DE1206626B - Geraet zum Nachweis von im Infrarot absorbierenden Gaskomponenten in der Atmosphaere nach dem Einstrahlprinzip - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

CiDIn

Deutsche Kl.: 421-4/13

Nummer: 1206 626

Aktenzeichen: L 42315IX b/421

Anmeldetag: 25. Juni 1962

Auslegetag: 9. Dezember 1965

Die Erfindung betrifft ein Gerät zum Nachweis von im Infrarot absorbierenden Gaskomponenten in der Atmosphäre nach dem Einstrahlprinzip, wobei in den Lichtweg zwischen Infrarotstrahlenquelle und Empfänger ein Blendenrad sowie ein periodisch umlaufendes Filterrad mit azimutal wechselnder spektraler Empfindlichkeit eingesetzt sind und wobei auf die Filterradumlauffrequenz abgestimmte elektrische Nachweiskreise Verwendung finden. Insbesondere eignen sich Geräte nach der Erfindung zum Nachweis solcher im Infrarot Absorptionsbanden aufweisenden Gase oder Dämpfe, welche normalerweise in der Atmosphäre nicht vorhanden sind. Dieselben können beispielsweise als Verunreinigungen oder als Abgase von Flugkörpern in die Atmosphäre gelangen.

Die nach dem Zweistrahlprinzip arbeitenden Geräte mit positiver oder negativer Filterung sind für Systeme mit offenem Strahlengang, wo unmittelbar die freie Atmosphäre als Meßstrecke dient, nicht geeignet. Insbesondere ist die Einstellung und Konstanthaltung des Vergleichsstrahles sehr schwierig. Ein Ausgleich des Einflusses von wechselnden Staubkonzentrationen und sonstigen Verunreinigungen der Luft sowie ein' Ausgleich mangelnder optischer Justierung des Gerätes ist mittels eines Vergleichs-Strahles nicht möglich.

Für Messungen in der freien Atmosphäre sind Geräte, welche nach dem Einstrahlprinzip arbeiten, vorzuziehen. Es ist bereits ein Gerät bekannt, bei welchem vor der Strahlenquelle ein Blendenrad und dem Blendenrad nachgeschaltet ein Bandpaßfilter angeordnet ist. Dabei kann die Ausrichtung des Bandpaßfilters gegenüber dem Strahlengang mit kleiner Frequenz geändert werden, so daß periodische Verschiebungen des jeweils durchgelassenen Frequenzbereiches auftreten. Man kann nach einer weiteren Ausführungsform dieses bekannten Gerätes auch ein rotierendes Filterrad vorsehen, auf welchem in Umfangsrichtung mehrere Bandpaßfilter mit jeweils verschiedenem Durchlaßbereich angeordnet sind. Infolge der Rotation des Filterrades ändert sich das Frequenzband des in die Meßstrecke austretenden Strahles periodisch. Am Ende der Meßstrecke nimmt ein Empfänger die Infrarotintensität auf. Die elektrische Nachweiseinrichtung ist auf die Umlauffrequenz des Filterrades abgestimmt. Bei diesem bekannten Gerät erweist es sich als nachteilig, daß die Verwendung von Bandpaßfilter erforderlich ist. Derartige schmalbandige Infrarotfilter sind außerordentlich teuer. Ferner können solche Filter nicht für alle Spektralbereiche des Infrarotspektrums hergestellt werden. Schließlich ist es schwierig, den als Vergleichsstrahl Gerät zum Nachweis von im Infrarot
absorbierenden Gaskomponenten in der
Atmosphäre nach dem Einstrahlprinzip

Anmelder:

Leesona Corporation, Warwick, R. I. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. E. Maier, Patentanwalt,

München 22, Widenmayerstr. 5

Als Erfinder benannt:

Stanley Wallack,

Jackson Heights, N. Y. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 26. Juni 1961 (119 683)

benutzten Frequenzausschnitt so einzurichten, daß er von dem zu messenden Gas nicht beeinflußt wird.

Es ist auch bereits bekannt, Geräte der beschriebenen Art mit offenem Strahlengang zu benutzen. Hierbei machen sich die Nachteile der Verwendung zweier Strahlen mit verschiedenem Frequenzbereich in noch höherem Grade bemerkbar. Denn beide Strahlen werden durch atmosphärische Verunreinigungen wie Dunst od. dgl. im allgemeinen in unterschiedlichem Maße beeinflußt, so daß die Störeinflüsse bei einem derartigen Gerät recht groß sind.

Aufgabe der Erfindung war also die Schaffung eines einfach aufgebauten Gerätes der beschriebenen Art, welches ohne teuere Schmalbandfilter auskommt und welches eine sichere Kompensation von Störeinflüssen aufweist.

Die Erfindung erfüllt diesen Zweck. Sie beruht auf der Messung des Quotienten der Strahlungsintensitäten eines ersten Strahlenbündels, welches ein breites Frequenzband einschließlich der zu messenden Absorptionsbanden umfaßt, und eines zweiten Strahlenbündels dessen Frequenzband kurz unterhalb der Wellenlänge der zu messenden Banden abgeschnitten ist und das als Bezugssignal dient. Die Erfindung ist demgemäß dadurch gekennzeichnet, daß das an sich bekannte empf ängerseitige Filterrad ein sich über den halben Umfang des Filterrades erstreckendes Hochpaßfilter aufweist, während die restliche Hälfte des

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Filterradumfanges keinen Filtereinsatz aufweist, wo- abschnitte sowie vollständig durchlässige Abschnitte

bei die Grenzwellenlänge des Hochpaßfilters mög- aufweist. Vorteilhafterweise ist das Filterrad 28 über

liehst nahe unterhalb der Wellenlänge der Infrarot- eine mechanische Übertragung 30 von dem Motor 14

banden der nachzuweisenden Gaskomponente liegt. angetrieben. Man wählt die Umlauffrequenz des

Bei einem Gerät nach der Erfindung kommt man 5 Filterrades vorzugsweise als Subharmonische der Umalso mit einem einzigen vergleichsweise billigen Hoch- lauffrequenz des Blendenrades. In dem Ausführungspaßfilter aus. Verunreinigungen der Atmosphäre beispiel nach F i g. 1 ist die Frequenz des Filterrades durch Dunst und dergleichen Staubteilchen, beein- 28 halb so groß wie diejenige der Blende 12. In beiden flüssen die Strahlen im wesentlichen in gleicher Weise, Stellungen des Filterrades 28 werden also bezüglich so daß hierdurch keine Meßfehler verursacht werden. io des Lichtstrahles je zwei Lichtimpulse empfangen.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Er- Das Gerät weist ferner einen Filter mit großer Grenz-

findung schaltet man in den Strahlengang einen zwei- wellenlänge sowie einen Empfänger 34 auf. Mit Vor-

ten Hochpaßfilter (32) mit längerer Grenzwellenlänge teil kann jeder in dem gewünschten Spektralbereich

als der zuerst genannte Hochpaßfilter ein, um den empfindliche Empfänger benutzt werden. Der Emp-

benutzten Strahlenbereich einzuengen und dadurch 15 fänger muß für die Wellenlängen der nachzuweisen-

die Meßgenauigkeit weiter zu verbessern. den Absorptionbanden sowie für einen oder mehrere

In der freien Atmosphäre sind die verwendbaren kurzwelligere Strahlungsbereiche empfindlich sein,

Spektralgebiete des Infrarotspektrums begrenzt. wobei diese letzteren Strahlungsbereiche nicht mit

Außerdem sind die einander in hohem Grade über- Wellenlängen der nachzuweisenden Gaskomponenten

läppenden Banden der Verunreinigungen hinderlich. 20 übereinstimmen. Es gibt eine Vielzahl von Empfän-

Durch die Verwendung von Hochpaßfiltern kann man gern, welche diese Forderungen erfüllen. Man kann

diesen Schwierigkeiten begegnen, da man jeweils für beispielsweise thermische Empfänger in Kombination

jeden gewünschten Frequenzbereich ein passendes mit Filtern verwenden, welche die jeweils erwünsch-

Hochpaßfilter bereithalten kann. Derartige Hochpaß- ten Banden durchlassen. Weiterhin kann man einen

filter lassen sich mit jeder gewünschten Grenzwellen- as besonders sensibilisierten Thermistor, eine gasgefüllte

länge herstellen. Golayzelle oder auch einen pneumatischen Empfänger

Vorzugsweise ist die Umlauffrequenz des Filter- mit Kondensatormikrophon verwenden,
rades eine Subharmonische der Umlauffrequenz des Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Ge-Blendenrades. Hierdurch wird die Konstruktion der rätes wird nun an Hand der in den F i g. 2 a, 2 b elektrischen Nachweiskreise vereinfacht. Denn durch 3° und 2 c dargestellten Wellenformen beschrieben. Wie entsprechende Phaseneinstellung des Filter- und am deutlichsten aus F i g. 2 a hervorgeht, erreichen Blendenrades erreicht man, daß während einer jeden die von der Strahlungsquelle 10 ausgehenden Infra-Filterphase mehrere Hell-Dunkel-Perioden des Blen- rotstrahlen den Spiegel 16 in Form einer Folge von denrades auftreten. Es ist weiterhin zweckmäßig, in Impulspaaren 40,41, entsprechend dem Frequenzden Strahlengang Wasserdampf- und Kohlendioxyd- 35 verhältnis der Blendenspalte. Diese Lichtimpulse filter einzusetzen. Durch das Zerhacken des Licht- werden an den Spiegeln 18 und 20 reflektiert, gestrahles mittels des Blendenrades erreicht man ins- langen dann durch die Filter 22 und 24 hindurch zum besondere, daß das Gerät gegenüber der Umgebungs- Spiegel 26, wo sie auf den Filter 32 gerichtet werden, strahlung vergleichsweise unempfindlich ist. Weiter- Das mit der Blende 12 synchronisierte Filterrad 28 hin sieht man in an sich bekannter Weise Spiegel- 40 dreht sich mit einer kleineren Umlauffrequenz als die systeme zur Strahlbündelung vor. Mit Vorteil ver- Blende. Da die Folgefrequenz der Impulspaare dopwendet man in einem erfindungsgemäßen Gerät selek- pelt so groß ist wie die Umlauffrequenz des Filtertive Strahlungsempfänger. rades, entfällt auf jede Stellung des Filters des Filter-Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich rades bezüglich des Strahlenganges ein vollständiges aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten 45 Impulspaar. Unter der Annahme einer konstanten Ausführungsform an Hand der zugehörigen Zeich- Strahlungsintensität fügen sich die durch das Filternung. Es stellt dar rad 28 hindurchgegangenen Impulse nach Fig. 2b

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines erfin- in eine Stufenfunktion ein. Demgemäß tritt jeweils

dungsgemäßen Gerätes, eine vollständige Umlaufperiode der Blende 12, wäh-

Fig. 2a, 2b und 2c verschiedene Wellenformen 50 rend welcher ein Impulspaar ausgesendet wird, auf,

der Strahlenintensität und sowohl wenn der Filter des Filterrades 28 den Strah-

F i g. 3 ein Blockschaltbild des elektrischen Nach- lengang schneidet als auch wenn er sich außerhalb

weiskreises. des Strahlenganges befindet. Es ist außerdem darauf

Gemäß F i g. 1 ist eine Infrarotstrahlenquelle 10 in hinzuweisen, daß die Strahlungsabgabe der Blende 12

eine Blende 12 eingesetzt, welche durchlässige und 55 während eines Umlaufes unsymmetrisch ist und daß

undurchlässige Abschnitte aufweist und mittels eines die Synchronisation so gewählt ist, daß der Strahl

Motors 14 angetrieben wird. Hierdurch wird der jeweils dann abgeblendet ist, wenn der Filter des

gegen den Parabolspiegel 16 gerichtete Lichtstrahl Filterrades 28 in den Strahlengang eintritt, bzw. aus

periodisch unterbrochen. Der Lichtweg reicht von demselben austritt. Die Amplitude des Signals 43,

dem Spiegel 16 über Reflexionsspiegel 18 und 20 60 welches bei aus dem Strahlengang ausgerücktem FiI-

durch zwei Filter 22 und 24, welche vorzugsweise ter des Filterrades 28 durchgelassen wird, ist eine

Wasserdampf- und Kohlendioxydfilter sind. Diese Funktion aller Empfangsbanden des Empfängers. Die

Filter bilden keinen notwendigen Bestandteil eines Amplitude des Signals 45 enthält alle Empfangsban-

erfindungsgemäßen Gerätes, sie können andererseits den des Empfängers bis zu der Durchlaßgrenze des

auch in anderer Reihenfolge angeordnet sein. Ein 65 Filters des Filterrades 28. Infolge dieser Durchlaß-

zweiter Parabolspiegel 26 lenkt den durch die Filter grenze des Filterrades umfaßt nur das Signal 43 die

hindurchgegangenen Lichtstrahl auf ein Filterrad 28 Absorptionsbanden der nachzuweisenden Gaskompo-

um, welches auf seinem Umfang verteilt Filter- nenten. Wenn die Absorptionsbanden der normalen

atmosphärischen Verunreinigungen wie Kohlendioxyd und Wasserdampf durch die Filter 24 bzw. 22 entfernt werden, muß das Intensitätsverhältnis der Signale 43 und 45 konstant bleiben, solange die nachzuweisenden Gaskomponenten nicht in der Atmosphäre vorhanden sind. Wenn jedoch die nachzuweisenden Gaskomponenten vorhanden sind, wird dieses Verhältnis entsprechend der Konzentration der nachzuweisenden Gaskomponente verkleinert.

Offensichtlich erreicht das erfindungsgemäße Gerät die Hauptvorteile eines Zweistrahlgerätes mit einem einzigen Strahl. Dies wird durch Aufspaltung in zwei getrennte Signale erreicht, deren kleineres 43 als Bezugssignal dient. Das Verhältnis der beiden Signale ist eine Funktion der Konzentration der nachzuweisenden Gaskomponente, wobei dieses Verhältnis mit zunehmender Konzentration der nachzuweisenden Gaskomponente kleiner wird. Dieses Verhältnis wird nicht durch Staubteilchen oder durch die optische Justierung beeinflußt, da der Strahlengang für beide ao Signale gleich ist. Das erfindungsgemäße Gerät ist nur in geringem Maße von kleinen Schwankungen der Strahlungsquellentemperatur abhängig, und es ist lediglich erforderlich, eine Strahlungsquelle mit stabiler Leistungsabgabe zu verwenden. Vorteilhafterweise können Steuerorgane zum Ausgleich von Schwankungen der Infrarotstrahlenquelle vorgesehen sein. Es können zweckmäßigerweise auch Temperatursteuerorgane vorgesehen sein, welche die Temperatur der Infrarotstrahlungsquelle selbstätig stabilisieren.

Die elektronischen Nachweiskreise des Empfängers 34 sind in F i g. 3 in Form eines Blockschaltbildes dargestellt. Dabei sind ein Vorverstärker 46, ein Verstärker 48 und ein Synchronschalter 50 hintereinander an den Empfänger 34 angeschlossen. Der Synchronschalter 50 ist mit dem Blendenrad 12 synchronisiert und dient zur Trennung der beiden im Empfänger aufgenommenen Signalteile A und B nach F i g. 2 c.

Diese Signale werden vom Schalter 50 jeweils über getrennte Leitungen zu einem doppelpoligen Zweiwegeschalter 52 geführt. Bei der Erstaufstellung des erfindungsgemäßen Gerätes wird der Schalter 52 in seine obere Stellung umgelegt, damit der Differenzverstärker 54 mit dem Synchronschalter 50 verbunden ist. Das Anzeigegerät 56 zeigt den Unterschied zwischen den beiden Signalen^ und B an und wird während der optischen Justierung des Gerätes beobachtet. Sobald man eine maximale Anzeige abliest, ist die optimale Einstellung des Gerätes erreichtNach dieser Justierung wird der Schalter 52 in seine untere Stellung gebracht, wie in F i g. 3 ersichtlich ist, damit die beiden Ausgangssignale des Synchronschalters 50 dem Quotientenverstärker 58 zugeführt werden. An diesen Verstärker ist ein Anzeigegerät 60 angeschlossen, das so geeicht werden kann, daß die Konzentration der nachzuweisenden Gaskomponente in Prozenten abgelesen werden kann.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Gerät zum Nachweis von im Infrarot absorbierenden Gaskomponenten in der Atmosphäre nach dem Einstrahlprinzip, wobei in den Lichtweg zwischen Infrarotstrahlenquelle und Empfänger einer Blende sowie ein periodisch umlaufendes Filterrad mit azimutal wechselnder spektraler Empfindlichkeit eingesetzt ist, und wobei auf die Filteramiauffrequenz abgestimmte elektrische Nachweiskreise Verwendung finden, dadurch gekennzeichnet, daß das an sich bekannte empfängerseitige Blendenrad (28) ein sich über den halben Umfang des Filterrades erstreckendes Hochpaßfilter aufweist, während die restliche Hälfte des Filterradumfanges keinen Filtereinsatz aufweist, wobei die Grenzwellenlänge des Hochpaßfilters möglichst unmittelbar unterhalb der Wellenlängen der Infrarotbanden der nachzuweisenden Gaskomponenten liegt.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Nachweiskreise einen mit dem Antrieb (30) des Filterrades (28) gekoppelten Synchronschalter (50) aufweisen, an dessen beiden Ausgängen jeweils Signale liegen, welche der von dem Empfänger aufgenommenen Strahlungsintensität einerseits bei in den Strahlengang eingeschobenem Hochpaßfilter und andererseits bei aus dem Strahlengang herausgedrehtem Hochpaßfilter entsprechen.

3. Gerät nach Ansprach 2, gekennzeichnet durch einen an den Synchronschalter (50) angeschlossenen Quotientenverstärker (58), dessen Ausgangsspannung dem Verhältnis der beiden Ausgangsspannungen des Synchronschalters gleich ist.

4. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in den Lichtweg ein zweiter Hochpaßfilter (32) eingeschaltet ist, dessen Grenzwellenlänge oberhalb der Grenzwellenlänge des ersten Hochpaßfilters (28) liegt.

5. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch in den Lichtweg eingeschaltete Wasserdampffilter (22) und Kohlendioxydfilter (24).

In Betracht gezogene Druckschriften:

Französische Patentschriften Nr. 1 223 917,
241 612;

USA.-Patentschrift Nr. 2 775 160;

Gas—Wärme, 1957, S. 148 bis 159;

Chemie-Ingenieur-Technik, 1959, S. 711 bis 724;

Journal of Scientific Instruments, 1956,
S. 495 bis 499.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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