DE19848120A1

DE19848120A1 - Einrichtung zur Messung der Strahlungsabsorption von Gasen

Info

Publication number: DE19848120A1
Application number: DE1998148120
Authority: DE
Inventors: Walter Fabinski; Michael Zoechbauer; Gerd Laschinsky
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB Patent GmbH
Priority date: 1998-10-20
Filing date: 1998-10-20
Publication date: 2000-05-18
Anticipated expiration: 2018-10-21
Also published as: DE19848120C2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung der Strahlungsabsorption von Gasen mit einer Strahlungsquelle mit Modulations- und Selektivierungseinrichtungen, einer Absorptionszelle sowie einem Detektor. Um bei einer Einrichtung dieser Art eine Absorptionszelle mit großer effektiver optischer Absorptionsweglänge zu realisieren, wobei die Einrichtung baulich einfach gestaltet und der Justageaufwand möglichst gering sein soll, ist erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß das Eintritts- und/oder das Austrittsfenster der Zelle als teildurchlässige Spiegel ausgeführt ist bzw. sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung der Strahlungsabsorption von Gasen, Flüssigkeiten oder Festkörpern, mit einer Strahlungsquelle, einer Absorptionszelle sowie einem Detektor gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Der Grundaufbau solcher Einrichtungen besteht aus einer Strahlungsquelle, einer Modulationseinrichtung, einer Absorptionszelle sowie einem Detektor und ggf. einer Selektivierungseinrichtung. Die besagten Elemente sind dabei auf einer optischen Achse oder zumindest hintereinander gereiht angeordnet. Das von der Strahlungsquelle emittierte Licht einer charakteristischen Wellenlänge oder zumindest eines charakteristischen Spektrums durchläuft die Modulationseinrichtung, die Selektivierungseinrichtung, die Absorptionszelle, in welcher entweder Gase, Flüssigkeiten oder Festkörper eingebracht bzw. eingefüllt sind. Hinter der von der Strahlung beaufschlagten Absorptionszelle ist dann ein Detektor angeordnet, welcher das nach Passieren der Absorptionszelle verbleibende Licht hinsichtlich seiner Intensität mißt. Aus dieser errechnet sich die in der Absorptionszelle bewirkte Absorption. Eine Selektivierungseinrichtung besteht ggf. aus Interferenz-, Farb oder Gasfiltern; ggf mißt auch der Detektor selektiv, oder die Lampe strahlt eine spez. Wellenlänge oder -kombination zur Selektivierung aus. Der Detektor selbst mißt in der Regel in einem weiten Wellenlängenbereich sensitiv, da die Meßmethode auf die jeweilige Absorptionsbande gewünschter Substanzen gerichtet ist. Der besagte Verlust wird am Detektor gemessen, wobei dieser mit der Differenz zwischen der Meßanordnung mit Meßgas und ohne Meßgas verglichen wird. Üblicherweise weisen die Absorptionszellen zumindest zwei Fenster auf, ein Eintrittsfenster und ein Austrittsfenster. Diese besagten Fenster sind bezüglich der Wellenlänge charakteristischer Absorptionsbanden transparent. Da die besagten Absorptionszellen durchstrahlt werden, befinden sich die transparenten Fenster bezogen auf den Strahlengang an zwei gegenüber liegenden Seiten. Sind nun die Absorptionen aufgrund einer geringen Konzentration der eigentlich selektiv zu ermittelnden Gaskomponente im Gasgemisch klein oder ist die physikalisch im Meßgas bewirkte wellenlängenbezogene Absorption klein, so ist auch die Intensitätsabnahme der Strahlung hinter der Zelle gering. Eine genaue Messung geringerer Absorptionen oder kleiner Konzentrationen ist damit unter der Maßgabe einer guten Genauigkeit nicht mehr möglich. Hierzu werden bekanntermaßen die Absorptionszellen verlängert. Vielfach besteht jedoch die Maßgabe, daß die so aufgebauten Meßeinrichtungen transportabel sein müssen, wobei dann eine Absorptionszelle in der Länge von mehreren Metern nicht mehr realisierbar ist. Aus diesem Grund werden sogenannte Multireflexionszellen verwendet, wie z. B. die "White-Zelle".

Eine solche White-Zelle besteht aus transparenten Eintritts- und Austrittsfenstern sowie mehreren, innerhalb der Zelle angeordneten Spiegeln. Das einfallende und ausfallende Licht muß dazu auf Spalte abgebildet werden und dann an den Spiegeln bzw. zwischen den Spiegelanordnungen reflektiert, so daß das Licht mehrfach durch die zu untersuchende Substanz hindurchläuft, wodurch sich in Summe die Absorption erhöht.

Hierbei ergibt sich jedoch der Nachteil, daß die Anzahl der Bauteile im Vergleich zu einer einfachen Absorptionszelle hoch ist, und darüber hinaus ist eine genaue Justage der Spiegelpositionierungen zueinander notwendig. Durch die Abbildung auf Spalte entstehen Energieverluste. Weiterhin können solche White-Zellen nicht anstelle einfacher Absorptionszellen, z. B. in einem Spektrometer, verwendet werden, ohne daß zum Teil eine Änderung in erheblichem Umfang notwendig wird.

Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Absorptionszelle mit großer effektiver optischer Absorptionsweglänge zu realisieren, wobei die Einrichtung baulich einfach gestaltet und der Justageaufwand möglichst gering ist, z. B. daß die Eingangs- und Ausgangsapertur identisch der einer einfachen, zylindrisch ausgeführten Meßküvette ist.

Die gestellte Aufgabe wird bei einer Einrichtung der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Eine erfindungsgemäße Verwendung ist in Anspruch 11 angegeben.

Der Vorteil der Erfindung liegt darin, daß im Vergleich zu üblichen Zellen eine große effektive absorbierende Wegstrecke entsteht. Diese entsteht dabei, ohne daß komplizierte Spiegelanordnungen oder Abbildungsoptiken außerhalb und innerhalb der Zelle mit entsprechendem Justageaufwand angeordnet sein müßten. Damit ist auch eine Messung geringer Absorptionen möglich. Eine entsprechende Wahl der Reflektivität der Spiegel bzw. der Spiegeloberflächen ermöglicht dabei, die optisch durchstrahlte Wegstrecke zu bestimmen bzw zu bewirken. Da das Licht die Zelle auf geradem Wege durchstrahlt, ist eine einfache Integration der Zelle in bestehende Spektrometer möglich.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, die Anordnung der Spiegelflächen im Abstand der Krümmungsradien derart zu gestalten, daß eine konfokale Anordnung entsteht. Diese konfokale Anordnung hat den Vorteil, daß Licht von schlechter Strahlungsqualität sehr lange zwischen den Spiegeln hin und zurück reflektiert wird und nicht aus der Zelle herausläuft. Damit können auch lange Wegstrecken für solche Licht- oder Strahlungsquellen realisiert werden, die nur eine schlechte Strahlungsqualität haben.

Durch die Mehrfachreflexion in sich selbst wird natürlich nicht nur das absorptionsbedingte count-rate-Signal erhöht, sondern auch das bspw. extinktionsbedingte begleitende Rauschsignal angehoben. Dies stellt zwar ein weiteres Problem dar, was aber im Zusammenhang mit der hier dargestellten Erfindung zunächst nicht im Vordergrund steht.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher beschrieben.

Es zeigt:

Fig. 1 Der Grundaufbau der Zelle.

Fig. 2 Schematischer Strahlengang mit Darstellung der Absorptionen.

Fig. 3 Grundaufbau eines Fotometers mit Strahler, Modulationseinrichtung, Meßzelle und Detektor.

Fig. 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau. Von einer Strahlungsquelle oder einer Lichtquelle L ausgehend wird über ein Linsen- oder Filtersystem das Licht über eine hier nicht weiter dargestellte Modulationseinrichtung auf die Zelle gerichtet. Die Zelle selbst wird von den Spiegeln Sp1 und Sp2 jeweils stirnseitig begrenzt. Eine einfache Umrüstung bestehender Spektrometer kann darin bestehen, die bereits vorhandene Zelle Z, die auch als Küvette bezeichnet wird, stirnseitig mit den dargestellten verspiegelten Fenstern Sp1 und Sp2 zu versehen. Das Licht einer ausgedehnten Lichtquelle L wird dabei über die besagte Linse F in die Zelle eingestrahlt. Die beiden Spiegel Sp1 und Sp2 sind dabei teildurchlässig. Die Krümmungsradien der Spiegel entsprechen dem Abstand der Spiegel r1 = r2 = I. Hinter der Zelle ist ein Detektor D angeordnet, der die Intensität des Lichtes, welches nach Passieren der Zelle Z noch vorhanden ist, mißt. Kann die Lichtquelle in der Emmissionswellenlänge abgestimmt werden, so läßt sich wellenlängenaufgelöst die Absorption der in der Zelle eingeschlossen Substanz bestimmen.

Fig. 2 zeigt anhand eines Prinzipbildes den eigentlichen Strahlengang und die bewirkte Absorption. Das Licht der Intensität I₀ trifft auf das verspiegelte Eintrittsfenster und der Teil I₀ × R wird zurückreflektiert. Der Teil I₀(1-R) passiert das besagte verspiegelte Fenster, welches in Fig. 2 auch durch Sp1 dargestellt ist. Das besagte eintretende Licht tritt in die Länge der Zelle der Länge L ein.

Das Licht wird von der Substanz mit dem Absorptionskoeffizenten α nach dem Lambert-Beerschen-Gesetz geschwächt und der Teil

I = I₀(1-R)²e^- ^α ^l (1)

verläßt das verspiegelte Austrittsfenster der Zelle. Der Teil

I₀(1-R)Re^α ^l

wird in die Zelle zurück reflektiert und nach dem Lambert-Beerschen-Gesetz geschwächt. Nach der Reflexion am Eintrittsfenster und weiterer Absorption verläßt der Teil

I₀ (1-R)²R²e^-3 ^α ^l (2)

das Austrittsfenster. Ein Teil des Lichtes wird in die Zelle zurück reflektiert und nach einem weiteren Umlauf verläßt der Teil

I₀ (1-R)²R⁴e^-5 ^α ^l (3)

das Austrittsfenster. Nach jedem Umlauf in der Zelle kommt ein weiterer Intensitätsbeitrag zu der Intensität I_∞ am Austrittsfenster hinzu. Die resultierende Intensität ergibt sich zu

I_∞ = I₀ (1-R)²e^- ^α ^l(1 + R²e^-2 ^α ^l + R⁴e^-4 ^α ^l +. . .). (4)

Bei dieser Summe handelt es sich um eine geometrische Reihe, die sich zu

umschreiben läßt. Da das Licht mehrfach in der Zelle umläuft und dabei jeweils nach dem Lambert-Beerschen Gesetz geschwächt wird, führt die Anordnung in Zeichnung 1 zu einer Verlängerung der optischen Wegstrecke. Diese Verlängerung λ läßt sich über

berechnen. Es ergibt sich eine Verlängerung um den Faktor

Dieser Faktor ist abhängig von der Absorption α der Substanz. Mit höherer Konzentration, d. h. mit größerem α, nimmt die Zahl der Umläufe in der Zelle ab und folglich wird auch die optische Wegstrecke λl geringer. Für eine verschwindende Absorption α → 0 läßt sich λ zu

berechnen.

Die Intensität hinter dem Austrittsfenster der Zelle mit den verspiegelten Fenstern ist im Vergleich zu einer Zelle mit den unverspiegelten Fenstern geringer, da das Eintrittsfenster nur der Anteil I₀(1-R) passieren kann. Der Verlust an Intensität durch die verspiegelten Fenster im Vergleich zu den unverspiegelten Fenstern ergibt sich zu

Für eine verschwindende Absorption von α = 0 läßt sich der intensitätsverlust mit

berechnen.

Für eine Reflektivität der Spiegel von R = 95% ergibt sich eine Verlängerung der optischen Wegstrecke um den Faktor λ₀ = 19,5. Der Intensitätsverlust beläuft sich auf ₀ = 39. Der optische Längengewinn ist halb so groß wie der Identitätsverlust. Dieser Identitätsverlust kann z. B. durch eine intensivere Lichtquelle oder durch empfindlichere Detektoren ausgeglichen werden.

Die Verwendung einer solchen Zelle als Absorptionsküvette bei nicht-dispersiven- Infrarot-Spektrometern verschafft eine erheblich höhere Sensitivität und Selektivität.

Fig. 3 zeigt ein typisches Fotometer, in das die Meßzelle gemaß Fig. 1 integriert werden kann. Von einer Strahlungsquelle S ausgehend wird das emittierte Licht über ein Filterrad FR mit darin enthaltenen Gasfiltern einer Linse L zugeführt. Dabei ist der Linsenschliff so, daß die Strahlungsquelle ungefähr im Brennpunkt dieser bikonvexen Linse ist. Hinter der Linse L ist ein Filter. Nachfolgend trifft das Licht auf einen Strahlenteiler, der einen Teil geradlinig durchläßt und einen Teil rechtwinklig reflektiert. Der geradlinige Anteil trifft auf einen Referenzdetektor RD und der andere Teil durchstrahlt die Meßküvette, durch welche Meßgas hindurchgeleitet wird. Die Strahlungswege sind linear und ohne zusätzliche Abbildungsoptiken ausgeführt. Da die Eintritts- und Austrittsapertur identisch sind, kann die erfindungsgemäße Meßzelle Z gemäß Fig. 1 hier als durchströmte Meßküvette MK ausgebildet werden.

Nach Durchgang durch das oben erwähnte Filter trifft die Strahlung auf einen Strahlenteiler und von hier direkt auf den erwähnten Referenzdetektor RD; der andere Teilstrahl geht über die Meßküvette zum Meßdetektor MD. Die 2-mal-2- Detektorsignale werden beispielsweise durch doppelte Quotientenbildung miteinander verknüpft, wobei störende Einflüsse beispielsweise durch Lampenalterung, Verschmutzung der Küvette und ähnliche herabgesetzt werden können.

Mit dem Einsatz dieser erfindungsgemäßen Meßzelle sind alle vorstehend genannten Vorteile derselben für die hier dargestellte Meßtechnik anwendbar.

Claims

1. Einrichtung zur Messung der Strahlungsabsorption von Gasen mit einem Absorptionsfotometer mit einer Strahlungsquelle, einer Modulations- und Selektivierungseinrichtung, einer Absorptionszelle sowie einem Detektor, dadurch gekennzeichnet, daß das Eintritts- und/oder das Austrittsfenster der Absorptionszelle als teildurchlässiger Spiegel (SP1, SP2) ausgeführt ist bzw. sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegel (SP1, SP2) über ihre gesamte Fläche jeweils eine konstante Reflektivität aufweisen.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die teildurchlässigen Spiegel (SP1, SP2) als plankonkave Spiegel ausgeführt sind, wobei die konkave Seite dem Zelleninneren zugewandt ist bzw. sind.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmungsradien der Spiegel (SP1, SP2) dem Abstand der Spiegel zueinander entsprechen.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle (Z) eine Meßküvette innerhalb einer Spektrometeranordnung ist.

6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelflächen der Spiegel (SP1, SP2) aus dielektrischen Schichten bestehen, die durch Bedampfung aufgebracht sind.

7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der einfallenden Strahlung vor der Multireflexionsküvette über einen Teilspiegel (ST) ausgeblendet und zur Signalkorrektur von einem Referenzdetektor (RD) miterfaßt wird.

8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (S) breitbandig ist.

9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (S) ein schwarzer Strahler ist.

10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (S) ein selektiver Strahler ist.

11. Verwendung einer Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, für ein nicht-dispersives Infrarot(NDIR)-Spektrometer.