DE19848120C2 - Einrichtung zur Messung der Strahlungsabsorption von Gasen - Google Patents
Einrichtung zur Messung der Strahlungsabsorption von GasenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung der Strahlungsabsorption von
Gasen, mit den Merkmalen 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 emitierte 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 eine Wellenlängenkombination 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 gegenüberliegenden 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 wird 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.
Aus DE-AS 11 43 040 ist eine Messküvette für
Absorptionsmessungen bekannt, bei welcher die Küvettenfenster mit einer
reflektierenden Schicht versehen ist. Die dabei entstehende Reflexion bewirkt jedoch
eine nicht genau quantifizierbare Mehrfachreflexion, deren Winkel zueinander nicht
genau bekannt sind.
Aus US 4,885,469 ist eine Infrarot-Gasmessanordnung bekannt, bei denen die
Fenster teildurchlässige Spiegel sind.
Aus DE 29 38 056 C2 ist eine Vorrichtung für fluorimetrische Gasmessung
bekannt, bei welcher aufeinanderfolgende Fenster unterschiedliche Reflektivität
aufweisen, um schrittweise einzelne Strahlungsbanden auszublenden.
Aus DE 196 52 513 A1 ist eine Küvette bekannt welche innen mit verschiedenen
einstellbaren Spiegelelementen versehen ist.
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 erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1
angegebenen Merkmale gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einrichtung sind in den
abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäße Verwendungen sind in den ist in Ansprüchen 7 und 8 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.
Durch die Anordnung der Spiegelflächen im Abstand der Krümmungsradien entsteht
eine konfokale Anordnung. 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 Lichtquelle L ausgehend wird
über ein Linsen- oder Filtersystem das Licht über eine hier nicht weiter dargestellte
Modulationseinrichtung auf die Absorptionszelle Z gerichtet. Die Absorptionszelle Z
selbst wird von den teildurchlässigen Spiegeln SP1 und SP2 jeweils stirnseitig
begrenzt. Eine einfache Umrüstung bestehender Spektrometer kann darin bestehen,
die bereits vorhandene Absorptionszelle Z, die auch als Küvette bezeichnet wird,
stirnseitig mit den dargestellten teildurchlässigen Siegeln SP1 und SP2 zu versehen.
Das Licht einer ausgedehnten Lichtquelle L wird dabei über die Linse F in die Zelle
eingestrahlt. Die Krümmungsradien der teildurchlässigen Spiegel entsprechen ihrem
Abstand r1 = r2 = l. Hinter der Absorptionszelle Z ist ein Detektor D angeordnet, der die
Intensität des Lichtes, welches nach Passieren der Absorptionszelle Z noch vorhanden
ist, mißt. Kann die Lichtquelle in der Emmissionswellenlänge abgestimmt werden, so
läßt sich wellenlängenaufgelöst die Absorption der in der Absorptionszelle Z
eingeschlossen Substanz bestimmen.
Fig. 2 zeigt anhand eines Prinzipbildes den eigentlichen Strahlengang und die
bewirkte Absorption. Das Licht der Intensität I0 trifft auf das teilverspiegelte
Eintrittsfenster und der Teil I0 × R wird zurückreflektiert. Der Teil I0(1 - R) passiert das
besagte teilverspiegelte Fenster, welches in Fig. 1 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 welches in Fig. 1 durch SP2
dargestellt ist. Der Teil
I0(1 - R)Reα 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)
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 Fig. 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 λc zu
berechnen.
Die Intensität hinter dem Austrittsfenster der Zelle mit den teilverspiegelten 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 Intensitätsverlust. Dieser
Intensitätsverlust 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 Absorptionszelle Z gemäß Fig. 1 als
Messküvette MK 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 F. Nachfolgend
trifft das Licht auf einen Strahlenteiler ST, 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 MK, durch welche Meßgas
hindurchgeleitet wird. Die Strahlungswege sind linear und ohne zusätzliche
Abbildungsoptiken ausgeführt. Da die Eintritts- und Austrittsapertur identisch sind,
kann die Absorptionszelle Z gemäß Fig. 1 hier als durchströmte Meßküvette MK
ausgebildet werden.
Nach Durchgang durch das oben erwähnte Filter F trifft die Strahlung auf den
Strahlenteiler ST und von hier direkt auf der erwähnten Referenzdetektor RD; der
andere Teilstrahl geht über die Meßküvette MK 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 Meßzelle sind alle vorstehend genannten Vorteile derselben für
die hier dargestellte Meßtechnik anwendbar.
Claims (8)
1. Einrichtung zur Messung der Strahlungsabsorption von Gasen mit einer
Strahlungsquelle, einer Modulationseinrichtung, einer
Selektivierungseinrichtung, einer Absorptionszelle sowie einem Detektor,
wobei das Eintrittsfenster und das Austrittsfenster der Absorptionszelle als
teildurchlässige Spiegel (SP1, SP2) ausgeführt sind, die teildurchlässigen
Spiegel (SP1, SP2) über ihre gesamte Fläche jeweils eine konstante
Reflektivität aufweisen, die teildurchlässigen Spiegel (SP1, SP2) als
plankonkave Spiegel ausgeführt sind, wobei die konkave Seite dem
inneren der Absorptionszelle zugewandt ist, und die Krümmungsradien
der teildurchlässigen Spiegel (SP1, SP2) ihrem Abstand zueinander
entsprechen.
2. Einrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Spiegelflächen der teildurchlässigen Spiegel (SP1, SP2) aus
dielektrischen Schichten bestehen, die durch Bedampfung aufgebracht
sind.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Teil der einfallenden Strahlung vor der Absorptionszelle über
einen Strahlenteiler (ST) ausgeblendet und zur Signalkorrektur von einem
Referenzdetektor (RD) erfaßt wird.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Strahlungsquelle (S) eine breitbandige Strahlungsquelle ist.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Strahlungsquelle (S) ein schwarzer Strahler ist.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Strahlungsquelle (S) ein selektiver Strahler ist.
7. Verwendung einer Einrichtung nach einem oder mehreren der
vorhergehenden Ansprüche, als nicht-dispersives Infrarot-Spektrometer.
8. Verwendung einer Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche
1 bis 6 als Spektrometeranordnung, wobei die Absorptionszelle die
Messküvette ist.
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