DE19521349C2 - Chemolumineszenz-Analysator - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Chemolumineszenz-Ana­ lysator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie aus DE 26 16 792 A1 bekannt. In einem derartigen Analysator wird die bei einer Reaktion eines Probengases mit einem Reaktions­ gas erzeugte Chemolumineszenz detektiert, um eine Konzentration des Probengases auf der Grundlage eines detektierten Signals zu messen.

Der aus der DE 26 16 792 A1 bekannte Chemolumineszenz-Analysator enthält eine elektrisch leitende Reaktionskammer, der ein Probengas und ein Reaktionsgas zuführbar sind, ein optisches Fenster an einer Seite der Reaktionskammer und eine an der der Reaktionskammer gegenüberlie­ genden Seite des optischen Fensters liegende Photodiode zum Detektieren einer infolge der Reaktion beider Gase erhaltenen Chemolumineszenz- Strahlung.

Aus der DE 22 45 488 B2 ist bekannt, bei einem Chemolumineszenz-Ana­ lysator mit einem Lichtunterbrecher zwischen Reaktionskammer und der die erzeugte Strahlung aufnehmenden Silizium-Photodiode, zur kapaziti­ ven Entkopplung von Lichtunterbrecher und Photodiode ein lichtdurch­ lässiges elektrisches Teil zwischen diesen Bauteilen anzubringen.

Ferner ist aus der JP 51-135 694 A bekannt, bei einem Chemolumines­ zenz-Analysator zur Erzeugung von Ozon in der Reaktionskammer als Ge­ genelektrode das dem Detektor benachbarte optische Fenster der Reak­ tionskammer mit einer elektrisch leitenden Schicht zu versehen, die dann mit einer in der Reaktionskammer befindlichen Elektrode die Entladungs­ strecke bildet.

Die Fig. 4 zeigt den herkömmlichen Aufbau eines konventionellen Che­ molumineszenz-Analysators. Entsprechend der Fig. 4 bezeichnet das Bezugszeichen 41 ein Gehäuse, das mit Probengas und Reaktionsgas be­ füllt wird, und das eine Reaktionskammer 43 mit einem optischen Fenster 42 aufweist, durch das bei der Reaktion beider Gase erzeugte Chemolumi­ neszenz-Strahlung hindurchtritt. Die Reaktionskammer 43 befindet sich an einer Seite des optischen Fensters 42, während auf der anderen Seite des optischen Fensters eine Photodiode 44 als optisches Detektorelement liegt, deren Lichtempfangsfläche auf das optische Fenster 42 zuweist. Mit dem Bezugszeichen 45 ist eine elektronische Kühleinrichtung gekenn­ zeichnet, um die Photodiode 44 zu kühlen.

Wird in den herkömmlichen Chemolumineszenz-Analysator NO-Gas als Probengas und Ozon als Reaktionsgas eingeleitet, so reagieren diese Gase innerhalb der Reaktionskammer 43 und erzeugen eine Chemolumi­ neszenz, die mit Hilfe der Photodiode 44 detektiert wird. Dadurch ist es möglich, eine Konzentration des NO-Gases auf der Grundlage der Lumi­ neszenz-Intensität zu ermitteln.

Das in die Reaktionskammer 43 des Chemolumineszenz-Analysators ein­ geleitete Probengas ist jedoch nicht immer ein trockenes Gas, sondern kann auch ein Feuchtigkeit enthaltendes Gas bzw. nasses Gas sein, z. B. ein nasses Nullgas. Bei Einleitung dieses Naßgases in die Reaktionskam­ mer 43 entstehen elektrische Ladungen (OH-Gruppen) infolge des im Naßgas vorhandenen Wassers, und zwar an einer inneren Oberfläche der Reaktionskammer im Bereich des optischen Fensters 42, wodurch sich das elektrische Potential des optischen Fensters 42 ändert. Hierdurch ändert sich auch das elektrische Potential innerhalb des Raumes 46, in wel­ chem sich die Photodiode 44 befindet, so daß im Ergebnis die Betriebswei­ se der einen Halbleiter enthaltenden Photodiode nachteilig beeinflußt wird. Mit anderen Worten enthält hier ein Ausgangssignal des Chemolumi­ neszenz-Analysators einen Störanteil, der durch das im Naßgas vorhan­ dene Wasser entsteht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Chemolumineszenz- Analysator der genannten Art das elektrische Potential in der Nähe einer Photodiode auf einem gewünschten Wert zu stabilisieren, um den durch Naßgas hervorgerufenen Einfluß auf das Meßsignal zu reduzieren und so­ mit die Meßgenauigkeit des Analysators zu erhöhen.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patent­ anspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Beim Chemolumineszenz-Analysator nach der Erfindung wird einer Reak­ tionskammer ein Probengas und ein Reaktionsgas zugeführt. Diese Pro­ benkammer ist an einer Seite mit einem optischen Fenster verschlossen, das für Chemolumineszenz-Strahlung transparent ist. Auf der der Reak­ tionskammer gegenüberliegenden Seite des optischen Fensters befindet sich im Abstand vom optischen Fenster eine Photodiode, die die in der Re­ aktionskammer erzeugte Chemolumineszenz-Strahlung detektiert und ein entsprechendes Detektorsignal ausgibt, wenn beide Gase innerhalb der Reaktionskammer miteinander reagieren.

Das optische Fenster ist dabei elektrisch leitend, wobei es darüber hinaus geerdet sein oder ein anderes konstantes Potential empfangen kann. Dabei kann das optische Fenster aus einem elektrisch leitenden Material herge­ stellt sein oder eine elektrisch leitende Beschichtung tragen. Vorzugswei­ se befindet sich diese elektrisch leitende Beschichtung auf der der Photo­ diode zugewandten Seite des optischen Fensters.

Infolge des konstanten Potentials bzw. der Erdung des optischen Fensters der Reaktionskammer läßt sich das elektrische Potential des optischen Fensters stabilisieren, so daß auch stabilisierte Potentialverhältnisse in der Umgebung der Photodiode erhalten werden, die auf das optische Fen­ ster zugerichtet ist. Dadurch läßt sich insbesondere der störende Einfluß von Wasser in einem Naßgas auf das Detektorsignal erheblich verringern.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ei­ nes Chemolumineszenz-Analysators nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 einen vergrößerten Teilausschnitt aus dem Analysator gemäß Fig. 1;

Fig. 3 einen vergrößerten Teilausschnitt gemäß einer bevorzugten Wei­ terbildung des Chemolumineszenz-Analysators nach Fig. 1; und

Fig. 4 den Aufbau eines bekannten Chemolumineszenz-Analysa­ tors.

Die Fig. 1 und 2 zeigen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Chemolumineszenz-Analysators nach der vorliegenden Erfindung. In Fig. 1 ist ein Gehäuse mit dem Bezugszeichen 1 versehen, das im oberen Be­ reich offen ist und zum Beispiel aus Aluminium besteht. In einem oberen Raum des Gehäuses 1 befindet sich ein blockförmig aus­ gebildetes Gefäß, im folgenden als Block 2 bezeichnet, das beispielweise aus Fluorharzen besteht. In Drauf­ sicht weist es einen kreisförmigen Querschnitt auf. Dieses blockförmige Gefäß weist an seiner unteren Oberfläche eine spiralförmig verlaufende Furche 3 auf, wobei die Wandungen dieser Furche 3 für Strahlung reflek­ tierend sind. Das Bezugszeichen 4 kennzeichnet einen Verbindungsbe­ reich in Form einer bodenseitigen Öffnung an der Unterseite des blockför­ migen Gefäßes und in Verbindung stehend mit einem zentralen bzw. mit­ tig liegenden Endbereich der spiralförmig verlaufenden Furche 3. Gasein­ laßpassagen 5, 6 erstrecken sich an der oberen Seite des Blocks 2 und stehen mit gegenüberliegenden Seiten des gemeinsamen Verbindungsbe­ reichs 4 in Verbindung. Diese Gaseinlaßpassagen 5, 6 verlaufen also ausgehend vom gemeinsamen Verbindungsbereich 4 in Richtung zur oberen Seite des Blocks 2. Dabei sind die Gaseinlaßpassagen 5 und 6 unabhängig voneinander bzw. getrennt voneinander angeordnet. Eine Gasauslaßpassage 7 erstreckt sich von oben nach unten durch den Block 2 hindurch und steht in Verbin­ dung mit dem außen liegenden Endbereich der spiralförmig verlaufenden Furche 3.

Eine als optisches Fenster 8 dienende transparente Platte steht in engem bzw. dichtendem Kontakt mit derjenigen Seite des Blocks 2, an der sich die spiralförmig verlaufende Furche 3 befindet. Dieses optische Fenster 8 ar­ beitet auch als optischer Filter. Durch das optische Fenster 8 wird praktisch der offe­ ne Bereich der spiralförmigen Furche 3 über deren gesamte Länge abge­ dichtet, so daß auf diese Weise eine spiralförmig verlaufende Reaktions­ kammer 9 erhalten wird. Das optische Fenster 8 ist fest mit dem Block 2 verbunden, wahlweise durch Druckschweißen oder durch Verkle­ bung. Zusätzlich ist mit dem Bezugszeichen 10 ein Kleb­ stoff bezeichnet, über den das optische Fenster 8 mit einer Innenoberflä­ che des Gehäuses 1 verbunden ist.

Eine Photodiode 11 befindet sich in einem unteren Raum 12 unterhalb des Blocks 2 sowie innerhalb des Gehäuses 1 und schließt sich unmittelbar an das optische Fenster 8 an. In diesen unteren Raum 12 tritt Strahlung ein, die durch das optische Fenster 8 hindurchgelaufen ist. Diese Strahlung fällt dann auf die Photodiode 11. Unterhalb der Photodiode 11 befindet sich eine elektronische Kühleinrichtung 13, beispielsweise ein Peltier-Ele­ ment. Es dient dazu, einen Temperaturanstieg der Photodiode 11 zu verhindern, die unmittelbar auf der elektronischen Kühleinrichtung 13 liegt. Die elektronische Kühlein­ richtung 13 befindet sich auf der inneren bzw. unteren Oberfläche des Ge­ häuses 1.

Ein zum Beispiel aus rostfreiem Stahl hergestellter Deckel 14 weist mehre­ re in Dickenrichtung verlaufende Durchgangspassagen auf und liegt ober­ halb des Blocks 2 sowie auf dem Rand des Gehäuses 1. Dieser Deckel 14 enthält genauer gesagt Durchgangskanäle 15, 16 und 17, die der Reihe nach mit der Gaseinlaßpassage 5, der Gaseinlaßpassage 6 und der Gas­ auslaßpassage 7 in Verbindung stehen. Die Durchgangskanäle 15, 16 und 17 ver­ laufen also bis zur unteren Oberfläche des Deckels 14. An der Oberseite des Deckels 14 münden die Durchgangskanäle 15, 16 und 17 der Reihe nach jeweils in Gaseinlaßtore 18 bzw. 19 und in ein Gasauslaßtor 20. Diese Tore 18, 19 und 20 sind gegenüber den Durchgangskanälen 15, 16 und 17 im Durchmesser erwei­ tert. Zusätzlich befinden sich Dichtungselemente 21, 22, 23 und 24, bei­ spielsweise O-Ringe, einerseits zwischen dem Deckel 14 und dem Gehäuse 1 sowie andererseits zwischen dem Deckel 14 und dem Block 2, wobei letz­ tere jeweils konzentrisch zu den Passagen 15, 16 und 17 liegen und das Dichtungselement 21 konzentrisch zum Block 2.

Der Deckel 14 liegt somit dicht auf dem oberen Umfangsrand des Gehäuses 1 auf und auch eng am Block 2 an, der an seiner Unterseite das optische Fenster 8 trägt. Dieses kann auf einem Innenumfangsflansch 1a des Ge­ häuses 1 zu liegen kommen, wobei der Deckel 14 das aus dem Block 2 und dem Fenster 8 gebildete Bauelement leicht gegen diesen Umfangsflansch 1a drücken kann.

Die Durchgangskanäle 15, 16 und 17 können auch in nach unten weisenden Ansät­ zen des Deckels 14 verlaufen, wobei diese Ansätze dann in entsprechende Ausnehmungen an der Oberseite des Blocks 2 eingreifen. Im Bereich die­ ser Ausnehmungen sind dann die Dichtungselemente 22, 23 und 24 vor­ handen.

Gemäß vergrößerter Darstellung von Fig. 2 ist das optische Fenster 8 mit einer geeigneten und elektrisch leitfähigen Beschichtung versehen, die das Bezugszeichen 25 trägt und wenigstens für Lumineszenzstrahlung transparent ist. Es kann sich hier um einen transparenten und elektrisch leitfähigen Film (ITO) handeln oder um einen Farb- oder Lackauftrag. Die transparente, elektrisch leitfähige Beschichtung 25 befindet sich an der unteren Oberfläche des optischen Fensters 8, also an derjeni­ gen Oberfläche, die zur Photodiode 11 weist. Durch diese Beschichtung 25 wird das optische Fenster 8 elektrisch leitend, wobei die Beschichtung 25 mit einer metallischen Feder 26 in Kontakt steht, die durch eine im Gehäu­ se 1 vorhandene Öffnung 27 in den unteren Raum 12 hineinragt. Dabei sind die Feder 26 und die elektrisch leitende Beschichtung 25 des opti­ schen Fensters 8 mittels eines Fixierelements, beispielsweise mittels einer Flachkopfschraube 28, miteinander druckverschweißt. Insgesamt läßt sich somit das optische Fenster 8 erden, so daß das optische Fenster 8 ein elektrisches Potential aufweist, das gleich demjenigen des Gehäuses 1 ist. Das Erdpotential wird also über das elektrische Gehäuse 1, die Flachkopf­ schraube 28 und über die Druckfeder 26 der elektrisch leitenden Be­ schichtung 25 zugeführt.

Wie die Fig. 2 weiter erkennen läßt, ist die wendelartige Feder 26 von einem zylindrischen Führungselement 29 umgeben, das beispielsweise aus ei­ nem Fluorharz bestehen kann und verhindert, daß sich die Feder 26 ver­ biegt. Das Führungselement 29, das hohlzylindrisch ausgebildet ist, kann mit seinem unteren Ende in eine entsprechende Ausnehmung des Gehäu­ ses 1 eingesetzt sein.

Beim Chemolumineszenz-Analysator mit dem oben beschriebenen Aufbau wird zum Beispiel NO-Gas als Probengas und Ozon als Reaktionsgas in den Block 2 eingeleitet. Dabei strömt das NO-Gas durch das Gaseinlaßtor 18 hindurch und das Ozon durch das Gas­ einlaßtor 19. Sobald diese beiden Gase in Richtung zum gemeinsamen Verbindungsbereich 4 strömen, werden sie dort vermischt und erreichen schließlich die Reaktionskammer 9. Danach verläßt das Gasgemisch den Block 2 über das Gasauslaßtor 20. Reagiert das aus NO-Gas und Ozon bestehende Gasgemisch in der Reaktionskammer 9, so wird die hierbei entstehende Chemolumineszenz-Strahlung durch das optische Fenster 8 hindurchgeleitet und fällt auf die Photodiode 11 auf, so daß diese das auftreffende Licht detektieren und ein Ausgangssignal ausgeben kann.

Wie bereits beschrieben, ist beim Chemolumineszenz-Analysator das optische Fenster 8 wenigstens im Bereich der Reaktions­ kammer 9 geerdet, wodurch das elektrische Potential des optischen Fen­ sters 8 stabilisiert wird. Darüber hinaus befindet sich die Photodiode 11 auf einer elektrischen Kühleinrichtung 13, die fest am Gehäuse 1 montiert ist, so daß innerhalb des vom Gehäuse 1 und dem optischen Fenster 8 be­ grenzten Raumes stabilisierte elektrische Potentialverhältnisse erhalten werden. Die elektrischen Potentiale vom optischen Fenster 8 und Photo­ diode 11 können somit nicht mehr schwanken. Das elektrische Potential im Umgebungsbereich der Photodiode 11 ist also konstant, wodurch er­ reicht wird, daß störende Einflüsse infolge von Wasser im Naßgas be­ trächtlich reduziert werden, etwa um 30%.

Um das optische Fenster 8 zu erden, sind nur die Feder 26 und die Flach­ kopfschraube 28 erforderlich, so daß sich in dieser Hinsicht auch eine ein­ fache Montage des Chemolumineszenz-Analysators ergibt.

Wie oben beschrieben, werden die Feder 26 und die Flachkopfschraube 28 zur Erdung des optischen Fensters 8 herangezogen. Alternativ kann auch ein elektrisch leitender Kleber zum Einsatz kommen, um das optische Fenster 8 fest am Gehäuse 1 zu montieren, wie die Fig. 3 zeigt. In diesem Fall ist die elektrisch leitende Beschichtung 25 in elektrisch leitender Verbindung mit dem elektrisch leitenden Kleber 30. Hierzu kann die Beschichtung 25 soweit zum Rand des Fensters gezogen sein, daß sie noch deren Stirnseiten bzw. Kanten be­ deckt. Der elektrisch leitende Kleber befindet sich dann zwischen der Kan­ te des Fensters 8 und dem Gehäuse 1. Elektrisch leitender Klebstoff könnte aber auch zwischen dem Ansatz 1a des Gehäuses 1 und der Beschichtung 25 vorhanden sein, abweichend von Fig. 3.

In bezug auf die Ausführungsbeispiele wurde beschrieben, daß sich an ei­ ner Seite des optischen Fensters 8 eine transparente und elektrisch leitfä­ hige Beschichtung 25 befindet, beispielsweise ein Farbauftrag, um das op­ tische Fenster 8 wenigstens in dessen Oberflächenbereich elektrisch lei­ tend zu machen. Alternativ dazu kann das optische Fenster 8 aber auch selbst aus einem elektrisch leitfähigen Glas bestehen. Eine gesonderte Be­ schichtung ist dann nicht mehr erforderlich.

Wie beschrieben ist das elektrische Potential des optischen Fensters 8 nicht nur dadurch stabilisiert, daß es selbst elektrisch leitend ist oder eine elektrisch leitende Beschichtung trägt, sondern auch da­ durch, daß konstantes Potential bzw. Erdpotential an das optische Fen­ ster angelegt wird. Mit anderen Worten wird das Erdpotential des Gehäu­ ses 1 unmittelbar zum optischen Fenster 8 bzw. zu dessen elektrisch lei­ tender Beschichtung 25 geführt, so daß sich das elektrische Potential im Umgebungsbereich der Photodiode 11 sehr gut stabilisieren läßt. Stören­ de Einflüsse im Detektorsignal der Photodiode 11, die vom Wasser im Naßgas herrühren, lassen sich somit beträchtlich reduzieren, wodurch der Chemolumineszenz-Analysator eine verbesserte Meßgenauigkeit aufweist.

Claims (10)

1. Chemolumineszenz-Analysator mit einer elektrisch leitenden Reaktionskammer, der ein Probengas und ein Reaktionsgas zuführbar sind, einem optischen Fen­ ster an einer Seite der Reaktionskammer, und einer an der der Reak­ tionskammer gegenüberliegenden Seite des optischen Fensters lie­ genden Photodiode zum Detektieren einer infolge der Reaktion beider Gase erhaltenen Chemolumineszenz-Strahlung, dadurch gekennzeich­ net, daß das optische Fenster (8) elektrisch leitend ist und an ein festes elek­ trisches Potential angeschlossen ist.

2. Chemolumineszenz-Analysator nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das optische Fenster (8) vollständig aus elektrisch leiten­ dem Glas hergestellt ist.

3. Chemolumineszenz-Analysator nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das optische Fenster (8) wenigstens auf einer seiner Haupt­ flächen eine elektrisch leitende, transparente Beschichtung (25) trägt.

4. Chemolumineszenz-Analysator nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Beschichtung (25) an der der Photodiode (11) zugewand­ ten Seite liegt.

5. Chemolumineszenz-Analysator nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Beschichtung (25) eine Farb- oder Lackschicht ist.

6. Chemolumineszenz-Analysator nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Beschichtung (25) eine Me­ tallschicht ist.

7. Chemolumineszenz-Analysator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitenden Bereiche des opti­ schen Fensters (8) in elektrischem Kontakt mit dem elektrisch leitenden Gehäuse (1) stehen.

8. Chemolumineszenz-Analysator nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die elektrisch leitenden Bereiche des optischen Fensters (8) über einen elektrisch leitenden Kleber (30) mit dem Gehäuse (1) in Kontakt stehen.

9. Chemolumineszenz-Analysator nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die elektrisch leitenden Bereiche des optischen Fensters (8) über ein federndes Kontaktglied (Feder 26) mit dem Gehäuse (1) in Kontakt ste­ hen.

10. Chemolumineszenz-Analysator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das feste elektrische Potential das Erdpotenti­ al ist.