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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Absorptionsspektrometerlichtquellenanordnung, einen absorptionsspektroskopischen Gasanalysator mit einem Spektrometer und einer solchen Spektrometerlichtquellenanordnung.
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Absorptionsspektrometer werden zum Beispiel in Gasanalysatoren eingesetzt, um die Konzentration bzw. Anwesenheit verschiedener Gase innerhalb einer optischen Messstrecke festzustellen. Dazu wird Licht durch eine optische Messstrecke geschickt, in der die Messgase nachgewiesen und/oder ihre Konzentration festgestellt werden soll. Der Begriff "Licht" wird im vorliegenden Text allgemein für elektromagnetische Strahlung benutzt und umfasst gegebenenfalls auch den infraroten oder den ultravioletten Wellenlängenbereich.
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In einem solchen Gasanalysator durchstrahlt das Messlicht in an sich bekannter Weise die optische Messstrecke und wird dabei von den jeweils vorhandenen Gaskomponenten wellenlängenabhängig absorbiert. Das Licht fällt nach dieser wellenlängenabhängigen Absorption auf den Eintrittsspalt des Spektrometers und von diesem z. B. auf ein Beugungsgitter, an dem es wellenlängenabhängig unterschiedlich stark gebeugt wird. Das so wellenlängenabhängig gebeugte Licht wird auf einen Detektor abgebildet, wobei die Lage des Auftreffpunktes von der Wellenlänge abhängig ist. Es ergibt sich insofern in an sich bekannter Weise ein Spektrum, aus dem abgelesen werden kann, welche Wellenlängen mehr oder weniger absorbiert worden sind, um so auf die Anwesenheit und/oder Konzentration einzelner Gase zurückschließen zu können. Der Begriff "Gas" wird hier auch für die einzelnen Gaskomponenten verwendet, die gegebenenfalls gemeinsam in der optischen Messstrecke vorhanden sind.
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Häufig zu messende Messgase, z. B. in der Prozess- und Emissionsüberwachung sowie in der Tunnelluftüberwachung sind NO, SO2, NH3 und NO2. Diese Gase absorbieren unter anderem in einem Spektralbereich zwischen ca. 190 nm und ca. 250 nm.
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Zum Beispiel bei der Tunnelluftüberwachung in einem Tunnel muss NO2 allerdings in sehr kleinen Konzentrationen gemessen werden, was in einem Spektralbereich um 450 nm am besten möglich ist. Bei höheren Anforderungen an die NO2-Meßgenauigkeit bei der Prozessüberwachung oder bei der angesprochenen Tunnelluftüberwachung muss daher für die NO2-Messung auf den Absorptionsbereich um 450 nm ausgewichen werden. Dies kann insofern problematisch sein, da sich eine Messung im Absorptionsbereich von etwa 450 nm nur schlecht oder gar nicht mit einer Absorptionsmessung im ultravioletten Bereich bis 190 nm vereinbaren lässt, da es kaum Lichtquellen gibt, die in beiden Spektralbereichen ausreichend Lichtintensität mit der notwendigen Stabilität liefern. Bekannte Lichtquellen, die den gesamten Spektralbereich abdecken, sind z.B. Xenon-Blitz- oder Xenon-Hochdrucklampen. Bei Xenon-Blitzlampen gibt es jedoch ein spektrales Rauschen von Blitz zu Blitz. Xenon-Hochdrucklampen haben andererseits eine sehr hohe Ausgangsleistung von über 100 W, wodurch sich der Aufwand bei der Konstruktion erhöht, um die Abwärme abzuführen. Gasentladungslampen, wie die beschriebene Xenon-Hochdrucklampe, unterliegen zudem einem Verschleiß, der die Lebensdauer auf ca. 1000 bis 2000 Betriebsstunden begrenzt.
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Bei anderen bekannten Ausgestaltungen werden Deuteriumlampen eingesetzt, welche im Wesentlichen ultraviolettes Licht im Bereich von um 200 nm emittieren. Allerdings ist hier die Intensität oberhalb von 400 nm sehr gering. Bei Applikationen, bei denen eine hohe NO2-Messgenauigkeit notwendig ist, also z.B. für die Tunnelluftüberwachung, werden daher häufig Halogenlampen eingesetzt. Halogenlampen emittieren sehr breitbandig mit einem Maximum bei etwa 1000 nm. Auch Kombinationen von Deuteriumlampen und Halogenlampen werden eingesetzt, so dass sich die Spektralbereiche ergänzen. Auch Halogenlampen zeigen wie Gasentladungslampen aber eine entsprechend begrenzte Lebensdauer. Die Kombination einer Deuteriumlampe mit einer Halogenlampe führt daher oftmals zu geringen Lebensdauern.
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Um ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis insbesondere bei der Tunnelluftüberwachung zu erhalten, ist es vorteilhaft, wenn die Lichtintensität moduliert wird, um bei der Messung Lock-In-Verstärker verwenden zu können. Dazu wird bei den bekannten Kombinationslösungen der elektrische Strom der Deuteriumlampe gepulst und für die Halogenlampe ein Chopper-Rad verwendet. Um moduliertes Licht verwenden zu können, sind bei der beschriebenen Kombination aus Deuteriumlampe und Halogenlampe also zwei unterschiedliche und insofern konstruktiv aufwendige Lösungen notwendig.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Absorptionsspektrometerlichtquellenanordnung zur Absorptionsspektroskopie anzugeben, mit der zum einen der ultraviolette Wellenlängenbereich und zum anderen ein zweiter Wellenlängenbereich, der Wellenlängen größer als die Wellenlängen des ersten Wellenlängenbereiches umfasst, bei der Absorptionsspektroskopie abdecken zu können, wobei die Anordnung eine lange Betriebslebensdauer und eine ausreichende Intensität und Stabilität in den Wellenlängenbereichen aufweisen soll. Außerdem soll ein entsprechender absorptionsspektroskopischer Gasanalysator zur Bestimmung der Anwesenheit und/oder der Konzentration einer oder mehrerer Gase angegeben werden.
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Diese Aufgabe wird mit einer Absorptionsspektrometerlichtquellenanordnung zur Absorptionsspektroskopie mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem absorptionsspektroskopischen Gasanalysator mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Unteransprüche sind auf bevorzugte Ausgestaltungen gerichtet.
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Bei einer erfindungsgemäßen Absorptionsspektrometerlichtquellenanordnung ist eine Deuteriumlampe zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung in einem ersten, ultravioletten Wellenlängenbereich vorgesehen. Dieser Wellenlängenbereich umfasst vorteilhafterweise den Bereich von 160 nm bis 280 nm, vorzugsweise von 190 nm bis 250 nm. Weiterhin weist die erfindungsgemäße Absorptionsspektrometerlichtquellenanordnung eine Leuchtdiodenlichtquelle zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung in einem zweiten Wellenlängenbereich, der Wellenlängen größer als die Wellenlängen des ersten Wellenlängenbereiches umfasst. Der zweite Wellenlängenbereich umfasst bevorzugt Wellenlängen von 360 nm bis 550 nm, bevorzugterweise von 440 nm bis 460 nm.
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Bei der erfindungsgemäßen Absorptionsspektrometerlichtquellenanordnung sind die Deuteriumlampe und die Leuchtdiodenlichtquelle derart angeordnet oder es sind optische Elemente derart vorgesehen, dass sich die Strahlengänge der Deuteriumlampe und der Leuchtdiodenquelle in eine gemeinsame Richtung vereinigen. Dadurch, dass sich die Strahlengänge in eine gemeinsame Richtung vereinigen, ist die Spektrometerlichtquellenanordnung für die Absorptionsspektrometrie geeignet, weil das Licht gemeinsam durch eine optische Messstrecke geschickt und im Anschluss daran mit einem Spektrometer die Absorption gemessen werden kann. Mit „Absorption messen“ ist hier in der Regel gemeint, dass ein Spektrum vermessen wird und daraus die Absorption berechnet wird.
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Besonders vorteilhaft ist es dabei, dass die Leuchtdiodenlichtquelle in der Regel eine lange Lebensdauer hat und die Absorptionsspektrometerlichtquellenanordnung unter Einsatz einer Deuteriumlampe und einer Leuchtdiodenlichtquelle ein über lange Zeit stabiles Spektrum aufweist. Gegebenenfalls können die beiden Lichtquellen getrennt voneinander in ihrer Intensität nachgeregelt werden, um diese optimal auf die Empfindlichkeit des Detektors einstellen zu können. Schließlich fällt auch nur eine geringe Abwärme an.
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Um die Strahlengänge der Deuteriumlampe und der Leuchtdiodenlichtquelle in eine gemeinsame Richtung zu vereinigen, sind die Deuteriumlampe und die Leuchtdiodenlichtquelle nach einer ersten Alternative derart angeordnet, dass die Strahlengänge sich entsprechend vereinigen.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist dazu die Leuchtdiodenlichtquelle derart angeordnet, dass sie die Deuteriumlampe entlang der optischen Achse ihres Lichtaustritts durchstrahlt, die dazu eine Durchgangsöffnung für das Licht der Leuchtdiodenlichtquelle aufweist.
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Wenn die Leuchtdiodenlichtquelle die Deuteriumlampe auf diese Weise durchstrahlen kann, sind die Strahlengänge nach der Anordnung in einer Richtung vereinigt und können gemeinsam durch eine optische Messstrecke geschickt werden, um die darin stattfindende Absorption mit einem nachgeschalteten Spektrometer nachweisen zu können.
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Eine einfache Ausgestaltung sieht dazu vor, dass das Gehäuse der Deuteriumlampe eine Lampenhalterung aufweist, die eine Aufnahme aufweist, in die die Leuchtdiodenlichtquelle eingesetzt ist, und zwar in einer Weise, dass die Aufnahme entlang der optischen Achse der Deuteriumlampe angeordnet ist.
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Eine besonders präzise Vereinigung der Strahlengänge in Richtung zum Beispiel einer optischen Messstrecke eines Gasanalysators ist gewährleistet, wenn die elektromagnetische Strahlung der Leuchtdiodenlichtquelle mit Hilfe von optischen Elementen durch die Deuteriumlampe hindurch auf eine Apertur der Deuteriumlampe fokussiert wird.
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Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Deuteriumlampe und die Leuchtdiodenlichtquelle in einem Gehäuse angeordnet sind. Dabei ist es einfacherweise auch möglich, dass das Gehäuse die Aufnahme für die Leuchtdiodenlichtquelle umfasst.
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Grundsätzlich ist es auch möglich, dass die Strahlengänge der Deuteriumlampe und der Leuchtdiodenlichtquelle mit Hilfe von entsprechenden optischen Elementen (z. B. Spiegeln, halbdurchlässigen Spiegeln, optischen Teilern, Dichroid-Spiegeln, Spiegelrädern oder Mikrospiegelarrays) zusammengeführt werden.
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Der oben genannte erste Wellenlängenbereich mit Wellenlängen im Bereich von 160 nm bis 280 nm, vorzugsweise von 190 nm bis 250 nm, ermöglicht bereits die gemeinsame Detektion insbesondere von den für die Prozessbeobachtung oder die Emissionsbeobachtung und insbesondere für die Tunnelluftüberwachung wichtigen Messgase NO, SO2, NH3 und NO2, wozu das Licht der Deuteriumlampe zum Einsatz kommt. Der oben für den zweiten Wellenlängenbereich genannten Wellenlängen von 360 nm bis 550 nm, vorzugsweise von 440 nm bis 460 nm, ermöglicht zusätzlich die Messung von NO2 auch in sehr kleinen Konzentrationen, wie es zum Beispiel bei der Tunnelüberwachung notwendig ist, oder wenn höhere Anforderungen an die NO2-Messgenauigkeit im Prozessüberwachungsbereich notwendig sind, weil auf diese Weise die für NO2 höhere Absorption im Bereich von 450 nm ausgewertet werden kann.
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Um die Messgenauigkeit zu erhöhen, kann vorteilhafterweise die Lichtintensität moduliert werden, um mit einem Lock-In-Verstärker ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis zu erhalten. Bei der erfindungsgemäßen Absorptionsspektrometerlichtquellenanordnung kann dies auf vorteilhafte und einfache Weise dadurch erreicht werden, dass der Strom zur Deuteriumlampe moduliert bzw. gepulst wird und der Strom zum Betrieb der Leuchtdiodenlichtquelle ebenfalls gepulst oder beliebig moduliert, also periodisch geändert wird. Eine elektrische Modulation ist sehr einfach zu generieren und lässt sich direkt als Eingangssignal eines Lock-In-Verstärkers einsetzen. Die Verwendung eines zusätzlichen mechanischen Chopper-Rades ist nicht notwendig.
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Die Erfindung betrifft außerdem einen absorptionsspektroskopischen Gasanalysator mit einem Spektrometer und einer erfindungsgemäßen Spektrometerlichtquellenanordnung, wobei sich zwischen der Spektrometerlichtquellenanordnung und dem Spektrometer eine optische Messstrecke für ein mit dem Gasanalysator absorptionsspektroskopisch zu untersuchendes Messgas befindet. Von der erfindungsgemäßen Absorptionsspektrometerlichtquellenanordnung wird also das Licht der Deuteriumlampe und der Leuchtdiodenlichtquelle entlang einer gemeinsamen Strahlrichtung durch die optische Messstrecke geschickt und dann mit einem Spektrometer die wellenlängenabhängige Absorption erfasst.
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Die erfindungsgemäß in eine gemeinsame Richtung vereinigten Strahlengänge der Deuteriumlampe und der Leuchtdiodenlichtquelle gehen also beide durch die optische Messstrecke, wobei das Licht der Deuteriumlampe und der Leuchtdiodenlichtquelle zur Absorptionsspektroskopie verwendet werden.
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Die Vorteile eines solchen absorptionsspektroskopischen Gasanalysators und bevorzugte Ausführungsformen davon ergeben sich aus der obigen Schilderung für die erfindungsgemäße Absorptionsspektrometerlichtquellenanordnung.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden schematischen, nicht maßstabsgetreuen Figuren erläutert. Dabei zeigen
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1 eine erfindungsgemäße Absorptionsspektrometerlichtquellenanordnung;
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2 eine Gasanalysatoranordnung.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Absorptionsspektrometerlichtquellenanordnung 30. Hier ist in einem Gehäuse 52 eine Deuteriumlampe 50 vorgesehen, mit der elektromagnetische Strahlung erzeugt wird, die hier schematisch mit 70 bezeichnet ist und Wellenlängen insbesondere im Bereich von 190 bis 250 nm umfasst. Das Licht der Deuteriumlampe 50 tritt durch eine Kollimatorlinse 74 aus. In der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigter Weise wird die Deuteriumlampe 50 in dem Gehäuse 52 gehaltert, das dementsprechend gleichzeitig als Lampenhalterung wirkt. Dieses als Lampenhalterung wirkende Gehäuse 52 weist eine Aufnahme 54 auf, in der eine Halterung 56 für eine Leuchtdiodenlichtquellenanordnung vorgesehen ist. Diese weist eine Leuchtdiode (LED) auf, die beim beschriebenen Beispiel ein Emissionsmaximum bei etwa 450 nm aufweist. Optische Elemente, zum Beispiel Linsen 60, 62, lenken das Licht 72 der Leuchtdiodenlichtquelle 58 durch eine Durchgangsöffnung der Deuteriumlampe 50 hindurch und fokussieren es. Im Betrieb vereinigen sich dementsprechend die Strahlengänge des Lichtes 72 der Leuchtdiodenlichtquelle 58 und des Lichtes 70 der Deuteriumlampe 50 in einer gemeinsamen Richtung. Sie bilden das Messlicht 14, das durch eine optische Messstrecke 32 (2) hindurchgeschickt wird.
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In 1 nicht gezeigt sind elektrische Anschlüsse, mit denen die Deuteriumlampe 50 und die Leuchtdiodenlichtquelle 58 betrieben werden. Diese können gegebenenfalls moduliert betrieben werden.
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2 zeigt eine mögliche Spektrometeranordnung, die zusammen mit der erfindungsgemäßen Spektrometerlichtquellenanordnung 30 verwendet werden kann. Das Licht der erfindungsgemäßen Spektrometerlichtquellenanordnung 30 passiert eine optische Messstrecke 32, in der sich zu analysierendes Gas befindet. Das Licht 14 tritt danach durch die Lichteintrittsöffnung 12 in das Spektrometer 10 ein, wobei es einen Eintrittsspalt 16 passiert. In dem Gehäuse 18 des Spektrometers 10 befindet sich ein optisches Element, das das Licht wellenlängenabhängig unterschiedlich stark ablenkt (z. B. ein refraktives Element (z. B. ein Prisma) oder ein diffraktives optisches Element (z. B. ein Beugungsgitter, wie es hier beschrieben wird)).
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Das Beugungsgitter 20 beugt das eingetretene Licht in Richtung eines oder mehrerer Detektoren 22 und 24 wellenlängenabhängig unterschiedlich stark. Schematisch ist das unterschiedlich stark abgelenkte Licht 21, 23 unterschiedlicher Wellenlängen angedeutet.
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Diese Detektoren 22, 24 sind zum Beispiel Detektorzeilen, die aus nebeneinander angeordneten Fotodioden bestehen. In nicht gezeigter Weise werden die Signale dieser Fotodioden ausgewertet, so dass festgestellt werden kann, mit welcher Intensität welche Wellenlänge durch das Beugungsgitter 20 reflektiert wird. In ebenfalls nicht gezeigter Weise wird dieses Signal einer Auswerteeinheit zugeführt, die daraus ein Absorptionsspektrum bestimmen kann, aus dem dann wiederum die wellenlängenabhängige Absorption bestimmt werden kann, die in der optischen Messstrecke 32 stattgefunden hat.
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Bei der gezeigten Ausgestaltung der 2 sind zwei Detektoren 22, 24 vorgesehen, die zum Beispiel so angeordnet sind, dass der eine der Detektoren den Bereich von 190 bis 250 nm messen kann, während der andere Detektor den Bereich von zum Beispiel 440 bis 460 nm messen kann. Insofern können angepasst an die erfindungsgemäße Verwendung einer Deuteriumlampe und einer entsprechenden blauen Leuchtdiodenlichtquelle die unterschiedlichen Wellenlängenbereiche mit unterschiedlichen Detektoren nachgewiesen werden.
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Bei der in 2 gezeigten Ausgestaltung sind die Detektoren 22 und 24 gegeneinander verkippt, um Abbildungsfehler ausgleichen zu können, die im Randbereich des vom Beugungsgitter 20 reflektierten Lichtes entstehen können.
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Das gezeigte Spektrometer gemäß 2 nutzt das Beugungsgitter 20 in Form eines Reflexionsgitters. Andere Anordnungen können ein Transmissionsbeugungsgitter zum Einsatz bringen, bei dem dann der bzw. die Detektoren 22, 24 hinter dem Beugungsgitter 20 angeordnet sind. Abweichend von der Darstellung in 2 kann es auch vorgesehen sein, dass das Licht von der erfindungsgemäßen Absorptionsspektrometerlichtquelle 30 durch die optische Messstrecke 32 gesendet wird und von einem Reflektor zurückgeworfen wird und die optische Messstrecke noch einmal durchläuft. Das Spektrometer ist dann auf derselben Seite wie die Absorptionsspektrometerlichtquelle angeordnet und kann zum Beispiel auch in einem gemeinsamen Gehäuse mit dieser vorgesehen sein.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Deuteriumlampe 50 und die Leuchtdiodenlichtquelle 58 gleichzeitig betrieben werden. Dies ermöglicht eine schnelle Messung in einem Tunnel oder bei anderen Anwendungen zum Beispiel der Konzentration von NO, SO, NH3 und NO2 mit einer besonders genauen Messung der Konzentration von NO2. Grundsätzlich ist es aber nicht ausgeschlossen, dass die einzelnen Lichtquellen nicht gleichzeitig, sondern zum Beispiel alternierend betrieben werden.
