DE1098244B

DE1098244B - Pneumatischer Strahlungsempfaenger fuer nicht dispersive Infrarot-Gasanalysegeraete

Info

Publication number: DE1098244B
Application number: DEU5935A
Authority: DE
Inventors: William S Tuerck Jun; Herbert Loudon
Original assignee: Leesona Corp
Current assignee: Leesona Corp
Priority date: 1958-01-27
Filing date: 1959-01-22
Publication date: 1961-01-26
Also published as: BE575124A; US2989638A; GB893367A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Strahlungsempfänger, welche die Eigenschaften von heteroatomischen Gasen benutzen, um Strahlen von im wesentlichen einer einzelnen Wellenlänge aufzunehmen.

Bisher wurden Strahlungsempfänger für infrarote Gase und Gasanalysatoren in Verbindung mitGasentweichungsstellen zum Identifizieren von schädlichen Gasen in der Atmosphäre oder in geschlossenen Räumen usw. benutzt. Für die meisten Fälle verwendeten diese Einrichtungen entweder ein infrarotes empfindliches bolometriscb.es Element oder einen Photokonduktor.

Der bolometrische Typ dieser Vorrichtungen ist in der Lage, einen weiten Bereich des infraroten Spektrums einzuschließen, ist aber für das Ansprechen auf infrarote Energie langsam und unempfindlich.

Infrarote Strahlungsempfänger nach Art der Photokonduktoren sind empfindlicher als bolometrische, umfassen aber nur einen beschränkten Bereich des infraroten Spektrums. Sowohl die bolometrischen als auch die Strahlungsempfänger nach der Photokonduktortype sind äußerst zart, da ihre Empfindlichkeit mit ihrer Empfänglichkeit zunimmt. Die Empfindlichkeit der Detektoren nach der Photokonduktortype ändert sich mit dem sichtbaren Umgebungslicht und den Temperaturbedingungen und wird schnell bei hohen Temperaturen zerstört.

Es sind bereits Strahlungsempfänger bekanntgeworden, die eine sehr dünne Membran verwenden, so daß die Herstellung und Verarbeitung dieser Vorrichtungen äußerst schwierig ist. Die an dem Hohlraum anstoßenden Wandungen sind dort Strahlungsaufnehmende Wände, aber nicht die Strahlung reflektierende Wandungen.

Es ist auch schon ein Strahlungsempfänger bekanntgeworden, bei dem der Durchmesser der Membran größer als der Durchmesser des Gashohlraumes ist, bei dem aber der äußere Ringteil der Membran nicht ganz nah neben der benachbarten Endwand des Hohlraumes liegt, so daß ein verengter Kanal gebildet wird, welcher die Gasströmung behindert und aufhält.

Die bisher hergestellten Gasabsorptionsgeräte sprechen nur langsam auf infrarote Energie an, sind verhältnismäßig unempfindlich und delikat. Gasabsorptionsgeräte können aber so hergestellt werden, daß sie ausgewählte Bänder über einen sehr weiten Wellenbereich einschließen. Infolge der letzterwähnten Eigenschaft sind Gasabsorptionsgeräte für die Verwendung bei dem obenerwähnten System gut geeignet. Infolge der beschriebenen Nachteile dieser Einrichtungen war es aber notwendig, sie in Verbindung mit Frequenzverstärkern zu verwenden, welche infolge ihres niedrigen Geräuschschrittes unwirksam sind.

Es war daher ein Zweck des Erfindens, einen kleinen infraroten Strahlungsempfänger herzustellen, welcher eine verbesserte Empfindlichkeit hat.
_ Ein weiterer Zweck des Erfindens war die Schaffung eines Detektors für infrarote Gase, welcher die bisher Pneumatischer Strahlungsempfänger

für nicht dispersive
Infrarot-Gasanalysegeräte

Anmelder:

Universal Winding Company,
Cranston, R. I. (V. St. A.)

Vertreter:

E. Maemecke, Berlin-Lichterfelde West, Ringstr. 10,
und Dr. W. Kühl, Hamburg 36, Patentanwälte

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 27. Januar 1958

Herbert Loudon, Forest Hills, N. Y.,
und William S. Tuerck jun., Sherman Oaks, Calif.

(V. St. Α.),
sind als Erfinder genannt worden

vorhandenen Nachteile auf ein Mindestmaß verringert, indem er in der Lage ist, schnell auf infrarote Energie anzusprechen, um ein merkbares elektrisches Ausgangssignal herzustellen, der weiterhin in der Größe klein und kräftig ist und auf infrarote Strahlung über ein schmales oder breites Band anspricht.

Ein anderer Zweck des Erfindens war die Schaffung eines gasaufnehmenden infraroten Strahlungsempfängers, welcher von kleiner Größe und in hohem Maße empfindlich sowie bei seiner Ansprechung trennscharf ist, aber dennoch in der Lage ist, eine elektrische Leistungsabgabe herzustellen, welche leicht verstärkt werden kann, um Signal- oder Meßvorrichtung zu betätigen.

Um wirksam mit Verstärkern zu arbeiten, welche ein hohes Signalstörverhältnis haben, soll ein solcher Strahlungsempfänger die Fähigkeit haben, die infrarote Energie mindestens beim Auftreffen von etwa 0,01 Mikrowatt auszurichten und auf eine solche Energie mit einer Frequenz von mindestens 100 Perioden je Sekunde anzusprechen.

Gemäß der Erfindung ist das Gas ein reines heteroatomisches Gas, welches frei von nicht infraroten absorbierenden Stoffen ist, wobei die Membran in einem dichten Abstand von dem anderen Ende des Hohlraumes liegt, während ihr nicht unterstützter Teil einen Durchmesser

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hat, der wesentlich größer.^als :der Durchmesser des ' Die Membran 18 kann aus irgendeinem geeigneten

Hohlraumes ist, und die Ringfläche der Membran außer- Material gemacht werden, welches in der Lage ist, bei

halb der Hohlraumbegrenzungen einen verengten Kanal der Ausübung eines Druckes abgebogen zu werden. So

bestimmt, der dem Gasstrom einen Widerstand ent- kann sie aus einer Tafel plastischen Materials, wie

gegensetzt. - ;_ _ _: .... .5 beispielsweise Polyalkylenterephthalat, welches von der

In folgendem soll ein Ausfuhrungsbeispiel eines pneu- E. I. Du Pont Company unter dem Warenzeichennamen

matischen Strahlungsempfängers beschrieben werden. »Mylar« verkauft wird, aus dünnen Quarztafeln oderdünnen

Strahlungsempfänger gemäß der Erfindung weisen ein Metalltafeln, wie beispielsweise Aluminium, Stahl oder

ringförmiges Gehäuse 10 *aufp welches aus Metall und aus Messing bestehen. Wenn die Membran 18 aus nicht-

einer Legierung, wie ^beispielsweise Kovar, besteht, io leitendem Material gemacht wird, wie beispielsweise aus

welches im wesentlichen:ausi20%·Nickel, 17°/₀ Kobalt, einem plastischen Stoff, so wird ihre Vorderfläche mit

0,2 °/₀ Mangan und dem·AusgieiGhseisen besteht. Es kann leitendem Material, wie beispielsweise Gold, Silber oder

aber auch irgendein- geeignetes^leitendes Material ver- Aluminium, bedeckt, welches zu derselben Zeit die infra-

wendet. werden, was, notwendig, ist, da das Gehäuse als roten Strahlungen reflektiert. Wenn die Membran aus

einer der Abgabeanschlüsse für die Vorrichtung dient. 15 Stahl oder Messing gemacht wird, so wird ihre Vorder-

Das vordere Ende des Gehäuses 10 ist mit einem nach fläche mit einem infraroten reflektierenden Überzug, wie

innen ragenden RingflanschJL2 versehen, dessen innere vorzugsweise Gold oder Silber, bedeckt. Die Membran 18

Kante eine ringförmige Öffnung begrenzt", in welcher ein wird vorzugsweise vorgespannt, d. h., sie wird gestreckt,

Fenster 13 angebracht, ist; J&ses Fenster ist aus einem wenn sie zwischen Ring 20 und Muffe 22 festgeklemmt

geeigneten, die infraroteStrahlungübertragenden Material, 20 wird, so daß sie gespannt ist, wodurch ihre wirksame

wie~beispielsweise Glas," QuarzTSilberchlorid, Germanium, ·* Steifigkeit ohne Verzögerung ihrer Masse erhöht wird.

Saphir oder einem anderen Material, hergestellt, welches Da der auf die Fläche der Membran aufgetragene Überzug

die gewünschte infrarote Strahlung hindurchgehen läßt. gegenüber dem Fenster 14 in hohem Maße die infraroten

Das Fenster bildet die Vorderwand eines Hohlraumes 16, Strahlungen reflektiert, werden die nicht charakteristischen

welcher auf der Achse der Vorrichtung liegt und durch 35 Strahlungen, da sie von dem Gas in dem Hohlraum 16

eine Kappe 14 und eine Scheibel5 in seiner Lage gehalten nicht aufgenommen werden, zurück und nach außen

wird. Eine Öffnung 17 ist in der Mitte der Kappe 14 und reflektiert. Die Seitenwandungen des Hohlraumes 16

in Ausrichtung mit ihr vorgesehen und hat im wesent- reflektieren gleichfalls die infraroten Strahlen, so daß

liehen denselben Durchmesser-wie der Hohlraum 16. Der dies zusammen mit dem Reflexionsvermögen der Membran

Hohlraum ist zylindrisch, -'und seine hintere Wand 30 eine merkbare Aufnahme der Strahlung verhindert,

besteht aus einer biegsamen Membran 18, welche eine Wenn das Gas in dem Hohlraum 16 aufgenommen und

sehr kleine Öffnung 19 hat. Die Membran 18 ist in einem durch die infraroten Strahlungen erhitzt wird, wird der

vorher bestimmten Abstand von der Muffe 22 angebracht, Druck, der durch das Gas auf die Membran ausgeübt wird,

und ihr nach innen ragender Flansch 22 a ist zwischen erhöht, so daß die Membran abgebogen wird. Es ist nun

einem Klemmring 20 und einem abstandhaltenden Ring21 35 in hohem Maße erwünscht, daß die Steifigkeit der

durch Schrauben 23 befestigt,, welche durch die beiden Membran der akustischen Steifigkeit des Hohlraumes 16

Ringe hindurchgehen und in Löcher am Ende der Muffe angepaßt ist. Um eine solche Anpassung für eine Membran

eingeschraubt sind. Die Muffe 22 wird durch einen mit zu erreichen, die einen Durchmesser hat, welcher im

Außengewinde versehenen Ring 24 gehalten, der mit wesentlichen gleich dem kleinen Durchmesser des

Gewindegängen an der Innenfläche des Gehäuses 10 40 benutzten Hohlraumes ist, muß die Membran äußerst

zusammenarbeitet. Der Ring 24 und die Muffe 22 können dünn gehalten werden, beispielsweise bis in der Größen-

durch einen federnden Ring 26 voneinander getrennt sein, Ordnung von 0,005 bis 0,008 mm. Es ist klar, daß die

um einen regelbaren Druck auf die Muffe 22 auszuüben. Probleme, welche zu der Herstellung, Handhabung und

Die beschriebene Bauart ist im Interesse eines Vorrats- Anbringung einer solchen Membran dienen, derart groß

raumes klein, und der Außendurchmesser ist nicht größer 45 sind, daß eine handelsübliche Herstellung und Benutzung

als 19,05 mm. Wie weiter unten noch näher auseinander- ausgeschlossen ist. Gemäß der Erfindung wird eine

gesetzt wird, sind die Abmessungen des Hohlraumes akustische Anpassung dadurch erzielt, daß man die

äußerst klein und haben beispielsweise einen Durchmesser Membran im Durchmesser größer als den Hohlraum und

von 0,635 mm. ■ aus dickerem Material macht, so daß sie dieselbe Steifig-

Die verringerte Hohlraumgröße wird bei dem darge- 50 keit wie die kleine und dünnere Membran hat. Das

stellten Beispiel durch eine Verkleinerung des Fensters dickere Material ist verfügbar, kann mit größerer Leichtig-

und der Membrangröße durch einen ringförmigen keit gehandhabt und genau in der Vorrichtung ange-

Pfropfen 28 erreicht, welcher zwischen dem Fenster 14 bracht werden.

und der Membran 18 eingeschaltet ist. Die zentrale Die Membran 18 bildet ein Element eines Konden-

Öffnung des Pfropfens liegt in der Längsachse der Vor- 55 sators, dessen anderer Teil der Stator 34 ist, welcher auf

richtung und begrenzt das wirksame Volumen des Gas- der Längsachse der Vorrichtung gelagert und mit einem

hohlraumes. Optimale Resultate werden erzielt, wenn verbreiterten Kopf 34 versehen ist. Der Kopf 34 liegt in

der Pfropfen genau mit den Außenwänden des Hohl- einem geringen Abstand von der Membran 18, beispiels-

raumes und der Innenfläche des Fensters übereinstimmt. weise in einer Entfernung von etwa 0,006 mm. Der

Die hintere Fläche des Pfropfens 28 befindet sich in 60 Stator ist von der Membran und dem Gehäuse elektrisch

einem geringen Abstand von der Membran 18, Vorzugs- isoliert und wird von einer Stange in den metallenen

weise in einer Entfernung von 0,00635 mm, und dieser Rohren 35,36 getragen, welche durch die Glasisolatoren

Raum zusammen mit dem Raum zwischen Membran 38 und 40 hindurchgehen. Diese Isolatoren sind mit

und dem Flansch 22 α der Muffe 22 und dem Stator 34 metallenen Gehäusen versehen, und der Isolator 38 paßt

sieht ein Dämpfen für die Membran vor. Wie in der Zeich- 65 genau in die Muffe 22. Der Isolator 40 ist an dem Gehäuse

nung dargestellt, ist die Außenwand des Pfropfens 28 mittels eines Flansches 42 an dem hinteren Ende des

mit einem radialen Flansch 30 versehen, welcher zwischen metallenen Gehäuses befestigt, welches hermetisch, wie

der Innenwand des Flansches 12 und dem Klemmring 20 bei 44, an der hinteren Kante des Gehäuses 10 abge-

gepreßt ist. Zu bemerken ist, daß dieser Pfropfen 28 schlossen ist. Das metallene Rohr 36, in welchem die

auch aus einem Stück mit dem Flansch 12 bestehen kann. 70 Statorstange passend sitzt, verläuft von dem Isolator 40

nach hinten,, um einen Anschlußstöpsel für das eine Element des beschriebenen Kondensators vorzusehen. Das Ende dieses Anschlusses ist bei 46 luftdicht abgeschlossen.

Vor dem Verschließen wird die Vorrichtung mit Gas oder Gasen, welche die infrarote Strahlung aufnehmen und für welche es erwünscht ist, daß die Vorrichtung auf sie anspricht, geladen. Dieses Gas füllt das Innere der Vorrichtung auf beiden Seiten der Membran, und die in der Membran vorhandene Öffnung 19 gestattet, daß sich der Druck auf beiden Seiten der Membran ausgleicht. Das Gas oder die Gase sind also nicht verdünnt oder mit Luft oder anderen Gasen vermischt, die nicht imstande sind, die erwähnte Energie aufzunehmen.

Die beschriebene Vorrichtung ist eine gasaufnehmende, bei welcher der gasgefüllte Hohlraum 16 als die infraroten Strahlen aufnehmsnder Teil dient. Die Vorrichtung nimmt nur infrarote Strahlen von Wellenlängen auf, die für das Gas des Hohlraumes charakteristisch sind. Eine Aufnahme dieser Energie verursacht Änderungen in dsr Temperatur und im Druck innerhalb des Hohlraumes, wodurch eine Ablenkung der Membran 18 veranlaßt wird. Der Druck innerhalb des Hohlraumes infolge der aufgenommenen Strahlung entwickelt sich fast augenblicklich, so daß ein Abbiegen dsr Membran stattfindet, bevor sich der Druck auf beiden Seiten dieser Membran durch das Loch 19 hindurch ausgleichen kann.

Wie oben auseinandergesetzt, bilden die Membranen 18 und der Stator 34 einen Kondensator. Wenn der Empfänger der Erfindung benutzt wird, wird er mit einem geeigneten Kreis verbunden und hat eine elektrische Ladung von beispielsweise 3 · 10~¹⁰ Coulomb, welche auf dieMernbran drückt. Druckänderungan in dam Hohlraum 16 verbiegen die Membran, so daß sie näher an den Stator 34 heranbewegt wird, wodurch die Kapazität geändert wird und elektrische Potentialänderungen entstehen, welche für eine Verstärkung durch den Kreis geeignet sind. Wesentliche Merkmale der Erfindung bestehen darin, daß die wirksame Fläche des Gashohlraumes klein ist, indem ein Durchmesser von etwa 0,635 mm bis etwa 12,70 mm verwendet wird, daß ferner die Membran steif ist und daß die Tiefe des Gashohlraumes auf die akustische Steifigkeit der Membran abgestimmt ist. Der Durchmesser der wirksamen Fläche des Gashohlraumes entspricht dem inneren Durchmesser des Hohlraumpfropfens 28. Unter einer steifen Membran wird eine solche verstanden, welche für die Empfindlichkeit keine leichte Ausdehnung erfordert, wie dies beispielsweise für Membranen der Fall ist, welche für pneumatische Strahlungsempfänger benutzt werden. Die gemäß der Erfindung hergestellten infraroten Strahlungsempfänger haben die folgenden Abmessungen und Eigenschaften:

Beispiel I

Äußerer Durchmesser .... 9,525 mm

Gesamtlänge 17,145 mm

Hohlraumdurchmesser 0,635 mm

Hohlraumtiefe 1,270 mm

Membrandurchmesser 4,826 mm

Gas CO₂

Gasdruck 150 cm Quecksilbersäule

Membranmaterial »Mylar«

Membranspannung 900 kg/6,4 qcm

Membrandicke 0,006 mm

Abstand der Membran vom

Stator 0,006 mm

Abstand der Membran vom

Pfropfen 0,006 mm

Oberflächenplattierung der

Membran Aluminium

Wenn dieser Empfänger mit einem geeigneten Verstärker verbunden wird, hat sich herausgestellt, daß er auf ein infrarotes Energieeinlaßsignal von etwa 0,003 Mikrowatt in 0,0016 Sekunden anspricht.

Beispiel II

Dieses Beispiel ist ähnlich dem ersten Beispiel mit der Ausnahme, daß der Hohlraumdurchmesser 0,9398 mm und der Gasdruck 125 cm Quecksilbersäule ist. Wenn dieser Detektor mit einem geeigneten Verstärker verbunden ist, so hat sich herausgestellt, daß er in der Lage ist, auf ein infrarotes Energie-Einlaßsignal von etwa 0,0008 Mikrowatt in 0,003 Sekunden anzusprechen.

Beispiel III

Auch dieses Beispiel ist ähnlich dem Beispiel II mit der Ausnahme, daß der Außendurchmesser 11,0998 mm, der Hohlraumdurchmesser 1,270 mm und der Gasdruck cm Quecksilbersäule ist. Bei einem Anschluß an einen geeigneten Verstärker hat sich herausgestellt, daß der Detektor in der Lage ist, auf ein infrarotes Energieeinlaßsignal von etwa 0,0007 Mikrowatt in 0,003 Sekunden anzusprechen.

Beispiel IV

Dieses Beispiel ist ähnlich dem Beispiel III, mit der Ausnahme, daß der Hohlraumdurchmesser 1,905 mm ist. Beim Anschluß an einen geeigneten Verstärker hat sich herausgestellt, daß der Detektor imstande ist, auf ein infrarotes Energieeinlaßsignal von 0,001 Mikrowatt in 0,0033 Sekunden anzusprechen.

Beispiel V

Dieses Beispiel ist ähnlich dem Beispiel III, mit der Ausnahme, daß der Hohlraumdurchmesser 3,175 mm ist. Wenn der Detektor an einen geeigneten Verstärker angeschlossen wird, ist er imstande, auf ein infrarotes Energie-Einlaßsignal von etwaO,0013Mikrowatt in0,004Sekunden anzusprechen.

Claims

Patentansprüche:

1. Pneumatischer Strahlungsempfänger für nicht dispersive Infrarot-Gasanalysegeräte mit einem von Seitenwandungen begrenzten Hohlraum, einem an das eine Ende der Seitenwandungen anstoßenden Fenster, welches in der Lage ist, die infrarote Strahlung zu übertragen, einer an dem anderen Ende der Seitenwandungen angebrachten Membran und einem in dem Hohlraum vorgesehenen Gas, welches die infrarote Strahlung zu absorbieren vermag, dadurch gekenn zeichnet, daß das Gas ein reines heteroatomisches Gas ist, welches frei von nicht infraroten absorbierenden Stoffen ist, und daß die Membran (18) in einem dichten Abstand von dem anderen Ende des Hohlraumes liegt, wobei ihr nicht unterstützter Teil einen Durchmesser hat, der wesentlich größer als der Durch-

• messer des Hohlraumes ist, und wobei die Ringfläche der Membran außerhalb der Hohlraumbegrenzungen einen verengten Kanal bestimmt, der dem Gasstrom einen Widerstand entgegensetzt, so daß eine verhältnismäßig steife Membran, die größer als der Hohlraum ist, verwendet werden kann, aber das Gas in Wirklichkeit nur auf den Membranteil wirkt, welcher den Hohlraumbegrenzungen entspricht.

2. Strahlungsempfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran unter Spannung angebracht ist, so daß ihre Steifigkeit der akustischen Steifigkeit des Hohlraumes (16) angepaßt ist.

3. Strahlungsempfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Membrandurchmesser mindestens um 25 % größer als der Durchmesser des Hohlraumes ist.

4. Strahlungsempfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen Membran und dem Ende derHohlraum-Seitenwandungen die Größenordnung von 0,005 mm hat, und der Durchmesser des Hohlraumes liegt zwischen 1,2 und 0,6 mm.

5. Strahlungsempfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Membran und den

Seitenwänden ein Überzug vorhanden ist, welcher in der Lage ist, infrarote Strahlung zu reflektieren.

6. Strahlungsempfänger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der reflektierende Überzug ein elektrischer Leiter ist und einen Teil des Kondensators bildet.

In Betracht gezogene Druckschriften: . Französische Patentschrift Nr. 1121969; Chemie-Ingenieur-Technik, 29 (1957), S. 778, 779.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen