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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufnahme eines Absorptionsspektrums eines Fluids mit einer ersten Strahlungsquelle, die entlang eines ersten Strahlengangs eine Strahlung in einem ersten Spektralbereich emittiert, mit einer in dem ersten Strahlengang angeordneten ersten Messstrecke, entlang derer die Strahlung durch das Fluid tritt, mit einem in dem ersten Strahlengang angeordneten durchstimmbaren Fabry-Perot Interferometer, das als ein verschiebbares Bandpassfilter Strahlung in dem ersten Spektralbereich transmittieren kann, und mit einem ersten Detektor zur Messung der Intensität der Strahlung in dem ersten Spektralbereich sowie ein Verfahren zur Aufnahme eine Absorptionsspektrums eines Fluids.
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In der Medizintechnik ist es oftmals notwendig, die Konzentration ausgewählter Bestandteile der Atemluft zu bestimmen bzw. zu überwachen. So wird beispielsweise bei narkotisierten Patienten oftmals bei jedem Atemzug die Konzentration der verwendeten Narkosegase in der Atemluft oder bei der Kontrolle von Autofahrern der Alkoholgehalt in der Atemluft gemessen. Zur Bestimmung der Konzentration der jeweiligen Bestandteile werden spektrometrische Verfahren eingesetzt. In der Regel werden dazu mit diskreten Filtern in Wellenlängenbändern, in denen die Gase Absorptionen aufweisen, Signale aufgezeichnet und mit Referenzen verglichen. Aus der Veränderung der Signale bei diesen Wellenlängen, die für ein bestimmtes Gas charakteristisch sind, lässt sich somit auf die Konzentration des Gases in der Atemluft schließen.
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Aus dem Stand der Technik ist eine Reihe von Vorrichtungen bekannt, mit denen sich durch Absorptionsmessungen bei ausgewählten Wellenlängen oder auch über einen Spektralbereich die Konzentration ausgewählter Bestandteile eines Fluids oder eines Gases wie zum Beispiel Atemgas bestimmen lassen. Derartige Vorrichtungen weisen eine Strahlungsquelle auf, die über einen ausgewählten, kontinuierlichen Spektralbereich Strahlung emittiert. Zwischen der Strahlungsquelle und einer nachfolgend angeordneten Messstrecke, in der die Strahlung durch das Fluid tritt, ist ein optisches Bandpassfilter, im folgenden kurz als Filter bezeichnet, angeordnet, das das Spektrum der Strahlung auf eine Wellenlänge einschränkt, die für einen Bestandteil des Gases, dessen Konzentration gemessen werden soll, charakteristisch ist. Die Intensität der Strahlung wird, nachdem diese das Filter und die Messstrecke durchlaufen hat, mit einem geeigneten Detektor gemessen. Aus der Abschwächung der Intensität im Vergleich zu einer Referenzmessung in einem Referenzfluid, in dem die Konzentration des Bestandteils bekannt ist, kann nun auf die Konzentration des Bestandteils in dem Fluid geschlossen werden.
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Soll die Konzentration einer Mehrzahl von Bestandteilen gemessen werden, so muss für jeden Bestandteil ein eigenes geeignetes Filter verwendet werden. Um die Konzentration der verschiedenen Bestandteile in einem kurzen Zeitraum – möglichst in einem Atemzug als sogenannte atemzugsaufgelöste Messung – zu bestimmen, werden die verschiedenen Filter auf einem sogenannten Filterrad angeordnet. Ein Filterrad ist eine rotierende Scheibe, die die Filter in schneller Abfolge in den Strahlengang zwischen Strahlungsquelle und Detektor bewegt. Nachteilhaft ist allerdings, dass nur eine kleine Anzahl von Bestandteilen untersucht werden kann, da für jeden Bestandteil ein eigenes Filter vorhanden sein muss und die Größe der Filterräder beschränkt ist. Zudem ist die Verwendung von mechanischen Bauteilen generell nachteilhaft, da diese den Wartungsaufwand erhöhen und fehleranfällig sind.
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Ein vollständiges Absorptionsspektrum kann unter Verwendung eines durchstimmbaren Fabry-Perot Interferometers aufgenommen werden, wie in der
DE 10 2006 045 253 B3 beschrieben ist. Hierzu wird in dem Strahlengang zwischen Strahlungsquelle und Detektor anstelle des Filters ein durchstimmbares Fabry-Perot Interferometer angeordnet. Ein Fabry-Perot Interferometer ist eine Anordnung, die zwei teildurchlässige, parallel zueinander angeordnete Spiegel aufweist, deren reflektiv beschichtete Spiegeloberflächen aufeinander zuweisen. Der Abstand der Spiegeloberflächen zueinander bestimmt einen schmalen Wellenlängenbereich, der von dem Fabry-Perot Interferometer transmittiert wird bzw. für den das Fabry-Perot Interferometer durchlässig ist. Die Breite des von dem Fabry-Perot Interferometer durchgelassenen Wellenlängenbereiches wird als spektrale Auflösung bezeichnet und ist abhängig von der Wellenlänge. Bei einem durchstimmbaren Fabry-Perot Interferometer kann der Abstand der Spiegelflächen verändert und damit der Wellenlängenbereich, der transmittiert wird, verschoben werden. Ein Fabry-Perot Interferometer stellt somit ein verschiebbares Bandpassfilter dar, dessen Breite der spektralen Auflösung des Fabry-Perot Interferometers entspricht. Soll das Absorptionsspektrum eines Fluids über einen ausgewählten Spektralbereich vollständig erfasst werden, so muss das Fabry-Perot Interferometer lediglich über den ausgewählten Spektralbereich durchgestimmt werden.
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Bei geeigneter Beschichtung der Spiegeloberflächen kann ein Fabry-Perot Interferometer auch für zwei verschiedene Wellenlängenbereiche gleichzeitig durchlässig sein. Es ist folglich möglich, die Absorptionsspektren des Fluids in den beiden Wellenlängenbereichen gleichzeitig aufzuzeichnen. Eine Vorrichtung zur Aufnahme eines Absorptionsspektrums eines Fluids unter der Verwendung eines derartigen Fabry-Perot Interferometers ist aus der
DE 10 2009 011 421 B3 bekannt.
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Um die Konzentration der einzelnen Bestandteile des Fluids zu bestimmen, muss das von dem Detektor aufgezeichnete Spektrum mit einer Referenzmessung verglichen werden. Hierzu werden regelmäßig Lock-In-Verstärker verwendet. In einem Lock-In-Verstärker wird ein gemessenes Signal mit einem Referenzsignal multipliziert und das Ergebnis der Multiplikation in einem Tiefpass integriert. Der Lock-In-Verstärker bildet also die Kreuzkorrelation zwischen dem gemessenen Signal und dem Referenzsignal.
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Um einen Lock-In-Verstärker verwenden zu können, muss das von dem Detektor ausgegebene Signal und damit die von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung allerdings zeitlich moduliert sein. Unter einer zeitlichen Modulation soll hier eine Änderung der Intensität der Strahlung mit der Zeit verstanden werden. Im einfachsten Falle kann dies durch An- und Ausschalten der Strahlungsquelle oder einen nachgeordneten Chopper erfolgen, der den Strahlengang zwischen Strahlungsquelle und Detektor wiederholt unterbricht.
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Die Absorption von ausgewählten Bestandteilen in der Atemluft wird vorzugsweise bei Wellenlängen zwischen 2 μm und 15 μm gemessen. Die zur Verfügung stehenden breitbandigen Strahlungsquellen in diesem Wellenlängenbereich sind in der Regel thermische Strahler. Werden diese mit einer für atemzugsaufgelöste Messungen notwendigen Frequenz von mehr als 100 Hz zeitlich elektrisch moduliert, so hängt die relative Modulation der Intensität stark von der betrachteten Wellenlänge ab, wobei die Modulation von kurzen zu langen Wellenlängen abnimmt. In dem Spektralbereich zwischen 2 μm und 15 μm nimmt die Intensitätsmodulation bei Frequenzen von 100 Hz und mehr bei den längeren Wellenlängen so stark ab, dass sie für die Verwendung mit einem Lock-In-Verstärker nicht mehr ausreicht.
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Die Verwendung eines mechanischen Choppers ist zwar prinzipiell möglich, allerdings handelt es sich hierbei wiederum um ein mechanisches Bauteil, das aufwendig in der Wartung und zudem schwer zu miniaturisieren ist.
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Eine ähnliche Problematik stellt sich, wenn als Detektor ein photoakustischer oder ein pyroelektrischer Sensor verwendet werden soll, da diese beiden Sensortypen lediglich verwendet werden können, wenn die Strahlung eine zeitliche Änderung der Intensität aufweist.
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Es stellt sich somit die Aufgabe, die von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung über den gesamten ausgewählten Spektralbereich zeitlich so schnell zu modulieren, dass als Detektor ein in der Messstrecke angeordneter photoakustischer Sensor oder ein pyroelektrischer Sensor verwendet werden kann. Weiterhin ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Strahlung zeitlich so schnell zu modulieren, dass zum Vergleich des gemessenen Absorptionsspektrums mit einem Referenzspektrum ein nachfolgend angeordneter Lock-In-Verstärker betrieben werden kann.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung, die ein erstes Etalon zur spektralen Modulation der Strahlung aufweist, das in dem ersten Strahlengang angeordnet ist und das in dem ersten Spektralbereich eine Mehrzahl von Transmissionsmaxima aufweist. Weiterhin ist das Fabry-Perot dazu eingerichtet, dass das von dem Fabry-Perot Interferometer gebildete Bandpassfilter derart über den ersten Spektralbereich verschoben werden kann, dass die spektrale Modulation der Strahlung durch das erste Etalon als eine zeitliche Modulation der Intensität der Strahlung von dem ersten Detektor gemessen werden kann.
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Die Vorrichtung weist zunächst eine erste Strahlungsquelle auf, die in einem ersten Spektralbereich eine Strahlung mit einem vorzugsweise kontinuierlichen Spektrum emittiert. Zur Bestimmung der Konzentration von Bestandteilen der Atemluft eignen sich als erste Strahlungsquelle beispielsweise Membranstrahler, die ein kontinuierliches Spektrum in einem Wellenlängenbereich zwischen 2 μm und 20 μm aufweisen. Alternativ können auch leistungsstarke Wendelstrahler oder andere thermische Strahler eingesetzt werden, die ebenfalls in diesem Spektralbereich emittieren. Die von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung wird vorzugsweise durch eine Linsenanordnung oder einen Reflektor weitgehend kollimiert und entlang eines ersten Strahlengangs durch die Vorrichtung geführt.
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Entlang des ersten Strahlengangs sind in Ausbreitungsrichtung der Strahlung vor dem Detektor die erste Messstrecke, das Fabry-Perot Interferometer und das erste Etalon angeordnet, wobei die Reihenfolge, in der die Strahlung die erste Messstrecke, das Fabry-Perot Interferometer und das erste Etalon passiert, beliebig ist.
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Bei der in dem ersten Strahlengang angeordneten ersten Messstrecke kann es sich beispielsweise um eine Küvette handeln, in der das zu untersuchende Fluid angeordnet ist.
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Unter einem Etalon soll hier ein Fabry-Perot Interferometer verstanden werden, bei dem der Abstand der Spiegeloberflächen nicht verändert werden kann bzw. während einer Messung nicht verändert wird. Als Etalon kann beispielsweise eine unbeschichtete, polierte dünne Scheibe, die aus Silizium oder Germanium besteht bzw. vornehmlich Silizium oder Germanium aufweist, verwendet werden. Alternativ können als Etalon beispielsweise auch metallisch oder dielektrisch beschichtete Scheiben, die optisch transparent sind, oder zwei beschichtete oder unbeschichtete parallel beabstandete Platten verwendet werden. Es ist auch denkbar, anstelle eines Etalons optische Bauteile zu verwenden, die eine kammartige Transmission oder Reflexion aufweisen, wie beispielsweise bestimmte Kunststofffolien oder auch mit einem Gas gefüllte Küvetten, wobei das Gas eine ausgeprägte kammartige Absorption aufweist.
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Das erste Etalon weist in dem ersten Spektralbereich eine Mehrzahl von Transmissionsmaxima auf. Eine breitbandige Strahlung, die das erste Etalon passiert, weist somit nachfolgend eine spektrale Modulation auf, die sich durch einen Wechsel von für das Etalon spezifische Intensitätsminima und -maxima auszeichnet. Unter spektraler Modulation soll dabei hierin die Abhängikeit der Intensität einer Strahlung von der Wellenlänge bzw. der Frequenz verstanden werden. Beispielsweise weist eine 100 μm dicke Siliziumscheibe im Spektralbereich zwischen 4 μm und 5 μm 35 Transmissionsmaxima und ebenso viele Transmissionsminima auf. Im Spektralbereich zwischen 8 μm und 11 μm weist die gleiche Scheibe 25 Transmissionsmaxima auf.
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Es ist vorstellbar, dass das erste Etalon derart ausgebildet ist, dass zumindest einige der Transmissionsmaxima des ersten Etalons Wellenlängen umfassen, die für die Bestandteile, deren Konzentration in dem Fluid untersucht werden soll, charakteristisch sind. Auf diese Weise lässt sich auch die Konzentration von Bestandteilen des Fluids optimiert bestimmen, die nur schmale charakteristische Absorptionslinien aufweisen.
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Vorzugsweise ist das erste Etalon so beschaffen, dass der Abstand der Transmissionsmaxima größer ist als die spektrale Auflösung des Fabry-Perot Interferometers im ersten Spektralbereich. Ist die spektrale Auflösung des Fabry-Perot Interferometers breiter als der Abstand der Transmissionsmaxima, so führt dies zu einer unerwünschten Glättung des Spektrums. Mit anderen Worten erscheinen die von dem ersten Etalon erzeugten Intensitätsmaxima bei Abtastung mit dem Fabry-Perot Interferometer breiter und flacher.
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Vorzugsweise sind die Oberflächen des ersten Etalons nicht parallel zu den Oberflächen der in Ausbreitungsrichtung der Strahlung direkt vor und hinter dem ersten Etalon angeordneten Elemente ausgerichtet, um zusätzliche unerwünschte Etaloneffekte zu vermeiden.
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Weiterhin ist in dem ersten Strahlengang ein Fabry-Perot Interferometer angeordnet, bei dem der Abstand der Spiegeloberflächen so eingestellt werden kann, dass das Fabry-Perot Interferometer in dem ersten Spektralbereich ein verschiebbares Bandpassfilter darstellt. Dabei kann das von dem Fabry-Perot Interferometer gebildete Bandpassfilter derart über den ersten Spektralbereich – vorzugsweise kontinuierlich – verschoben werden, dass die spektrale Modulation durch das erste Etalon als eine zeitliche Modulation der Intensität der Strahlung von dem ersten Detektor gemessen wird. Mit anderen Worten wird die spektrale Modulation der Strahlung durch das erste Etalon mit dem Durchstimmen des Fabry-Perot Interferometers und das damit einhergehende Verschieben des Bandpassfilters in eine zeitliche Intensitätsmodulation der Strahlung übertragen. Dabei kann aufgrund der bekannten Breite des Fabry-Perot Interferometers zu jedem Zeitpunkt auf die transmittierte Wellenlänge und damit die Wellenlänge der Strahlung geschlossen werden.
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Wird beispielsweise bei einer Vorrichtung mit einem ersten Etalon aus einer 100 μm dicken Siliziumscheibe, die 35 Transmissionsmaxima- und minima in einem Spektralbereich zwischen 4 μm und 5 μm aufweist, das Fabry-Perot Interferometer fünf mal pro Sekunde über den Spektralbereich von der kleinsten zur größten Wellenlänge und wieder zurück durchgestimmt, entspricht dies einer Intensitätsmodulation der Strahlung mit einer Frequenz von 350 Hz. In einem Spektralbereich, der die Wellenlängen zwischen 8 μm und 11 μm umfasst, weist die gleiche Siliziumscheibe beispielsweise 25 Transmissionsmaxima- und minima auf. Somit würde ein fünfmaliges Durchstimmen des Fabry-Perot Interferometers über diesen Spektralbereich in beide Richtungen einer Intensitätsmodulation der Strahlung mit einer Frequenz von 250 Hz entsprechen.
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Weiterhin weist die Vorrichtung einen ersten Detektor auf, der so angeordnet ist, dass er die Intensität der Strahlung messen kann, nachdem diese das erste Etalon, das Fabry-Perot Interferometer und die erste Messstrecke passiert hat. Bei dem ersten Detektor kann es sich beispielsweise um einen Halbleitersensor, eine Thermosäule, einen Thermowiderstand, einen pyroelektrischen Sensor oder einen photoakustischen Gassensor handeln. Letzterer ist vorzugsweise in der ersten Messstrecke angeordnet.
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Eine derartige Vorrichtung ist vorteilhaft, da sie keinerlei makromechanische Elemente aufweist und es trotzdem möglich ist, die Intensität der Strahlung mit einer für eine atemzugsaufgelöste Messung ausreichend hohen Frequenz über einen weiten Spektralbereich zu modulieren. Da auf makromechanische Bauteile verzichtet wird, arbeitet die Vorrichtung nahezu verschleißfrei, wodurch sich der Wartungsaufwand im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen deutlich verringert und die Lebensdauer erhöht wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist zur Bestimmung des Absorptionsspektrums des Fluids aus den mit dem ersten Detektor gemessenen Intensitäten der Strahlung ein erster Lock-In-Verstärker vorgesehen. Der Lock-In-Verstärker bildet die Kreuzkorrelationsfunktion zwischen dem von dem ersten Sensor ausgegebenen Messsignal und einem Referenzsignal und stellt ein besonders schmales Bandpassfilter dar, das es auch bei stark verrauschten Signalen erlaubt, bereits geringfügige Abweichungen zwischen dem Messsignal und dem Referenzsignal festzustellen. Daher erlaubt es der Lock-In-Verstärker auf besonders vorteilhafte Weise, ein Absorptionsspektrum des Fluids aufzuzeichnen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung eine zweite Strahlungsquelle, die entlang eines zweiten Strahlengangs eine Strahlung in einem zweiten Spektralbereich emittiert, eine zweite Messstrecke, entlang derer die von der zweiten Strahlungsquelle emittierte Strahlung durch das Fluid tritt, und einen zweiten Detektor zur Messung der Intensität der Strahlung in dem zweiten Spektralbereich auf. Dabei sind der erste und der zweite Strahlengang derart ausgebildet, dass das Fabry-Perot Interferometer in dem ersten und dem zweiten Strahlengang angeordnet ist. Das Fabry-Perot Interferometer kann als verschiebbares Bandpassfilter Strahlung in dem zweiten Spektralbereich transmittieren. Weiterhin weist die Vorrichtung ein zweites Etalon zur spektralen Modulation der Strahlung auf, das in dem zweiten Strahlengang angeordnet ist und das in dem zweiten Spektralbereich eine Mehrzahl von Transmissionsmaxima aufweist. Zudem ist das Fabry-Perot dazu eingerichtet, dass das von dem Fabry-Perot Interferometer gebildete Bandpassfilter derart über den zweiten Spektralbereich verschoben werden kann, dass die spektrale Modulation der Strahlung durch das zweite Etalon als eine zeitliche Modulation der Intensität der Strahlung von dem zweiten Detektor gemessen werden kann.
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Diese bevorzugte Ausführungsform weist eine zweite Strahlungsquelle auf, die Strahlung in einem zweiten Spektralbereich emittiert, wobei der zweite Spektralbereich vorzugsweise andere Wellenlängen umfasst als der erste Spektralbereich. Beispielsweise könnte der erste Spektralbereich die Wellenlängen zwischen 2 μm und 6 µm – vorzugsweise zwischen 4 µm und 5 µm – umfassen und der zweite Spektralbereich die Wellenlängen zwischen 7 µm und 15 µm – vorzugsweise zwischen 8 µm und 11 µm – umfassen. Es ist auch denkbar, dass die erste Strahlungsquelle und die zweite Strahlungsquelle Strahlung über den gleichen Spektralbereich emittieren und lediglich durch entsprechende Bandpassfilter auf die jeweiligen Spektralbereiche eingeschränkt werden.
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Weiterhin weist die Vorrichtung ein zweites Etalon auf, das im zweiten Strahlengang angeordnet ist und die Strahlung im zweiten Spektralbereich auf ähnliche Weise moduliert, wie das erste Etalon die Strahlung im ersten Spektralbereich. Insbesondere weist das zweite Etalon im zweiten Spektralbereich eine Mehrzahl von Transmissionsmaxima auf, deren Abstand vorzugsweise größer ist als die Bandbreite oder auch spektrale Auflösung des Fabry-Perot Interferometers im zweiten Spektralbereich. Es ist weiterhin denkbar, dass das zweite Etalon derart ausgebildet ist, dass zumindest einige der Transmissionsmaxima des zweiten Etalons Wellenlängen umfassen, die für die Bestandteile, deren Konzentration in dem Fluid untersucht werden soll, charakteristisch sind.
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Vorzugsweise sind auch die Oberflächen des zweiten Etalons nicht parallel zu den Oberflächen der in Ausbreitungsrichtung der Strahlung direkt vor und hinter dem zweiten Etalon angeordneten Elemente ausgerichtet, um zusätzliche unerwünschte Etaloneffekte zu vermeiden.
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Diese bevorzugte Ausführungsform weist weiterhin eine zweite Messstrecke auf, entlang derer die von der zweiten Strahlungsquelle emittierte Strahlung durch das Fluid tritt. Dabei ist es denkbar, dass die erste und die zweite Messstrecke die gleiche Länge aufweisen, wobei unter der Länge einer Messstrecke die Strecke zu verstehen ist, die die Strahlung entlang der Messstrecke durch das Fluid zurücklegt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Messstrecke integral mit der zweiten Messstrecke ausgebildet; d. h. fallen die erste und die zweite Messstrecke zusammen oder verlaufen auf dem gleichen Weg durch das Fluid. Eine derartige Vorrichtung ist besonders vorteilhaft, da die Absorptionsspektren in dem Fluid in zwei Spektralbereichen in der gleichen Messstrecke gemessen werden können und somit sichergestellt ist, dass die Konzentrationsmessung nicht von räumlichen Unterschieden in der Konzentration der Bestandteile beeinflusst wird.
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Es ist allerdings auch vorstellbar, dass die erste und die zweite Messstrecke unterschiedliche Längen aufweisen. Letzteres ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Fluid im ersten und im zweiten Spektralbereich unterschiedlich stark absorbiert. So ist es beispielsweise vorstellbar, dass ein Bestandteil des Fluids, dessen Konzentration bestimmt werden soll, im ersten Spektralbereich nur sehr schwach absorbiert. Um dennoch für den ersten Detektor messbare Änderungen der Absorption zu erreichen, wird eine längere erste Messstrecke verwendet. Umgekehrt ist es auch denkbar, dass beispielsweise die Konzentration eines Bestandteils des Fluids bestimmt werden soll, der bereits in geringen Konzentrationen im zweiten Spektralbereich stark absorbiert. In diesem Fall könnte die zweite Messstrecke entsprechend kurz gewählt werden, sodass auch bei hohen Konzentrationen noch vom zweiten Detektor messbare Veränderungen in der Absorption auftreten.
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In dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Fabry-Perot Interferometer in dem ersten und des zweiten Strahlengangs angeordnet. Mit anderen Worten passiert sowohl die von der ersten Strahlungsquelle emittierte Strahlung als auch die von der zweiten Strahlungsquelle emittierte Strahlung das Fabry-Perot Interferometer, wobei der erste und der zweite Strahlengang parallel, annähernd parallel oder übereinander durch das Fabry-Perot Interferometer verlaufen.
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So ist es beispielsweise vorstellbar, dass der erste und der zweite Strahlengang, nachdem die Strahlung das jeweilige Etalon passiert hat, auf den gleichen Strahlteiler treffen. Dabei ist der Strahlteiler beispielsweise so angeordnet, dass der von dem Strahlteiler transmittierte Anteil der von der ersten Strahlungsquelle emittierten Strahlung in dem Fabry-Perot Interferometer den ersten Strahlengang bildet, während der von dem Strahlteiler reflektierte Anteil der von der zweiten Strahlungsquelle emittierten Strahlung dort den zweiten Strahlengang bildet.
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Die Vorrichtung weist darüber hinaus einen zweiten Detektor auf, der dazu geeignet ist, die Intensität der Strahlung in dem zweiten Spektralbereich zu messen, nachdem diese das zweite Etalon, die zweite Messstrecke und das Fabry-Perot Interferometer passiert hat.
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Weiterhin ist das Fabry-Perot Interferometer derart ausgebildet, dass der Abstand der Spiegeloberflächen so eingestellt werden kann, dass das Fabry-Perot Interferometer im zweiten Spektralbereich ein verschiebbares Bandpassfilter darstellt. Dabei kann das von dem Fabry-Perot Interferometer gebildete Bandpassfilter derart über den zweiten Spektralbereich – vorzugsweise kontinuierlich – verschoben werden, dass die spektrale Modulation durch das zweite Etalon als eine zeitliche Modulation der Intensität der Strahlung von dem zweiten Detektor gemessen wird. Mit anderen Worten wird die spektrale Modulation der Strahlung durch das zweite Etalon mit dem Durchstimmen des Fabry-Perot Interferometers und das damit einhergehende Verschieben des Bandpassfilters in eine zeitliche Intensitätsmodulation der Strahlung übertragen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Fabry-Perot Interferometer derart ausgebildet, dass es zeitgleich Strahlung in dem ersten und in dem zweiten Spektralbereich transmittieren kann und dass das von dem Fabry-Perot Interferometer gebildete Bandpassfilter derart zeitgleich über den ersten und den zweiten Spektralbereich verschoben werden kann, dass die spektrale Modulation der Strahlung durch das erste und das zweite Etalon als eine zeitliche Modulation der Intensität der Strahlung von dem ersten und dem zweiten Detektor gemessen werden kann. Mit anderen Worten kann der Abstand der Spiegeloberflächen des Fabry-Perot Interferometers so eingestellt werden, dass es zeitgleich einen Bandpass in dem ersten und dem zweiten Spektralbereich bildet. Somit lassen sich der erste und der zweite Spektralbereiche zeitgleich abtasten und das Absorptionsspektrum des Fluids kann in beiden Spektralbereichen in besonders kurzer Zeit aufgenommen werden, wodurch es möglich ist, die Konzentration von Bestandteilen in einem Fluid zu messen, dessen Zusammensetzung sich in sehr kurzen Zeiträumen verändert.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zur Bestimmung des Absorptionsspektrums des Fluids aus den mit dem zweiten Detektor gemessenen Intensitäten der Strahlung ein zweiter Lock-In-Verstärker vorgesehen.
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Es ist weiterhin bevorzugt, das erste Etalon integral mit dem zweiten Etalon auszubilden. Mit anderen Worten ist statt des ersten und des zweiten Etalons lediglich ein Etalon vorgesehen, dass sowohl in dem ersten als auch in dem zweiten Spektralbereich eine Mehrzahl von Transmissionsmaxima aufweist. Beispielsweise könnte eine 100 µm dicke Scheibe aus Silizium verwendet werden, die im Spektralbereich zwischen 4 µm und 5 µm 35 Transmissionsmaxima und im Spektralbereich zwischen 8 µm und 11 µm 25 Transmissionsmaxima aufweist. Hierdurch lässt sich die Baugröße der Vorrichtung deutlich verringern.
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Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn das erste Etalon derart im ersten und im zweiten Strahlengang als Strahlteiler angeordnet ist, dass der erste Strahlengang und der zweite Strahlengang in Ausbreitungsrichtung der Strahlung hinter dem ersten Etalon parallel verlaufen. Mit anderen Worten werden das erste Etalon und das zweite Etalon durch ein gemeinsames Etalon ersetzt, das zugleich als ein Strahlteiler ausgebildet ist und den ersten und den zweiten Strahlengang derart zusammenführt, dass das Fabry-Perot Interferometer, das in Ausbreitungsrichtung der Strahlung hinter dem Etalon liegt, parallel von der von der ersten und der zweiten Strahlungsquelle emittierten Strahlung durchlaufen wird. Auch eine derartige Vorrichtung ist besonders vorteilhaft, da sich auf diese Weise eine besonders kompakte Bauweise realisieren lässt.
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Es ist ebenfalls bevorzugt, den ersten Detektor integral mit dem zweiten Detektor auszubilden. Mit anderen Worten ist statt eines ersten und eines zweiten Detektors lediglich ein Detektor vorgesehen, der die Intensität der Strahlung sowohl in dem ersten als auch in dem zweiten Spektralbereich misst, wodurch eine besonders kompakte Ausgestaltung der Vorrichtung möglich ist.
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Es ist weiterhin bevorzugt, dass die erste Strahlungsquelle identisch mit der zweiten Strahlungsquelle ist. Mit anderen Worten ist statt zwei Strahlungsquellen lediglich eine Strahlungsquelle vorgesehen, die Strahlung im ersten und im zweiten Spektralbereich emittiert. Auch hierdurch lässt sich eine besonders kompakte Bauweise realisieren.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Strahlungsquelle ein thermischer Strahler, dessen Intensität zeitlich so schnell moduliert werden kann, dass die relative Änderung der Intensität der Strahlung in einem der beiden Spektralbereiche stärker ausgeprägt ist als in dem anderen Spektralbereich. Ist lediglich eine Strahlungsquelle vorhanden und diese als thermischer Strahler ausgebildet, so ist es vorteilhaft, die Intensität der Strahlungsquelle zeitlich schnell zu modulieren.
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Ist die Modulationsfrequenz ausreichend hoch, so wirkt sich die Intensitätsmodulation lediglich auf den kurzwelligeren Spektralbereich aus, während der langwelligere der beiden Spektralbereiche im Wesentlichen nicht moduliert wird. Zeichnet ein Detektor eine Überlagerung der Absorptionsspektren im ersten und im zweiten Spektralbereich auf, so kann diese zusätzliche Modulation des kurzwelligeren Spektralbereiches auf besonders vorteilhafte Weise verwendet werden, um das erste und das zweite Absorptionsspektrum voneinander zu trennen.
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Die Vorrichtung kann auch derart ausgestaltet sein, dass die Absorption des Fluids in weiteren Spektralbereichen bestimmt werden kann. Hierzu weist die Vorrichtung für jeden weiteren Spektralbereich eine Strahlungsquelle auf, die in dem Spektralbereich Strahlung entlang eines Strahlengangs emittiert. Entlang jedes Strahlengangs ist eine Messstrecke, ein Etalon und ein Detektor angeordnet, wobei die Strahlung entlang der Messstrecke durch das Fluid tritt, das Etalon zur Modulation der Strahlung in dem Spektralbereich eine Mehrzahl von Transmissionsmaxima aufweist und der Detektor zur Messung der Intensität der Strahlung in dem Spektralbereich eingerichtet ist. Dabei sind die Strahlgänge derart ausgebildet, dass das Fabry-Perot Interferometer in jedem Strahlengang angeordnet ist. Das Fabry-Perot Interferometer ist dazu eingerichtet, in jedem der Spektralbereiche als verschiebbares Bandpassfilter Strahlung zu transmittieren, wobei das Bandpassfilter derart über die Spektralbereiche verschoben werden kann, dass die spektrale Modulation der Strahlung durch die Etalons als eine zeitliche Modulation der Intensität der Strahlung von den Detektoren gemessen werden kann. Bei einer derartigen Vorrichtung ist es denkbar, dass alle Strahlungsquellen, alle Etalons, alle Messstrecken und/oder alle Detektoren integral miteinander ausgebildet sind, wodurch sich eine breitbandige Vorrichtung zur Aufnahme von Absorptionsspektren in besonders kompakter Bauweise realisieren lässt.
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Die Aufgabe wird weiterhin von einem Verfahren zur Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gelöst, bei der das Fabry-Perot Interferometer derart durchgestimmt wird, dass das von dem Fabry-Perot Interferometer gebildete Bandpassfilter derart über den ersten Spektralbereich verschoben wird, dass die spektrale Modulation der Strahlung durch das erste Etalon als eine zeitliche Modulation der Intensität der Strahlung von dem ersten Detektor gemessen wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird zur Bestimmung des Absorptionsspektrums im ersten Spektralbereich ein von dem zweiten Detektor ausgegebenes Messsignal mit dem ersten Lock-In-Verstärker mit einem Referenzsignal verglichen.
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Das hierfür benötige Referenzsignal kann auf vielfältige Weise bestimmt werden. Die von dem ersten Etalon und dem Fabry-Perot Interferometer erzeugten Intensitätsmaxima der Strahlung treten für gewöhnlich nicht in zeitlich konstantem Abstand auf. Daher kann in der Regel kein externes Referenzsignal mit einer konstanten Frequenz verwendet werden. Es ist jedoch vorstellbar, die Steuerung des Fabry-Perot Interferometers derart anzupassen, dass die Maxima der intensitätsmodulierten Strahlung in zeitlich gleichem Abstand auftreten. In diesem Fall wäre es möglich, ein Referenzsignal mit konstanter Frequenz zu verwenden.
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Alternativ ist es auch möglich, zunächst ein gesamtes Absorptionsspektrum für den ersten Spektralbereich aufzuzeichnen und mit einer Auswerteeinheit derart zu transformieren, dass die Intensitätsmaxima zeitlich gleich beabstandet sind. Das auf diese Weise erzeugte Messsignal kann ebenfalls mit einem extern erzeugten Referenzsignal verglichen werden.
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Es ist auch denkbar, zunächst ein Absorptionsspektrum aufzunehmen, bei dem die erste bzw. zweite Messstrecke mit einem Referenzfluid bekannter Zusammensetzung gefüllt oder evakuiert ist, und das von dem Detektor hierbei ausgegebene Messsignal für weitere Messungen als Referenzsignal zu verwenden.
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Wird kein Lock-In-Verstärker verwendet, so ist es auch denkbar, ein Absorptionsspektrum zu bestimmen, in dem über die von dem Detektor gemessenen Intensitätsmaxima integriert wird. Aus dem Zeitpunkt, zu dem ein Intensitätsmaximum auftritt, kann bei bekannter Breite des Fabry-Perot Interferometers zu dem Zeitpunkt auf die Wellenlänge geschlossen werden, die bei dieser Einstellung des Fabry-Perot Interferometers transmittiert wird und somit auch auf die Wellenlänge, zu der das jeweilige Intensitätsmaximum auftritt. Wird nun über das gesamte Intensitätsmaximum, d. h. von einem Intensitätsminimum zum nächsten integriert, so kann aus dem Vergleich des Wertes des Integrals mit einer Referenzmessung auf die relative Absorption bei der Wellenlänge geschlossen werden und ein vollständiges Absorptionsspektrum in dem ersten Spektralbereich erstellt werden, ohne dass ein Lock-In-Verstärker notwendig ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Fabry-Perot Interferometer derart durchgestimmt, dass das von dem Fabry-Perot Interferometer gebildete Bandpassfilter derart über den zweiten Spektralbereich verschoben wird, dass die spektrale Modulation der Strahlung durch das zweite Etalon als eine zeitliche Modulation der Intensität der Strahlung von dem zweiten Detektor gemessen wird. Auch bei dieser Ausführungsform ist es weiterhin bevorzugt, wenn zur Bestimmung des Absorptionsspektrums im zweiten Spektralbereich ein von dem zweiten Detektor ausgegebenes Messsignal mit dem zweiten Lock-In-Verstärker mit einem Referenzsignal verglichen wird.
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Darüber hinaus ist es besonders bevorzugt, dass das Fabry-Perot Interferometer derart durchgestimmt wird, dass zeitgleich das Absorptionsspektrum des Fluids in dem ersten und in dem zweiten Frequenzbereich bestimmt werden kann. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, da sie es erlaubt, ein Absorptionsspektrum des Fluids im ersten und im zweiten Spektralbereich in besonders kurzer Zeit aufzuzeichnen.
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Dies ist insbesondere auch dann möglich, wenn zur Messung der Intensität der Strahlung im ersten und im zweiten Spektralbereich nur ein Detektor verwendet wird, da die Intensitätsmodulation der Strahlung durch ein erstes und ein zweites Etalon, die auch integral (d. h. als ein Element) ausgebildet sein können, erfolgt. Zunächst misst ein einzelner Detektor eine Überlagerung der Absorptionsspektren im ersten und im zweiten Spektralbereich. Da die Intensitätsmaxima der Strahlung jedoch nach dem Passieren der oder des Etalons unterschiedliche, vom Spektralbereich abhängige Abstände aufweisen, können die Absorptionsspektren nach der Aufzeichnung auf einfache Weise aufgetrennt werden. Dies kann elektronisch, über eine Fourieranalyse oder über zwei Lock-In-Verstärker erfolgen, die verschiedene, für den jeweiligen Spektralbereich charakteristische Referenzsignale verwenden. In diesem Zusammenhang kann also neben der Amplitudenmodulation für das Lock-in Verfahren auch die Frequenzmodulation für eine Fourieranalyse der Signalfolge benutzt werden.
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Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand einer vier Ausführungsbeispiele darstellende Zeichnung erläutert. Die Zeichnung zeigt in
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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4 ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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5 ein fünftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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6 ein Verfahren zur Bestimmung eines Absorptionsspektrums aus einem von einem Detektor ausgegeben Messignal,
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7 ein Transmissionsspektrum eines Etalons des ersten Ausführungsbeispiels in einem ersten Spektralbereich,
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8 ein Transmissionsspektrum eines Etalons des ersten Ausführungsbeispiels in einem zweiten Spektralbereich und
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9 eine Überlagerung der in den 7 und 8 dargestellten Transmissionsspektren.
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In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, die eine erste Strahlungsquelle 1, ein erstes Etalon 3, eine erste Messstrecke 5, ein Fabry-Perot Interferometer 7 und einen Detektor 9 aufweist, die entlang eines ersten Strahlengangs 11 angeordnet sind. Bei der ersten Strahlungsquelle 1 handelt es sich um einen thermischen Strahler (z. B. Membranstrahler, Wendelstrahler oder Nernststift), der über einen Spektralbereich von 2 µm bis 20 µm ein kontinuierliches Spektrum aufweist, dessen Maximum bei ungefähr 5 µm liegt.
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Das in Ausbreitungsrichtung der Strahlung hinter der Strahlungsquelle 1 angeordnete Etalon 3 besteht aus einer 100 µm dicken Siliziumscheibe, die in einem ersten Spektralbereich und in einem zweiten Spektralbereich Strahlung transmittiert und in beiden Spektralbereichen eine Mehrzahl von Transmissionsmaxima aufweist. Die berechnete Transmission des Etalons 3 im ersten Spektralbereich, der die Wellenlängen von 4 µm bis 5 µm umfasst, ist in 7 dargestellt, wobei auf der Abszissenachse 13 die Wellenlänge in m dargestellt ist und auf der Ordinatenachse 15 die relative Transmission. Im ersten Spektralbereich weist das Etalon 3 35 Transmissionsmaxima 17 und ebenso viele Transmissionsminima 19 auf. In 8 ist die berechnete Transmission des Etalons 3 im zweiten Spektralbereich, der die Wellenlängen zwischen 8 µm und 11 µm umfasst, dargestellt, wobei für gleichlautende Elemente aller Zeichnungen die gleichen Bezugszeichen verwendet worden sind. Auf der Abzissenachse 13 ist in 8 die Wellenlänge in m dargestellt und auf der Ordinatenachse 15 die relative Transmission des Etalons 3. Im zweiten Spektralbereich weist das Etalon 3 25 Transmissionsmaxima 17 und ebenso viele Transmissionsminima 19 auf.
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In Ausbreitungsrichtung der Strahlung entlang des ersten Strahlengangs 11 ist nachfolgend eine erste Messstrecke 5 angeordnet, bei der es sich beispielsweise um eine mit einem Atemgas gefüllte Küvette handelt. Das Etalon 3 ist derart angeordnet, dass die zur Oberfläche der Küvette weisende Oberfläche 21 nicht parallel zu dieser verläuft, um unerwünschte Etaloneffekte zwischen der Küvette und dem Etalon 3 zu vermeiden.
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Nachfolgend ist in dem ersten Strahlengang 11 das Fabry-Perot Interferometer 7 angeordnet, das eine erste und eine zweite Spiegeloberfläche 23, 25 aufweist, wobei die erste Spiegeloberfläche 23 parallel zur zweiten Spiegeloberfläche 25 verläuft und auf diese zuweist. Der Abstand der Spiegeloberflächen 23, 25 des Fabry-Perot Interferometers 7 kann so eingestellt werden, dass das von dem Fabry-Perot Interferometer 7 gebildete Bandpassfilter gleichzeitig Strahlung im ersten und im zweiten Spektralbereich transmittiert.
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Wiederum nachfolgend in Ausbreitungsrichtung der Strahlung ist ein Detektor 9 angeordnet, der die Intensität der Strahlung misst, nachdem diese des Etalon 3, die erste Messstrecke 5 und das Fabry-Perot Interferometer 7 durchquert hat. Bei dem Detektor 9 kann es sich beispielsweise um einen Quantendetektor oder einen thermischen Detektor wie beispielsweise einen pyroelektrischen Sensor handeln.
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Zum Aufnehmen eines Absorptionsspektrums des in der ersten Messstrecke 5 angeordneten Gases wird der Abstand der Spiegeloberflächen 23, 25 kontinuierlich so verändert, dass des von dem Fabry-Perot Interferometer 7 gebildete Bandpassfilter zeitgleich den ersten und den zweiten Spektralbereich abtastet. Zu jedem Zeitpunkt zeichnet der Detektor 9 eine Intensität der Strahlung auf, die über den Abstand der Spiegeloberflächen 23, 25 des Fabry-Perot Interferometers 7 zu diesem Zeitpunkt den Wellenlängen zugeordnet werden kann, die das von dem Fabry-Perot Interferometer 7 gebildete Bandpassfilter bei diesem Abstand transmittiert bzw. passieren lässt. Der Detektor 9 misst folglich eine Überlagerung der in dem ersten und dem zweiten Spektralbereich transmittierten Strahlung.
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In 9 ist eine entsprechende Überlagerung der Transmissionsspektren des ersten Etalons 3 in dem ersten und dem zweiten Spektralbereich dargestellt, wobei die obere Abzissenachse 27 die Wellenlänge im ersten Spektralbereich in m darstellt, die untere Abzissenachse 29 die Wellenlänge im zweiten Spektralbereich und die Ordinatenachse 31 die relative Intensität der an dem Detektor 9 gemessenen Strahlung.
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Das erfindungsgemäße erste Ausführungsbeispiel ist besonders vorteilhaft, da es eine besonders kompakte Vorrichtung bereitstellt, die es erlaubt das Absorptionsspektrum eines Fluids gleichzeitig mit intensitätsmodulierter Strahlung in zwei Spektralbereichen aufzuzeichnen, ohne dass makromechanische Bauteile verwendet werden müssen. Derartige Vorrichtungen sind wartungsarm, langlebig und kostengünstig zu fertigen.
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Um die Absorptionsspektren im ersten und im zweiten Spektralbereich zu erhalten, muss das von dem Detektor 9 ausgegebene Messsignal 33 aufgetrennt werden. Hierzu kann die unterschiedliche Häufigkeit der Transmissionsmaxima 17 im ersten und im zweiten Spektralbereich verwendet werden, deren Lage zudem bekannt ist. Beispielsweise kann die Vorrichtung einen ersten und einen zweiten Lock-In-Verstärker (nicht dargestellt) aufweisen, mit denen das Messsignal 33 jeweils mit einem für den Spektralbereich geeigneten Referenzsignal verglichen werden. Als Referenzsignal kann dabei beispielsweise das Messsignal 33 einer Referenzmessung in dem jeweiligen Spektralbereich verwendet werden.
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Es ist auch möglich, den ersten und den zweiten Spektralbereich über eine Fourieranalyse aufzutrennen, wobei ebenfalls die unterschiedliche Häufigkeit der Transmissionsmaxima in den beiden Spektralbereichen ausgenutzt wird.
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In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, bei der die Reihenfolge des Fabry-Perot Interferometers 7 und der ersten Messstrecke 5 vertauscht sind. Zudem handelt es sich bei dem Detektor 35 um einen breitbandigen photoakustischen Sensor (z. B. Mikrofon, Cantilever, stimmgabelförmiger Schwingquarz o. ä.), der in der die erste Messstrecke 5 bildenden Küvette 37 angeordnet ist. Die Verwendung von photoakustischen Sensoren ist vorteilhaft, da sie zum einen eine Erfassung der Absorptionsspektren über einen weiten Wellenlängen- und Dynamikbereich erlauben. Zum anderen wird ein Signal nur erzeugt, wenn tatsächlich ein absorbierendes Fluid vorhanden ist. Auch kleine Signale, d. h. nur schwache Absorptionen, sind daher noch mit gutem Kontrast detektierbar.
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Ein drittes Ausführungsbeispiel ist in 3 dargestellt, bei der neben der ersten Strahlungsquelle 1 eine zweite Strahlungsquelle 39 vorgesehen ist. Die erste und die zweite Strahlungsquelle 1, 39 sind beide breitbandige thermische Strahler, deren Strahlung durch geeignete Bandpassfilter 41, 43 auf den ersten und den zweiten Spektralbereich eingeschränkt werden. Die von der zweiten Strahlungsquelle 39 emittierte Strahlung wird entlang eines zweiten Strahlengangs 45 durch die Vorrichtung geführt.
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Entlang des ersten und des zweiten Strahlengangs 11, 45 sind in Ausbreitungsrichtung hinter dem Bandpassfilter ein erstes Etalon 3 und ein zweites Etalon 47 angeordnet, die eine Mehrzahl von Transmissionsmaxima in dem ersten bzw. zweiten Spektralbereich aufweisen.
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Die von der ersten und der zweiten Strahlungsquelle emittierten Strahlungen treffen auf den gleichen Strahlteiler 49, der so angeordnet ist, dass nachfolgend der erste und der zweite Strahlengang übereinander oder auch parallel durch die erste Messstrecke 5, die integral mit der zweiten Messstrecke ausgebildet ist (mit ihr zusammenfällt), und das Fabry-Perot Interferometer 7 laufen und auf den gleichen Detektor 9 treffen.
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Das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel ist vorteilhaft, da die erste und die zweite Strahlungsquelle 1, 39 unabhängig voneinander geschaltet werden können und es somit auf einfache Weise möglich ist, Absorptionsspektren in nur einem der beiden Spektralbereiche aufzuzeichnen.
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Auch können unterschiedlich dicke Etalons 3 und 47 eingesetzt werden, was es erlaubt, die Modulationen in dem ersten und dem zweiten Spektralbereich jeweils separat an das Absorptionsspektrum des Fluids anzupassen.
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In 4 ist ein viertes Ausführungsbeispiel dargestellt, das eine Abwandelung des in 3 dargestellten dritten Ausführungsbeispiels ist. Statt eines ersten Etalons 3, eines zweiten Etalons 47 und eines Strahlteilers 49, wird lediglich ein erstes Etalon 3 verwendet, das zugleich als Strahlteiler und als Etalon im ersten und im zweiten Spektralbereich dient. Hierbei wird ausgenutzt, dass ein Etalon auch die Funktion eines Bandpassfilters hat, wenn es Strahlung reflektiert. Die in 4 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung ist besonders vorteilhaft, da sie zwei unabhängige Strahlungsquellen und trotzdem eine besonders kompakte Bauweise aufweist.
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In 5 ist ein fünftes Ausführungsbeispiel dargestellt, das die Verwendung eines ersten und eines zweiten Etalons 3, 47 vor einer von einem Gas durchströmten Küvette 37 zeigt, in denen die Strahlung entlang einer ersten und einer zweiten Messstrecke 5, 5' durch das Gas tritt, wobei die erste und die zweite Messstrecke 5, 5' unterschiedlich lang sind. Diese Konfiguration hat den Vorteil, dass auf dem längeren Weg Gase mit geringem Absorptionswirkungsquerschnitt, auf dem kürzeren Weg aber Gase mit hohem Absorptionswirkungsquerschnitt gleichzeitig über einen weiten Konzentrationsbereich erfasst werden können.
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Zuletzt ist in 6 schematisch ein Verfahren zur Bestimmung eines Absorptionsspektrums aus einem Messsignal dargestellt. In dem oberen Diagramm in 6 ist auf der Abzissenachse 51 die Wellenlänge und auf der Ordinatenachse 53 die Transmission des Etalons und des Fabry-Perot Interferometers dargestellt, wobei die gestrichelte Kurve 55 die Transmission des Etalons wiedergibt und die durchgezogene Kurve 57 die Transmission des Fabry-Perot Interferometers, die von kleinen zu großen Wellenlängen verschoben wird. Zur Bestimmung des Absorptionsspektrums wird während der Aufzeichnung des Messsignals über die Intensitätsmaxima und -minima integriert. Dies ist schematisch in dem unteren Diagramm in 6 gezeigt, bei dem auf der Abzissenachse 51 ebenfalls die Wellenlänge und auf der Ordinatenachse 59 das integrierte Messsignal 61 dargestellt ist. Aus dem Wert des Integrals über ein Minimum bzw. Maximum, deren Lage bekannt ist, lässt sich aus dem Vergleich mit einer Referenzmessung ein Absorptionsspektrum und damit eine Aussage über die Konzentration der Bestandteile in einem Fluid machen. Dieses Verfahren ist besonders vorteilhaft, da das Absorptionsspektrum eines Fluids bestimmt werden kann, ohne dass es notwendig ist, einen Lock-In-Verstärker zu verwenden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Erste Strahlungsquelle
- 3
- Erstes Etalon
- 5
- Erste Messstrecke
- 7
- Fabry-Perot Interferometer
- 9
- Detektor
- 11
- Erster Strahlengang
- 13
- Abzissenachse
- 15
- Ordinate
- 17
- Transmissionsmaxima
- 21
- Zur Küvette weisende Oberfläche des ersten Etalons
- 23
- Verspiegelte Oberfläche
- 25
- Verspiegelte Oberfläche
- 27
- Obere Abzissenachse
- 29
- Untere Abzissenachse
- 31
- Ordinatenachse
- 33
- Messsignal
- 35
- Detektor
- 37
- Küvette
- 39
- Zweite Strahlungsquelle
- 41
- Bandpassfilter
- 43
- Bandpassfilter
- 45
- Zweiter Strahlengang
- 47
- Zweites Etalon
- 49
- Strahlteiler
- 51
- Abzissenachse
- 53
- Ordinatenachse
- 55
- Transmissionskurve des Etalons
- 57
- Transmissionskurve des Fabry-Perot Interferometers
- 59
- Ordinatenachse
- 61
- Integriertes Messsignal
