DE2524430A1 - Betriebsphotometer mit zwei empfaengerschichten - Google Patents

Betriebsphotometer mit zwei empfaengerschichten

Info

Publication number
DE2524430A1
DE2524430A1 DE19752524430 DE2524430A DE2524430A1 DE 2524430 A1 DE2524430 A1 DE 2524430A1 DE 19752524430 DE19752524430 DE 19752524430 DE 2524430 A DE2524430 A DE 2524430A DE 2524430 A1 DE2524430 A1 DE 2524430A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
radiation
modulated
receiver
layers
cuvette
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE19752524430
Other languages
English (en)
Inventor
Heinz Dr Rer Nat Hummel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to DE19752524430 priority Critical patent/DE2524430A1/de
Publication of DE2524430A1 publication Critical patent/DE2524430A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3504Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Description

  • Betriebsphotometer mit zv i. Dmpfa rsc'.lichten Der Stand der Technik ist ausführlich in dem Handbuch " Messen und Regeln in der chemischen Technik " von Hengstenberg, Sturm und Winkler (Ausgabe 1964) auf den Seiten 497 bis 523 wiedergegeben. Bei dem auf Seite 509 ff gezeigten Analysator nach Lehrer und Luft findet ein mit der Nachweiskomponente sensibilisierter Empfänger Anwendung.
  • Das Arbeiten mit gasgefüllten Empfängerkanuflern besitzt unter anderen folgende Nachteile: 1.) Das Herstellen geeigneter Gasgemische und das Einfüllen derselben in absolut gas dichte Empfängerkammern bedeutet einen erheblichen technischen Aufwand.
  • 2.) Adsorbierte Flüssigkeitshäute an den Wänden der Empfängerkammern bewirken oft einen starken, die Messung verfälschenden Nebeneffekt.
  • 3.) Die Messung des in den Kammern auftretenden Wechseldruckes ist Rit erheblichen meßtechnischen Aufwand verknüpft.
  • In der wurde auf den Vorteil hingewiesen, der sich bezüglich der Schwierigkeiten im Phasenabgleich bei Empfängern mit annähernd gleicher Kammerlänge ergibt. Doch bleibt auch hier ein den Nullabgleich störender Phasenunterschied zwischen den Signalen in der vorderen und der hinteren Kammer unvermeidlich. Dies gilt in besonderem Maße, wenn als Wechseldruckempfänger ein in der Regel unsymetrischer Membrankondensator verwendet wird. Die verwendung eines solchen Empfängers ist für die Ausführung der empfindlichen Meßbereiche, für welche die thermischen Pulsdetektoren nicht ausreichen, notwendig.
  • Durch die Erfindung wird nun eine Vorrichtung vorgeschlagen, die es gestattet, die aufgezeigten Merkmale zu vermeiden und mit deren Hilfe es gelingt, die Analyse von Gasgemischen in einer den Anforderungen der Praxis entsprechenden Weise durchzuführen.
  • Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Analyse von Stoffgemischen durch Messung ihrer Strahlungsabsorption unter Verwendung von elektromagnetischer Strahlung und eines strahlungsdurchlassigen Empfängers für Strahlung, welcher aus zwei hintereinander liegenden Schichten besteht und unter weiterer Verwendung einer vom zu analysierenden Stoff beschickten im Strahlengang angeordneten Meßküvette.
  • Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß die Meßküvette (6) zwischen der ersten (5! und cer zweiten (7) Empfänger-chicht angeorcret ist.
  • Grundsätzlich ist die erfindungsgemäße Anordnung für Gleichstrahlung verwendbar, doch soll wegen der besonderen Vorteile, die sich bei der Verwendung von modulierter Strahlung ergeben, in den Ausführungsbeispielen nur von letzterer die Rede sein.
  • Die erfindungsgemäße Anordnung ist, soweit es im sichtbaren und ultravioletten Spektralbereich strahlungsdurchlässige Empfängerschichten gibt, auch in diesem Spektralbereich anwendbar. Da jedoch solche durchlässigen Empfängerschichten bevorzugt im IR-Bereich von technischer Bedeutung sind, so soll in den AusführungSbeispielen auf diesen Bereich bevorzugt Bezug genommen werden.
  • Die Abb.l gibt eine Einstrahlanordnung wieder bei der eine "schwarzweiß" modulierte Strahlung in Verbindung mit einem Interferenzfilter verwendet wird. An Stelle der mit rotierender Segmentblende modulierten Strahlung kann auch die Strahlung eines mit niederfregnentem Wechselstrom oder pulsierendem Gleichstrom betriebenen Strahlers verwendet werden. Ferner ist es auch möglich den gepulsten Strahler durch einen selektiv (bei einem Wellenlängeintervall) modulierten Strahler zu verwenden. (Siehe hierzu z.B. DAS 2 225 319). In diesen Fall erübrigt sich das Interferenzfilter.
  • In Abb.l wird mittels Strahler 1, Reflektor 2 und sychron rotierender Segmentblende 3 ein moduliertes Strahlenbündel erzeugt.
  • Das Interferenzfilter 4 lässt nur den Spektralbereich durch der dem Meßproblem entspricht,d.h. den Bereich in dem die Nachweiskomponente eine charakteristische Absorption aufweist. Das Strahlungsbündel durchläuft sodann das strahlungsempfindliche,strahlungsdurchlässige Bolometer 5 ( Widerstand BI) und die mit strahlungsdurchlässigen Fenstern versehene Meßküvette 6 und trifft dann auf das Bolometer 7 (Widerstand EI 1). In beiden Bolometern werden Wechselsignale (periodische Widerstands änderungen) erzeugt, welche mit den weiter unten angegebenen Mitteln gemessen werden. Die elektrische Meßschaltung ist so ausgelegt, daß sich bei Absorption null in 6 (d.h. wenn der MeBstoff,mit welchem die Küvette 6 beschickt wird, den Nachweisstoff nicht enthält) ein Signalwert null ergibt. Bei Vorhandensein des Nachweisstoffes im Meßstoff findet in der Küvette 6 eine Strahlungsabsorption im vorgegebenen Spektralbereich statt. In diesem Fall ergibt die elektrische Meßschaltung ein der Konzentration des Nachweis stoffes entsprechendes (im allgemeinen etwa proportionales) Meßsignal.
  • Die Abb.2 zeigt eine Anordnung mit Selektivmodulation mittels zweier auf unterschiedliche Welenlängen abgestimmten interferenzfiltern.
  • In Abb.2 wird durch die Spaltblende 8 ein schmales Strahlungsbündel ausgeblendet. Dieses durchläuft das Synchron-schwingende (Schwingungsfrequenz = Modulationsfrequenz fM) Doppelinterferenzfilter 9 mitden Durchlaßwellenlängen (A1) und (7 2) , Unterteilung des Filters und Schwingungsamplitude sind so gewählt, daß einmal Strahlung des um (A 1) gelegenen Durchlaßintervalls und eine halbe Periode später Strahlung um (3 2) (;t2) aus dem Filter austritt. Es entsteht so eine selektiv-modulierte Strahlung, welche nacheinander strahlungsdurchlässiger Bolometer 5, Meßküvette 6 und Bolometer 7 beaufschlagt. D urch Auswertung der Bolometersignale kann dann in bekannter Weise die Konzentration des Nachweisstoffes, an dessen Absorptionsbereich B1 und 2 angepasst sein müssen, gemessen werden.
  • Die Abb.3 zeigt eine andere Methode der Selektivmodulation.
  • Hierbei wird eine mit IR-aktivem Gas (z.B. Methan) gefüllte Gasküvette, in welcher ein elektrisches Wechselfeld erzeugt wird, verwendet.
  • Die Wirkungsweise der Abb.3 entspricht im Wesentlichen der der Abb.2. Zum Unterschied von dieser wird die Selektivmodulation durch eine Modulationsküvette lo, die mit einem im infraroten Bereich absorbierenden Nachweisgas (z.B. CH4) gefüllt ist bewirkt.
  • Die Küvette ist auf der Innenseite der strahlungsdurchlässigen Fenster mit strahlungsdurchlässigen Metallbelegen (gestrichelt gezeichnet) versehen. Zwischen den Belegen wird durch Anlagen einer Hochspannungswechselspannungsquelle Wtv (auch hochgespannte Gleichspannungsimpulse sind möglich) ein starkes elektrisches Wechselfeld erzeugt. Die Spaltblende 8 der Abb.2 kann hier entfallen.
  • Eine andere Methode der Stcahlungsmodulation ist in Abb.4 gezegt. Hier wird durch eine durchstrahlte Metallschicht 11 geeigneter Stärke (von etwa der Woltersdorf-Dickeo Siehe Brügel S 123) ein elektrischer Wechselstrom geleitet. Bei dieser Modulation ist zur Selektivierung ein Interferenzfilter zweckmäßig. Die in den Empfängerschichten BI und BII der Abb.l - 4 auftretenden Signale (periodische Widerstands änderungen) werden in elektronischen Auswerteeinrichtungen weiterverarbeitet. Hierbei ist es möglich entweder die Differenz der Signale, den Quotienten der Signale oder auch eine Kombination von beiden herzustellen und zu verstärken.
  • Dies kann unter anderem in einer Brückenschaltung geschehen.
  • (Siehe Abb.5) wobei zur Kompensation des Temperaturelnflusses zusätzlich noch entsprechende Metallschichten,welche nicht der Strahlung ausgesetzt sind, in die Brückenschaltung einbezogen werden können.Die durch die Versorgungsgleichspannung U = gespeiste Brücke liefert ein Signal an den mit einem Phasenrichtigen Gleichrichter versehenen Verstärker 12, an dessen Ausgang ein Anzeigeinstrument 13 angeschlossen ist. Die Phasenrichtige Gleichrichterstufe erhält ihr Steuersignal vom Modulator. Da diese elektronischen Auswerteeinrichtungen jedoch zum Stand der Technik gehören, so kann hier auf eine weitere Wiedergabe verzichtet werden (Siehe u.a. Kohlrausch, Praktische Physik Bd.l,Seite 474, Ausg.1968 bzw. W.Brügel, Einführung in die Ultrarotspektroskopie,Seite 123, Ausg.1969).
  • Bei einer Variante der Abb.3 wird ein Interferenzfilter bestehend aus einer strahlungsdurchlässigen Schicht die beidseitig mit einer dünnen strahlungsdurchlässigen Metallschicht belegt ist, verwendet; wobei an die Metallschichten eine elektrische Wechselspannung gelegt wird.
  • Kennzeichnend für die in Abb.3 beschriebene Modulationsmethode ist die Zufuhr modulierter Energie zu einer mit dem Nachweis stoff gefüllten Küvette, welche von einer unmodulierten Strahlung (z.B.
  • von der Strahlungsquelle 2) durchstrahlt wird, wobei diese Strahlung als Folge der Zufuhr der modulierten Energie zum Nachweis stoff selektiv moduliert wird.
  • Dieses Prinzip ist in den Abb.6 - 8 an 3 weiteren Varianten schematisch wiedergegeben.
  • Die in den Abb.6 - 8 gezeigten Modulationsküvette 14, 15 bzw. 16 können ersatzweise bei entsprechender Anpassung an das Nachweisgas an Stelle der Küvette lo in Abb.3 eingeschaltet werden.
  • In den Abbildungen bedeuten IR = infrarote Gleichstrahlung IR, = infrarote Wechselstrahlung IRS = selektiv modulierte Infrarotstrahlung ~ = Wechselstrahlung des W-Bereiches oder des sichtbaren Bereiches USM = Ultraschallwechselstrahlung (modulierte Zufuhr von Ultraschall) F = Strahlungsdurchlässige Fenster.
  • Die Küvetten 14 und 16 sind mit einen IR-aktiven Füllgas (z.B.
  • CH4), welches im allgemeinen das Nachweisgas ist, von geeigneten Druck (evtl. mit einem nicht absorbierenden Hilfsgas verdünnt) gefüllt. Die Küvette 15 enthält neben dem IR-aktiven Füllgas (z.B.
  • CH4 wenn CH4 gemessen werden soll) ein Begleitgas, welches in Bereich oder im sichtbaren Bereich absorbiert und welches durch die dem Absorptionsbereich angepasste Strahlung t angeregt wird.
  • Die Anregung des Begleitgases wird auf das IR-aktive Füllgas übertragen. Hierdurch wird das Füllgas im IR-Bereich periodisch angeregt und führt so zu einer Selektivmodulation der IR-Strahlung (IR=).
  • Es sei noch darauf hingewiesen, daß in den Anordnungen nach Abb.2 und 3 ( auch in Verbindung mit den Abb.6 - 8) das Bolometer 5 (BI) auch entfallen kann. BI ist dann in der Brückenschaltung nach Abb.5 durch einen Festwiderstand oder noch besser durch ein nicht mit Strahlung beaufschlagtes Bolometer, das in thermischem Kontakt mit Bolometer 7 (von möglichst gleichem Temperaturgang) ist, zu ersetzen. Ein Sonderfall für die Abb.7 ergibt sich für die Gase, welche im IR und im W-vis-Bereich absorbieren, wie z.B. S02, N02 u.a.m.
  • Hierbei erübrigt sich die Zumengung eines Hilfgases.
  • Die erfindungsgemäße Anordnung ist mit einer geringfügigen Variation auch als selektiver Empfänger für elektromagnetische Strahlung geeignet. Wenn in der Anordnung nach Abb.l die vom Meßgas durchströmte Küvette 6 durch eine abgeschlossene Empfängerkammer ersetzt wird, welche eine Füllung enthält,die in einem gewünschten Spektralbereich Strahlung absobsiert, so ist die Differenz oder das Verhältnis der in den beiden Empfängerschichten auftretenden Signale, ein Intensitätsmaß für die auf die aus den Elementen 5-7 (erste Empfängerschicht, Empfänerkammer und zweite Empfängerschicht) bestehende Anordnung auftreffende Strahlung für den Spektralbereich, der dem Absorptionsbereich der Füllung entspricht. Die Füllung der Empfängerkammer kann aus gasförmigen,flüssigen und festen Stoffen oder Stoffgemischen bestehen. Sie kann aber auch durch bes immte optische Mittel wie optische Filter oder dergleichen erdet + werden.
  • Es ist weiterhin auch möglich, ausgehend von der Abb.l der deutschen Patentanmeldung P 2410364.8 , die Küvette 6 durch eine mit Nachweisgas (zweckmåßiqerweise mit geringen Druck z.B. o,1 Bar) gefüllte abgesperrtenrKüvette zu ersetzen. Die Meßküvette muß dann zwischen Modulatorscheibe 3 und erster Empfängerkammer 5 angeordnet werden.
  • Eine sinngemäße Variante ist auch für das Zweistrahlgerät in Abb.2 dieser Anmeldung möglich.
  • Vor der Beschreibung von Ausführungsbeispielen sei noch kurz auf den Stand der Technik eingegangen.
  • Selektive Empfänger für elektromagnetische Strahlung im IR-Bereich sind seit ca. 30 Jahren bekannt. Zum Stand der Technik siehe Handbuch " Messen und Regeln in der Chemischen Technik " von Hengstenberg, Sturm und Winkler die Seiten 497 - 523 bei dem Auf Seite 509 ff gezeigten Analysator nach Lehrer und Luft findet ein mit der Nachweiskomponente sensibilisierter Empfänger, der auch als pneumatischer Empfänger bezeichnet wird, Anwendung. Bei diesem Empfänger werden die als Folge der Strahlungsabsorption auftretenden Druckeffekte zur Mes -sung ausgenutzt. Die Messung der Drucke bzw. der Wechseldrucke (wenn, wie das inner Praxis immer der Fall ist, mit modulierter Strahlung gearbeitet wird) erfolgt z.B. mit einem Kondensatormikrophon. In den letzten Jahren werden auch thermische Wechselströsungsfühler, welche eine als Folge des Wechseldruckes auftretende Wechselströmung messen, verwendet. Um bei den pneumatischen Empfänger eine hinreich -ende Empcindlichkeit bei hinreichender Selektivität zu erhalten1 muß das Nachweisgas mit einem Hilfsgas z.B. Argon verdünnt werden. Ferner muß der Wärmeableitung durch Verwendung einer hiareichenden Schichtdicke von z.B. lo mm Rechnung getragen werden. Dies hiermit verknüpfte Gasvolumen in Verbindung mit dem in der Regel für den Vergleichstrahlengang benötigten Vergleichskammervolumen bewirkt eine hohe Erschütterungsempfindlichkeit des Empfängers. Ferner spielen Trägheitseffekte bei der Energieumwandlung eine sehr störende Rolle.
  • Dies gilt vor allem für den Zweischichtenempfänger (siehe Handbuch "Messen und regeln, Seite 515) mit den sich darausl ergebenden Phasenfehlern, die einen Nullabgleich sehr erschweren. Die geannten Nachteile 1.) Notwendigkeit eine Gemischfüllung zu verwenden 2.) hohe Erschütterungsempfindlichkeit 3.) Trägheit der Anordnung (optimale Modulationsfrequenz bei ca. lo Hertz. Höhere Frequenzen als 50 Hz sind praktisch nicht mehr ausnutzbar) 4.) Phasenfehler wirken sich bei der Verwendung des pneumatischen Empfängers in der Gasanalyse sehr ungünstig aus.
  • Ferner ist bei den bekannten pneumatischen Empfängern, sehr nachteilig, daß eine erhebliche Stoßverbreitung (Stoßdämpfung) der Absorptionsbanden auftritt, wodurch die Selektivität erheblich herabgesetzt wird. Da bei der erfindungsgemäßen Anordnung nach Abb.9-13 mit dertreinen Nachweisgas und bei einem erheblich verminderten Absolutdruck ( z.B. o,l Bar) gearbeitet werden kann, weil auf die Umwandlung der absorbierten IR-Energie in Wärme bzw. Druck für den nutzbaren Meßeffekt verzichtet werden kann, so ergibt sich wegen der damit verbundenen wesentlich geringeren Bandenbreite eine erhöhte Selektivität der Messung. Außerdem ist die Trägheit der Messung, die bei den pneumatischen Empfängern durch den Energieumwandlungsprozeß bestimmt wird, bei der erfindungsgemäßen Anordnung nur noch von der erheblich geringeren Trägheit der Bolometer abhängig.
  • Durch die Erfindung wird nun eine Vorrichtung vorgeschlagen, die es gestattet, die aufgeeigten Nachteile zu vermeiden und mit deren Hilfe die selektive Messung elektromagnetischer Strahlung gelingt. Eine besondere Bedeutung besitzt dieser selektive Empfänger bei photometrischen Analysatoren im Bereich der Stoffanalyse.
  • Die Abb.9 und lo geben das Schema eines selektiven Empfängers nach der Erfindung wieder. Als Füllung der Empfängerkammern kann ein IR-aktives Gas ( z.B. CH4) bei der selektiven Messung im IR-Bereich verwendet werden. Als Füllung für den sichtbaren bzw. ultravioletten Bereich kommen z.B. Chlor bzw. S02 in Frage. Bei der Anordnung nach Abb.9 befinden sich die Empfängerschichten (z.B. als Bolometer geeignete Metall - oder Halbleiterschichten geringer Schichtdicke mit ausreichender Durchlässigkeit im zu untersuchenden Spektralbereich) auf der Innenseite, in Abb. lo auf der Außenseite der strahlungsdurchlässigen Fenster.
  • Als Fenster im IR-Bereich kommen s.B. dünne Calziumfluorid - oder Glimmerscheiben in Frage. Glimmerscheiben haben bei im allgemeinen geringerer optischer Güte eine geringere Wärmekapazität, was meßtechnisch günstig ist. Bei Festkörperfüllungen ist es auch möglich die Empfängerschichten unmittelbar auf den Festkörper aufzubringen.
  • Im einzelnen sind in den Abb.9 bzw. lo die folgenden Elemente enthalten: Mit Nachweisgas gefüllte Empfängerkammern 17 bzw. 20, erstes Bolometer 18, zweites Bolometer 19 und strahlungsdurchlässige Fenster F. Die modulierte IR-Strahlung ist mit IR,ubezeichnet. Die beiden Bolometer 18 und 19 sind z.B. so abgeglichen,daß die Differenz der in beiden entstehenden Signale (Widerstands änderungen) ohne Absorption in Kammer 17 bzw. 8 zu null wird. Soweit erforderlich kann dieser Abgleich auch in der elektronischen Meßeinrichtung, an welche die Bolometer angeschlossen sind, erfolgen. Bei Füllung der Kammer mit Nachweisgas ergibt sich für die Strahlung in dem Wellenlängebereich der Absorption des Nachweisgases eine von null verschiedene Differenz. Diese Signaldifferenz ist ein Maß für die spektrale Empfindlichkeit der Anordnung.
  • In einem anderen Beispiel kann es zweckmäßig sein, den Abgleich der beiden Bolometer so vorzunehmen, daß sich bei der mit Nachweisgas gefüllten Kammer ( 17 bzw. ae ) ein Signalwert null ergibt. In diesem Fall ist der Empfänger unmittelbar für einen Einstrahlanalysator geeignet. In den Weg der modulierten IR-Strahlung ist dann lediglich vor dem Eintritt in den Empfänger eine mit dem Meßgas beströmte Meßküvette zu schalten. Der Signalwert ist dann ein Maß für die zu messende Konzentration an Nachweisgas im Meßgas.
  • Abb.ll zeigt eine besonders zweckmäßige Lösung für eine Analysatoranordnung. In einem aus Deckel 21 und Unterteil 22 bestehenden zylindrischen Metallblock befindet sich im Unterteil ein Ringkanal von z.B. rechteckigem Querschnitt. Der Ringkanal dient sowohl zur Aufnahme der optischen Elemente als auch zur Strahlungsführung der beiden rechts bzw. links im Kanal verlaufenden IR-Strahlenbdndel.
  • Der Strahler 23 wird mit Wechselstrom oder pulsierendem Gleichstrom betrieben, so daß eine modulierte IR-Strahlung entsteht. Der Strahlerraum 24 wird von den strahlungsdurchlässigen Feinster: F abgetrennt, die gleichzeitig den Abschluß der Meßkammer M und Vergleichskammer V nach einer Seite hin bilden.
  • Auf der anderen Seite werden die Kammern M und V durch strahlungsdurchlässige Fenster F abgeschlossen,welche gleichzeitig Eintrittsfenster zur Empfängerkammer 25 sind. Unmittelbar neben diesen Fenstern im Inneren der Empfängerkammer befinden sich die beiden Empfängerschichten Bv und Bm, z.B. zwei strahlungsdurchlässige Bolometer.
  • Die Empfängerkammer ist mit der Nachweiskomponente, z.B. CH4 gefüllt.
  • Die Bolometer sind wie bereits dargelegt, an eine elektrische Meßschaltung angeschlossen. Die Kammer V ist abgeschlossen und enthält N2 oder Luft als Vergleichsgas. Die Kammer M wird über nicht gezeichnete Stutzen vom Meßgas beströmt. Von den genannten Unterschieden in M und V abgesehen ist die Anordnung symetrisch in Bezug auf eine Ebene, die durch die Zylinderachse von 22 und Mitte Strahler bzw. Mitte Empfängerkammer verläuft. Der besondere Vorteil dieser Anordnung ist, daß bei Gleichheit für Meß- und Vergleichsstrahlerbündel,das ist wegen der Symetrie des Aufbaues bei einer Konzentration null für die Nachweiskomponente im Meßgas der Fall, die Differenz der in den beiden Bolometern auftretenden Wechselsignale exakt zu null wird. Dieser Nullabgleich wird bei Vorhandensein von CH4 im Meßgas gestört. Es tritt dann ein Differenzsignal auf, dessen Stärke ein Maß für den CH4-Gehalt im Meßgas ist. Es ist also mit der erfindungsgemäßen Anordnung möglich, mit nur einet Empfängerkammer von zwei gleichphasig modulierten Bündeln ein Signal zu erzeugen, welches der Intensitätsdifferenz dieser Bündel ( Meß- bzw. Vergleichstrahlbündel) entspricht In einigen Fällen ist eine &Äünstigernordnung, welche aus der Anordnung nach Abb.ll dadurch entsteht, daß man unter Beachtung der Symetrie die Empfängerkammer 25 durch zwei gleichartige Kammern ersetzt, welche durch ein strahlungsdurchlässiges Fenster von einander getrennt sind, wobei die 4 Bolometer wie in Abb.14 geschaltet werden.
  • (siehe unten). Eine solche Doppelkammer kann auch als Einstrahlanalysator mit unterschiedlichen Kammerlängen aufgebaut werden. (siehe DBP 1017385))Abb.12 gibt das Schema einer solchen Anordnung wieder.
  • Abb.13 gibt eine Anordnung mit zwei gleichlangen Kammern mit unterschiedlichem Fülldruck wieder.
  • Es sei nochmals darauf hingewiesen, daß bei Gas füllungen in den Empfängerkammern in den Abb.9 - 11 mit Unterdruck und ohne Hilfsgas gearbeitet werden kann. Da die Halbwertsbreite der IR-Bande, soweit es sich fm die Stoßverbreitung handelt, der Zahl der Moleküle pro cm3 proportional ist, ergibt sich für die mit geringerem Druck gefüllte Empfängerkammer eine druckproportional geringere Bandbreite und somit auch eine erhöhte Selektivität. Dieser Vorteil ist sehr beachtlich, wenn man bei etwa gleicher Abmessung der Empfängerkammern die Selektivität einer mit zwB. lo% Propylen in Argon bei Normaldruck gefüllten pneumatischen Enpängerkammer mit einer mit o,l Bar (d.h. einem Zehntel des Normaldruckes ) mit Propylen ohne Hilfsgas gefüllten Kammer nach Abb. 9 - 11 vergleicht.
  • Dabei ist noch zu beachten, daß bei dem pneumatischen Empfänger nur der in Wärme umgewandelte Teil der absorbierten Strahlung im Bandenbereich ausgenutzt werden kann, so daß zur Erzielung vergleichbarer Signalstärken in den Abb. 9- 11 mit noch geringeren Drücken in den Kammern gearbeitet werden kann.
  • Die Doppelkammer 26 , 27 bzw. 28, 29 in der Abb.12 bzw. 13 wird von der zu messenden modulierten IR-Strahlung IRw in Pfeilrichtung beaufschlagt. Die Auswertung der in den strahlungsdurchlässigen Bolometern BI - BIV entstehenden Signale erfolgt in einer elektronischen Meßschaltung z.B. nach Abb.14. Die Speisespannung für die Meßbrücke ist mit U= bezeichnet. Der Verstärker 30 kann zum Zweck der phasenrichtigen Demodulation mit einem Steuersignal vom Modulator beaufschlagt werden. Das Ausgangssignal des Verstärkers wird vom Instrument 31 angezeigt. Zum Abgleich der Bolometer Bt- BIV können in den einzelnen Zweigen der Meßbrücke nach Abb.14 Reihen = oder Parallelwiderstände vorgesehen werden. In der Abb.l2 werden für den Nullabgleich bei gleichen Fülldrucken unterschiedliche Schichtlängen 11 und 1TI verwendet. In Abb.l3 sind bei gleichen Schichtlängen zum Nullabgleich unterschiedliche Fülldrucke pI und p11 vorgesehen. Der Nullabgleich mittels unterschiedlichen Fülldruck hat, wie leicht einzusehen, den Vorteil größerer Anpassungsfähigkeit und bringt auch konstruktive Vereinfachungen, weil stets mit den gleichen Schichtlängen gearbeitet werden kann. In Abb. 15 ist eine vollständige Einstrahl-Anordnung mit einem Empfänger nach Abb.12 oder 13 wiedergegeben. Das von Strahler 1 mit Reflektor 2 aus= gehende Bündel durchläuft den Modulator 32 - 35, die Meßküvette 6 und den mit Nachweisgas ( im allgemeinen ohne Hilfsgas) gefüllten Doppelkammerempfänger 36 ( Empfänger nach Abb.12 oder 13). Der Modulator besteht aus dem Rohr 32, in welchem die Kreisscheibe (z.B. aus Metall) um eine senkrecht zur Rohrachse und in der Scheibenebene durch den Scheibenmittelpunkt vorlaufende Drehachse 34 synchron rotiert ( Antrieb 35.). Der Empänger 36 ist in bekannter Weise (durch Fülldruck und Schichtlänge) so abgeglichen, daß sich bei einer Nachweiskonzentration null (im Meßgas) ein Signalwert null ergibt. Beim Auftreten des Nachweisgases ergibt sich dann ein Signal, das dessen Konzentration entspricht.
  • Die Auswertung der Signale in 36 erfolgt wie angegeben, beispielsweise in einer Schaltung nach Abb. 14 Bezüglich der in den erfindungsgemäßen Anordnungen gewählten Bolometern ist zu sagen, daß man entweder mit Bolometerschichten, geringer Strahlungsabsorption (z.B. 5 - 10 %) arbeiten kann oder auch Schichten mit wesentlich höherer Absorption (z.B. ca.
  • 30 - 50 %). Im ersteren Fall kann man bei vergleichsweise geringerer Signal stärke annähernd symetrische Brückenschaltungen zur Auswertung verwenden. Im zweiten Fall muß der unterschiedlichen Energieabsorption (auch im nichtselektiven Bereich) durch dem Stande der Technik nach bekannte Anpassungsschaltungen Rechnung getragen werden.
  • Die erfindungsgemäße Anordnung ist auch für alle anderen Empfängerschichten, die auf anderen physikalischen Meßeffekten beruhen, anwendbar, sofern diese eine ausreichende Strahlungsdurchlässigkeit von z.B. zwischen 5 - 50 % besitzen.
  • Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnungen ist, daß Erschütterungen, durch welche Trägheitskräfte auf die Gasvolumina ausgeübt werden und welche somit Wechseldruckeffekte zur Folge haben, auf den nutzbaren Meßeffekt keinen Einfluß ausüben, weil die Energleabsorptlon unmittelbar als Bolometer gemessen wird und nicht die durch Energieabsorption bewirkten Druckeffekte.
  • Ergänzend zum Stande der Technik sei noch auf die DAS 1773 177 hingewiesen, bei der eine mit Nachweisgas gefüllte Empfängerkammer mit einem Thermistorempfänger am Anfang und am Ende der Kammer vorgesehen ist. Die Füllung der Kammer, Nachweisgas oder ein geeignetes Ersatzgas mit Hilfsgas (Argon, Xenon oder Krypton) verdünnt, ist so gewählt, daß die Absorption im charakteristischen Wellenlängenbereich in der Empfängerkammer größer ist als die entsprechende Absorption in der Meßküvette bei der zu erwartenden Nachweiskonzentration. Es wird daher eine Vergleichsmessung zwischen Bandenmitte und Bandenwand durchgeführt. r a i Gegenüber dieger Anordnung unterscheidet sich die erfindungsgemäße Anordnung unter anderen in den folgenden Punkten vor teil haft: 1.) Dao Verdünnungsga-irEinn und auch das Nachweisgas mit vermindertem Druck in die Empfängerkammer eingefüllt wird, ergibt sich eine erhöhte Selektivität (wegen geringerer Stoßdämpfung und somit geringere Bandbreite).
  • 2.) Die verwendeten großflächigen und strahlungsdurchlässigen Empfänger schichten bewirken, daß Verschmutzungen der Küvettenfenster sich auf alle Teillichtbündel in gleicher Weise auswirken und somit praktisch nicht die Messung verfälschen können. Bei dem "punktförmigen", strahlungsundurchlässigen Thermistorempfänger ist diese vorteilhafte Wirkung nicht gegeben.
  • 3.) In der DAS 1773 177 ist vorgesehen, daß die Thermistoren sich stets im Innern der mit Nachweisgas gefüllten Empfängerkammern befinden und daß neben dem Nachweisgas noch ein Hilfsgas (z.B. Argon) vorhanden ist. Es soll also offensichtlich wie bei pneumatischen IR-Empfängern üblich die Erhöhung der Gastemperatur (bei pneumatischen Empfängern wird der der Gastempearturerhöhunq entsprechende Drukeffekt gemessen) gemessen
    wird,
    Zum Unterschied dazu wird in der Erfindungsgemäßen Anordnung die gesamte in die Empfänger-Kammer eintretende (bzw. ein konstanter von der Durchlässigkeit der Schicht abhängigger Bruchteil, z.B. 10 *) Strahlungsleistung und nach erfolgter Strahlungsschwächung im Gasraum der Empfängerkammer die gesamte austretende (bzw. ein konstanter zweckmäßigerweise etwa gleicher Bruchteil) Strahlungsleistung gemessen. Über die Konzentration des Nachweisgases im Empfänger in Bezug auf die Konezntration im Meßgas sind daher auch keinerlei Einschränkungen zu machen. Es wirkt auf beide Empfänger schichten im wesentlichen Strahlung aus allen Bereichen der Absorptionsbande.
  • Die Selektivität des Empfängers ist bei kleinen Lichtschwächungen im Nachweisgas der Empfängerkammer sogar größer als bei größeren Lichtschwächungen.
  • 4.) Wegen der beidseitig strahlungsdurchlässigen Empfängerkammer ist der Aufbau einer symetrischen und sehr nullpunktstabilen gleichphasig modulierten Anordnung (z.B.
  • nach Abb. 11) möglich. Es erübrigt sich darauf hinzuweisen, daß selbstverständlich diese Anordnung auch mit Gleichstrahlung betrieben werden kann Abschließend sei noch darauf hingewiesen, daß neben der Möglichkeit mit zwei gleichphasig modulierten Strahlengängen auch mit zwei gegenphasig modulierten Bündeln gearbeitet werden kann. In diesem Falle müssen die beiden Bündel in bekannter Weise zusammengeführt werden und durchlaufen die Empfängerkammer in gleicher Richtung.
  • An Stelle der in den Abb. 1 - 4 und 9 - 13 verwendeten strahlungsdurchlässigen Empfänger schichten ist auch eine Variante mit sogenannten quasidurchlässigen Schichten anwendbar. Eine solche Schicht entsteht durch Aufbringen einer schmalbandigen strahlungsabsorbierenden und im allgemeinen strahlungsundurchlässigen Schicht (z.B. einer Metall-, Graphit-oder Halbleiterschicht) über den gesamten Bereich eines mit der zu messenden Strahlung beaufschlagten strahlungsdurchlässigen Fensters (z.B. NaCl, CaF2 oder auch Kunststofffolie). Die bandförmige Schicht wird dabei in Form z.B. einer Spirale oder eines Mäanders einseitig aufgebracht mit den elektrischen Anschitissen am Anfang und Ende des Bandes. Die effektive Durchlässigkeit dieser Schicht wird dann bestimmt durch Bandabstand und Breite des Bandes.
  • Einschub auf Seite 11 zwischen 2. und 3. Absatz In Abb. 11 ist eine Ringkanalanordnung mit symetrischem A bau gezeigt. Es ist jedoch auch vorteilhaft für die Anordnungen nach Abb. 12, 13 und 15 eine solche Ringkanalanordnung zu wählen.
  • Deçgleichen kann diese Ringkanalanordnung auch mit Vorteil für andere dem Stande der Technik nach bekannte IR-Analysatoren Verwendung finden. Das wesentliche Kennzeichen hierbei ist, daß ein geschlossener oder nahezu geschlossener Ringkanal vorgesehen ist, der sowohl zur Bündelführung als auch zur Aufnahme der optischen Bauelemente (wie Strahler, Modulator, Küvetten und Empfänger) dient. Eine solche Anordnung besitzt u.a. fertigungstechnische und konstruktive Vorteile. Bei einer Einstrahlanordnung ergibt sich eine um etwa den Faktor 3 kürzere Gesamtbaulänge (theoretische Grenze für diesen Faktor ist die Zahl'Y' ).
  • Dieser Vorteil ist vor allem bei Spurenmeßbereichen mit möglichst großer Länge der Meßküvette von Bedeutung. Es kann auch vorteilhaft sein, einen Zweistrahlanalysator mit zwei praktisch gleichen Ringkanälen, die zu einer zylindrischen Einheit verbunden werden, zu verwenden.

Claims (12)

  1. Patentansprüche
    Vorrichtung zur Analyse von Stoffgemischen durch Messung ihrer zu ihrer Strahlungsabsorption unter Verwendung von elektromagnetischer Strahlung und eines strahlungsdurchlässigen Empfängers für Strahlung, welcher aus 2 hintereinander liegenden Schichten besteht, ferner enthaltend eine vom zu analysierenden Stoffgemisch beschickte im Strahlengang angeordnete Meßküvette dadurch gekennzeichnet, daß die Meßküvette ( 6 ) zwischen der ersten ( 5 ) und der zweiten ( 7 ) Empfängerschicht angeordnet ist.
  2. 2.) Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die hintereinander liegenden Empfänger schichten aus dünnen Metall- oder Halbleiter schichten bestehen.
  3. 3.) Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß eine modulierte Strahlung verwendet wird.
  4. 4.) Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe von Interferenzfiltern oder anderen geeigneten optischen Mitteln der für die Messung wesentliche Spektralbereich ausgesondert wird.
  5. 5.) Vorrichtung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Prinzip der Selektivmodulation oder nach dem Prinzip der partiellen Modulation gearbeitet wird.
  6. 6.) Vorrichtung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer selektiv modulierten Strahlung eine mit der Nachweiskomponente oder einem geeigneten Ersatzgas gefüllte Küvette, in welcher ein elektrisches Wechselfeld erzeugt wird, Verwendung findet.
  7. 7.) Vorrichtung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß auf der Innenwand oder auf der Außenwand der strahlungsdurchlässigen Fenster der Küvette eine strahlungsdurchlässige elektrisch leitende Schicht aufgebracht wird und daß diese Schichten je mit einem Pol einer Wechselspannungsquelle verbunden werden.
  8. 8.) Vorrichtung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer selektiv modulierten Strahlung eine mit der Nachweiskomponente gefüllte Küvette verwendet wird und daß die Modulation dadurch erfolgt, daß entweder quer zur Strahlungsrichtung eine modulierte IR-Strahlung eingestrahlt wird oder dadurch, daß die Küvette mit modulierter Schallstrahlung (vorzugsweise Ultraschall) beaufschlagt wird.
  9. 9.) Vorrichtung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer selektiv modulierten IR-Strahlung eine mit der im IR-Bereich absorbierenden Nachweiskomponente und einer in einem anderen Spektralbereich (z.B. um oder sichtbarer Bereich) absorbierenden Komponente gefüllte Küvette verwendet wird und daß diese Küvette mit modulierter Strahlung dieses anderen Bereiches beaufschlagt wird.
  10. 1O.) Selektiver Empfänger für elektromagnetische Strahlung bestehend aus einer mit zwei strahlungsdurchlässigen Fenstern versehenen Empfängerkammer mit einer Füllung aus einem Stoff, einem Stoffgemisch oder einer Stoffanordnung, die in einem gewünschten Spektralbereich Strahlung absorbiert, enthaltend ferner zwei strahlungsdurchlässige Empfänger schichten dadurch gekennzeichnet, daß nacheinander die erste Empfängerschicht, die Empfängerkammer und die zweite Empfänger Schicht durchstrahlt werden und daß die Differenz oder das Verhältnis der Wirkungen in den beiden Empfänger schichten gemessen wird und als Intensitätsmaß für die verwendete Strahlung in dem Spektralbereich, in dem die Füllung in der Empfängerkammer Strahlung absorbiert, verwendet wird.
  11. 11.) Vorrichtung nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, daß die Empfängerkammer von zwei gleichphasig modulierten am Nullpunkt der Messung intensitätsgleichen Strahlenbündel (einem Meß- und einem Vergleichsbündel) in entgegengesetzter Richtung durchlaufen wird und daß ferner zweckmäßigerweise die beiden Empfängerschichten möglichst gleichartig sind, insbesondere nach spektraler Durchlässigkeit und Strahlungsempfindlichkeit.
  12. 12.) Vorrichtung wie in Anspruch 10 jedoch mit zwei gegenphasig modulierten Strahlenbündeln, welche die Empfängerkammer in gleicher Richtung durchlaufen.
    L e e r s e i t e
DE19752524430 1975-06-03 1975-06-03 Betriebsphotometer mit zwei empfaengerschichten Withdrawn DE2524430A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19752524430 DE2524430A1 (de) 1975-06-03 1975-06-03 Betriebsphotometer mit zwei empfaengerschichten

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19752524430 DE2524430A1 (de) 1975-06-03 1975-06-03 Betriebsphotometer mit zwei empfaengerschichten

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE2524430A1 true DE2524430A1 (de) 1976-12-16

Family

ID=5948049

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE19752524430 Withdrawn DE2524430A1 (de) 1975-06-03 1975-06-03 Betriebsphotometer mit zwei empfaengerschichten

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE2524430A1 (de)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2804972A1 (de) * 1977-02-12 1978-08-17 Horiba Ltd Optische einrichtung fuer ein spektralgeraet wie beispielsweise infrarot- oder ultraviolett-spektrometer
DE3507572A1 (de) * 1985-03-04 1986-09-04 Hartmann & Braun Ag, 6000 Frankfurt Fotometer
EP0196993A2 (de) * 1985-04-04 1986-10-08 Dr. THIEDIG + CO. Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung der Konzentration eines Gases
DE19526352A1 (de) * 1995-07-19 1997-07-31 Wimmer Ulrich Dipl Ing Fh Verfahren und Einrichtung zur Strahlmodulation

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2804972A1 (de) * 1977-02-12 1978-08-17 Horiba Ltd Optische einrichtung fuer ein spektralgeraet wie beispielsweise infrarot- oder ultraviolett-spektrometer
DE3507572A1 (de) * 1985-03-04 1986-09-04 Hartmann & Braun Ag, 6000 Frankfurt Fotometer
EP0196993A2 (de) * 1985-04-04 1986-10-08 Dr. THIEDIG + CO. Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung der Konzentration eines Gases
EP0196993A3 (de) * 1985-04-04 1988-07-27 Dr. THIEDIG + CO. Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung der Konzentration eines Gases
DE19526352A1 (de) * 1995-07-19 1997-07-31 Wimmer Ulrich Dipl Ing Fh Verfahren und Einrichtung zur Strahlmodulation
DE19526352C2 (de) * 1995-07-19 2000-02-03 Ulrich Wimmer Verfahren und Einrichtung zur Strahlmodulation

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0076356B1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Konzentration einer IR-, NDIR-, VIS- oder UV-Strahlung absorbierenden Komponente eines Komponentengemischs
DE2165106C2 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Analyse von Atomspektren
DE19520488C1 (de) Meßvorrichtung zur Infrarotabsorption
DE1964469C3 (de) Vorrichtung zur Atomabsorptionsanalyse einer Probe
DE2320252A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur quantitativen bestimmung eines gasfoermigen bestandteils
DE3520408A1 (de) Infrarotanalysator fuer fluide
DE2833831C2 (de) Optoakustischer Analysator
DE1189756B (de) Absorptions-Vergleichsvorrichtung, insbesondere Gasanalysator
DE2524430A1 (de) Betriebsphotometer mit zwei empfaengerschichten
DE1183280B (de) Nichtdispersive Infrarotabsorptions-Gasanalysatoren mit positiver Filterung
DE3524189A1 (de) Infrarot-gasanalysator
DE3238179C2 (de)
DE3206427A1 (de) Messeinrichtung fuer die optische gasanalyse
DE2359637A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur korrektur des messignals eines zweistrahlphotometers fuer die fluidanalyse
DE2849379A1 (de) Opto-akustischer gas-analysator
DE2243993B2 (de) Vorrichtung für die Röntgenanalyse
WO1999009391A2 (de) Ndir-fotometer zur mehrkomponentenmessung
DE4111187A1 (de) Verfahren zur messung des optischen absorptionsvermoegens von proben mit automatischer korrektur des anzeigefehlers und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens
DE19521362A1 (de) Messzelle für einen Wasserdampfsensor
DE19628310C2 (de) Optischer Gasanalysator
DE2900624C3 (de) Zweistrahl-Gasanalysator
US3456108A (en) Apparatus for fluorescent x-ray analysis of test bodies employing fluid filters with variable absorption characteristics
CH391122A (de) Vorrichtung zum Messen des Energiestromes in einem Röntgenstrahlenbündel
EP0168611B1 (de) Fotometer
DE970203C (de) Geraet zur Gasanalyse durch Strahlungsabsorption

Legal Events

Date Code Title Description
OF Willingness to grant licences before publication of examined application
8139 Disposal/non-payment of the annual fee