DE2833831A1

DE2833831A1 - Optoakustischer analysator

Info

Publication number: DE2833831A1
Application number: DE19782833831
Authority: DE
Inventors: Atsushi Horiba
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 1977-08-26
Filing date: 1978-08-02
Publication date: 1979-03-08
Also published as: JPS5436778A; DE2833831C2; US4253770A; JPS577380B2

Description

HORIBA, LTD., Kyoto / Japan

Optoakustischer Analysator

Die Erfindung betrifft einen optoakustischen Analysator, der mit Laserlicht arbeitet.

Bisher wurde im typischen Fall ein erhitzter Nichromdraht als Lichtquelle für die Infrarotabsorptionsanalyse verwandt. In der letzten Zeit haben jedoch Laseroszillatoren als leistungsfähige Lichtquellen zum Messen von Stoffen mit extrem niedriger Konzentration Beachtung gefunden, da das Laserlicht stark monochromatisch ist, Laseroszillatoren eine hohe Ausgangsleistung haben und eine gute Richtwirkung zeigen.

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Bei einer bekannten Analysevorrichtung, die mit Laserlicht arbeitet, geht das von einem Gaslaserresonator ausgesandte Laserlicht durch eine Messkammer und eine Vergleichskammer eines als Differentialmesszelle ausgebildeten lichtdurchlässigen optoakustischen Detektors. Dieser Detektor benötigt jedoch Laserlicht mit hoher Energie, da das vom Resonator ausgesandte Licht beim Durchgang in seiner Energie gedämpft wird. Darüberhinaus bleibt die Genauigkeit der Messung hinter den Anforderungen zurück, da die Lichtabsorption durch die Fenster der Differentialmesszelle zu Fehlern führt.

Bei einer weiteren bekannten Analysevorrichtung dieser Art befindet sich eine Messzelle in einem Gaslaserresonator, während der Detektor ausserhalb des Resonators angeordnet ist. Bei dieser Ausbildung kann-der Fehler aufgrund der Absorption des Lichtes durch das Fenster der Messzelle zwar vernachlässigt werden, diese Vorrichtung ist jedoch nicht in Form einer Differentialmesszelle ausgebildet, so dass der nachteilige Einfluss von irgendwelchen Heramungsstoffanteilen niedriger Konzentration im Messgas schwierig auszuschalten ist. Dazu war eine kompliziertes Doppelstrahlsystem erforderlich. Verglichen mit der Lichtmenge im Resonator beträgt darüberhinaus das den Detektor über einen Spiegel erreichende Licht lediglich einige Prozent dieser Lichtmenge, was zu einer stark herabgesetzten Empfindlichkeit führt.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, einen Analysator zu liefern, der eine stabile und genaue Messung von Stoffen mit extrem niedriger Konzentration, beispielsweise von Verunreinigungsstoffen in der Luft, bestimmten Bestandteilen eines festen Stoffes usw. liefern kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch einen optoakustischen Analysator gelöst, bei dem sich die Messkammer und die Vergleichskammer eines in Form einer Differentialmesszelle ausgebildeten, lichtdurchlässigen optoakustischen Detektors in

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einen Gaslaserresonator mit einer Laserentladeröhre und zwei Resonanzspiegeln befinden.

Bei dem erfindungsgemässen Analysator sind sowohl die Messkammer als auch die Vergleichskammer im Resonator aufgenommen, so dass das Laserlicht, das durch diese Kammern geht, nicht gedämpft wird und somit der erfindungsgemässe Analysator eine hohe Empfindlichkeit hat, ohne daß Laserlicht mit hoher Energie verwandt werden muss. Dadurch, dass die Kammern im Resonator vorgesehen sind, ergibt sich weiterhin eine höhere Messgenauigkeit, da keine Fehler aufgrund der Energieabsorption durch die Fenster auftreten. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass bei dem erfindungsgemässen Analysator der Detektor in Form einer Differentialmesszelle ausgebildet ist, so dass der nachteilige Einfluss von Hemmstoffanteilen niedriger Konzentration in der Probe wirksam ausgeschlossen werden kann. Wenn weiterhin ein bestimmter Anteil einer Gasprobe analysiert werden soll, indem die Gasprobe mit einem Basisgas verdünnt wird, und die Gasprobe in die Messkammer dicht eingeschlossen wird, während in der Vergleichskammer nur das Basisgas dicht eingeschlossen wird, ist die durch das Basisgas absorbierte Energiemenge in beiden Kammern gleich gross, so dass als Messwert die Menge der Probesubstanz erhalten werden kann, die genau der absorbierten Energie entspricht. Messfehler aufgrund von Hemmstoffanteilen können dadurch ausgeschlossen werden, dass in der Vergleichskammer dasjenige Gas eingeschlossen wird, das dadurch erhalten wird, dass aus der Probe nit Hilfe eines Absorptionsrohres,eines Verbrennungsrohres usw. der Anteil entfernt wird, auf den die Messung gerichtet ist.

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert:

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Fig. 1 zeigen schematische Darstellungen von herkömmlichen Analysevorrichtungen.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Analysators.

Fig. 4 zeigt in einer grafischen Darstellung die Ergebnisse von Versuchen unter Verwendung einer herkömmlichen Analysevorrichtung und unter Verwendung eines Ausführungsbeispiels des-erfindungsgemässen Analysators.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Analysators.

Fig. 6 zeigen den wesentlichen Teil eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemässen Analysators,

In den Fig. 1 und 2 sind Analysevorrichtungen herkömmlicher Art dargestellt, die Laseroszillatoren als Lichtquelle verwenden. Bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung geht das von einem Gaslaserresonator 1 aüsgesandte Laserlicht durch eine Messkammer 2 und eine Vergleichskammer 3 eines in Form einer Differentialmesszelle ausgebildeten, lichtdurchlässigen und optoakustischen Detektors. Ein derartiger Detektor benötigt jedoch Laserlicht mit hoher Energie, da das vom Resonator 1 ausgesandte Licht beim Durchgang in seiner Energie gedämpft wird. Weiterhin bleibt die Messgenauigkeit hinter den Erfordernissen zurück, da die Absorption des Lichtes durch die Fenster 4 und 5 zu einem Fehler führt. Bei der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung befindet sich eine Messzelle 6 im Gaslaserresonator 7, während ein Detektor 8 ausserhalb des Resonators 7 angeordnet ist. Bei einem derartigen Aufbau kann zwar der Fehler aufgrund des Fensters 9 vernachlässigt werden, diese Vorrichtung ist jedoch nicht in Form einer Differentialmesszelle ausgebildet, so dass der nachteilige Einfluss von Hemmstoffanteilen niedriger Konzentration in

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der Gasprobe schwierig zu beseitigen ist. Eine Messzelle dieser Art benötigt ein kompliziertes Doppelstrahlsystem. Verglichen mit der Lichtmenge, die im Resonator vorhanden ist, beträgt darüberhinaus das Licht, das den Detektor 8 durch einen Spiegel 10 erreicht, nur wenige Prozent des im Resonator vorhandenen Lichtes, was zu einer stark herabgesetzten Empfindlichkeit führt.

In Fig. 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Analysators, d.h. ein optoakustischer Analysator zum Messen einer niedrigen Konzentration von Methan CH. in einer Gasprobe, beispielsweise in der Umgebungsluft dargestellt. In einem Gaslaserresonator 11 sind eine Laserentladungsröhre 12, die mit einem Heliumneongas gefüllt ist und zwei Resonanzspiegel 13 aufgenommen. Ein in Form einer Differentialmesszelle ausgebildeter lichtdurchlässiger optoakustischer Detektor 14 weist eine Messkammer 15, eine Vergleichskammer 16, Fenster 17, 18 und 19 und ein Kondensatormikrofon 20 auf. Die Messkammer 15 und die Vergleichskammer 16 befinden sich innerhalb des Laserresonators 11. Der Analysator ist weiterhin mit Elektroden 21 und 22 einer Hochspannungsquelle 23, einem Unterbrecher 24 im Laserresonator 11, einem Synchronsignaldetektor 25, Gaszuleitungen 26 und 27, Gasableitungen 28 und 29, Ventilen 30, 31, 32 und 33, einem Vorverstärker 34, einem Synchronverstärker 35 und einem Anzeigegerät 36 versehen.

Bei einem Analysator mit dem oben beschriebenen Aufbau wird das von der Laserentladungsröhre 12 ausgesandte Licht unter Einhaltung der Resonanzbedingung durch die Spiegel 13 reflektiert, so dass sich Laserlicht mit einer Wellenlänge von 3,39 μΐη ergibt. Das Laserlicht geht durch die Messkammer 15 und die Vergleichskammer 16, die sich im Resonator 11 befinden. Das Licht wird auch durch den Unterbrecher 24 mit einer gegebenen Frequenz unterbrochen und zur stabilisierten Verarbeitung der Signale in ein Wechselspannungssignal umgewandelt.

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Die Messkammer 15 des Detektors 14 wird über die Zuleitung 26 mit Aussenluft beladen, die Methan CH. in niedriger Konzentration enthält, während die Vergleichskammer 16 über die Zuleitung mit N₂ Gas, das Laserlicht nicht absorbiert oder mit Aussenluft beladen wird, aus der der CH.-Anteil unter Verwendung eines oxidierenden Katalysators entfernt wurde. Jede Kammer wird dann durch das Schliessen der Ventile 30 bis 33 dicht abgeschlossen. Das Laserlicht, das die Messkammer 15 durchstrahlt, wird durch das CH.-Gas absorbiert, das eine Absorptionsbande bei 3,39 μΐη, der Wellenlänge des Laserlichtes aufweist. Die Temperatur der Gasprobe nimmt anschliessend proportional zur enthaltenen CH.-Konzentration zu, wodurch der Druck des Gases ansteigt. In der Vergleichskammer 16, die kein CH. enthält, tritt jedoch keine Zunahme des Druckes auf. Das hat zur Folge, dass sich zwischen den beiden Kammern 15 und 16 ein Druckunterschied entwickelt, der die Membran 37 des Kondensatormikrofons bewegt. Diese Bewegung wird durch den Vorverstärker 34 verstärkt, mit einem Signal vom Synchronsignaldetektor 36 synchronisiert und gleichgerichtet, um das Anzeigegerät 36 zu betätigen.

Wie es in Fig. 4 dargestellt ist, liefert das oben beschriebene Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Analysators bei der gleichen Anregungsenergie eine Empfindlichkeit, die um mehr als 10mal grosser als die einer herkömmlichen Analysevorrichtung ist, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist.

In Fig. 5 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Analysator dargestellt, bei dem die Fenster 17, 18 und 19, die die Messkammer 15 und die Vergleichskammer 16 bei dem ersten Ausführungsbeispiel begrenzen, fehlen und stattdessen die Stirnwände 38, 39 der Laserentladungsröhre 12 und die Spiegel 13 dazu dienen, die beiden Kammern zu be-

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grenzen. Ein Entladungsunterbrecher4 0 ersetzt den Unterbrecher 24, um die Lichtabgabe von der Laserentladungsröhre 12 zu unterbrechen und dem Synchronverstärker 34 ein Signal zum Synchronisieren und Gleichrichten zu liefern.

Die beiden oben beschriebenen Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Analysators bezogen sich zwar auf die Analyse von Gas, es versteht sich jedoch, dass die erfindungsgemässe Ausbildung des Analysators auch bei der Analyse einer Flüssigkeit oder fester Stoffe₍einer Emulsion oder Suspension angewandt werden kann. Wie es in Fig. 6 dargestellt ist, wird zur Analyse eines festen Stoffes ein scheibenförmiger Probekörper in der Messkammer 15 angeordnet, durch die das Laserlicht B geht, wie es durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist. Sowohl die Messkammer 15 als auch die Vergleichskammer 16 sind mit einem gasförmigen Wärmeausdehnungsmedium, wie beispielsweise N^-Gas, gefüllt.

Wie es in Fig. 7 dargestellt ist, wird dann, wenn eine Flüssigkeit zu analysieren ist, eine Probe 42 in ein Gefäss 43 aus einem Material eingebracht, durch das Laserlicht mit einer bestimmten Wellenlänge hindurchgehen kann, und wird das Gefäss in der Messkammer 15 angeordnet. Sowohl die Messkammer 15 als auch die Vergleichskammer 16 werden mit einem gasförmigen Wärmeausdehnungsmedium, wie beispielsweise N^-Gas gefüllt. In beiden Fällen wird der nachteilige Einfluss von Verunreinigungen im gasförmigen Wärmeausdehnungsmedium beseitigt.

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Claims

HORIBA, LTD., Kyoto / Japan Optoakustischer Analysator PATENTANSPRÜCHE

1. Optoakustischer Analysator, dadurch gekennzeichnet , dass sich die Messkammer (15) und die Vergleichskammer (16) eines in Form einer Differentialmesszelle ausgebildeten, lichtdurchlässigen optoakustischen Detektors (14) in einem Gaslaserresonator (11) mit einer Laserentladungsröhre (12) und zwei Resonanzspiegeln (13) befinden.

2. Optoakustischer Analysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass im Weg des Lichtstrahles von der Laserentladungsröhre (12) ein mechanischer Unterbrecher

(24) angeordnet ist.

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OFiGINAL INSPEGTBD

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3. Optoakustischer Analysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass an der Messkammer (15) und an der Vergleichskammer (16) des Detektors (14) jeweils eine Fluidzuleitung (26, 27) und eine Fluidableitung (28, 29) vorgesehen sind.

4. Optoakustischer Analysator nach einem der Ansprüche T bis 3, dadurch gekennzeichnet , dass in der Messkammer (15) und/oder der Vergleichskammer (16) ein Gas dicht eingeschlossen ist.

5. Optoakustischer Analysator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , dass sich in der Messkammer (15) eine Feststoffprobe oder eine Flüssigkeitsprobe befindet.

6. Optoakustischer Analysator mit einem in Form einer Differentialmesszelle ausgebildeten, lichtdurchlässigen und optoakustischen Detektor, dadurch gekennz eichnet, dass die Messkammer (15) des Detektors angrenzend an ein Ende einer Laserentladungsröhre (12) angeschlossen ist, dass die Vergleichskammer (16) des Detektors angrenzend an das andere Ende der Laserentladungsröhre (12) angeschlossen ist, und dass Resonanzspiegel (13) jedem Ende der Laserentladungsröhre (12) gegenüber angeordnet sind, um die Messkammer (15) und die Vergleichskammer (16) jeweils zu begrenzen.

7. Optoakustischer Analysator nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Entladungsunterbrechereinrichtung (40), die die Lichtemission von der Laserentladungsröhre (12) unterbricht.

8. Optoakustischer Analysator nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet , dass die Messkammer (15) und die Vergleichskammer (16) des Detektors jeweils mit einer Fluidzuleitung und einer Fluidableitung varsehen sind.

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9* Optoakustischer Analysator nach einem der Ansprüche 6 bis 8/ dadurch g e k e η Λ ζ e i c h η e t , dass in die Messkammer (15) und/oder die Vergleichskainmer (16) ein Gas oder eine Flüssigkeit dicht eingeschlossen ist,

10. Optoakustischer Analysator nach Anspruch 9, dadurch g ek e η η ζ e i c h η e t , dass sich in der Messkammer
(15) eine Feststoffprobe befindet.

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