DE2650350A1 - GAS CUVETTE FOR ANALYSIS DEVICE - Google Patents
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Description
Drägerwerk Aktiengesellschaft 2400 Lübeck, Moislinger Allee 53-55Drägerwerk Aktiengesellschaft 2400 Lübeck, Moislinger Allee 53-55
Die Erfindung betrifft eine Gasküvette für Analysengerät mit durch Reflexion abgelenktem Strahlenweg.The invention relates to a gas cell for an analyzer with a beam path deflected by reflection.
Die Analyse von Gasen, deren Mischbestandteile im sichtbaren oder infraroten Spektralbereich eine Absorptionsbande besitzen, kann mittels durch das Gas geleiteter elektromagnetischer Strahlung, deren Schwächungsgrad ein Maß für die Konzentration 1st, vorgenommen werden. Dabei wird die Lage und Bandbreite der Strahlung möglichst genau der Lage und Breite der Absorptionsbreite des zu messenden Gases angepaßt.The analysis of gases whose mixed components have an absorption band in the visible or infrared spectral range can, by means of electromagnetic radiation conducted through the gas, their degree of attenuation a measure of the concentration 1st, can be made. The location and range of the Radiation as precisely as possible to the position and width of the absorption width adapted to the gas to be measured.
Bei diesem Meßverfahren wird das zu untersuchende Gas in eine als Meßkammer oder durchstrahlbare Küvette ausgebildete optische Anordnung eingeleitet. Der durchstrahlte Absorptionsweg, der Strahlenweg, muß in dem jeweiligen Gas eine genau definierte Länge haben.In this measuring process, the gas to be examined is placed in a cuvette that can be used as a measuring chamber or irradiated formed optical arrangement initiated. The irradiated absorption path, the radiation path, must be in that each gas have a precisely defined length.
Es ist eine durchstrahlbare Meßzelle in einem Gerät zur Bestimmung des Anteils einer organischen Verbindung, z.B. Alkohol, in einem Gasgemisch bekannt, in der die zu untersuchende Gasprobe in den StrahlenwegIt is a radiolucent measuring cell in a device for determining the proportion of an organic compound, e.g. alcohol, known in a gas mixture, in which the gas sample to be examined enters the beam path
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zwischen einer infraroten Strahlungsquelle und einem Empfänger eingebracht wird. Um bei kleiner Baugröße einen langen Strahlenweg unterzubringen, sind innerhalb der Meßzelle sphärische Hohlspiegel angeordnet. Durch Reflexion des infraroten Strahlenbündels an diesen Hohlspiegeln wird ein mehrfach in sich gefalteter Strahlenweg hervorgerufen. In den Stirnseiten der Meßzelle befindet sich für den Durchgang des ein- bzw. austretenden Strahlenbündels ein Quarzfenster. An einer Längsseite besitzt sie eine Ein- und Auslaßöffnung für die Gasprobe. Um Kondensationen aus der Gasprobe zu vermeiden, ist die Meßzelle mit einer elektrischen Widerstandsheizung und einer WSrmeisolation versehen. Nachteilig bei dieser Meßzelle ist vor allem die empfindliche Justierung der Spiegel, denn die Strahlungsquelle und der Empfänger müssen sehr genau aufeinander ausgerichtet sein. Die Gefahr einer Dejustierung ist groß, insbesondere unter thermischen Vorspannungen durch die Heizung. Daneben ist die Bauweise aufwendig durch den Bedarf an Spiegeln und deren Halterungen. Durch den erforderlichen Abstand zwischen den einzelnen Abschnitten des Strahlenweges ergibt sich ein relativ großes Meßzellenvolumen, was für die Baugröße, die erforderliche Gasprobenmenge und die zum Probenwechsel benötigte Zeit ungünstig ist. (US-PS 37 92 272).is introduced between an infrared radiation source and a receiver. To with small size To accommodate a long beam path, spherical concave mirrors are arranged within the measuring cell. By reflecting the infrared beam on these concave mirrors, a multi-fold one becomes Radiation path caused. In the front sides of the measuring cell there is a exiting ray bundle a quartz window. It has an inlet and outlet opening on one long side for the gas sample. In order to avoid condensation from the gas sample, the measuring cell is equipped with an electrical Resistance heating and thermal insulation Mistake. The main disadvantage of this measuring cell is the sensitive adjustment of the mirror, because the The radiation source and the receiver must be very precisely aligned with one another. The risk of misalignment is large, especially under thermal preloads from heating. Next to it is the construction expensive due to the need for mirrors and their brackets. By the required distance between the individual sections of the beam path results in a relatively large measuring cell volume, which for the Size, the required amount of gas sample and the time required to change the sample is unfavorable. (U.S. Patent 3,792,272).
Nach einem bekannten Verfahren zur gleichzeitigen Analyse verschiedener Bestandteile eines Mischgases mittels der Absorption von in das Mischgas eingestrahltem Licht wird dieses aufeinanderfolgenden Interferenzfilterungen unterworfen. Dabei wird jeweils ein Im Absorptionsbereich des nachzuweisenden Gasbestandteils liegender Anteil des eingestrahlten Lichtes nach Durch-According to a known method for the simultaneous analysis of different components of a mixed gas by means of the absorption of light radiated into the mixed gas, this successive interference filtering subject. In each case, one is located in the absorption range of the gas component to be detected Proportion of the irradiated light according to
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laufen einer für dieses bestimmten optischen Weglänge aus dem Mischgas herausfiltriert. Der verbleibende Rest des eingestrahlten Lichtes wird unter einer von der jeweiligen Austrittsrichtung des herausfiltrierten Anteils abweichenden Richtung in das Misehgas reflektiert* und der nächsten Interferenzfilterung zugeführt. Durch die Richfeungsänderungen ergibt sich ein zickzackförmiger oder in Gestalt eines Vielecks verlaufender Lichtweg. Der Behälter, in dem das zu messende Gas auf dem jeweils abgeknickten Lichtweg geführt wird, besitzt eine entsprechend sperrige Form mit einem entsprechenden Raumbedarf. Schwierig ist in derartigen Anordnungen die Justierung der Spiegel, da alle Spiegel, die Strahlungsquelle und der Empfänger sehr genau ausgerichtet sein müssen. Das Volumen der Küvette läßt sich bei solchen Mehrfachspiegelungen nur unter Einbußen an Lichtstärke verringern. Eine Beheizung, die z.B. bei der Untersuchung von Atemgasen "^ur Vermeidung der Kondensation notwendig sein kann, läßt eine Dejustierung aufgrund thermischer Spannungen befürchten. (DT-AS 22 11 835)run a certain optical path length for this filtered out of the mixed gas. The remaining one The rest of the incident light is under one of the respective exit direction of the filtered out Proportionately different direction reflected in the miseh gas * and fed to the next interference filtering. The changes in direction result in a zigzag or in the shape of a polygon Light path. The container in which the gas to be measured is guided along the respective bent light path is, has a correspondingly bulky shape with a corresponding space requirement. Is difficult in such arrangements the adjustment of the mirror, since all mirrors, the radiation source and the Receivers must be very precisely aligned. That With such multiple reflections, the volume of the cuvette can only be reduced with a loss of light intensity. A heating, e.g. when examining respiratory gases, to avoid condensation may be necessary, leaves a misalignment due fear of thermal stress. (DT-AS 22 11 835)
Die Aufgabe der Erfindung liegt in einer Gasküvette für ein Analysengerät mit einem langen Strahlenweg bei einem kleinen Analysengasvolumen und einer äußeren Form, mit der die Abmessungen des Analysengerätes klein gehalten werden Können.The object of the invention is a gas cell for an analysis device with a long beam path with a small analysis gas volume and an external one Shape with which the dimensions of the analyzer can be kept small.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein mit Krümmungen versehenes Küvettenrohr mit kleinem Durchmesser an seiner Innenwand als Reflektorschicht ausgebildet ist. According to the invention, this object is achieved by that a cuvette tube provided with bends and having a small diameter is formed on its inner wall as a reflector layer.
Die mit dieser Erfindung erzielten Vorteile beste-The advantages achieved with this invention best-
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hen insbesondere.,darin, daß sowohl das zu analysierende Gas als auch die Strahlung in Längsachse durch das Küvettenrohr geleitet werden. Durch die durchgehende Reflektorschicht in der Innenwandung, also mit einem durchlaufenden Spiegel, entfällt die Abhängigkeit der Strahlenablenkung von genau justierten Einzelreflektoren. Das Küvettenrohr kann beliebig gekrümmt sein, der Strahlenweg wird immer von der Strahlungsquelle bis zum Verschluß am Rohrende, also einem Fenster, einer Linse oder einem Detektor, .,führen;»hen in particular., in the fact that both the Gas as well as the radiation are passed through the cuvette tube in the longitudinal axis. Through the continuous There is no dependency on the reflector layer in the inner wall, i.e. with a continuous mirror the deflection of rays from precisely adjusted individual reflectors. The cuvette tube can be curved in any way, the beam path is always from the radiation source to the closure at the end of the pipe, i.e. a window, a lens or a detector,., lead; "
Durch die beliebige Krümmung ist eine Anpassung an vorhandene Dimensionen innerhalb des Analysengerätes möglich. Auch bei einem notwendigen langen Strahlenweg bleiben die äußeren Längenabmessungen klein. Der Durchmesser des Küvettenrohres kann klein gewählt werden, so daß das Gasvolumen entsprechend klein bleibt. Die Justierung der Strahlungsquelle und des Detektors ist unkritisch, zumal die aktiven Flächen dieser Elemente passend zum Küvettenrohrdurchmesser gewählt, ,werden können.The arbitrary curvature allows adaptation to existing dimensions within the analyzer possible. Even with a necessary long beam path, the outer length dimensions remain small. Of the The diameter of the cuvette tube can be selected to be small, so that the gas volume is correspondingly small remain. The adjustment of the radiation source and the detector is not critical, especially since the active surfaces These elements can be selected to match the diameter of the cuvette tube.
In Ausbildung der Erfindung besteht das Kuvettenro.hr aus einem elektrischen Isolator und ist die Reflektorschicht ein Metallfilm. Die Reflektorschicht ist um die Küvettenenden nach außen geführt. Die Küvettenenden bilden die Kontakte für einen elektrischen Anschluß. In an embodiment of the invention, there is the Kuvettenro.hr consists of an electrical insulator and the reflector layer is a metal film. The reflector layer is around the cuvette ends to the outside. The cuvette ends form the contacts for an electrical connection.
Mit dieser Lösung kann in vorteilhaft einfacher: Weise die Reflektorschicht gleichzeitig als Heizelement benutzt werden, mit der im Innern des Küvettenrohres eine Kondensation aus dem Analysengas vermieden wird. Mit der durchlaufenden Reflektorschicht ist auch beiThis solution can be advantageously used in a simpler way the reflector layer can be used as a heating element at the same time, with the one inside the cuvette tube condensation from the analysis gas is avoided. With the continuous reflector layer is also at
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der Erwärmung keine Dejustierung aufgrund thermischer Verspannungen zu befürchten, zumal die Wärme nun direkt auf der inneren Rohroberfläche zugeführt wird, so daß das Rohr weniger als bei Beheizung von außen erwärmt werden muß.the heating no misalignment due to thermal To fear tension, especially since the heat is now supplied directly to the inner pipe surface, so that the pipe has to be heated from the outside less than with heating.
In weiterer vorteilhafter Ausbildung ist die Reflektörschicht ein Goldfilm. Mit diesem edlen Metall, das in einer bekannten Reaktion aus einer Goldlösung aufgebracht wird, ist eine sehr gute, dauerhafte Verspiegelung gesichert. The reflective layer is a further advantageous embodiment a gold film. With this noble metal, which is applied in a known reaction from a gold solution a very good, permanent mirror coating is ensured.
Die Kuvettenrohrenden sind durch Fenster, Linsen oder optische Filter verschlossen. Der Verschluß kann auch eine Strahlungslampe oder ein Detektor sein. Damit passen sich die weiteren notwendigen Elemente direkt dem Küvettenrohr an, ohne die Raumbedingungen zu stören.The cuvette tube ends are through windows, lenses or optical filters closed. The shutter can also be a radiation lamp or a detector. So fit the other necessary elements can be attached directly to the cuvette tube without disturbing the room conditions.
In vorteilhafter Ausnutzung der Erfindungsgedanken ist es weiterhin möglich, die erf i.ndungsgemäße Gasküvette auch zur Analyse von Gasgemischen zu verwenden. Dazu sind in den Krümmungen Interferenzfilter angeordnet, deren Durchlaßbereiche jeweils den Absorptionsbanden der zu messenden Gaskbmponenten entsprechen. Die nicht durchgelassenen Strahlen werden zum nächsten Interferenzfilter reflektiert.In advantageous use of the inventive concept it is also possible to use the gas cuvette according to the invention for the analysis of gas mixtures. For this purpose, there are interference filters in the curvatures arranged, the transmission ranges of which correspond to the absorption bands of the gas components to be measured. The beams that are not allowed through are reflected to the next interference filter.
In weiterer Ausbildung der, Erfindung sind in den Krümmungen teildurchlässige Spiegel angebracht. Damit ergeben sich in vorteilhafter Weise die Möglichkeiten, bei Gasgemischen mit den jeweiligen Absorptionskoeffizienten optimal angepaßten Absorptionsstrecken zu arbeiten.In further development of the, invention are in the curvatures partially transparent mirror attached. This advantageously results in the possibilities in the case of gas mixtures with the respective absorption coefficients optimally adapted absorption sections work.
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Bei der Teilung des Strahlenweges in Einzelabschnitte wird die Sicherheit gegen Dejustierungen bedeutungsvoll. Das Gasanalysengerät bleibt damit bei einfacher Bauweise betriebssicher und einfach zu handhaben.When the beam path is divided into individual sections, security against misalignment becomes important. The gas analyzer remains reliable and easy to use with a simple design.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden beschrieben. Es zeigenEmbodiments of the invention are shown in the drawing and are described below. Show it
Fig. 1 eine Gasküvette als Schlinge geformt,Fig. 1 a gas cuvette shaped as a loop,
Fig. 2 eine Gasküvette in Schlangenlinie geformt, 2 shows a gas cuvette shaped in a serpentine line,
Fig. 3 ein Küvettenende,3 shows the end of a cuvette,
Fig. 4 Verschlüsse des Küvettenendes,Fig. 4 closures of the cuvette end,
Fig. 5 Austrittsfenster an einer Küvettenkrümmung. Fig. 5 exit window at a cuvette curvature.
Der wesentliche Teil der Gasküvette 1 ist ein Küvettenrohr 2 aus Quarz mit einem lichten Durchmesser von etwa 6 mm und einer Wandstärke von etwa 1 mm. Die Länge und damit der Strahlenweg beträgt nach dem Beispiel etwa 80 cm. Damit ergibt sich ein inneres Volumen von etwa 23 cm . Das für die Analyse notwendige Gasvolumen ist damit klein.The essential part of the gas cuvette 1 is a cuvette tube 2 made of quartz with a clear diameter of approximately 6 mm and a wall thickness of about 1 mm. The length and thus the beam path is approximately according to the example 80 cm. This results in an internal volume of around 23 cm. The volume of gas necessary for the analysis is so small.
Die Gasküvette 1 ist passend für die Gerätedimensionen, in die sie eingebaut werden muß, gekrümmt. Mögliche Formen zeigen die Fig. 1 und 2, weitere Formen sind möglich. The gas cuvette 1 is curved to match the device dimensions in which it must be installed. Possible forms 1 and 2 show, other shapes are possible.
Die Innenwand des Küvettenrohrendes 2 ist als Reflektor-The inner wall of the cuvette tube end 2 is designed as a reflector
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schicht 3 ausgebildet. Sie ist dazu mittels einer Goldschicht verspiegelt. Die Goldschicht wurde aus einer bekannten Goldlösung über eine Redox-Reaktion aufgebracht. Zur Verdampfung des Lösungsmittels und zur Formierung wurde das Küvettenrohr bei etwa 550 C getempert. layer 3 formed. It is mirrored by means of a gold layer. The gold layer was made from a known gold solution applied via a redox reaction. For evaporation of the solvent and for formation the cuvette tube was tempered at about 550 C.
Die Reflektorschicht 3 ist an den beiden Küvettenenden 4 von innen nach außen geführt und bildet mit den dadurch entstandenen etwa 1 cm langen Belegungen 5 den äußeren Kontakt für den elektrischen Anschluß, wie z. B. über Schellen. Der elektrische Widerstand liegt für die Goldschicht bei etwa 10-CL, der sich für eine Elektroheizung gut eignet. Die Küvettenenden 4 sind durch aufgeklebte Fenster 6 aus einem im interessierenden Spektralbereich durchlässigen Material, wie Quarz, durch Linsen 7 aus solchem Material oder auch durch den Detektor 8 oder eine Strahlungslampe 9 verschlossen. Das Fenster 6 kann auch ein Interferenzfilter sein. Vor den Küvettenenden ist das Küvettenrohr 2 mit Gasöffnungen 10 versehen, durch die das zu analysierende Gas ein- bzw. abgeleitet wird.The reflector layer 3 is guided from the inside to the outside at the two cuvette ends 4 and forms the external contact for the electrical connection, such as, for. B. using clamps. The electrical resistance for the gold layer is around 10-CL, which is well suited for electrical heating. The cuvette ends 4 are closed by glued-on windows 6 made of a material that is permeable in the spectral range of interest, such as quartz, by lenses 7 made of such a material or by the detector 8 or a radiation lamp 9. The window 6 can also be an interference filter. In front of the cuvette ends, the cuvette tube 2 is provided with gas openings 10 through which the gas to be analyzed is introduced or discharged.
In den Rohrkrümmungen kann das Rohr gemäß Fig. 5 auch mit Interferenzfiltern oder teildurchlässigen Spiegeln 11 versehen sein.In the pipe bends, the pipe according to FIG. 5 can also be equipped with interference filters or partially transparent mirrors 11 be provided.
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tische Kubier erfolgt. TiLte-J
table Kubier takes place.
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