DE2055706B2 - Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration eines Stoffes - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration eines Stoffes aus der Absorption von polarisiertem Licht, mit einer Lichtquelle, einer Polarisationseinrichtung zur Erzeugung eines linear polarisierten Meßstrahlenbündels und eines senkrecht zu diesem linear polarisierten Vergleichsstrahlenbündels sowie einem photoelektrischen Detektor, der wechselweise von einem der beiden Teilstrah- (>o lenbiindel beaufschlagt ist.

Eine derartige Vorrichtung ist in der älteren Patentanmeldung gemäß DT-OS 19 24 787 beschrieben. Bei dieser Vorrichtung wird das aus einem Polarisationsschalter austretende Strahlenbündel von einem polari- sationsempfindlichen Strahlenteiler in zwei Teilbündel, nämlich ein Meßstrahlenbündel und ein Vergleichsstrahlenbündel, aufgespalten, Diese Bündel durchlaufen verschiedene Lichtwege, in denen je eine Meßkammer angeordnet ist

Aus dem Prospekt der Firma Carl Zeiss: »Digitalpolarimeter OLD«, 50-347/I-d, V/66 (1966). insbesondere S 7, ist ein Einstrahlpolarimeter zur Messung der polarisationsoptischen Eigenschaften von Proben bekannt, das eine Lampe mit Filter zur Erzeugung monochromatischer Strahlung, einen Polarisator, einen Faraday-Modulator und einen Analysator aufweist. Ein solches Polarimeter dient jedoch nicht zur Konzentrationsmessung, sondern zur Messung der polarisationsoptischen Eigenschaften von Proben. Dabei wird die Polarisationsebene eines Bündels um ± 2° gedreht, um eine dynamische Messung zu ermöglichen, jedoch nicht, wie beim Anmeldungsgegenstand, um ein erstes und ein zweites Bündel, gegeneinander um 90° versetzt, durch eine Probe zu schicken.

Weiterhin wird in der Zeitschrift Rev. Sei. Instr. vol. 33, No. 10, 1962, S. 1062 bis 1066, insbesondere 1063, linke Spalte, 3. Absatz, darauf hingewiesen, daß es bei der Konzentrationsmessung von Stoffen vorteilhaft ist, mit einer Meßwellenlänge im Absorptionsbereich und mit einer Bezugswellenlänge außerhalb dieses Bereichs zu arbeiten. Bei der dort beschriebenen Vorrichtung werden die beiden Teilbündel, die gleichzeitig durch die Probe hindurchgehen, mittels eines halbdurchlässigen Spiegels, nicht jedoch durch ein Polarisationsmittel erzeugt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß sie noch genauere Meßergebnisse liefert.

Häufig ist es nämlich erforderlich, die Menge eines Stoffes, wie z. B. Wasserdampf, in einem für Strahlung durchlässigen Medium, z. B. in einem Gas, zu bestimmen. So wurde z. B. Heliumgas als Wärmetransportmedium in einem gasgekühlten Kernreaktor vorgeschlagen. Bei einem derartigen System ist es wichtig, das Vorhandensein von Wasserdampf im Heliumkreis zu prüfen, weil das Vorhandensein eines solchen Stoffes auf eine Störung hindeuten könnte, die beseitigt werden muß.

Zur Lösung der obengenannten Aufgabe wird nun erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß im Meßstrahlenbündel ein erster Filter zur Ausfilterung eines mit einer Absorptionsbande des untersuchter. Stoffes übereinstimmenden Spektralbereichs aus diesem Strahlenbündel angeordnet ist, daß im Vergleichsstrahlenbündel ein zweites Filter zur Ausfilterung eines von dem untersuchten Stoff nicht absorbierten Spektralbereichs angeordnet ist, daß ein von Meß- und Vergleichsstrahlenbündel beaufschlagter Polarisationsumschalter vorgesehen ist, durch den die Polarisationsrichtungen der beiden Bündel jeweils zwischen zwei zueinander senkrechten Lagen umschaltbar sind, und daß zwischen dem Polarisationsumschalter und dem Detektor ein Analysator angeordnet ist, dessen Polarisationsrichtung mit der Lage der Polarisationsrichtung übereinstimmt, die wechselweise von der Polarisationsrichtung des Meßbzw. Vergleichsstrahlenbündels eingenommen wird.

Dadurch können wechselweise zwei Teilbündel durch das Medium hindurchgeschickt werden, von denen eines durch den Stoff abgeschwächt wird, während das andere nicht beeinflußt wird.

Dadurch, daß beide Strahlen den gleichen Weg zurücklegen, ergibt sich die angestrebte höhere Genauigkeit. Darüber hinaus wird als weiterer Vorteil wesentlich weniger Raum für die Vorrichtung benötigt.

Gemäß einem weiteren Merkmal der vorgeschlage- _eD Vorrichtung ist zur Aufnahme des untersuchten Stoffes eine Probenkammer mit je einer Strahlenein_rtts- und Austrittsöffnung vorgesehen, wobei die Öffaungen aus Strahlungsleitem bestehen, die eine derarti-•e Form aufweisen, daß die Teilbündel beim Eintreten Jn und beim Austreten aus der Kami ;er nahezu die «deiche räumliche Verteilung aufweisen.

Dabei ist die Strahlungsquelle zweckmäßigerweise derart moduliert daß ihre Strahlung eine Komponente ι ο mit gleichmäßiger Intensität und eine Wechselkompooente mit einer bestimmten Frequenz enthält, wobei diese Komponenten ein konstantes relatives Amplitudenverhältnis aufweisen.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt
F i g· I ^eme Ausführungsform einer Vorrichtung, und F i g. 2 schematisch die in der Ausführungsform nach ρ i g. 1 verwendete elektrische Schaltungsanordnung.

In F i g· 1 w'^fd ^^ae Heliumgasprobe übe» einen Einlaß 2 aus einer nicht dargestellten Heliumquelle in eine Probenkammer 1 eingeführt Das Heliumgas kann über einen Auslaß 3 zu der Quelle zurückgeführt werden. Eine Quelle 4 mit einer Infrarotstrahlung besteht aus einer Wolframlampe, die unterhalb ihres Nennwertes betrieben wird, um eine lange Lebensdauer und eine gleichmäßige Strahlungsausbeute zu erzielen.

Von einer Linse 5 wird die von der Quelle 4 ausgehende Strahlung in ein konvergierendes Bündel umge wandelt Zwei Polarisationen 6 und 7 sind nebeneinander im Strahlengang hinter der Linse 5 angeordnet. Die aus dem ersten Polarisator 6 austretende Strahlung ist in der Zeichnungsebene linear polarisiert und fällt auf ein Filter 8. Das Filter 8 läßt ein schmales Frequenzband durch, dessen mittlere Frequenz von 1,87 μΐη mit der Mitte der Wasserdampfabsorptionslinie zusammenfällt. Das Filter 8 weist vorzugsweise die Form eines Interferenzfilters auf. Infolgedessen tritt aus dem Filter 8 ein erstes Teilstrahlenbündel 10 aus, das in der Zeichnungsebene linear polarisiert ist und ein schmales Frequenzband aufweist, das innerhalb der Wasserdampfabsorptionsbande von 1,87 um liegt.

Die aus dem zweiten Polarisator 7 austretende Si hlung ist in einer zu der Zeichnungsebene senkrecnten Richtung linear polarisiert und fäll auf ein FiI-ter 9. Das Filter 9, das vorzugsweise gle.chfalls die Form eines Interferenzfilters aufweist, läßt ein schmales Frequenzband mit einer Wellenlänge von etwa 1,7 μπι durch. Ein zweites Teilstrahlenbündel U wird erhalten, das in einer Richtung senkrecht zu der des ersten Teilstrahlenbündels 10 linear polarisiert ist. Sowohl das Durchlaßband des Filters 8 als auch das Durchlaßband des Filters 9 liegen in einem Bereich, in dem Kohlendioxyd nahezu nicht strahlungsabsorbierend ist, so daß gegebenenfalls im Heliumgas vorhandene Kohlendioxyd die relativen Intensitäten der beiden Teilbündel nicht wesentlich beeinflussen wird.

Die beiden Teilstrahlenbündel 10 und 11 werden auf ein aus Granat bestehendes, den Faraday-Effekt aufweisendes Element 12 gerichtet, das vorzugsweise aus einem Yttrium-Eisen-Granat (YIG) oder einem von diesem abgeleiteten Stoff besteht. Das Element 12 liegt in einem Magnetfeld, das durch den Strom einer Quelle 14 bestimmt wird, die als Funktion der Zeit einen rechteckförmigen Strom liefert, wie er durch das Strom- &5 Zeit-Diagramm 22 dargestellt ist, welcher Strom eine Steuerspule 13 erregt. Die Polarisationsebene jedes der beiden vom Element 12 durchgelassenen Teilstrahlenbündel iö' und 11' weist wechselweise Richtungen auf, die den beiden Werten entsprechen, die der Strom I in verschiedenen Intervallen der Zeit f annimmt; der rechteckförmige Strom hat eine derartige Größe, daß diese beiden Lagen der Polarisationsebene für ein betreffendes Teilstrahlenbündel senkrecht aufeinanderstehen. Vorzugsweise sind die Stromwerte derart, daß die Polarisationsebene wechselweise um etwa + 45° und um etwa - 45° in bezug auf die Polarisationsrichtung gedreht wird, die das Teilstrahlenbündel beim Austreten aufweist, wenn das Feld gleich null ist

Die Teiistrahlenbündel 10' und 11' erreichen dann einen Analysator 15, der in bezug auf die beiden zueinander senkrechten Polarisationsebenen der betreffenden Teilstrahlenbündel eine derartige Lage einnimmt, daß die Teilstrahlenbündel wechselweise entsprechend der Dauer der beiden Werte des Stromes 1 durchgelassen werden.

Die Teilstrahlenbündel treten auf diese Weise nacheinander aus dem Analysator 15 aus und gelangen durch ein Fenster 16 in die Probenkammer 1, in der sie auf einen Hohlspiegel 17 auftreffen. Das Fenster 16 weist die Form eines Strahlungsleiters auf, in dem die ihn durchlaufende Strahlung wiederholte Male total an seinen Seitenflächen reflektiert wird, während die Länge des Leiters derartig ist, daß die beiden Teilstrahlenbündel nahezu den gleichen Weg sowohl durch die nach innen gerichtete Begrenzung des Fensters 16 als auch durch die Heliumgasprobe in der Probenkammer 1 verfolgen. Die Teilstrahlenbündel werden vom Spiegel 17 reflektiert und auf die nach innen gerichtete Oberfläche eines zweiten Kammerfensters 18 fokussiert, das die gleiche Form wie das Fenster 16 aufweisen kann. Beim Austreten aus dem Fenster 18 gelangen die Teilstrahlenbündel auf das empfindliche Gebiet eines Infrarotstrahlungsdetektors 19, in dem vorzugsweise Bleisulphid als Photoleiter angewandt wird. Die relativen Intensitäten der beiden Teilstrahlenbündel werden z. B. mittels einer im Weg eines der Bündel angebrachten veränderbaren öffnung derart eingestellt, daß, wenn in der Heliumprobe in der Kammer 1 kein Wasserdampf vorhanden ist, das Ausgangssignal des Detektors 19 für die beiden Teilstrahlenbündel gleich ist. Das Ausgangssignal des Detektors 19 wild synchron mit dem Strom-Zeit-Diagramm 22 moduliert, und dieses modulierte Ausgangssignal wird mit Hilfe einer Vorrichtung 20 sichtbar gemacht. Dieses Signal zeigt die durch Absorption in dem in der Kammer vorhandenen Wasserdampf herbeigeführte Verringerung der Intensität des ersten Teilstrahlenbündels in bezug auf die des zweiten Teilstrahlenbündels an. Der Betrag dieser Absorption ist ein Maß für die Konzentration des gegebenenfalls in der Heliumgasprobe in der Kammer 1 vorhandenen Wasserdampfes.

F i g. 2 zeigt schematisch die Schaltungsanordnung, die beim Messen mit der Vorrichtung nach F i g. 1 verwendet wird. Das Ausgangscignal einer Lichtquelle 24, die aus der Wolframlampe 4 besteht, wird von einem Modulator 25 derart gesteuert, daß die Intensität der emittierten Strahlung eine konstante Gleichstromkomponente und eine Wechselkomponente mit einer Frequenz von 30 Hz enthält. Das Verhältnis zwischen den Spitzenintensitäten der Gleichstrom- und Wechselstromkomponenten der emittierten Strahlung wird nahezu konstant gehalten.

Der Block 32 im Weg der von der Quelle 24 herrührenden Strahlung enthält das aus Yttrium· Eisen-Granat bestehende, den Faraday-Effekt aufweisende Element

12 und die zugehörige Spule 13, die von der Quelle 14 gespeist wird, die einen rechteckförmigen Strom liefert, dessen Wiederholungsfrequenz beträchtlich höher als die von der Quelle 24 emittierten Wechselkomponente ist. S

Das Ausgangssignal des Strahlungsdetektors 19 wird von einem Vorverstärker 26 und einem Verstärker 27 mit veränderbarem Verstärkerfaktor verstärkt. Das Signal des Verstärkers 27 wird dem Eingang eines abge stimmten Verstärkers 29 mit einem festen Verstärkungsfaktor zugeführt, der bei der Frequenz des der den Faraday-Effekt aufweisenden Vorrichtung 32 zugeführten rechteckförmigen Stromes Resonanz aufweist. Das Ausgangssignal des Verstärkers 29 wird einem Synchrondemodulator 31 zugeführt, der mit einem Bezugsausgangssignal der Quelle 14 gespeist wird. Das Ausgangssignal des Synchrondemodulators 31 ist ein Signal, dessen Amplitude von dem Unterschied zwischen den Intensitäten des ersten und des zweiten Teilstrahlenbündels, die auf den Detektor 19 auffallen, ab- hängig ist Die Intensität des zweiten Teilstrahlenbündels wird durch das Vorhandensein von Wasserdampf nahezu nicht beeinflußt; dieses Bündel dient also als Bezugsbündel. Die Intensität des ersten Teilstrahlenbündels, die derart eingestellt ist, daß sie beim Fehlen von Wasserdampf gleich der des zweiten Teilstrahlenbündels ist. wird um einen Betrag herabgesetzt, der von der Konzentration von Wasserdampf in der Probe abhängig ist. Auf diese Weise wird durch das wechselweise Durchlassen der beiden TeilstraWenbündel beim Vorhandensein von Wasserdampf in der Probe ein Ausgangssignal hervorgerufen, das dem Synchrondemodulator 31 entnommen wird und dessen Amplitude also von der in der Probe vorhandenen Wasserdampfmenge abhängig ist.

Die Amplitude des Ausgangssignats des Synchrondemodulators 31 wird jedoch auch beeinflußt durch Änderungen von Parametern des Systems, wie der Empfindlichkeit des Strahlungsdetektors 19, der Verstärkungsfaktoren der Verstärker 26 und 27. und von den- jenigen Parametern, die die Intensitäten der auf den Strahlungsdetektor 19 auffallenden Teilstrahlenbündel bestimmen, wie der Intensität der Quelle 24. den Durchlaßfaktoren der Fenster 16 und 18, dem Reflexionskoeffizienten des Spiegels 17. dem Wirkungsgrad der Strahlungsleiter und dem Ausmaß, in dem diese Strahlungsleiter ausgerichtet sind. Der Effekt derartiger Änderungen im System wird für die beiden Teilstrahlenbündel dadurch nahezu gleich gemacht, daß diese Teilstrahlenbündel zwangsweise einen nahezu m> gleichen Weg durch die Kammer 1 und durch die nach innen gerichteten Grenzflächen der Fenster 16 und 18 verfolgen, auf welchen Fenstern sich z. B. Staub niederschlagen kann.

Der Effekt derartiger Änderungen von Parametern ·<< des Systems auf die Amplitude des Ausgangssignals des Demodulators 31 wird durch eine automatische Ver Stärkungsregelschaltung nahezu beseitigt mit deren Hilfe die Amplitude des von der 30-Hz-Wechselkomponente der Quellenintensität abgeleiteten Signals und «ό also auch die Amplitude des die Intensität des zweiten Teilstrahlenbündels anzeigenden Signals am Ausgang des Verstärkers 27 mit veränderlichem Verstärkungsfaktor nahezu konstant gehalten werden.

Das Ausgangssignal des Verstärkers 27 wird über *<> einen abgestimmten Verstärker 28 mit festen*. Verstärkungsfaktor, der bei der Frequenz der 30-Hz-Wechsel komponente der Quelle 24 Resonanz aufweist, einem Synchrondemodulator 30 zugeführt, der auch mit einem 30-Hz-Bezugsausgangssignal des Modulators 25 gespeist wird. Mit Hilfe des Ausgangssignals des Demodulators 30 wird dann die Verstärkung des Verstärkers 27 mit veränderbarem Verstärkungsfaktor derart geregelt, daß die Amplitude des 30-Hz-Signals am Ausgang dieses Verstärkers nahezu konstant gehalten wird. Wenn das Ausgangssignal des Demodulators 30 unter einen Mindestwert absinkt was auf eine zu große Absorption der Strahlung z. B. infolge des Vorhandenseins von Staub auf den nach innen gerichteten Oberflächen der Kammerfenster hindeutet oder wenn das Ausgangssignal wegfällt was auf einen Defekt der Quelle 24 hindeutet, wird dieser Zustand in einer Alarmschaltung detektiert, die ein geeignetes Alarmsignal abgibt.

Die Wirkung der Verstärkungsregelschaltung ermöglicht es, daß durch Vermittlung von Ausgangs- und Alarmschaltungen 34 das Ausgangssignal des Synchrondemodulators 31 zum sofortigen Sichtbarmachen der relativen Konzentration von Wasserdampf in der Probe in einer geeigneten Anzeigevorrichtung verwendet werden kann, welche Anzeigevorrichtung derart überwacht werden kann, daß ein Alarmsignal abgegeben wird, wenn die Amplitude und somit die relative Wasserdampfkonzentration einen bestimmten Grenzwert überschreitet.

Eine mögliche Abwandlung der beschriebenen Vorrichtung besteht darin, daß die Probenkammer 1 sich zwischen der Quelle 4 und der Linse 5 befindet. Dabei muß die von der Quelle 4 herrührende Strahlung, die die Kammer und die nach innen gerichteten Kammerfenster durchläuft auf zweckmäßige Weise in bezug auf die Bildung der beiden Teilstrahlenbündel 10 und 11 derart vermischt werden, daß jede örtliche Schwächung der Strahlung auf dem Wege zu der Probenkammer eine nahezu gleiche Herabsetzung der Intensität jedes der Teilstrahlenbündel 10 und U zur Folge haben wird.

Das den Faraday-Effekt aufweisende Element 12 kann auch durch eine Vorrichtung ersetzt werden, in der eine oder mehrere Platten verwendet werden, die aus einem Stoff bestehen, der eine Drehung der Polarisationsebene in Abhängigkeit von einem angelegten elektrischen Feld herbeiführen kana

Die Strahlung braucht nicht von einem Spiegel 17 in der Probenkammer 1 reflektiert zu werden, sondern kann über das auf einer Seite der Kammer liegende Fenster 16 durch die Kammer hin auf ein auf der anderen Seite der Kammer liegendes Fenster 18 gerichtet werden. Im Strahlengang kann eine linse angeordnet werden, mit deren Hilfe die Strahlung aus dem Fenster 16 auf das Fenster 18 konzentriert werden kann. Die Linse kann auch fortgelassen werden, wenn die Intensität der Quelle 4 und die Empfindlichkeit des Detektors 19 genügend groß sind.

Die beschriebene Ausführungsform bezieht sich auf das Messen der relativen Wasserdampfmenge in Heliumgas, aber die Vorrichtung kann auch zum Messen der relativen Menge anderer in für Strahlung durchlässigen Medien vorhandener Stoffe verwendet werden. Derartige Medien können gasförmig, flüssig oder fest sein, stets unter der Voraussetzung, daß geeignete Absorptions- und Bezugsbanden oder -Frequenzen für die beiden Komponenten auf die beschriebene Weise verwendet werden können.

Hierzu 2 Blatt Zeichnunccn

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration eines Stoffes aus der Absorption von polari- liertem Licht, mit einer Lichtquelle, einer Polarisationseinrichtung zur Erzeugung eines linear polarilierten Meßstrahlenbündels und eines senkrecht zu diesem linear polarisierten Vergleichsstrahlenbündels sowie einem photoelektrischen Detektor, der wechselweise von einem der beiden Teil strahlenbündel beaufschlagt ist, dadurch gekennte i c h η e t, daß im Meßstrahlenbündel (10) ein er-■tes Filter (8) zur Ausfilterung eines mit einer Absorptionsbande des untersuchten Stoffes überein- •timmenden Spektralbereichs aus diesem Strahlenbündel angeordnet ist, daß im Vergleichsstrahlenbündel (11) ein zweites Filter (9) zur Ausfilterung «ines von dem untersuchten Stoff nicht absorbierten Spektralbereichs angeordnet ist, daß ein von Meß- und Vergleichsstrahlenbündel beaufschlagter Polarisationsumschalter (12, 13, 14; 32) vorgesehen ist, durch den die Polarisationsrichtungen der beiden Bündel (10, II) jeweils zwischen zwei zueinander senkrechten Lagen umschaltbar sind, und daß zwischen dem Polarisationsumschalter (12, 13, 14; 32) und dem Detektor (19) ein Analysator (IS) angeordnet ist, dessen Polarisationsrichtung mit der Lage der Polarisationsrichtung übereinstimmt, die wechselweise von der Polarisationsrichtung des Meß- bzw. Vergleichsstrahlenbündels eingenommen wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufnahme des untersuchten Stoffes eine Probenkammer (1) mit je einer Strahlungs- eintritts- und Austrittsöffnung (16, 18) vorgesehen

ist und daß die öffnungen (16,18) aus Strahlungsleitern bestehen, die eine derartige Form aufweisen, daß die Teilbündel (10, U) beim Eintreten in und beim Austreten aus der Kammer (1) nahezu die gleiehe räumliche Verteilung aufweisen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (24) derart moduliert ist, daß ihre Strahlung eine Komponente mit gleichmäßiger Intensität und eine Wech- selkomponente mit einer bestimmten Frequenz enthält, welche Komponenten ein konstantes relatives Amplitudenverhältnis aufweisen.