DE102004062837A1

DE102004062837A1 - Fotometer-Gasanalysator mit Mitteln zum Verschieben einer Optikeinheit

Info

Publication number: DE102004062837A1
Application number: DE200410062837
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl.-Phys. Liedtke; Gerhard Thielemann; Walter Dipl.-Ing. Fabinski
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 2004-12-27
Filing date: 2004-12-27
Publication date: 2006-07-06

Abstract

Fotometer-Gasanalysator zur Messung von Stoffkonzentrationen in Flüssigkeiten oder Gasen mit einer das zu messende Medium enthaltenden Messküvette (7), welche im fotometrischen Strahlengang zwischen einer Lampeneinheit (6) und mindestens einer Detektoreinheit (8) angeordnet ist, wobei Mittel zum Bewegen mindestens einer zusätzlichen optischen Kalibriereinheit (1) in den oder aus dem Strahlengang vorgesehen sind, wobei die Mittel zum Bewegen der optischen Kalibriereinheit (1) mindestens einen piezoelektrischen Aktuator (2a, 2b) umfassen, der die optische Kalibriereinheit (1) entlang einer Führungseinheit von einer definierten Anfangsstellung ausgehend in eine definierte Endlagenstellung und zurück transportiert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Fotometer-Gasanalysator zur Messung von Stoffkonzentrationen in Flüssigkeiten oder Gasen mit einer den zu messenden Stoff enthaltenden Messküvette, welche im fotometrischen Strahlengang zwischen einer Lampeneinheit und mindestens einer Detektoreinheit angeordnet ist, wobei Mittel zum Bewegen mindestens einer zusätzlichen optischen Kalibriereinheit in den oder aus den Strahlengang vorgesehen sind.
Bei Fotometern der hier interessierenden Art handelt es sich um Spektrometer, bei denen Strahlung mit der oder den zu messenden Medien in Wechselwirkung tritt. Dabei wird Licht von einer bekannten Strahlungsquelle ausgesendet und durch eine sogenannte Messküvette geleitet. Am gegenüberliegenden Ende der Messküvette ist eine Detektoreinheit platziert. Innerhalb der Messküvette befindet sich das zu messende Medium, welches zur Analyse hindurchgeleitet wird. Im Allgemeinen wird auf der Basis der Absorptionsspektroskopie gearbeitet, bei der charakteristische Strahlungsbanden, die energetisch im Licht, d.h. im primären Licht der Lampe als Strahlungsquelle enthalten sind, innerhalb des zu messenden Mediums von den entsprechenden Molekülen der zu messenden Medienkomponente absorbiert werden. Je nach dem charakteristischen Selektierungsverfahren oder dem verwendeten Wellenlängenbereich unterscheidet man beispielsweise das nicht dispertive Verfahren für den infraroten (NDIR) oder UV-(NDUV) Strahlungsbereich. Ein weiteres im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung angewendetes Messverfahren basiert auf UV-Resonanz-Absorptions-Spektroskopie (UV-RAS).
Die Strahlungsabsorption als solche ist dabei ein Maß für die Konzentration des die Absorption bewerkstelligenden Mediums oder einer Komponente hiervon. Hierzu durchströmt das zu messende Medium die Messküvette der Länge nach, wobei stirnseitig der im Wesentlichen zylinderförmigen Messküvette Fensteröffnungen für den fotometrischen Strahlengang vorgesehen sind.
Zur genauen Einstellung des Nullpunktes und der Empfindlichkeit von auf der spezifischen Absorption von Medien basierenden Gasanalysatoren wird üblicherweise ein Nullgas oder ein Prüfgas bekannter Konzentration verwendet, welches die Messküvette durchströmt. In Folge dessen stellt sich an der Detektoreinheit ein Messwert ein, welcher zur Kalibrierung mit dem erwarteten Sollwert in Übereinstimmung gebracht wird.
Alternativ dazu ist es auch allgemein bekannt, eine zusätzliche optische Kalibriereinheit zu verwenden, beispielsweise eine prüfgasgefüllte Kalibierzelle, welche zum Zwecke der Kalibrierung mit Hilfe einer elektromechanischen Einrichtung in den Strahlengang des Fotometer-Gasanalysators bewegt wird. Einrichtungen dieser Art benutzen dazu gewöhnlich als Antrieb Elektromotoren, deren Drehbewegung über zum Teil aufwendige und verschleißanfällige Getriebeeinheiten in eine Linearbewegung zum Einfahren, Positionieren und Halten der optischen Kalibriereinheit umgesetzt wird.
Das in dieser mechanischen Getriebekonstruktion naturgemäß auftretende Spiel und die damit verbundene undefinierte Position der optischen Kalibriereinheit, insbesondere in deren Endlagenstellung, führt zu zusätzlichen, nicht reproduzierbaren Absorptionseffekten, welche der reinen Gasabsorption überlagert sind und die Genauigkeit des empfindlichen Kalibriervorgangs beeinträchtigen. Zusätzlich muss die leicht bewegliche und empfindliche optische Kalibriereinheit gegenüber im Transportfall auftretenden Kräften durch entsprechende Maßnahmen geschützt werden. Hierfür kommen gewöhnlich mechanische Feststelleinrichtungen zur Anwendung, welche bei Inbetriebnahme durch Öffnen und Eingriff in das Messgerät zusätzlichen Aufwand erfordern.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Fotometer-Gasanalysator zu schaffen, dessen Mittel zum Bewegen einer optischen Kalibriereinheit konstruktiv einfach ausgeführt sind und zudem einen präzisen Kalibriervorgang sicherstellen.

Die Aufgabe wird ausgehend von einem Fotometer-Gasanalysator gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung wieder.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die Mittel zum Bewegen der optischen Kalibriereinheit mindestens einen piezoelektrischen Aktuator umfassen, der die optische Kalibriereinheit entlang einer Führungseinheit von einer definierten Anfangsstellung ausgehend in eine definierte Endlagenstellung und zurück transportiert.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass durch Verwendung des piezoelektrischen Aktuators als Antrieb eine konstruktiv besonders einfach umsetzbare Bewegung der optischen Kalibriereinheit realisierbar ist. Da piezoelektrische Aktuatoren direkt oder über ein zwischengeschaltetes Getriebe durch die angeschlossene Spannung eine sehr präzise Längenausdehnung erzeugen, lässt sich eine sehr präzise Bewegung zwischen einer definierten Anfangsstellung und einer definierten Endlagenstellung erzeugen. Zur Realisierung einer möglichst langen Bewegungsstrecke ist ein piezoelektrischer Aktuator in Schichtaufbau empfehlenswert.

Vorzugsweise besteht die mit dem piezoelektrischen Aktuator zusammenwirkende Führungseinheit aus einem Paar von beabstandet zueinander parallel verlaufenden Führungsschienen, welche gleichzeitig rechtwinkelig zum Strahlengang ausgerichtet sind. Eine derart aufgebaute Führungseinheit gestattet vorzugsweise eine Bewegung der optischen Kalibriereinheit entlang einer linearen Wegestrecke. Im Falle der paarweise angeordneten Führungsschienen werden vorzugsweise zwei piezoelektrische Aktuatoren verwendet, von denen je ein piezoelektrischer Aktuator einer Führungsschiene des Paares zugeordnet ist. Hierdurch lässt sich eine besonders präzise Bewegung der optischen Kalibriereinheit entlang einer durch die Führungseinheit vorgegebenen linearen Wegstrecke erzielen, ohne dass die Gefahr von Verkantungen und dergleichen besteht.

Alternativ dazu ist es auch denkbar, dass der mindestens eine piezoelektrische Aktuator mit Schwenkgetriebemitteln zusammenwirkt, so dass die optische Kalibriereinheit entlang einer gekrümmten Wegstrecke zwischen der Anfangsstellung und der Endlagenstellung in den Strahlengang hineinschwenkbar oder aus diesen herausschwenkbar ist. Ein Vorteil dieser alternativen Ausführungsform besteht darin, dass insbesondere bei beengten Platzverhältnissen kompaktbauende Mittel zum Bewegen der optischen Kalibriereinheit machbar sind.

Gemäß einer weiteren, die Erfindung verbessernden Maßnahme ist vorgesehen, dass die Anfangsstellung und die Endlagenstellung der optischen Kalibriereinheit durch endseitig der Führungseinheit angeordneten Anschlagelemente definiert ist. Solche Anschlagelemente können beispielsweise endseitig der Führungsschienen angebracht sein. Hierdurch lässt sich die Anfangsstellung und die Endlagenstellung genau festlegen. Gegebenenfalls können die besagten Anschlagelemente auch verstellbar ausgeführt werden, um die Anfangsstellung sowie die Endstellung erforderlichenfalls zu justieren.

Gemäß einer anderen, die Erfindung verbessernden Maßnahme ist vorgesehen, dass nach Abschalten der elektrischen Betriebsspannung für den piezoelektrischen Aktuator die Haltekraft des abgeschalteten Aktuators an der Führungseinheit als Transportsicherung dient. Dies kann konstruktiv derart umgesetzt werden, dass der piezoelektrische Aktuator über eine Federkraft auf die zugeordnete Führungsschiene greift, um die bei Transport auftretenden mechanischen Beschleunigungen derart zu wiederstehen, dass eine genügende Sicherheit erreicht ist.

Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, dass als optische Kalibriereinheit im Sinne der vorliegenden Erfindung Kalibriereinheiten nach Art einer gasgefüllten Kalibrierzelle oder eines optischen Filters oder eine optischen Blende oder dergleichen je nach Geeignetheit und Messaufgabe in Frage kommen kann.

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
1 eine Draufsicht auf eine schematische Darstellung eines Fotometer-Gasanalysators ohne optische Bauteile, und
2 eine Seitenansicht des schematisch dargestellten Fotometer-Gasanalysators nach 1 mit optischen Bauteilen.
Gemäß 1 bestehen Mittel zum Bewegen einer optischen Kalibriereinheit 1 aus zwei hieran angebrachten piezoelektrischen Aktuatoren 2a, 2b, welche beanstandet zueinander an der optischen Kalibriereinheit – hier eine gasgefüllte Kalibrierzelle – angeordnet sind, um mit einer Führungseinheit, bestehend aus einem Paar von Führungsschienen 3a, 3b, zusammenzuwirken. Das Paar von Führungsschienen 3a, 3a ist rechtwinkelig zum Strahlengang von – hier nicht weiter dargestellten – optischen Bauteilen des Fotometer-Gasanalysators ausgerichtet. Der Transport der optischen Kalibriereinheit 1 durch die piezoelektrischen Aktuatoren 2a, 2b erfolgt entlang der durch das Paar von Führungsschienen 3a und 3b definierten linearen Wegstrecke. Die Anfangsstellung A sowie die Endlagenstellung E der optischen Kalibriereinheit 1 wird durch endseitig an der Führungseinheit angeordnete Anschlagelemente 4a, 4b bzw. 5a, 5b definiert.
Gemäß 2 wirken die vorstehend beschriebenen Mittel zum Bewegen der optischen Kalibriereinheit 1 mittels der piezoelektrischen Aktuatoren 2a und 2b mit optischen Bauteilen des Fotometer-Gasanalysators zusammen, welche aus einer das zu messende Medium enthaltenen Messküvette 6 bestehen, welche im fotometrischen Strahlengang zwischen einer Lampeneinheit 7 als Strahlungsquelle und einer gegenüberliegend angeordneten Detektoreinheit 8 angeordnet ist.
Mit dem vorstehend beschriebenen Fotometer-Gasanalysator lässt sich die in der Messküvette 6 enthaltene Stoffkonzentration des hierin befindlichen Gases ermitteln, wobei sich zur Kalibrierung des Fotometer-Gasanalysators die zusätzliche optische Kalibriereinheit 1 auf einfache Weise und präzise in den Strahlengang hineintransportiert werden kann.

1: optische Kalibriereinheit
2: piezoelektrische Aktuator
3: Führungsschiene
4: Anschlagelement
5: Anschlagelement
6: Lampeneinheit
7: Messküvette
8: Detektoreinheit

Claims

Fotometer-Gasanalysator zur Messung von Stoffkonzentrationen in Flüssigkeiten oder Gasen mit einer das zu messende Medium enthaltenden Messküvette (7), welche im fotometrischen Strahlengang zwischen einer Lampeneinheit (6) und mindestens einer Detektoreinheit (8) angeordnet ist, wobei Mittel zum Bewegen mindestens einer zusätzlichen optischen Kalibriereinheit (1) in den oder aus den Strahlengang vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Bewegen der optischen Kalibriereinheit (1) mindestens einen piezoelektrischen Aktuator (2a, 2b) umfassen, der die optische Kalibriereinheit (1) entlang einer Führungseinheit von einer definierten Anfangsstellung ausgehend in eine definierte Endlagenstellung und zurück transportiert.
Fotometer-Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungseinheit ein Paar von Führungsschienen (3a, 3b) umfasst, die parallel zueinander beabstandet und rechtwinklig zum Strahlengang verlaufen.
Fotometer-Gasanalysator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass genau zwei piezoelektrische Aktuatoren (2a, 2b) vorgesehen sind, von denen je ein piezoelektrische Aktuatoren (2a; 2b) einer Führungsschiene (3a bzw. 3b) zugeordnet ist.
Fotometer-Gasanalysator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Transport der optischen Kalibriereinheit (1) durch den piezoelektrischen Aktuator (2a, 2b) entlang einer linearen Wegstrecke zwischen einer definierten Anfangsstellung und einer definierten Endlagenstellung erfolgt (1).
Fotometer-Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine piezoelektrischen Aktuator (2a, 2b) mit Schwenkgetriebemitteln zusammenwirkt, so dass die optische Kalibriereinheit (1) entlang einer gekrümmten Wegstrecke zwischen der Anfangsstellung und der Endlagenstellung in den Strahlengang hinein schwenkbar oder aus diesen hinaus schwenkbar ist.
Fotometer-Gasanalysator nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anfangsstellung und die Endlagenstellung der optischen Kalibriereinheit (1) durch endseitig der Führungseinheit angeordnete Anschlagelemente (4a, 4b; 5a, 5b) definiert ist.
Fotometer-Gasanalysator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Abschalten der elektrischen Betriebsspannung für den piezoelektrischen Aktuator (2a, 2b) die Haltekraft des abgeschalteten piezoelektrischen Aktuators (2a, 2b) an der Führungseinheit als Transportsicherung dient.
Fotometer-Gasanalysator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Kalibriereinheit (1) nach Art einer gasgefüllten Kalibrierzelle, eines optischen Filters oder einer optischen Blende ausgebildet ist.