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Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Spurengasanalytik mit einer ein Messgas aufnehmenden Messkammer, einer Laserlichtquelle, welche zur optischen Anregung des in der Messkammer befindlichen Messgases mittels eines Laserlichts eingerichtet ist, und einem Messwertaufnehmer, welcher zur Aufnahme und elektronischen Umsetzung akustischer Anregungen, die aus der optischen Anregung des Messgases resultieren, eingerichtet ist, wobei der Messwertaufnehmer auf eine Modulationsfrequenz einer Modulation des mit der Laserlichtquelle erzeugbaren Laserlichts abgestimmt ist.
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Die Erfindung betrifft weiter ein Messverfahren zur Spurengasanalytik, wobei ein Messgas mit einem Laserlicht, das eine Wellenlänge und eine Modulationsfrequenz aufweist, optisch angeregt wird und wobei eine durch die optische Anregung erzeugte akustische Anregung des Messgases mit einem Messwertaufnehmer in ein elektronisches Ausgangssignal umgewandelt wird.
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Derartige Messvorrichtungen zur Spurengasanalytik sind beispielsweise aus der
US 2005/0117155 A1 bekannt, wobei eine Wellenlänge des Laserlichts genau auf einen zu untersuchenden Bestandteil abgestimmt ist und wobei die Modulationsfrequenz einer Amplitudenmodulation genau auf einer Resonanzfrequenz des Messwertaufnehmers abgestimmt ist.
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Es sind ferner Messvorrichtungen zur Spurengasanalytik bekannt, bei welchen Licht in einem breiten Spektralbereich mehrfach durch ein Messgas geführt wird, um eine wellenlängenabhängige Absorption zu messen und daraus die in dem Messgas enthaltenen Bestandteile zu bestimmen. Mit solchen Messvorrichtungen zur Spurengasanalytik sind Verfahren der Absorptionsspektroskopie ausführbar.
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Die zuerst beschriebenen Messvorrichtungen zur Spurengasanalytik erlauben im Vergleich zu den an zweiter Stelle beschriebenen Messvorrichtungen zur Spurengasanalytik einen vergleichsweise robusten Aufbau. Die an zweiter Stelle beschriebenen Messvorrichtungen zur Spurengasanalytik decken dagegen im Vergleich zu den an erster Stelle beschriebenen Messvorrichtungen zur Spurengasanalytik eine breitere Palette von untersuchbaren Bestandteilen ab.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorteile der beiden beschriebenen Messvorrichtungen zur Spurengasanalytik zu kombinieren.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einer Messvorrichtung zur Spurengasanalytik der eingangs beschriebenen Art vorgesehen, dass die Laserlichtquelle zur Erzeugung von Laserlicht mit einer in einem Durchstimmbereich durchstimmbaren Wellenlänge eingerichtet ist. Somit lassen sich in der Messvorrichtung unterschiedliche Wellenlängen vorzugsweise zeitlich nacheinander einstellen, die jeweils spezifisch für einen zu untersuchenden Bestandteil sind. Es ist somit ein großes Spektrum von Bestandteilen untersuchbar.
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Besonders günstig ist es dabei, wenn der Durchstimmbereich einen weiten Bereich des elektromagnetischen Spektrums, insbesondere des IR-Spektrums, umfasst. Hierbei wird unter einem weiten Bereich ein Durchstimmbereich verstanden, der wenigstens das Zehnfache oder wenigstens das Hundertfache eines mit einem Halbleiterlaser durch thermische Beeinflussung abdeckbaren Durchstimmbereiches beträgt.
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Besonders günstig ist es dabei, wenn der Durchstimmbereich den Spektralbereich von 3 μm bis 11 μm umfasst. Es hat sich herausgestellt, dass in diesem Spektralbereich die charakteristischen Frequenzen einer Vielzahl von Untersuchungsbestandteilen liegen, so dass eine Messvorrichtung mit dem beschriebenen Durchstimmbereich eine für viele praktische Zwecke ausreichende Palette von untersuchbaren Bestandteilen bereitstellt. Insbesondere können somit sowohl Spurengase als auch Rußbestandteile des Messgases mit derselben Messvorrichtung untersucht werden.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Laserlichtquelle ein veränderliches optisches Filter aufweist. Von Vorteil ist dabei, dass somit die Wellenlänge durch Veränderung des optischen Filters durchstimmbar ist. Beispielsweise kann die Laserlichtquelle ein schwenkbares Bragg-Gitter aufweisen. Von Vorteil ist dabei, dass die Lage der Haupt- und Nebenmaxima an einem Bragg-Gitter, die von der jeweiligen Wellenlänge abhängt, nutzbar ist zur selektiven Auskopplung einer gewünschten Wellenlänge. Somit ist die Wellenlänge durch Schwenken des Bragg-Gitters durchstimmbar.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Laserlichtquelle wenigstens zwei, vorzugsweise wenigstens drei, Lasergeneratoren aufweist, welche jeweils in individuellen Durchstimmbereichen durchstimmbar sind. Die individuellen Durchstimmbereiche können sich zur Bildung des Durchstimmbereichs der Laserlichtquelle teilweise überlappen. Alternativ oder zusätzlich können die individuellen Durchstimmbereiche zur Bildung des Durchstimmbereichs der Laserlichtquelle aneinander angrenzen und/oder zueinander benachbart sein. Von Vorteil ist dabei, dass ein weiter Durchstimmbereich der Laserlichtquelle zusammensetzbar ist aus engeren, zueinander versetzten Durchstimmbereichen einzelner Lasergeneratoren. Beispielsweise kann der Durchstimmbereich von 3 μm bis 11 μm aus drei individuellen Durchstimmbereichen zusammengesetzt sein, wobei ein erster individueller Durchstimmbereich zumindest den Bereich von 3 μm bis 4 μm umfasst, ein zweiter individueller Durchstimmbereich zumindest den Bereich von 4 μm bis 5 μm umfasst und ein dritter individueller Durchstimmbereich zumindest den Bereich von 5 μm bis 10 μm umfasst. Ein Strahlvereiniger, beispielsweise ein Multiplexer, kann zur Vereinigung des Lichtes der wenigstens zwei Lasergeneratoren eingerichtet sein.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein Referenz-Detektor zur Messung einer Strahlintensität des von der Laserlichtquelle erzeugten Laserlichts eingerichtet ist. Von Vorteil ist dabei, dass Schwankungen im Ausgangssignal des Messwertaufnehmers, die auf einer Absorption des eingestrahlten Laserlichts im Messgas beruhen, unterscheidbar sind von Schwankungen im Ausgangssignal des Messwertaufnehmers, die auf einer Schwankung der Intensität des erzeugten Laserlichts beruhen. Somit sind Messfehler vermeidbar oder zumindest reduzierbar.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Messwertaufnehmer ein Mess-Resonanzelement aufweist, dessen Resonanzfrequenz auf die Modulationsfrequenz des von der Laserlichtquelle erzeugten oder erzeugbaren Laserlichts abgestimmt ist. Somit kann die mit dem Laserlicht an dem Messgas erzeugte akustische Anregung selektiv nachgewiesen werden. Beispielsweise kann das Mess-Resonanzelement als Mikrostimmgabel ausgebildet sein oder eine Mikrostimmgabel aufweisen, mit welcher die akustische Anregung piezoelektrisch oder kapazitiv oder über eine sonstige lage- und/oder formabhängige elektrisch auslesbare Eigenschaft der Mikrostimmgabel detektierbar ist.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Referenz-Detektor ein Referenz-Resonanzelement aufweist, dessen Resonanzfrequenz auf die Modulationsfrequenz des von der Laserlichtquelle erzeugten oder erzeugbaren Laserlichts abgestimmt ist. Von Vorteil ist dabei, dass die Strahlintensität des eingestrahlten Laserlichts unabhängig von der Wellenlänge des Laserlichts bestimmbar ist.
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Insgesamt kann vorgesehen sein, dass die Modulationsfrequenz im durchstimmbaren Spektralbereich, dem Durchstimmbereich, für alle Wellenlängen gleich gewählt ist. Die Amplitudenmodulation kann beispielsweise durch gepulstes Laserlicht realisiert sein.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass im Betrieb ein Anteil des von der Laserlichtquelle erzeugten Laserlichts auf einen Oberflächenbereich des Referenz-Resonanzelements geführt ist. Von Vorteil ist dabei, dass keine akustische Übertragung zwischen Laserlicht und Referenz-Detektor erforderlich ist, um die Strahlintensität zu messen. Vielmehr ist eine direkte Anregung des Referenz-Resonanzelements ermöglicht. Dies vereinfacht den konstruktiven Aufbau beträchtlich.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Messwertaufnehmer benachbart zu einer aktiven Zone, der Messkammer, in welcher die optische Anregung des Messgases erfolgt, angeordnet und akustisch mit dem Messgas in der aktiven Zone gekoppelt ist. Von Vorteil ist dabei, dass die akustische Anregung direkt mit dem Messwertaufnehmer aufnehmbar ist.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass der Messwertaufnehmer als vorzugsweise mit einer Schutzschicht beschichtete Mikrostimmgabel ausgebildet ist. Vorteil einer Schutzschicht ist, dass Alterungsprozesse des Messwertaufnehmers, die durch ein aggressives Messgas bewirkt werden, vermeidbar oder reduzierbar sind.
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Besonders günstig ist es, wenn der Referenz-Detektor als vorzugsweise zu dem Messwertaufnehmer baugleich ausgestaltete Mikrostimmgabel ausgebildet ist. Von Vorteil ist dabei, dass ein gut vergleichbarer Referenzwert für die Strahlintensität gewinnbar ist, der mit geringem rechentechnischen Aufwand mit dem Ausgangssignal des Messwertaufnehmers verrechenbar ist.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein Strahlteiler vorhanden ist, welcher im Betrieb einen ersten Anteil des von der Laserlichtquelle erzeugten Laserlichts der Messkammer und einen zweiten Anteil des von der Laserlichtquelle erzeugten Laserlichts dem Referenz-Detektor zuführt. Von Vorteil ist dabei, dass die Messung am Referenz-Detektor von der Messung in der Messkammer trennbar ist.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Referenz-Detektor in einem Strahlengang der Laserlichtquelle hinter dem Messwertaufnehmer angeordnet ist.
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Von Vorteil ist dabei, dass eine besonders kompakte Bauform erreichbar ist.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass in einer Auswerteeinheit eine Messwertkurve hinterlegt ist, die eine Abhängigkeit der Strahlintensität des von der Laserlichtquelle erzeugten Laserlichts von einem Ausgangssignal des Referenz-Detektors beschreibt. Somit kann die Strahlintensität des Laserlichts auf einfache Weise bestimmt und zur Weiterverarbeitung bereitgestellt werden.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass in einer oder der Auswerteeinheit eine Messwertkurve hinterlegt ist, die eine Abhängigkeit einer Konzentration oder Anzahl von Molekülen oder Partikeln in dem Messgas von einem Ausgangssignal des Messwertaufnehmers und von einer oder der Strahlintensität des von der Laserlichtquelle erzeugten Laserlichts beschreibt. Von Vorteil ist dabei, dass eine automatische Berücksichtigung von Intensitätsschwankungen in dem Laserlicht einrichtbar ist.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass in einer oder der Auswerteeinheit individuelle Absorptionsspektren für wenigstens einen Bestandteil, vorzugsweise wenigstens zwei Bestandteile, des Messgases hinterlegt sind. Von Vorteil ist dabei, dass durch einen automatisierten Vergleich der hinterlegten Absorptionsspektren mit einem Absorptionsspektrum, welches mit der Messvorrichtung aufgenommen wurde, ein Mittel zur einfachen Identifizierung von Bestandteilen verfügbar ist.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass die Messvorrichtung zur Messung von Messgasen mit gasförmigen Bestandteilen und/oder mit Rußpartikeln eingerichtet ist. Von Vorteil ist dabei, dass mit der Messvorrichtung auch Abgasuntersuchungen durchführbar sind.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine Ansteuerungseinheit ausgebildet und zur automatischen Einstellung einer zeitlichen Abfolge von Wellenlängen der Lichtquelle eingerichtet ist. Von Vorteil ist dabei, dass in einem automatisierten Messverfahren unterschiedliche Wellenlängen einstellbar sind. Somit können in einem automatisierten Messverfahren unterschiedliche Bestandteile gleichzeitig oder nacheinander untersucht werden.
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Hierbei kann vorgesehen sein, dass eine Auswerteeinheit ausgebildet und zur Bereitstellung eines Datensatzes mit an der Lichtquelle eingestellten Wellenlängen und mit bei den eingestellten Wellenlängen jeweils gemessenen Ausgangssignalen des Messwertaufnehmers und/oder daraus abgeleiteten Daten eingerichtet ist. Von Vorteil ist dabei, dass mit der Messvorrichtung ein Absorptions-spektrum bereitstellbar ist.
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Besonders günstig ist es, wenn die Messvorrichtung in ein Handgerät integriert ist. Von Vorteil ist dabei, dass die Messvorrichtung für vielseitige Einsatzzwecke verfügbar ist.
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Zur Lösung der Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Messverfahren zur Spurengasanalytik der eingangs beschriebenen Art vorgesehen, dass eine zeitliche Abfolge von Wellenlängen vorzugsweise automatisch eingestellt wird und dass zu den eingestellten Wellenlängen jeweils das Ausgangssignal des Messwertaufnehmers vorzugsweise automatisch gemessen und mit den jeweiligen Wellenlängen vorzugsweise automatisch bereitgestellt wird. Hierbei kann das Ausgangssignal unverändert oder bevorzugt als aus diesem abgeleitete Daten bereitgestellt sein. Von Vorteil ist dabei, dass eine robuste Möglichkeit zur Aufnahme eines Absorptionsspektrums in einem weiten Durchstimmbereich bereitstellbar ist, die einen vergleichsweise geringen apparativen Aufbau erfordert und die insbesondere in ein Handgerät integrierbar ist.
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Besonders günstig ist es hierbei, wenn bei dem erfindungsgemäßen Messverfahren eine zuvor beschriebene erfindungsgemäße Messvorrichtung verwendet wird.
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Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben, ist aber nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt. Weitere Ausführungsbeispiele ergeben sich durch Kombination einzelner oder mehrerer Schutzansprüche untereinander und/oder mit einzelnen oder mehreren Merkmalen der Ausführungsbeispiele.
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Es zeigt in jeweils stark vereinfachter Prinzipdarstellung
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1 eine Langweg-Messzelle zur Verwendung in der Absorptionsspektroskopie der Spurengasanalytik nach dem Stand der Technik,
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2 eine erfindungsgemäße Messvorrichtung zur Spurengasanalytik,
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3 eine weitere erfindungsgemäße Messvorrichtung zur Spurengasanalytik mit einer mehrkomponentigen Laserlichtquelle,
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4 eine weitere erfindungsgemäße Messvorrichtung zur Spurengasanalytik mit einem nachgeschalteten Referenz-Detektor und
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5 eine weitere erfindungsgemäße Messvorrichtung zur Spurengasanalytik mit parallel geschaltetem Referenz-Detektor.
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1 zeigt eine im Ganzen mit 1 bezeichnete, bekannte Messvorrichtung zur Spurengasanalytik mit einer Messkammer 2.
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In der Messkammer 2 sind nach Art einer White-Zelle mehrere Hohlspiegel 3 angeordnet, um einen Strahlengang 4 zu bilden, der möglichst oft die Messkammer 2 durchläuft. Hierdurch wird erreicht, dass das Laserlicht entlang des Strahlengangs 4 möglichst gut durch ein Messgas in der Messkammer 2 absorbiert wird, wenn die Wellenlänge oder ein Frequenzanteil des Laserlichts mit einer Absorptionslinie eines Bestandteils des Messgases übereinstimmt.
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Aus 1 ist ersichtlich, dass eine Veränderung des Einfallswinkels am Eintrittsfenster 5 zur Folge hat, dass der Strahlengang 4 insgesamt in der Messkammer 2 stark verändert wird. Genauer gesagt ist der Zusammenhang zwischen dem Einfallswinkel des Strahlengangs 4 an dem Eintrittsfenster 5 der Messkammer 2 und dem Austrittswinkel des Strahlengangs 4 an dem Austrittsfenster 6 der Messkammer 2 von höchster Bedeutung in der Spurengasanalytik.
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Dies hat zur Folge, dass es bei der Messvorrichtung 1 zur Spurengasanalytik gemäß 1 nur mit großem apparativem Aufwand möglich ist, vor dem Eintrittsfenster 5 eine durchstimmbare Laserlichtquelle (nicht gezeigt; beispielsweise in einer externen Kavität) anzuordnen. Denn systembedingt wird während der Durchstimmung die Verlaufsrichtung des Strahlengangs 4 variieren, so dass es nur mit sehr großem Aufwand möglich ist, den Strahlengang 4 auf derselben Stelle eines hinter dem Austrittsfenster 6 angeordneten Detektors (nicht gezeigt) zu halten.
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Wandert aber der Auftreffpunkt des Strahlengangs 4 auf dem Detektor während der Durchstimmung, so ergibt sich schon hierdurch eine Änderung des Ausgangssignals des Detektors. Diese Änderung ist sehr schwer unterscheidbar von einer Änderung der Strahlintensität aufgrund von Absorptionen in der Messkammer 2.
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Die Erfindung schlägt daher ein anderes Messprinzip vor, welches in 2 schematisch gezeigt ist.
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2 zeigt eine erfindungsgemäße Messvorrichtung zur Spurengasanalytik, die im Ganzen mit 1 bezeichnet ist.
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Die Messvorrichtung 1 zur Spurengasanalytik hat eine Messkammer 2, welche zur Aufnahme eines zu untersuchenden Messgases eingerichtet ist.
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Die Messvorrichtung 1 zur Spurengasanalytik hat weiter eine Laserlichtquelle 7, mit welcher Laserlicht 8 erzeugbar ist.
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Das Laserlicht 8 wird entlang eines Strahlengangs 4 durch ein Eintrittsfenster 5 der Messkammer 2 in die Messkammer 2 eingestrahlt, um dort Messgas optisch anzuregen. Das Eintrittsfenster 5 kann die Messkammer 2 nach außen gasdicht abschließen.
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Mit der Laserlichtquelle 7 und einer nicht weiter dargestellten Ansteuerungseinheit ist Laserlicht 8 einer gewünschten Wellenlänge und mit einer Amplituden- und/oder Frequenzmodulation mit einer gewünschten Modulationsfrequenz erzeugbar.
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Die gewählte Wellenlänge des Laserlichts 8 ist auf den zu untersuchenden Bestandteil in dem Messgas in der Messkammer 2 derart abgestimmt, dass der zu untersuchende Bestandteil das Laserlicht 8 absorbieren kann.
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Diese Absorption des Laserlichts 8 bewirkt wegen der passend gewählten Wellenlänge eine akustische Anregung des Messgases in der Messkammer 2 durch Modulation.
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In der Messkammer 2 ist ein Messwertaufnehmer 9 angeordnet, mit welchem die erwähnte akustische Anregung akustisch aufnehmbar und in ein elektronisches Ausgangssignal an einem Signalausgang 10 umsetzbar ist.
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Die Laserlichtquelle 7 der Messvorrichtung 1 zur Spurengasanalytik gemäß 2 ist so eingerichtet, dass die Wellenlänge des Laserlichts 8 in einem Durchstimmbereich und über diesen Durchstimmbereich durchstimmbar ist.
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Bei der Anordnung gemäß 2 wird dies durch ein verstellbares optisches Filter 11 erreicht, mit welchem ein Laserlicht 8 einer gewünschten Wellenlänge aus der Laserlichtquelle 7 auskoppelbar ist.
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In der Anordnung gemäß 2 ist das optische Filter 11 als schwenkbares Bragg-Gitter ausgebildet.
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Im Inneren der Laserlichtquelle 7 wird in an sich bekannter Weise mit einem Halbleiter-Laser 12 oder einem anderen Laser Laserlicht erzeugt und zwischen einem Hohlspiegel 13 und dem optischen Filter 11 als Bragg-Gitter mehrfach reflektiert.
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Hierbei wird in bekannter Weise ein Nebenmaximum des Bragg-Gitters des optischen Filters 11 für die Reflektion verwendet, so dass der Reflektionswinkel wellenlängenabhängig ist. Beispielsweise kann so ein Littmann-Metcalf-Resonator oder ein Littrow-Resonator gebildet sein.
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Durch Verschwenken des optischen Filters 11 kann somit erreicht werden, dass das Laserlicht 8 in einer gewünschten Wellenlänge ausgekoppelt wird. In einer Ansteuerungseinheit wird das optische Filter 11 nach einem vorgegebenen Ablaufplan so verändert, dass das Laserlicht 8 eine zeitliche Abfolge von Wellenlängen automatisch durchläuft.
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Somit werden in der Messkammer 2 im zeitlichen Verlauf unterschiedliche Bestandteile des Messgases optisch angeregt. Die jeweils angeregten Bestandteile erzeugen ihrerseits – wie bereits beschrieben – eine akustische Anregung, die mit dem Messwertaufnehmer 9 aufnehmbar und in einem Lock-In-Verstärker 14 elektronisch erfassbar ist.
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Eine Auswerteeinheit 15 stellt somit einen Datensatz bereit, in welchem zu den eingestellten Wellenlängen des Laserlichts 8 jeweils ein Ausgangssignal oder ein daraus abgeleiteter Messwert des Messwertaufnehmers 9 enthalten ist.
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Dieser Datensatz stellt das benötigte Absorptionsspektrum des Messgases in der Messkammer 2 dar.
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3 zeigt eine weitere stark vereinfachte Prinzipskizze eines weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels einer Messvorrichtung zur Spurengasanalytik 1.
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In 3 sind funktionell und/oder konstruktiv zu 2 gleiche oder ähnliche Bestandteile mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht noch einmal gesondert beschrieben. Die Ausführungen zu 2 gelten daher zu 3 entsprechend.
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Im Unterschied zu 2 ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 die Laserlichtquelle 7 aus drei Lasergeneratoren 16, 17, 18 zusammengesetzt. Hierbei kann jeder der Lasergeneratoren 16, 17, 18 nach dem Funktionsprinzip der Laserlichtquelle 7 aus 2 in einem individuellen Durchstimmbereich durchstimmbar sein.
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Diese individuellen Durchstimmbereiche der Lasergeneratoren 16, 17, 18 sind zueinander im Spektrum benachbart, so dass sich insgesamt ein größerer Durchstimmbereich der Laserlichtquelle 7 aus 3 ergibt.
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Im beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Lasergenerator 16 in einem individuellen Durchstimmbereich zwischen 3 μm und 4 μm durchstimmbar, der Lasergenerator 17 in einem individuellen Durchstimmbereich zwischen 4 μm und 5 μm, während der Lasergenerator 18 in einem individuellen Durchstimmbereich zwischen 5 μm und 11 μm durchstimmbar ist.
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Somit ergibt sich ein Durchstimmbereich für die Laserlichtquelle 7 nach 3 von zumindest 3 μm bis 11 μm.
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Das Laserlicht, welches mit den Lasergeneratoren 16, 17 und 18 erzeugbar ist, ist in einem Strahlvereiniger 19 zusammengeführt, so dass das Laserlicht 8 auf einem gemeinsamen Strahlengang 4 die Laserlichtquelle 7 verlässt, um in die Messkammer 2 einzutreten. Der Strahlvereiniger 19 kann beispielsweise als Multiplexer ausgebildet sein, mit welchem Laserlicht 8 je nach Bedarf von einem der Lasergeneratoren 16, 17, 18 in die Messkammer 2 lenkbar ist.
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Bei weiteren Ausführungsbeispielen sind zwei Lasergeneratoren 16, 17, 18 oder mehr als drei Lasergeneratoren 16, 17, 18 in der Laserlichtquelle 7 realisiert und mit einem Strahlvereiniger 19 zusammengeführt.
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Bei weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung ist die Durchstimmbarkeit der Laserlichtquelle 7 auf andere Weise erreicht, wobei der erreichte Durchstimmbereich wenigstens das Zehnfache oder sogar wenigstens das Fünfzigfache oder Hundterfache eines thermischen Durchstimmbereichs eines Halbleiterlasers beträgt, welcher thermische Durchstimmbereich durch Aufheizen oder thermische Beeinflussung des Halbleiterlasers erreichbar ist.
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4 zeigt die Messvorrichtung 1 gemäß 2 mit zusätzlichem Referenz-Detektor 20. Es gelten die obigen Ausführungen zu den übrigen Bezugszeichen entsprechend.
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Der Referenz-Detektor 20 ist in 4 hinter der Messkammer 2 angeordnet.
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Der Referenz-Detektor 20 weist ein Referenz-Resonanzelement 21 auf, welches im Ausführungsbeispiel gemäß 4 im Strahlengang 4 hinter der Messkammer 2 angeordnet.
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Der Referenz-Detektor 20 weist ein Referenz-Resonanzelement 21 auf, das im Strahlengang 4 so angeordnet ist, dass das Laserlicht 8 einen Oberflächenbereich 22 des Referenz-Resonanzelements 21 trifft.
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Somit wird das Referenz-Resonanzelement 21 direkt durch die Amplitudenmodulation des Laserlichts 8 zum Schwingen angeregt.
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Das Referenz-Resonanzelement 21 hat eine Resonanzfrequenz, die auf die Modulationsfrequenz abgestimmt ist.
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Somit ist die Stärke der Schwingungsanregung des Referenz-Resonanzelements 21 abhängig von der Strahlintensität des Laserlichts 8.
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Mit dem Lock-In-Verstärker 14 ist somit die Strahlintensität des Laserlichts 8 messbar.
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Hierzu ist in der Auswerteeinheit 15 eine Messkurve hinterlegt, die die Abhängigkeit der Strahlintensität des Laserlichts 8 von dem Ausgangssignal des Referenz-Detektors an dem Signalausgang 23 des Referenz-Resonanzelements 21 beschreibt.
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In der Auswerteeinheit 15 ist außerdem eine weitere Messkurve hinterlegt und zur Verarbeitung bereitgestellt, welche die Abhängigkeit der Konzentration oder Anzahl von Partikeln oder Molekülen in dem Messgas in der Messkammer 2 von der Strahlintensität des Laserlichts 8 und dem Ausgangssignal des Messwertaufnehmers 9 am Signalausgang 10 beschreibt.
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Mit dieser weiteren Messkurve kann somit aus den Ausgangssignalen der Signalausgänge 10 und 23 die benötigte Information zu dem aktuell untersuchten Bestandteil des Messgases in der Messkammer 2 ermittelt werden.
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Liegt das Absorptionsspektrum des Messgases in der Messkammer 2 in dem Durchstimmbereich vollständig vor, so kann in der Auswerteeinheit 15 anschließend durch Vergleich mit hinterlegten individuellen Absorptionsspektren für bekannte Bestandteile geprüft werden, welcher Bestandteil in dem Messgas tatsächlich vorhanden ist.
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Dies ermöglicht beispielsweise, einzelne Ausreißer in dem gemessenen Absorptionsspektrum zu identifizieren und für die weitere Bearbeitung zu neutralisieren oder zu eliminieren.
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5 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Messvorrichtung 1 zur Spurengasanalytik, bei welcher wieder funktionell und/oder konstruktiv gleiche oder ähnliche Bauteile mit denselben Bezugszeichen wie in 2 bis 4 bezeichnet und nicht noch einmal gesondert beschrieben sind. Die bereits erläuternden Ausführungen zu den 2 bis 4 gelten daher zu 5 entsprechend.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß 5 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 dadurch, dass der Referenz-Detektor 20 nicht bezüglich des Strahlengangs 4 zu der Messkammer 2 in Reihe geschaltet ist, sondern parallel angeordnet ist.
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Hierzu ist in dem Strahlengang 4 ein Strahlteiler 24 angeordnet. Der Strahlteiler 24 teilt das Laserlicht 8 auf und führt einen ersten Anteil 29 der Messkammer 2 zu und einen zweiten Anteil 28 dem Referenz-Detektor 20.
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Der Referenz-Detektor 20 arbeitet im Übrigen nach demselben Prinzip wie bereits zu 4 beschrieben.
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Statt der in den 4 und 5 gezeigten Laserlichtquelle 7 sind bei weiteren Ausführungsbeispielen jeweils Laserlichtquellen 7 gemäß 3 mit den Anordnungen des Referenz-Detektors 20 gemäß 4 beziehungsweise 5 kombiniert.
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In den Fig. ist weiterhin ersichtlich, dass die optische Anregung des Messgases in der Messkammer 2 durch das Laserlicht 8 in einer aktiven Zone 25 erfolgt, zu welcher der Messwertaufnehmer 9 derart benachbart angeordnet ist, dass der Strahlengang 4 ungehindert den Messwertaufnehmer 9 passiert.
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Hierzu ist der Messwertaufnehmer 9 als Mikrostimmgabel ausgebildet, die mit ihren Zinken 26 den Strahlengang 4 seitlich oder transversal zur Strahlrichtung zumindest teilweise seitlich oder transversal zur Strahlrichtung umgreift.
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Das Referenz-Resonanzelement 21 ist ebenfalls als Mikrostimmgabel ausgebildet, wobei der Oberflächenbereich 22, in welchem das Laserlicht 8 auf das Referenz-Resonanzelement 21 auftrifft, an einem Zinken 27 des Referenz-Resonanzelements 21 ausgebildet ist.
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Es kann daher gesagt werden, dass für eine Anregung des Messwertaufnehmers 9 mit der Modulationsfrequenz der Amplitudenmodulation des Laserlichts 8 eine Kopplung über das Messgas in der Messkammer 2 erforderlich ist, während für eine Anregung des Referenz-Resonanzelements 21 keine Kopplung über ein Messgas erforderlich ist, sondern die Anregung direkt erfolgt.
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Der Referenz-Detektor 20 weist eine Referenzkammer 30 auf, die baugleich zur Messkammer 2 ausgebildet sein kann und in welcher das Referenz-Resonanzelement 21 angeordnet ist.
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Zum Schutz vor aggressiven Messgasen sind die Messwertaufnehmer 9 in den beschriebenen Ausführungsbeispielen mit einer Schutzschicht überzogen.
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Die Messwertaufnehmer 9 arbeiten nach einem kapazitiven oder piezoelektrischen Prinzip, um am Signalausgang 10 ein elektronisch verarbeitbares Ausgangssignal bereitzustellen.
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Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist der Messwertaufnehmer 9 außerhalb der Messkammer 2 angeordnet und über eine optische Auskopplung, beispielsweise eine Membran, an das Messgas in der aktiven Zone 25 ankoppelbar.
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Die vorgestellten Messvorrichtungen zur Spurengasanalytik 1 ermöglichen eine gleichzeitige Bestimmung von verschiedenen Gasen und Rußpartikeln als Bestandteile in dem Messgas in der Messkammer 2. Dies hat den Vorteil, dass eine Vielzahl von Infrarot(IR)-aktiven Gasen und Rußpartikeln mit einer gemeinsamen Laserlichtquelle 7 und einem gemeinsamen Sensor in Form des Messwertaufnehmers 9 detektiert werden können.
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Beispielsweise sind somit kontinuierlich messende Messvorrichtungen bildbar, die im KFZ-Bereich oder allgemein bei Verbrennungsmaschinen als Handmessgerät zur Spotmessung oder zur kontinuierlichen Messung einsetzbar sind.
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Bei der Messvorrichtung 1 zur Spurengasanalytik wird vorgeschlagen, eine weit durchströmbare Laserlichtquelle 7 zur optischen Anregung eines Messgases in einer Messkammer 2 auszubilden und anzuordnen, wobei ein elektronisch auslesbarer Messwertaufnehmer 9 zur Umsetzung einer durch die Laserlichtquelle 7 mit einem amplitudenmodulierten Laserlicht 8 in dem Messgas erzeugten akustische Anregung in ein elektronisches Ausgangssignal eingerichtet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2005/0117155 A1 [0003]
