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Anordnung zur Bestimmung einer Komponente eines Gasgemisches Die Erfindung
bezieht sich auf eine Anordnung zur Bestimmung einer Komponente einee Gasgemisches,
insbesonderdes Wasserdampfgehaltes der Luft, mittels eines Strahlungsempfängers
durch Differenzbildung zwischen der Strahlungsabsorption des Meßgasgemisches und
eines die zu bestimmende Komponente nicht oder in bekannter Konzentration enthaltenden
Vergleichsgases oder -gasgemisches.
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Es ist bekannt, daß eine gasförmige Komponente eines Gasgemisches,
beispielsweise der Wasserdampfgehalt der Luft gemessen werden kann, belßpielsweise
durch die Messung der Taupunkttemperatur mittels eines Taupunkthygrometers Es kann
auch als Ersatz für den Taupunkt die Umwandlungstemperatur gemessen werden, beispielsweise
mittels eines Lithlumchlorid-Taupunklhygrometers.
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Das Lithiumchlorid-Taupunkthygrometer beruht auf den Eigen-Schaften
de@ Lithiumchlorid LiCi durch Absorption Wasser aufzunehmen und dann seine elektrische
Lei tfähigkei t entsprechend zu erhohen. Der erhöhte Ütrom wiederum trocknet die
Lithiumchloridschlcht und es stellt sich zwischen der Trocknung und der Wasseraufnahme
elne Üleichgewichtstemperntur ein, die ein Maß fur den Wasserdampfdruck und damit
für dle absolute Feuchtigkeit darstellt. @le Ioleranz dieaes Me@verfahrens ist jedpch
verhällnismäslg gro@, @e betmpt einige Prozent Außerdem ist eine Laufande Nartung
erforderlich, weil kondens- und Tropfwasser auf @em @@@hm@@@ hl@rid-Fuhler die Messunf
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Es ist ferner
bekannt, die physikalischen Eigenschaften der zu bestimmenden Gaskomponente zur
Messung ihres Anteils am Gasgemisch heranzuziehen. Mit einem Ultrarot--Spektrogra,phen
kann beispielsweise die Lage und Intensität der als Absorptionsbanden meßbaren Molekülresonanzen
verwendet werden, um unbekannte Stoffgemische zu analysieren. Es lassen sich beispielsweise
schon kleine Wassergehalte durch Absorption an den für das H2O-Molekül typischen
Resonanzstellen erkennen. Die Intensität der Absorption dieser Banden läßt auf die
Konzentration des Wassers schließen.
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Nach der sogenannten Differenzmethode kann ein Infrarotstrahler zwei
Meßküvetten, die vom Gasgemisch durchströmt werden, durchstrahlen. Die beiden Strahlenbündei
werden jeweils durch den absorbierten Anteil geschwächt und fallen auf je einen
Meßempfänger. Diese Meßempfänger sind in der Form getrennter Meßkammern angeordnet,
deren Gasfüllung den eigentlichen Strahlungsempfänger darstellt. Nur eine der beiden
Meßkammern enthält das nachzuweisende Gas, z.B. Wasserdampf. Hierdurch' wird eine
selektive Absorption der Absorptionsbanden nur in dieser Kammer erreicht. Die Anzeige
erfolgt beispielsweise über Platin-Widerstandthermometer, welche durch die von der
absorbierten Strahlungsleistung beeinflußten Gastemperaturen in ihrem Widerstand
bestimmt werden. Zusammen mit den Meßkammern hat diese Einrichtung jedoch eine so
große Ausdehnung, daß damit beispielsweise eine direkte Messung der Feuchtigkeit
in einer Klimakammer nicht möglich ist.
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Man kann auch mit Strahlungsempfängern die am Boden der Meßküvetten
austretende Strahlung erfassen. Die Differenz der austretenden Strahlungsleistungen
ist ein Maß für die Durchlässigkeit und damit für den Anteil der zu bestimuenden
Gaskomponente im Casgemisch, wenn eine der Küvetten die zu bestimmende daskomponente
in bekannter Konzentration enthält. Bei Ve@wen@ung der bekannten Strahlungsdetektoren
muß jedoch ein erheblicher Störpegel in Kauf genommen werden.
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Mit der ErSindung sollen die bekannten Anordnungen zur Bestimmung
einer gasförmigen Komponente eines Gasgemisches verbessert und zugleich der bisher
erforderliche AuSwand vermindert werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Strahlungsdetektor
mit strahlungsempfindlichen Widerständen in Brückenschaltung vorgesehen ist, deren
Halbleiterkörper mit im wesentlichen senkrecht zur Richtung des Stromes ausgerichteten,
elektrisch besser leitenden Bereichen einer zweiten kristallinen Phase des Halbleiterkristalls
versehen ist, deren Abstand voneinander von gleicher Größenordnung oder kleiner
als die Vakuumwellenlänge der zu empfangenden Strahlung ist, und daß wenigstens
einer der Meßwiderstände der Brückenschaltung von der Strahlung bestrahlt wird,
die das Meßgas mit der zu bestimmenden Gaskomponente durchsetzt, und daß wenigstens
einer der Vergleichswiderstände von dem Anteil der Strahlung bestrahlt wird, die
das Vergleichsgas oder -gasgemisch durchsetzt. Der Eingang der Brückenschaltung
ist an eine Xechzelspannungsquelle angeschlossen.
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Die Ausgangswechselspannung ändert sich mit der Differenz der Strahlung
auf die Meß- und die Vergleichswiderstände. Der Brückenstrom kann vcmzugsweise verstärkt
und über,eIien phasenrichtig gesteuerten Gleichrichter einem dem Ausgang der Meßanordnung
vorgeschalteten Integrator zugeführt werden. Das Ausgangssignal der Meßanordnung
ist direkt proportional der Strahlungsdifferenz und damit dem Anteil der zu bestimmenden
Komponente des Gasgemisches.
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Die Einschlüsse der zweiten Phase im Halbleiterkristall können beispielsweise
aus Nickelantimonid bestehen und nadel- oder flächenförmig ausgebildet sein. Neben
Nickelantimonid sind noch Manganantimonid und andere Verbindungen geeignet. Sie
können mit dem Halbleitermaterial vorzugsweise ein Eutektikum bilden. Im Gegensatz
zU den bekannten Metallbolometern wird hier aber die Strahlungsleistung nicht in
einer auf den temperaturempfindlichen Widerstand aufgebrachten Schwärzungsschicht,
sondern im Widerstand selbst absorbiert. Nach einem früheren Vorschlag (Patentanmeldung
P 19 14 467t - PLA 68/1725) kann die gesamte Brückenanordnung mit den Meß--and Vergleichswiderständen
und ihren Verbindungsleitungen aus einem Kristall des Halbleiterkörpers der
Widerstände
monolithisch herausgearbeitet, insbesondere herausgeätzt, werden.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug
genommen, in deren Fig. 1 eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der
Erfindung schematisch veranschaulicht ist. Fig. 2 zeigt die Wirkungsweise der Anordnung
in einem Diagramm. Eine besondere Ausführungsform einer Detektor-Brückenanordnung
nach der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt.
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Nach Fig. 1 wird ein Gasgemisch, beispielsweise Luft, dessen eine
Komponente, beispielsweise Wasserdampf, gemessen werden soll, über eine gemeinsame
Gaszuleitung 2 und eine Zweigleitung 4 einer Meßküvette 6 zugeführt. Ein weiterer
Teil des Gasgemisches wird über ein Reduzierventil 8 und einen Lufttrockner 10 sowie
eine weitere Zweigleitung 12 einer zweiten Meßküvette 14 zugeführt.
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Die getrocknete Luftmenge kann wesentlich geringer sein als die Menge
des über die Zweigleitung 4 der Meßküvette 6 zugeführten Gasgemisches. Ein Infrarotstrahler
18 durchstrahlt mit Hilfe zweier Spiegel 20 und 22 die beiden Meßküvetten 6 und
14. Die beiden Strahlenbündel treten durch jeweils ein oberes Fenster 24 bzw. 26
in die Meßküvetten ein und jeweils durch ein unteres Fenster 28 bzw. 29 wieder aus
und werden in den Meküvetten um den vom Gas absorbierten Anteil geschwächt. Die
Penster 24 bis 30 können vorzugsweise Filter enthalten, die jeweils einzelne Spektralbanden
zur Bestimmung der Gaskomponente durchlassen.
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Die austretenden Strahlen fallen auf einen Widerstandsdetektor 30
mit vier strahlungsempfindlichen Widerständen in Brückenschaltung.
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Die Strahlen aus der Mei3küvette 6 fallen auf zwei Meßwiderstände
32 bzw. 34 und die aus der Küvette 14 austretenden Strahlen fallen auf zwei Vergleichswiderstände
36 und 38. Dem Eingang der Brückenschaltung 30 wird vorzugsweise eine Eingangswechselspannung
U0 zugeführt, die von einem Transformator 42 vorgegeben sein kann. Die Primärwicklung
des Transformators 42 ist über einen Vorwiderstand 44 an einen Wechselspannungsgenerator
46 angeschlóXssen. Die Ausgangsspannung Us der Brückenschaltung 30 kann vorzugsweise
über einen Verstärker 46 und einen phasenrichtig gesteuerten Gleichrichter 47 einen
dem Ausgang 50 der Anordnung
vorgeschalteten Integrierglied zugeführt
werden, das beispielsweise aus einem Widerstand 48 und einer Kapazität 49 bestehen
kann.
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Die aus dem Filter 28 austretende Strahlung der Küvette 6 ist um den
vom Wasserdampf absorbierten Anteil der Strahlung geschwächt. Die Intensität der
auf die Meßwiderstände 32 und 34 auftreffenden Strahlung ist somit geringer als
die Intensität der Strahlung auf die Vergleichswiderstände 96 und 38. Dementsprechend
höher ist der Widerstand der Meßwiderstände 32 und 34 und der Brückenstrom über
diese Meßwiderstände entsprechend geringer. Die durch die Meßwiderstände bestimmten
Sppnnungszeitflächen am Ausgang der Brückenanordnung sind somit entsprechend größer.
Der Doppelweggleichrichter 47 liefert somit eine pulsierende Gleichspannung, deren
aufeinanderfolgende Gleichstromimpulse vor dem Ausgang 50 integriert werden und
dort ein Signal bilden, das der Differenz der Widerstandsänderungen und damit dem
Feuchtigkeitsgehalt in der Küvette 6 proportional ist.
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Zur bestimmung des Wasserdampfgehaltes der Luft können beispielsweise
in den Meßküvetten 6 und 14 jeweils ein Filter aus Indiumarsenid InAB und ein Filter
aus Flußspat CaF2 hintereinandergeschaltet werden. In dem Diagramm nach Fig. 2 ist
die Durchlässigkeit D dieser Filter über der Wellenlänge A dargestellt. Das mit
einer Siliziumoxidschicht vergütete Indiumarsenidfilter mit einer Dicke von beispielsweise
0,35 mm ist für Strahlen mit einer Wellenlänge kleiner als etwa 3,7 /u undurchlässig.
Bei Wellenlängen größer als 8 /u ist die Durchlässigkeit unterschiedlich.
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Wird zu diesem Filter noch ein weiteres Filter aus Flußspat mit einer
Dicke von etwa 5 mm in den Strahlengang gebracht, das für Strahlen mit einer Wellenlänge
kleiner als 8 /u nahezu vollständig durchläseig ist, Jedoch für Strahlen mit einer
Wellenlänge größer ale 10 /u nahezu völlig undurchlässig ist, so tritt aus den Küvetten
lediglich eine Strahlung mit einer Wellenlänge aus, die im Bereich der Absorptionsbanden
des Wasserdampfes liegt.
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Solche Filter werden von den Jenaer-Glaswerken Schott & Gen. in
Mainz hergestellt.
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In gleicher Weise können zur Bestimmung anderer Gaskomponenten, deren
Absorptionsbanden im Bereich anderer Wellenlängen liegen, auch andere-Filter verwendet
werden.
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In der Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Ausführungsbeispiel
sind Meßkammern unter den Meßküvetten nicht erforderlich. Auch der weitere Aufwand
an Geräten ist so gering, daß die Anordnung vorzugsweise zur Feuchtemessung der
Luft direkt innerhalb einer Klimakammer angeordnet werden kann.
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Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind die Fenster der Küvetten 6
und 14 als Filter ausgebildet. Diese Filter können aber auch an Jeder anderen Stelle
außerhalb der Küvetten, insbesondere unmittelbar vor dem Detektor 30 angeordnet
sein. Falls andere Gaskomponenten'eines Gasgemisches bestimmt werden sollen, so
können auch andere Filter vorgesehen sein, beispielsweise schmalbandige Interferenzfilter,
deren Durchlaßbereich mit einer für die zu messende Gaskomponente charakteris tischen
Absorptionsbande zusammenfällt.
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Unter Umständen kann es ausre,ichend sein, wenn jeweils nur einer
der Meß- und der Vergleichswiderstände bestrahlt wird und der andere Widerstand
Jeweils abgedeckt wird.
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Die in Fig. 1 des Ausführungsbeispiels dargestellte Brückenanordnung
als Detektor, bei der jeweils zwei Widerstände der Brücke von einem Strahlenbündel
bestrahlt werden, ist besonders günstig, weil dadurch die Empfindlichkeit des Detektors
besonders gut ausgenutzt wird. Die konstriktive Gestaltung einer solchen Detektorbrücke
in monolithischer Ausführung zeigt Fig. 3. Auf einer Trägerplatte 52 aus thermisch
gut leitendem Material, beispielsweise Kupfer oder Aluminium ist die Brückenanordnung
30 elektrisch isoliert befestigt. Sie kann beispielsweise auf die Unterlage 52 mittels
eines Kunstharzklgbers aufgekittet sein.
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Die Grundplatte 52 kann vor der Befestigung des Halbleiterkristalls
zweckmäßig mit einer Isolierschicht, beispielsweise aus Siliziummonoxid SiO, bedampft
sein. Aus dem Halbleiterkristall, beispielsweise aus Indiumantimonid InSb mit einer
eingelagerten zweiten Phase, die beispielsweise aus Niokelantimonid NiSb bestehen
kann,
sand vorzugsweise durch einen Xtzvorgang Gräben 56 bis 58 derart herausgearbeitet,
daß der verbleibende Teil des Halbleiterkörpers die gesamte Brückenanordnung mit
den Meßwiderständen 32 und 34 und den Vergleichswiderständen 36 und 38 sowie den
Brückenleitern 60 bis 63 bildet. Die Brückenleiter 60 bis 63 sind jeweils über einen
weiteren elektrischen Verbindlmgsleiter 65 bis 68 mit dem elektrisch leitenden feil
einer isolierten Durchführung durch die Grundplatte 52 verbunden. Die leitenden
Teile 70 bis 73 sind jeweils in einer Bohrung 75 bis 78 der Grundplatte 5? und gegen
diese elektrisch isoliert angeordnet. Die Widerstände 32, 34, 36 und 38 sind jeweils
freitragend über einer Vertiefung der Grundplatte 52 angeordnet. Das kann beispielsweise
jeweils ein Sackloch sein, wobei die Ränder mit 80 und 81 bezeichnet sind. Den Durchführungsleitern
70 und 71 kann die Eingangswechselspannung UO zugeführt werden. Der Durchführungsleiter
72 kann den Ausgang der Brückenanordnung bilden und der Durchführungsleiter 73 kann
auf Nullpotential gelegt werden.
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Zwischen der Brückenanordnung 30, deren gesamte ausdehnung vorzugweise
nur wenige Millimeter beträgt, und den Austrittsfensern 28 und 29 der Küvetten 6
und 14 kann vorzugsweise eine in der Figur' nicht dargestellte Lochblende angeordnet
werden, von deren Löchern sich jeweils eines oberhalb des Meßwiderstandspaares bzw.
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des Vergleichswiderstandspaares befindet. Eine abweichende Strahlungsleistung
zwischen der vom Meßwiderstandspaar und der vom Vergleichswiderstandspaar empfangenen
Strahlung ergibt sich entsprechende Abweichung des Ausgangssignals am Ausgang 50
der Anordnung, die der Strahlungsdifferenz direkt proportional ist und damit ein
Maß für den Anteil der zu bestimmenden Gaskomponente im Gasgemisch bildet.
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Anstelle der im Ausführungsbeispiel dargestellten gemeinsamen Brückenanordnung
als Detektor für die austretende Strahlung beider Küvetten 6 und 14 kann jedoch
auch jeweils eine getrennte Brückenanordnung für die aus einer der Küvetten austretende
Strahlung vorgesehen sein. Dann werden nur die Meßwiderstände dieser Brückenanordnung
bestrahlt und deren Vergl e ichswi ders tände .abgedeckt und von der Strahlung somit
nicht erreicht. Der Unters$hited in den
Ausgangsspannungen der einzelnen
Brückenanordnungen bildet dann ebenfalls ein Maß für den Anteil der zu bestimmenden
Komponente im Gasgemisch der Meßküvette.
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3 Figuren 9 Patentansprüche