DE2332288A1 - Infrarotanalysator - Google Patents

Description

OR-INQ. DIPL.-IKG. M. SC. DIPL.-PHYS. D R. DIPL.-PHYS.

HÖGER - STELLRECHT-GRIESSBACH - HAECKER

PATENTANWÄLTE IN STUTTGART

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20. Juni 1973

Mine Safety Appliances Company 400 Penn Center Boulevard Pittsburgh, Penna. 152 35, USA

Infrarotanalysator

Die Erfindung betrifft einen Infrarotanalysator zur Messung des Gehalts einer Komponente in einer flüssigen oder gas-, förmigen Probenmischung, die auch eine Störsubstanz mit einem das Absorptionsband der Komponente überlappenden Absorptionsband enthält, mit einer Vorrichtung zur Aussendung von Infrarotenergie in zwei Strahlengängen, einem für einen Analysestrahl und einem für einen Rcferenzstrahl, mit einer Vorrichtung zur abwechselnden Unterbrechung dieser Strahlen, einer Vorrichtung zur optischen Schwächung von wenigstens einem dieser Strahlen und mit einer die zu analysierende Flüssigkeit enthaltenden, im Strahlengang des Analysestrahls angeordneten Probenzelle und einer eine

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Referenzflüssigkeit enthaltenden, im Strahlengang des Referenzstrahls angeordneten Referenzzelle.

Diese Erfindung beschäftigt sich mit von verschiedenen Umgebungseinflüssen bedingten Problemen der Absorption und des mechanischen Aufbaus, die die Konstruktion und den Betrieb von nicht dispersiven infraroten Flüssigkeitsanalysatoren mit pneumatischen Detektoren des Kondensator-Mikrophontyps beeinflussen. Derartige Analysatoren arbeiten fehlerhaft, wenn die Absorption der Infrarotenergie in der Probe durch änderungen der Umgebungsbedingungen beeinflußt wird, wozu z.B. die Anwesenheit einer Störsubstanz in der Probe gehört, die ein das Absorptionsband der interessierenden Komponente überlappendes Absorptionsband besitzt} oder eine Änderung der Intensität der infraroten Energiequelle. Das Instrument arbeitet auch fehlerhaft, wenn es mechanischen Schwingungen oder Erschütterungen ausgesetzt ist, die zwar nicht die infrarote Absorption selbst beeinflussen, aber die mechanische Arbeitsweise der Detektoren und dadurch aas Ausgangssignal verändern. Viele Versuche sind mehr oder weniger erfolgreich unternehmen v-orden, um die unerwünschten Wirkungen jedes dieser Faktoren zu verringern, aber keinem isr es gelungen, die beiden Einflüsse, in selben Instrument völlig oder zumindest ausreichend su verringern.

In der US-PS 2,924,713 wird ein Analysator zur Verringerung des von zusätzlichen Absorptionseffekten herrührenden Fehlers beschrieben. Dazu gehört auch die Anwesenheit einer StörsuLs^an:* in der Probe, deren Absorptionsband in einer Spektralbare:;.er;, in dem sowohl die interessierende Komponente als auch die Störsubstanz relativ stark absorbieren, das Ahporptii.rsbanc: der

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interessierenden Komponente überlappt. Aber in diesem Falle gibt es keine ausreichende Kompensation für Fehler, die von Schwingungen des pneumatischen Detektors herrühren. Der Analysator der US-PS 3, 206,597 ( in denen der Erfinder und der Anmelder dieselben sind wie in der vorliegenden Anmeldung) kompensiert auf der anderen Seite Fehler, die auf mechanischem Viege durch Schwingungen erzeugt werden und auf absorptivem Wege durch bestimmte Umgebungsbedingungen erzeugt werden, aber er kompensiert die Fehler nicht, die von der Absorption einer Störsubstanz im Absorptionsbereich der interessierenden Komponente herrühren.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Infrarotanalysator vorzustellen, der die absorptiven Effekte gewisser Umgebungsbedingungen vollständig ausschaltet oder zumindest in ausreichendem

insbesondere
Maße verringert, wozu/_vauch die Anwesenheit einer Störsubstanz in der Probe gehört, deren Infrarotabsorptionsband das Absorptionsband der interessierenden Komponente in einem Spektralbereich überlappt,in dem sowohl die interessierende komponente als auch die Störsubstanz nicht stark absorbieren, und der gleichzeitig die Effekte mechanischer Schwingungen und Erschütterungen ausschaltet oder wenigstens in ausreichendem Maße verringert.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,

daß zwei Infrarot-Absorptionsdetektoreinheiten von im Wesentlichen gleichem physikalischem Aufbau und gleicher Orientierung optisch hintereinander geschaltet sind, die beide je zwei miteinander verbundene Absorptionskammern haben, von denen die eine im Strahlengang des Analysestrahls und die andere im Strahlengang des Referenzstrahls angeordnet ist,

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daß jede Detektoreinheit als Funktion der Differenz der in den beiden Kammern einer Detektoreinheit absorbierten Energie ein Ausgangssignal erzeugt,

daß die Kammern der ersten Detektoreinheit neben einer nicht-absorbierenden Flüssigkeit eine die Infrarotenergie im selben Spektralbereich wie die Komponente in der Probenzelle absorbierende Substanz enthalten, wobei dies ein Spektralbereich ist, in dem sowohl die Komponente als auch die Störsubstanz schwach absorbieren, und ein der Variation des Gehalts an Komponente und Störsubstanz entsprechendes erstes elektrisches Signal abgeben,

daß die Kammern der zweiten Detektoreinheit neben einer nichtabsorbierenden Flüssigkeit eine auch in einem danebenliegenden Spektralbereich absorbierende Substanz enthalten, wobei dies ein Spektralbereich ist, in dem die Flüssigkeitsprobe nur wegen des Gehalts an Störsubstanz absorbiert, und ein zweites, den Variationen in der Störsubstanz-Dämpfungseinrichtung entsprechendes elektrisches Signal abgeben,

daß die Dämpfungseinrichtung in den Strahiengängen der beiden Strahlen zwischen den beiden Detektoreinheiten angeordnet ist und die Strahlungsenergie der beiden Strahlen in gleicher Weise dämpft und damit das Ausgangssignal der zweiten Detektoreinheit auf eine Größe begrenzen kann, die genau den Teil des von der ersten Detektoreinheit abgegebenen Signals kompensiert, der von dem Gehalt der Flüssigkeitsprobe an Störsubstanz herrührt,

daß der ersten und der zweiten Detektoreinheit Verstärkereinrichtungen zur Verstärkung der Ausgangssignale zugeordnet sind,

und daß Mittel zur unabhängigen Verstärkungsregelung in jeder der Verstärkereinrirhtungen und ein Differenzverstärker zur Erzeugung eines Ausgangssignals als Funktion der Differenz der verstärkten Detektor-Ausgangssignale vorgesehen sind.

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Die nachstehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsfonnen der Erfindung dient im Zusammenhang mit beiliegender Zeichnung der weiteren Erläuterung. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines nicht dispersiven Zweistrahl-Infrarotanalysators gemäß der Erfindung;

Fig. 2 in einem Diagramm verschiedene Kurven, die die Absorptionseigenschaften von Kohlenmonoxid bei verschiedenen Konzentrationen in einem nicht absorbierenden Gas darstellen und außerdem eine Kurve, die die absorbierenden Eigenschaften von Wasserdampf darstellt.

In Figur 1 ist ein nicht dispersiver Zweistrahl-Infrarotanalysator dargestellt, der als anschauliches Beispiel zur Messung der Konzentration von Kohlenmonoxid in Wasserdampf als Störsubstanz enthaltender Luft dient. Wasserdampf hat ein Absorptionsband, das das Absorptionsband von Kohlenmonoxid in einem Spektralbereich überlappt, in dem keine der beiden Komponenten stark absorbiert. Die Vorrichtung umfaßt eine Quelle für Infrarotenergie, die hier aus zwei im wesentlichen gleichen, nebeneinander angeordneten Quellen 1 und 2 besteht, obwohl die beiden Quellen in einer einzigen Quelle vereint sein können und die von ihnen ausgesandte Strahlung zur übertragung ihrer Energie in zwei Strahlengänge aufgespaltet werden kann. Einer der Strahlen, im folgenden als Analysestrahl bezeichnet, besteht aus parallel zu einer optischen Achse 3 (gestrichelt gezeichnet) führender Strahlung von Quelle 1. Der, andere, im folgenden als Referenzstrahl bezeichnet, besteht aus parallel zu einer optischen Achse 4 führender Strahlung von Quelle 2. Beide Strahlen passieren einen Chopper, wo sie nacheinander von einer Verschlußvorrichtung 5 unterbrochen werden, die aus einer halbkreisförmi-

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gen, undurchsichtigen, von einem Elektromotor β angetriebenen Scheibe besteht.

Die resultierenden, abwechselnd gepulsten Analyse- und Referenzstrahlen gehen durch eine mit einem Gaseinlaß 8 und einem Gasauslaß 9 versehene Probenzelle 7 bzw, durch eine

Zelle 11. Die beiden Strahlen gehen dann durch eine erste Detektoreinheit Dl ι v/obei der Analysestrahl durch eine Absorntionskairaner 12 und der Referenzstrahi durch eine ähnliche Kammer

in der

DetektoreiaftsLt geht. Die beiden Strahlen fallen dann durch Absorptionskammern 14 bzw. 16 (verbunden durch eine Passage 15) eines Filters 17 und schließlich durch Abscrptior-skaninern 12a bzw. 13a einer zweiten einheit- ^D^* Jecie der Absorptionskammern in den Detektor- und Filtereinheiten ist in Bezug auf die physikalische Struktur identisch mit der anderen Kammer derselben Einheit. Alle Kammern sind ebenso wie die Probe- und Referenzzellen mit infrarotdurchsichtigen Fenstern 18 auf einer oder auf beiden Seiten versehen, die den Durchgang von Infrarotenergie ohne Dämpfung gestatter.«

Jede Detektoreinheit Dl und D2 umfaßt neben ihren beiden Absorptionskammern eine T-förmige Passage 21 bzw» 21a, die eis beiden Kammern miteinander und mit einen: druckempfindlicher. Kondensatormikrophon 22 bzw. 22a verbindet. Jedes dieser beiden Kondensatormikrophone ist mit den üblichen flexibler Membranen 23 bzw. 23a und der Statorplatte 24 bsv;, 24a mechanisch in gleicher Weise aufgebaut, so daß z.B. bei einem Druckanstieg in den Kammern die Membran gegen den danebenstehendan Stator gebogen wird. Soweit dies durchführbar iüt, sind die Elemente jeder Detektoreinheit mechanisch und aufbaumäßig gleich mit den entsprechenden Elementen in der anderer. Detsktor-

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einheit ,was in Figur 1 durch die Verwendung der gleichen Bezugszeichen, einmal mit und einmal ohne den Zusatz a_f zur Bezeichnung der einander entsprechenden Elenente angedeutet -ist. Die

Detektorbeiden einheiten sollten zusätzlich gleich orientiert sein, um gleich auf Schwingungen zu reagieren.

Bei dem zur Illustration verwendeten, hier behandelten Beispiel

Detektorkann die einheit Dl nü-t einer Mischung aus Kohlenmonoxid und einem nicht absorbierenden Verdünnungsgas, wie z.B. Argon, gefüllt sein. Die Konzentration des Kohlenmonoxids muß dabei hoch genug sein, um die Infrarotenergie im selben Spektralbereich wie das Kohlenmonoxid in der Prpbenzelle zu absorbieren.

Detektorexnheit

Anders ausgedrückt sollte in der Dl genügend Kohlenmonoxid vorhanden sein, um (bei Abwesenheit eines absorbierenden Gases in der Probenzelle) soviel Infrarotenergie vom Analysestrahl zu absorbieren, wie vom Kohlenmonoxid in der Probenzelle von diesem Strahl absorbiert wird, wenn tatsächlich ein Probengas untersucht wird. In der Praxis sollte die Kohlen-

in der Demonoxidkonzentration tektoreinheit Dl etwas höher sein als die

Die Detektormaximal zu erwartende Konzentration im Probengas. einheit D2 kann mit einer ähnlichen Mischung gefüllt sein, aber mit einer höheren Konzentration an Kohlenmonoxid, um sein Absorptionsband "Druckzvrverbreitern" oder breiter zu gestalten. Dadurch umfaßt das Absorptionsband auch einen danebenliegenden Spektralbereich, in dem die Störsubstanz, im vorliegenden Beispiel Wasserdampf, stärker absorbiert als in dem Bereich, in dem es das Absorptionsband des Kohlenmonoxids in der Probenzelle überlappt.

Was die Funktion des Analysators der Figur 1 angeht, so fallen die beiden Inf rarotstralilen im Analyse- und Referenzstrahlengang durch die Proben- und Referenzzellen zu den

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Absorptionskammern der Detektoreinheiten. Bevor die Strahlen in die Proben- und Referenzzellen einfallen, v/erden sie abwechselnd durch die drehbare Verschlußvorrichtung 5 moduliert, so daß in einem Teil eines jeden Zyklus der Referenzstrahl unterbrochen, während der Analysestrahl eingeschaltet ist, und in einem anderen, nicht direkt darauffolgenden Teil des Zyklus der Analysestrahl unterbrochen ist, während der Referenzstrahl eingeschaltet ist. Diese nicht direkt aufeinanderfolgenden Teile werden durch einen dazwischenliegenden Teil des Zyklus getrennt, indem beide Strahlen gleichzeitig teilweise unterbrochen sind. Als Ergebnis einer derartigen Modulation breiten sich Impulse von Infrarotenergie mit der Chopperfrequenz abwechselnd längs der beiden Strahlengänge aus, die durch Intervalle getrennt sind, in denen sich eine bestimmte Menge von Infrarotenergie längs beider Strahlengänge ausbreitet. Wenn beide Strahlen den gleichen effektiven Querschnitt besitzen, so bleibt die in die Proben- und Referenzzellen einfallende Gesamtenergie konstant. Wenn die in die Detektoreinheit Dl einfallenden Impulse Energie in dem Wellenlängenbereich enthalten, die von den Detektorgas absorbiert wird, dann wird das Gas in der Detektoreinheit aufgeheizt und wird sich entsprechend den Gasgeset2en ausdehnen und zusammenziehen. Wenn jede /\bsorptionskammer 12 und 13 abwechselnd den gleichen Energiebetrag erhält, dann werden die abwechselnden Gasausdehnungen (und Zusarnmenziehungen) in jeder dieser Kammern gleich und komplementär sein. Es v/erden in der Detektoreinheit insgesamt also keine resultierenden Druckschwankungen auftreten und daher auch keine Bewegung der Membran 23 des Kondensatormikrophons 22. Diese Bedingung wird vorherrschen, wenn z.B. sowohl die Probenzelle 7 als auch die Referenzzelle ein nicht absorb-ierendes Gas enthalten und wenn die in diese Zellen einfa-llenden Strahlen den gleichen Betrag an Infrarotenergie enthalten.

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Wenn dagegen das Gas in der Probenzelle (aber nicht in der Referenzzelle) eine interessierende Komponente (oder eine Störsubstanz) enthält, die Infrarotenergie absorbiert, dann wird nur der Analysestrahl vor dem Eintritt in die Detektoreinheit Dl geschwächt. Das Gas in Kammer 12 (im Strahlengang des Analysenstrahles) wird dann in einem Zyklus weniger Infrarotenergie empfangen und absorbieren als das Gas in Kammer (im Strahlengang des Referenzstrahls) . Als Resultat v/erden die abwechselnden Gasausdehnungen (und Zusammenziehungen) in den beiden Kammern ungleich sein und Druckimpulse erzeugen, die auf die Mikrophonmembran einwirken. Es ist klar, daß die zweite Detektoreinheit D2 in ähnlicher Weise nach gleichen Prinzipien arbeitet.

Die Druckimpulse in jeder Detektoreinheit spiegeln verschiedene Absorptionen der zwei Strahlen innerhalb der Detektoreinheit wieder und v/erden als Veränderung der elektrischen Kapazität des der Detektoreinheit zugeordneten Kondensatormikrophons gemessen. Die den beiden Detektoreinheiten Dl und D2 zugeordneten Mikrophone sind, wie in Figur 1 gezeigt, in einer elektronischen Schaltung verbunden, die übertrager 31 und 32 mit gleichen elektrischen Eigenschaften zur Umformung von Kapazitätsänderungen in Spannungssignale, zwei regelbare Verstärker 33 und 34, einen Differenzverstärker 36 und ein Anzeigegerät 37 umfaßt.

Zur Eichung und Kompensation der Vorrichtung zur Messung von Spurenbeträgen von Kohlenmonoxid, z.B. bis zu 50 PPM in mehr oder weniger Wasserdampf enthaltender Luft, und zum bev/eglichen Gehauch der Vorrichtung, wobei Schwingungen zu erwarten sind (wie das für eine Außenmessung von Luftverschmutzung typisch ist), kann nich die Konzentration des Kohlenmonoxids in der Detektoreinheit Dl um etwa 4% und in der Detektoreinheit D2

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um etwa 20% bewegen, wobei der Rest in jedem Fall Argon ist. Zu Beginn können die Absorptionskammern des Filters 17 vollständig mit Kohlenmonoxid gefüllt sein und dadurch jegliche Infrarotabsorption in der Detektoreinheit D2 verhindern. Das optische System wird dadurch abgeglichen, daß ein nicht absorbierendes Gas in die Proben- und Referenzzellen gefüllt wird und anschließend die Infrarotenergien des Analyse- und Referenzstrahls z.B. durch die Einstellung von in den beiden Strahlengängen angeordneten Trimmern 38 geregelt wird, bis das Anzeigegerät 37 Null anzeigt. Anschließend wird der Bereich des Anzeigegeräts eingestellt, indem die Probenzelle mit einem nicht absorbierenden Gas gefüllt wird, das Kohlenmonoxid in einer Konzentration von 50 PPM (der höchsten in der später zu untersuchenden atmosphärischen Probe zu erwartenden Konzentration) enthält und indem die Verstärkung des das Ausgangssignal der Detektoreinheit Dl verstärkenden Verstärkers 33 so eingestellt wird, daß am Anzeigegerät Vollausschlag erhalten wird.

Um die mechanischen Schwingungen zu kompensieren, wird die Probenzelle 7 dann mit einem nicht absorbierenden Gas gefüllt, und das optische System wird den beim tatsächlichen Betrieb auftretenden Schwingungsbedingungen ausgesetzt. Die Verstärkung des das Ausgangssignal der Detektoreinheit D2 verstärkenden Verstärkers 34 wird dann geregelt, bis das Anzeigegerät Null anzeigt. Diese Regelung beeinflußt das verstärkte Ausgangssignal der Detektoreinheit Dl oder den darauf beruhenden Ausschlag des Anzeigegerätes in keiner Weise.

Der nächste Schritt besteht in der Kompensation der Absorption des Wasserdampfes, dessen Anwesenheit in der Atmosphärenprobe zu erwarten ist. Dies geschieht dadurch, daß einen», nicht absorbierenden Gas in der Probenzelle Wasserdampf zugesetzt

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und dann die Konzentration des Monoxide im Filter 17 erniedrigt wird, bis das Anzeigegerät Null zeigt. Zur Erklärung dieses Vorgangs zeigt Figur 2, wenn auch nur näherungsweise und zur Klarstellung etwas übertrieben vereinfachte Infrarotabsorptionskurven von Kohlenmonoxid bei verschiedenen Konzentrationen und von V7asserdampf. Dabei bezeichnet χ die Absorptionskurve des Kohlenmonoxids bei der höchsten, in der Gasprobe zu erwartenden Konzentration (dies ist auch die wünschenswerte Absorptionskurve des Kohlenmonoxids in der Detektoreinheit Dl) ; y stellt die Absorptionskurve des Kohlenmonoxids in der Detektoreinheit D2 dar; z. stellt die Absorptionskurve des Kohlenrnonoxids bei der zuerst in Filter 17 vorliegenden 100%igen Konzentration dar und z„ die Absorptionskurve des Kohlenmonoxids bei der eingestellten Konzentration, die gerade den Einfluß des Wasserdampfs kompensiert; w stellt die Absorptionskurve von Wasserdampf bei der höchsten in der Gasprobe zu erwartenden Konzentration dar (für die meisten praktischen Anwendungen kann eine Konzentration von 100% angenommen werden). Aus diesen Kurven wird ersichtlich, 1. daß das Absorptionsband von Kohlenmonoxid bei einer Konzentration, die der Kuri7e χ entspricht, die Absorptionskurve des Wasserdampfs in dem Spektralbereich abc überlappt, in dem beide Komponenten nur schwach absorbieren und 2. daß der Wasserdampf in dem Maße, in dem die Kohlenmonoxidkonzentration steigt und das Absorptionsband des Kohlenmonoxids breiter wird und dabei das Gebiet der Überlappung zunimmt, mit jeder aufeinanderfolgenden Steigerung dieses wachsenden Gebietes stärker absorbiert.

Wenn sich in der Proben- und Referenzzelle kein absorbierendes Gas befindet, dann absorb-iert das Kohlenmonoxid in beiden Kammern der Detektoreinheit Dl die Infrarotenergie über den

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gesamten Spektralbereich, der von Kurve χ angegeben wird. Wenn in der Probenzelle Wasserdampf zugegeben wird, dann absorbiert es Energie im Analysestrahl im Spektralbereich abc und bewirkt dabei eine entsprechende Schwächung des Analysestrahls, der in Kammer 12 der Detektoreinheit Dl einfällt; Da eine entsprechende Schwächung des in Kammer 13 einfallenden Referenzstrahles nicht stattfindet, werden in der Detektoreinheit Dl Druckimpulse erzeugt und führen zu einem Ausgangssignal. Die Detektoreinheit D2 wird jedoch kein Ausgangssignal liefern, solange die Konzentration des Kohlenmonoxids im Filter 17 hoch genug ist, um die Energie in dem Spektralbereich unter der die äußeren Grenzen des Absorptionsbandes des Kohlenmonoxids in der Detektoreinheit bestimmenden Kurve y zu absorbieren. Aber wenn die Konzentration des Kohlenmonoxides in Filter 17 z.B. so weit verringert wird, daß die Absorptionskurve des Kohlenmonoxides statt durch die Kurve z. durch die Kurve z„ beschrieben wird, dann wird die Detektoreinheit D2 ihrerseits empfindlich für den Wasserdampf, da die Energie im Analysestrahl, die sonst in Kammer 12a im Spektralbereich defg (die Überlappung der Kurven w und y außerhalb der Kurve z_) absorbiert würde, schon von dem Wasserdampf in der Probenzelle absorbiert worden ist. Da der in die Kammer 13a eintretende Referenzstrahl keine entsprechende Schwächung erfahren hat, wird die Detektoreinheit D2 ein Ausgangssignal liefern. Aus Figur 2 ergibt sich, daß weder die Detektoreinheit Dl noch die Detektoreinheit D2 Infrarotenergie im Spektralbereich zwischen Kurve χ und Kurve z- absorbieren, wodurch zwischen den beiden Detektoreinheiten ein größeres Diskriminierungsverhältnis für das Kohlenmonoxid erzeugt wird, wenn sich das Absorptionsband in der Probenzelle dem durch die Kurve χ definierten nähert. Durch Einstellen der Konzentration des

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Kohlenmonoxids im Filter 17 kann das Spektralgebiet defg dem Spektralgebiet abc im wesentlichen gleichgemacht v/erden, so daß die Ausgangssignale der Detektoreinheiten Dl und D2 dadurch gleichgemacht v/erden und sich gegenseitig aufheben, was durch die Nullanzeige auf dem Anzeigegerät angezeigt wird.

Wenn die richtige Konzentration des Kohlenmonoxids im Filter einmal auf die beschriebene Weise bestimmt worden ist, v/erden die Absorptionskammern des Filters verschlossen und das Instrument ist fertig zum Gebrauch. In der Zeichnung sind die Absorptionskammern des Filters so dargestellt, als seien sie langer als die Absorptionskammern der Detektoreinheiten. Die Absorptionskammern der Detektoreinheiten werden wünschenswerterweise so kurz wie möglich gehalten, um die Einwirkung von dynamischen Gasmasseneffekten auf die Reaktion des Kondensatormikrophones zu vermeiden. Da das Gas in dem Filter keine dynamische Funktion hat, können die Absorptionskammern des Filters so lang gemacht werden, wie es zur genauen Einstellung der zur Kompensierung der Absorption der Störsubstanz in dem Probengas nötigen Kohlenmonoxid-Konzentration . in der Absorptionskammer wünschenswert ist. Wenn die Konzentration des Kohlenmonoxids in dem Probengas hoch ist (z.B. hoch genug um 10% der einfallenden Energie zu absorbieren), dann kann die Absorption in der Probenzelle durch Verkürzung dieser Zelle verringert werden. Dadurch erhält man eine lineare Reaktion des Instrumentes auf die Kohlenmonoxid-Konzentration

Obwohl optische Trimmer (mechanisch gekoppelt, um die gleiche Schwächung in beiden Strahlen zu erreichen) anstelle des Filters 17 verwendet werden können, bietet das Filter 17 zahlreiche Vorteile. Wie schon festgestellt, erlaubt ein Filter eine genauere und ausgewogenere Schwächung, ebenso wie eine

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bessere Diskriminierung. Außerdem reflektiert ein optischer Trimmer (aber nicht ein Filter) gestreute Infrarotstrahlen, die aus der ersten Detektoreinheit austreten, in die Detektoreinheit und vergrößert so deren Reaktion. Außerdem findet in einem mechanischen Schwächungsglied keine spektrale Unterscheidung statt, und daher auch keine Trennung der Spektralgebiete, die von den Kurven χ und y begrenzt werden. Eine derartige Trennung (definiert durch den Bereich zwischen den Kurven χ und z„) erfolgt aber bei einem Filter, das Energie in einem von der Kurve z_ beschriebenen Spektralbereich absorbiert.

Die Vorrichtung der Figur 1 kompensiert automatisch auch andere Änderungen in den Umgebungsbedingungen, die seine Absorptionsreaktion beeinflussen. Zu solchen Änderungen gehören z.B. Schwankungen in der Intensität der Infrarotquelle (oder gleichmäßige Intensitätsschwankungen, wenn es zwei Quellen gibt) und Änderungen in Druck und Temperatur. Diese Änderungen beeinflussen jede Detektoreinheit in gleicher Weise und rufen daher gleiche Änderungen von deren Ausgangssignal hervor, die sich gegenseitig aufheben.

Die erste Detektoreinheit und die zweite Detektoreinheit absorbieren Energie in verschiedenen Spektralbereichen und es ist daher unwichtig, ob sie in Reihe hintereinander oder parallel angeordnet sind. Eine Parallelanordnung der Detektoreinheiten würde einen zusätzlichen Infrarotstrahl erfordern.

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Claims (8)

A 40 220 m u - 154 20. Juni 1973 Patentansprüche

1.) Infrarotanalysator zur Messung des Gehalts einer Komponente in einer flüssigen oder gasförmigen Probenmischung, die auch eine Störsubstanz mit einem das Absorptionsband der Komponente überlappenden Absorptionsband enthält, mit einer Vorrichtung zur Aussendung von Infrarotenergie in zwei Strahlengängen, einem für einen Analysestrahl und einem für einen Referenzstrahl, mit einer Vorrichtung zur abwechselnden Unterbrechung dieser Strahlen, einer Vorrichtung zur optischen Schwächung von wenigstens einem dieser Strahlen und mit einer die zu analysierende Flüssigkeit enthaltenden, im Strahlengang des Analysestrahls angeordneten Probenzelle und einer eine Referenzflüssigkeit enthaltenden, im Strahlengang des Referenzstrahls angeordneten Referenzzelle, dadurch gekennzeichnet , daß

zwei Infrarot-Absorptionsdetektoreinheiten (Dl, D2) von im Wesentlichen gleichem physikalischem Aufbau und gleicher Orientierung optisch hintereinander geschaltet sind, die beide je zwei miteinander verbundene Absorptioriskammern (12,13,12a, 13a) haben, von denen die eine im Strahlengang des Analysestrahls (3) und die andere im Strahlengang des Referenzstrahls (4) angeordnet ist,

daß jede Detektoreinheit (Dl, D2) als Funktion der Differenz der in den beiden Kammern einer Detektoreinheit absorbierten Energie ein Ausgangssignal erzeugt,

daß die Kammern (12,13) der ersten Detektoreinheit (Dl) neben einer nicht-absorbierenden Flüssigkeit eine die Infrarotenergie

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im selben Spektralbereich wie die Komponente in der Probenzelle (7) absorbierende Substanz enthalten, wobei dies ein Spektralbereich ist, in dem sowohl die Komponente als auch die Störsubstanz schwach absorbieren,und ein der Variation des Gehalts an Komponente und Störsubstanz entsprechendes erstes elektrisches Signal abgeben,

daß die Kammern (12a, 13a) der zweiten Detektoreinheit (D2)

auch neben einer nicht-absorbierenden Flüssigkeit eineAin einem

danebenliegenden Spektralbereich absorbierende Substanz enthalten, wobei dies ein Spektralbereich ist, in dem die Probe nur wegen des Gehalts an Störsubstanz absorbiert,und ein zweites, den Variationen in der Störsubstanz-Dämpfungseinrichtung (17) entsprechendes elektrisches Signal abgeben,

daß die Dämpfungseinrichtung (17) in den Strahlengängen der beiden Strahlen (3,4) zwischen den beiden Detektoreinheiten (Dl, D2) angeordnet ist und die Strahlungsenergie der beiden Strahlen in gleicher Weise dämpft und damit das Ausgangsignal der zweiten Detektoreinheit (D2) auf eine Größe begrenzen kann, die genau den Teil des von der ersten Detektoreinheit (Dl) abgegebenen Signals kompensiert, der von dem Gehalt der Flüssigkeitsprobe an Storsubstanz herrührt,

daß der ersten und der zweiten Detektoreinheit (Dl, D2) Verstärkereinrichtungen (33,34) zur Verstärkung der Ausgangssignale zugeordnet sind,

und daß Mittel zur unabhängigen Verstärkungsregelung in jeder der Verstärkungseinrichtungen und ein Differenzverstärker (36) zur Erzeugung eines Ausgangssignals als Funktion der Differenz der verstärkten Detektor-Ausgangssignale vorgesehen sind.

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2. Infrarotanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Detektoreinheit (Dl, D2) ein eigenes Kondensatormikrophon (22, 22a) mit einer Membranseite und einer Statorseite umfaßt, auf das von der selben Seite her durch die Energieabsorption in der Detektoreinheit erzeugte Druckimpulse einwirken.

3. Infrarotanalysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungseinrichtung (17) Filter umfaßt, die zur Aufnahme einer in dem genannten angrenzenden Spektralbereich absorbierenden Substanz geeignet sind.

4. Infrarotanalysator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die absorbierende Substanz in dem Filter (17) dieselbe Zusammensetzung hat, wie die zu messende Komponente in der Probe.

5. Infrarotanalysator nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die absorbierende Substanz in den Kammern (12,13, 12a, 13a) der beiden Detektoreinheiten (Dl, D2) die gleiche Zusammensetzung wie die zu bestimmende Komponente der Probe hat und ihr Gehalt in der ersten Detektoreinheit (Dl) den Strahlengang des Analysestrahls (3) größer als in der Probezelle (7), aber wesentlich kleiner als in der zweiten Detektoreinheit (D2) im Strahlengang des selben Strahls ist.

6. Infrarotanalysator nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente Kohlenmonoxid und die Störsubstanz Wasserdampf sind.

7. Infrarotanalysator nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Filter (17) die Infrarotenergie der in der zweiten Detektoreinheit (D2) einfallenden Strahlen auf einen Spektralbereich begrenzbar ist, der neben

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dem Spektralbereich liegt, in dem in der ersten Detektoreinheit (Dl) Infrarotenergie absorbiert wird, der aber von ihm getrennt ist.

8. Verfahren zum Justieren eines Infrarotanalysator nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren aus folgenden Schritten besteht:

Dämpfung von einem der beiden Strahlen (3,4) , bis das Ausgangssignal Null ist, während die zweite Detektoreinheit (D2) keine Infrarotenergie von der Strahlungsquelle (1,2) empfängt und keine absorbierende Flüssigkeit in der Probenzelle (7) ist,

Einstellen der Verstärkung des der ersten Detektoreinheit (Dl) zugeordneten Verstärkers (33)_f bis das Ausgangssignal eine bestimmte, dem Gehalt an zu messender Komponente entsprechende Größe hat, während sich diese Komponente mit bekannter Konzentration in einer Mischung der Komponente und einer nicht-absorbierenden Flüssigkeit in der Probenzelle (7) befindet.

Einstellen der Verstärkung des der zweiten Detektoreinheit (D2) zugeordneten Verstärkers (34), bis das Ausgangssignal Null ist, während sich eine nicht-absorbierende Flüssigkeit in der Probenzelle (7) befindet und das optische System des Infrarotanalysators Schwingungen ausgesetzt ist und

Einstellen der Konzentration der absorbierenden Flüssigkeit im Filter (17), bis das Ausgangssignal Null ist, während beide Detektoreinheiten (Dl, D2) Infrarotenergie von der Strahlungsquelle (1,2) empfangen und sich eine Mischung der Störsubstanz und einer nicht-absorbierenden Flüssigkeit in der Probenzelle (7) befindet.

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