DE1159184B

DE1159184B - Geraete zur Konzentrationsanzeige eines Gases oder einer Fluessigkeit eines Gemisches durch Strahlungsabsorptionsmessung

Info

Publication number: DE1159184B
Application number: DE1959U0006640
Authority: DE
Inventors: Daniel Fraser Davidson; Stanley Alexander Dean; John Anthony Harrison; Colin David Reid; Alec Donald Street
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1958-11-04
Filing date: 1959-11-13
Publication date: 1963-12-12
Also published as: NL247343A; FR1241612A; GB902732A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Geräte zur Konzentrationsanzeige eines Gases oder einer Flüssigkeit eines Gemisches durch Messung der Teilstrahlungsdüferenz zwischen einer von der Analysensubstanz konzentrationsabhängig absorbierten Absorptionslinie und einer Vergleichsstrahlung, bestehend aus einem Strahler, einem danach angeordneten sammelnden Linsensystem, einem lichtelektrischen Empfänger, einer Absorptionsküvette zwischen dem Strahler und dem Empfänger, aus einem Absorptions-Drehfilter, das zwischen Strahler und Empfänger angeordnet ist und das abwechselnd mindestens ein die Absorptionslinie und ein die Vergleichslinie enthaltendes Strahlenbündel durchläßt, und aus einem dem Empfänger nachgeschalteten Verstärker mit angeschlossener Einrichtung zur Bildung der Energiedifferenz.

Ein bekanntes Gerät der vorbeschriebenen Gattung ist ein Infrarot-Hygrometer mit einer Wolframfadenlampe und einer in Abstand von der Lampe angeordneten Fotozelle. Zwischen Lampe und Fotozelle befindet sich eine Absorptionsküvette, welche die Analysensubstanz enthält, und zwischen der Absorptionsküvette und der Lampe ist eine drehbare Filterscheibe vorgesehen. Die Filterscheibe hat acht Filtersektoren von je 45°, und zwar vier für die Absorption und vier als Bezugssektoren, wobei die Absorptions- und Bezugssektoren abwechselnd angeordnet sind. Die Sektoren sind Schmalband-Interferenzfilter mit Übertragungszentren bei 1,37 μ (Absorption) und 1,24 μ (Bezug). Die Fotozelle ist an einen Verstärker angeschlossen, und durch Drehen der Filterscheibe wird der von der Lampe ausgehende Lichtstrahl in zwei schnell schwingende Bänder von unterschiedlichen Wellenlängen aufgeteilt, von denen das eine (das Absorptionsband) eine Absorption durch Wasserdampf in der Analysensubstanz erfährt und das andere (das Bezugsband) vom Wasserdampf unbeeinflußt bleibt. Das Fotozellensignal, wie es vom Verstärker gesehen wird, besteht aus zwei Komponenten, die zueinander je um 180° phasenverschoben sind. Sind die beiden Komponenten gleich, so wird kein Signal beobachtet; wenn sich jedoch die Wasserdampfkonzentration ändert, entsteht ein Fehlersignal. Eine vom verstärkten Fehlersignal gesteuerte Servoeinrichtung wird zum Verändern der Lampenspannung verwendet, um die Energie im Absorptionsband jederzeit gleich der Energie im Bezugsband zu halten, wodurch sich ein ausgeglichenes (Null-)System ergibt, und die Lampentemperatur wird durch eine Monitorbzw. Überwachungs-Fotozelle gemessen, um ein Maß für den Anteil von Wasserdampf in der Analysensubstanz innerhalb der Absorptionsküvette zu erhalten.

Geräte zur Konzentrationsanzeige

eines Gases oder einer Flüssigkeit

eines Gemisches durch Strahlungs-

absorptionsmessung

Anmelder:

United Kingdom Atomic Energy Authority, London

Vertreter: Dipl.-Ing. E. Schubert, Patentanwalt,
Siegen, Eisernerstr. 227

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 17. Februar und 14. Mai 1959
(Nr. 5525 und Nr. 16 570)

Colin David Reid, John Anthony Harrison,

Alec Donald Street, Daniel Fräser Davidson

und Stanley Alexander Dean, London,

sind als Erfinder genannt worden

Zweck des Erfindens war es, Geräte zur Konzentrationsbestimmung eines Gases oder einer Flüssigkeit zu scharfen, welche gegenüber dem oben beschriebenen bekannten Gerät Standardisierungsmöglichkeiten bieten. Die Erfindungen sind in den Patentansprüchen definiert.

Die Erfindungen werden an Hand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben, und zwar zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Gerätes,

Fig. 2 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles II in Fig. 1, während

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines abgeänderten Ausführungsbeispiels der Erfindung wiedergibt.

In Fig. 1 ist ein Gerät zur Konzentrationsbestimmung eines gasförmigen Gemisches dargestellt, welches aus einer Wolfram-Glühfadenlampe 18, aus einem Paar plankonvexer Linsen 19, aus einem drehbaren Stufenfilter 20, einer Absorptionsküvette 21

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und einer Fotozelle 22 besteht. Das Filter 20 sitzt auf Es ist möglich, auch andere Verhältnisse der Sek-

einer motorgetriebenen Welle 23. Ein Verstärker 24 toren als 7 : 5 zu verwenden. Durch geeignete Wahl ist mit der Fotozelle 22 verbunden. Der Ausgang vom der Wellenlängen für die Sektoren 5, R und T kann Verstärker 24 ist über einen Bandpaß 25 und einen das Gerät auch zur Konzentrationsbestimmung von Gleichrichter 26 mit dem Verschiebedraht 27 eines 5 anderen Gasen als Kohlendioxyd verwendet werden, sich selbst ausgleichenden Potentiometers 30 verbun- wie beispielsweise Wasserstoiffluorid. den, welches ein Anzeige- bzw. Registriergerät 30 a Bei einer anderen Ausführungsform wird die Abaufweist, und der Verstärker 24 ist über einen Band- sorptionssignalamplitude mit dem Standardisierungspaß 28 und einen Gleichrichter 29 mit dem Signal- bzw. Eichsignal (R — T) verglichen, und zwar unter eingang 31 des sich selbst ausgleichenden Potentio- io Verwendung eines Verstärkers, der das Absorptionsmeters 30 verbunden, signal (R- S) hindurchschleust und dessen Aus-Fig. 2 zeigt das Filter 20, das so aufgebaut ist, daß gleichsleistung durch das Standardisierungssignal es einen inneren Ring von sieben Sektoren S und gesteuert wird.

sieben Sektoren R, die in abwechselnder Reihenfolge Das mit Bezug auf die Fig. 1 und 2 beschriebene

angeordnet sind, und einen äußeren Ring von fünf 15 Gerät liefert einen Eigenausgleich für die Abtrift Sektoren R und fünf Sektoren T, die ebenfalls bzw. den Abfall der Lichtquellenintensität, da die abwechselnd sind, aufweist. Das Bezugszeichen S beiden Signale, die miteinander zu vergleichen sind, wird verwendet, um anzuzeigen, daß dieser Sektor den gleichen Bedingungen unterworfen sind. Licht bei einer solchen Wellenlänge durchläßt, die Das in Fig. 3 dargestellte Infrarotgerät zur Beeine Absorption durch die in der Absorptionsküvette ao Stimmung von Wasserstofffluoridkonzentrationen in 21 zu analysierenden Substanz erfährt. Das Bezugs- Gasen besteht aus einer Wolframfadenlampe 32, aus zeichen R wird verwendet, um anzuzeigen, daß dieser einem Paar von plankonvexen Linsen 33, einer dreh-Sektor Licht durchläßt, welches eine größere Wellen- baren Lichtunterbrecherscheibe 34 mit Schlitzen, länge hat als dasjenige, welches vom Sektor S durch- einem Sekundär-Lichtfilter 35, einem Primär-Lichtgelassen wird, und nicht von der Analysensubstanz 25 filter 36, einer Absorptionsküvette 37 und einer Fotoin der Absorptionsküvette 21 absorbiert wird. Das zelle 38. Die Unterbrecherscheibe 34 sitzt auf einer Bezugszeichen T wird verwendet, um anzuzeigen, daß motorgetriebenen Welle 39, und das Primärfilter 36 dieser Sektor Licht durchläßt, welches eine kürzere ist an einem Anker 40 eines elektromagnetischen Wellenlänge hat als dasjenige, welches vom Sektor S Relais 41 befestigt, welches von einem 2-Hertzdurchgelassen wird, und ebenfalls nicht von der 30 Oszillator 42 erregt wird.

Analysensubstanz in der Absorptionsküvette 21 ab- Die Fotozelle 38 ist mit einem Vorverstärker 43

sorbiert wird. Das Filter 20 wird aus einer abge- verbunden, der an einen Gleichrichter 44 angeschlosstuften Unterlage mit entsprechenden Reflektor- sen ist. Der Gleichrichter 44 ist über ein Rückkoppschichten, die auf jeder Seite angebracht sind, lungssystem 45, wie es beispielsweise in der Druckgebildet. 35 schrift »Process Instruments and Controls Hand-Das mit Bezug auf die Fig. 1 und 2 beschriebene book«, herausgegeben von D. M. Considine, Verlag Gerät eignet sich zum Bestimmen von Kohlenoxyd- McGraw-Hill Book Co. Inc., 1957, S. 9-57 bis 9-60, konzentrationen in Gasen. Bei in der Absorptions- beschrieben ist, mit der Zelle 38 verbunden und küvette 21 befindlicher Gasprobe und bei sich außerdem mit einem Verstärker 46. Der Verstärker drehendem Filter 20 wird von der Lampe 18 aus- 40 46 steht mit einem phasenempfindlichen Gleichrichter gehendes Licht durch die Linsen 19 gebündelt bzw. 47 in Verbindung der an ein Meßgerät 48 angeschlosfokussiert, damit es durch das Filter 20 und durch sen ist.

die Absorptionsküvette 21 hindurch nach der Foto- Das Primärfflter 36 ist als Schmalband-Interferenzzelle 22 gelangt. Die Ausbildung des Filters 20, filter ausgelegt und hat einen Mehrschichtenaufbau, ■welche oben mit Bezug auf Fig. 2 beschrieben ist, 45 der eine mittlere Lage aus Glimmer mit einer Schicht ruft zwei Signale von unterschiedlichen Frequenzen Germanium, auf die eine Schicht Kryolith folgt, an der Fotozelle 22 hervor, nämlich ein Standardi- woran sich eine Schicht aus Germanium auf jeder sierungs- bzw. Eichsignal (R — Γ) bei einer Frequenz Seite der Glimmerschicht anschließt. Der Glimmer /_t, abhängig von der Drehgeschwindigkeit des Filters ist 40 μ dick, und die Germanium- und Kryolith-2Θ, und ein Absorptionssignal (R- S) bei einer Fre- 5° schichten haben eine Dicke von 2/4, wobei λ anquenz/₂ (1,4 · Z₁). Die Signale werden nach dem Ver- nähernd 2,4 μ ist (d. h. die Wellenlänge des Fundastärker24 übermittelt, wobei das Standardisierungs- mentalbandes der Wasserstofffluorid-Infrarot-Molesignal über das Elektronenfilter 25 und den Gleich- kularspektren). Der Oszillator 42 bringt das Filter 36 richter 26 nach dem Verschiebedraht 27 und das wiederholt um einen-Winkel von etwa 3° zweimal in Absorptionssignal über den Bandpaß 28 und den 55 jeder Sekunde zum Kippen. In der einen Stellung Gleichrichter 29 nach dem Signaleingang 31 über- läßt das Primärfilter 36 Licht von einer der Rotamittelt wird und wobei das Anzeige- bzw. Registrier- tionslinien in dem 2,4^i-Wellenrängenband durch, gerät 30 α so kalibriert ist, daß es eine direkte und wenn es gekippt ist, läßt es Licht in dem Wellen-Ablesung der Kohlendioxydkonzentration in der in längenbereich in der Mitte zwischen zwei der Rotader Absorptionsküvette 21 enthaltenen Gasprobe 60 tionslinien hindurch, wobei der Abstand zwischen ergibt. den Linien in der Größenordnung von 200A liegt

Typische Wellenlängen, die von den Sektoren S, R und das Primärfilter 36 einen Banddurchlaß in der und T für eine Kohlendioxydkonzentrationsbestim- Größenordnung von weniger als 40 bis 50 Ä hat, mung durchgelassen werden, sind folgende: d. h. ein Wellenlängenband, bei dem keine Licht-

65 absorption durch Wasserstofffluorid erfolgt. Das

^Λ ²'^w ^ Sekundärfilter 35 ist ein Bandstoppfilter und im

^R 2,20 μ Grunde ein Interferenz-Mehrschichtreflektor. Es

T 1,75 μ dient dazu, unerwünschte Teile des Spektrums zu

blockieren bzw. zurückzuhalten, und bewirkt außerdem ein Austrimmen der beiden Wellenbänder, die vom Primärfilter 36 durchgelassen werden.

Die Linsen 33 fokussieren bzw. bündeln die von der Lampe 32 ausgehenden Lichtstrahlen, so daß sie durch die Filter 35, 36 hindurch, in die Küvette 37 hinein und von dort nach der Fotozelle 38 gelangen. Die Unterbrecherscheibe 34 dreht sich mit einer solchen Geschwindigkeit, daß sich eine Lichtunterbrechungsfrequenz von etwa 1000 Hertz ergibt. Bei in der Absorptionsküvette 37 befindlicher Gasprobe bewirkt die Anordnung der Unterbrecherscheibe und der Filter ein Trägersignal von 1000 Hertz, moduliert bei 2 Hertz, von der Fotozelle 38 aus. Das Signal wird am Vorverstärker 43 verstärkt und am Gleichrichter 44 moduliert, wobei die mittlere Gleichspannung, die proportional dem 1000-Hertz-Signal ist, zur Steuerung der Fotozellenspannung (über das Rückkopplungssystem 45) verwendet wird, um das 1000-Hertz-Signal in seiner Amplitude am Vorver-Stärkerausgang konstant zu halten. Das 2-Hertz-Absorptionssignal wird nach dem Verstärker 46 übermittelt und daraufhin dem Meßgerät 48 über den Gleichrichter 47 (der als ein 2-Hertz-Durchgangsfilter wirkt) dargeboten, wobei das Meßgerät 48 so kalibriert ist, daß ein direkter Wert der Wasserstofffluoridkonzentration der in der Küvette 37 enthaltenen Gasprobe abgelesen werden kann.

Das mit Bezug auf Fig. 3 beschriebene Gerät liefert einen eigenen Ausgleich für die Abtrift bzw. das Abfallen der Lichtquellenintensität und für Veränderungen in der Absorptionsküvettenübertragung, da die beiden Signale, die miteinander zu vergleichen sind, den gleichen Bedingungen unterworfen sind.

Die Unterbrecherscheibe 34 und das Filter 36 können irgendwo im Strahlengang zwischen der Lampe 32 und der Fotozelle 38 angeordnet werden.

Bei einer abgewandelten Ausführungsform ist das Primär-Lichtfilter 36 durch ein Stufenfilter mit zwei Sektoren für Breitbanddurchlaß ersetzt, wobei der eine (z. B. 2,4 bis 2,6 μ) das gesamte Absorptionsband für Wasserstofffluorid umfaßt der andere (z. B. 2,1 bis 2,3 μ) außerhalb des Absorptionsbandes für Wasserstofffluorid liegt. Das Stufenfilter sitzt an einem Arm, der am Anker 40 des Relais 41 befestigt ist, so daß, wenn das Relais erregt wird, das Stufenfilter so bewegt wird, daß jeder Bereich abwechselnd in den Strahlengang kommt. Mit dieser Anordnung wird eine größere Empfindlichkeit erreicht als bei Verwendung des Primärfilters 36, da das Stufenfilter eine Absorptionsmessung über das gesamte Band der Wasserstofffluoridabsorption gestattet.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 55

1. Gerät zur Konzentrationsanzeige eines Gases oder einer Flüssigkeit eines Gemisches durch Messung der Teilstrahlungsdifferenz zwischen einer von der Analysensubstanz konzentrationsabhängig absorbierten Absorptionslinie und einer Vergleichsstrahlung, bestehend aus einem Strahler, einem danach angeordneten sammelnden Linsensystem, einem lichtelektrischen Empfänger, einer Absorptionsküvette zwischen dem Strahler und dem Empfänger, aus einem Absorptions-Drehfilter, das zwischen Strahler und Empfänger angeordnet ist und das abwechselnd mindestens ein die Absorptionslinie und ein die Vergleichslinie enthaltendes Strahlenbündel durchläßt, und aus einem dem Empfänger nachgeschalteten Verstärker mit angeschlossener Einrichtung zur Bildung der Energiedifferenz, erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß das Drehfilter einen Innenring von sich abwechselnden Sektoren (S, R) und einen Außenring aus einer anderen Anzahl von sich abwechselnden Sektoren (R, T) aufweist, wobei die inneren Sektoren (S) Strahlung durchlassen, deren Wellenlänge der Absorptionslinie der Analysensubstanz entspricht, die mittleren Sektoren (R) Strahlung durchlassen, die eine größere Wellenlänge als die von den inneren Sektoren (S) durchgelassene Strahlung hat und nicht von der Analysensubstanz absorbiert wird, während die Wellenläiige der von den außengelegenen Sektoren (T) durchgelassenen Strahlung kürzer ist als diejenige der von den inneren Sektoren (S) durchgelassenen Strahlung und gleichfalls nicht von der Analysensubstanz absorbiert wird, daß in den beiden Ausgängen des Verstärkers (24) je ein Bandpaß (25 bzw. 28) für die Signale (R-T) bzw. (R-S) mit je einem Gleichrichter (26 bzw. 29) in Reihe geschaltet sind und daß die eine Reihenschaltung mit dem Eingang eines geerdeten Selbstabgleich-Potentiometers (30) verbunden ist und die andere Reihenschaltung über ein in Konzentrationen geeichtes Strommeßgerät (30 a) mit dem Schleifer des Selbstabgleich-Potentiometers verbunden ist.

2. Gerät zur Konzentrationsanzeige eines Gases oder einer Flüssigkeit eines Gemisches durch Messung der Teilstrahlungsdifferenz zwischen einer von der Analysensubstanz konzentrationsabhängig absorbierten Absorptionslinie und einer Vergleichsstrahlung, bestehend aus einem Strahler, einem danach angeordneten sammelnden Linsensystem, einem lichtelektrischen Empfänger, einer Absorptionsküvette zwischen dem Strahler und Empfänger, aus einem Interferenzfilter, das zwischen Strahler und Empfänger angeordnet ist und das abwechselnd mindestens ein die Absorptionslinie und ein die Vergleichslinie enthaltendes Strahlenbündel durchläßt, und aus einem dem Empfänger nachgeschalteten Verstärker mit angeschlossener Einrichtung zur Bildung der Energiedifferenz, erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß das Interferenzfilter zwischen zwei festgelegten Stellungen vermittels eines von einem NF-Oszillator (42) angetriebenen elektromagnetischen Relais (41) kippbar ist und daß an den Ausgang des Empfängers (38) nacheinander ein NF-Verstärker (46), ein phasenempfindlicher Gleichrichter (47) und ein geeichtes Meßgerät (48) angeschlossen sind.

3. Gerät wie das nach Anspruch 2, bei dem jedoch an Stelle des Interferenzfilters erfindungsgemäß ein zwischen festgelegten Stellungen quer zum Lichtstrahl bewegliches Absorptions-Stufenfilter vorgesehen ist.

4. Gerät nach Anspruch 2 oder 3 mit einer Einrichtung zur Grobfilterung der ursprünglichen Strahlung, erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Interferenzfilter bzw. dem Stufenfilter ein weiteres Interferenzfilter (35) angeordnet ist.

5. Gerät nach Anspruch 2 oder 3 oder 4 mit einer Einrichtung zur Intensitätsmodulation der

ursprünglichen Strahlung, erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß vor dem lichtelektrischen Empfänger eine motorgetriebene Schlitzscheibe (34) angeordnet ist und daß zwischen dem Ausgang des lichtelektrischen Empfängers und dem Eingang des NF-Verstärkers (46) die Parallelschaltung eines Rückkopplungssystems zur Steuerung der Empfängerspannung (45) mit der Reihenschaltung eines NF-Vorverstärkers (43) und eines Gleichrichters (44) angeschlossen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Journal of the optical society of America, 46 (1956), S. 164 bis 166;

Proceedings of the physical society, 43 (1931), S. 324 bis 328;

Zeitschrift für angewandte Physik, 1954, S. 563 bis 576;

The infrared absorption hygrometer — a progress report, herausgegeben von der Instruments Soc. of ίο Am., 1954.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen