DE2813239C2 - Detektor für einen Zweistrahl-Infrarot-Gasanalysator - Google Patents

Description

dadurch gekennzeichnet, daß dieser Detektor (4) folgende Teile enthält

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— einen Metallblock (4i/ mit zwei konischen Lichteinlässen (411, 412), die einander kreuzen und Infrarot-Strahlung einführen,

— einen Lichtfühler (43), der auf einer Grundplatte des Metallblockes (41) und im Kreuzungsbe- w reich der Lichteinlässe (411,412) vorgesehen ist,

— Interferenzfilter (44, 4ϊ), die vor den Lichteinlässen (411, 412} so liegen, daß sie ungefähr rechtwinklig zu den {-. igeführten Infrarot-Strahlen sind und jeweils die Lichteinlässe (411, 412) verschließen,

— eine Brückenschaltung aus dem Lichtfühler (43), Widerständen (n, n, r₃) und einer Gleichspannungsquelle (E₀) und

— eine Temperaturregeleinrichtung/Signalwand-Iereinrichtung (5) zum Empfangen des Ausgangssignales der Brückenschaltung als Eingangssignal, um über die Gleichspannungskomponente die Temperatur des Metallblockes (41) auf einen konstanten Wert zu regeln und um « über einen Kondensator (Q) die Wechselstromkomponente als Eingangssignal der Anzeigeeinheit als Maß für die Konzentration der zu bestimmenden Komponente zuzuführen.

Die Erfindung betrifft einen Detektor für einen Z'veistrahl-Infrarot-Gasanalysator nach dem Oberbegriff des Patentanspruches. Ein solcher Detektor dient zur Bestimmung der Konzentration der Komponenten eines Gases unter Ausnutzung der Absorption von Infrarotstrahlung mittels eines infrarotempfindlichen Halbleiterelements als Lichtfühler sowie eines mehrla- ^⁰ gigen Interferenzfilters.

Bei bisherigen Infrarot-Gasanalysatoren ist üblicherweise ein mehrlagiges Interferenzfilter praktisch neben einer Bezugs- und einer Probenzelle angeordnet, wobei seine Abmessungen entsprechend der Fläche eines jeweils in den Zellen ausgebildeten Fensters zum Durchlassen einer ausreichend großen Infrarotstrahlungsmenge gewählt sind. Da das mehrlagige Interferenzfilter zudem einen bestimmten Temperaturkoeffizienten besitzt, muß es zur Bildung eines Infrarot-Gasanalysators von hoher Empfindlichkeit auf einer festgelegten Temperatur gehalten werden, wozu geeignete Einrichtungen erforderlich sind. Weiterhin muß auch das die Infrarotstrahlung messende Halbleiterelement im Betrieb vom Einfluß von Umgebungstemperaturschwankungen freigehalten werden, wtJialb entsprechende Einrichtungen vorgesehen sind, welche die Temperatur des Halbieiterelements konstant halten. Diese bisherigen Infrarot-Gasanalysatoren sind daher mit den folgenden Nachteilen bzw. Mängeln behaftet:

1. Der Einfluß von Umgebungstemperaturschwankungen wird durch eine Temperaturregeleinrichtung sowohl für das mehrlagige Interferenzfilter als auch für das Infrarotmeß-Halbleiterelement oder durch Unterbringen dieser beiden Bauteile in einem thermostatisch geregelten Ofen vermieden. Hierdurch erhält der Infrarot-Gasanalysator unvermeidlich einen komplizierten und teuren Aufbau.

2. Da das mehrlagige Interferenzfilter große Abmessungen praktisch entsprechend der Fläche eines in der betreffenden Zelle ausgebildeten Fensters besitzt, ist seine Wärmekapazität groß, woraus sich eine schwierige Temperaturregelung ergibt.

Aus der US-PS 38 60 344 ist ein Infrarot-Analysator für mehrere Gaskomponenten bekannt Dieser Analysator hat eine temperaturgeregelte Detektorkammer, die eine Mehrzahl von einzelnen Detektoren und diesen Detektoren jeweils zugeordnete Bauelemente enthält. Von einer Infrarot-Strahlungsquelle ausgehend wird das Infrarotlicht zunächst durch eine Probenzelle gestrahlt. Anschließend wird das die Probenzelle verlassende Licht durch eine rotierende Filteranordnung gestrahlt, die aufeinanderfolgend unterschiedliche Filter in den Strahlengang des Lichtes bringt vnd deren Temperatur durch die Temperaturregelung der Detektorkammer bestimmt ist. Hinter der rotierenden Filteranordnung sind nebeneinander mehrere Infrarot-Detektoren angeordnet. Diese weisen jeweils eine einzige Lichteinlaßöffnung auf, die durch ein optisches Filter verschlossen und hinter der eine Linse angeordnet ist, die das einfallende Licht auf einen Lichtfühler bündelt. Außerdem ist jedem Detektor, der entsprechend dem vor seiner Lichteinlaßöffnung angeordneten optischen Filter eine spezielle Lichtkomponente anzeigt, ein eigener Temperaturfühler zur Temperaturregelung zugeordnet. Dieser bekannte Analysator hat also zwei voneinander unabhängige Temperaturregelungen für die Detektorkammer und für jeden einzelnen Detektor, so daß sein Aufbau insgesamt aufwendig und kompliziert ist.

Aus ISA-Journal, VoI. 5, Nr. 9 (1958), Seiten 85 bis 89, ist ein Infrarot-Gasanalysator bekannt, bei dem zeitlich nacheinander einem Detektor mit einem einzigen Lichtfühler Lichtstrahlen über eine Probenzelle bzw. eine Vergleichszelle zugeführt werden. Ein Temperaturfühler zur Temperatureinstellung ist bei diesem Gasanalysator aber nicht vorgesehen.

Schließlich ist aus der DE-OS 14 64 443 noch ein optischer Empfänger bekannt, bei dem einem Detektor Infrarotstrahlung über einen konusförmigen Kanal zugeführt wird, um so eine möglichst hohe Empfindlichkeit zu erreichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Detektor zur Verwendung bei einem Infrarot-Gasanalysator zu schaffen, bei dem eine

einfache Temperaturregelung sowohl des Lichtfühlers als auch eines mehrlagigen Interferenzfilters möglich ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Detektor nach dem Oberbegriff des Patentanspruches erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnendem Teil enthaltenden Merkmale gelöst.

Bei der Erfindung dient der im Kreuzungspunkt der Lichteinlässe vorgesehene Lichtfühler sowohl als Temperaturfühler als auch als eigentliche Meßeinrichtung zur Erzeugung eines Signales als Maß für die Konzentration der zu bestimmenden Probe. Für die Interferenzfilter ist kein gesonderter Temperaturfühler erforderlich, so daß die Temperaturregelung einfach ist.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines mit einem Detektor ausgestatteten Infrarot-Gasanalysators,

F i g. 2 eine Schnittansicht zur Veranschaulichung des Aufbaus des Detektors,

F i g. 3 eine Aufsicht auf den Detektor gemäß F i g. 2,

F i g. 4 ein Schaltbild einer Signaiwandler/Temperaturregel-Einheit und

F i g. 5 eine weitere Ausführungsform des Detektors.

In Fig. 1 ist ein mit einem Detektor versehener Infrarot-Gasanalysator dargestellt. Der Detektor selbst ist dabei in den Fig.2 und 3 näher veranschaulicht. Gemäß F i g. 1 weist der Gasanalysator einen Infrarotstrahler 1 und eine mit einem Probengas gefüllte Probenzelle 2 auf, die einen Einlaß 23 und einen Auslaß 24 zum Einleiten und Auslassen des Probengases hat. Eine mit reinem, gasförmigem Stickstoff gefüllte Bezugszelle 3 ist mit Fenstern 31, 32 zum Durchlassen von Infrarotstrahlung versehen. Der Gasanalysator gemäß F i g. 1 ist nämlich für die Bestimmung von gleichzeitig mit Stickstoff auftretenden Komponenten ausgelegt. Weiterhin sind ein Detektor 4 und ein Signalwandler Temperaturregler 5 vorgesehen. Der Detektor 4 befindet sich in der Nähe des Brennpunkts eines konkaven Reflexionsspiegel 7, so daß er intermittierend die durch die Bezugszelle 3 und die Probenzelle 2 hindurchgetretenen Lichtstrahlen aufnimmt. Das intermittierende Licht wird dadurch erzeugt, daß das vom infrarotstrahler 1 emittierte Licht zunächst durch einen konkaven Reflexionsspiegel 6 zu parallelen Strahlen geformt wird, die dann durch einen von einem Motor 9 in Drehung versetzten Unterbrecher 8 unterbrochen werd^'i.

Im folgenden sind der Detektor 4 und der Signalwandl-r/Temperaturregler 5 anhand der Fig. 2 bis 4 näher erläutert.

Die Fig. 2 und 3 zeigen den Detektor 4 im Schnitt bzw. in Aufsicht. Bei der dargestellten Ausführungsform weist ein Metallblock 41 einen konischen Meßlichteinlaß 411 und einen konischen Bezugslichteinlaß 412 auf, über welche das Meßlicht bzw. das Bezugslicht einfallen kann. Am Schnittpunkt der Lichteinlässe 4i 1,412 ist im Metallblock 41 eine einen Lichtfühler 43 aufnehmende Bohrung 413 vorgesehen, während in die Außenfläche des Metallblocks 41 eine Ringnut 414 eingestochen ist. In die Bohrung 413 des Metallblocks 41 ist eine Grundplatte 42 unter Befestigung eingesetzt, an der ein Lichtfülller- oder -meßelement 43, etwa ein Thermistor-Bolometer, befestigt iu. Eine Zuleitung 431 verbindet dieses Meßelement 43 rr.it dem Signalwandler/Temperaturregler 5. Am Metallblock 41 sind zwei mehrlagige Interferenzfilter 44 und 45 so angebracht, daß sie den Meßlichteinlaß 411 bzw. den Bezugslichteinlaß 412 verschließen und dabei dem einfallenden Licht unmittelbar zugewandt sind. Der von den lichteinlässen 411,412 und der Bohrung 413 gebildete Raum ist vollständig luftdicht verschlossen und mit gasförmigem Stickstoff (N₂) gefüllt In die Ringnut 414 ist ein Heizelement 46 zum Erwärmen des Metallblocks 41 eingesetzt, wobei das Ausgangssigna] des Reglers 5 über eine Zuleitung 461 dem Heizelement 46 zuführbar ist Der gesamte

ίο Metallblock 41 ist von einem Uberzugselement 47 aus z. B. Bakelitharz umschlossen und auf diese Weise gegenüber äußeren Temperatureinflüssen abgeschirmt Für die Lichteinlässe 411 und 412 sind Fenster 471 bzw. 472 vorgesehen.

In dem in Fig.4 dargestellten Schaltungsaufbau des Signalwandler/Temperaturreglers 5 ist das mit /v bezeichnete Thermistor-Bolometer 43 (Thermoumwandler) als Widerstandselement dargestellt, das zusammen mit anderen, temperatuTtabilen Wider-Standselementen ri.r2.r3 und einer o'eichspannungsversorgung Eo eine Meßbrückenschaltung bildet, weiche das vom Unterbrecher 8 zerhackte Meßlicht und Bezugslicht empfängt Der Unterschied zwischen der Spannung der Meßbrücke im unabgeglichenen Zustand und einer vorgewählten Bezugsspannung Es wird durch einen rauscharmen Verstärker A 1 mit hoher Eingangsimpedanz verstärkt und einer weiteren Verstärkung durch einen Transistor Q1 unterworfen, dessen Ausgangsstrom das Heizelement 46 (Widerstandselement η) speist Gleichzeitig wird nur die Wechselstromkomponente des Ausgangsstroms über einen Kondensator C1 zu einem Verstärker A 2 geleitet, an dessen Ausgangsklemme ein Meßsignal entsprechend der Konzentration der zu bestimmenden Komponente

Vi geliefert wird.

Der Detektor für den Infrarot-Gasanalysator mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau arbeitet wie folgt: Das vom Infrarotstrahler 1 emir.ierte Licht wird durch den Unterbrecher 8 zerhackt und abwechselnd durch

■»o die Probenzelle 2 und die Bezugszelle 3 übertragen. Das intermittierende Licht wird dann vom konkaven Spiegel 7 gebündelt und in den Detektor 4 gelenkt, wobei es senkrecht auf die Oberflächen der mehrlagigen Interferenzfilter 44, 45 auftrifft und sodann auf das

■>■> Thermistor-Bolometer 43 fällt. Hierdurch werden im Gegensatz zu einem schrägen Lichteinfall auf die Filteroberfläche(n) ideale Verhältnisse gewährleistet, weil dabei weder eine Minderung der Intensität aufgrund einer Reflexion am mehrlagigen Interferenz-

"ΊΙ filter, noch eine Änderung des Durchlaßbereichs auftritt. Der Wirkungsgrad des Thermistor-Bolometers 43 ist am größten, wenn die Reflexionsfläche des konkaven Spiogeij 7 so ausgebildet ist, daß das Thermistor-Bolometer 43 genau im Brennpunkt des Spiegels 7 liegt.

5·'> Selbst wenn diese Bedingung nicht vollständig erfüllt ist, kann jedoch der Wirkungsgrad dadurch verbessert werden, daß die Lichteinlässe 411, 412 konisch geformt und ihre Oberfläche"! auf hohe Güte bearbeitet sind. Versuche haben gezeigt, daß der tatsächlich erreichte Wirkungsgrad mehr als das Doppelte des bei einer zylindrischen Bohrung erzielten Werts betrpgt.

Der Signalwandler/Temperaturregler 5 arbeitet wie folgt: Der Widerstand rjdes Thermistor-Bolometers 43 wird in Abhängigkeit von dem vom Unterbrecher 8 gelieferten, intermittierenden Licht sowie von der Erwärmungstemperatur des Heizelements 46 bestimmt. Der erste Faktor liefert Wechselstromänderungen kurzer Periode, während der letztere Faktor Gleich-

Stromänderungen ergibt, welche aufgrund einer großen Zeitkonstante des Heizelements langsam sind. Das Ausgangssignal der aus den Widerstandselementen rd, rl, rZ, r3 und der Stromversorgung Eo gebildeten Meßbrückenschaltung wird daher durch die Gleichspannungskomponente und die dieser überlagerte Wechselstromkomponente gebildet. Die Gleichspannungskomponente ist ein Signal, welches die Temperatur des Thermistor-Bolometers 43 angibt, und die Wechselstromkomponente kann als MeBsignal betrachtet werden, welches der im Probengas enthaltenen Komponente entspricht. Das Ausgangssignal der Meßbrücke und ein einstellbares Bezugssignal Es werden an den Differenzverstärker A 1 angelegt, dessen Ausgangssignal durch den Transistor Q\ weiter i> verstärkt wird, um ein Signal zur Speisung des Heizelements 46 zu liefern. Andererseits wird über den \CnnHi*ncalAr /~* X rtiir /4i<» UZpphcelctrnm^ntnnnnpnt^

allein durchgelassen. Diese ist ein Maß für die zu bestimmende Konzentration der Gaskomponente und .?() wird durch den Verstärker A 1 verstärkt. Auch wenn im Heizelement-Speisesignal die Wechselstromkomponente enthalten ist, hat dies praktisch keinen schädlichen Einfluß auf die Regelung, weil das Heizelement 46 eine große Zeitkonstante besitzt und das Thermistor-Bolometer 43 daher auf einer Temperatur entsprechend der Vorwählspannung Es gehalten werden kann. Da der Regler 5 die Temperatur des Metallblocks 41 des Detektors 4 regelt, werden ersichtlicherweise das Thermistor-Bolometer 43 und die in den Metallblock 41 eingebauten mehrlagigen Interferenzfilter 44, 45 auf gleicher Temperatur gehalten.

In Fig.5 ist eine abgewandelte Ausführungsform dargestellt, bei welcher den Teilen von Fig.2 entsprechende Teile mit denselben Bezugsziffern wie J5 dort bezeichnet und daher nicht näher erläutert sind. Der Unterschied zwischen den beiden A;;sführungsformen nach Fig.2 und Fig.5 besteht im Schaltungsauf- ^: bau einer Temperaturreglereinheit für den Metallblock 41 des Detektors 4. Gemäß Fig.5 ist ein Temperaturfühler- oder -meßelement 43' in einen Teil des Metallblocks 41 eingesetzt, und ein Temperaturregler ^:y 52 ist getrennt von einem Signalwandler 51 angeordnet. ■ Bei dieser Konstruktion können für den Signalwandler -:| 51 und den Temperaturregler 52 an sich bekannte Vi Schaltkreise verwendet werden.

Das Lichtmeßelement kann auch eine photoleitende Zelle, etwa eine TIS-, PbS-, CdS- o. dgl. Zelle, sein, wobei die Anordnung so abgewandelt sein kann, daß dieses Element gekühlt wird. Eine zur Verfügung stehende Kühleinrichtung ist ein mit einem Peltiereffekt-Element ausgerüsteter Tieftemperaturstabilisator.

Heiin beschriebener! Detektor werden die Tem**er2-türen der mehrlagigen Interferenzfilter und eines in einen Metallblock eingebauten Infrarotmeß-Halbleiterelements durch Einstellung des Metallblocks auf eine feste Temperatur geregelt. Aus diesem Grund genügt eine einzige Temperaturregelanlage den Anforderungen, wodurch der Aufbau des Analysator* vereinfacht wird. Da zudem die mehrlagigen Interferenzfilter an den Lichteinlaßöffnungen im Metallblock angeordnet sind, kann c'-ir Detektor kompakter ausgebildet werden, wie wenn die Filter in der Nähe von Fenstern für eine Probenzelle und eine Bezugszelle angebracht sind. Durch den erfindungsgemäßen Detektor wird also die Wärmekapazität verringert und dadurch die Temperaturregelung vereinfacht. Darüber hinaus ergeben sich durch Miniaturisierung der mehrlagigen Interferenzfilter wirtschaftliche Vorteile. ^;

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Detektor für einen Zweistrahl-Infrarot-Gasanalysator bestehend aus

   — einem Lichlfühler. der in einem blockförmigen Gehäuse angebracht ist,

   — einem vor dem Lichtfühler angeordneten Lichteinlaß, der durch ein optisches Filter abgeschlossen ist, ·ο

   — einer Temperaturregeleinheit zur Aufrechterhaltung einer konstanten Temperatur am blockförmigen Gehäuse,

   — einer Einheit zur elektronischen Aufbereitung der vom Lichtfühler kommenden Signale zur Erzeugung eines Ausgangssignals, welches ein MaB ist für die Konzentration der zu bestimmenden Gaskomponente, und

   — eine"· Anzeigeeinheit zum Anzeigen der Konzentration der zu bestimmenden Gaskomponente,