DE2635171B2 - Gerät zur Bestimmung der Konzentration eines Bestandteils einer Gasprobe - Google Patents

Description

2. Gerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zwischen Laser (1) und Gasprobe (4) angeordneten Strahlenteiler (22) zur Abzweigung eines Referenzstrahls, eine zwischen Gasprobe (4) und Wandler (5) angeordnete Einrichtung zur Wiedervereinigung des Referenzstrahls (24) mit dem durch die Gasprobe (4) getretenen Meßstrahl (23), eine motorgetriebene Blende (25) zur wechselweisen Freigabe des Meß- und des Referenzstrahls sowie zwei jeweils an einen der Integrier- und Halteschaltkreise (8, 9) angeschlossene und entsprechend der Stellung der Blende (25) gesteuerte phasenempfindliche Gleichrichter (33, 34), deren Ausgänge gegeneinander geschaltet sind.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (1) ein gepulster Halbleiterinjektionslaser ist.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solches Gerät ist aus der Zeitschrift »Opto-electronics, Vol. 4 (1972). S. 69—86 bekannt.

Die Abstimmung der Laserfrequenz wird bei diesem Gasanalysator während eines Laserimpulses jedoch nicht bezüglich der Frequenzänderung zur Messung ausgenutzt, sondern als Verbreiterung der Laserlinie. Es wird ausdrücklich auf die Abstimmöglichkeit mittels eines überlagerten Gleichstroms hingewiesen. Der Pulsbetrieb soll in erster Linie eine höhere Betriebstemperatur der Laserdiode und eine höhere Laserausgangsleistung ermöglichen.

Ein in der DE-OS 23 62 935 beschriebener, mit gewobbelter Laser-Infrarotstrahlung arbeitender Gasanalysator besitzt einen räumlich getrennten Referenz- Strahlenweg zusätzlich zum Meßstrahlengang und eine rotierende Blende, die die Strahlenbündel in den beiden Strahlenwegen abwechselnd freigibt, worauf sie in einem gemeinsamen Strahlenweg zum Detektor gelangen. Die Auswerteschaltung umfaßt eine Differenzier- schaltung und einen nachfolgenden, das Ausgangssignal des Analysator abgebenden Spitzenwertdetektor. In der Beschreibung wird auf die mit dem Analysator erreichte Meßgenauigkeit und Selektivität hinsichtlich der zu messenden Gaskomponente hingewiesen.

In der Zeitschrift »Feinwerktechnik und Meßtechnik«, 83. Jahrgang (1975), Heft 6, Seiten 249 bis 252 wird auf ein Gaskonzentrationsgerät verwiesen, bei dem eine Laserlichtquelle über die Breite einer Rotationslinie des nachzuweisenden Gases abstimmbar ist Dabei erfolgt eine Transmissionsmessung bei mehreren diskreten Wellenlängen im Bereich der AbsorptionslLnie. Aus den verschiedenen Einzelsignalen wird ein Meßsignal für die Gaskonzentration gebildet, das weitgehend frei von Störungen durch andere Gase ist. Zur Abtastung der

jo kotationslinie wird vorgeschlagen, die Verstimmung eines Halbleiterinjektionslasers durch die Erwärmung während eines Speisestromimpulses auszunutzen.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, den Einfluß einer Druckverbreiterung der Absorptionslinie auf das

j5 Meßergebnis zu beseitigen.

Erfindungsgemäß gelingt dies mit den im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Im folgenden werden der Aufbau und die Wirkungsweise zweier Ausführungsformen des Geräts anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Prinzipschema einer ersten Ausführungsform mit einem Strahlenweg,

Fig.2 ein Zeitdiagramm der Ausgangssignale des Strahlungsempfängers im Gerät der F i g. 1,

F i g. 3 das Prinzipschema einer zweiten Ausführungsform mit zwei Strahlenwegen und Fig.4 ein Zeitdiagramm der Ausgangssignale des

Strahlungsempfängers im Gerät der F i g. 3.

In den Figuren der Zeichnung sind für übereinstimmende Teile und Einzelheiten die gleichen Bezugszeichen verwendet. Bei dem Ausführungsbeispiel der F i g. 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 Kühlvorrichtung ist nicht dargestellt. Während jedes

bo Impulses steigt die Frequenz des ausgestrahlten Laserlichtes näherungsweise zeitlinear an und überstreicht dabei einen Frequenzbereich, in dem der Spektralbereich der Absorptionslinie der zu messenden Gaskomponente enthalten ist. Das zu analysierende, die

b5 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

Festkörperdetektor, 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 Zeitintervalls, 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 v.

Das während der Referenzzeit durch Integration gewonnene Signal wird in der Integrier- und Halteschaltung 8 des Kanals 10 (»Referenzzeitkanal«) und das während der Meßzeit durch Integration gebildete Signal in der Integrier- und Halteschaltung 9 des Kanals U (»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.

Fig.2 zeigt in beispielsweiser Darstellung zwei aufeinanderfolgende Detektorsignale 14 und 15 mit eingegrenzter Referenzzeit 16 und Meßzeit 17. Eine frequenzspezifische Schwächung des Laserstrahls 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 Detektorsignals 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

/f Ja(r)d r = US

I.

wobei

/ = Länge der Meßstrecke (Probengasküvette 4)

c = Konzentration der Meßkomponente

ύφ>) = Absorptionskoeffizient der Meßkomponente

ν = Frequenz

L — Spektralbereich der Absorptionslinie

Das Integral

/«(■·) di

ist eine von der Druckverbreiterung der Absorptionslinie praktisch unabhängige konstante Größe, die als Linienstärke 5 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. Über einen Anschluß 21 des Operationsverstärkers kann noch ein Nullpunktabgleich vorgenommen werden.

Das Ausführungsbeispiel der F i g. 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 Strahlenwege vor dem Strahlungsempfänger 5 wieder in einem Strahlungsweg 27 zu vereinigen.

ίο 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 ... (F i g. 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 !0 und während der Meßzeit 17 durch die Integrier- und Halteschaltung 9 des Meßzeitkanals 11 über die Steuerleitungen 12 und 13. In Abhängigkeit von der Stellung der Blende über die Leitung 32 gesteuerte phasenabhängige Gleichrichter 33 und 34 führen in jedem Kanal eine Differenzbildung der in 8 und 9 gespeicherten Referenz- und Meßsignalanteile herbei. Das dem Anzeigegerät 20 zugeführte Ausgangssignal des Analysators ergibt sich durch nochmalige Differenz-

iii bildung der in den Kanälen anstehenden Differenzwerte, die hier ohne Operationsverstärker vorgenommen ist.

Der Unterschied des Ausführungsbeispiels der F i g. 3 gegenüber dem Ausführungsbeispiel der F i g. 1 besteht

j-, demnach im wesentlichen darin, daß noch ein Referenzstrahlenweg vorgesehen ist, wobei eine mechanische Einrichtung die für den Strahlungsdetektor notwendige zeitliche Trennung der Strahlungsimpulse im Meß- und Referenzstrahlenweg bewirkt

Wird die Messung dadurch gestört, daß im Meßgas ein interferierendes Begleitgas vorhanden ist so wird man i. a. den Meßfrequenzbereich so wählen, daß er eine ausgewählte Absorptionslinie (Rotationslinie einer bestimmten Laufzahl m) überstreicht die weit genug

4-) 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 (zumindest in dem in Frage

">o 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, ζ. B. in der offenen

to Atmosphäre erwünscht, so kann diese durch optische Mittel wie Umlenkspiegel und Reflektoren realisiert werden. Die Laufzeitdifferenzen der Laserimpulse im Meß- und Referenzstrahlenweg können dann eine zeitliche Aufteilung der Strahlungsimpulse bewirken,

tv-, durch die eine rotierende Blende entbehrlich wird. In diesem Fall wird der Referenz- und Meßstrahlenweg jeweils mit demselben Laserimpuls erfaßt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Gerät zur Bestimmung der Konzentration eines Bestandteils einer Gasprobe mit

a) einem abstimmbaren Laser zur Beaufschlagung der Gasprobe mit Strahlung einer Frequenz im Bereich einer Absorptionslinie des Bestandteils,

b) einem fotoelektrischen Wandler zur Erzeugung eines der Intensität der transmittierten Strahlung entsprechenden Ausgangssignals,

c) einer an den fotoelektrischen Wandler angeschlossenen und ein Logarithmiernetzwerk sowie eine Integrier- und Halteschaltung aufweisenden Auswerteschaltung zur Erzeugung eines der Konzentration des Bestandteils entsprechenden Meßsignals, sowie

d) einer Steuerschaltung zur periodischen Durchstimmung der Frequenz des Lasers Ober ein die Absorptionslinie des Bestandteils enthaltendes Frequenzband und zur Synchronisierung der Auswerteschaltung mit der Durchstimmung,

dadurch gekennzeichnet, daß

e) das Logarithmiernetzwerk (7) an den fotoelektrischen Wandler (S) angeschlossen ist,

f) die Integrier- und Halteschaltung zwei getrennte Integrier- und Halteschaltkreise (8, 9) aufweist, von denen der eine für einen die Absorptionslinie nicht erfassenden Teil und der andere für einen die Absorptionslinie erfassenden Teil der Durchstimmperiode mittels der Steuerschaltung (3) zum Empfang des Ausgangssignals des Logarithmiernetzwerks (7) aktivierbar ist, und

g) eine Differenzschaltung (19) zur Subtraktion der in den beiden Integrier- und Halteschaltkreisen (8,9) gespeicherten Signalwerte vorgesehen ist.