DE3117108A1

DE3117108A1 - Gas-absorptionsfuehler

Info

Publication number: DE3117108A1
Application number: DE19813117108
Authority: DE
Inventors: Roger L Aagard
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1980-05-05
Filing date: 1981-04-30
Publication date: 1982-03-04
Also published as: US4322621A; FR2481803A1; JPS573031A; CA1153904A; FR2481803B1; GB2075213A; GB2075213B

Description

Oil/

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Gas-Absorptionsfühler nach dem Gattungsbegriff des Anspruches 1. Bei derartigen Absorptionsfühlern ist die Empfindlichkeit und die Meßgenauigkeit um so größer, je größer die optische Weglänge eines das Gas durchlaufenden Strahles zwischen einer Strahlenquelle und einem Strahlenempfänger ist.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Gas-Absorptionsfühler anzugeben, der bei einer geringen geometrischen Abmessung eine große optische Weglänge aufweist. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der im Anspruch 1 gekennzeichneten Erfindung. Weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sind den Unteransp^ünhen entnehmbar.

Bei der vorliegenden Erfindung läßt sich durch Multiplikation der optischen Weglänge zwischen einer Strahlenquelle und einem Reflektor durch einen in geeigneter Weise ausgebildeten Spiegel beispielsweise eine optische Gesamtweglänge von ungefähr zwei Metern vorgeben, wenn der Krümmungsradius des sphärischen Reflektors lediglich einen Radius von ungefähr acht Zentimetern aufweist. Dies führt bei ausreichender Weglänge zu einem sehr kompakten Meßgerät.

Anhand eines in den Figuren der beiliegenden Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles sei im folgenden die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine vereinfachte schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Absorptionsfühlers, wobei auf die Darstellung des elektronischen Auswerteschaltkreises verzichtet wurde;

Fig. 2 den Strahlenweg zwischen zwei Spiegelpaaren in einer Draufsicht;

οιιτοη

οι I / . w J

Fig. 3 eine vollständige Draufsicht auf einen Ring^-

spiegel mit einer Darstellung des Strahlenvei— laufes zwischen einer Lichtquelle und einem Detektor;

Fig. 4 einen Querschnitt durch ein Spiegelpaar zur Veranschaulichung der Lichtstrahlenablenkung an den Spiegelflächen; und

Fig. 5 ein Blockdiagramm des elektronischen Auswerteschaltkreises für den erfindungsgemäßen Absorpt ionsfühler.

Gemäß Fig. 1 umfaßt der Absorptionsfühler 110 einen spiegelnden Reflektorteil 111 in Form eines Kugelabschnittes, Der Kugelabschnitt kann durch eine Halbkugel gebildet werden, in welchem Fall der Reflektorteil 111 des Gehäuses direkt auf einer ebenen Grundplatte 112 sitzt. In Fig. 1 bildet der Reflektor 111 einen gegenüber einer Halbkugel kleineren Kugelabschnitt, so daß er über eine geeignete Seitenwand 113 mit der Grundplatte 112 ve/— bunden ist. Auf der Grundplatte 112 ist eine Spiegelanordnung angeordnet, wobei eine-Draufsicht auf diese Spiegelanordnung am besten aus Fig. 3 erkennbar ist. Die Spiegelanordnung 14 erstreckt sich kreisförmig um eine Linie L, die senkrecht zu dem Scheitelpunkt des sphärischen Reflektors 111 verläuft. Die ringförmige Spiegelanordnung 14 umfaßt wenigstens acht Spiegelpaare. Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die Anordnung aus 26 gleichen Segmenten, wobei durch 24 Segmente 12 in gleichem Abstand voneinander kreisförmig um die Linie L angeordnete Spiegelpaare gebildet werden,. Von den verbleibenden zwei Segmenten umfaßt ein Segment zwei Strahlungsquellen S₁ und S„ und das andere Segment zwei Strahlungsdetektoren D₁ und D„. Ein von den Strahlungsquellen S₁ und S„ zu dem Scheitelpunkt des Reflektors 111 gerichteter Strahl bildet einen

WinkeloL mit der senkrechten Linie L. Die Spiegele1emente A und B bzw, E und F der Spiegelpaare 1 und 2 sind in Bezug auf die Horizontal- und Vertikai ebene jeweils verkantet. Aus Fig. 1 geht hervor, daß die Stützfläche 15 unter einem Winkel O^ gegen die Hörizontalebene geneigt ist, so daß die Außenkante 16 der Spiegelelemente A und F höher liegt als deren Innenkante 17. Ferner sind die Spiegelflächen der Spiegelelemente eines jeden Spiegelpaares unter einem Winkel 90 -oL zueinander geneigt, wie dies aus Fig. 4 hervorgeht. Dieser Winkel errechnet sich wie folgt: cL = tan B₉/L„, wobei L„ durch den Abstand zwischen dem Scheitelpunkt des Reflektors und dem Auftreffpunkt des Strahles auf dem Sp i egel el ement A vorgegeben ist und B., dem halben Abstand zwischen den Auftreffpunkten auf den Spiegelelementen A und B entspricht. Diese Größen L„ und B sind in den Figuren 1 und 2 entsprechend dargestellt. Der Spiegel A bildet einen Winkel von 45° mit der Achse des Lichtstrahles 20'. Die Spiegelflächen der Spiegelelemente in jedem Spiegelpaar schließen somit einen Winkel von 90 - cC miteinander ein, so daß die Achse eines Lichtstrahles der von dem Scheitelpunkt des Reflektors auf das Element A fällt, zu dem Element B reflektiert wird und zurück zu dem Scheitelpunkt des Reflektors verläuft. Statt der Vorgabe eines Winkels von 45 zwischen der Achse des Lichtstrahles 20'und der Fläche des Spiegelelementes A kann gewünschtenfalls auch die Winkelhalbierende des durch das Spiegelpaar gebildeten Winkels
des Reflektors gerichtet sein.

Spiegelpaar gebildeten Winkels von 90° ^ ^L¹ zu dem Scheitelpunkt

Die Strahlenquellen S₁ und S„ sind unterhalb der Spiegelebene angeordnet und sie richten einen Strahl 20 zu dem sphärischen Reflektor 111. Sie können durch Infrarot-Leuchtdioden ClRLED) oder durch eine Laser-Lichtquelle mit geeigneter Wellenlänge vorgegeben sein. Unter Licht sei im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung eine Strahlung irn Infrarotbereich bezeichnet Gemäß den Figuren 2 und 3 wird die von der Strahlungsquelle aus-

0 '■ Ί ■"

01 S /

gesandte Infrarotstrahlung durch den sphärischen Spiegelreflektor auf den Spiegelabschnitt A des Spiegelpaares 1 zurückgeworfen, von diesem zu dem Spiege1abschnitt B reflektiert, verläuft von dem Spiegelabschnitt B über den sphärischen Spiege1reflektor zu dem Spiegelabschnitt E des Spiegelpaares 2, wird von diesem zu dem Spiegelabschnitt F reflektiert, gelangt sodann von dem Spiegelpaar 2 zu dem Spiegelpaar 3 usw. Durch Reflektion an dem sphärischen Spiegelreflektor und den einzelnen Spiegelpaaren pflanzt sich die Strahlung bis zu dem Spiegelpaar 12 fort und erreicht den Strahlendetektor D , Ein Hohlspiegel R, der an einem Träger 21 über der Spiegelanordnung angeordnet ist, fängt einen kleinen Teil der von den Strahlenquellen ausgesandten Strahlung auf und richtet diese zu dem Strahlendetektor D zur Vorgabe eines Referenzsignales, um den Einfluß von Intensitätsänderungen der Strahlenquelle auszuschalten.

Es ist die Aufgabe der Spiegelpaare, den wirksamen Ort der Strahlenquelle radial zu verschieben, so daß der Strahl in der Nähe des Zentrums des sphärischen Reflektors reflektiert wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ergibt sich eine Multiplikation der in etwa durch den Radius r des sphärischen Reflektors 111 vorgegebenen Weglänge mit einem Faktor 24. Bei einem Reflektorradius von 8 cm beträgt somit die optische Wegstrecke ungefähr zwei Meter.

Die Infrarot-Leuchtdioden S₁ und S„ strahlen mit eng benachbarten WeI 1 en 1 ängen Λ.1 und 7\2, wobei diese Wellenlängen nicht mit dem Absorptionsband des zu messenden Gases zusammenfallen. Sie müssen auf dem gleichen Träger angeordnet sein oder so dicht wie möglich nebeneinander integriert sein, so daß die von beiden Dioden ausgehende Strahlung auf einen entsprechend dimensionierten Detektor auftrifft.

Oi i .' - - -υ

-T-

Ein Blockdiagramm eines elektronischen Auswerteschaltkreises ist in Fig. 3 dargestellt. Das mittlere Strahlungsband der Leuchtdioden liegt bei den Wellenlängen TV 1 und "\. 2 und die Leuchtdioden werden abwechselnd durch eine Rechteckwellen-Treiberschaltung 30 angesteuert. Wenn kein absorbierendes Gas in der Zelle vorliegt, so ist das Antwortsignal der Detektoren D₁ und D„ für beide WeI 1 enl ängen TV. 1 und1\,2 gleich groß und es entsteht kein Wechselspannungssignal am Ausgang des Wechselspannungs-Di f f erenzverstärkers 32. Die WeI 1 enl ängen7\,1 und TV. 2 sind eng genug beieinander gewählt, so daß durch Staub·»- und Feuchtigkeitsänderungen nahezu gleiche Signaländerungen hervor— gerufen werden. Das Vorliegen eines die Strahlung mit der Wellenlänge "^, 1 absorbierenden Gases dämpft die von der Strahlenquelle mit der WeI1enlängeK1 ausgesandte Strahlung, während die von der Strahlenquelle mit der WeI1enlänge \ 2 ausgesandte Strahlung nicht gedämpft wird. Hierbei tritt ein Wechselspannungssignal am Ausgang des Verstärkers 32 auf, dessen Amplitude der Konzentration des absorbierenden Gases proportional ist und das auf der Anzeigeeinrichtung 34 angezeigt werden kann.

Der Aufbau des Gerätes 10 kann so getroffen werden, daß sowohl die Strahlenquellen S₁ und S„ als auch die Strahlendetektoren D₁ und D„ durch Infrarotfilter in Form von vorgesetzten Fenstern geschützt sind, so daß sie von dem durch das Gerät fließenden Gas abgetrennt sind. Das Gas kann über nicht dargestellte EIn- und Auslaßanschlüsse zugeführt werden oder auch das Gerät fre! durchströmen, was von dem jeweiligen Anwendungsfall abhängt.

Claims

HONEYWELL INC. 29. April 1981 Honeywell Plaza 1008218 GE Minneapolis, Minn., USA Hz/Z Gas-Absorptionsfühler Patentansprüche:

1. Gas-Absorptionsfühler mit einer von dem Gas gefüllten Sensorkammer, in der eine Strahlenquelle und ein Strahlendetektor angeordnet ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

die Sensorkammer C113) ist teilweise als sphärischer Reflektor (111) ausgebildet; und

ein aus einer Vielzahl von Spiegelpaaren CA, B; E, F) bestehender Ringspiegel (114) ist den Reflektor (111) gegenüber angeordnet, wobei die Spiegelflächen der Spiegelpaare einen annähernd rechten Winkel miteinander einschließen, sodaß ein von der Strahlenquelle (S) ausgehender Strahl zuerst zu dem Krümmungsscheitel des Reflektors, von dort zu einer Empfangs-Spiegelfläche (A) eines ersten Spiegelpaares, dann zu einer Reflexions-Spiegelfläche (B) des ersten Spiegelpaares, von dort über den Reflektor zu einer Empfangsspiegelfläche (E) eines zweiten Spiegelpaares, dann zu einer Reflexions-Spiegelfläche (F) des zweiten Spiegelpaares, von dort über den Reflektor zu einem dritten Spiegelpaar usw. bis zum Empfang nach Durchlauf aller Spiegelpaare durch den Strahlendetektor (D) verläuft.

/2

Oi I / i JU

2. Fühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelflächen CA, B; E,F) eines jeden Spiegelpaares einen Winkel von 90 - &¹ zwischen sich einschließen, wobei Ck = tan B„/L„ ist und B„ denn halben Abstand zwischen den Strahlenauftreffpunkten auf den Spiegelflächen eines Spiegelpaares entspricht und L„ die Stι
fläche und Reflektor darstellt.

paares entspricht und L„ die Strahllänge zwischen Spiegel-

3. Fühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorkammer O 13) einen den. Ringspiegel CiI¹O tragenden Basisabschnitt C112) aufweist.

4. Fühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor C111) haibkugelfömig ausgebildet ist und sich direkt auf dem Basisabschnitt C112) abstützt.

5. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis k, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringspiegel C14) wenigstens acht Spiegelpaare aufweist.

6. Fühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringspiegel Ci¹O zwölf Spiegelpaare aufweist.

7. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlendetektor CD) und die Strahlenquelle CS) symmetrisch zu der Trennlinie der beiden Spiegelflächen eines Spiegelpaares angeordnet sind.