with plague body detectors have become known recently, which have the spectral characteristics of devices with two-layer receivers (DD WP c., application WP G 01 N / 224 233). On the one hand, the optical means employed in this case do not permit all components of interest for process analysis to be measured; on the other hand, the stated optical means are in some cases very costly. "

Ziel der ErfindungThe aim of Fiction ndun g

Ziel der Erfindung ist die öcharfung eines nichtdispersiven Infrarotanalysators, der eine hohe Lebensdauer und Langzeitstabilität aufweist, bei gleichbleibender Selektivität bekannter Infrarotanalysatoren mit Zweischichtempfängern.The aim of the invention is the erholing of a non-dispersive infrared analyzer, which has a long service life and long-term stability, while maintaining the selectivity of known infrared analyzers with two-layer receivers.

Wesen der Erfindung Essence of Erfindu ng

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einem nichtdispersiven Infrarotanalysator eine optische Umlenkeinrichtung zu schaffen, mit deren Hilfe die spektrale Charakxeristik der nichtdispersiven Infrarotanalysatoren mit Zweischichtempfänger erreicht wirdc^v The invention has for its object to provide in a non-dispersive infrared analyzer, an optical deflection, with the help of the spectral Charakxeristik the non-dispersive infrared analyzers is achieved with two-layer receiverc ^v

2 2 66102 2 6610

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zwei Schmalbandinterferenzfilter verwendet werüen. Das eine dieser Filter geht über den gesamten atrahlungsquerschnitt_: während das zweite Filter in der 'Umlenkeinrichtung als teildurchlässiger Spiegel ausgebildet ist. Von der auf diesen Filter auftreffenden Infrarotstrahlung wird ein Teil de] Strahlung, die dem uurchlaßbereich des Filters entspricht, her aus gefiltert, während die restliche Strahlung unter eine von der Austrittsrichtung der neraus gefilterten Strahlung abweichenden Kichtung in die Küvette reflektiert wird. (~) Das zweite Filter ist ein Halbfilter, so daß die strahlung zum einen nur das erste Filter durchläuft und zum anderen nach Durchlaufen des ersten filters vom zweiten Filter in die Küvette reflektiert wird.According to the invention, the object is achieved by using two narrow-band interference filters. One of these filters is over the entire radiation cross section _: while the second filter is formed in the 'deflection as a partially transmissive mirror. Of the infrared radiation impinging on this filter, a part of the radiation corresponding to the passband of the filter is filtered out, while the remaining radiation is reflected into the cuvette under a direction deviating from the direction of exit of the filtered radiation. ( ~) The second filter is a half-filter, so that the radiation on the one hand passes through only the first filter and on the other hand, after passing through the first filter from the second filter is reflected into the cuvette.

'Es ist erfindungsgemäß auch möglich, nicht nur' mit einem, •sondern mit zwei Empfängern zu arbeiten, wobei Meß- und Vergleichssignal räumlich getrennt entstehen und die Differenz beider Signale weiterverarbeitet wird. Die elektrische Weiterverarbeitung ist nicht Gegenstand der Erfindung.'According to the invention, it is also possible to work not only with one receiver but with two receivers, the measuring and comparison signals being spatially separated and the difference between the two signals being further processed. The electrical processing is not the subject of the invention.

Ausführungsbeispiele Execution games

v. '^j Im folgenden wird die Erfindung an vier Ausführungsbei-v. ^'J In the following the invention at four exemplary embodiment is

spielen näher erläutert. Es zeigtexplain in more detail. It shows

Fig. 1 Einen nichtdispersiven infrarotanalysator mit einer Umlenkeinrichtung hinter der Küvette schematisch dargestellt· ' ' .FIG. 1 schematically shows a non-dispersive infrared analyzer with a deflection device behind the cuvette. FIG.

Fig. 2 üinen weiteren nichtdispersiven Infrarotanalysator mit einer Umlenkeinrichtung vor der Küvette schematisch dargestellt.Fig. 2 shows a further non-dispersive infrared analyzer with a deflection in front of the cuvette shown schematically.

-.4 - 2 2 66 1 O-.4 - 2 2 66 1 O

Fig. 3a .Eine Darstellung der spektralen Transmission der verwendeten FilterFig. 3a. A representation of the spectral transmission of the filters used

Pig. 3b Sine Darstellung der erreichten spektralen Transmissionsverhältnisse nach einer Anordnung gemäß ErfindungPig. 3b Sine Representation of the achieved spectral transmission ratios according to an arrangement according to the invention

Fig. 4 Einen nichtdispersiven Infrarotanalysator gemäß der Erfindung mit zwei Detektoren und direkter Differenzbildung.4 shows a non-dispersive infrared analyzer according to the invention with two detectors and direct difference formation.

Fig« 5 Einen, nichtdispersiven Infrarotanalysator mit einer Umlenkeinrichtung vor der Küvette und einem optischen Filter vor dem Empfänger schematisch dargestellte"FIG. 5 shows a non-dispersive infrared analyzer with a deflection device in front of the cuvette and an optical filter shown schematically in front of the receiver. FIG.

Gemäß Figur 1 durchläuft ein von einer Strahlungsquelle 1 mit Reflektor 2 ausgesandxes Infrarotstrahlenbündel, daß von der rotierenden Modulati onsblende 3 periodisch unterbrochen wird ein Filter 4'und dann eine Küvette 5· Ein Teil des Strahlenbündels, der Meßstrahl, trifft auf einen Umlenkspiegel 7 und gelangt dann durch eine Foicussiereinheit 8 gebündelt auf einen Empfänger 9. Ein anderer Teil des strahlenbündel, aer Vergleichs strahl trifft auf ein Filter 6_S wo entsprechend der Durchiaßcharakteristik des Filters 6 ein Teil der Infrarotstrahlung ausgeblendet wird, und der Rest durch eine Fukussiereinheit 8 gebündelt auf einen Empfänger 9 trifft. Die Ausgangssignale des Empfängers 9 weraen weiterverarbeitet und aer Anzeige zugeführt· Eine Abgleichblende 10 dient dem Abgleich von Meß- und Vergleichsstrahl«,According to FIG. 1, an infrared ray bundle emitted by a radiation source 1 with a reflector 2 passes through a filter 4 'and then a cuvette 5, which is periodically interrupted by the rotating modulation screen 3. A portion of the beam, the measuring beam, strikes a deflection mirror 7 and passes Another part of the beam, the comparison jet strikes a filter 6 _S where according to the Durchiaßcharakteristik of the filter 6, a portion of the infrared radiation is hidden, and the rest by a Fukussiereinheit 8 bundled on a Receiver 9 hits. The output signals of the receiver 9 weraen further processed and supplied to the display · An adjustment diaphragm 10 is used for the comparison of measuring and reference beam «,

Das Filter 4 ist ein breitbandiges Transmissionsfilter, dessen Durchlaßmaximum mit einem Absorptionsmaximum aer nachzuweisenden Komponente übereinstimmt, uas Durchlaßband wirα so breit gewählt, daß es eine AbsorptionsbandeThe filter 4 is a broadband transmission filter whose transmission maximum coincides with an absorption maximum aer component to be detected, uas pass band wirα chosen so wide that there is an absorption band

- 5 - 2 2 6 6 1- 5 - 2 2 6 6 1

der nachzuweisenden Komponente umfaßt. Das Filter 6 ist ein schmalbandiges Transmissionsfilter, dessen Durchlaßinaximum oberhalb des Durchlaßmaximum des Filters 4 liegt. Durch die Schrägstellung des Filters 6 im Winkel von 45° in einer Umlenkeinrichtung 11 wird das Durchlaßmaximum des Filters 6 auf das'Durchlaßmaximum des Filters 4 verschoben. Das Filter 6 wirkt als halbdurchlässiger. Spiegel, die interessierenden Wellenlang enb er ei ehe werden in die Fokussiereinheit 8 gespiegelt, während die restliche Strahlung abgeleitet wird.the component to be detected comprises. The filter 6 is a narrow-band transmission filter whose Durchlaßinaximum is above the transmission maximum of the filter 4. Due to the inclination of the filter 6 at an angle of 45 ° in a deflecting device 11, the transmission maximum of the filter 6 is shifted to the maximum permissible diameter of the filter 4. The filter 6 acts as a semipermeable. Mirrors that are much closer to the wavelength of interest are mirrored into the focusing unit 8 while the residual radiation is dissipated.

Bei dem in Figur 2 dargestellten Infrarotanalysator ist die Umlenkeinrichtung 11 vor der Küvette 5 angeordnet, dadurch ist es möglich, auf die räumliche Teilung der Küvette zu verzichten.In the case of the infrared analyzer shown in FIG. 2, the deflection device 11 is arranged in front of the cuvette 5, which makes it possible to dispense with the spatial division of the cuvette.

Die Lage der Durchlaßkurven zeigt Figur 3a» während die auf den Empfänger 9 treffenden Wellenlängenbereiche in Figur 3b dargestellt sind. Die Umlenkeinrichtung 11 ist mit einem infrarotinaktiveη Gas wie.Np, He, Ar gefüllt.The position of the transmission curves is shown in FIG. 3a, while the wavelength ranges incident on the receiver 9 are shown in FIG. 3b. The deflector 11 is filled with an infrared-active gas such as Np, He, Ar.

In Figur 4 ist ein nichtdispersiver Analysator mit zwei Empfängern 9 dargestellt» Durch die Verwendung von zwei Empfängern ist es notwendig, die Umlenkeinrichtung 11, die vor der Küvette 5 angeordnet ist, die Küvette 5 und die Fokussiereinrichtung 8 räumlich zu trennen, um eine mögliche Überlagerung der Infrarotstrahlung zu verhindern. Meß- und Vergleichsstrahl werden den beiden Detektoren zugeführt, von wo aus die Signale einem Differenzverstärker 12 zugeführt werdendem ein Anzeigeinstrument folgt.· Bei dein in Figur 5 dargestellten nichtdispersiven Analysator ist das Filter 4 vor dem Empfänger angeordnet, dadurch kann es in seinen Abmessungen kleiner gehalten werderA non-dispersive analyzer with two receivers 9 is shown in FIG. 4. By using two receivers, it is necessary to spatially separate the deflection device 11, which is arranged in front of the cuvette 5, between the cuvette 5 and the focussing device 8 in order to allow a possible interference to prevent the infrared radiation. Measuring and reference beam are fed to the two detectors, from where the signals are fed to a differential amplifier 12. A display instrument is shown in Figure 5. In the non-dispersive analyzer shown in Figure 5, the filter 4 is placed in front of the receiver, thereby making it smaller in size werder

In der Praxis tritt häufig das Meßproblem auf, CO im Beisein von COp zu messen. CO hat eine ausgeprägte Absorptionsbande bei 4,4 - 4,9 /U.m, CO₂ bei 4,2 - 4,5 /um.In practice, the measurement problem often occurs to measure CO in the presence of COp. CO has a pronounced absorption band at 4.4 - 4.9 / Um, CO ₂ at 4.2 - 4.5 / um.

6 - 2 266 106 - 2 266 10

Das Filter 4 wird nun so gewählt, daß es ein Durchlaßband im Bereich 4>4 - 4»9 /um aufweist, das Filter 6 weist ein Durchlaßband von 4,6 - 4»8 /Uta auf. Durch die Schrägstellung des Filters beträgt das wirksame Durchlaß- ~band etwa 4,55 - 4*75 /um. Der Meßatrahl, der nur durch das Filter 4 gelangt, absorbiert hauptsächlich im Zentrum der Bande, während der Vergleichsstrahl, der durch das Filter 4 läuft und vom Filter 6 reflektiert wird, hauptsächlich in den Flanken der Absorptionsbande des CO absorbiert. Damit sind die spektralen Verhältnisse des Zw.eikammer empfänger s erreicht.The filter 4 is now chosen so that it has a pass band in the range 4> 4 - 4 »9 / um, the filter 6 has a pass band of 4.6 - 4» 8 / Uta. Due to the inclination of the filter, the effective transmission band is about 4.55 - 4 * 75 / μm. The measuring beam, which only passes through the filter 4, absorbs mainly in the center of the band, while the reference beam, which passes through the filter 4 and is reflected by the filter 6, absorbs mainly in the flanks of the absorption band of the CO. Thus, the spectral ratios of Zw.eikammer receiver s are reached.

Claims

1. Optical UmlenkeinricJatung in a non-dispersive infrared analyzer, wherein the device consists essentially of an infrared radiation source, a rotating aperture for periodically interrupting the infrared radiation, a flowed through by the mixture to be examined cuvette, a

, Focusing device, a solid-state receiver, a device for further processing of signals emitted by the solid state receiver, optical

, '\. Filters for selectivation, one of which is a filter

a broadband filter is to detect its transmission maximum with an absorption maximum of. the component coincides ₉ gekennzei chnet dadu rch that the second optical filter (6) is a narrow-band optical filter and together with a deflection mirror (7) forms a deflection (8), and that the transmission wavelength of the second optical filter (6) a wavelength which is above the transmission maximum of the first optical filter (4) and that the second optical filter (6) in the deflection device (8) is arranged so that a certain part of the irradiated infrared radiation

(} disappears and the rest of the radiation is underneath

one of the respective exit direction of the filtered-out portion deviating direction to the subsequent receiver (9) arrived "

2. Uichtdispersives infrared analyzer according to point geze nzei chnet characterized in that the second optical filter (6) is a narrow-band interference filter »

2 2 6610

Erfindungsarispruch

3 · Non-dispersive infrared analyzer according to point 2 and indicate that the angle between filtered and reflected beam is approximately «« "

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