DE3912688A1 - Korrelations-gasanalysator - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den op­ tischen Gerätebau und betrifft insbesondere einen Kor­ relations-Gasanalysator.

Die vorliegende Erfindung kann in der chemischen Industrie zur Analyse der Zusammensetzung von Mehrkom­ ponenten-Gasgemischen, in der Mikroelektronik zur Kon­ trolle der Gaszusammensetzung der Luft des Betriebs­ raumes, in der Metallurgie und anderen Industriezweigen angewendet werden. Die vorliegende Erfindung kann mit Erfolg für den Umweltschutz zur Kontrolle der Ablässe von die Atmosphäre verunreinigenden Gasen, wie sie SO₂, NO₂, NO, NH₃ u. a. sind, verwendet werden.

Zur Zeit baut die Mehrzahl der eine große Selekti­ vität aufweisenden Gasanalysatoren auf die Methode der Korrelationsspektroskopie auf, die von den charak­ teristischen Spektren (beispielsweise von einer quasi­ periodischen Struktur eines Absorptions- oder Durchläs­ sigkeitsspektrums) der zu untersuchenden Gase Gebrauch macht, um ihre Konzentration zu bestimmen. Hierbei müs­ sen die Gasanalysatoren zu einer Mehrkomponentenanalyse des zu untersuchenden Gases mit einem geringen Meßfeh­ ler befähigt werden, ohne die Konstruktion wesentlich zu komplizieren, und sich durch einen einfachen Über­ gang zur Messung des Gehaltes eines anderen Gases im Gemisch auszeichnen.

Es ist ein Korrelations-Gasanalysator ("Prikladnaya infrakrasnaya spektroskopiya") ("Angewandte Infrarotspek­ troskopie"), herausgegeben von D. Kendall, 1970 Verlag "Mir" (Moskau) bekannt, der eine Lichstrahlungsquelle und im Strahlenweg der Lichtstrahlung hintereinander ange­ ordnet ein Interferenzlichtfilter zur Abtrennung eines vorgegebenen Spektralbereiches eines zu untersuchenden Gases, einen Modulator, zwei Küvetten, von denen eine mit dem zu untersuchenden Gas und die zweite mit einem im vorgegebenen Spektralbereich des zu untersuchenden Gases keine Strahlung absorbierenden Gas gefüllt ist, einen Fotoempfänger und ein Registriergerät enthält.

Durch die mit dem zu untersuchenden Gas gefüllte Küvette geht die Strahlung außerhalb der Absorptions­ linien des zu untersuchenden Gases und durch die ande­ re Küvette im gesamten Spektralbereich des zu unter­ suchenden Gases durch. Der Fotoempfänger erzeugt ein Signal, das einer Strahlungsdämpfung durch Strahlungs­ absorption in den Linien des zu untersuchenden Gases entspricht, nach der das Vorhandensein und die Kon­ zentration des zu untersuchenden Gases bewertet wer­ den, das auf dem Wege zwischen der Lichtstrahlungs­ quelle und dem Fotoempfänger liegt.

Der bekannte Korrelations-Gasanalysator zeichnet sich durch eine niedrige Genauigkeit und geringe Re­ produzierbarkeit der Meßergebnisse auf Grund dessen aus, daß eine Absorption des zu untersuchenden Gases sowie dessen Entweichen aus der Küvette stattfinden. Im Falle einer Untersuchung aggressiver Gase, wie sie H₂S, SO₂ sind, sowie instabiler Gase, wie es z. B. NO₂ ist, ist der Einsatz eines derartigen Gasanalysators erschwert und kann nur unter Einhaltung entsprechender Bedingungen (Temperatur- und Feuchtigkeitskonstanz) verwirklicht werden.

Es ist auch ein Korrelations-Gasanalysator (Bull. inform. sci. et techn., 230/231, 1978 (R. Haulet, C. Vavasseur "Teledetection des polluants gazeux de l'at­ mosphere", p. 59) bekannt, der eine Lichtstrahlungs­ quelle, deren Lichtstrahlung ein zu untersuchendes Gas mit einer quasiperiodischen Struktur eines vor­ gegebenen Spektralbereichs passiert, und ein optisches System enthält, in dem im Strahlenweg der Lichtstrah­ lung hintereinander ein Kondensator, eine Eintrittsspalt­ blende, ein Dispersionselement und eine drehbar ange­ ordnete Austrittsspaltblende, die in Form einer Schei­ be mit einem Spalt zur Abtastung des vorgegebenen Spek­ tralbereichs des zu untersuchenden Gases auf einem Fo­ toempfänger ausgeführt ist, an dessen Ausgang der Ein­ gang eines Verstärkers für elektrische Signale ange­ schlossen ist, dessen Ausgang mit dem Eingang eines Registriergeräts elektrisch verbunden ist, liegen.

Im bekannten Korrelations-Gasanalysator wird als Dispersionselement ein konkaves Beugungsgitter ausgenutzt, während die in der Scheibe ausgeführten Spalte bogen­ förmig sind in der Weise liegen, daß sie mit der La­ ge von Maxima und Minima des Absorptionsspektrums des zu untersuchenden Gases in der Fokalebene des konkaven Beugungsgitters zusammenfallen.

Die das zu untersuchende Gas verlassende Lichtstrah­ lung wird durch das konkave Beugungsgitter in ein Spek­ trum zerlegt und passiert im weiteren die Spalte der Drehscheibe. Hierbei wird der vorgegebene Spektralbe­ reich des zu untersuchenden Gases auf dem Fotoempfänger diskret abgetastet. Der Modulationsfaktor der Licht­ strahlung ist proportional zur Differenz der Intensi­ täten der entsprechenden Durchlässigkeits- und Absor­ ptionsstellen im Spektralbereich des zu untersuchenden Gases und hängt vom Gehalt des zu untersuchenden Gases im Volumen ab.

Das optische System des bekannten Gasanalysators ist kompliziert in der Herstellung und Justierung der Scheibe, bei der die Spalte den Minima und Maxima im Absorptionsspektrum des zu untersuchenden Gases genau zugeordnet werden müssen, was den Meßfehler wesentlich beeinflußt und zu einer geringen Reproduzierbarkeit der Ergebnisse führt. Beim Übergang zur Untersuchung einer anderen Gaskomponente im Mehrkomponenten-Gasge­ misch ist es nötig, eine andere Scheibe mit entsprechen­ den Spalten zu benutzen und deren Justierung im opti­ schen System erneut durchzuführen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Korrelations-Gasanalysator zu schaffen, in dem durch Ausführung eines Spaltes derartiger Form in der Schei­ be unter Benutzung eines derartigen Verstärkers für elektrische Signale und derartiger zusätzlicher elek­ trischer Einheiten es möglich wird, eine Analyse eines Mehrkomponenten-Gasgemisches durchzuführen, ohne die Scheibe im optischen System auswechseln zu müssen.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in dem Korrelations-Gasanalysator, der eine Lichtstrah­ lungsquelle, deren Lichtstrahlung ein zu untersuchen­ den Gas mit einer quasiperiodischen Struktur eines vorgegebenen Spektralbereichs passiert, und ein opti­ sches System enthält, in dem im Strahlenweg der Licht­ strahlung hintereinander ein Kondensator, eine Eintritts­ spaltblende, ein Dispersionselement und eine drehbar angeordnete Austrittsspaltblende, die in Form einer Scheibe mit einem Spalt zur Abtastung des vorgegebenen Spektralbereichs des zu untersuchenden Gases auf einem Fotoempfänger ausgeführt ist, an dessen Ausgang der Eingang des Verstärkers für elektrische Signale an­ geschlossen ist, dessen Ausgang mit dem Eingang eines Registriergeräts verbunden ist, liegen, gemäß der Er­ findung der in der Scheibe ausgeführte Spalt die Form einer Archimedischen Spirale aufweist, deren Mitte mit der Scheibenmitte zur Deckung gebracht und deren Stei­ gung ungefähr gleich der Abtastlänge des vorgegebenen Spektralbereichs des zu untersuchenden Gases mit einer quasiperiodischen Struktur in der Abtastebene ist, und ein zusätzlicher Verstärker für elektrische Signale, dessen Eingang an den Ausgang des Fotoempfängers an­ geschlossen ist, sowie eine Korrektureinrichtung zur Verfügung stehen, deren Eingänge an die Ausgänge des Haupt- und des zusätzlichen Verstärkers für elektrische Signale und deren Ausgang an den Eingang des Registri­ ergeräts angeschlossen sind, wobei der Hauptverstärker für elektrische Signale als Resonanzverstärker mit einer Resonanzfrequenz ausgebildet ist, die durch die Drehgeschwindigkeit der Scheibe und die Zahl der Ma­ xima oder Minima im vorgegebenen Spektralbereich des zu untersuchenden Gases mit der quasiperiodischen Struk­ tur gegeben ist.

Es ist zweckmäßig, daß die die Resonanzfrequenz des Hauptresonanzverstärkers für elektrische Signale aus der Beziehung

ermittelt wird, worin Δ λ der vorgegebene Spektralbereich des zu untersuchenden Gases mit der quasiperiodischen Struktur, δ λ die Periode der Struktur des vorgegebenen Spektralbereichs des zu unter­ suchenden Gases, N die Drehgeschwindigkeit der Scheibe ist.

Es ist nützlich, daß der zusätzliche Verstärker für elektrische Signale als Resonanzverstärker mit ei­ ner anderen Resonanzfrequenz ausgebildet ist, die durch die Drehgeschwindigkeit der Scheibe gegeben ist.

Der erfindungsgemäße Korrelations-Gasanalysator gestattet es, Gaskomponenten von Mehrkomponenten-Gas­ gemischen zu untersuchen, ohne die Scheibe im opti­ schen System auszuwechseln, was den Meßfehler wesent­ lich herabmindert, der auf eine Ungenauigkeit der Jus­ stierung der Scheibe im optischen System zurückzuführen ist.

Die Herstellung des Spalts in Form der Archime­ dischen Spirale in der Scheibe bereitet vom Standpunkt der Technologie keine Schwierigkeiten und ist an die Bedingungen einer Serienfertigung angepaßt, weil sie nach einer bekannten Formel für numerisch gesteuerte Werkzeugmaschinen programmiert wird.

Die Benutzung der zwei Resonanzverstärker und der Korrektureinrichtung in der elektrischen Schaltung des Korrelations-Gasanalysators erlaubt es, den Einfluß verschiedener Störungen beträchtlich zu verringern, was den Meßfehler reduziert.

Die Erfindung soll durch die nachstehende Beschrei­ bung an einer konkreten Ausführungsform anhand der bei­ liegenden Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 schematisch einen erfindungsgemäßen Korrela­ tions-Gasanalysator mit einem optischen System im Schnitt;

Fig. 2 eine Scheibe mit einem Spalt in Form einer Archimedischen Spirale und mit der Lage des Spaltes zusammenfallende Durchlässigkeitsspektren für NH₃ und SO₂.

Der Korrelations-Gasanalysator enthält eine Licht­ strahlungsquelle 1 (Fig. 1), als welche eine künstliche oder natürliche Lichteinstrahlungsquelle (der Mond oder die Sonne) benutzt werden können, und ein optisches System 2. Zwischen der Lichtstrahlungsquelle 1 und dem optischen System 2 ist ein zu untersuchendes Gas 3 mit einer quasiperiodischen Struktur eines vorgegebenen Spektralbereichs untergebracht, das sich in der Atmos­ phäre oder in einer speziellen Küvette befindet.

Das optische System 2 enthält in der beschriebenen Ausführungsform im Strahlengang der Lichtstrahlung hin­ tereinander angeordnet eine Blende 4, die das Auffallen einer gestreuten Lichtstrahlung verhindert, einen Kon­ densor 5, der in Form einer bikonvexen Linse ausgeführt ist und die Lichtstrahlung auf eine Eintrittsspalt­ blende 6 fokussiert, ein Dispersionselement 7, das in Form eines konkaven Beugungsgitters (im folgenden Beu­ gungsgitter 8 genannt) ausgebildet ist, und eine dreh­ bar angeordnete Austrittsspaltblende 8. In der beschrie­ benen Ausführungsform stellt die Austrittsspaltblende 8 eine Scheibe (im folgenden Scheibe 8) mit einem Spalt 9 in Form einer Archimedischen Spirale dar, die durch einen Elektromotor 10 in Drehung versetzt wird. Hinter der Austrittsspaltblende 8 liegt ein Fotoempfänger 11, dessen Ausgang an den Eingang eines Vor­ verstärkers 12 für elektrische Signale angeschlossen ist, an dessen Ausgang die Eingänge von Verstärkern 13, 14 für elektrische Signale gelegt sind. Der Ver­ stärker 13 für elektrische Signale ist als Resonanzver­ stärker ausgebildet und dient zur Abtrennung einer Resonanzfrequenz f₁, die aus der Beziehung

ermittelt wird, worin Δ λ der vorgegebene Spektralbe­ reich des zu untersuchenden Gases 3 mit einer quasipe­ riodischen Struktur, δ λ die Periode einer Struktur des vorgegebenen Spektralbereichs des zu untersuchenden Ga­ ses 3, N die Drehgeschwindigkeit der Scheibe 8 ist.

Der Verstärker 14 für elektrische Signale ist als Resonanzverstärkerr mit einer anderen Resonanzfrequenz f₂ ausgebildet, die durch die Drehgeschwindigkeit N der Scheibe 8 bestimmt wird und zur Korrektur der In­ stabilität des Ausgangssignals des Resonanzverstärkers 13 dient, die durch Änderung der Intensität der Licht­ strahlung bedingt ist.

In einer anderen Ausführungsform kann als Verstär­ ker 14 ein Gleichstromverstärker eingesetzt werden. An die Ausgänge der Verstärker 13, 14 für elektrische Sig­ nale sind die Eingänge einer Korrektureinrichtung 15 angeschaltet, an deren Ausgang ein Registriergerät 16 geführt ist, das in Konzentrationseinheiten des zu un­ tersuchenden Gases 3 geeicht ist.

In Fig. 2 ist eine Scheibe 8 mit einem Spalt 9 in Form einer Archimedischen Spirale dargestellt, deren Mitte mit der Mitte der Scheibe 8 zur Deckung gebracht und deren Steigung 1 ungefähr gleich der Abtastlänge des vorgegebenen Spektralbereichs Δ λ des zu untersu­ chenden Gases 3 mit der quasiperiodischen Struktur in der Fokalebene des konkaven Beugungsgitters 7 (Fig. 1) ist, das in der beschriebenen Ausführungsform als Ab­ tastebene dient. Der Übersichtlichkeit der Darstellung halber sind die vorgegebenen Bereiche der Durchlässig­ keitsspektren für NH₃ und SO₂ (Fig. 2, Kurven a, b) in der Zeichnung mit der Lage des Spaltes 9 in der Scheibe 8 zur Deckung gebracht.

Auf der Abszissenachse ist die Wellenlänge λ des Spektrums der zu untersuchenden Gase 3 in nm und auf der Ordinatenachse der Durchlässigkeitsgrad T in rela­ tiven Einheiten aufgetragen, wobei zur Erleichterung der Darstellung die Spektren für NH₃ und SO₂ gegenein­ ander in Richtung der Ordinatenachse verschiebbar sind.

Der erfindungsgemäße Korrelations-Gasanalysator arbeitet wie folgt.

Die Lichtstrahlung von der Lichtstrahlungsquelle 1 (Fig. 1) passiert das zu untersuchende Gas 3, und sein Spektrum nimmt eine charakteristische quasiperiodische Struktur im vorgegebenen Spektralbereich Δ λ gemäß Fig. 2 an. Dann wird die Lichtstrahlung über die das Auf­ treffen einer gestreuten Lichtstrahlung verhindernde Blende 4 (Fig. 1) durch den Kondensor 5 auf die Ein­ trittsspaltblende 6 gesammelt. Nachdem die Lichtstrah­ lung die Eintrittsspaltblende 6 passiert hat, fällt sie auf das konkave Beugungsgitter ein, das die Licht­ strahlung im vorgegebenen Spektralbereich Δ λ (Fig. 2) des zu untersuchenden Gases 3 (Fig. 1) dispergiert, die in der Fokalebene des konkaven Beugungsgitters 7 fokussiert wird. Die Drehscheibe 8 mit dem Spalt 9 in Form der Archimedischen Spirale, die in der genannten Fokalebene liegt, verwirklicht eine kontinuierliche zeitliche Abtastung des vorgegebenen Spektralbereichs Δ λ (Fig. 2) des zu untersuchenden Gases 3 auf dem Fotoempfänger 11, der die Lichtstrahlung in ein elek­ trisches Signal umwandelt, das am Eingang des Vorver­ stärkers 12 eintrifft. Das verstärkte Signal wird den Eingängen der Verstärker 13, 14 für elektrische Sig­ nale zugeführt, in deren erstem das Signal auf der Fre­ quenz f₁ abgetrennt und verstärkt und die Signale der anderen Frequenzen unterdrückt werden. Bei den in Fig. 2 dargestellten Durchlässigkeitsspektren für NH₃ (Kur­ ve a) und SO₂ (Kurve b) beträgt der vorgegebene Spekt­ ralbereich Δ λ mit der quasiperiodischen Struktur 200 bis 215,5 nm, die Periode δ λ der quasiperiodischen Struktur 3,8 bzw. 1,6 nm. Bei der Drehgeschwindigkeit N der Scheibe 8, die 60 U/s ausmacht, beträgt die Re­ sonanzfrequenz f₁ für NH₃ 2400 Hz und für SO₂ 600 Hz.

Für eine Analyse der Konzentration von NH₃ wird also der Resonanzverstärker 13 auf eine Frequenz von 240 Hz und für eine Analyse von SO₂ auf eine Frequenz von 600 Hz abgestimmt. Hierbei entspricht die Amplitude des abgetrennten Signals der Konzentration des zu un­ tersuchenden Gases 3. Im zweiten Verstärker 14, falls er als Resonanzverstärker ausgebildet ist, wird das Sig­ nal auf einer Frequenz von f₂ abgetrennt, die den Ab­ tastvorgang charakterisiert und von den Spektralkurven des zu untersuchenden Gases 3 nicht abhängt, während die durch verschiedene Störungen bedingten Signale der anderen Frequenzen unterdrückt werden. Die Ausgangssig­ nale der Verstärker 13, 14 gelangen auf die Eingänge der Korrektureinrichtung 15, wo die Amplitude des Sig­ nals mit der Frequenz f₁ auf die Amplitude des Signals mit der Frequenz f₂ reduziert wird. Auf solche Weise wird die Amplitudenänderung des Signals bei der Fre­ quenz f₁, die durch Änderung der Intensität der Licht­ strahlung bedingt ist, die infolge einer nichtselek­ tiven Absorption der Lichtstrahlung im Strahlenweg so­ wie infolge einer Änderung der Parameter der Lichtstrah­ lungsquelle 1 entsteht, korrigiert, was die Meßgenauig­ keit erhöht. Das reduzierte Signal gelangt von der Kor­ rektureinrichtung 15 auf den Eingang des Registrier­ geräts 16, wo die Konzentration des zu untersuchenden Gases 3 in digitaler oder analoger Form angezeigt wird.

Falls das optische System 2 im gleichen Gehäuse mit der Strahlungsquelle 1 untergebracht und auf sol­ che Weise der gesamte Strahlenweg von einer äußeren Fremdstrahlung geschützt ist, ist es zweckmäßig, den Verstärker 14 für elektrische Signale einzusetzen, der als Gleichstromverstärker ausgebaut ist.

In diesem Fall wird in der Korrektureinrichtung 15 die Amplitude des Signals bei der Frequenz f₁ auf die Gleichkomponente des Signals reduziert. Im weiteren erfolgt die Signalaufzeichnung in Analogie zum oben Beschriebenen.

Bei einem Übergang zur Messung des Inhalts einer anderen Gaskomponente in einem Mehrkomponenten-Gas­ gemisch reicht es aus, den Resonanzverstärker 13 auf eine Resonanzfrequenz f₁ abzustimmen, die den Spek­ tralkurven Δ λ, δ λ des zu untersuchenden Gases 3 ent­ spricht.

Hierbei bedarf es keiner Auswechslung der Scheibe 8 und keiner erneuten Justierung des optischen Systems 2, was die Meßgenauigkeit wesentlich erhöht.

Der erfindungsgemäße Korrelations-Gasanalysator wird somit durch einen geringen Aufwand für die Her­ stellung und durch eine einfache Justierung des opti­ schen Systems sowie durch einen einfachen Betrieb ge­ kennzeichnet.

Claims (3)

1. Korrelations-Gasanalysator, der eine Lichtstrahlungsquelle (1), deren Lichtstrah­ lung ein zu untersuchendes Gas (3) mit einer quasiperi­ odischen Struktur eines vorgegebenen Spektralbereichs (Δ λ) passiert, und
ein optisches System (2) enthält, in dem im Strahlengang der Lichtstrahlung hintereinander
ein Kondensor (5),
eine Eintrittsspaltblende (6),
ein Dispersionselement (7) und
eine drehbar angeordnete Austrittsspaltblende (8),
die in Form einer Scheibe mit einem Spalt (9) zur Ab­ tastung des vorgegebenen Spektralbereichs (Δ λ) des zu untersuchenden Gases (3) ausgeführt ist,
ein Fotoempfänger (11), an dessen Ausgang der Eingang
eines Verstärkers (13) für elektrische Signale angeschlossen ist, und
ein Registriergerät (16), dessen Eingang elek­ trisch mit dem Ausgang des Verstärkers (13) für elek­ trische Signale verbunden ist, liegen, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der in der Scheibe ausge­ führte Spalt (9) die Form einer Archimedischen Spirale aufweist, deren Mitte mit der Scheibenmitte zur Deckung gebracht und deren Steigung (1) ungefähr gleich der Abtastlänge des Spektralbereichs (Δ λ) des zu unter­ suchenden Gases (3) mit einer quasiperiodischen Struk­ tur in der Abtastebene ist, und außerdem
ein zusätzlicher Verstärker (14) für elektrische Signale, dessen Eingang an den Ausgang des Fotoempfän­ gers (11) angeschlossen ist, sowie
eine Korrektureinrichtung (15) zur Verfügung steh­ en, deren Eingänge an die Ausgänge des Haupt- und des zusätzlichen Verstärkers (13 bzw. 14) für elektrische Signale und deren Ausgang an den Eingang des Registrier­ geräts (16) angeschlossen ist, wobei der Hauptverstär­ ker (13) für elektrische Signale als Resonanzverstärker mit einer Resonanzfrequenz (f₁) ausgebildet ist, die durch die Drehgeschwindigkeit (N) der Scheibe und die Zahl der Maxima oder Minima im vorgegebenen Spektralbe­ reich (Δ λ) des zu untersuchenden Gases (3) mit der quasiperiodischen Struktur gegeben ist.

2. Korrelations-Gasanalysator nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Resonanz­ frequenz (f₁) des Hauptresonanzverstärkers (13) für elektrische Signale aus der Beziehung ermittelt wird, worin Δ λ der vorgegebene Spektralbereich des zu untersuchenden Gases (3) mit der quasiperiodi­ schen Struktur, δ λ die Periode der Struktur des vorge­ gebenen Spektralbereichs des zu untersuchenden Gases (3), N die Drehgeschwindigkeit der Scheibe ist.

3. Korrelations-Gasanalysator nach Anspruch 1, 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzli­ che Verstärker (14) für elektrische Signale als Reso­ nanzverstärker mit einer anderen Resonanzfrequenz (f₂) ausgebildet ist, die durch die Drehgeschwindigkeit (N) der Scheibe gegeben ist.