DE2635171A1

DE2635171A1 - Photoelektrischer gasanalysator mit einem abstimmbaren laser als strahlungsquelle

Info

Publication number: DE2635171A1
Application number: DE19762635171
Authority: DE
Inventors: Werner Kopmeier; Horst Dr Techn Preier; Wolfgang Dipl Phys Riedel; Joachim Dr Phil Staab
Original assignee: Hartmann and Braun AG; Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Kopmeier Werner 60528 Frankfurt De Riedel Wolf
Priority date: 1976-08-05
Filing date: 1976-08-05
Publication date: 1978-02-09
Also published as: DE2635171C3; DE2635171B2

Description

-l'hotoelektrischer Gasanalysator mit einem
abstimmbaren Laser als Strahlungsquelle Die Erfindung bezieht sich auf einen photoelektrischen Gasanalysator mit einem abstimmbaren Laser als Strahlungsquelle, dessen Strahlung eine Meßgasprobe durchdringt und periodisch den Frequenzbereich einer Absorptionslinie der zu messenden Gaskomponente überstreicht, mit einem Photodetektor zum Nachweis der transmittierten Strahlung, an den eine Auswerteeinrichtung zur Bildung des der Eonzentration der Gaskomponente entsprechenden Ausgangssignales des Analysators angeschlossen ist und mit einer Zeitsteuereinheit zur Ansteuerung des Lasers und der Auswerteschaltung.
Derartige Merkmale weist ein in der deutschen Offenlegungsschrift 2.362.935 beschriebener, mit Infrarotstrahlung arbeitender Gasanalysator auf, wobei noch ein räumlich getrennter Referenzstrahlenweg vorgesehen ist und eine rotierende Blende die Strahlenbündel in den beiden Strahlenwegen abwechselnd freigibt, worauf sie in einem gemeinsamen Strahlenweg zum Detektor gelangen. Die Auswerteschaltung umfaßt eine Differenzierschaltung und einen nachfolgenden, das susgangssignal des Analysators abgebenden Spitzenwertdetektor. In der beschreibung wird auf die mit dem Analysator erreichte eßgenauigkeit und Selektivität hinsichtlich der zu messenden Gaskomponente hingewiesen.
Die Erfindung beschreitet einen anderen Weg, um entsprechende Vorteile zu erzielen und stellt sich außerdem die Aufgabe, den iiinfluß einer Druckverbreiterung der Absorptionslinie auf das Heßergebnls zu beseitigen.
Erfindungsgemäß gelingt dies bei einem Gasanalysator der eingangs erwähnten Gattung dadurch, daß der Signalausgang des Detektors an ein Logarithmiernetzwerk angeschlossen ist, daß in jeweils einem Zeitintervall, in dem die Laserfrequenz in einem i'requenzbereich außerhalb und im Bereich der Absorptionslinie sich ändert ("Referenzzeit" und 'Referenzfrequenzbereich" bzw. "Meßzeit" und "Meßfrequenzbereich"), die Zeitsteuereinheit den Ausgang des Logarithmiernetzwerkes auf jeweils einen Kanal mit Integrier- und Halteschaltungen schaltet, und daß das iiusgangssignal des Analysators durch Differenzbildung der gespeicherten Werte gebildet ist.
Eine Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß durch einen Strahlenteiler noch ein Referenzstrahlenweg erzeugt ist, daß eine motorgetriebene Blende beide Strahlenwege, die eine Strahlenvereinigungsvorrichtung vor dem Detektor wieder in einem Strahlenweg vereinigt, abwechselnd freigibt, und daß von der Blendenstellung abgeleitete Signale den Integrier- und Halteschaltungen nachgeschaltete phasenabhängige Gleichrichter steuern, deren gegeneinander geschaltete Ausgangssignale das Ausgangssignal des Analysators ergeben.
Im folgenden werden der Aufbau und die Wirkungsweise zweier Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gasanalysators anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein Prinzipschema einer ersten Ausführungsform mit einem Strahlenweg, Fi. 2 ein Zeitdiagramm der Ausgangssignale des Strahlungscpfängers Im Analysator der Fig. 1, Fig. 3 das Prinzipschema einer zweiten Ausführungsform mit zwei Strahlenwegen und Fig. 4 4 ein Zeitdiagramm der Ausgangssiglale des Strahlungsempfängers im Analysator der Fig. 3.
In den Figuren der Zeichnung sind für übereins-timmende Deile und Einzelheiten die gleichen Bezugszeichen verwendet.
Bei dein Ausführungsbeispiel der Fig. 1 wird ein Laser 1, vorzugsweise ein Halbleiterinjektionslaser, über eine Anregungsvorrichtung 2 und eine ihr übergeordnete Zeitsteuereinheit 3 einem Impulsbetrieb unterworfen. Die für den Betrieb des Lasers notwendige Eühlvorrichtung ist nicht dargestellt. Während jedes Impulses steigt die Frequenz des ausgestrahlten Laserlichtes näherungsweise ze itlinear an und überstreicht dabei einen ilrequenzbereich, in den der Spektralbereich der Absorptionslinie der zu messenden Gas komponente enthalt-en ist;. Das zu analysierende, die Meßkomponente enthaltende Gas befindet sich in einer Küvette 4, durch die der Laserstrahl hindurchtritt. Die transmittierte Strahlung fällt auf einen photoelektrischen Strahlungsempfänger 5, der ein schneller Festko'rperdetektor, beispielsweise auf der Basis von InSb oder Pb-Chalkogenid, ist. Nach einer Verstärkung der Detektorsignale durch den Verstärker 6 erfolgt eine Logarithmierung in einem nachfolgenden Netzwerk 7. Jeweils während eines bestimmten Zeitintervalles, in dem die Laserfrequenz einen Frequenzbereich außerhalb der Absorptionslinie und den Bereich der Absorptionslinie überstreicht ("Referenzzeit" und "Referenzfrequenzbereich" bzw. "Meßzeit" und "Meßfrequenzbereich"). erfolgt eine Integration der durch das Netzwerk 7 logarithmierten Signale und eine Speicherung in Integrier- und Halteschaltungen 8 und 9 in den Ausgangskanälen 10 und 11 des Netzwerkes 7. Dabei entspricht der Integration über die Zeit t wegen der linearen Beziehung eine Integration über die Frequenz @".
Das während der Referenzzeit durch Integration gewonnene signal wird in der Integrier- und Halterschaltung 8 des Kanals 10 ("Referenzzeitkanal") und das während der Meßzeit durch Integration gebildete Signal in der Integrier- und Halteschaltung 9 des Kanals 11 ("Meßzeitkanal") gespeichert.
Die richtige Zuordnung der Signale auf die beiden Kanäle bewirkt die Zeitsteuereinheit 3 durch Ansteuerung der Integrier-und Halteschaltungen über die Leitungen 12 und 13.
Figur 2 zeigt in beispielsweiser Darstellung zwei aufeinanderfolgende Detektorsignale 14 und 15 mit eingegrenzter Referenzzeit 16 und Meßzeit 17. Linse frequenzspezifische Schwächung des Laserstrahles tritt nur während der Meßzeit 17 auf, wenn die Laserfrequenz den Spektralbereich der Absorptionslinie der zu messenden Gaskomponente überstreicht und den angedeuteten Abfall 18 des Detektorsignales hervorruft.
Die Ausgänge der Integrier- und Halteschaltungen sind an einen Operationsverstärker 19 angeschlossen, der die Differenz der gespeicherten Werte, die integrierten logarithmierten Strahlungsintensitäten entsprechen, bildet. Diese Differenz, das Ausgangssignal des Gasanalysators ist wie die Rechnung zeigt, proportional wobei = Länge der Meßstrecke (Probengasküvette 4) = Konzentration der Meßkomponente = Absorptionskoeffizient der Meßkomponente = Frequenz = Spektralbereich der Absorptionslinie Das Integra ist eine von der Druckverbreiterung der Absorptionslinie praktisch unabhängige konstante grobe, die als Linienstärke S bezeichnet wird. Es folgt somit, daß das Ausgangssignal des Analysators unabhängig von der Druckverbreiterung proportional der Konzentration der Meßkomponente im Probengas ist. Zur Anzeige bzw. Registrierung der Konzentration dient ein Meßinstrument 20. tber einen Anschluß 21 des Operationsverstärkers kann noch ein Nullpunktabgleich vorgenommen werden.
Das Ausführungsbeispiel der Figur 3 weist im wesentlichen zusätzlich eine Strahlenteilvorrichtung 22 auf, durch die zuzüglich zum Meßstrahlenweg 23, in dem sich die Küvette 4 mit dem Probengas befindet, noch ein Referenzstrahlenweg 24 gebildet ist, der ein Gas enthält, das die Laserstrahlung nicht frequenzspezifisch beeinflußt. Außerdem ist eine motorgetriebene Blende 25 vorgesehen, die beide Strahlenwege abwechselnd für die Strahlung des gepulsten Lasers freigibt, sowie eine Strahlenvereinigungsvorrichtung 26, um beide otrahlenwege vor dem Strahlungsempfänger 5 wieder in eine Strahlungsweg 27 zu vereinigen.
Der Blendenantrieb und die Laseransteuerung sind beispielsweise so aufeinander abgestimmt, daß fünfzig Laserimpulse während der Freigabe des Referenzstrahlenweges anfallen, die zu fünfzig "Referenzsignalen" 28, 29 ... (Figur 4) des Detektors führen. Dementsprechend gibt der Detektor fünfzig "Meßsignale" 30, 31 ... während der Freigabe des Meßstrahlenweges ab. Die Zeitsteuereinheit bewirkt die Integration der verstärkten und logarithmierten Meß- und Referenzsignale während der Referenzzeit 16 durch die Integrier- und Halteschaltung 8 des Referenzzeitkanals 10 und während der Neßzeit 17 durch die Integricr- und Halteschaltung 9 des Meßzeitltanals 11 über die Steuerleitungen 12 und 13. In Abhängigkeit von der Stellung der Blende über die Leitung 32 gesteuerte pnasenabhängige Gleichrichter 33 und 34 führen in jedem Kanal eine Differenzbildung der in 8 und 9 gespeicherten Referenz- und Neßsignalanteile herbei. Das dem Anzeige gerät 20 zugeführte Ausgangssignal des Analysators ergibt sich durch nochmalige Differenzbildung der in den Kanälen anstehenden Differenzwerte, die hier ohne Operationsverstärker vorgenommen ist.
Der Unterschied des Ausführungsbeispieles der Fig. 3 gegeniibcr dein Ausführungsbeispiel der Fig. 1 besteht demnach im wesentlichen darin, daß noch ein Referenzstrahlenweg vorr;esehen st, wobei eine mechanische Einrichtung die für den Strahlungsdetektor notwendige etliche trennung der Strahlungsimpulse im eß- und Referenzstrahlenweg bewirkt.
Wird die Messung dadurch gestört, daß im Meßgas ein interferierendes Begleitgas vorhanden ist, so wird man i.a. den Heßfrequenzbereich so wählen, daß er eine ausgewählte Absorptionslinie (Rotationslinie einer bestimmten Lauf zahl m) überstreicht, die weit genug von einer Absorptionslinie des Begleitgases entfernt ist; entsprechend liegt die Referenzfrequenz in einem Bereich, wo weder eine Absorptionslinie des Meßgases noch des Begleitgases auftritt. Sollte in bestimmten Fällen eine kontinuierliche (zunindest in dem in Frage kommenden Bereich kontinuierliche) Hintergrund- oder Untergrundabsorption vorhanden sein, so kann diese Störung weitgehend dadurch unterdrückt werden, daß ein Referenzfrequenzbereich vorgesehen wird, der sich aus je einem geeignet gewählten Frequenzbereich vor und nach der Absorptionslinie zusammensetzt. Die Auswahl und Einhaltung der Teilfrequenzbereiche läßt sich ohne besondere Schwierigkeiten durch die Zeitsteuereinheit bewerkstelligen.
Ist eine längere Meßstrecke, z. B. in der offenen Atmosphäre erwünscht, so kann diese durch optische Mittel wie Unlenlspiegel und Reflektoren realisiert werden. Die Laufzeitdifferenzen der Laserimpulse im Meß- und Referenzstrahlenweg können dann eine zeitliche Aufteilung der Strahlungsimpulse bewirken, durch die eine rotierende Blende entbehrlich wird. In diesem Fall wird der Referenz- und Meßstrahlenweg jeweils mit demselben Laserimpuls erfaßt.
L e e r s e i t e

Claims

Patentansrrüche: 1. Photoelektrischer Gasanalysator mit einem abstimmbaren Laser als Strahlungsquelle, dessen Strahlung eine Meßgasprobe durchdringt und periodisch den Frequenzbereich einer Absorptionslinie der zu messenden Gaskomponente überstreicht, mit einem Photodetektor zum Nachweis der transmittiorten Strahlung, an den eine Auswerteeinrichtung zur Bildung des der Konzentration der Gaskoinponente entsprechenden Meßsignales angeschlossen ist und mit einer Zeitsteuereinheit zur Ansteuerung des Lasers und der Auswerteschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalausgang des Detektors an ein Logarithmiernetzwerk angeschlossen ist, daß in jeweils einem Zeitintervall, in dem die Laserfrequenz in einem Frequenzbereich außerhalb und im Bereich der Absorptionslinie sich ändert ("Referenzzeit" und "Referenzfrequenzbereich" bzw.

"Meßzeit" und "Meßfrequenzbereich"), die Zeitsteuereinheit den Ausgang des Logarithmiernetzwerkes auf jeweils einen Eanal mit Integrier- und Halteschaltungen schaltet, und daß das Ausgangssignal des Analysators durch Differenzbildung der gespeicherten Werte gebildet ist.

Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch einen Strahlenteiler ein Referenzstrahlenweg erzeugt t, daß ine motorgetriebene Blende beide Straljlenwege, die eine Strahlenvereinigungsvorrichtung vor dem Strahlungsempfänger wieder in einen Strahlenweg vereinigt, abwechselnd freigibt und daß von der Blendenstellung abgeleitete Signale den Integrier- und Halteschaltungen nachgeschaltete phasenabhängige Gleichrichter steuern, deren gegeneinander geschaltete Ausgangssignale das Ausgangssignal des snalysators ergeben.

3. Gasanalysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser ein gepulster Halbleiterinåektionslaser ist.

4. Gasanalysator nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch je einen Frequenzbereich beiderseits der Absorptionslinie der Referenzfrequenzbereich festgelegt ist.