DE10131724A1

DE10131724A1 - Optisches Absorptions-Messgerät

Info

Publication number: DE10131724A1
Application number: DE10131724A
Authority: DE
Inventors: Hans Matthiesen
Original assignee: Draeger Safety AG and Co KGaA
Current assignee: Draeger Safety AG and Co KGaA
Priority date: 2001-06-29
Filing date: 2001-06-29
Publication date: 2003-01-16
Anticipated expiration: 2021-06-30
Also published as: US6650417B2; GB0214533D0; GB2381579A; DE10131724B4; GB2381579B; US20030002044A1

Abstract

Ein optisches Absorptions-Messgerät zur Bestimmung des Anteils einer Komponente in einem Fluid soll derart verbessert werden, dass sich drift- oder temperaturbedingte Veränderungen der Messstrahlung nur untergeordnet auf das Messergebnis auswirken. Zur Lösung der Aufgabe ist vorgesehen, dass die Umlenkung der Messstrahlen (10, 11) von einer Strahlungsquelle (4) zu einem Detektor (5) mittels mindestens zweier Planspiegel (71, 72) erfolgt, die so positioniert sind, dass die von der Strahlungsquelle (4) ermittierten Messstrahlen (10, 11) zum Detektor (5) umgelenkt sind, wobei die Fläche jedes Planspiegels (71, 72) derart bemessen ist, dass seine Ausleuchtfläche im Bereich des Detektors (5) größer als die Empfangsoberfläche (12) des Detektors (5) ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Absorptions-Messgerät zur Bestimmung des Anteils einer Komponente in einem Fluid.

Optische Absorptions-Messgeräte, beispielsweise in Form von infrarotoptischen Messgeräten, messen die Absorption von Infrarotstrahlen bei einer für die nachzuweisende Komponente spezifischen Wellenlänge. Die Größe der Absorption ist dabei ein Maß für den Anteil der Komponente in dem Fluid. Derartige Messgeräte gibt es in verschiedenen Ausführungen mit einer Infrarotstrahlungsquelle oder mit mehreren Infrarotstrahlungsquellen, wobei der Messstrahl einmal oder mehrfach eine offene oder geschlossene Messkammer durchläuft. Der Messstrahl gelangt auf einen Detektor oder mehrere Detektoren, die für die entsprechenden Infrarotwellenlängen empfindlich sind. Bei Verwendung mehrerer Detektoren, von denen einer ein Messdetektor und der andere ein Referenzdetektor ist, wird der Messstrahl möglichst gleichmäßig auf die Detektoren aufgeteilt. Für die Aufteilung des Messstrahls werden üblicherweise sogenannte Strahlteiler verwendet.

Ein infrarotoptisches Messgerät der genannten Art ist aus der DE 37 36 673 C2 bekannt. Der von einer Infrarot-Strahlungsquelle ausgesandte Messstrahl durchläuft eine Messkammer, in der sich die auf ihre Konzentration zu überwachende Gaskomponente befindet. Ein von einer Strahlungsquelle ausgesendetes Strahlenbündel wird mit Hilfe zweier sphärischer Spiegel, die gegenüberliegend zur Strahlungsquelle angeordnet sind, zurückreflektiert und als fokussiertes Lichtbündel auf einen Detektor, der sich an der gleichen Begrenzungsfläche der Messkammer wie die Strahlungsquelle befindet, abgebildet. Die einzelnen Lichtbündel gelangen dabei unter verschiedenen Reflexionswinkeln zum Detektor.

Nachteilig bei der bekannten Vorrichtung ist, dass durch Veränderung der Strahlergeometrie oder durch temperaturbedingte Lageveränderungen der Spiegel gegenüber dem Detektor die optische Abbildung auf die Empfangsoberfläche des Detektors verändert wird. Damit sind Drift- und Temperatureinflüsse dem Absorptions-Messsignal überlagert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Messgerät der genannten Art derart zu verbessern, dass sich drift- oder temperaturbedingte Veränderungen der Messstrahlung nur untergeordnet auf das Messergebnis auswirken.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Der Vorteil der Erfindung besteht im Wesentlichen darin, dass durch Verwendung mindestens zweiter Planspiegel zur Strahlumlenkung keine Abbildung des Strahlers an der Empfangsoberfläche erfolgt, sondern die Empfangsoberfläche des Detektors wird flächig ausgeleuchtet, wobei die Oberfläche jedes Planspiegels derart bemessen ist, dass die Ausleuchtfläche im Bereich des Detektors größer als dessen Empfangsoberfläche ist. Durch die Überlappung von Ausleuchtfläche und Empfangsoberfläche wird erreicht, dass auch bei Drift- oder Temperatureinflüssen immer die volle Empfangsoberfläche ausgeleuchtet wird und dadurch bei temperaturbedingten Positionsveränderungen der Planspiegel keine Intensitätsschwankungen der Messstrahlung im Bereich des Detektors feststellbar sind. Die Überlappung zwischen der Ausleuchtfläche und der Empfangsoberfläche ist derart bemessen, dass auch bei der ungünstigsten Parameterkonstellation der Messstrahl immer noch die volle Empfangsoberfläche erreicht. Die Toleranzbreite für die Überlappung lässt sich am einfachsten experimentell ermitteln, indem die Messkammer unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt wird und bei jeder Temperatur geprüft wird, ob die Empfangsoberfläche des Detektors vollständig ausgeleuchtet ist.

Die Erfindung ist nicht auf die reine Gasanalyse beschränkt, sondern sie eignet sich allgemein zur Bestimmung des Anteils einer Komponente, Gas oder Flüssigkeit in einer Gas- oder Flüssigkeitsprobe.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Besonders vorteilhaft ist es, an der ersten Begrenzungsfläche der Messkammer zusätzlich zum Detektor einen Referenzdetektor anzuordnen. Der Referenzdetektor besitzt eine Referenz-Empfangsoberfläche, die von einem der Planspiegel ausgeleuchtet wird, während der andere Planspiegel den Messstrahl zum Detektor lenkt. Die Fläche des auf den Referenzdetektor ausgerichteten Planspiegels ist dabei derart ausgelegt, dass die Ausleuchtfläche im Bereich des Referenzdetektors größer als die Referenz-Empfangsoberfläche ist.

In vorteilhafter Weise ist die Überlappung zwischen der Ausleuchtfläche und der Empfangsoberfläche im Bereich des Detektors beziehungsweise des Referenzdetektors größer als 10 Prozent, bezogen auf die jeweilige Empfangsoberfläche. Versuche haben ergeben, dass eine Überlappung von etwa 10 Prozent bis 20 Prozent ausreichend ist, um Drift- und Temperatureffekte zu unterdrücken.

Besonders zweckmäßig ist es, die Begrenzungskontur der Planspiegel derart auszubilden, dass sie der Empfangsoberfläche des Detektors beziehungsweise des Referenzdetektors angepasst ist. So eignet sich für eine rechteckige Empfangsoberfläche eine rechteckige Spiegelform, bei runder Empfangsoberfläche ein runder Planspiegel und bei sechseckiger Empfangsoberfläche eine sechseckige Spiegelform, die sich vorteilhaft wabenförmig an der zweiten Begrenzungsfläche der Messkammer anordnen lässt.

Besonders vorteilhaft ist es, die Planspiegel an der zweiten Begrenzungsfläche in Form einer Planspiegel-Matrix auszuführen, wobei eine erste Planspiegel-Gruppe auf den Detektor und eine zweite Planspiegel-Gruppe auf den Referenzdetektor ausgerichtet ist.

Durch die Verwendung mehrerer Planspiegel in Form einer Planspiegel-Matrix lassen sich Verschmutzungseffekte besonders einfach kompensieren und es ist außerdem kein Strahlteiler erforderlich, der hinter der Messkammer den Messstrahl auf den Detektor beziehungsweise den Referenzdetektor aufteilt. Bei der Planspiegel-Matrix lassen sich nämlich die einzelnen Planspiegel so positionieren, dass die Messstrahlen unmittelbar zum Detektor und Referenzdetektor reflektiert werden.

Mittels einer Planspiegelmatrix lässt sich das infrarotoptische Messgerät besonders einfach und kostengünstig herstellen, da die Planspiegelmatrix in Verbindung mit der zweiten Begrenzungsfläche als ein einstückiges Formteil hergestellt werden kann, zum Beispiel in Form eines Kunststoff-Spritzgussteils.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Figur gezeigt und im Folgenden näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 schematisch ein erstes infrarotoptisches Messgerät im Längsschnitt,
Fig. 2 ein zweites infrarotoptisches Messgerät im Längsschnitt,
Fig. 3 eine Ausleuchtfläche eines runden Planspiegels im Bereich des Detektors in Blickrichtung "A" nach der Fig. 2,
Fig. 4 eine Ausleuchtfläche eines quadratischen Planspiegels im Bereich des Referenzdetektors in Blickrichtung "A" nach der Fig. 2,
Fig. 5 schematisch eine erste Planspiegel- Matrix,
Fig. 6 eine zweite Planspiegel-Matrix,
Fig. 7 eine dritte Planspiegel-Matrix.
Fig. 1 zeigt schematisch ein erstes infrarotoptisches Messgerät 1, bei dem in einer Messkammer 2 an einer ersten Begrenzungsfläche 3 eine Infrarot-Strahlungsquelle 4 und ein Detektor 5 und an einer zweiten Begrenzungsfläche 6 nebeneinander verschiedene Planspiegel 7 in Form eines ersten Planspiegels 71 und eines zweiten Planspiegels 72 angeordnet sind. Die zu untersuchende Gasprobe durchströmt die Messkammer 2 von einem Messkammereingang 8 zu einem Messkammerausgang 9. Die Planspiegel 71, 72 an der zweiten Begrenzungsfläche 6 sind dabei so positioniert, dass die von der Strahlungsquelle 4 emittierten Messstrahlen 10, 11 auf eine Empfangsoberfläche 12 des Detektors 5 reflektiert werden. Die Empfangsoberfläche 12 ist dabei der für die Infrarotstrahlung empfindliche Bereich des Detektors 5. Der Detektor 5 und die Strahlungsquelle 4 sind an eine Steuer- und Auswerteeinheit 13 angeschlossen, in der die Schwächung der Messstrahlen 10, 11 durch die nachzuweisende Komponente in der Gasprobe ausgewertet und als Konzentrationsanteil von einem Anzeigegerät 14 ausgegeben wird.
Fig. 2 veranschaulicht schematisch ein zweites infrarotoptisches Messgerät 15, bei dem gegenüber dem ersten infrarotoptischen Messgerät 1 nach der Fig. 1, zusätzlich an der ersten Begrenzungsfläche 3 ein Referenzdetektor 16 mit einer Referenz-Empfangsoberfläche 17 vorhanden ist. Gleiche Komponenten sind mit gleichen Bezugsziffern der Fig. 1 versehen. Die Planspiegel 71, 72 an der zweiten Begrenzungsfläche 6 sind dabei so ausgerichtet, dass der erste Messstrahl 11 von dem ersten Planspiegel auf den Detektor 5 und der zweite Messstrahl 10 vom zweiten Planspiegel 72 auf den Referenzdetektor 16 umgelenkt wird. Die übrigen an der zweiten Begrenzungsfläche 6 befindlichen Planspiegel 73, 74, 75, 76 sind so positioniert, dass abwechselnd die Messstrahlen auf den Detektor 5 und den Referenzdetektor 16 umgelenkt werden. Dabei reflektieren die Planspiegel 71, 73, 75 Messstrahlen zum Detektor 5 und die Planspiegel 72, 74, 76 sind auf den Referenzdetektor 16 ausgerichtet. Der besseren Übersicht wegen ist der Strahlengang mit den Messstrahlen 10, 11 nur für die Planspiegel 71, 72 gezeigt. Durch die Verwendung mehrerer Planspiegel 7 an der zweiten Begrenzungsfläche und die wechselseitige Ausrichtung der Planspiegel 7 auf den Detektor 5 und den Referenzdetektor 16 lassen sich Verschmutzungseffekte innerhalb der Messkammer 2 besonders einfach kompensieren, da hiervon immer nur einzelne Planspiegel betroffen sind.
Fig. 3 veranschaulicht eine Aufsicht auf den Detektor 5 mit seiner Empfangsoberfläche 12 in Blickrichtung A nach der Fig. 2. Durch den Planspiegel 71, Fig. 2, wird im Bereich des Detektors 5 eine Ausleuchtfläche 18 bestrahlt, die größer als die Empfangsoberfläche 12 ist, wobei zwischen der Empfangsoberfläche 12 und der Ausleuchtfläche 18 eine Überlappung B vorhanden ist. Der Planspiegel 71 hat hierbei eine kreisrunde Begrenzungskontur. Die Überlappung B, die in der Fig. 3 vergrößert dargestellt ist, beträgt größenordnungsmäßig 10 bis 20 Prozent der Empfangsoberfläche 12.
Fig. 4 zeigt demgegenüber in gleicher Ansicht wie die Fig. 3 eine Aufsicht auf den Referenzdetektor 16 mit einer quadratischen Referenz-Empfangsoberfläche 17. Der Planspiegel 72 ist ebenfalls quadratisch ausgeführt und liefert eine quadratische Ausleuchtfläche 19 mit der Überlappung C. Die Überlappung C beträgt größenordnungsmäßig 10 bis 20 Prozent der Referenz-Empfangsoberfläche 17.
Die Fig. 5, 6, 7 zeigen unterschiedliche Ausführungen einer Planspiegel-Matrix 20, 21, 22, bei denen die Planspiegel-Matrix 20 Planspiegel mit quadratischer Begrenzungskontur, die Planspiegel-Matrix 21 Planspiegel mit runder Begrenzungskontur und die Planspiegel-Matrix 22 Planspiegel mit sechseckiger Begrenzungskontur enthält. Je nach Querschnittskontur der Empfangsoberfläche 12 des Detektors 5 beziehungsweise der Referenz-Empfangsoberfläche 17 des Referenzdetektors 16 wird eine an die Empfangsoberflächen 12, 17 angepasste Planspiegel-Matrix 20, 21, 22 ausgewählt und an der zweiten Begrenzungsfläche 6, Fig. 1, 2 befestigt. Für den Fall, dass nur ein Detektor, Fig. 1, vorhanden ist, werden alle Planspiegel der Planspiegel-Matrix 21 auf den Detektor 5 ausgerichtet. Für den Fall, dass zusätzlich noch ein Referenzdetektor 16, Fig. 2, vorhanden ist, ist eine erste Planspiegel-Gruppe 23 auf den Detektor 5 und eine zweite Planspiegel-Gruppe 24 auf den Referenzdetektor 16 gerichtet. Auf diese Weise erhalten die Detektoren 5, 16 durch direkte Reflexion die Messstrahlen von der Strahlungsquelle 4, ohne dass eine Strahlaufteilung mittels eines in den Figuren nicht dargestellten Strahlteilers vorgenommen werden muss.

Claims

1. Optisches Absorptions-Messgerät zur Bestimmung des Anteils einer Komponente in einem Fluid mit
einer Messstrahlen emittierenden Strahlungsquelle (4) und mindestens einem Detektor (5) mit einer für die Messstrahlen empfindlichen Empfangsoberfläche (12) an einer ersten Begrenzungsfläche (3) einer das Fluid aufnehmenden Messkammer (2),
mindestens zwei Planspiegel (71, 72) an einer gegenüberliegend zur ersten Begrenzungsfläche (3) befindlichen zweiten Begrenzungsfläche (6) der Messkammer (2), die an der zweiten Begrenzungsfläche (6) so positioniert sind, dass die von der Strahlungsquelle (4) emittierten Messstrahlen (10, 11) zum Detektor (5) umgelenkt sind, wobei die Fläche jedes Planspiegels (71, 72) derart bemessen ist, dass seine Ausleuchtfläche (18) im Bereich des Detektors (5) größer als die Empfangsoberfläche (12) ist.

2. Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der ersten Begrenzungsfläche (3) ein Referenzdetektor (16) mit einer Referenz- Empfangsoberfläche (17) vorgesehen ist und dass einer der Planspiegel (71) auf den Detektor (5) und der andere Planspiegel (72) auf den Referenzdetektor (16) ausgerichtet ist, wobei die Fläche des auf den Referenzdetektor (16) ausgerichteten Planspiegels (72) derart bemessen ist, dass seine Ausleuchtfläche (19) im Bereich des Referenzdetektors (16) größer als die Referenz-Empfangsoberfläche (17) ist.

3. Messgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlappung zwischen der Ausleuchtfläche (18, 19) und der Empfangsoberfläche (12, 17) größer als 10 Prozent, bezogen auf die Empfangsoberfläche (12, 17) ist.

4. Messgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungskontur der Planspiegel (71, 72) an die Begrenzungskontur der Empfangsoberflächen (12, 17) angepasst ist.

5. Messgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Planspiegel (7) als eine Planspiegel-Matrix (20, 21, 22) in der Messkammer (2) angeordnet sind.

6. Messgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Planspiegel-Gruppe (23) der Planspiegel-Matrix (21) auf den Detektor (5) und eine zweite Planspiegel-Gruppe (24) der Planspiegel-Matrix (21) auf den Referenzdetektor (16) ausgerichtet ist.