DE102010051928B4

DE102010051928B4 - Gaszelle zur optischen Analyse von Gasen

Info

Publication number: DE102010051928B4
Application number: DE102010051928A
Authority: DE
Inventors: Dr. Krause Sven; Yifei Wang; Lars Schomann; Prof. Dr. Matz Gerhard; Prof. Dr. Harig Roland; Jens Eichmann
Original assignee: Technische Universitaet Hamburg TUHH; Tutech Innovation GmbH
Current assignee: Bruker Optics GmbH and Co KG
Priority date: 2010-11-19
Filing date: 2010-11-19
Publication date: 2012-08-09
Anticipated expiration: 2030-11-20
Also published as: US20150185075A1; US9279721B2; US20130335734A1; DE102010051928A1; JP2013543132A; WO2012066123A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messzelle für ein Gasanalyse-Spektrometer mit einem Innenraum (23) für ein zu analysierendes Gas (Probegas) und einem damit verbundenen Einlass (21) sowie Auslass (22). In deren Innenraum (23) ist ein durchquerender optischer Pfad für einen Messstrahl (14) gebildet. Erfindungsgemäß ist die Messzelle rohrförmig ausgebildet mit dem Einlass (21) und Auslass (22) an gegenüberliegenden Enden, und ihr Innenraum (23) weist eine sich über die Rohrlänge monoton verlaufende Querschnittsform auf mit einer Ovalität am Anfang, welche zum Ende hin verschwindet. Mit dieser speziellen Form kann ein schneller Gasaustausch und so eine hohe Dynamik erreicht werden, und zwar auch bei größeren Messzellen, die dank ihres langen optischen Wegs eine hohe Empfindlichkeit aufweisen. Die Erfindung kann damit zwei bisher gegensätzlich erscheinende Charakteristiken miteinander verknüpfen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messzelle für ein Gasanalyse-Spektrometer mit einem Innenraum für ein zu analysierendes Gas und einem damit verbundenen Einlass sowie Auslass, wobei durch den Innenraum ein optischer Pfad für einen Messstrahl gebildet ist.
Die optische Analyse von Gasen findet weitreichende Anwendung in verschiedenen Bereichen der Technik. Besondere Anforderungen werden durch die Anwendung im Bereich der Abgasmesstechnik von Verbrennungsmotoren gestellt. Hierbei sind wegen der zusehends verschärften Abgasanforderungen nicht nur hohe Empfindlichkeit im Sinne einer geringen Nachweisschwelle verlangt, sondern auch eine hohe zeitliche Auflösung zur Gewährleistung einer ausreichenden Dynamik der Messung, insbesondere im Hinblick auf nichtstationäre Betriebszustände der Verbrennungsmotoren. Hierbei bewegt man sich in einem Zielkonflikt zwischen der Nachweisstärke und der Zeitauflösung des Systems. Bei derartigen Messzellen für optische Gasanalysegeräte ist die Nachweisstärke abhängig von der optischen Weglänge, welche der Messstrahl in der Messzelle durch das zu analysierende Gas durchläuft. Diese Weglänge ist abhängig von dem Innenraumvolumen der Messzelle und der Führung des Messstrahls. Die für die Dynamik entscheidende Zeitauflösung ist hingegen unmittelbar abhängig von der Zeit, die benötigt wird zum Austausch des zu analysierenden Gases in der Messzelle. Hierbei kommt es auf einen möglichst vollständigen Austausch an. Somit hat eine Vergrößerung des Messzellenvolumens den Nachteil, dass die bei – ansonsten konstanten Parametern – für einen vollständigen Gasaustausch benötigte Zeit zunimmt, wodurch sich die Zeitauflösung und damit die Dynamik entsprechend verringert.
Um die Güte der Messung zu steigern, sind verschiedene Ansätze aus dem Stand der Technik bekannt geworden. Bei vielen Messzellen wird versucht, die Nachweisstärke bei konstantem Zellenvolumen mit Hilfe von Optimierungen am optischen Pfad zu steigern. Aus der US 5,440,143 A1 ist es bekannt, bei einer im übrigen standardmäßigen Messzelle mit rechteckigem Querschnitt ein besonderes Spiegelsystem anzubringen, welches einen mehrfachgefalteten und damit verlängerten optischen Pfad für den Messstrahl ergibt. Die Anordnung mehrerer Messzellen hintereinander, so dass der Messstrahl zuerst durch eine erste Messzelle und danach durch eine zweite Messzelle usw. geführt wird, ist aus der US 2007/0182965 A1 bekannt. Eine universelle Messzelle zur Anpassung der Länge des optischen Pfads ist aus JP 10/062335 A bekannt, wobei die Zelle aus zwei teleskopartig verschiebbaren Teilkörpern gebildet ist. Weiter ist bekannt, die Spiegel des Messsystems mit einer Temperaturkontrolle und einem Stabilisierungssystem auszuführen, um temperaturbedingte Störungen zu vermeiden ( US 4,749,276 ). Eine bekannte Vorrichtung für Streulichtmessungen weist einen Emitter und einen Detektor an einem Durchflussvolumen auf ( US 2009/0218526 A1 ). Der Emitter und der Detektor sind rechtwinklig zueinander angeordnet. Weiter weisen der Emitter und der Detektor ein konisch geformtes Messvolumen auf.
Bei einem alternativen Ansatz ist versucht worden, die Strömung des Probegases innerhalb der Messzelle zu beeinflussen ( DE 103 18 786 A ). Bei einer solchen Messzelle werden jedoch relativ große sogenannte „Totwassergebiete” gebildet, welche zu einer Verlängerung der Austauschzeiten und damit zu einer Verschlechterung der Dynamik führen. Wie schematisch in 7 dargestellt, werden bei einer Messzelle (9) gemäß dem Stand der Technik aufgrund von Verwirbelungen (91) des Probegases in der Messzelle Totwassergebiete, in denen Moleküle des Probegases eine verhältnismäßig lange Zeit verweilen können und somit einen schnellen Austausch verhindern, gebildet. Ändert sich die Konzentration des zugeführten Probegases (90), so sind in diesen Totwassergebieten noch Reste der alten Konzentration vorhanden, wodurch der neue Konzentrationswert erst dann korrekt bestimmt werden kann, wenn auch das Gas in den Totwassergebieten ausgetauscht worden ist. Die dadurch bedingte Zeitverzögerung führt zu einer Verschleppung (Konzentrationsverschleppung), was wiederum eine hohe Antwortzeit der Messzelle und damit des gesamten Messsystems verursacht. Ein weiterer alternativer Ansatz nutzt die Änderung der Lichtabsorption von Flüssigkeiten nach dem Kontakt mit dem zu messenden Gas ( DE 40 04 989 A1 ). Nach der Messung muss das Gas aus der Flüssigkeit abgeschieden werden, um spezifische Änderungen der Absorption oder Transmission photometrisch zu messen. In einem Blasenabscheider wird die mit Gas durchsetzte Flüssigkeit im Wesentlichen tangential in den Abscheideraum eingelassen. Dadurch wird die Flüssigkeit in Rotation versetzt. Der Unterteil des Abscheideraums kann als Strömungsberuhigungsraum ausgebildet sein, der einen von der Kreisform abweichenden Querschnitt aufweisen kann. Dadurch wird die Flüssigkeit gebremst, so dass Gasblasen aus der Flüssigkeit aufsteigen können. Nachteilig hierbei ist, dass der Vorgang, die Flüssigkeit mit Gas zu versetzen und das Gas danach abzuscheiden, eine niedrige Dynamik der Gasaustauschrate aufweist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Messzelle zu schaffen, welche eine bessere Dynamik aufweist.
Die erfindungsgemäße Lösung liegt in einer Messzelle mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Bei einer Messzelle für ein Gasanalyse-Spektrometer mit einem Innenraum für ein zu analysierendes Gas (Probegas) und einem damit verbundenen Einlass sowie Auslass ist ein den Innenraum durchquerender optischer Pfad für einen Messstrahl gebildet, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass die Messzelle rohrförmig ausgebildet ist mit dem Einlass und Auslass an gegenüberliegenden Enden, und ihr Innenraum eine sich über die Rohrlänge monoton verlaufende Querschnittsform aufweist, mit einer Ovalität am Anfang, welche zum Ende hin verschwindet.
Nachfolgend seien zuerst einige verwendete Begriffe erläutert:
Unter dem Einlass wird eine Einrichtung verstanden, durch welche Probegas in den Innenraum der Messzelle einströmen kann. Dementsprechend wird unter Auslass eine Einrichtung verstanden, durch die es ausströmt.
Unter Anfang der Messzelle wird derjenige Bereich verstanden, an dem der Einlass angeordnet ist. Dementsprechend ist das Ende der Bereich, der zum Auslass führt.
Unter monoton wird eine Änderung verstanden, die nur in eine Richtung erfolgt. Eine monoton über die Rohrlänge abnehmende Ovalität bedeutet also, dass die Ovalität über die Rohrlänge hinweg auf keinen Fall zunimmt, auch nicht abschnittsweise.
Die erfindungsgemäße Messzelle weist eine Form auf, die optimal angepasst ist an eine Wirbelbildung am Einlass des Probegases und die Veränderung des Wirbels beim Wandern zum Auslass hin, und zwar in dem Sinne, dass der vom Einlass zum Auslass sich bewegende Gasstrom auf direktem Pfad das gesamte Zellenvolumen beansprucht. Die Betonung liegt hier auf direktem Pfad, d. h. es ist nicht erst die Ausbildung von sekundären Rotoren oder anderen Strömungsfiguren erforderlich, um auch das Gas in abgelegenen Bereichen (Totwassergebieten) auszutauschen. Vielmehr vermeidet die erfindungsgemäße Form das Vorhandensein solcher Totwassergebiete, so dass sich mit dem Austausch auf direktem Pfad ein besonders schneller Gaswechsel ergibt.
Die Erfindung hat erkannt, dass eine Verbesserung der Dynamik der Messzelle nicht allein durch eine besonders kleine Ausführung des Zellenvolumens erreicht werden kann, sondern – anders als im Stand der Technik bisher versucht – auch durch eine größere Gestaltung der Messzelle, und zwar durch eine besondere Formgebung. Diese besondere Formgebung liegt in der eingangsseitigen Ovalität, welche zum Auslass hin verschwindet. Diese spezielle Form ermöglicht, wie bereits gesagt, einen besonders schnellen Gasaustausch, und ergibt damit die gewünschte Verbesserung der Dynamik. Die Erfindung ist damit nicht mehr auf eine besondere Kleinheit der Messzelle angewiesen, so dass die Messzelle größer und damit auch robuster gebaut werden kann. Damit verlängert sich der optische Pfad für den Messstrahl, und wegen dieser guten optischen Bedingungen verbessert sich die Nachweisbarkeit mittels der Messzelle. Die Erfindung erreicht damit eine Kombinierung der Vorteile hinsichtlich einer verbesserten Dynamik und besserer Nachweisbarkeit. Sie erreicht dies auf verblüffend einfache Weise, nämlich allein durch eine geschickte Formgebung der Messzelle. Dies ist im Stand der Technik ohne Beispiel.
Um bereits beim Einströmen des Probegases auf verlässliche Weise eine günstige Wirbelbildung zu erreichen, sind vorzugsweise die Einlässe im Rohrmantel angeordnet. Diese Anordnung im Bereich des Rohranfangs weist gegenüber einer Anordnung an der anfangsseitigen Stirnseite den Vorteil auf, dass eine sichere und strömungstechnisch vorteilhafte Hauptwirbelbildung erreicht werden kann. Dies gilt besonders dann, wenn die Einlässe diametral gegenüberliegend angeordnet sind, und zwar mit einem Offset in Bezug auf die Mittelachse der Rohrform. Dies gilt nicht nur dann, wenn zwei Einlässe vorgesehen sind, sondern auch dann, wenn mehr als zwei Einlässe vorgesehen sind; in diesem Fall sollen sie so angeordnet sein, dass das Probegas tangential am Anfang in das Rohr einströmt. Durch diese Anordnung kann gezielt ein Drall des einströmenden Probegases erzeugt werden. Dies führt zu einer Stabilisierung der Strömung und sichert damit die gewünschte Durchdringung des gesamten Innenraumvolumens mit dem Hauptwirbel.
Die Auslässe für das ausströmende Probegas sind vorzugsweise mit einer Axialkomponente ausgebildet. Darunter wird verstanden, dass die Auslässe höchstens einen Winkel von 30° in Bezug auf die Rohrachse einnehmen. Diese Anordnung am Mantel ermöglicht eine Anordnung des Spiegels für den Messstrahl in der Mitte. Damit kann der Bereich des Endes optimal für die Generierung des optischen Pfads für den Messstrahl genutzt werden. Weiter bietet diese Anordnung der Auslässe den Vorteil, dass wegen der beträchtlichen Tangentialkomponente ein ungehindertes Ausströmen erreicht werden kann. Vorzugsweise sind die Auslässe verjüngt ausgeführt. Darunter wird verstanden, dass sie an ihrem Anfang, also im Bereich ihrer Mündung, den größten Querschnitt aufweisen, der sich sukzessive vom Innenraum weg verjüngt. Es hat sich gezeigt, dass damit eine besonders gute Auslaufcharakteristik des Probegases von dem Innenraum in den Auslass erreicht werden kann, und zwar insbesondere im Hinblick auf eine Armut bzw. ein Nichtvorhandensein von Reflektionen bzw. durch sie verursachte Wirbel oder Gegenwirbel.
Vorzugsweise verschwindet die Ovalität im Bereich des Auslasses vollständig. Unbedingt nötig ist es nicht, es kann auch eine geringe Ovalität (verglichen mit der am Einlass) bestehen bleiben. Vorzugsweise ist die Form des Rohrs der Messzelle im Bereich des Auslasses aber kreisförmig. Zweckmäßigerweise ist sie bereits eine gewisse Strecke (bis zu 1/3 der Gesamtlänge des Rohres) vor der Anordnung der Stelle für den Auslass bereits kreisförmig. Hierbei sind die Querschnitte trotz ihrer Formverschiedenheit vorzugsweise im Wesentlichen flächengleich ausgebildet, wobei unter „im Wesentlichen” eine Abweichung von nicht mehr als 15%, vorzugsweise 10% verstanden wird.
In den meisten Fällen wird der Auslass im Bereich des Endes des Rohrs angeordnet sein. Unbedingt erforderlich ist dies aber nicht. So kann vorgesehen sein, dass zu dem Rohr noch ein Zusatzstück vorgesehen ist, welches eine zu dem Rohr inverse Querschnittsgestaltung aufweist. Es ist so angeordnet, dass die nicht ovale Seite des Messkörpers (also dessen Ende) verbunden ist mit dem entsprechend geformten Anfang des Zusatzstücks, und das Zusatzstück sich entlang der Rohrlänge zur Ovalität hin verändert. Mit diesem Zwischenstück wird sozusagen eine Fortsetzung der ursprünglichen Messtrecke erreicht. Dies eignet sich insbesondere zum Nachweis von Probegasen in nur ganz besonders geringen Konzentrationen.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert, in der ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel dargestellt ist. Es zeigen:
1 eine schematische Gesamtansicht einer Messvorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Gaszelle;
2 eine Darstellung der Gaszelle mit dem Strahlengang;
3 eine Aufsicht auf die Gaszelle ohne deren Einlass und Auslass;
4 eine Schnittdarstellung der Gaszelle;
5 eine alternative Ausführungsform der Gaszelle;
6 eine Explosionsansicht der Gaszelle gemäß 2; und
7 eine herkömmliche Gaszelle.
Die Erfindung wird erläutert an Hand eines FTIR-Spektrometers als Ausführungsbeispiel. Hierbei steht FTIR für Fourier-Transformation-Infrarot-Spektroskopie. Derartige Geräte sind an sich aus dem Stand der Technik bekannt und seien daher unter Bezugnahme auf 1 nur kurz erläutert.
Aus einer Quelle 11 für Infrarot-Strahlung wird ein Infrarot-Lichtstrahl 10 (IR-Strahl) auf einen schrägwinklig angeordneten Strahlenteiler 12 eines in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 1 bezeichneten Interferometers gelenkt. Der IR-Strahl 10 wird in zwei Komponenten 10a und 10b geteilt, von denen die eine 10a vom Strahlteiler 12 zu einem festen Spiegel 13a reflektiert wird, und die andere 10b zu einem beweglichen Spiegel 13b durchgelassen, dessen Abstand zu dem Strahlteiler 12 veränderlich ist (symbolisiert durch den gestrichelten Doppelpfeil in 1). Die von den Spiegeln 13a, 13b zurückreflektierten Teilstrahlen 10a, 10b interferieren am Strahlteiler 12 und werden gemeinsam als IR-Messstrahl 14 abgestrahlt in eine Gaszelle 2.
Die Gaszelle 2 ist die eigentliche Messzelle. Sie ist herkömmlicherweise küvettenartig ausgebildet (vgl. 7). Sie weist einen länglichen Grundkörper 20 mit einem Einlass 21 an einem und einem Auslass 22 an dem anderen Ende auf. Zu analysierendes Gas strömt durch den Einlass 21 in den Grundkörper, füllt diesen und strömt durch den Auslass 22 wieder aus. Während der Verweildauer in dem Grundkörper 20 wird das Gas von dem Messstrahl 14 durchstrahlt. Je nach Zusammensetzung und Konzentration des Gases in der Gaszelle 2 wird ein unterschiedlicher Anteil am Spektrum des Messstrahls 14 absorbiert, und der verbleibende durchgelassene (transmittierte) Anteil wird auf einen Detektor 15 gegeben.
Bei dem Detektor 15 handelt es sich um einen MCT-Halbleiterdetektor, der die Änderung der Photonenintensität in eine elektrische Größe umwandelt. Jedoch kann auch eine Photodiode, ein Bolometer o. ä. vorgesehen sein. Das von dem Detektor 15 gemessene Signal wird zu einem Analog/Digital-Wandler 16 geführt. Dieses Interferogramm 18 kann auf einer geeigneten Anzeigeeinrichtung dargestellt sein. Weiter erfolgt eine Verarbeitung des nunmehr digitalen Signals mittels einer schnellen Fourier-Transformation (FFT) durch ein Transformationsglied 17. Es ist dazu ausgebildet, in an sich bekannter Weise aus den vom Analog/Digital-Wandler 16 bereitgestellten Interferogramm eine spektrale Darstellung 19 zu generieren und zur Anzeige bereitzustellen.
Der funktionale und strukturelle Aufbau der Gaszelle 2 sind in den 2 bis 6 dargestellt. Wie am besten aus 2 zu ersehen ist, weist die Gaszelle einen langgestreckten, rundlichen hohlen Grundkörper 20 auf, an dessen einem Ende ein doppelflutiger Einlass 21 und an dessen anderem Ende ein ebenfalls doppelflutiger Auslass 22 angeordnet sind. Der Grundkörper weist einen Innenraum 23 auf, der von einem Mantel 27 umgrenzt wird. Gemäß einem Kernelement der Erfindung ist der Querschnitt des Innenraums 23 in dem Grundkörper 20 nicht konstant, sondern verändert sich kontinuierlich von dem Einlass 21 zu dem Auslass 22. Gemäß der Erfindung ist der Querschnitt des Innenraums 23 hinsichtlich seiner Form so gewählt, dass am Einlass 21 der Querschnitt oval ist und zum Auslass 22 hin die Ovalität immer kleiner wird, bis sie schließlich im Bereich des Auslasses 22 praktisch vollständig verschwunden ist, d. h. der Querschnitt ist dort praktisch kreisrund. Dies ermöglicht es, im Auslassbereich einen runden Spiegel 32 zur Reflektion des Messstrahls 14 einzusetzen, und im Bereich des Einlassquerschnitts einen eher rechteckigen Spiegel 31. Die Spiegel 31, 32, weisen denselben Krümmungsradius auf.
Die Einlässe 21 sind in der längeren Achse des Ovals diametral gegenüberliegend an dem Grundkörper 20 angeordnet, und zwar mit einem gegensinnigen kleinen (Größenordnung weniger als ein Zehntel der Breite des Grundkörpers 20 in diesem Bereich) Offset relativ zur Mittelachse 24 des Grundkörpers 20. Damit wird erreicht, dass das einströmende Probegas den ovalartigen Querschnitt schnell füllt. Dank des Offsets entsteht eine gezielte Asymmetrie, wodurch die Strömung in dem Innenraum 23 eine Vorzugsrichtung erhält, so dass sich ein definierter Wirbel ausbilden kann, der für eine rasche Durchmischung am Beginn und beim Weiterströmen des Probegases zum Auslass 22 sorgt. Dank der sich verjüngenden Querschnittsform formt sich der Wirbel entlang der Strecke zu dem Auslass 22 immer mehr zu einem kreisförmigen Wirbel, wobei die Umfangsgeschwindigkeit langsam abnimmt. Am auslassseitigen Ende sind die Auslässe diametral gegenüberliegend angeordnet und so ausgerichtet, dass sie tangential zur Strömungsrichtung (symbolisiert durch den Pfeil 5) vom Einlass 21 zum Auslass 22 liegen und bilden einen Winkel α von etwa 25° zur Mittelachse 24. Das Probegas kann so strömungsgünstig über die Auslasse 22 die Gaszelle 2 verlassen.
Die Strahlführung mit IR-Quelle 11 und Detektor 15 und die Einbaulage in Bezug auf die Gaszelle 2 sind in 4 dargestellt. Die in dem Ausführungsbeispiel dargestellte Messzelle 2 weist eine Länge von 16 cm bei einem Durchmesser von 7,5 cm auf. Unterhalb der eigentlichen Gaszelle 2 ist ein bodenseitiger Topf 4 gebildet, in dem die IR-Quelle 11, der Detektor 15 sowie das Interferometer 1 angeordnet sind. Es kann auch eine externe Anordnung von IR-Quelle und Detektor vorgesehen sein, wobei dann entsprechende Zugangsöffnungen für die Ein- und Ausstrahlung (strichpunktiert dargestellt) vorzusehen wären. Sie strahlen durch jeweils am Rand des eckigen Spiegels 31 gelegene Durchbrechungen (s. Bezugsziffer 35 in 3). Unter Berücksichtigung dieser für den Strahleintritt und -austritt vorgesehenen Fläche bildet der eckige Spiegel 31 eine Umhüllende, die ellipsenförmig ist. Die Gaszelle 2 ist nach oben durch einen Deckel 26 verschlossen. Weiter ist an der Innenseite des Deckels 26 der runde Spiegel 32 angeordnet, so dass er dem eckigen Spiegel 31 zugewandt ist. Der runde Spiegel 32 ist als Doppelspiegel ausgeführt, der zwei parallel ausgerichtete Konkavspiegel 32a, 32b umfasst. Ihr Krümmungsradius ist identisch und so bemessen, dass ihre Brennpunkte auf der Oberfläche des gegenüberliegenden Spiegels 31 liegen. Der Spiegel 31 ist ebenfalls konkav ausgebildet, wobei sein Brennpunkt genau auf die Mitte der beiden Konkavspiegel 32a, b ausgerichtet ist. Damit ergibt sich ein mehrfach reflektierter, aufgefächerter Lichtweg für den Messstrahl 14, der ein stationäres Strahlmuster in den beiden Konkavspiegeln 32a, b und ein – mit jeder Hin- und Her-Reflektion ein Stück – wanderndes Strahlmuster am eckigen Spiegel 31 bildet. Beide Spiegel 31, 32 werden so für die Messung vollständig ausgeleuchtet. Das gesamte eingekoppelte Licht wird von einem Spiegel 31, 32 auf den anderen 32, 31 reflektiert, so dass praktisch kein Verlust entsteht. Durch die Auffächerung mit mehrfacher Reflektion ergibt sich ein Lichtweg, der ein Vielfaches der tatsächlichen Baulänge der Gaszelle 2 beträgt (s. 2 und 4).
Damit werden mehrere Vorteile erreicht. Zum einen wird damit an dem Einlass 21 einströmendes Probegas sofort vom Messstrahl 14 erfasst, wodurch sich eine sehr schnelle Antwortzeit ergibt. Das Probegas wird so erfasst, bevor es überhaupt die Gelegenheit hat, sich mit dem in der Gaszelle 2 bereits vorhanden Altgas zu vermischen. Dadurch werden Änderungen in der Zusammensetzung bzw. Konzentration im Probegas praktisch sofort sichtbar. Die Erfindung hat weiter erkannt, dass die beanspruchte Querschnittsübergangsform nicht nur Vorteile in Bezug auf die Minimierung des Innenvolumens der Gaszelle 2 bietet, sondern darüber hinaus auch strömungstechnisch günstig ist. Beim Einströmen des Probegases wird ein Wirbel gebildet, der nahezu den gesamten Querschnitt im Einlassbereich ausfüllt, und sich auf seinem Weg zu dem Auslass so umformt, dass er einen immer kreisförmigeren Querschnitt annimmt. Die Erfindung macht sich dieses Verhalten des Messgaswirbels zu Nutze, indem sie die Querschnittsform der Gaszelle genau an diese Umformung anpasst und somit über die gesamte Länge der Gaszelle hinweg einen Querschnitt aufweist, der in vollem Umfang durchströmt ist. Dadurch werden weiter. die für das Ansprechverhalten und Genauigkeit so kritischen „Totwassergebiete” wirkungsvoll verringert. Indem so der Gasaustausch in der Gaszelle schneller ist als die Messung eines Interferogramms wird eine maximale Dynamik erreicht.
Der lange Lichtweg ergibt eine hohe Empfindlichkeit. Der sich ergebende Lichtfächer zwischen dem rechteckigen Spiegel 31 und dem kreisförmigen Spiegel 32 ist an die Querschnittsform des Innenraums der Gaszelle 2 optimal angepasst. Damit wird erreicht, dass praktisch der gesamte Innenraum durchstrahlt wird und – wegen der oben beschriebenen Durchströmung – schnell mit zugeführtem Probegas gefüllt wird (ohne dass die aus dem Stand der Technik bekannten, störenden Totwassergebiete auftreten). Die breite Auffächerung sorgt so in Verbindung mit dem durch die besondere Form erreichten Strömungsbild für ein schnelles Ansprechverhalten. Damit kann die erfindungsgemäße Gaszelle zwei wesentliche Vorteile auf einmal realisieren.
Zur weiteren Steigerung der Empfindlichkeit unter Beibehaltung der vorteilhaften dynamischen Eigenschaften kann eine alternative Ausführungsform vorgesehen sein. Sie weist ein Zusatzstück 6 auf, welches sich unmittelbar an die Gaszelle 2 anschließt. Der Deckel 26 der Gaszelle 2 entfällt hierbei, so dass zusammen mit dem Zusatzstück 6 ein großer einheitlicher Innenraum 23' gebildet ist. Die Querschnittsform des Innenraums in dem Zusatzstück 6 ist dabei invers, d. h. kreisförmig an der Verbindungsstelle mit dem Mantel 27 der Gaszelle 2 und oval am äußeren Ende. Vorzugsweise ist das Zusatzstück 6 baugleich ausgeführt und in „back-to-back” Anordnung mit der deckellosen Gaszelle 2 verbunden. Der Einlass 21 befindet sich am Boden der Gaszelle 2, und der Auslass 22' befindet sich an dem anderen Ende an dem Zusatzstück 6. Mit dieser Anordnung kann nahezu eine Verdoppelung der Empfindlichkeit erreicht werden, wobei die vorteilhafte Gestaltung der Gaszelle 2 dank der spiegelbildlichen Gestaltung des Innenraums des Zusatzstücks 6 erhalten bleibt.

Claims

Messzelle für ein Gasanalyse-Spektrometer mit einem Innenraum (23) für ein zu analysierendes Gas (Probegas) und einem damit verbundenen Einlass (21) sowie Auslass (22), in deren Innenraum (23) ein durchquerender optischer Pfad für einen Messstrahl (14) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Messzelle rohrförmig ausgebildet ist mit dem Einlass (21) und Auslass (22) an gegenüberliegenden Enden, und ihr Innenraum (23) eine sich über die Rohrlänge monoton verlaufende Querschnittsform aufweist, mit einer Ovalität am Anfang, welche zum Ende hin verschwindet.
Messzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (21) im Rohrmantel (27) der Messzelle angeordnet ist.
Messzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass (22) mit einer Ausrichtung angeordnet ist, die eine Axialkomponente enthält.
Messzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialkomponente so gebildet ist, dass der Auslass (22) mit einer Mittelachse (24) einen Winkel von nicht mehr als 30° einschließt.
Messzelle nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass (22) einen sich nach außen hin verjüngenden Querschnitt aufweist.
Messzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsform des Innenraums (23) der Messzelle im Bereich des Auslasses (22) kreisförmig ist.
Messzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnitte des Innenraums (23) an Ein- und Auslass (21, 22) zwar formverschieden, aber im Wesentlichen flächengleich sind.
Messzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zusatzstück (6) vorgesehen ist, welches an dem auslassseitigen Ende anschließt und einen zu dem Innenraum (23) inversen Querschnittsverlauf aufweist, wobei der Auslass (22) ersetzt ist durch einen Auslass (22') am fernen Ende des Zusatzstücks (6).