DE1945236B2 - Vorrichtung zur Gasanalyse - Google Patents

Description

a) daß eine zwei miteinander in Verbindung stehende Detektorkammern (12, 16) umfassende Detektoreinheit (21) vorgesehen und in der Verbindung zwischen den beiden Detektorkammern ein nichtlineares elektrisches Element (23) zum Nachweis einer durch Druckschwankungen hervorgerufenen Gasströmung angeordnet ist;

b) daß die Verbindung zwischen den Detektorkammern (12, 16) durch zwei in eine das nichtlineare elektrische Element (23) enthaltende Strömungskammer (22) mündende düsenförmige Kanäle (24, 26) gebildet ist;

c) daß eine Einrichtung (31) vorgesehen ist. mit der ein Unterschied in der Intensität der die beiden Detektorkammern beaufschlagenden IR-Strahlung einstellbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine der beiden Detektorkammern über eine vorgeschaltete, die nachzuweisende Gaskomponente nicht enthaltende Bezugszelle (14) mit der Infrarotstrahlung beauf-

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (31) zur Einstellung eines Unterschiedes in der Intensität der die beiden Detektorkammern beaufschlagenden IR-Strahlung eine mechanische in die Bahn des Bezugsstrahls einführbare Blende ist.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gasanalyse mitiels einer periodisch unterbrochenen Infrarotstrahlung und mit einer die nachzuweisende Gaskomponente enthaltenden Probenkammer.

ZweHrahl-lnfrarotgasanalysatoren. die mit Hilfe gepulster Infrarotstrahlung arbeiten, sind beispielsweise bekannt aus der deutschen Patentschrift 730 478 oder der USA.-Patentschrift 2 555 327. Bei der deutschen Patentschrift sind ebenso wie bei der USA.-Patentschrift jeweils eine Probenkammer und eine Bezugskammer vorhanden, die von der Infrarotstrahlung durchstrahlt werden, die ausgeht von einer gemeinsamen odei getrennten Strahlungsquelle und die vor Eintritt in die Proben- bzw. Bezug kammer durch eine Blende zerhackt wird. Bei der deutsehen Patentschrift 730 47S treten dann ciie bei den /erhackten Infrarotstrahlen in getrennte Petektorkantmern ein, die mit einer weiteren Kammer gemeinsam verbunden sind, in welcher ein Kondcnsatorelcment zur Abtastung entstehender Druckschwankungen gasdicht eingebaut ist. Die mechanischen Bewegungen des Kondensatorelcmentes werden /ur Erzeugung eines Ausgangssignals nutzbar gemacht.

Bei der USA.'Patentschrift 2 555 327 münden die beiden, der Probenkammer und der Rezuuskanimer nachgeschalteten Detektorkammern in eine Strömungskammer über Kanäle ein, die so angeordnet sind, daß sie ein äußerst empfindliches mechanisches Fühlelement anblasen, wodurch es gelingt, mit Hilfe einer optischen Hebehvirkung eine Fotozelle zu beaufschlagen. Das Fühlelement benötigt eine präzise Ausbalancierung in sämtlichen Ebenen, außerdem muß es von Licht konstanter Leuchtintensität angestrahlt werden, damit nicht Schwankungen in der ίο Beleuchtungsintensität der Fotozelle auftreten, die auf die Meßanordnung selbst zurückzuführen sind. Trotzdem dürfte es extrem schwierig sein, einer solchen Vorrichtung ihre gegenüber Vibrationen bestehende Empfindlichkeit zu nehmen. Die Ausbildung der in die Strömungskanäle von den Detektorkammern einmündenden Kanäle in düsenartiger Form ist notwendig, um die auf Druckschwankungen zurückzuführenden geringen Gasströmungen voll zur mechanischen Beaufschlagung und Drehung des Fühlelementes ausnutzen zu können.

Aus der britischen Patentschrift 786 516 ist ein zwischen zwei Infrarotabsorptionskammern angeordnetes thermisch empfindliches elektrisches Element vorgesehen, um auf Meßimpulse zurückgehende Druckschwankungen des Gases bei einem Infrarot-Gasanalysator in eine Meßspannung umzuwandeln. Bei diesem Infrarot-Gasanalysator sind jedoch die Abmessungen der Durchlässe zu den Detektorkammern extrem klein und das unter anderem auch als Thermistor ausgebildete Element zur Feststellung einer Gasströmung ist in diesem extrem kleinen Durchflußkanal angeordnet. Man erreicht dadurch zwar einen effektiven Fluß des Gases durch diesen Durchlaß und damit auch über das thermisch empfindliehe Widerstandselement, kann dieses jedoch nur soweit kühlen, als dieser Abkühlcffekt aui das Element als Folge von Druckänderungen von dem Gas herrührt, das tatsächlich von einer Detektorkammer in die andere gelangt, da das sich in dem Durchlaß befindliche Gas aui Grund seines geringen Volumens auf die Temperatur des Widersiandsclementcs selbst aufheizt. Da jedoch auch das Gas in der Detcktorkammcrn schon von der Infrarotstrahlung während des Betriebs der Anordnung aufgeheizt *5 und erwärmt wurde, ist die Abkühlungswirkung nur gering.

Schließlich können der deutschen Patentschrift 1 082 433 und der USA.-Patentsehrift 2 7185S7 noch Ga^analysegerate entnommen werden, bei denen Einrichtungen vorgesehen sind, die sich in einen der Infrarotstrahlen 711 den Delektorkammcrn einschieben lassen: so ist beispielsweise bei der deutschen Patentschrift 1 0S.2 433 /ur Eichung des Gasanalysegerätes eine kontinuierlich verstellbare Blende vor- !.-eschen. Bei der L¹SA.-Patentschrift 2 71 S 507 sind in beiden Strahlvmgsgängcn sogenannte optische Trimmer vorgesehen, die es erlauben, während des Betriebes kontinuierlich einen vorgegebenen Arbcitspunki einzuhalten, wodurch es bei Gegenwart anderer Ro Gase möglich Ki. eine bestimmte selektive Empf'indliclikL-i; -Ί1 erzielen.

Aufgabe der vo.-üegenden Erfindung iM es. einen cvtrem empfindlichen Infrarot-Casanaly^'.tor zu schallen, bei dem auch sehr eeringc Meßszasspuren schr.n einen Ausschlag des Anzeigeinstrumentes ergeben.

Zur Lösung dieser Aufgabe echt die Erfindung aus von der cinyanus uenanntcn Vorrichtung zur

Gasanalyse und besteht erfindungsgemäß in der Kombination der folgenden Merkmale"

a) daß eine zwei miteinander in Verbindung stehende Deteklorkammern umfassende Detektoreinheit vorgesehen und in der Verbindung zwisehen den beiden Detektorkammern ein nichtlineares elektrisches Element zum Nachweis einer durch Druckschwankungen hervorgerufenen Gasströmung angeordnet ist;

b) daß die Verbindung zwischen den Detektorkammern durch zwei in eine das nichtlineare elektrische Element enthaltende Strömungskammer mündende düsenförmige Kanäle gebildet ist;

c) daß eine Einrichtung vorgesehen ist, mit der '^s ein Unterschied in der Intensität der die beiden Detektorkammern beaufschlagenden 1R-Strahlung einstellbar ist.

Durch die Zusammenfassung dieser drei durch die Punkte a) bis el beschriebenen Maßnahmen gelingt es, eine überraschende und nicht vorhersehbare Gesamtwirkung zu erreichen, indem nämlich durch die bewußte Ausnutzung der nichtlinearen Eigenschaften des abtastenden elektrischen Elementes Meßsignale überproportional wiedergebende Ausschläge erzielt werden können; bis heute war man eher bestrebt gewesen, nichtlineare Eigenschaften von solchen elektrischen Elementen, beispielsweise Thermistoren eher zu unterdrücken, um eine einwandfreie Proportionalanzeige über den gesamten Bereich zu erreichen. Durch die Anordnung düsenförmig ausgebildeter auf das nichtlineare elektrische Element gerichteter Kanäle gelangt man dann zu einer sehr intensiven Kühlung desselben, so daß sich ein Groß-Signal-Charakter erreichen läßt, wodurch die nichtlinearen Eigenschaften des Elementes durch die starke Aussteuerung ihre eigentliche Ausnützung erfahren. Schließlich erreicht man durch die Abschwächung der Intensität der die beiden Detektorkammern beaufschlagenden IR-Strahlung dann noch, daß ein wirksames Großsignalverhalten erzielt wird, wie weiter unten noch genauer erläutert wird. Man gelangt so zu einer vorteilhaften funktionalen Verschmelzung von zum Teil schon bei Infrarotgas-uialysaioren bekannter Maßnahmen, wobei jedoch diese Eigenschaften und Maßnahmen in ihrer Bedeutung weder erkannt noch gezielt eingesetzt wurden.

Durch den Unterschied in der Intensität der die beiden Deteklorkammern beaufschlagenden lR-Strahlung läßt sich bei Abwesenheit de" interessierenden Gaskomponente die Vorrichtung so ins Ungleichgewicht bringen, daß die günstigen nichtlinearen Eigenschaften des elektrischen Elementes ausgenutzt werden; wobei im Extremfall auch ein Betrieb unter Verwendung nur eines einzigen Strahles möglich ist. Es ergibt sich auf Grund der nichllinearen Charakteristik des Widerslandselementes bei Ungleichgewicht und Abwesenheit der zu messenden Ga'-komponeme dadurch, daß der Meßstrahl vor dem Eintritt in cK ^Γ:·° Detektoreinheil der stärkere ist. eine beträchtliche Erhöhung der Empfindlichkeit, die mit der Unausgeglichenheil am Anfang noch ansteigt. Bei vollständiger Unterdrückung des Bezugsstrahles wird die Vorrichtung zu einem inirarotcinstrahl-GasanaK-sator.

Weitcrc Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Untcransprüche und in diesen niedergelegt.

Im folgenden werden Aufbau und Wirkungsweise eines Ausführungsbeispiels der Erfindung an Hand der Figuren im einzelnen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 schematisch einen lnfrarot-Gasanalysator als Zweistrahlgerät, wobei Einrichtungen zum Dämpfen einer der Strahlen dargestellt sind,

F i g. 2 eine Draufsicht auf einen Zerhacker für die 1R-Strahlen bei einem Analysator nach Fig. 1,

Fig. 3 schematisch einen lnfrarot-Gasanalysator mit nur einem, nicht dispergierenden Einzelstrahl, d.h. die extremste Form des unausgeglichenen Betriebs,

F i g. 4 als Diagramm den Zusammenhang zwischen der Infrarotabsorption durch eine interessierende Gaskomponente und dem Ausgangssignal der Detektoreinheit bei ausgeglichenem Betrieb und bei verschiedenen Stärkegrade;. des nicht ausgeglichenen Betriebs,

F i g. 5 als Diagramm die Charakteristik des Fühlelements (Widerstandselements) abhängig von der Gasströmung, die durch die Impulsstrahlung in Anwesenheit und in Abwesenheit einer absorbierenden Komponente in dem zu untersuchenden Gas erzeugt wird, wobei ferner die hierdurch hervorgerufene Widerstandsänderung (Ausgangssignal) beim Betrieb des Einstrahl-Analysators nach F i g. 3 dargestellt ist, der den extremen Fall des unabgeglichenen Betriebes bildet, wobei der Bezugsstrahl vollständig unterdrückt ist.

Fig. 6 ein Diagramm ähnlich demjenigen nach F i g. 5, und es zeigt den Betrieb des Analysator nach F i g. 1 gezeigt ist. bei welchem die beiden Strahlen in Abwesenheit der zu untersuchenden Komponente abgeglichen sind,

F i g. 7 ist ein Diagramm ähnlich demjenigen nach Fig . 5 und es zeigt den Betrieb des Analysator nach Fig. 1. wobei jedoch die beiden Strahlen um 50° 0 bei Abwesenheit der interessierenden Komponente in der Gasprobe unausgeglichen sind (d. h.. die Infrarolenergie des Probenstrahles ist doppelt so hoch wie die des Bezugssirahles).

Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung eines Infrarol-Gasanalysators umfaßt eine Strahlungsquelle für Infrarotstrahlung, die hier als zwei im wesentlichen identische. Seite an Seite angeordnete Slrahlungsquellen 1 und 2 dargestellt sind; es ist jedoch oll'cnsichl'.icli. daß diese Strahlungsquelle!! zu einer einzigen zusammengefaßt werden können, deren Strahlung dann geteilt wird, um diese längs zweier paralleler Bahnen zu übertragen. Einer der Strahlen, der hier als Meßstrahl bezeichnet wird, kommt aas der Strahlungsquelle 1 und verläuft parallel zur optischen Achse 3. die gc-;richelt gezeichnet ist. Der andere Strahl, der hier als Bezugsstrahl bezeichnet wird, kommt von der Strahlungsquelle 2 und \erläuft parallel zur Achse 4. Der Meßslrahi läuft von der Strahlungsquelle 1 durch einen Zerhacker, durch welcher er periodisch durch einen Schirm 5 unterbrecher wird, der durch einen Elektromotor 6 angetrieber wird. Der Strahl l;U;ft dann durch eine Prohcnkam Hier 7. die einer. Gascinkiß H und einen Gasauslaß' aufweist und im übrinen gegen die Atmosphäre duvc! für Infrarotstrahlen durchlässige Fenster II an jeden Ende dicht verschlossen ist. Zuletzt tritt der Meß strahl durch ein Fenster 13. das dem Fenster Il ahn lieh ist. in eine Dctcktorkammcr 12 ein.

Die Bahn des Bezugsstrahles ist parallel zu dci jenigen des Mcßstrahlcs. er Uiuft \on der Strahlung^ quelle 2 ihnch den Zerhackerbereich und wird durc

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den Sell inn 5 unterbrochen, danach durch eine Bezugskammer 14, die der Probenkammer 7 ähnlich ist, wobei die letzlere jedoch ein bestimmtes Volumen eines Bezugsgases enthält, das vorzugsweise dieselbe Zusammensetzung wie das Probengas hat, jedoch die besondere zu untersuchende und zu messende Komponente nicht enthält. Nach dem Verlassen der Bezugskamniei' tritt der Bezugsstrahl in eine Delektorkammer 16 ein, die mit der Detcktorkammer 12 identisch ist.

Die Detektorkammern 12 und 16 bilden einen Teil einer Detcktoreinheil 21. Die Detektoreinheit umfaßt ferner eine Strömungskammer 22, in der ein Thermistor 23 eingebaut ist, ferner Kanäle 24 und 26. die die Detektorkammern 12 und 16 entsprechend mit der Ströiiiungskammer 22 verbinden, außerdem Düsen 28, die die Endteile der Kanäle 24 und 26 darstellen. Bei der in F i g. 1 gezeigten Ausführungsform des IR-Aiialysators kann die Detektoreinheit mit ihren Ka:;;;::ern und Kanälen vollständig mit einem Gemisch der gasförmigen zu untersuchenden Komponente oder einem anderen, Infrarotenergie absorbierenden Gas und einem nicht absorbierenden Verdünnungsgas gefüllt sein.

In der optischen Bahn des Bezugsstrahles ist eine verstellbare Blende 31 angeordnet, um die Energie des Strahles zu reduzieren, ehe er die Detektorkammer in der Detektoreinheit erreicht. Die Blende kann mehr oder weniger über die Strahlöffnung geschoben werden, um diese um den gewünschten Betrag abzudecken. Es kann jedoc'i auch die der Strahlungsquelle 2 zugeführte elektrische Energie gedrosselt werden, um die Strahlenergie zu reduzieren.

Die beiden Infrarotstrahlen nach Fig. 1 laufen längs ihrer Bahnen durch die Probenkammer und die Bezugskammer und zu den beiden Detektorkammern des Detektors. Beide Strahlen werden gleichzeitig und periodisch durch den rotierenden Schirm 5 unterbrochen, so daß längs der beiden Bahnen Impulse von Infrarotenergie mit der Frequenz des Unterbrechers laufen. Wenn die die Detektorcinheit erreichenden Impulse Energie in den Wellenlängen enthalten, die durch das Gas in der Detektoreinheit absorbiert wird, so wird das Gas erwärmt und sucht sich entsprechend den Gasgesetzen auszudehnen. Wenn beide Deiektorkammern 12 und 16 dieselbe Energiemenge erhalten und absorbieren, so ist die Gasexpansion in jeder Detektorkammer dieselbe, wodurch der Druck in den Kammern sowie in den Kanälen 24 und 26 und in der Strömungskammer 22 steigt, jedoch keine Gasströmung durch die Strömungskammer vorhanden ist. Dieser Zustand tritt dann ein. wenn die beiden Strahlen dieselbe Energie haben (bei ausgeglichenem Zustand) und wenn die Probenkammer 7 ein Probengas enthält, das keine zu untersuchende Komponente enthält und wenn ferner die Bezugskammer 14 dasselbe Gas enthält.

Wenn dagegen im unausgeglichenen Zustand die Energie der beiden Strahlen ungleich ist, wobei die des Probenstrahlcs wesentlich größer ist als die des Bezugsstrahlcs (was durch Einschieben der Blende 31 in die optische Bahn des Bezugsstrahlcs erreichbar ist oder im Falle eines extremen Ungleichgewichts, wie ir F i g. 3 gezeigt, bei welchem die Strahlungsquelle des Bczugsstrahles und die Bezugszclle vollst=·::*'.;: fehlen), entsteht eine stärkere Infrarotabsorption in der Detektorkammer 12 der Detektorcinheit die von dem Probenstrahl durchstrahlt wird, als in der Detcktorkammer 16 (die durch einen gedämpften Bezugsstrahl oder wie in Fig. 3 überhaupt nicht duichstrahll wird). Dies hat zur Folge, daß das Gas in der Dcteklorkammer 12 stärker expandiert als dasjenige iu der Detektorkanimer 16, wodurch ein pulsierender Gassirom durch die Verbindungskanäle durch die Strömungskainmer 22 erzeugt wird.

Durch den pulsierenden Gasstrom, der durch die Slrömungskammer 22 strömt, wird ein dort angeoidnetes nichtlmeares elektrisches Element23, nämlich ein Thermistor gekühlt, wobei die Kühlwirkung in Form einer Widerstandsänderung meßbar ist. Wie F i g. 1 zeigt, stellt der Thermistor 23 einen Zweig einer elektrischen Brückenschaltung dar, die ferner feste Widerstände A₁, R₂ und /J₃ in den anderen Zweiten besitzt. Eine Batterie 32 versorgt die Brücke mit Strom. Der gepulste Ausgang der Brücke wird auf einen Wechselsiromverstäikcr 33 gegeben, dem ein Gleichrichter 34 und ein Glättungsfilter 36 nachgeschaltet sind, das einen Kondensator 37 und einen hierzu parallclgeschaltetcn Widerstand 38 enthält. Das entstehende Gleichstrom-Ausgangssignal, das der Wechselsiromkomponente der Widerstandsänderung des Thermistors proportional ist, wird vorzugsweise in einer Kompensationsschaltung 39 abgeglichen, so daß der Nullpunkt des Anzeigegerätes 41 in Übereinstimmung mit jeder Größe des Thermistorsignals innerhalb des Bereiches des Verstärkers in Abwesenheit der interessierenden Komponente in der Gasprobe gebracht werden kann. Die Kompensationsschaltung kann ein Potentiometer 42 und eine Gleichstromquelle 43 sein, die. wie Fig. 1 zeigt, an das Anzeigegerät 41 angeschlossen ist. Dieses kann an jede Polarität angeschlossen werden, so daß eine Zunahme oder eine Abnahme der Größe des Wechselstromsignals des Thermistors auf der Skala des Anzeigerätes 41 in steigender Drehrichtung angezeigt wird.

Um darzustellen, was bei dem anfangs unabgeglichenen Zustand geschieht, ist in Fig. 4 eine Gruppe analytisch abgeleiteter Kurven des Ausgangssignals über der Probenabsorption (der interessierenden Komponente) aufgetragen, wobei das Verhältnis der Energie der Strahlungsquelle des Bezugs-Strahles zu der Energie der Strahlungsquelle des Meßstrahles als Parameter verwendet wurde. Bei einem Verhältnis von »Null«, was bedeutet, daß die Strahlungsquelle des Bezugsstrahles abgeschaltet ist und das Instrument mit einem Strahl arbeitet, wie in F i g. 3 gezeigt ist, und wenn das entstehende unabgeglichene Ausgangssignal in Abwesenheit der interessierenden Komponente in der Gasprobe auf Null gestellt ist, ergibt sich das in F i g. 4 durch die oberste Kurve dargestellte Ausgangssignal, bezogen auf die Probenabsorption. Ist die Strahlungsquelle des Bezugsstrahles gleich derjenigen des Meßstrahles, d. h., hat man ein Verhältnis von 1 (d. h.. sind Meßstrahl und Bezugsstrahl im Gleichgewicht), so verläuft das Ausgangssignal nach der untersten Kurve in Fig.4. Das Ausgangssignal wird also für jede Größe der Absorption durch Ausgleichen der Strahlen beträchtlich geschwächt. Zwischenwertc der Ungleichheit erzeugen Ausgangssignale in Abhängigkeit von der Absorp'^;on. die zwischen dem maximalen Ungleichgewicht (Bezugsstrahl zu Probenstrahl gleich Null) und vollkommenem Gleichgewicht (Bezugsstrahl zu Probenstrahl gleich 1) liegen.

Fig.4 wurde unter Annahme eines parabolischen

Zusammenhangs (y = a -!- ft.v²) für die nichtlinearen Charakteristiken des nichtlinearen Elements 23 gezeichnet (d. h. zunehmende positive Steilheit bei einer Zunahme der Veränderlichen). Eine solche Kurve ist in den F i g. 5. 6 und 7 dargestellt. Im oberen linken Teil dieser Figuren ist eine nichtlincare Charakteristik 50 gezeigt, die zur Ordinate symmetrisch ist. Bei Anwendung auf das auf die Strömung an-■prechende Element 23 der Detektoreinheit stellt die Ordinate den Widerstand des Thermistors dar oder bei einem geeigneten Schaltkreis die Thermistor- »pannung. Auf der Abszisse ist die Strömung zwi- »chen den Deteklorkammcrn 12 und 16 der Detektoreinheit aufgetragen. Wenn nur eine der Detektorkammern durchstrahlt wird, wie in F i g. 3 gezeigt, wird durch die Erhöhung von Temperatur und Druck eine Strömung aus der Detektorkammer 12 in die Eweite Detektorkammer 16 erzeugt, die dann aufhört, wenn sich in der zweiten Detektorkammer ein ausreichender Druck aufgebaut hat. Wenn die Strahlung abgeschaltet wird, strömt das Gas aus der zweiten Detektorkammer in die erste Detektorkammer zurück, da sich das Gas in der ersten Kammer abkühlt. Wenn die Strahlung durch die eine Detektorkammer der Detcktorcinheit z. B. durch den Schirm 5 impulsartig unterbrochen wird, und wenn genügend Zeit jeweils zum Erreichen eines Temperaturgleichcewichts zueelassen wird, so ist die Gesamtströmung Γη der einen" Richtung gleich der Gesamtströmung in der anderen Richtung. Aber auch wenn die Gleichgewichtszcit im Vergleich mit einem Umlauf des Schirmes 5 lang ist, ist die Wellenform ähnlich den Wellenformcn der Strahlung, so daß die Abszisse der Übertragungskurve auch die Strahlcnencrgie darstellt.

In F Tg. 5 ist der Betrieb und das Ausgangssignal mit einem Impulsstrahl des IR-Analysator* nach F i g. 3 dargestellt. Im unteren linken Teil der F i g. 5 ist "eine Strömung*- oder Strahlungswellenform mit einem Nut/wert von Null gezeigt, d. h.. die abwechselnden Halbzyklen des Schirmes 5 haben rechts und links dieselben Werte. Die ausgezogene Linie 51 stellt die Wellenform ohne Absorption in der Probe dar. d. h.. die interessierende Komponente ist nicht vorhanden. Die gestrichelte Linie 52 stellt die Wellenform mit Absorption in der Probe dar. da hier die interessierende Komponente in der Probe enthalten ist. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in jedem Fall eine Dreicckswclle dargestellt. Wenn die Werte Punkt für Punkt von der Abszisse oder der Achse der Strömung auf die Ordinate, d. h. der Signalachse, übcrtraccn werden, und zwar unter Verwendung der übcrlragungs-Charaklcristik der Kurve 50. so erhält man das Ausgangssignal. Fs ist im oberen rechten Teil der Figur durch die ausgezogene Linie 54 gezeigt, die das Signal für /'keine Absorption darstellt, während die gestrichelte Linie 56 das Signal darstellt, das man erhält, wenn die Strahlencraie durch Absorption in der Probe geschwächt wird. Das Absorptionssignal ist dann die Differenz zwischen der ausgezogenen und der gestrichelten Linie, die durch das Maß 57 angezeigt ist.

F i g. 6 zeigt zum Vergleich die Situation, wenn beide Detektorkammern 12 und 16 bei ausgeglichenem Betrieb bestrahlt werden. Hier liegt die durch den Bezugsstrahl erzeugte Strömungswellcnform 61 immer der Strömungswellcnform 62 des Mcßstrahlcs gegenüber, da die beiden Strahlen durch den Schirm 5 gleichzeitig gepulst werden. Wenn der Bezugsstrahl und der Meßstrahl dieselbe Infrarotenergie besitzen, d. h. bei ausgeglichenem Betrieb ohne Probenabsorption, entsteht keine nutzbare Strömung durch die Strömungskammer 22. was durch die ausgezogene Linie 63 angezeigt ist. Wenn jedoch der Meßstrahl durch Absorption gedämpft wird, ist die durch den Meßstrahl in der Detektorkammer 12 induzierte Strömung schwächer, was durch die Linie 64 angedeutet ist. Die nutzbare pulsierende Strömung durch die

to Strömungskammer 22 ist somit die algebraische Summe der entsprechenden Abszissenwerte der Linien 61 und 64. Diese Differenz ist in F i g. 6 durch die Linie 66 dargestellt, die die nutzbare pulsierende Strömung durch die Strömungskammer 22 angibt.

Wiederum erhält man ebenso wie in Fig. 5 durch punktweise Übertragung die Ausgangssignale, wobei das Differenz-Ausgangssignal (Absorptionssignal), welches durch das Maß 67 in F i g. 6 angeben ist. bei ausgeglichenen Bedingungen (F i g. 5) kleiner ist als in dem extremen nicht ausgeglichenen Zustand etwa bei einem Betrieb mit nur einem Strahl (F i g. 3).

In F i g. 7 ist ein Zwischenwert der Unausgeglichenheit dargestellt, um ein Z'aischensignal zu erzeugen, das durch das Maß 71 dargestellt ist. Hier hat der nicht gedämpfte Meßstrahl eine Strömungswellenform, die durch die Linie 72 gegeben ist. während die nicht abgeglichene kleinere Energie des Bezugsstrahles durch die Linie 73 gegeben ist. Die Differenz zwischen beiden Linien, die die nutzbare Impulsströmung durch die Strömungskammer 22 in Abwesenheit der interessierenden Komponente in der Gasprobe angibt (keine Probenabsorption), ist durch die Linie 74 gegeben. Wenn die Probe die interessierende Komponente jedoch enthält, wird der Meßstrahl gedämpft, und er hat dann die durch die Linie 76 gegebene Form. Die Differenz zwischen der durch diese Linie dargestellten Energie und der kleineren Energie der Linie 73 des Bezugsstrahles ist durch die Linie 77 angegeben. Bei einer Übertragung ergibt die Differenz zwischen den Linien 76 und 73 das Au^- gangssignal 71.

Obwohl bei maximaler Unausgeglichenheii der Strahlen die Empfindlichkeit des Instrumentes ein Maximum erreicht, ist die Verwendung eines Bezugs-Strahles manchmal erwünscht, um die Umgebungsbedingungen zu kompensieren, oder in speziellen Anwendungsfällen, in denen zwischen den Absorptionen in den Sirahlen ein anderer Zusammenhang als eine einfache algebraische Differenz erwünscht ist. Durch den nicht abgeglichenen Beirieb wird die Empfindlichkeit des Meßinstrumentes, insbesondere bei geringer Absorption durch das Probengas, beträchtlich gesteigert.

Die anfängliche Ungleichheit ist stark genug, urr den unausgeglichenen Zustand auch bei maximale] Dämpfung des Meßstrahles durch die Absorption dei zu untersuchenden Gaskomponente beizubehalten Vorzugsweise wird diese Anfangs-Ungleichheit. wi< schon erwähnt, in der Meßschaltung unterdrück oder kompensiert. 1st die interessierende Gaskompo nente in dem Probensas enthalten, so ist der Meß strahl gedämpft, wenn er die Detektoreinheit erreicht er ist jedoch noch wesentlich stärker als der Bezugs strahl. Diese L'nabgcglichenheit wird dann ausge nutzt, um die nichtlinearc Charakteristik des Wider standsclemcntes in dem K^nal zwischen den beidei Detcktorkammcrn vorteilhaft einzusetzen und so di Empfindlichkeit des Instrumentes zu steigern. Al

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Fühlelement zum Messen der Gasströmung kann beispielsweise, wie schon erwähnt, ein Thermistor verwendet werden, der auf die Kühlwirkung seiner Oberfläche durch die Gasströmung in nichtlinearer Weise anspricht. Ein Thermistor ist ein wärmeempfindlicher elektrischer Widerstand mit einem negativen Widerstands-Temperaturkoeffizienten, d. h., sein Widerstand nimmt mit abnehmender Temperatur zu. Außerdem ändert sich die Änderungsgeschwindigkeit des Widerstandes umgekehrt mit der Temperatur, d. h. bei jeder Änderung der Temperatur um eine Einheit, und zwar bei abnehmender Temperatur, nimmt der Widerstand mit einer größeren Geschwindigkeit zu. Infolge dieser Merkmale spricht der Thermistor in nichtlinearer Weise auf die Gasströmung an, so daß er mit großem Vorteil als Fühlelement verwendbar ist, das auf eine Temperaturabnahme anspricht. Wenn der Thermistor durch eine von außen angelegte Spannung auf eine Temperatur über der Umgebungstemperatur erwärmt wird und wenn ein Gas mit niedriger Temperatur über seine Oberfläche strömt, wird durch die Kühlwirkung des Gases der elektrische Widerstand des Thermistors erhöht. wobei die Änderungsgeschwindigkeit des Widerstandes um so mehr steigt, je niedriger die Temperatur ist. auf die der Thermistor abgekühlt wird. Wird die Geschwindigkeit des über die Oberfläche des Thermistors strömenden Gases gesteigert, so erhält man eine nicht proportionale Steuerung des Ausgangssignals oder der Empfindlichkeit, und zwar hier dann

ίο nur durch die Änderung der Gasgeschwindigkeit. Mit anderen Worten, wenn die Gasgeschwindigkeit verdoppelt wird, wird die Empfindlichkeit mehr als verdoppelt.
Die von den Detektorkanimern zu der Strönmngskammer führenden Kanäle endigen in der letzteren in einer Düsenöffnung. Infolge dieser Düsen strömt das Gas mit hoher Geschwindigkeit in die Strömungskammer ein, und zwar abhängig von der wechselnden Expansion und Kontraktion des Gases in wenigsten; einer der Detektorkammern, wenn diese einer Impulsstrahlung ausgesetzt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

ϊ 945 236 Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Gasanalyse mittels einer periodisch unterbrochenen Infrarotstrahlung und mit einer die nachzuweisende Gaskomponente enthaltenden Probenkammer, die durch die Kombination der folgenden Merkmale gekennzeichnet ist: