DE102009057078B4

DE102009057078B4 - Photometrischer Gasanalysator

Info

Publication number: DE102009057078B4
Application number: DE200910057078
Authority: DE
Inventors: Dr. Rathke Carsten; Emil Gorski; Andrzej Marek Rolski; Dr. Bleil Stefan
Original assignee: ABB AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 2009-12-04
Filing date: 2009-12-04
Publication date: 2013-03-14
Anticipated expiration: 2029-12-05
Also published as: DE102009057078A1

Abstract

Photometrischer Gasanalysator mit einer Strahlungsquelle, einem von der Strahlungsquelle durchstrahlten und vom Messgass durchströmten Messvolumen, und einem an der Durchstrahlungsseite angeordneten Strahlungsdetektor, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der nicht kohärenten Strahlungsquelle ein Strahlungsdiffusorelement angeordnet ist, derart, dass das durch das Diffusorelement erzeugte Strahlungsfeld homogen durch das Messvolumen hindurch verläuft.

Description

Die Erfindung betrifft einen photometrischen Gasanalysator mit einer Strahlungsquelle, einem von der Strahlungsquelle durchstrahlten und vom Messgass durchströmten Messvolumen, und einem an der Durchstrahlungsseite angeordneten Strahlungsdetektor, gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.
In einem photometrischen Gasanalysator werden Gaskonzentrationen mittels Absorption von elektromagnetischer Strahlung vermessen. Die Messung erfolgt dabei in der Form, dass die in einer Lichtquelle emittierte Strahlung durch eine Linse so abgebildet wird, dass das Messvolumen möglichst gleichmäßig durchstrahlt wird. Innerhalb des Messvolumens wird das zu messende Gas durchgeleitet, und es erfolgen gaskomponententypische Absorptionen dieser eingespeisten Strahlung. Zur Detektion wird der nicht durch die Probe absorbierte Teil der Strahlung mit einer Linse auf einen Empfänger fokussiert.
Bei bisher bekannten Anordnungen tritt der Nachteil auf, dass eine räumliche oder strukturelle Änderung der Emission zu einer Fehlabbildung auf den Detektor führt (siehe 3, Stand der Technik). Diese Verschiebung des Schwerpunkts der Emission kann prinzipiell bei allen nicht punktförmigen Lichtquellen auftreten, so z. B. bei Gasentladungslampen. Bei Absorptionsmessungen führt diese Signalbeeinflussung zum Beispiel zu Driften oder Fluktuationen des Messwerts. Zusätzlich können auch weitere Einflüsse wie z. B. Temperaturänderungen den Ort der Emission beeinflussen und dadurch Temperatureinflüsse in den Messwerten auftreten.
Aus der DE 36 86 888 T2 ist ein Verfahren zur optischen Analyse von immunologischen Stoffen bekannt, wobei ausschließlich kohärentes Licht verwendet wird.
Aus der DE 699 15 851 T2 ist ein Sensor zur optischen Untersuchung einer Substanz in einer Probe bekannt, mittels eines Substrates, an dem ein Wellenleiter aufgebracht ist. Dieser beinhaltet einen dielektrischen Folienstapel mit mehreren Schichten: Aus der US 2009 0039 267 A1 ist die Verwendung von Reflektoren bekannt, die bei Infrarotmessung eingesetzt werden. Es ist dort festgelegt, dass mindestens zwei Reflektoren verwendet werden. Außerdem ist die Anwendung auf den infraroten Spetralbereich reduziert.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, diese ortsabhängige Komponente in der optischen Abbildung zu reduzieren, oder zu eliminieren.
Die gestellte Aufgabe ist bei einem photometrischen Gasanalysator der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Kern der Erfindung besteht darin, dass im Bereich der nicht kohärenten Strahlungsquelle ein Strahlungsdiffusorelement angeordnet ist, derart, dass das durch das Diffusorelement erzeugte Strahlungsfeld homogen durch das Messvolumen hindurch verläuft.
Durch das Diffusorelement wird die Strahlung homogen über den Querschnitt des Messvolumens verteilt und führt zu einem optimalen Messeffekt.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Diffusorelement ein mikrostrukturierstes direkt durchstrahltes Strahlungsdiffusorelement ist, welches direkt zwischen Strahlungsquelle und Messvolumen angeordnet ist.
Alternativ dazu ist vorteilhaft ausgestaltet, dass das Diffusorelement ein mikrostrukturierstes im Reflexionbetrieb betriebenes Refraktionselement ist, auf der Seite der Strahlungsquelle von der Strahlung derselben erfasst, und diese reflektiert in das Messvolumen leitet.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Strahlungsdiffusorelement als Linse mit mindestens einer mikrostrukturierten Oberfläche ausgebildet ist.
In letzter vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass an beiden Seiten des Messvolumens Sammellinsen angeordnet sind.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt.
Es zeigt:
1: Messaufbau mit direkt durchstrahltem Diffusorelement
2: Messaufbau mit indirekt, d. h. im Reflexionsbetrieb beleuchteten Refraktionselement.
3: Stand der Technik
Eine räumliche Änderung der Lichtquelle bzw. deren Intensitätsverteilung wird durch Verwendung des in dieser Erfindung beschriebenen Diffusorelements erreicht und so das von der Strahlungsquelle emittierte Licht in eine gleichmäßige Intensitätsverteilung umgesetzt.
In 1 ist der Prinzipaufbau eines Fotometers mit einem optischen Bauelement in diffraktiver Ausführung dargestellt. Dieses Bauteil hat die Aufgabe die aus der Lichtquelle emittierte Strahlung zu homogenisieren. Dieses Bauelement ist in der Zeichnung als Diffusorelement beschrieben. Die aus der Lichtquelle emittierte Strahlung wird in eine homogene Intensitätsverteilung bei hoher Transmission in Vorwärtsrichtung über die komplette Fläche des Diffusorelements umgesetzt. Das optische Bauelement zur Intensitätshomogenisierung kann auch als refraktives Element ausgeführt sein, siehe hierzu 2.
3 zeigt die üblicherweise auftretenden Abbildungsfehler und Fehler bei der flächigen homogenen Durchstrahlung des Messvolumens. Der obere Teil zeigt eine, wenn auch schwierig einzustellende, aber gewünschte Positionierung der Linsen für eine aufgeweitete und homogene Verteilung des Lichtes von der Strahlungsquelle, sowie eine exakte Abbildung auf den Detektor, hinter dem Messvolumen.
Im unteren Bildteil von 3 ist das Ergebnis einer nur leichten Abweichung von der Optimaleinstellung zu erkennen. Es erfolgt weder eine gleichmäßige Ausleuchtung des Messvolumens, noch ist die Abbildung auf den Detektor korrekt eingestellt.
Diese Fehler werden mit der vorliegenden Erfindung vermieden.

Claims

Photometrischer Gasanalysator mit einer Strahlungsquelle, einem von der Strahlungsquelle durchstrahlten und vom Messgass durchströmten Messvolumen, und einem an der Durchstrahlungsseite angeordneten Strahlungsdetektor, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der nicht kohärenten Strahlungsquelle ein Strahlungsdiffusorelement angeordnet ist, derart, dass das durch das Diffusorelement erzeugte Strahlungsfeld homogen durch das Messvolumen hindurch verläuft.
Photometrischer Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Diffusorelement ein mikrostrukturiertes, direkt durchstrahltes Strahlungsdiffusorelement ist, welches direkt zwischen Strahlungsquelle und Messvolumen angeordnet ist.
Photometrischer Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Diffusorelement ein mikrostrukturiertes, in Reflexion betriebenes Refraktionselement ist, welches auf der Seite der Strahlungsquelle Strahlung von derselben erfasst, und diese in das Messvolumen leitet.
Photometrischer Gasanalysator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungsdiffusorelement als Linse mit mindestens einer mikrostrukturierten Oberfläche ausgebildet ist.
Photometrischer Gasanalysator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass an beiden Seiten des Messvolumens Sammellinsen angeordnet sind.