DE4010004A1 - Measurements of gas concentrations - by passing monochromatic radiation through gas contained in vessel through movable part reflecting end surfaces - Google Patents
Measurements of gas concentrations - by passing monochromatic radiation through gas contained in vessel through movable part reflecting end surfacesInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method according to the Preamble of claim 1.
Ein Verfahren zur Bestimmung der Konzentration von Gasen stellt die Absorptionsspektroskopie dar, bei der die Absorptionslinien der von mono chromatischer Strahlung durchlaufenen Gase fest gestellt werden. Durch Verwendung monochromatischer Signalquellen, zum Beispiel Mikrowellengeneratoren oder Laser, kann eine hohe Nachweisempfindlichkeit bei gleichzeitig ausgezeichneter Selektivität erreicht werden.A method for determining the concentration of Gases is represented by absorption spectroscopy, where the absorption lines of mono gases passed through chromatic radiation be put. By using monochromatic Signal sources, for example microwave generators or laser, can have a high sensitivity with excellent selectivity can be achieved.
Das zu messende Gas befindet sich üblicherweise in einer Küvette, die von der monochromatischen Strahlung durchlaufen wird. Dabei sind jeweils mindestens ein Eintritts- und ein Austrittsfenster vorgesehen, durch die die Strahlung beim Eintritt in die bzw. Austritt aus der Küvette hindurchtritt. An diesen Grenzflächen darstellenden Fenstern treten beim Durchtritt der Strahlung Reflexionen auf; mindestens zwei derartiger Grenzflächen im Strahlengang bilden einen Resonator, dessen Strahlungsdurchlässigkeit in Abhängigkeit von der Wellenlänge der Strahlung schwankt. Die Abstände der Maxima und Minima dieser Schwankungen sind umgekehrt proportional zur Länge des Resonators und ihre Intensität liegt in der Größenordnung der von der Wellenlänge der Strahlung abhängigen Änderung der im Gas erfolgenden Absorption. Die Lage der Maxima und Minima dieses auch als "optisches Rauschen" bezeichneten Störsignals wird bestimmt durch die Abmessungen der Meßapparatur. Diese Lage ist nicht stabil, da dies eine nicht realisierbare extreme Stabilität der Abmessungen im Bereich von etwa ein Tausendstel der Wellenlänge voraussetzt. Das Störsignal ist somit nicht durch seine Lage vom Absorptionssignal unterscheidbar und da diese auch hinsichtlich ihrer Größe verwechselt werden können, sind Fehlmessungen nicht auszuschließen.The gas to be measured is located usually in a cuvette that differs from the is passed through monochromatic radiation. At least one entry and an exit window is provided through which the Radiation when entering or exiting the cuvette passes through. At these interfaces performing windows occur when the Radiation reflections on; at least two of them Interfaces in the beam path form one Resonator, whose radiation transmission in Dependence on the wavelength of the radiation fluctuates. The distances of the maxima and minima these fluctuations are inversely proportional the length of the resonator and its intensity is of the order of the wavelength the radiation-dependent change in the gas absorption. The location of the maxima and Minima this also as "optical noise" designated interference signal is determined by the Dimensions of the measuring apparatus. This location is not stable as this is an unrealizable extreme Dimensional stability in the range of about requires a thousandth of the wavelength. The interference signal is therefore not due to its location distinguishable from the absorption signal and since this also be confused regarding their size incorrect measurements cannot be excluded.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Messung der Konzentration von Gasen durch Ermittlung ihrer Absorptionslinien, bei dem eine monochromatische Strahlung eine mindestens ein zu messendes Gas enthaltende, in Durchstrahlrichtung durch teilreflektierende Grenzflächen bestimmte Meßstrecke durchquert, anzugeben, bei dem die Unterscheidbarkeit des Absorptionssignals und des Störsignals erhöht wird, so daß diese bei der Signalauswertung fehlerfrei voneinander getrennt werden können.It is therefore the object of the present invention a method of measuring the concentration of Gases by determining their absorption lines, where a monochromatic radiation is a containing at least one gas to be measured, in the direction of radiation through partially reflecting Crossing certain measuring sections at the interfaces, specify where the distinctness of the Absorption signal and the interference signal increased is, so that this in the signal evaluation can be separated from each other without errors.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Merkmal gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.This object is achieved by the im characterizing part of claim 1 specified Feature solved. Advantageous further developments of the The method according to the invention result from the subclaims.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß der gegenseitige Abstand der Grenzflächen während einer Messung verändert wird zur Veränderung von durch die Reflexion an den Grenzflächen bewirkten Störkomponenten in der durch die Meßstrecke ge führten Strahlung. Im Unterschied zum lageunab hängigen Absorptionssignal variiert bei einer Veränderung des gegenseitigen Abstandes der Grenzflächen das Störsignal, so daß hierdurch mittels einer geeigneten Auswertung diese beiden Signale voneinander unterschieden werden können. Es kann somit bei den gegenwärtig verwendeten Apparaturen die Nachweis- und Meßempfindlichkeit erheblich gesteigert oder bei gleichbleibender Empfindlichkeit die Apparatur verkleinert werden. Dieser letztere Vorteil ist von besonderem Interesse, da die zur Messung üblicherweise benutzten Küvetten optisch aufwendig und großvolumig sind. Außerdem ist in vielen Fällen eine Temperierung der gesamten Apparatur auf ca. 350°C erforderlich. Mit der Verkleinerung der Küvette reduziert sich auch der für die Optik und die Temperierung erforderliche Aufwand. Damit sind auch die Voraus setzungen für ein tragbares Meßgerät geschaffen.The invention is characterized in that the mutual distance of the interfaces during a measurement is changed to change caused by the reflection at the interfaces Interference components in the ge through the measuring section led radiation. In contrast to the location-independent dependent absorption signal varies at one Change the mutual distance of the Interfaces the interference signal, so that this by means of a suitable evaluation these two Signals can be distinguished from one another. It can thus be used in the currently used Equipment the detection and measurement sensitivity significantly increased or at the same Sensitivity the equipment can be reduced. This latter advantage is of particular interest because they are usually used for measurement Cuvettes are optically complex and large-volume. In addition, tempering is in many cases the entire apparatus to approx. 350 ° C. Reduced with the downsizing of the cuvette also for optics and temperature control effort required. This is also the advance Settlements for a portable measuring device created.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels naher erläutert. Es zeigen: The invention is based on an in the figures shown embodiment explained in more detail. Show it:
Fig. 1 das Blockdiagramm einer Vor richtung zur Absorptionsspektrosko pie, Fig. 1 a block diagram of the pie Before direction to Absorptionsspektrosko,
Fig. 2 den Amplitudenverlauf eines durch die Meßstrecke gelaufenen Signals in Abhängigkeit von der Wellenlänge und Fig. 2 shows the amplitude profile of a signal passed through the measuring section as a function of the wavelength and
Fig. 3 die die Meßstrecke enthaltende Küvette. Figure 3 shows the cuvette. Containing the test section.
Die an sich bekannte Vorrichtung nach Fig. 1 enthält einen Sender 1 in Form einer Laser-Strahlungsquelle, der von einer Steuerschaltung 2 zur Abgabe eines in der Wellenlänge veränderbaren Signalstrahls 3 mit konstanter Amplitude gesteuert wird. Der Signalstrahl 3 tritt in eine Meßstrecke 4 ein, in der sich mindestens ein Gas befindet, dessen Konzentration gemessen werden soll. Das Gas besitzt eine von der Wellenlänge abhängige Absorptions fähigkeit für die Laserstrahlung. Der Signalstrahl 3 tritt mit einer beispielsweise gemäß Fig. 2 schwankenden Amplitude aus der Meßstrecke 4 aus und gelangt zu einem Empfänger 5, der das optische in ein elektrisches Signal umwandelt. Dieses wird zu einer Auswerteschaltung 6 geleitet, in der eine geeignete Auswertung des Signals vorgenommen wird, zum Beispiel durch Fourier-Filterung, Korrelationsrechnung und so weiter.The known device according to FIG. 1 contains a transmitter 1 in the form of a laser radiation source, which is controlled by a control circuit 2 for emitting a signal beam 3 with a constant amplitude and which can be varied in wavelength. The signal beam 3 enters a measuring section 4 in which there is at least one gas whose concentration is to be measured. The gas has a wavelength-dependent absorption capacity for the laser radiation. The signal beam 3 emerges from the measuring section 4 with an amplitude that fluctuates, for example according to FIG. 2, and arrives at a receiver 5 , which converts the optical into an electrical signal. This is passed to an evaluation circuit 6 , in which a suitable evaluation of the signal is carried out, for example by Fourier filtering, correlation calculation and so on.
Fig. 2 zeigt den Verlauf der Amplitude A des die Meßstrecke 4 verlassenden Signalstrahls 3 in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ der Laserstrahlung. Die Kurve zeigt ein ausgeprägtes Minimum 7, das durch die Absorption der Strahlung in dem zu messenden Gas hervorgerufen wird. Aus dem Grad der Absorption kann auf die Konzentration dieses Gases geschlossen werden. Fig. 2 shows the variation of the amplitude A of the measuring section 4 leaving the signal beam 3 in dependence on the wavelength λ of the laser radiation. The curve shows a pronounced minimum 7 , which is caused by the absorption of the radiation in the gas to be measured. The concentration of this gas can be inferred from the degree of absorption.
Die Kurve besitzt jedoch weitere Minima und Maxima, die durch das überlagerte Störsignal verursacht werden. Dieses Störsignal beeinflußt auch das Minimum 7, so daß es das Meßergebnis verfälscht. Darüber hinaus können seine Schwankungen auch die Größe eines Absorptionssignals erreichen, so daß das Vorhandensein dieses Signals gar nicht erkannt oder das Vorhandensein eines Absorptions signals fälschlicherweise angenommen wird.However, the curve has further minima and maxima, which are caused by the superimposed interference signal. This interference signal also affects the minimum 7 , so that it falsifies the measurement result. In addition, its fluctuations can also reach the size of an absorption signal, so that the presence of this signal is not recognized at all or the presence of an absorption signal is incorrectly assumed.
Fig. 3 zeigt eine die Meßstrecke 4 bildende Küvette 8 mit einem Gaseinlaß 9 und einem Gasauslaß 10. Der Signalstrahl 3 tritt mit konstanter Amplitude auf der linken Seite in die Küvette 8 ein und auf der rechten Seite mit dem Amplitudenverlauf gemäß Fig. 2 aus dieser heraus. Ein Fenster 11 auf der Eintrittsseite und ein Fenster 12 auf der Austrittsseite begrenzen die Länge L der Meßstrecke 4. Diese Fenster 11 und 12 bilden Grenzflächen, an denen Reflexionen der Laserstrahlung auftreten. Hierbei wirken zwei hintereinander liegende Grenzflächen wie ein Resonator, der bei sich verändernder Wellenlänge die Strahlungsamplitude so verändert, daß sich ein Verlauf mit abwechseln den Maxima und Minima ergibt, deren Abstände dem Wert 1 durch L proportional sind. Eine Veränderung der Länge L führt somit zu einer Verschiebung dieser Maxima und Minima, während die durch die Absorption im Gas hervorgerufenen Minima hiervon unbeeinflußt sind. Fig. 3 shows the test section 4 forming the cell 8 having a gas inlet 9 and a gas outlet 10 degrees. The signal beam 3 enters the cuvette 8 with a constant amplitude on the left and out of the cuvette on the right with the amplitude profile according to FIG. 2. A window 11 on the entry side and a window 12 on the exit side limit the length L of the measuring section 4 . These windows 11 and 12 form interfaces at which reflections of the laser radiation occur. Here, two successive interfaces act like a resonator, which changes the radiation amplitude as the wavelength changes so that there is a curve with alternating maxima and minima, the distances of which are proportional to the value 1 through L. A change in the length L thus leads to a shift in these maxima and minima, while the minima caused by the absorption in the gas are not influenced thereby.
Das Fenster 12 ist aus diesem Grunde in Richtung des Signalstrahls 3 vor- und rückwärts bewegbar, so daß die Länge L entsprechend vergrößert und verkleinert wird. Diese Änderung kann periodisch oder aperiodisch erfolgen; dies ist abhängig von der Art der gewählten Auswertung. Da die Längenänderungen geringfügig sein können und möglichst schnell erfolgen sollen, empfiehlt sich, die Lageänderungen des Fensters 12 mittels eines piezoelektrischen oder magnetostriktiven Stellgliedes vorzunehmen. Das vom Empfänger 5 aufgenommene Signal weist dann im ausgestrahlten Wellenlängenbereich festgelegte Absorptions minima und sich verändernde Maxima und Minima des Störsignals auf, so daß in einer geeigneten Auswerteschaltung die Trennung von Absorptions signal und Störsignal durchgeführt werden kann.For this reason, the window 12 can be moved forwards and backwards in the direction of the signal beam 3 , so that the length L is increased and decreased accordingly. This change can take place periodically or aperiodically; this depends on the type of evaluation selected. Since the changes in length can be slight and should take place as quickly as possible, it is advisable to make the changes in position of the window 12 by means of a piezoelectric or magnetostrictive actuator. The signal received by the receiver 5 then has defined absorption minima and changing maxima and minima of the interference signal in the emitted wavelength range, so that the separation of absorption signal and interference signal can be carried out in a suitable evaluation circuit.
Es kann anstelle des Fensters 12 auch das Fenster 11 in seiner Lage verändert werden; weiterhin können auch beide Fenster bewegbar sein. Die beanspruchte Maßnahme ist auch nicht auf zwei Fenster bzw. Grenzflächen beschränkt.Instead of window 12 , the position of window 11 can also be changed; furthermore, both windows can also be movable. The measure claimed is also not limited to two windows or interfaces.
Claims (7)
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| DE4010004A DE4010004A1 (en) | 1990-03-26 | 1990-03-26 | Measurements of gas concentrations - by passing monochromatic radiation through gas contained in vessel through movable part reflecting end surfaces |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| DE4010004A1 true DE4010004A1 (en) | 1991-10-02 |
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ID=6403265
Family Applications (1)
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Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE4010004A1 (en) |
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