DE2626642B1

DE2626642B1 - Vorrichtung zum messen der konzentration von gasen

Info

Publication number: DE2626642B1
Application number: DE19762626642
Authority: DE
Inventors: Werner Prof Dr-Ing Adrian
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-06-14
Filing date: 1976-06-14
Publication date: 1977-12-15
Also published as: GB1530546A; CA1077298A; JPS52153790A; US4190363A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs genannten Gattung.

Bei den bekannten Vorrichtungen zur Messung der Konzentration von Gasen durch Strahlungsabsorption 2^r> bei für das Gas charakteristischen Absorptionsbanden wird das zu analysierende Gas in eine Meßkammer gebracht. Diese wird von Strahlungen der spezifischen Wellenlänge durchsetzt. Der in die Meßkammer eintretende Strahlungsfluß sei Φο. Dieser Fluß wird durch die Gasmoleküle mit der spezifischen Absorptionswellenlänge geschwächt und verläßt die Meßkammer als Strahlungsfluß Φ.

Der Zusammenhang wird durch das Lambert-Beersche Gesetz beschrieben: J5

Φ = $oe~^m/c

Hierin ist m eine Materialkonstante, / die Länge des Strahlungsweges in dem absorbierenden Medium und c die Konzentration des absorbierenden Gases in der Meßkammer. Möchte man sehr kleine Konzentrationen messen, so ist dies bei einer definierten Schwächung, die durch das Verhältnis Φ/Φο gegeben ist und durch die Auflösung der Detektoren und nachgeschalteter Verstärker begrenzt ist, nur durch Vergrößerung der Weglänge der Strahlung /möglich.

In bekannten Vorrichtungen der Gasanalyse mit Hilfe von Spektral-Photometern werden Meßkammern verwendet, in denen der Strahlengang über ein optisches System gefaltet wird. Beispielsweise erlaubt ein von w White gegebenes Prinzip, Weglängen bis zu 10m darzustellen. Die Aperturen sind jedoch gering, und das Volumen der Kammer beträgt mehr als 6 /. Zur Messung der Konzentration von Alkoholmolekülen in Atemluft muß jedoch die Meßkammer ein extrem kleines v> Volumen haben, um sicherzustellen, daß nur alveolare Atemluft die Meßkammer füllt. Aus diesem Grund darf ein Kammervolumen von etwa 100 ecm nicht überschritten werden.

Eine Vorrichtung ist bekannt, bei der eine Kugel mit f>o hochreflektierenden Innenwänden die Meßkammer darstellt. Diese Anordnung ist aber gerade zur Messung der Alkoholkonzentration in Atemluft ungeeignet, da eine Kugel bei kleinster äußerer Abmessung das größte Volumen hat. Gerade der umgekehrte Fall ist aber erwünscht. Zum zweiten ist durch die Mehrfachreflexion der Kugel keine definierte Weglänge gegeben. Es kommt zu einer Faltung mehrerer durch den Alkoholgehalt mehr oder weniger stark geschwächter Komponenten (US-PS 33 19 071).

Bekannt ist weiter eine die Form eines Hohlzylinders aufweisende Meßkammer. Die durch eine öffnung in einer Stirnseite eingespiegelte Abbildung einer Strahlungsquelle wird an beiden Stirnseiten gespiegelt. Damit ergibt sich eine die Länge des Zylinders übersteigender Strahlungsweg. Diese bekannte Meßkammer hat jedoch ein verhältnismäßig großes Volumen (US-PS 22 12 211). In einer Vorrichtung zum Messen der Alkoholkonzentration in Atemluft läßt sich eine solche großvolumige Meßkammer nicht verwenden. Bei einer solchen Meßkammer wird nicht sichergestellt, daß sie ausschließlich oder überwiegend mit alveolarer Luft, das heißt unmittelbar aus den Lungenbläschen stammender Luft, gefüllt wird.

Bekannt sind weiter Infrarot-Strahlungselemente mit parabelförmigen oder elliptischen Reflektorprofilen zum Schmelzen, Schweißen, Trocknen usw. Bei elliptischer Formgebung eines Reflektors ergibt sich im Abstand von 16 mm eine Brennlinie. Bei Vergoldung des Reflektors wird eine IR-Strahlung in dieser Brennlinie konzentriert (G-I-T Fachzeitschrift für das Laboratorium, 13. Jg., H. 4,1969, S. 353).

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung mit einer Meßkammer zu schaffen, die bei defeniertem und langem Weg und großer Apertur ein äußerst kleines Volumen aufweist. Die Lösung für diese Aufgabe ergibt sich bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Gattung nach der Erfindung mit den im Kennzeichen des Patentanspruchs aufgeführten Merkmalen.

Als Strahlungsquelle dient eine handelsübliche, goldbedampfte Ellipsoidlampe, die eine Quarz-Halogen-Lichtquelle besitzt. Im zweiten Brennpunkt des Ellipsoids werden die Strahlen vereinigt. Durch die Ausdehnung der Wendel und Ungenauigkeiten in der Oberfläche des Ellipsoidspiegels ergibt sich eine Brennfläche von etwa 6 mm Durchmesser. Für die erfindungsgemäßen Zwecke ist dies ausreichend punktförmig. Diese Brennfläche wird am Strahlungseingang der Meßkammer abgebildet. Die von diesem ausgehende Strahlung tritt in das Rohr ein und gelangt nach Reflexion an den optisch wirksamen Oberflächen der Innenwände zum Strahlungsausgang. Von dort trifft sie auf den Detektor auf.

In der Praxis lassen sich mit einem Kammervolumen von weniger als 60 ecm und einem Rohr von 8 mm Innendurchmesser, das zu einem Kreis von etwa 30 cm Durchmesser gebogen wird und nur eine Gesamtlänge von 95 cm hat, durch Vielfachreflexionen an Innenwänden eine effektive Weglänge von über 2,5 m erhalten. Durch die Reflexionen an den optisch wirksamen Innenflächen wird der Strahlungsweg in der Meßkammer, das heißt die Pfadlänge in dem zu messenden Medium, verlängert. Die Pfadlänge liegt um ein Vielfaches über der geometrischen Längenabmessung der Meßkammer.

Für die Meßkammer wird ein auf seiner Innenwand besonders hochglanzverspiegeltes Rohr verwendet, das ein- oder mehrfach gewunden ist. An seiner Innenwand tritt je nach der Auskleidung mit verschiedenen möglichen Materialien spiegelnde oder Totalreflexion auf. Der am Strahlungseintritt eingestrahlte Strahlungsfluß verläßt das Rohr nach vielen Reflexionen an dessen Innenwand am Strahlungsaustritt. Dort kann sich eine bei der verwendeten Wellenlänge transparente Sammellinse befinden, die die Strahlung auf der Detektor-

INSPECTED

oberfläche vereinigt Auf diese Weise sind bei kleinen Kammervolumen große wirksame Weglängen bei gutem Wirkungsgrad zu erreichen. Der in das Rohr eingestrahlte Strahlungsfluß wird nur durch die geringen Verluste bei der Reflexion geschwächt.

Am Beispiel der in der Zeichnung gezeigten Ausführungsform wird die Erfindung weiter beschrieben.

Die Zeichnung zeigt ein die Meßkammer 2 darstellendes Rohr. Im gezeigten Beispiel ist dieses mit nahezu konstantem Krümmungsradius einmal kreisförmig gewunden. An dem in der Zeichnung links liegenden Ende der Meßkammer 2 befindet sich die öffnung 4 für den Strahlungseintritt. Am anderen Ende befindet sich die öffnung 6 für den Strahlungsaustritt. Die Öffnung 4 ist trompetenförmig erweitert, um auch Streustrahlung von der Strahlungsquelle aufzunehmen. Das Rohr hat entweder eine hochglanzverspiegelte Innenfläche, die bei der verwendeten Arbeitswellenlänge wirksam ist, oder es ist mit einem Material in mehreren Schichten bedampft. Dieses Material hat eine Brechzahl n, bei der

") die verwendete Wellenlänge für spitzwinklig auftreffende Strahlung total reflektiert wird. Über den Stutzen 8 wird das zu messende Medium, zum Beispiel Atemluft, eingeblasen. Die öffnung 6 ist für dieses Medium verschlossen. Die öffnung 4 ist für dieses Medium

ίο dagegen offen, so daß das noch in der Meßkammer 2 befindliche Medium durch das neu eingeführte Medium ausgetrieben wird. Vor dem Strahlungseintritt an der öffnung 4 befinden sich die Strahlungsquelle 10 und ein Reflektor 12. Hinter der öffnung 6 befindet sich eine

ι -j Sammellinse 14. Diese konzentriert den Strahlungsfluß auf die Oberfläche des Detektors 16.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Vorrichtung zum Messen der Konzentration von Gasen durch Strahlungsabsorption mit einer Kam- ^r> mer, mit einer öffnung für den Strahlungseintritt an einem Ende und einer IR-Strahlungsquelle vor dieser öffnung, mit einer öffnung für den Strahlungsaustritt an einer anderen Stelle der Kammer, mit einer IR-reflektierenden Ausbildung der Innenwände der Kammer, mit einem Detektor hinter der öffnung für den Strahlungsaustritt und mit öffnungen in der Kammer zum Ein- und Ausströmen der zu untersuchenden Gase, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkammer (2) aus einem i^r> mindestens einfach schraubenförmig gewundenen Rohr besteht.