DD219584A1 - Modulationseinrichtung in einem gasanalysator nach dem strahlungsabsorptionsprinzip - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine mechanisch-optische Modulationseinrichtung mit der Eigenschaft, dass ein Differenzsignal zwischen Mess- und Vergleichskanal als Messsignal der Messfrequenz sowie ein Pilotsignal der Pilotfrequenz gebildet werden. Ziel der Erfindung ist es, ohne zusaetzlichen geraetetechnischen Aufwand die Empfindlichkeit des Gasanalysators zu steigern, wobei die Aufgabe darin besteht, ein grosses Messsignal als Differenz einer durch die Messkuevette und einer durch die Vergleichskuevette gehenden Strahlung zu erzeugen sowie ein Pilotsignal zu bilden. Erfindungsgemaess wird diese Aufgabe dadurch geloest, dass die zur Bildung des Messsignals in den nebeneinanderliegenden, aneinander grenzenden Messsignalspuren auf der Modulationsscheibe abwechselnd je einen halben Scheibenumfang ausmachenden Durchbrueche Spurbreiten aufweisen, die in ihren Abmessungen der vollen Breite der ihnen zugeordneten Kuevettenoeffnung entsprechen und zur Bildung des Pilotsignals diese Durchbrueche in regelmaessigen Abstaenden Einkerbungen enthalten, die bei der Signalspur durch die Messkuevette in Richtung Vergleichskuevette und bei der Signalspur durch die Vergleichskuevette in Richtung Messkuevette liegen. In einer Variante entfallen die in Richtung Messkuevette vorgesehenen Einkerbungen der Messsignalspur durch die Vergleichskuevette. Die Bildung des Pilotsignals erfolgt dann allein durch die Einkerbungen der Messkanalspur in Richtung Vergleichskuevette. Fig. 2

Description

Modulationseinrichtung in einem Gasanaiysator nach dem Strahiungsabsorptionsprinzip Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Modulationseinrichtung für einen Gasanalysator nach dem Prinzip der Strahlungsabsorption: Mit Hilfe dieser Modulationseinrichtung läßt sich ein empfindliches Fotometer nach dem Differenzverfahren mit geregeltem Pilotsignal aufbauen. Beide Signale, das Meß- und Pilotsignal, sind Wechselsignale unterschiedlicher Frequenz. Im Fotometer wird indirekt eine Quotientenbiidung zwischen Meß- und Pilotsignal herbeigeführt. Dadurch können Störeinflüsse, wie Lampenalterung, Verstärkungsschwankungen sowie Küvettenverschmutzungen, weitgehend eliminiert werden. Besonders geeignet ist die Modulationseinrichtung für den Aufbau von nichtdispersiven IR-Gasanalysatoren.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Hochempfindliche Fotometer der Analysenmeßtechnik sind immer Zwei- oder Mehrstrahifotometer. Der Entwicklungstrend geht von der Anwendung einfacher Differenzverfahren, bei denen erhöhte Anforderungen an die vorhandenen ,Funktionsgruppen erfüllt sein müssen, hin zur Anwendung von quotientenbildenden Verfahren, entweder durch direkte Quotientenbildung oder durch Regelung eines Pilotsignals," bei denen die Anforderungen ah einzelne Baugruppen reduziert werden können. Zweistrahlfotometer mit geregeltem Pilotsignal arbeiten mit zwei Signalen, einem Meßsignal und einem Pilotsignal, die beide dergleichen Strahlungsquelle entstammen, aber verschiedene Küvetten, die Meßküvette und die Vergleichsküvette passieren. Eine moderne Möglichkeit der Signalbildung besteht darin, ein Signal als Differenz der Strahlungsintensitäten der durch die Meß und Vergleichsküvette gehenden Strahlung sowie ein Pilotsignal als Strahlungsintensität der durch die Vergieichöküvette gehenden Strahlung mit unterschiedlicher Modulationsfrequenz zu bilden. In solchen Fotometern wird oftmals mit zwei Filtern verschiedener Durchlaßwellenlängen im Meß- und Vergleichskanäl gearbeitet und dabei eine einzige Küvette als Meß- und Vergleichsküvette genutzt, wodurch der Einfluß der Verschmutzung ideai eliminiert werden kann. In einem solchen Fall ist zu gewährleisten, daß die Temperatur des Temperaturstrahlers konstant bleibt, also auch der Einfluß der Außentemperatur auf die Temperatur des Strahlers vermieden wird. Dies geschieht allgemein durch eine stromstabilisierte Versorgung des Strahlers in Verbindung mit einerThermostatisierung des gesamten Gerätes mit allen Nachteilen, die dabei auftreten, wie erhöhte Einlaufzeit, erhöhte thermische Beanspruchung aller Bauelemente und gruppen im Gerät, oder durch aufwendige Maßnahmen zur Regelung der Strahlertemperatur. In solchen Fällen, in denen es darauf ankommt, die Einlaufzeit des Fotometers zu eliminieren, beispielsweise bei tragbaren IR-Gasanalysatoren fürdie Kraftfahrzeug-Abgaskontrolle, wird vorteilhaft auf die Thermostatisierung verzichtet und mit einem einzigen Interferenzfilter und mit zwei Küvetten, einer Meß-und einer Vergleichsküvette, operiert. ' Nach wie vor wird zur Steigerung der Empfindlichkeit mit Wechselsignalen gearbeitet, die von mechanisch-optischen Moduiationseinrichtungen gebildet werden. Ein wichtiges empfindlicSikeitsbestimmendes Element ist die Modulationsscheibe, die die Aufteilung der optischen Signale für zwei optische, Kanäle, den Meß- und Vergleichskanal, vornimmt und die Amplitude und Frequenz der Signale bestimmt.

Bekannt sind mehrflügelige Modulationsscheiben, die abwechselnd Strahlung durch den Meß- und den Vergleichskanal durchlassen. (IR-Gasanalysator URAS, Fa. Hartmann & Bräun AG; IR-Gasanalysator INFRALYT, VEB Junkalor Dessau). Diese Scheiben sind für einen einfachen Differenzbetrieb des Gerätes ausgelegt und produzieren demzufolge nur ein Signal als Differenz zwischen den Strahlungsdurchgang durch die Meß-und Vergleichsküvette.

Bekannt ist weiterhin eine Modulationsscheibe (DE-OS 2614181, G 01 N, 21/22), bei der sowohl ein Meßsignal als Differenz der Strahlungsflüsse durch die Meß- und Vergleichsküvette als auch ein Pilotsignal gebildet wird. Beide Signale entstehen abwechselnd nacheinander, so daß die Signalverarbeitung mit Hilfe von durch die Modulationsscheibe gesteuerten Schaltern und Signalspeichem organisiert werden muß. Sie ist für die Arbeit im Zwei-Frequenz-Verfahren ungeeignet. Auch wurde bereits vorgeschlagen, eine Modulationsscheibe (WP G 01 N/240909), bei der sowohl ein Meßsignal als Differenz zwischen dem Strahlungsdurchgang durch die Meß- und Vergleichsküvette als auch ein Pilotsignal gleichzeitig mit unterschiedlicher Frequenz gebildet werden. Bei dieser Moduiationsscheibe ist das Hauptaugenmerk auf die Erzielung einer optischen Linearisierung gelenkt, die dadurch erreicht wird, daß für die Bildung des Meßsignals nur ein Teil der Strahlungsdurchgangsfiäche genutzt wird, während der Rest der Strahlungsdurchgangsfläche für die Bildung eines meßeffektabhängigen Pilotsignals dient Durch dieses Aufteilungsprinzip wird die Größe des Meßsignals von vornherein beschränkt. :

Weiterhin ist sine Gasanalysenvorrichtung bekannt (DE-OS 2420578), in der mittels einer speziell gestalteten Modulationsscheibe die Strahlungsenergie in den Meß-und Vergieichsküvetten in vorbestimmterPhasenabhängigkeit zerhackt und dabei auch ein Phasenreferenzsignal erzeugt wird. Mit diesem Phasenreferenzsignal wird eine phasenabhängige Trennung der Signalkomponenten des Strahlungsempfängers auf elektrischem Wege vorgenommen. Nachteilig ist hier die bekannte Temperatur- und Alterungsabhängigkeit der für die anschließend notwendige Bildung von Differenzsignalen erforderlichen elektronischen Mittel. Eine Differenzbildung mit optischen Mitteln hat derartige Nachteile nicht. -

Ziei der Erfindung , '

Das Ziel der Erfindung ist es, für ein nichtdispersives IR-Gasanalysenmeßgerät nach dem Differenzverfahren mit Regelung des Pilotsignais die Empfindlichkeit zu steigern ohne zusätzlichen gerätetechnischen Aufwand. ,

Darlegung desWesens der Erfindung '

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Modulationseinrichtung-in einem Gasanalvsator nach dem '

Strahlungsabsorptionsprinzip zu schaffen, bei dem als Differenz der durch die Vergleichskuvette und der durch die Meßküvette gelangenden Strahlung ein großes Meßsignal erreicht wird. Aufgabe ist weiterhin ein Pilotsignal zu bilden, das konstant ist oder mitzunehmender zu messender Konzentration abnimmt. .

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die zur Bildung des Meßsignals in den nebeneinanderliegenden, aneinander grenzenden Meßsignalspuren auf der Modulationsscheibe abwechselnd je einen halben Scheibenumfang ausmachenden Durchbrüche Spurbreiten aufweisen, die in ihren Abniessungen der vollen Breite der ihnen zugeordneten Küvettenöffnung entsprechen und zur Bildung des Pilotsignal diese Durchbrüche in regelmäßigen Abständen Einkerbungen enthalten, die bei der Signalspur durch die Meßküvette in Richtung Vergleichsküvette und bei der Signalspurdurch die Vergieichsküvette in Richtung Meßküvette liegen. In einer Variante entfallen die in Richtung Meßküvette vorgesehenen * Einkerbungen der Meßsignalspur durch die Vergleichsküvette. Es wird erreicht, daß zur Bildung des Meßsignals die gesamte Fläche des Küvettenquerschnittes genutzt wird. Die Strahlung wird abwechselnd durch die Vergleichsküvette und durch die Meßküvette gelenkt. Das.Meßsignal der Meßfrequenz erreicht damit den maximal möglichen Betrag und trägt damit zu einem günstigen Verhältnis von Meß-zu Rauschsignal bei. , . ' ' _/ . '.

Die Bildung des Pilotsignals bedingt, daß im Rhythmus der Meßfrequenz abwechselnd Anteile aus dem Meß-und dem Vergleichskanal zusammengeführt werden. Die Zusammensetzung des Pilotsignals aus Anteilen des Meß-und Vergleichskanals wirkt sich so aus, daß bei einer vernachlässigbaren Verringerung des Meßsignals bei der Regelung des Pilotsignals auf einen konstanten Wert die naturgegebene Krümmung des. Meßsignals in Beziehung zur Konzentration eine in Richtung Linearisierung erfolgende Korrektur erfährt. In der Variante, in der die Einkerbungen der Vergleichskanaispur in Richtung Meßküvette entfallen, entsteht ein konstantes Pilotsignal und ohne Einschränkung das absolut höchste Meßsignal.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Äusführungsbeispiel erläutert werden. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: Zweistrahlfotometer nach dem Differenzverfahren mit geregeltem Pilotsignal Fig.2: Aüsführungsbeispiel einer Moduiationsscheibe und

Fig.3: Darstellung des zeitlichen Verlaufs des MeSsignalanfeils der Signalspur a Darstellung des zeitlichen Verlaufs des Meßsignaianteüs der Signalspur b

Darstellung des ,zeitlichen Verlaufs des Meßsignals . . ,

Darstellung des zeitlichen Verlaufs des Piletsignals.mit den Einkerbungen c = d > 0 , Darstellung des zeitlichen Verlaufs des Pilotsignals mit den Einkerbungen c = 0; d > 0

In Fig. 1 ist ein Zweistrahlfotometer nach dem Differenzverfahren mit geregeltem Pilotsignal dargestellt. Die von der Strahlungsquelle 1 kommende, vom Reflektor 2 umgelenkte Strahlung passiert die Küvettenkamrner der Vergleichsküvette 3 uncä der Meßküvette 4 einer durch eine Mitteltren η wand geteilten zylindrischen Küvette. Eine Kammer dient als Vergleichsküvette 3, die andere Kammer als Meßküvette 4. Hinter der Küvette ist eine Modulationseinrichtung angeordnet, die aus der Modulationsscheibe 5 und dem Antriebsmotor 6beste.ht. Eine optische Anordnung 7 lenkt die gesamte durchgelassene. Strahlung aus den Strahlungsempfänger 8, in dem die optisch-elektrische Signalwandiung erfolgt. Das elektrische Signal wird ververstärkt, was durch einen im Strahlungsempfänger integrierten Vorverstärker erfolgt und passiert nun den steuerbaren Verstärker 9. Das elektrische Signal besteht entsprechend der Modulationswirkung der Modulationsscheibe 5, siehe auch Fig.2, aus einem Meßsignal der Meßfrequenz f_m, wobei f_m der Umdrehungsfrequenz der Scheibe entspricht, das als Summensigna! aus den in der Spur a und der Spur b gebildeten Einzelsignaien, siehe auch Fig. 3, zusammengesetzt ist und einem Pilotsignal einer höheren Pilotfrequenz f_p, das sich aus Anteilen zusammensetzt, die im Meßkanal, Einkerbung d, und im Vergleichskanal, Einkerbung c, gewonnen werden. Das gesamte Frequenzgemisch gelangt zu den beiden Signaitrsnngliedern 10 und 12. Im Meßsignaltrenhglied 10 wird das Meßsignal und gleichzeitig im Pilotsignaltrennglted 12 das Pilotsignal herausgefiltert und gleichgerichtet. Anschließend wird das Pilotgleichspannungssignal einem Regelverstärker 13 zugeführt, an dessen Eingang ebenfalls der Ausgang des Referenzspannungsgliedes 14 liegt. Beide Signale werden miteinander verglichen und verursachen ein Ausgangssignal des Regeiverstärkers 13, das als Steuerspannung dem steuerbaren Verstärker 9 zugeführt wird. Damit ist eino Regelung wirksam, die bei genügend hoher Kreisverstärkung dafür sorgt, daß das Pilotgleichspannungssignal stets der Referenzspannung entspricht. Mit dieser Regelung werden Störgrößen, die im Meß- und Pilotsignal gleichermaßen enthalten sind, auch aus dem MeSsignal eliminiert. ·

Die vom Motor 6 angetriebene Moduiationsscheibe 5, siehe auch Fig. 2, ist so angeordnet, daß mit dem Abstand r₀ zwischen der Achse der Moduiationsscheibe und der Küvettentrennwand gewährleistet ist, daß für eine halbe Umdrehurrgszeit der Scheibe in der Spur a Strahlung durch die Vergieichsküvette 3 und für die nächste halbe Umdrehung in der Spur b Strahlung durch die Meßküvette 4 auf den Strahlungsempfänger 8 gelangt. Aus diesen beiden Strahlungsanteiien setzt sich das Meßsignal zusammen, das unabhängig von der Bildung des Pilotsignals die gesamte Fläche des Küvettenquerschniitszur Signalbildung ausnutzt.

In der ersten halben Umdrehung der Moduiationsscheibe 5 gelangt im Rhythmus der Einkerbungen d Strahlung durch die Meßküvette 4 und in der zweiten halben Umdrehung im Rhythmus der Einkerbungen c Strahlung durch die Vergieichsküvette 3 auf den Strahlungsempfänger 8, so daß zeitlich aneinander gereiht das in Fig.3 dargestellte Pilotsigna! entsteht. Erkennbar ist, daß sich das Pilotsignal aus einem Signalanteil der Meßfrequenz und einem Signalanteii der Pilotfrequenz mit aufmoduiiertem Meßsignal zusammensetzt. Der^ignalanteil der Meßfrequenz ist meßeffektabhängig und gegenüber dem Meßsignai um 180° verschoben. Es wirkt für das Meßsignal schwach signalverringernd. Verantwortlich für das Verhalten ist die Wirkung des Meßeffektes bei der Bildung des Pilotsignals während dor ersten halben Umdrehung der Moduiationsscheibe. In dem Falle, in dem die Einkerbungen d = 0 und c > 0 sind, entfällt die im Pilotsignal enthaltene Komponente des Meßkanals. Das Pilotsignal ist unabhängig vom Meßeffekt konstant. . '

Die Amplitude des Pilotsignals ist abhängig von dei Tiefe der Einkerbungen c und d sowie vom in der Meßküvette 4 stattfindenden Absorptionsvorgang. Dia Ausführung der Moduiationsscheibe 5, bei der die Einkerbungen c und d gleich tief

ausgelegt sind, könnte eine Vorzugsstellung erhalten. Die in der Meßküvette 4 stattfindende Signalschwächung wird auch aus Gründen, die Krümmung des Ausgangssignals nicht zu groß werden zu lassen, in den meisten Fällen unter 10% gehalten. Die hierdurch herbeigeführte Schwächung des Signals der Pilotfrequenz von 5% bewirkt durch die Regelung des Pilotsignals eine anhebende Wirkung des Meßsignals um diesen Betrag. Aus Gründen einer guten Signalübertragbarkeit werden die Einkerbungen c und d zur Bildung des Pilotsignals so tief ausgelegt, daß das hieraus resultierende elektrische Signal in etwa die gleiche Größe wie das elektrische Meßsignal am Meßbereichsende aufweist. Damit können Signalübertragungsschwierigkeiten infolge von Begrenzungen o.a. vermieden werden. Eine weitere Vorzugsstellung erhält die Ausführung der Modulationsscheibe, bei der die Einkerbungen d = 0 und c > 0 betragen/Hierdurch wird erreicht, daß das Signal der Meßfrequenz f_m den maximal möglichen Betrag erreicht, also höchste Empfindlichkeit des Fotometers angestrebt wird, unabhängig davon, wie tief die Einkerbung eist Um die volle Empfindlichkeit ausschöpfen zu können, bedarf es einer phasenempfindüchen Gleichrichtung des Meßsignals.

Claims (3)

Erfindungsansprüche:

1. Modulaiionseinrichtung in einem Gasanalysator nach dem Strahlungsabsorptionsprinzip, bei dem unter Verwendung einer Modulationsscheibe ein Meßsignal der Meßfrequenz als Differenzsignal aus dem Strahiungsfluß durch die Vergleichsküvette und die Meßküvette sowie ein Pilotsignal der Pilotfrequenz gebildet werden, gekennzeichnet dadurch, daß zur Bildung des Meßsignals in den nebeneinanderlegenden aneinander grenzenden Meßsignalspuren (a; b) auf der Modulationsscheibe (5) abwechselnd je einen halben Scheibenumfang ausmachenden Durchbrüche Spurbreiten aufweisen, die in ihren Abmessungen der vollen Breite der ihnen zugeordneten Küvettenöffnunej entsprechen und zur Bildung des Pilotsignals diese Durchbrüche in regelmäßigen Abständen Einkerbungen (c;d) enthalten, die bei der Signalspur (b) durch die Meßküvette (4) in Richtung Vergleichsküvette (3) und bei der Meßsignalspur (a) durchdie Vergleichsküvette (3) in Richtung Meßküvette (4) liegen. . · .-" "....

2. Einrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Einkerbungen (d) der Meßsignalspur (a) in Richtung Meßküvette (4) entfallen.

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