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Infrarot-Gasanalysator
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Die Erfindung betrifft einen Infrarot-Gasanalysator, der bei der
Herstellung von Spektralphotometern, Filteranalysatoren und anderen optischen Einrichtungen
Anwendung finden kann.
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Bekannt ist ein Gasanalysator, der aus mehreren optischen Bauteilen,
die jeweils eine Lichtquelle, einen Lichtdetektor und eine Schaltung zur Formung
von zwei eine Meß- und eine Vergleichsküvette durchlaufenden Lichtstrahlen enthalten,
und aus einem Lichtmodulator und einer elektronischen Schaltung besteht, wobei die
beiden letzteren für alle Bauteile gemeinsam sind. Bei diesem Analysator stellt
der Lichtmodulator eine Scheibe mit Sektorschitzen dar. Die Drehachse des Lichtmodulators
ist parallel der optischen Achse des Gasanalysators, so daß der Durchmesser des
Modulators die Abmessungen der
Küvetten übersteigt und recht große
Außenmaße der ganzen Anordnung bedingt. Dieser Gasanalysator weist auch eine komplizierte
Optik auf (siehe die FR-Anmeldung Nr.
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2241782, 1975).
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Es ist ferner ein Gasanalysator bekannt, der eine Lichtquelle, sphärische
Spiegel, zwei Küvetten, einen Spiegelmodulator, ein Beugungsgitter und mehrere Lichtdetektoren
(siehe die US-PS 3 696 247, 1972) enthält.
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Infolge Anwendung des Beugungsgitters zur Spektralselektion des Lichtstrahls
werden die Abmessungen des Optikteils des Analysators beträchtlich vergrößert und
mehrere Lichtdetektoren benötigt, so daß zusätzliche Justierarbeiten durchgeführt
werden müssen, welche die Genauigkeit des Analysators senken.
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Darüber hinaus ist ein Infrarot-Gasanalysator bekannt, der eine Infrarot-Lichtquelle
und - im Strahlungswege hintereinander angeordnet - ein System von zwei sphärischen
Spiegeln zur Teilung des Strahls in zwei parallele Lichtstrahlen, einen als Sektor
einer Scheibe ausgebildeten Lichtmodulator, der im Ausbreitungsweg der genannten
parallelen Lichtstrahlen angeordnet ist, Infrarotfilter, einen Meß- und einen zu
diesem parallel verlaufenden Vergleichskanal, eine Synchronisierungseinheit einer
elektronischen Schaltung zur Signalverarbeitung und einen Lichtdetektor (siehe die
DE-PS 2 813 239, 1978) enthält.
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Dadurch, daß der Lichtmodulator im Wege der parallelen Lichtstrahlen
angeordnet ist, wird die Bemessung des Durchmessers der Scheibe bedingt, aus der
der Sektor des
Lichtmodulators gebildet ist, und zwar muß der Durchmesser
dieser Scheibe zwecks sicherer Verdeckung des Lichtstrahls größer als der Abstand
zwischen den äußeren Punkten der parallelen Lichtstrahlen sein. Dies setzt größere
Abmessungen des gesamten Geräts nicht nur in der Breite, sondern auch in der Höhe
voraus. Hinzu kommt, daß infolge unmittelbarer Befestigung des Lichtmodulators an
einer zur optischen Achse des Gasanalysators parallelen Achse des Antriebs die Außenmaße
des Geräts in der Länge vergrößert werden. Da der Lichtmodulator hinter den zur
Formung der parallelen Lichtbündel im Meß- bzw. Vergleichskanal dienenden Spiegeln
angeordnet ist, erweist sich die Abzweigung eines zur Auslösung der Synchronisierungseinheit
benötigten Strahlungsteils von der Quelle ohne Verminderung der Lichtstärke unter
Verwendung eines Lichtmodulators bekannter Bauart als unmöglich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Infrarot-Gasanalysator
zu schaffen, dessen Lichtmodulator so aufgebaut ist, daß die Außenmaße des gesamten
Geräts verkleinert, sein Optikteil vereinfacht und die Synchronisierungseinheit
von der Hauptlichtquelle aus ohne Verminderung der Lichtstärke des Geräts ausgelöst
werden kann.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß im Infrarot-Gasanalysator,
der eine Lichtquelle und - im Strahlengang hintereinander angeordnet - sphärische
Spiegel zur Teilung des Lichtstrahls in zwei parallele Lichtstrahlen, Infrarotfilter,
einen Meß- und einen Vergleichskanal, eine Synchronisierungseinheit, einen Lichtdetektor
sowie einen Lichtmodulator enthält, erfindungsgemäß der Lichtmodulator zwischen
der Lichtquelle und den sphärischen Spiegeln in einem divergenten Lichtstrahl angeordnet
und in Form von zwei auf einer Drehachse gelagerten und zueinander
um
1800 um diese Achse verschwenkten identischen Flügeln ausgebildet ist, die jeweils
als Sektor der Mantelfläche eines geraden Kegelstumpfs gestaltet sind, wobei die
kleinen Kreis flächen des die Flügel bildenden Kegelstumpfs miteinander zur Deckung
gebracht sind, während die Drehachse des Lichtmodulators mit den Symmetrieachsen
der beiden Kegel zusammenfällt und in einer Ebene, in der die optischen Achsen der
parallelen Lichtstrahlen liegen, senkrecht zu diesen verläuft.
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Es ist vorteilhaft, daß der Öffnungswinkel der Kegelstümpfe in einem
Bereich von 20 bis 550 gewählt ist und der Bogen der großen Kreisfläche jedes Flügels
zwischen 180 und 2400 liegt.
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Es ist zweckmäßig, daß einer der Flügel des Lichtmodulators in eine
gerade Anzahl von identischen Teilen aufgeteilt ist, die symmetrisch in bezug auf
die Drehachse des Lichtmodulators angeordnet sind.
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Es ist von Vorteil, daß die Lichtdetektoren der Synchronisierungseinheit
im Wege des divergenten Strahlenbündels der Lichtquelle aufgestellt sind, das die
Wirkzone des Lichtmodulators durchläuft und die Grenzen der sphärischen Spiegel
überschreitet.
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Der erfindungsgemäße Infrarot-Gasanalysator besitzt gegenüber den
bekannten Gasanalysatoren bedeutend kleinere Außenmaße, bedarf keiner zusätzlichen
Lichtquelle zur Auslösung der Synchronisierungseinheit, was die optische Einrichtung
des Gerätes vereinfacht und seine Justierung bei Beibehaltung einer hohen Lichtstärke
des Gerätes erleichtert.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand von konkreten Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig.
1 ein Strahlendiagramm des erfindungsgemäßen Infrarot-Gasanalysators; Fig. 2 schematische
Darstellung des Lichtmodulators und des Antriebs in Vorderansicht; Fig. 3 dasselbe
wie in Fig. 2, Ansicht nach Pfeil A; Fig. 4 eine perspektivische Darstellung des
Lichtmodulators; Fig. 5 eine Ausführungsform des Lichtmodulators mit einem Flügel,
der in Teile aufgeteilt ist, in perspektivischer Darstellung.
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Der Infrarot-Gasanalysator enthält eine Lichtquelle 1 (Fig. 1) und
- im Strahlengang hintereinander angeordnet - sphärische Spiegel 2 zur Teilung der
Strahlung der Quelle 1 in zwei parallele Lichtströme, Infrarotfilter 3, einen Meß-
und einen Vergleichskanal, wobei in dem ersten Kanal eine Meßküvette 4 und in dem
Vergleichskanal eine Vergleichsküvette 5 angeordnet sind sowie Fokussierungsspiegel
6, durch die die durch die Küvetten 4, 5 hindurchgetretenen Strahlen auf den Lichtdetektor
7 gerichtet
wird. In der Nähe der Lichtquelle 1 ist zwischen dieser
und den sphärischen Spiegeln 2 im divergenten Lichtstrom ein Lichtmodulator 8 angeordnet,
dessen Drehachse 9 in einer Ebene, in der die Achsen 10 der parallelen Lichtstrahlen
verlaufen, senkrecht zu diesen liegt.
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Die Detektoren 11 der Synchronisierungseinheit einer elektronischen
Signalverarbeitungseinrichtung (nicht mitgezeichnet) sind im Wege des divergenten
Strahlenbündels der Lichtquelle 1 aufgestellt, das die Wirkzone des Lichtmodulators
8 durchläuft und die Grenze der sphärischen Spiegel 2 überschreitet. Die Detektoren
11 sind in derjenigen Ebene angeordnet, in der die optischen Achsen 10 der parallelen
Lichtstrahlen und die Achse 9 des Lichtmodulators 8 verlaufen.
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Der Lichtmodulator 8 ist in Form von zwei auf der Drehachse 9 gelagerten
und zueinander um 1800 um diese Achse verschwenkten identischen Flügeln 12 ausgebildet.
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Jeder Flügel 12 ist als Sektor der Mantelfläche eines geraden Kegelstumpfs
gestaltet, wobei die kleinen Kreisflächen der die Flügel 12 bildenden Kegelstümpfe
miteinander zur Deckung gebracht sind. Die Drehachse 9 des Modulators 8 fällt mit
den Symmetrieachsen der beiden Kegelstümpfe zusammen. Der Öffnungswinkel der Kegelstümpfe
ist in einem Bereich von 20 bis 550 und der Bogen der großen Kreisfläche jedes Flügels
12 in einem Bereich von 180 bis 2400 gewählt. Die in den angegebenen Grenzen gewählten
Parameter der Flügel 12 gewährleisten das Ausbleiben der von der Quelle 1 gelieferten
Signale am Lichtdetektor 7 in den vorgegebenen Zeitspannen, die durch ein dazu geeignetes
Verfahren zur Signalverarbeitung mittels einer elektronischen Verarbeitungsschaltung
festgelegt werden. In
Fig. 2 bis 4 ist eine Ausführungsform des
Modulators 8 mit Flügeln 12 dargestellt, bei denen der Bogen der großen Kreisfläche
der Kegel gleich 220° und der Öffnungswinkel des Kegelstumpfs 50° ist. In Fig. 2
und 3 ist außerdem ein Antrieb 13 gezeigt, auf dessen Welle eine Riemenscheibe 14
sitzt, die mit dem Lichtmodulator 8 über einen Riemen 15 verbunden ist. Jedoch gestattet
es der Aufbau des Lichtmodulators 8, auch andere Antriebsarten, z. B.
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mit einem Reibungs- oder einem Zahngetriebe, einzusetzen.
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In Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform des Lichtmodulators abgebildet,
bei der einer der Flügel 12 in zwei gleiche Teile 16 aufgeteilt ist, die symmetrisch
in bezug auf die Drehachse 9 des Modulators 8 angeordnet sind. Im allgemeinen kann
einer der Flügel 12 des Modulators in eine beliebige ganze Zahl von Teilen aufgeteilt
werden, die symmetrisch in bezug auf die Drehachse angeordnet sind. Diese Ausführungsform
des Lichtmodulators ermöglicht die Erzeugung verschiedener Modulationsfrequenzen
im Meß- und Vergleichskanal.
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Der Infrarot-Gasanalysator funktioniert wie fol-gt: Die Strahlen
der Lichtquelle 1 (Fig. 1) treffen bei der Drehung des Modulators 8 intermittierend
auf die Spiegel 2. Hierbei werden zwei parallele Lichtstärken gebildet, aus denen
die Infrarotfilter 3 den gegebenen Spektralbereich abtrennen. Dann wird der Lichtstrahl
in die Vergleichsküvette 5 oder in die Meßküvette 4 geleitet.
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Die Vergleichsküvette 5 stellt ein geschlossenes Volumen dar, das
mit Luft gefüllt ist, während durch die Meßküvette ein mit Luft gemischtes Probengas
hindurchgepumpt wird.
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Das durch die Küvetten 4, 5 hindurchgetretene Licht wird auf den Detektor
7 fokussiert. Gleichzeitig trifft das Licht der Lichtquelle 1 intermittierend auf
die Detektoren 11 der Synchronisierungseinheit auf. Die Signale von den Detektoren
7 und 11 werden zur elektronischen Verarbeitungsschaltung gespeist, die ein Signal
erzeugt, das der Konzentration des zu untersuchenden Gases proportional ist.
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Bei der in Fig. 2 bis 4 gezeigten Ausführungsform treffen die Lichtimpulse
auf die Meßküvette 4 und die Vergleichsküvette 5 mit gleicher Frequenz auf.
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Beim Einsatz der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform des Lichtmodulators
wird im Meßkanal die Strahlung durch einen ungeteilten Flügel 12 und im Vergleichskanal
durch den Flügel 12 unterbrochen. Der letztere ist in zwei Einzelteile 16 aufgeteilt;
dementsprechend ist die Modulationsfrequenz in diesem Kanal um das Zweifache höher.
Der Bogen der großen Kreisfläche jedes Teils 16 ist bei dieser Ausführungsform des
Lichtmodulators gleich 900 und der Bogen der großen Kreisfläche der Flügel 12 beträgt
1800.
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Durch die angewendete Form des Lichtmodulators 8 wird ermöglicht,
die Abmessungen desselben beträchtlich zu verringern und ihn in unmittelbarer Nähe
der Strahlungsquelle 1 anzubringen, wo die divergenten Lichtbündel von kleinem Querschnitt
sind und hinreichend nahe aneinander verlaufen. Dies bietet die Möglichkeit, bei
gleicher Lichtstärke und gleichgroßen Abmessungen in der Breite gegenüber den bekannten
Gasanalysatoren die Höhe des Optikteils des erfindungsgemäßen Gasanalysators zu
verringern. Die
erfindungsgemäß eingesetzte Bauart des Lichtmodulators
macht es möglich, die Ausgangswelle bzw. den Antrieb senkrecht zur Längsachse des
Optikteils des Gasanalysators anzubringen, was dessen Länge verringert. Darüber
hinaus ermöylicht es der in der Nähe der Quelle in divergenten Lichtbündeln angeordnete
Lichtmodulator, die Lichtstrahlen in kleinen Querschnitten zu modulieren und einen
Teilstrahl in der Wirkzone des Modulators 8 für den Betrieb der Synchronisierungseinheit
zu benutzen. Somit ist es gelungen, ohne zusätzliche Lichtquelle in der Synchronisierungseinheit
auszukommen und die Justierung des optischen Systems zu vereinfachen.
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