DE2948590A1

DE2948590A1 - Verfahren und vorrichtung zur gasanalyse

Info

Publication number: DE2948590A1
Application number: DE19792948590
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Phys. Dr. Wolfgang 4300 Essen Hartig; Dipl.-Phys. Dr. Dieter 8033 Planegg Röß
Original assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Current assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Priority date: 1979-12-03
Filing date: 1979-12-03
Publication date: 1981-06-04
Also published as: DE2948590C2; US4383181A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gasanalyse in einem mehrere molekulare Gase enthaltenden Gasgemisch, bei dem die Absorption jeweils einer charakteristischen Spektralkomponente der Absorptions-Rotations-Schwingungsbanden eines der zu analysierenden Gase mittels diese Spektralkomponenten enthaltenden, eine in dem Gasgemisch angeordnete Meßstrecke durchlaufenden elektromagnetischen Strahlungen gemessen und daraus der Gehalt des der Spektralkomponente zugeordneten Gases ermittelt wird.

Bei bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur Gasanalyse dieser Art müssen die einzelnen Spektralkomponenten seriell, d.h. nacheinander gemessen werden, wozu es einer komplexen Mechanik bedarf. Die bekannten vollständigen Fourier-Spektrometer haben einen aufwendigen Aufbau und erfordern eine komplizierte und hochentwickelte Auswerteelektronik.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht demgegenüber darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gasanalyse zu schaffen, bei dem mehrere Gaskomponenten parallel, d.h. gleichzeitig ermittelt werden können, ohne daß ein übermäßig hoher Aufwand für die Mechanik und die Auswerteelektronik erforderlich ist.

Zur Losung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß jede der für jeweils eines der Gase charakteristischen Spektralkomponenten mit einer ihr eineindeutig zugeordneten Markierungsfrequenz moduliert wird und nach dem Durchlaufen der Meßstrecke aus der alle Spektralkomponenten enthaltenden Strahlung die einzelnen Spektralkomponenten gemäß ihrer Markierungsfrequenz herausgefiltert und zur Messung des Gasgehaltes verwendet werden. Erfindungsgemäß wird also eine Frequenzmultiplex-Technik zur Informationsverarbeitung verwendet. Damit ist es möglich, gleichzeitig Spektralkomponenten der Rotations-Schwingungsbanden von mehreren molekularen Gasen, z.B. CO, SO₂, -NO , in Absorption

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zu untersuchen und quantitativ auszuwerten. Das kann an Ort und Stelle beispielsweise an einem Schornstein geschehen oder auch in einer Meßzelle, die mit dem zu untersuchenden Gasgemisch gefüllt ist. Das erfindungsgemäße Gasanalyseverfahren mißt frei von Querempfindlichkeit bezüglich Staub und z.B. Wasserdampf.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn periodisch eine oder mehrere Bezugs-Spektralkomponenten durch die Meßstrecke geschickt werden, die außerhalb der Rotations-Schwingungsbanden aller in dem Gasgemisch enthaltenden Gase liegen und als Bezugsgröße für die Meßgrößen verwendet werden. Bevorzugt arbeitet die Erfindung also mit einer differentiellen Absorption, wodurch Intensitätsänderungen aufgrund von Lampenalterung und Verschmutzung der Optiken automatisch eliminiert werden.

Eine einfache Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kennzeichnet sich dadurch, daß mehrere Lichtquellen, von denen jede eine der charakteristischen Spektralkomponenten liefert und deren Strahlung mit einer Markierungsfrequenz moduliert ist, an die Meßstrecke angeschlossen sind und einen gemeinsamen Photoempfänger beaufschlagen, dem auf jeweils eine der Markierungsfrequenzen abgestimmte Filter nachgeschaltet sind. Mehrere

unterschiedlich modulierte und unterschiedliche Spektralkomponenten enthaltende Strahlungen durchsetzen

also die Meßstrecke, welche durch einen Schornstein oder eine Gaszelle gebildet sein kann. Jede einzelne Strahlungskomponente wird proportional zur Konzentration des ihr zugeordneten, zu untersuchenden Gases abgeschwächt. Der anschließende Photoempfänger kann beispielsweise ein Infrarot-Detektor sein, auf den die Strahlung fokussiert wird. Zur Erhöhung der Empfindlichkeit kann der Meßweg durch Verwendung eines Eetroreflektors und nochmalige Durchstrahlung der Meßstrecke verlängert werden.

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Die Analyse des vom Photοempfänger abgegebenen elektrischen Signals erfolgt durch eine einfache Auswerteelektronik, die

als Niederfrequenz-Spektralanalysator ausgebildet ist. Es handelt sich dabei im wesentlichen um eine Reihe von schmalbandigen Filtern, die jeweils genau auf die einzelnen Markierungsfrequenzen abgestimmt sind. Bevorzugt werden

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zur Bestimmung von/drei Gaskomponenten drei Markierungsfrequenzen verwendet. Das am Ausgang der Filter integrierte Signal ist proportional der Intensität der einzelnen Spektralkomponenten am Riotoempfänger. Eine besonders einfache elektronische Verwirklichung des Spektralanalysators besteht aus einer Reihe von aktiven Filtern. Die Auflösung des Analysators sollte zur Erzielung einer akzeptablen Meßgenauigkeit größenordnungsmäßig den folgenden Wert haben:

Diese Auflosung kann durch eine Serie von synchronen Detektoren mit anschließender Integration erzielt werden. Erfindungsgemäß ist die Filterbandbreite die die spektrale Auflösung bestimmende Größe und nicht etwa die Bandbreite der einzelnen Lichtquellen.

Statt der mehreren, jeweils eine bestimmte Spektralkomponente liefernden Lichtquellen, können auch breitbandigere Lichtquellen mit davor angeordneten schmalbandigen Filtern, insbesondere Interferenzfiltern verwendet werden, wobei jede Lichtquelle dann jedoch die vom Filter herausgefilterte Spektralkomponente enthalten muß.

Die Lichtquellen sind zweckmäßigerweise über Strahlenteiler und gegebenenfalls einen Umlenkspiegel an die Meßstrecke angeschlossen.

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Zur Modulation mit der Markierungsfrequenz kann zwischen Lichtquelle und Strahlenteiler und gegebenenfalls Umlenkspiegel jeweils ein entsprechend gesteuerter optischer Modulator geschaltet sein. Es ist aber auch möglich, daß die Lichtquelle selbst moduliert ist.

Besonders bevorzugt ist es, wenn zwischen die Strahlenteiler und ggf. den Umlenkspiegel einerseits und die Meßstrecke andererseits ein Interferometer geschaltet ist, dessen einer Reflexionsspiegel mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit über mindestens einige Wellenlängen hin- und herverschiebbar ist. Hierfür eignet sich beispielsweise ein Michelson-Interferometer.

Zweckmäßigerweise ist die Geschwindigkeit, mit der der Reflexionsspiegel periodisch hin- und herbewegt wird, konstant. An den Umkehrpunkten der Bewegung soll die nachfolgende Auswerteelektronik dunkelgetastet werden. Erfindungsgemäß wirkt das Interferometer als sehr exakt arbeitender Modulator für die einzelnen Spektralkomponenten.

Statt mehrerer Lichtquellen und Strahlenteiler sowie gegebenenfalls einem Umlenkspiegel kann auch eine einzige Lichtquelle vorgesehen sein, welche eine Strahlung mit allen erforderlichen Spektralkomponenten liefert. Hierbei kann es sich z.B. um einen das gewünschte, die erforderlichen Spektralkomponenten enthaltende Linienspektrum aussendenden Laser handeln, welcher für die Zwecke der vorliegenden Erfindung besonders bevorzugt ist.

Die Lichtquellen können auch Sekundärlichtquellen sein, welche durch spektrale Zerlegung einer alle erforderlichen Spektralkomponenten enthaltenden Strahlung gebildet sind. Dabei kann die spektrale Zerlegung zweck-

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mäßigerweise an einem Reflexionsgitter erfolgen, dem Spalte nachgeschaltet sind, in denen jeweils eine der Spektralkomponenten konzentriert ist. Derartige spektrale Zerlegungsvorrichtungen werden auch als Polychromator "bezeichnet· Es kann sich insbesondere um ein Reflexionsgitter in Ebertanordnung oder ein holographisches Konkavgitter handeln, welche aus dem kontinuierlichen Spektrum einer insbesondere Infrarotlichtquelle schmalbandige Bereiche um eine bestimmte Grundwellenlänge herum herausselektieren. Die Austrittsspalte des PoIychromatorswerden so justiert, daß die ausgeblendete Strahlung nit disjurikten Bereichen der Absorptionsbanden der zu untersuchenden Gase überlappt. Die Aufgabe dieses Polychromators besteht nur in einer groben spektralen Vorselektion. Er ist daher auf maximale Lichtstärke ausgelegt.

Das gleiche Ergebnis kann erzielt werden durch Verwendung von Interferenzfiltern oder Verlaufsfiltern mit kollimierten Lichtbündeln, die durch Aufteilung eines von einer Lichtquelle ausgehenden Lichtbündels mit Hilfe von Strahlteilern erzeugt werden. Durch Verwendung des oben erwähnten Infrarot-Lasers mit einem Linienspektrum kann der Polychromator entfallen.

Eine besonders einfache Ausführungsform kennzeichnet sich dadurch, daß die Spalte jeweils quer zu ihrer Erstreckung eine periodische Modulationsbewegung mit der zugeordneten Markierungsfrequenz ausführen können. Besonders bevorzugt ist es, wenn alle Spalte in mehrfach wiederholter Anordnung auf unterschiedlichen Radien einer umlaufenden Spaltscheibe angeordnet sind.

Während die Anwendung des oben erwähnten Interferometers in erster Linie im infraroten Spektralbereich zweckmäßig ist, läßt sich die mit eine Modulationsbewegung ausführenden Spalten arbeitende Ausführungsform mit besonderem Vorteil dort anwenden, wo Gaskomponenten mit breiten Absorptionslinien nach-

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gewiesen werden sollen, z.B. größere organische Moleküle (IR), SOp (UV) und NO₂ (VIS). Die Anwendung ist auch dort zweckmäßig, wo eine Lichtquelle mit mehreren einzelnen Linien "benutzt werden kann.

In der Austrittsebene des Polychromators rotiert die Spaltscherbe derart, daß auf den Kreisbögen zu unterschiedlichen Radien eine Serie von Spalten im Tastverhältnis 1:1 angebracht sind.

Bei dieser Spaltscheibe mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen für unterschiedliche Radien (entsprechend den unterschiedlichen Wellenlängen) wird jede einzelne Wellenlänge innerhalb der Apparatebreite Δ % mit der gleichen Frequenz moduliert, d.h., daß die Spaltbreite in die spektrale Auflösung eingeht. Bei den oben erwähnten bevorzugten Anwendungen ist dies jedoch kein Nachteil, da der Multiplexvorteil, nämlich paralleler Nachweis mehrerer Komponenten mit nur einem Detektor, überwiegt.

Um zu der Meßgröße jeweils auch periodisch eine Bezugsgröße zu erhalten, soll das Reflexionsgitter erfindungsgemäß periodisch zwischen zwei Positionen verdrehbar sein, wobei in der einen Position die Meß-Spektralkomponente und in der anderen Position die Bezugs-Spektralkomponente an den Spalten erzeugt wird. Auf diese Weise wird die erfindungsgemäße Vorrichtung zu einem differentiellen Spektrometer weitergebildet. Wesentlich ist, daß die durch die Austrittsspalte ausgeblendeten Wellenlängen nicht mit spektralen Komponenten der zu untersuchenden Gase zusammenfallen. Analoges gilt bei der auch möglichen Verwendung von Interferenz- oder Verlaufsfiltern· Auf jeden Fall werden erfindungsgemäß den so erzeugten Bezugswellenlängen durch den Modulator neue Markierungsfrequenzen zugeordnet. Diese können dann in der Signalverarbeitung dadurch analysiert werden, daß die entsprechenden Filter synchron mit der Gitterstellung auf diese Frequenzen umgeschaltet werden«

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Eine den Filtern nachgeschaltete einfache Logik "berechnet dann die normierte Konzentration des "betreffenden Gases· Die normierte Konzentration ist unabhängig von Transmissionsverlusten durch Optikverschmutzung, Lampenalterung und Absorption durch gleichzeitig anwesende Gase wie z.B. Wasserdampf, sofern derartige gleichzeitig anwesende Gase, deren Konzentration nicht gemessen werden soll, sowohl bei der Meß- als auch bei der Bezugswellenlänge gleiches Absorptionsverhalten zeigen.

Die wesentlichen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestehen darin, daß mehrere Gaskomponenten parallel gemessen werden können und auch eine differentielle Messung möglich ist. Damit weisen Verfahren und Vorrichtung gemäß der Erfindung praktisch keine Querempfindlichkeit gegenüber Staub, WasserΛιηα Intensitätsverlusten auf. Gegenüber einem vollständigen Fourier-Spektrometer bedarf es bei dem erfindungsgemäßen Spektrometer nur einer einfachen und preiswerten Auswerteelektronik. Der Aufwand für das zweckmäßigerweise verwendete Zweistrahl-Interferometer ist stark reduziert. Es ist nicht notwendig, die Wegdifferenzänderung zu vermessen. Wesentlich ist nur, daß diese konstant erfolgt.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer einfachen Grundausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Gasanalyse,

Fig. 2 eine schematische Ansicht einer mit einem Zweistrahl-Interferometer arbeitenden Ausführungsform,

Fig. 3 ein Wegzeitdiagramm der Bewegung eines der Spiegel in dem Zweistrahl-Interferometer nach Fig. 2,

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Fig. 4 ein Winkel-Zeitdiagramm der Winkelbewegung des bei der Ausführungsform nach Fig. 2 verwendeten Reflexione gitters,

Fig. 5 eine analoge Ansicht wie Fig. 2 einer weiteren vorteil haften Ausführungsform und

Fig. 6 eine schematische Seitenansicht einer vereinfachten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Gasanalyse.

In den Fig. 1, 2, 5 und 6 sind die elektronischen Bauteile als Blockschaltbild veranschaulicht.

Nach Fig. 1 sind nebeneinander drei Lichtquellen 12, 13» angeordnet, welche z.B. Laser sein können. Jede Lichtquelle sendet eine Lichtwelle mit einer ganz bestimmten Frequenz aus, welche im folgenden als Spektralkomponente bezeichnet wird. Die Spektralkomponente kann auch dadurch erzeugt werden, daß vor den Lichtquellen 12, 13» 14 entsprechend scharf filternde optische Filter 29» 30 bzw. 31 angeordnet sind.

Das von den Lichtquellen 12, 13» 14- ausgehende Licht gelangt durch die Filter 29, 30, 31 und optische Modulatoren 22, 23, 24 zu einem Umlenkspiegel 17 bzw. Strahlenteilern 15» 16» welche das Licht der einzelnen Lichtquellen vereinigen und gemeinsam durch eine Meßstrecke 11 zu einem Photοempfänger umlenken. Der Photοempfänger 18 ist an eine Auswerteelektronik 32 angeschlossen, welche schmalbandige Frequenzfilter 19, 20, 21 enthält. Die Filter sind auf diejenigen Frequenzen f1, f2 bzw. f3 abgestimmt, mit denen die Lichtbündel der Lichtquellen 12, 13, 14 über die optischen Modulatoren 22, 23, 24 moduliert werden. Hierzu sind die optischen Modulatoren 22, 23, 24 an einen entsprechenden Oszillator 33 angeschlossen.

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Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung werden die einzelnen Spektralkomponenten mit den Frequenzen f1, f2, f3 markiert. Durch die Filterung in der Auswerteelektronik 32 werden die einzelnen Signale gemäß den Markierungsfrequenzen f1, f2_t f3 voneinander getrennt. An den Ausgangsklemmen 3^, 35» 36 liegen somit elektrische Signale vor, die der Abschwächung der einzelnen Spektralkomponenten von den Lichtquellen 12, 13» entlang der Meßstrecke 11 entsprechen.

Die von der Lichtquelle 12 abgegebene Spektralkomponente entspricht beispielsweise einer in den Rotations-Schwingungsbanden des Gases CO liegenden Spektralkomponente, während die von den beiden anderen Lichtquellen 13» 14- abgegebenen Strahlungen Frequenzen aufweisen, die in den Rotations-Schwingungsbanden zweier weiterer Gase, z.B. SO^ oder NO vorkommen. Die Vorrichtung nach Fig. 1 eignet sich somit zur Analyse von drei verschiedenen Gasen. Durch Verwendung mehrerer Spektralkomponenten und Modulationsfrequenzen kann die Zahl der zu analysierenden Gase entsprechend erhöht werden.

Es ist darauf zu achten, daß die von den einzelnen Lichtquellen bzw. Filtern ausgesendeten Spektralkomponenten nur von einem der in dem Gasgemisch enthaltenden Gase absorbiert werden.

Nach Fig. 2 wird das von einer Infrarot-Lichtquelle 12 ausgehende Lichtbündel durch einen Hohlspiegel 37 im Eingangsspalt 38 eines Polychromators 39 konzentriert. Von dem Eintrittsspalt 38 gelangt das Licht zu einem Reflexionsgitter in Form eines konkaven holographischen Gitters, welches das auftreffende Licht in der angedeuteten Weise spektral zerlegt. Am Ausgang des Polychromators sind in seitlichem Abstand voneinander drei Ausgangsspalte 12', 13"» 14·· vorgesehen, aus jedem von denen Licht eines ganz bestimmten, engen Wellenlängenbereiches austritt, welches um eine bestimmte Grundwellenlänge herumliegt.

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Aus dem kontinuierlichen Spektrum der Infrarotlichtquelle 12 werden so schmaTbandige Bereiche Δλ_ο^ (i = 1,2,...) um die Grundwellenlänge A- j ausselektiert. Die Austrittsspalte 12', 13', 14' des Polychromators 39 werden so justiert, daß sie mit disjunkten Bereichen der Absorptionsbanden der zu untersuchenden Gase überlappen. Bei der Verwendung von drei Austrittsspalten können wieder drei in der Meßstrecke 11 vorhandene Gase analysiert werden. Die Aufgabe des Polychromators 39 ist nur eine grobe spektrale Vorselektion. Er ist deswegen auf maximale Lichtstärke ausgelegt.

Die Spalte 12', 13' und 14' können auch als Sekundärlichtquellen angesehen werden, welche Licht mit einer vorbestimmten Spektralkomponente aussenden.

Das von den Spalten 12', 13', 14' ausgehende Licht wird durch nur schematisch angedeutete Linsen 40, 41, 42 auf dichroitische Spiegel 15, 16, 17 konzentriert, welche die einzelnen, aus dem Polychromator 39 austretenden Lichtbündel miteinander vereinigen. Die so kollimierten Lichtbündel werden kollinear auf den Eingang eines Zweistrahl-Interferometers 25 gelenkt, welches im vorliegenden Spezialfall als Michelson-Interferometer angenommen ist. In üblicher Weise besteht das Zweistrahl-Interferometer aus einem teildurchlässigen, unter 45° angeordneten Spiegel 43 und zwei unter einem rechten Winkel zueinander angeordneten Reflexions-Planspiegeln 26, 43'·

Erfindungsgemäß wird ein Planspiegel, z.B. 26, in Richtung des Doppelpfeiles χ entsprechend dem Diagramm nach Fig. 3 periodisch hin- und herbewegt. Während eines mit konstanter Geschwindigkeit ν durchgeführten Hin- bzw. Rücklaufes werden die Intensitäten der einzelnen, im Eingangslichtbündel

vorhandenen Spektralkomponenten Λ- . (i=1, 2, ...) mit der folgenden Frequenz moduliert:

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Diese im Niederfrequenzbereich liegende Modulationsfrequenz ist der Frequenz der einzelnen Spektralkomponente eineindeutig zugeordnetes muß allerdings dafür gesorgt werden, daß die Geschwindigkeit ν des Interferometerspiegels 26 mit hoher Präzision konstant ist.

Das aus dem Interferometer 2 5 austretende erfindungsgemäß modulierte Lichtbündel durchstrahlt die Meßstrecke 11, welche beispielsweise durch das Innere eines Schornsteins gebildet ist.

Am Ende der Meßstrecke wird das Lichtbündel von einem Hohlspiegel 44 auf einen Photoempfänger 18 konzentriert, decsen Ausgangssignal an die Auswerteelektronik 32 angelegt ist, welche ebenso wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 als Niederfrequenz-Spektralanalysator ausgebildet ist. Die Auswerteelektronik 32 enthält wieder schmalbandige Filter f1, f2, f3» welche zwecks genauer Justierung zweckmäßigerweise regelbar sind. Das am Ausgang der Filter integrierte Signal 1(^ j) ist proporational der Intensität der einzelnen mit den Frequenzen f1, f2 bzw. f3 modulierten Lichtwellen, welche eine Wellenlänge ^oi'^"O2 ^tzw· ^ 03

Statt des Polychrom at or s 39 mit den Linsen 40, 4-1, 42 und den Spiegeln 15, 16, 17 kann auch ein in Fig. 2 gestrichelt angedeuteter Infrarot-Laser 12" mit einem Linienspektrum verwendet werden, welches gerade die drei interessierenden Spektralkomporienten aufweist.

In Fig. 5 bezeichnen gleiche Bezugszahlen entsprechende Teile wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2.

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Nach Fig. 5 weist der Polychromator 39 noch zwe}. innere Reflexionsspiegel 45, 46 auf. An den Ausgangs spalt en 12', 13', 14' liegen wieder die drei Meß-Spektralkomponenten vor, welche analog wie "bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 verarbeitet werden können. Das Reflexionsgitter 27 ist hier in Ebert-Anordnung aufgebaut.

Zusätzlich zu dem Ausfiihrungsbeispiel nach Fig. 2 ist das Reflexionsgitter um eine senkrecht auf der Zeichnungsebene stehende Achse 47 periodisch um einen Winkel hin- und herschwenkbar. Die periodische Schwenkbewegung dieses Reflexionsgitters ist in Fig. 4 veranschaulicht. Während gleicher Zeiten nimmt also das Reflexionsgitter 27 entweder den Winkel $Λ oder den Winkel ^f 2 ein.

Solange das Reflexionsgitter 27 den Winkel ^ 1 einnimmt, wird das Licht der Lichtquelle 12 so zerlegt wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2, d.h., daß zum Interferometer 25 und entlang der Meßstrecke 11 die drei Meß-Spektralkomponenten gelangen.

Der Winkel *f 2 des Reflexionsgitters 27 ist nun so gewählt, daß jetzt zu den Spalten 12.', 13', 14' Spektralkomponenten gelangen, bei denen keines der in der Meßstrecke 11 befindlichen Gase absorbiert. Dies hat zur Folge, daß während der Perioden, bei denen das Reflexionsgitter 27 den Winkel ψ einnimmt, das durch die Meßstrecke 11 zum Photoempfänger gelangende Licht nicht geschwächt wird. Das in diesen Perioden am Photοempfänger 18 erscheinende Ausgangssignal kann also als Bezugsgröße für die Meßsignale verwendet werden.

TIm diese Bezugsgröße mit zur Auswertung heranzuziehen, wird die Auswerteelektronik 32 nach Fig. 5 gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 wie folgt modifiziert:

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Ein Rechteckimpulsgenerator 48 steuert die Lage des Reflexionsgitters 27 entsprechend dem Diagramm nach Fig. 4. Synchron mit dieser Bewegung wird ein Umschalter 49 "betätigt. Dieser schließt wahlweise den Ausgang des Photoempfängers 18 an den Niederfrequenz-Spektralanalysator mit den Filtern 19, 20, 21 oder eine Bezugsgrößenbildung s schaltung mit Filtern 50, 51 bzw. 52 an. Die Filter 50, 51, 52 sind wieder auf die Modulationsfrequenzen abgestimmt, die die entsprechenden Spektralkomponenten beim Durchgang durch das Interferometer 25 erhalten.

Während die Verbindungen zwischen dem Rechteckimpulsgenerator 48 und dem Reflexionsgitter 27 bzw. dem Schalter 49 in Fig. 5 strichpunktiert dargestellt sind, ist die Bezugsgrößenbildungsschaltung in Fig. 5 gestrichelt dargestellt.

Die Ausgänge der Filter 19, 20, 21 bzw. 50, 51, 52 werden an Quotientenbildner 53, 54 bzw. 55 angelegt, in denen jeweils der Quotient zwischen der Meßgröße und der Bezugsgröße gebildet wird. An den Ausgängen 34, 35 bzw. 36 erscheinen somit normierte Meßsignale, bei denen Einflüsse wie Lampenalterung, Verschmutzung von Optiken usw. eliminiert sind.

Die gleiche, mit einer Bezugsgröße arbeitende Schaltung könnte auch bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 verwendet werden. Dort ist am konkaven holographischen Gitter 27 auch durch einen Doppelpfeil ν angedeutet, daß ebenfalls eine periodische Schwenkbewegung gemäß dem Diagramm nach Fig. 4 durchgeführt werden könnte.

Fig. 5 zeigt also ein different!eiles Spektrometer, wobei wichtig ist, daß die bei der Winkelstellung <£> 2 durch die Austrittsspalte ausgeblendeten Wellenlängen nicht mit spektralen Komponenten der zu untersuchenden Gase zusammenfallen. Entsprechendes gilt bei der Verwendung von Interferenzfiltern und Verlaufsfiltern. Den Bezugswellenlängen /V ._ß werden durch den Interferenz-Modulator 25 andere Frequenzen im Niederfrequenzbereich ^fiR ^zußeordnet. Diese werden in der Auswerteschaltung 32 analy-

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siert, indem die entsprechenden Filter 19 "bis 21 bzw. 50 bis synchron mit der Gitterstellung auf diese Frequenzen umgeschaltet werden. Die Quotientenbildner 53,54,55 bilden die folgende Funktion:

ι (λ_1Β) - ι (λ₁₀)

Diese Größe entspricht der Konzentration des Gases i in der Meßstrecke 11. Diese Größe ist unabhängig von Transmissionsverlusten durch Optikverschmutzung, Lampenalterung und Absorption durch gleichzeitig anwesende Gase, z.B. HgO, sofern diese bei Λ 4 π "¹^ ^- υ? gl^ei^ck^es Absorptionsverhalten zeigen.

Auch bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 bezeichnen gleiche Bezugszahlen entsprechende Teile wie bei den vorangegangenen Ausführungsformen.

In der Austrittsebene des Polychromators 39 läuft eine Spaltscheibe 28 um eine Drehachse 56 um, von der in Fig. 6 nur eine Hälfte gezeigt ist. Auf Kreisbögen mit unterschiedlichen Radien r1, t2 und r3 ist jeweils eine Serie von Spalten im Tastverhältnis 1:1 angebracht.

Hinter den Spalten 12', 13' bzw. 14' sind im Abstand von deren Radius kleine Hohlspiegel 57_t 58 bzw. 59 angebracht, welche das aus den Spalten 12·, 13'» 14·' austretende Licht in sich selbst zurückreflektieren. Das Licht gelangt somit über die Spiegel 45, 46 und das Reflexionsgitter 27 wieder an die Eingangsseite des Polychromators 39, wo zwischen dem Eintrittsspalt 38 und dem Umlenkspiegel 45 ein Strahlenteiler 60 vorgesehen ist, der das Lichtbündel auf einen sekundären Austrittsspalt 61 konzentriert. Von diesem aus gelangt das Licht über einen UmIenk-Hohlspiegel 62 auf die Meßstrecke 11, an deren Ende wieder der Photοempfänger 18 angeordnet ist. Die

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an den Photoempfänger 18 angeschlossene Auswerteschaltung 32 entspricht der dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5· Insbesondere ist bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 auch der Rechteckimpulsgenerator 48 vorgesehen, welcher das Reflexionsgitter 27 zwischen den "beiden Winkeln ^1, (P 2 gemäß Fig. 4 hin- und herschaltet und entsprechend dem Schalter 49 an die Meßfilter 19, 20, 21 bzw. an die Bezugsfilter 50, 51» 52 anschließt.

Bei der erfindungsgemäß verwendeten umlaufenden Spaltscheibe mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen für unterschiedliche Radien r1, r2, r3 entsprechend unterschiedlichen Wellenlängen werden die einzelnen Wellenlängen innerhalb der Apparatebreite Δ ^- mit der gleichen Frequenz moduliert, d.h. die Spaltbreite geht in die spektrale Auflösung ein. Sofern Gaskomponenten mit breiten Absorptionslinien nachgewiesen werden sollen oder eine Lichtquelle mit mehreren einzelnen Linien benutzt werden kann, ist dies Jedoch kein Nachteil, da der Multiplexvorteil, nämlich paralleler Nachweis mehrerer Komponenten und nur ein Photoempfänger, erzielt wird.

Nach Durchgang durch die Absorptionsmeßstrecke 11 wird das Lichtbündel auf den Photoempfänger 18 fokussiert. Die Signalanalyse erfolgt parallel mit dem Niederfrequenz-Spektralanalysator, welcher in der Auswerteelektronik 32 zusammengefaßt ist. Da dessen Bandbreite nicht in die spektrale Auflösung eingeht, ist es günstiger, ihn breitbandig auszulegen, um Schwankungen in der Rotationsgeschwindigkeit der Spaltscheibe 28 zu kompensieren. Bei Verwendung von synchronen Demodulatoren kann die Referenzfrequenz auch an der Spaltscheibe abgenommen werden, wobei Rotationsschwankungen herausfallen.

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Claims

Patentansprüche:

ι1· !Verfahren zur Gasanalyse in einem mehrere molekulare Gase ^—-'enthaltenden Gasgemisch, bei dem die Absorption jeweils einer charakteristischen Spektralkomponente der Absorptions-Rotations-Schwingungsbanden eines der zu analysierenden Gase mittels diese Spektralkomponenten enthaltenden, eine in dem Gasgemisch angeordnete Meßstrecke durchlaufenden elektromagnetischen Strahlungen gemessen und daraus der Gehalt des der Spektralkomponente zugeordneten Gases ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet , daß jede der für jeweils eines der Gase charakteristischen Spektralkomponenten mit einer ihr eineindeutig zugeordneten Markierungsfrequenz moduliert wird und nach dem Durchlaufen der Meßstrecke (11) aus der alle Spektralkomponenten enthaltenden Strahlung die einzelnen Spektralkomponenten gemäß ihrer Markierungsfrequenz herausgefiltert und zur Messung des Gasgehaltes verwendet werden.

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MANlTZ HNSTERWALD HEYN MORGAN 8000 MÜNCHEN 22 ROBERT-KOCMST HASSE 1 TFL (089) 224211

f iteilNAL INSPECTED
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß periodisch eine oder mehrere Bezugs-Spektralkoraponenten durch die Meßstrecke geschickt werden, die außerhalb der Rotations-Schwingungs-Banden aller in dem Gasgemisch enthaltenden Gase liegen und als Bezugsgröße für die Meßgrößen verwendet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz, mit der die Bezugsspektralkoraponenten durch die Meßstrecke geschickt werden, zwischen 0,01 Hz und 0,1 Hz liegt.
4. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Lichtquellen (12,13,14;12·,13',14')♦ von denen Jede eine der charakteristischen Spektralkomponenten liefert und deren Strahlung mit einer Markierungsfrequenz (f1, f2, f3) moduliert ist, an die Meßstrecke (11) angeschlossen sind und einen gemeinsamen Photoempfänger (18) beaufschlagen, dem auf jeweils eine der Markierungsfrequenzen (f1, f2, f3) abgestimmte Filter (19,20,21) nachgeschaltet sind.
5· Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich net, daß die Lichtquellen (12,13,14;12·,13«,14') über Strahlenteiler (15,16) und gegebenenfalls einen Umlenkspiegel (17) an die Meßstrecke (11) angeschlossen sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeich net, daß zur Modulation zwischen Lichtquelle (12,13,14) und Strahlenteiler (15,16) und gegebenenfalls IMlenkspiegel (17) ein Modulator (22,23,24) geschaltet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich net, daß die Lichtquelle (12,13,14) selbst moduliert ist.

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8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich net, daß zwischen die Strahlenteiler (15»16) und gegebenenfalls den Umlenkspiegel (17) einerseits und die Meßstrecke (11) andererseits ein Interferometer

(25) geschaltet ist, dessen einer Reflexionsspiegel (26) mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit (v) über mindestens einige Wellenlängen hin- und herverschiebbar ist.
9· Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich net, daß statt mehrerer Lichtquellen (12',13¹Ji^') und Strahlenteiler (15_f16) sowie gegebenenfalls einen Umlenkspiegel (17) eine einzige Lichtquelle (12") vorgesehen ist, welche eine Strahlung mit allen erforderlichen Spektralkomponenten liefert/ insbesondere ein Mehrlinien-Laser, z.B. ein chanischer Laser.
10· Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Lichtquellen Sekundärlichtquellen (12¹,13\1^/t·¹) sind, welche durch spektrale Zerlegungeiner alle erforderlichen Spektralkomponenten enthaltenden Strahlung gebildet sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß die spektrale Zerlegung an einem Reflexionsgitter (27) erfolgt, dem Spalte (12¹,13* ,14-') nachgeschaltet sind, in denen jeweils eine der Spektralkomponenten konzentriert ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Spalte (12/,13¹,14') jeweils quer zu ihrer Erstreckung eine periodische Modulationsbewegung mit der zugeordneten Markierungsfrequenz ausführen können.

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13· Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich net, daß alle Spalte (12* ,13* »14··) in mehrfach wiederholter Anordnung auf unterschiedlichen Radien (r1_fr2,r3) einer umlaufenden Spaltscheibe (28) angeordnet sind·
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13 zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet , daß das Reflexionsgitter (27) periodisch zwischen zwei Positionen verdrehbar ist, wobei in der einen Position die Meß-Spektralkomponente und in der anderen Position die Bezugs-Spektralkomponente an den Spalten (12¹,13',14') erzeugt wird .

130023/0471