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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.
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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.
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2.) Adsorbierte Flüssigkeitshäute an den Wänden der Empfängerkammern
bewirken oft einen starken, die Messung verfälschenden Nebeneffekt.
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3.) Die Messung des in den Kammern auftretenden Wechseldruckes ist
Rit erheblichen meßtechnischen Aufwand verknüpft.
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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.
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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.
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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.
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Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß die Meßküvette (6) zwischen der
ersten (5! und cer zweiten (7) Empfänger-chicht angeorcret ist.
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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.
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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.
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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.
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In Abb.l wird mittels Strahler 1, Reflektor 2 und sychron rotierender
Segmentblende 3 ein moduliertes Strahlenbündel erzeugt.
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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.
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Die Abb.2 zeigt eine Anordnung mit Selektivmodulation mittels zweier
auf unterschiedliche Welenlängen abgestimmten interferenzfiltern.
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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.
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Die Abb.3 zeigt eine andere Methode der Selektivmodulation.
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Hierbei wird eine mit IR-aktivem Gas (z.B. Methan) gefüllte Gasküvette,
in welcher ein elektrisches Wechselfeld erzeugt wird, verwendet.
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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.
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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.
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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.
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Dies kann unter anderem in einer Brückenschaltung geschehen.
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(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).
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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.
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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.
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von der Strahlungsquelle 2) durchstrahlt wird, wobei diese Strahlung
als Folge der Zufuhr der modulierten Energie zum Nachweis stoff selektiv moduliert
wird.
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Dieses Prinzip ist in den Abb.6 - 8 an 3 weiteren Varianten schematisch
wiedergegeben.
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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.
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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.
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Die Küvetten 14 und 16 sind mit einen IR-aktiven Füllgas (z.B.
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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.
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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.
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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=).
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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.
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Hierbei erübrigt sich die Zumengung eines Hilfgases.
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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.
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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.
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Eine sinngemäße Variante ist auch für das Zweistrahlgerät in Abb.2
dieser Anmeldung möglich.
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Vor der Beschreibung von Ausführungsbeispielen sei noch kurz auf
den Stand der Technik eingegangen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Empfängerkammer ist mit der Nachweiskomponente, z.B. CH4 gefüllt.
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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.
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(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.
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Abb.13 gibt eine Anordnung mit zwei gleichlangen Kammern mit unterschiedlichem
Fülldruck wieder.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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
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.
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Die Selektivität des Empfängers ist bei kleinen Lichtschwächungen
im Nachweisgas der Empfängerkammer sogar größer als bei größeren Lichtschwächungen.
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4.) Wegen der beidseitig strahlungsdurchlässigen Empfängerkammer ist
der Aufbau einer symetrischen und sehr nullpunktstabilen gleichphasig modulierten
Anordnung (z.B.
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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.
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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.
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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.
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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' ).
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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.