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BESCHREIBUNG
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Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Gasanalyse und betrifft insbesondere
einen opto-akustischen Gas-Analysator der im Oberbegriff von Patentanspruch 1 genannten
Art.
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Seit je besteht bei derartigen Geräten die grundsätzliche Forderung,
eine kohärente Infrarot-Strahlungsquelle zu verwenden. Diese Strahlungsquelle wurde
bisher ausschließlich durch eine Laser-inheit gebildet. Über Ausbildung und Möglichkeiten
eines solchen herkömmlichen Gas-Analysators gibt beispielsweise der in der Fachzeitschrift
"Science" vom 2. Juli 1971, Seite 45-47 erschienene Aufsatz von L.B. Kreuzer und
C.K.N. Patel Auskunft.
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Durch die Verwendung einer Laser-Einheit wird der Gas-Analysator teuer,
aufwendig und in Bezug auf die Abmessungen umfangreich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gegenüber dem genannten
Stand der Technik einfacheren, billiger herstellbaren und weniger umfangreichen
Gas-Analysator vorzuschlagen.
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Die erfindungsgemäße Lösung ist im Patentanspruch 1 enthalten.
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Mit Vorteil wird in dem erfindungsgemäßen opto-akustischen Gas-Analysator
als Lichtquelle ein schwarzer Körper verwendet, der ein kontinuierliches Spektrum
abgibt und beispielsweise als Nickelchrom-Draht, als Silconite-Quelle, Wolframlampe
oder dgl. ausgebildet sein kann. Die Beschränkung auf ein gewünschtes Strahlungsspektrum
wird erfindungsgemäß durch die gleichzeitige Verwendung eines optischen Filters
erreicht.
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Nach einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist vor-
gesehen,
in dem opto-akustischen Detektor im Strahlungsweg hintereinanderliegend zwei Strahlung
aufnehmende Kammern anzuordnen, zwischen denen sich ein Filter befindet.
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Die Verwendung eines Detektors mit zwei hintereinanderliegenden Kammern
ist an sich bereits bekannt, siehe "Applied Physic's Letters" vom 15. März 1975,
Seite 300 -303. Die Verwendung von zwei Kammern hat jedoch in diesem Falle den Zweck,
einen Differenzdruck zwischen den in jeder Kammer angeordneten Druckaufnehmern meßtechnisch
zu erfassen und bei der Analyse auszuwerten. Auch diese spezielle bekannte Gas-Analysator-Ausführung
ist teuer, aufwendig und empfindlich.
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Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens können
den Unteransprüchen 3 und 4 entnommen werden.
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Nachstehend werden einige die Merkmale der Erfindung enthaltende Ausführungsbeispiele
in Verbindung mit einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1, 2 und 3 je
eine schematische Darstellung eines ersten, zweiten bzw. dritten Ausführungsbeispiels
eines eines erfindungsgemäßen Gas-Analysators, Fig. 4 einen Schnitt im Verlauf einer
Ebene IV-IV von Fig. 3, Fig. 5 ein schematisches Schaltbild zur Arbeitsweise des
Ausführungsbeispiels von Fig. 3, und Fig. 6 einen Ausschnitt aus einem zur quantitativen
Analyse mehrerer gasförmiger Komponenten geeigneten Gas-Analysator.
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Der in Fig. 1 schematisch dargestellte opto-akustische Gas-Analysator
hat als Lichtquelle einen scharzen Körper 1, einen Zerhacker 2, ein positives Interferenzfilter
3, welches aus mehreren Festfilm-Schichten zusammengesetzt ist, die nur ein Lichtband
hindurchlassen, welches zu einem Bereich gehört, in dem eine Absorption durch eine
analytisch zu untersuchende Objekt-Gaskomponente auftritt, ferner einen opto-akustischen
Detektor 4 und einen Verstärker bzw. Vorverstärker 5 mit hoher Impedanz. Eine von
dem schwarzen Körper 1 imitierte Infrarotstrahlenenergie wird durch den Zerhacker
2 intermittierend gestört und dann durch das Interferenzfilter 3 so gefiltert, daß
nur jene Infrarotstrahlen hindurchgelangen, deren Wellenlängen in jenem Bereich
liegen, wo eine Absorption durch die in dem Detektor 4 zu untersuchende Objekt-Gaskomponente
auftritt. Hier bewirkt eine Gasprobe entweder kontinuierlich oder intermittierend
von einem Einlaß 6 durch eine Kapillare 7 in den Detektor 4 eingeführt und durch
eine Kapillare 8 und einen Auslaß 9 wieder abgeführt, die Gasprobe strömt so durch
den Innenraum des Detektors 4 hindurch. Wenn die Gasprobe eine gasförmige Komponente
enthält, deren Infrarotstrahlungs-Absorptionsbereich sich mit dem Absorptionsband
der zu messenden Objekt-Gaskomponente überlappt, dann absorbiert die enthaltene
gasförmige Komponente eine Infrarotenergie, und der Innendruck des Detektors 4 steigt
an. Wenn der Zerhacker 2 die Infrarotstrahlung mit einer geeigneten Frequenz stört
bzw.
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unterbricht, dann kann mit dieser geeigneten Frequenz eine Kondensatormembran
10 verdrängt und diese periodische Verdrängung als Signal benutzt werden. Es sei
erwähnt, daß nicht unbedingt ein Kondensatormikrofon wie in Fig. 1 angedeutet benutzt
werden muß, vielmehr kann statt dessen beispielsweise auch eine Durchflußmeßeinrichtung
wie beispielsweise ein Heißdraht-Animometer verwendet werden, welches innerhalb
des Detektors einen auftretenden Gasstrom mißt.
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Die Absorption von Infrarotstrahlungsenergie innerhalb des Detektors
4 ist verhältnismäßig stark gegenüber der Konzentration der zu messenden Objekt-Gaskomponente,
folglich kann man eine quantitative Analyse der zu messenden, in der Gasprobe enthaltenen
Gaskomponente durchführen. Durch den Verstärker 5 werden die Änderungen der Mikrofonkapazität
der Kondensatormembran 10 in elektrische Leistung umgesetzt, dann in einem Gleichrichter
30 gleichgerichtet und durch den Zeiger eines Anzeigeinstrumentes 31 angezeigt.
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Bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel ist es schwierig,
durch Interferenzkomponenten verursachte Interferenzeffekte zu beseitigen. Diese
treten auf, wenn das Infrarotstrahlen-Absorptionsband der Interferenzkomponente
dicht neben dem Infrarotstrahlungs-Absorptionsband der zu messenden Objekt-Gaskomponente
liegt, oder wenn die Konzentration der zu messenden Objekt-Komponente sehr viel
niedriger ist als die Konzentration der Interferenzkomponente. Der geschilderte
Nachteil kann durch Verwendung des Ausführungsbeispiels von Fig. 2 vermieden werden.
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Zu diesem Zweck enthält das zweite Ausführungsbeispiel einen Differentialtyp-Detektor
4 mit zwei Lichtaufnahmekammern a und b zur Feststellung einer Druckdifferenz, wenn
eine Energie-Absorptionsdifferenz vorhanden ist, und einem zwischen den beiden Kammern
angeordneten Gasfilter 11, welches aber auch als Absorptionstyp-Festfilter ausgebildet
sein kann. Angenommen, es soll die in kleiner Menge in atmosphärischer Luft enthaltene
Luftkonzentration von Kohlenmonoxid CO gemessen werden, und es ist gleichzeitig
Kohlendioxid CO2 als Interferenzkomponente zu Kohlenmonoxid bei der Infrarotstrahlenanalyse
vorhanden.
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Eine von dem schwarzen Körper 1 als Lichtquelle abgegebene Infrarotstrahlenenergie
wird von dem Zerhacker 2 beispielsweise im 10-Hz-Rhythmus zerhackt und gelangt durch
das Interferenzfilter 3 in den Detektor 4. Falls beide Kammern a und b mit einem
Gas gefüllt sind, welches
keine Infrarotstrahlen absorbiert, dann
tritt im Detektor auch kein Druckanstieg sowie keine Verdrängung der Kondensatormembran
auf, weil in beiden Kammern keine Energie absorbiert wird. Wenn jedoch in beiden
Kammern a und b, wie für dieses Beispiel angenommen, ein CO2-Gas in Koexistenz mit
einer kleinen Menge CO-Gas enthaltende atmosphärische Luft eingeschlossen ist, dann
tritt mit Sicherheit in beiden Kammern eine Energieabsorption und folglich eine
Verlagerung der Kondensatormembran 10 auf, die proportional der CO-Konzentration
ist, wie nachstehend eingehend erläutert wird. Die Konzentration von CO läßt sich
quantitativ genau und ohne Störung durch gleichzeitig vorhandenes CO2 bestimmen.
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Zuvor sei angemerkt, daß die in die Lichtaufnahmekammer a eintretenden
Infrarotstrahlen eine Energieverteilung in einem durch das Interferenzfilter 3 bestimmten
definierten Wellenlängenbereich bzw. Infrarotspektrum haben, dessen Mitte etwa bei
4,6 ß liegt. Das Infrarot-Absorptionsband von CO2-Gas liegt sehr nahe beim Infrarot-Absorptionsband
von CO-Gas, d.h. beide Absorptionsbänder überlappen sich teilweise gegenseitig.
Diese Überlappung tritt selbstverständlich innerhalb des Energiebereiches des durch
das Interferenzfilter 3 hindruchgelangenden Infrarotspektrums auf. Somit werden
die in die Lichtaufnahmekammer a gelangenden Infrarotstrahlen sowohl vom CO-Gas
in kleiner Menge als auch vom C02-Gas absorbiert, und zwar erfolgt eine Energieabsorption
in einem Umfang, welcher proportional zu der Anfangsintensität der eingestrahlten
Infrarotwellen ist. Dabei steigt die Temperatur in der Kammer an. Die mit A 1a bezeichnete
Energieabsorption in Kammer a ergibt sich aus folgender Gleichung:
worin die beiden Summanden auf der rechten Seite der Gleichung die Energieabsorption
durch CO bzw. durch CO2 be-
deuten. Da die Absorption A 1a sehr
klein ist, treten gegenüber der Eingangsenergie zur Kammer a nur sehr wenig geschwächte
Infrarotstrahlen in das Gasfilter 11 ein, welches im vorliegenden Falle das zu messende
Objektgas, nämlich nur CO-Gas in geeigneter Konzentration enthält. Beim Passieren
des Gasfilters 11 vermindert sich die Intensität der Infrarotstrahlen im Bereich
des Hauptabsorptionsbandes durch die CO-Moleküle wesentlich, so daß sich die verbleibende
Infrarotenergie hauptsächlich auf die Seitenbänder des Hauptabsorptionsbandes für
CO beschränkt, d.h. auf die Seitenbänder der durch Filter 3 hindurchgegangenen Infrarotstrahlen.
Die so beschnittene Strahlung gelangt aus dem Gasfilter 11 in die Kammer b, wo wieder
eine Absorption des Infrarotspektrums aufgrund der Anwesenheit von CO- und CO2-Molekülen
auftritt, so daß die Temperatur in Kammer b ansteigt. Die Energieabsorption A1b
in Kammer b errechnet sich aus folgender Formel:
wobei die beiden Summanden auf der rechten Seite der Gleichung die Energieabsorptionswerte
für die Gasanteile CO bzw. CO2 darstellen. Wählt man ein Fest-Filter 3 mit angemessener
halber Bandbreite und im Gasfilter 11 eine angemessene Konzentration von CO-Gas,
dann ergibt sich halb-empirisch folgende Gleichung daraus:
Die Differenz zwischen der Energieabsorption in den beiden Kammern a und b bzw.
die daraus resultierende Druckanstiegs-Differenz zwischen beiden Kammern steht in
einer Beziehung zu der Kraft, mit der die Kondensatormembran 10 verdrängt wird.
Die Energiedifferenz A E ergibt sich aus folgender Rechnung:
Da A ICo der Energieabsorption durch CO-Gas in Kammer b entspricht, wo die Infrarotstrahlen
ihr dem Hauptabsorptionsband von CO-Gas entsprechendes Spektrum nach Durchlaufen
des Gasfilters 11 bereits erheblich eingebüßt haben, daß folgende Relation gilt:
Da A ICo und A ICo proportional der CO-Gas-Konzentration in der Gasprobe sind, ist
A E ebenfalls der CO-Gas-Konzentration in der Gasprobe proportional. Folglich wird
das CO-Gas-Signal nicht durch die Existenz von C02-Gas gestört und kann folglich
korrekt gemessen werden. Dieses Signal wird praktischerweise elektrisch verstärkt
und angezeigt.
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Bei dem vorhergehend beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel ist
der Detektor 4 ein Differentialtyp mit zwei in Serie geschalteten Lichtaufnahmekammern
a und b, und ferner ist ein Gas- oder Fest-Filter vorhanden, welches den gleichen
Bereich des Infrarotspektrums herausfiltert, welches dem zu messenden Objekt-Gas
zugeordnet ist. Auf diese Weise erhält man einen Gas-Analysator, mit dem sich bei
niedrigen Kosten mit hoher Genauigkeit eine quantitative Analyse eines in einer
kleinen Menge vorhandenen Gases durchführen läßt. In Fig. 2 ist ferner ein Einlaßpfad
32, ein Auslaßpfad 33 und ein Verbindungspfad 34 für die Gasprobe vorhanden.
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Der gleiche Effekt wie mit dem zweiten Ausführungsbeispiel läßt sich
mit dem in Fig. 3 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel
erreichen,
welches ein rotierendes Korrelationsgasfilter 12 enthält. Durch Abwandlung dieses
Gerätes ist es möglich, mehrere Komponenten gleichzeitig zu messen.
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Zur Erläuterung der dritten Ausführung sei wieder angenommen, daß
Kohlendioxid CO2 koexistent in atmosphärischer Luft enthalten ist, die als quantitativ
zu analysierendes Objekt-Gas Kohlenmonoxid CO in einer kleinen Menge enthält. Von
dem schwarzen Körper 1 als Lichtquelle immitierte Infrarotstrahlenenergie durchläuft
zuerst das rotierende Korrelationsfilter 12, dann das durch mehrere Festfilm-Schichten
gebildete Interferenzfilter 3 und gelangt dann in den Detektor 4. In der einen Gaszelle
13 des Gasfilters 12 befindet sich ein Gas, welches überhaupt keine Energie von
dem eingehenden Infrarotlicht absorbiert, während sich in der anderen bzw. zweiten
Gaszelle 14 das gleiche Gas wie das zu analysierende Objekt-Gas befindet, also im
vorliegenden Falle CO-Gas. Es ist in einer angemessenen Konzentration darin eingeschlossen.
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Die durch die erste Gaszelle 13 hindurchtretenden Infrarotstrahlen
werden durch CO- und CO2-Moleküle in dem opto-akustischen Detektor 4 absorbiert,
so daß sich die Temperatur in der Kammer des Detektors erhöht und die Konclerlsatormembran
10 verdrängt wird, wie beim ersten Ausführungsbeispiel erläutert. Ein aus dieser
Verdrängung resultierendes Signal sei mit A bezeichnet. Da die durch die zweite
Gaszelle 14 hindurchtretenden Infrarotstrahlen ihren dem Hauptabsorptionsband für
CO-Gas entsprechenden Wellenlängenbereich bereits eingebüßt haben, erfolgt die Absorption
von Infrarot strahlen hauptsächlich aufgrund der Anwesenheit des CO2-Gases bei Ankunft
der Infrarotstrahlen im Detektor 4, und dieses Licht führt zu einem Signal B, siehe
Fig. 5. Entsprechend der Umlaufgeschwindigkeit des Korrelationsgasfilters 12 wechseln
die Signale A und B periodisch miteinander ab und verursachen entsprechende Ausgänge
an zugeordneten Vorverstärkern 5
bzw. 16. Von dort gehen sie in
Abhängigkeit von einem aus einem Synchronisiersignalgenerator 17 bezogenen Synchronisiersignal
zu entsprechenden Halteverstärkern 18 und 19, deren Ausgänge durch eine Subtraktionsstufe
20 zu einem Abschluß-Signalausgang B - A verarbeitet werden. Auf diese Weise kann
man eine Information über die Konzentration von CO-Gas ohne negative Einflüsse durch
das Interferenzgas an einer Anzeigeeinrichtung ablesen.
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Es ist ferner möglich, den Gasanalysator zur quantitativen Analyse
einer Vielzahl von gasförmigen Komponenten einzusetzen, indem man ein rotierendes
Filter 12 mit entsprechend vielen Gaszellen verwendet, von denen jede als Fenster
der Zelle ein aus mehreren, der Anzahl der zu messenden gasförmigen Komponenten
entsprechenden Filmschichten zusammengesetztes Interferenzfilter hat. Fig.
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6 zeigt ein Beispiel für ein solches rotierendes Filter 12 mit vier
Gaszellen 21,22,23,24, von denen die Gaszelle 21 mit CO-Gas, Zelle 22 mit N2-Gas
(als Beispiel eines Gases, welches keine Infrarotstrahlen absorbiert), Zelle 23
mit CO2-Gas und Zelle 24 wiederum mit N2-Gas gefüllt ist. Jede der Zellen 21 und
22 besitzt ein Fenster in Form eines mehrschichtigen Interferenzfilters für CO-Gas,
und als Fenster in jeder der Zellen 23 und 24 dient ein mehrschichtiges Interferenzfilter
für C02-Gas.
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Da bei der vorliegenden Erfindung ein schwarzer Körper 1 als Lichtquelle
und ein aus mehreren Filmschichten zusammengesetztes positives Interferenzfilter
verwendet wird, läßt sich bei niedrigen Kosten ein stabil arbeitender Gas-Analysator
erstellen. Ein erfindungsgemäßer Gas-Analysator wird aufgrund seines Konstruktionsprinzips
theoretisch niemals eine Null-Drift aufweisen.