DE2362935A1

DE2362935A1 - Anordnung zur ueberwachung der luftverunreinigung

Info

Publication number: DE2362935A1
Application number: DE2362935A
Authority: DE
Inventors: Kent Mccormack
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1973-01-02
Filing date: 1973-12-18
Publication date: 1974-07-04
Also published as: US3805074A; CA1011129A; JPS4999082A; FR2212927A5

Description

TEXAS INSTRUMENTS INCORPORATED
I35OO North Central Expressway
Dallas, Texas, V.St.A,

Anordnung zur Überwachung der Luftverunreinigung

Die Erfindung bezieht sich a'uf eine Verunreinigungsüberwachungsanordnung und insbesondere auf eine mit Infrarotstrahlung arbeitende Anordnung zur Überwachung der Luftverunreinigung.'

Bisher verwendete Verunreinigungsüberwachungsanordnungen machen von Lichtabsorptions- und Lichtstreuverfahren Gebrauch, Allgemein eignet sich das Lichtabsorptionsverfahren dort, wo das zu überwachende Untersuchungsobjekt leicht zugänglich ist, so daß es möglich ist, entweder das Überwachungsgerät in dem Untersuchungsobjekt unterzubringen oder Proben des Untersuchungsobjekts für die Verwendung in dem Untersuchungsgerät zu entnehmen. Das Lichtstreuverfahren eignet sich zur Überwachung entfernt liegender Untersuchungsobjekte, die unzugänglich oder schwer für eine Anwendung von Lichtabsorptionsgeräten zu erreichen sind. In jedem dieser beiden Systeme sind als Strahlungsquellen Laser verwendet worden. Schw' /Ba

409827/0698

Schwierigkeiten gab es bei Lichtabsorptions- oder Lichtstreusystemen bei der Erlangung einer Festeinstellung auf die Verunreinigung und bei der Eliminierung von Signalverzerrungen infolge ihres großen Dynamikbereichs.

Mit Hilfe der Erfindung soll demgemäß eine kompakte, sichere und zuverlässige Verunreinigungsüberwachungsanordnung geschaffen werden, die im Freien eingesetzt werden kann und für eine Massenproduktion geeignet ist. Ferner soll die mit Hilfe der Erfindung zu schaffende Verschmutzungsüberwachungsanordnung die Fähigkeit der automatischen Festeinstellung auf eine Verunreinigung aufweisen. Die mit Hilfe der Erfindung zu schaffende Verunreinigungsüberwachungsanordnung soll für die Signalverarbeitungjeinheit einen reduzierten Dynamikbereich erfordern. Auch soll die Luftüberwachungaanordnung ein größeres Verhältnis von Signal zu korreliertem Rauschen aufweisen. Zur Erzielung dieser Eigenschaften wird in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ein beispielsweise von einer abstimmbaren Laserdiode gebildeter Lichtsender auf die Absorptionslinienbreite einer Verunreinungsquelle abgestimmt. Der abgestimmte Strahl wird von einem Strahlaufspalter in getrennte Wege aufgespalten. Ein Weg enthält eine Bezugszelle, die einen Verunreinigungsstoff mit bekannter Konzentration enthält; ein weiterer Weg enthält entweder eine Probenzelle mit einer unbekannten Menge des Untersuchungsobjekts oder einen offenen Luftweg mit einer unbekannten Menge des Untersuehungsobjekts. Im ersten Fall x^ird die unbekannte Menge durch Absorption bestimmt. Im zuletzt genannten Fall wird die unbekannte Menge durch Absorption (unter Verwendung eines Winkelreflektors) oder durch Streuung bestimmt. Die Wirkung der Probe auf die Lichtquelle wird mit Hilfe

409827/0698

eines Detektors bestimmt, der abwechselnd die Strahlung aus den zwei Wegen abtastet und ein Wechselstromsignal erzeugt. Der Wert des Wechselstromsignals vom Scheitelwert zu Scheitelwert wird im Falle der Absorption mit Hilfe der folgenden Formel bestimmt:

V(A) = r[>_s(^A > " ^PR

= RP( λ ) jexp |>a( λ ) C_g - a_pC_p - a_& (A)CjQ

- exp[ a( λ ) C

In dieser Gleichung sind:

λ = die Wellenlänge der Laserstrahlung R = Ansprechempfindlichkeit

P = Vom Probenweg empfangene Energie s

P_R = Vom Bezugsweg empfangene Energie a(A) = Absorptionskoeffizient des Verunreinigungsstoffs bei χ

C = Zahl der Verunreinigungsmoleküle im Probenweg C_R = Zahl der Verunreinigungsmoleküle im Bezugsweg a = Partikelabsorptionskoeffizient C = Zahl der Partikel im Probenweg

^aa (λ)^{= Absor}P'^tionskoef:f'^izien'^{t tei λ} infolge störender

Absorber, beispielsweise Wasserdampf, im Probenweg
C_ = Zahl der Absorber im Pfobenweg mit a_ ( λ)

Das Spitze-Spitze-Signal wird hinsichtlich der Wellenlänge auf einen Gleichstromwert demoduliert. Der Wert der Wellenlänge λ wird periodisch so verändert, daß die Spannung V(λ ) einen sich langsam verändernden, periodischen Wert hat.

Ä09827/0698

Dieses Signal wird in einer Signalverarbeitungseinheit differenziert und in einem Spitzenwertdetektor zur Feststellung der Spitzenamplitude der differenzierten Spannung verarbeitet. Die Spitzenamplitude ist dem Unterschied der Absorptionsstärken des Verunreinigungsstoffs im Bezugsweg und im Probenweg proportional. Die Ausgangsspitzenamplitude dient als Eingangssignal für ein Meßgerät und für eine Rückkopplungsschaltung. Die Rückkopplungsschältung enthält eine Zeitdifferenzeinheit mit Taktschaltungen, in denen die Zeit von der Auslösung eines Zyklus der periodischen Abtastung bis zum Auftreten der Spitze des differenzierten Signals mit der Zeit vom Auftreten der Spitze des differenzierten Signals bis zur Vollendung des Zyklus verglichen wird. Der Zeitunterschied, der ein Maß für die Versetzung des Mittelpunkts des Wellenlängenhubs des abgestimmten Lasers gegen den Mittelpunkt der Absorptionslinie des Verunreinigungsstoffs ist, wird in ein Gleichstromsignal umgewandelt und an die Energieversorgungsquelle des Lasers angelegt, damit der Mittelpunkt der Laserlinie zum Zweck der Festeinstllung auf die Absorptionslinie des Verunreinigungsstoffs automatisch eingestellt wird. Das Meßgerät ist auf die Anzeige der Konzentration der Verunreinigung in der Probe geeicht.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigen:

Fig.1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Verschmutzungsüberwachungsanordnung,

Fig.2 ein Blockschältbild der Diodenlaser-Ansteuerschaltung für die Verschmutzungsüberwachungsanordnung,

Fig.3 ein Blockschaltbild der Zeitdifferenzeinheit, die zur Steuerung der Festeinstellung auf die Mitte der gewünschten Absorptionslinie verwendet wird,

409827/0698

Fig.4 eine teilweise geschnittene Seitenansicht des Diodenlasersenders für die Verunreinigungsüberwachungsanordnung,

Fig.5 eine teilweise geschnittene Seitenansicht des Empfängers für die Verunreinigungsüberwachungsanordnung,

Fig.6A und 6B weitere Ausführungen für Einheiten mit geschlossenem Weg,

Fig.6c und 6d weitere Ausführungen für Einheiten mit offenem Weg und

Fig.7 ein Blockschaltbild der Detektor- und Signalverarbeitungseinheit für die Verunreinigungsüberwachungsanordnung.

Fig.1 zeigt ein Verunreinigungsüberwachungsgerät 10 mit einer elektrischen Stromquelle 12 zur Erzeugung eines Ansteuerstroms für einen Lichtsender 14. Der Lichtsender kann beispielsweise ein abstimmbarer Diodenlaser sein, der zur Feststellung des Verunreinigungsstoffs Stickstoffoxydul (NO) aus Blei- Germanium- "Tellurid (Pb,Ge)Te aufgebaut sein kann. Das Licht aus dem abstimmbaren Diodenlaser 14 wird von einem Strahlaufspalter 62 aufgeteilt; ein Teil bildet einen Bezugsweg durch eine Bezugszelle 72 zu einem Licntzerhacker 76, und ein weiterer Teil bildet einen Probenweg entweder durch eine Probenzelle 84 oder durch eine offene Luftprobe zum Lichtzerhacker Der Lichtzerhacker 76 bewirkt eine abwechselnde Abtastung durch Unterbrechen des Lichts an den Enden des Bezugswegs und des Probenwegs für einen Detektor 90. Der Detektor

409827/0698

erzeugt in Abhängigkeit von dem festgestellten Licht eine elektrische Größe für eine Signal verarbeitungseinheit 32. Ausgangssignale der Signalverarbeitungseinheit werden einem Meßgerät 33 zugeführt,das so geeicht ist, daß es die Konzentration des Verunreinigungsetoffs angibt. Ferner wecden die Ausgangssignale der Signalverarbeitungseinheit an eine Zeitdifferenzeinheit 26 angelegt, damit ein Gleichstrom-Rückkopplungssignal erzeugt wird, damit eine Festeinsteilung auf die Mitte der Absorptionslinie des Verunreinigungsstoffs erzielt wird.

Die Stromquelle 1.2, die nachfolgend als Diodenlaser-Ansteuerschaltung (Fig.2) bezeichnet wird,erzeugt einen elektrischen Strom, der zwei Anteile aufweist, die einem Summierverstärker 16 eingegeben werden* Ein Anteil ist ein von der Gleichstromquelle 18aerhaltener Gleichstrom; der andere Anteil ist eine Dreiecksschwingung, die von einem Niederfrequenzoszillator 20 erzeugt wird, dessen Eingang mit einer (nicht dargestellten) elektrischen Energiequelle verbunden ist, und dessen Ausgangssignal an einem Dreiec "^schwingungsgenerator 22 angelegt wird. Das Gleichstromausgangssignal ist auf einen festen Wert eingestellt, der die AbStrahlungswellenlänge (λ ) des Lichtsenders 14 auf die Mitte einer Verunreinigungsabsorptionslinie einstellt; die Amplitude der Dreiecksschwingung ist so festgelegt* daß sich die Abstrahlungswellenlänge (λ ) des Diodenlasers 14 in linearer V/eise zeitabhängig im Absorptionsband hin und her verändert.

Es hat sich als schwierig erwiesen^ im Feldeinsatz eine Absorptionslinie auf einem gewünschten Wert zu halten. Zur Erzielung einer Festeinstellung auf die Mitte der Verunreinigungsabsorptionslinie wird deshalb ein Teil

409827/0698

des von einem unten noch zu beschreibenden Lichtdetektors erzeugten elektrischen Ausgangssignal des Systems mit einem Teil des Ausgangssignals des Dreiecksschwingungsgenerators verglichen. Der Vergleich wird in einer Zeitdifferenzeinheit 26 ausgeführt, und das Ausgangssignal dieser Einheit wird als Gleichstromkorrektur-Rückkopplungssignal an den Summierverstärker 16 angelegt. Die Zeitdifferenzeinheit 26 (Fig.3) enthält zwei Takteinheiten 28 und 30, die beispielsweise von 2JK-Flip-Flops gebildet sein können. Die Takteinheit empfängt einen Impuls als Startimpuls und die Takteinheit 30 empfängt den gleichen Impuls als Stopimpuls; der Impuls kommt aus einer ersten Differenzierschaltung 32, und er gibt die zweite Ableitung des Signals aus der Einheit 24 für das demodulierte Detektorsignal[v(t)J einer Detektorsignalverarbeitungseinheit 34 an, die nachfolgend noch beschrieben wird. Ferner empfängt die Takteinheit 28 einen Impuls als Stopimpuls , und die Takteinheit 30 empfängt den gleichen Impuls als Startimpuls; dieser Impuls stammt aus einer zweiten Differenzierschaltung 36, und er gibt die zweite Ableitung des Dreiecksschwingungsausgangssignals/v(t)7 aus dem Dreiecksschwingungsgenerator 22 an. Die Scheitelwerte und die Nullpunkte des Ausgangssignals des Dreiecksschwingungsgenerators werden für die entgegengesetzten Arbeitsweisen der zwei Takteinheiten 28 und 30 verwendet. Die Ausgangssignale der Takteinheiten werden als Eingangssignale einem Differenzverstärker 38 zugeführt. Der Zeitunterschied entspricht der Versetzung des Mittelpunkts der Diodenstrahlung gegen den Mittelpunkt der Verunreinigungsabsorptionslinie. Das Gleichstromausgangssignal des Differenzverstärkers 38 ist das an den Summierverstärker 16 angelegte Gleichstromkorrektursignal.

Das Ausgangssignal des Summierverstärkers 16 wird einem Modulator 40 zugeführt, in dem es mit dem Ausgangssignal

409827/0698

eines Hochfrequenzoszillators 42 in einem "Ein-Aus'^Verfahren moduliert wird. Das modulierte Ausgangssignal des Modulators 40 wird einem Leistungsverstärker 44 zugeführt, der als Energieversorgungseinheit zur Liefe»rung des Ansteuerstroms für den Lichtsender 14 dient.

Der Lichtsender 14 (Fig.4) enthält einen Diodenlaser 16, der auf einem Kühlfinger 46 eines in einem offenen Kreislauf arbeitenden Kühlers 48 befestigt ist, der von einer Flasche mit flüssigem Stickstoff oder von einem (nicht dargestellten) Kühler mit geschlossenem Kreislauf gespeist wird. Da der Diodenlaser einen großen Divergenzwinkel (etwa 40°) wegen der kleinen Fläche des Strahlen aussendenden Übergangs aufweist, ist ein schnelles optisches System (mit kleiner f-Zahl) erforderlich, um eine wirksame Anwendung der Diode als Quelle zu erhalten. Zur Erzielung der niedrigen f-Zahl wird ein brechendes Element 50 verwendet, das an der Stelle eines Fensters für den Dewar-Vakuummantel 52 verv/endet wird. Der Dewar-Vakuummantel 52 ist zwischen dem Sockel des Dewar-Mantels und zwei Laschen 56 mit einem Balgabschnitt 54 versehen; die Laschen 56 sind dabei über dem Balgabschnitt am Vakuummantel befestigt. Die Laschen .56 sind zur Aufnahme von Schrauben 58, die in Blöcken 60 befestigt sind, mit Gewindeöffnungen versehen. Die Schrauben 58 können zur Einstellung der Höhe des Dewar-Mantels und somit zur Einstellung der Entfernung zwischen dem brechenden Element 50 und dem Diodenlaser 16 gedreht werden. Das brechende Element kann beispielsweise eine Siiziumlinse mit einem Durchmesser von etwa 1,9 cm (0,75") sein, und es ist zur Korrektur der sphärischen Aberration eingestellt, damit eine gute Kollimation des vom Diodenlaser 16 abgestrahlten Lichts erhalten wird. Ein Strahlaufspalter 62 (Fig.1 und 4)

409827/0698

ist im Lichtweg des Diodenlasers 16 angebracht, damit das kollimierte Licht in einem Bezugszellenweg 64 und in einem Probenweg 66 eines Empfängers 18 eingegeben wird.

Der Empfänger 18 kann nach Fig.5 einen reflektierenden Spiegel 68 enthalten, der im Bezugszellenweg 64 so angebracht ist, daß er das den Strahlaufspalter durchdringende Licht durch ein brechendes Element 70 mit einer Öffnung von etwa 2,5cm (1,0") und einer hohen F-Zahl (7,5) sowie durch eine Bezugszelle 72 zur reflektierenden Oberfläche eines weiteren. Spiegels 74 reflektiert. Der Spiegel 74 reflektiert das die Bezugszelle 72 durchlaufende Licht zu einem Zerhacker 76. Die Bezugszelle 72 (Fig.T und 5) kann aus einem lichtdurchlässigen Material, beispielsweise aus Silizium aufgebaut. sein. In der Bezugszelle 72 ist ein Verunreinigungsstoff wie Stickstoffoxydul (NO), Schwefeldioxid (SO₂) oder Schwefeltrioxid (SO₃) mit bekannter Konzentration eingeschlossene

Der Abtastweg (Fig.5) führt über die reflektierende Oberfläche eines Spiegels 78, der so angebracht ist, daß er das vom Strahlaufspalter 62 kommende Licht zu einer weiteren reflektierenden Fläche 80 lenkt. Die reflektierende Fläche 80 (Fig.1 und 5) ist so angebracht, daß der Lichtstrahl aus dem Strahlaufapalter62 durch ein brechendes Element 82 mit einer Öffnung von etwa 3,75 cm (1,5") und einer hohen F-Zahl (etwa 7*5) und durch eine herausnehmbare Probeneichkammer 84 zu reflektierenden Spiegeln 86 und 88 gelenkt wircL Die reflektierenden Spiegel 86 und: 88 sind zueinander so eingestellt, daß sie das die Probeneichkammer 84 durchdringende Licht zum Zerhacker 76 reflektieren«

409827/0698

Die Probeneichzelle 84 kann in der gleichen Weise wie die Bezugszelle 72 auf gebai t sein. Die Eichzelle enthält eine bekannte Menge eines Verunreinigungsstoffs, und sie ermöglicht das Eichen des Geräts, wenn sie in den Lichtweg eingeschoben wird. Es sind auch andere Anordnungen des Probenwegs bei Absorptionsverfahren möglich, Beispielsweise enthalten die Anordnungen der Figuren 6A und 6b reflektierende Flächen, beispielsweise Winkelreflektoren 110, zum Zurücklenken des nicht absorbierten Lichts zum Detektor. In Fig.6B wird die Probenzelle zur Aufnahme einer Probe des Verunreinigungsstoffs mit unbekannter Zusammensetzung verwendet. Der Probenweg der Anordnung kann auch für die Verwendung bei Streulichtverfahren angepaßt werden, wie in Fig.6c und 6D dargestellt ist. Beim Streulichtverfahren wird die reflektierendeWirkung von der Probe erzielt,, und es Sind keine reflektierenden Elemente erforderlich« Wesentlich ist dabei jedoch, daß der Empfänger 18 und der Sender 14 (Fig.6C und 6D) sich überlappende Gesichtsfelder aufweisen.

Nach Fig„5 tastet der Zerhacker 76 abwechselnd das Licht aus dem Bezugsweg und aus dem Probenweg ab. Der Zerhacker 76 kann aus einer Kreisscheibe bestehen, die mehrere, von Abdeckabschnitten voneinander getrennte Öffnungen aufweist, die so angeordnet sind₉ daß das Liefet ame dem Bezugsweg abwechselnd durchgelassen und blockiert wirdg und dsß das Licht aus dem Probenweg ebenfalls abwechselnd blockiert und durchgelassen wird. Das durchgelassene Licht wird von einen Detektor 90 (Fig.1, 5 und 7) festgestellte, Der Detektor 90 (Fig_e1 und 5) kann ein Quecksilber-Cadmium-Tellurid-Detektor 96,£"(HgCd)Te-Detektor^J sein,, der die Energie des einfallenden

409827/0698

Lichts im Infrarotspektrum proportional zur Lichtintensität in eine elektrische Energie für die Signalverarbeitungseinheit 34 umwandelt.

Die Signalverarbeitungseinheit 34 (Fig.7) enthält einen Vorverstärker 98 zur Verstärkung der Ausgangssignale des Detektors auf einen Zwischenwert zur weiteren Verarbeitung ohne merkliche Verschlechterung des Signal-Rausch-Verhältnisses der Anordnung. Das Ausgangssignal des Vorverstärkers wird einem Demodulator 100 zugeführt, der den hochfrequenten Trägeranteil entfernt, während er das vom Zerhacker modulierte Signal zu einem zweiten Demodulator 102 durchläßt, der die Zerhackerfrequenz aus dem Signal entfernt, das nun die folgendeForm aufweist.:

ν(λ)= r£p_s (χ) -P_R(x)3

_s (χ) -P_R

= RP(X )-[exp [-a( λ ) C_g - a_pC_p - a_&( λ

wobei gilt: A= A_Q + ( λ )f(t); f(t) ist eine Dreiecks schwingung.

Das Ausgangssignal des zweiten Demodulators 102 wird an die zuvor erwähnte Zeitdifferenzschaltung für die Diodenlaser-Ansteuerschaltung und beispielsweise an eine Differenzierschaltung 104 angelegt, die aus einem einfachen RC-Glied bestehen kann, die für die lineare Form und die Dreicksschwingungsfrequenz optimiert ist, so «Laß der P( λ )-Ausdruck der ersten Ordnung entfernt wird und daß der lineare Dämpfungsfaktor von Partikeln sowie dicht dabei liegende unerwünschte korrelierte

409827/0 6-9

Rauschsignale wie die Linien von H₂O und CO₂ unterdrückt werden.Das Ausgangssignal der Differenzierschaltung wird an einen Spitzenwertdetektor 106 zur Feststellung der Amplitude der differenzierten Spannung angelegt. Diese Amplitude der differenzierten Spannung ist der Differenz der Absorptionsstärken des Verunreinigungsstoffs im Bezugsweg und im Probenweg proportional. Die Spitzenspannung wird an ein von einem Galvanometer gebildeten Meßgerät 108 angelegt, dessen Skala zur Anzeige der Konzentration des Verunreinigungsstoffs in der Probe geeicht ist.

In Fällen, in denen die Lichtdämpfung stark ist (etwa 10?0, wird nach dem Hochfrequenzträgerdemodulator ein logarithmischer Verstärker angewendet. Dabei ist wichtig, daß dieser Verstärker an dieser Stelle eingefügt wird, da der Demodulator ein Null -Bezugssignal erzeugt, das für den richtigen Betrieb des logarithmischen Verstärkers erforderlich ist. In diesem Fall hat das Signal am Ausgang des zweiten Demodulators 102 die folgende Form?

V( λ ) = In {r_P ( λ ) )>xi? -a( λ ) C_s-a_pC_p -In {rP ( λ ) exp [a-( λ )

= a( λ ) [c_s - _CrI - a_p C_p - a_a ( λ ) C_&

Das Ausgangssignal des zweiten Demodulators 102 wird in der gleichen V/eise wie vorher weiter verwendet. Die Differenzierschaltung 104 braucht nun nicht mehr den P( λ)-Ausdruck entfernen, sondern sie unterdrückt die linearen Dämpfungsfaktoren von Partikeln und die nahe

409827/0698

23G2935

dabei liegenden unerwünschten korrelierten Rauschsignale wie die Linien von HpO und CO₂·

Im Betrieb werden eine einen ausgewählten Verunreinigungsstoff wie NO, SO₂ oder SO, mit bekannter Konzentration enthaltende Bezügszelle und eine zu verarbeitende Probe in die Anordnung eingegeben. Der abstimmbare Diodenlaser wird durch Einstellen der Diodenlaser-Ansteuerschaltung so abgestimmt, daß er auf die Mitte der Absorptionslinie eines Verunreinigungsstoffs wie Schwefeldioxid fest eingestellt wird, der im Wellenlängenbereich von 8,9 vm viele Absorptionslinien aufweist, von denen eine bei 1133 cm" liegt. Die Probe wird dann mit Hilfe eines kontinuierlichen Abtastverfahrens bearbeitet.

Bei dem kontinuierlichen Abtastverfahren wird zum Abtasten einer gesamten Absorptionslinie von der durch den Diodenlaser gegebenen Möglichkeit der kontinuierlichen Abtastung Gebrauch gemacht. Dies ist deshalb möglich, weil dreiatomige Moleküle Linienformen aufweisen, deren Halbbreiten etwa 0,1 bis 0,2cm betragen, wenn sie atmosphärischem Druck ausgesetzt sind. In einem Einfachbetrieb kann der

—1

Diodenlaser bis zu 0,4 cm abtasten. Somit wird die Strahlungsfrequenz des Diodenlasers so verändert, daß eine gesamte Abtastlinie in. kontinuierlicher Yfeise abgetastet wird. Bei der Abtastung der Probe ist ein unkorreliertes Rauschen (Detektorrauschen oder elektronisches Rauschen) und ein korreliertes Rauschen (Absorptionssignale von anderen dreiatomigen . Molekülen wie H₂O oder CO₂ , die dicht dabeiliegende Absorptionslinien aufweisen) vorhanden. Im Idealfall liegt ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis vor, wobei das unkorrelierte Rauschen der dominierende. Rauschfaktor ist. Da die Empfindlichkeit des Systems 1 Teil pro 10⁷ pro Meter für ein Gas wie SO₂ beträgt, kann etwas von dem Verhältnis

409827/0698

23G2935

des Signals zum unkorrelierten Rauschen zum Unterdrücken des korrelierten Rauschens verlorengehen.

Zum Aufzeigen der Wirksamkeit der Anordnung wurden eine SO₂ enthaltende Probe und Wasser verwendet, wobei die Kombination aus Linienstärke und Konzentration gleichgemacht wurde, damit sich ein gleicher Spitzendämpfungsfaktor ergab . Die Linien von SO₉ und von Wasser liegen mit ihren

—1
Mitten bei 1133 und 1134 cm . Durch Bildung der zeitlichen Ableitung des Signals ^obei eine 1 zu 1-Entsprechung zwischen der Laserstrahlungswellenlänge und der Zeit vorlag, war die Unterdrückung des korrelierten Rauschens (von Wasser)

etwa 10⁵-fach. Das heißt, daß die Dämpfung bei 1133 cm"¹

—1 5

infolge des Bandes bei 1134 cm um den Faktor 10 niedriger war, als die Dämpfung infolge des Bandes bei 1133 cm Im Vergleich dazu war die Unterdrückung bei der gleichen Probe unter Vervrendung des einfachen Abtastverfahrens nur 400-fach. Die Differenzierung verbesserte das Verhältnis von Signal zu korreliertem Rauschen fast um einen Faktor von 10 bei dem angewendeten Beispiel , während das Verhältnis von Signal zu unkorreliertem Rauschen um das etwa 25 -fache erniedrigt wurde. Die Erniedrigung des Verhältnisses vom Signal zu unkorreliertera Rauschen ist akzeptabel, da die ursprüngliche Vor-Nach-Verstärker-

empfindlichkeit bei 1 Teil pro 10^ pro Meter liegt.

Die Erfindung ist hier zwar unter Bezugnahme auf ein spezielles Ausführungsbeispiel beschrieben worden, doch ist zu erkennen, daß im Rahmen der Erfindung.vielfältige Abwandlungen möglich sind.

Patentansprüche

409827/0698

Claims

Patentansprüche

(Λ Λ Anordnung zum Überwachen der Luftverunreinigung, gekenn-— zeichnet durch eine Lichtabstrahlungsvorrichtung zum Aussenden von Licht mit einer ausgewählten Wellenlänge durch einen Lichtbezugsweg und einen Lichtprobenweg, eine einen Licht absorbierenden Verunreinigungsstoff mit bekannter Konzentration enthaltende Bezugszelle, die zur Absorption von Licht im Lichtbezugsweg angebracht ist, eine Detektorvorrichtung, die in Abhängigkeit von dem den Lichtbezugsweg und den Lichtprobenweg durchdringenden Licht eine elektrische Darstellung dieses Lichts erzeugt, und eine elektrische Signalverarbeitungseinheit, die in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen der Dekektorvorrichtung Signale erzeugt, die die Konzentration des Verunreinigungsstoffs anzeigen.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtabstrahlungsvorrichtung ein abstimmbarer Diodenlaser ist, der so abgestimmt ist, daß er Licht mit einer ausgewählten Absorptionsbandbreite ausstrahlte
3. Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Erzeugung eines Ansteuerstroms für die Lichtabstrahlungsvorrichtung, der eine Gleichstromkomponente, zum Einstellen der Lichtstrahlungswellenlänge auf die Mitte des Absorptionsbandes eines Verunreinigungsstoffs sowie eine Wechselstromkomponente zur Veränderung der Lichtabstrahlungswellenlänge über den Bereich des Absorptionsbandes aufweist.
4_e Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine eine Licht absorbierende Probe enthaltende Probenzelle, die zum Absorbieren von Licht im Lichtprobenweg angeordnet ist.

AO9827/0698
5· Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorvorrichtung einen Lichtunterbrecher enthält, der im Lichtbezugsweg und im Lichtprobenweg so angebracht ist, daß er das Licht von diesen Wegen abwechselnd zu einem Detektor durchläßt.
6. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinheit eine Differenzierschaltung enthält, die in Abhängigkeit vom elektrischen Ajisgangssignal der Detektorvorrichtung Signale, die Partikel und naheliegende störende Absorptionsbänder repräsentieren, unterdrückt, und daß ein Spttzenwertdetektor in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Differenzierschaltung die Amplitude der differenzierten Spannung bestimmt.
7. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Rückkopplungseinrichtung vorgesehen ist, die in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Signalverarbeitungseinheit eine Korrekturgleichspannung für die Einrichtung zur Erzeugung des Ansteuerstroms erzeugt, so daß die Lichtausstrahlungsvorrichtung auf die Frequenz der mittleren Linie fest eingestellt wird·

409827/0698