DE4207712C2 - Anordnung zur Bestimmung mehrerer Bestandteile in Gasen oder Flüssigkeiten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Bestimmung von mehreren Bestandteilen in Gasen oder Flüssigkeiten durch Absorption von Licht.

Bei einer Vielzahl von Untersuchungsmethoden zur Bestimmung von Bestandteilen in Gasen oder Flüssigkeiten wird die Absorption von Licht, welche durch die zu untersuchenden Bestandteile verursacht wird, gemessen. Dabei wird vorausgesetzt, daß verschiedene zu untersuchende Bestandteile verschiedene Frequenzen absorbieren. Aus diesem Grund wird in die Gas- oder Flüssigkeitsprobe Licht einer bestimmten Frequenz, die meist im Infrarotbereich liegt, eingestrahlt. Nach Durchstrahlung der Probe wird die Intensität des Lichtstrahles mit dem Lichtdetektor erfaßt und mit dem Wert einer Referenzprobe verglichen. Aus den erhaltenen Intensitätswerten wird auf das Vorliegen bzw. auf die Konzentration des untersuchten Stoffes geschlossen.

Bei anderen bekannten Meßvorrichtungen werden breitbandige Lichtquellen verwendet, die vor oder nach der Meßprobe durch Filter auf einen engen Frequenzbereich begrenzt werden.

In Anwendungen, bei denen mehrere verschiedene Stoffe in einer Probe untersucht werden sollen, müssen diese Stoffe in verschiedenen Meßvorgängen untersucht werden, wobei für jeden dieser Meßvorgänge die Filter auszutauschen sind. Zum einen erhöht sich durch diese Vorgehensweise die Meßzeit, zum anderen der Aufwand für das Bedienpersonal.

Eine Verbesserung bei der Analyse von mehreren Bestandteilen einer Probe ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 38 22 946 A1 bekannt.

Dort wird die zu untersuchende Probe mit einer mehrfrequenten Lichtquelle durchstrahlt. Im weiteren Strahlengang des Meßlichtbündels ist eine Mehrzahl von auf einer drehbaren Scheibe angeordneten Gasküvetten angeordnet. Die Gasküvetten enthalten unterschiedliche im Probengas gesuchte Gase oder Referenzgase. Im weiteren ist nach dieser ersten drehbaren Scheibe eine zweite Scheibe mit optischen Filtern angebracht, die in Abhängigkeit von dem zu bestimmenden Gasanteil in den Meßlichtstrahlengang eingebracht werden können, bevor der Meßlichtstrahl auf einen Detektor trifft.

Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß bei einer größeren Anzahl von Filtern oder Gasküvetten auf den drehbaren Scheiben diese Scheiben größere Abmessungen aufweisen müssen. Somit ergeben sich durch die träge Masse dieser Scheiben zumindest im Anlaufzeitpunkt Probleme das richtige Filter zum richtigen Zeitpunkt in den Strahlengang einzubringen.

Es stellt sich deshalb die Aufgabe eine Anordnung zur Messung mehrerer Komponenten in einem Gas- oder Flüssigkeitsanalysator anzugeben, bei der ein Austausch von Filtern nicht notwendig ist, wobei die obengenannten Nachteile vermieden werden. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst.

Bei dieser Anordnung wird der Meßlichtstrahl, der im wesentlichen als paralleler Lichtstrahl angesehen werden kann, nach Durchlaufen der Probe an einem rotierenden optischen Gitter gebeugt und mit einer Abbildungsoptik, die vorzugsweise aus einer Sammellinse besteht, auf einen Brennpunktbereich abgebildet. Die Abbildung erfolgt nicht auf eine Brennebene, da unterschiedliche Frequenzen des Lichtes unterschiedlich stark gebeugt werden. Im Brennpunktbereich ist ein Kegel angeordnet, dessen Kegelspitze in die Richtung des optischen Gitters zeigt. Die Mantelfläche des Kegels bestehet aus reflektierendem Material, so daß die auf den Kegel treffenden Lichtstrahlen im Einfallswinkel reflektiert werden. Im weiteren Verlauf des Strahlenganges der Lichtstrahlung sind optische Filter angeordnet, die jeweils nur für einen sehr engen Wellenlängenbereich, vorzugsweise für eine Frequenz durchlässig sind. Im weiteren Verlauf sind Hohlspiegel angeordnet, welche die Lichtstrahlen, die an den verschiedenen Stellen der Hohlspiegel einfallen, auf einen einzigen Brennpunkt bzw. einen sehr begrenzten Brennpunktbereich lenken. In diesem Brennpunkt bzw. in diesem Brennpunktbereich ist ein optischer Detektor zur Erfassung der Lichtstrahlung angeordnet.

Mit dieser Anordnung wird erreicht, daß in eine zu bestimmende Probe mehrfrequentes Licht, d. h. Licht mit mehreren definierten Frequenzen oder Licht einer breitbandigen Lichtquelle, die die zur Messung notwendigen Frequenzen enthält, eingestrahlt werden kann. In dem rotierenden optischen Gitter wird der parallel durch die Probe verlaufende Lichtstrahl gebeugt, wobei die verschiedenen enthaltenen Frequenzen eine verschieden starke Beugung erfahren. Mit der anschließenden Abbildungsoptik werden die Lichtstrahlen der einzelnen Frequenzen auf einen Brennpunktbereich, in dem sich der Kegel bzw. der kegelförmige Körper befindet, abgebildet.

Durch das drehende optische Gitter ergeben sich im Brennpunktbereich rotierende Lichtstrahlen, die nach der Reflexion am Kegel sequentiell die im weiteren Strahlengang angeordneten Filter durchlaufen und nach einer weiteren Reflexion an den Hohlspiegeln auf den Lichtdetektor treffen.

Die Steuereinheit dient zur Koordinierung der Rotationsgeschwindigkeit des optischen Gitters und der Auswertung in der Weise, daß jeweils eine Korrelation zwischen der ausgewerteten Frequenz und dem Filter besteht, durch das der Lichtstrahl gerade trifft.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung ist es in vorteilhafter Weise möglich ohne Filterwechsel eine Probe auf verschiedene Komponenten hin zu untersuchen. Die Anzahl der möglichen verschiedenen Komponenten, die ohne Filterwechsel, d. h. ohne Eingriff gemessen werden können, hängt im wesentlichen von dem für die Anordnung der Filter zur Verfügung stehenden Raum ab.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das rotierende optische Gitter durch periodische Dichteänderungen in einem flüssigen Medium erzeugt. Zu diesem Zweck wird die Flüssigkeit in ein flaches, zylinderförmiges Gefäß eingebracht, durch dessen Grundflächen die Meßlichtstrahlung ein- bzw. austritt. An der Mantelfläche des zylinderförmigen Gefäßes sind in vorgegebenen Abständen Ultraschallsender angebracht, die durch die Schallwellen die Flüssigkeit zu Schwingungen anregen, deren Frequenz die Gitterkonstante des optischen Gitters bestimmen. Zur Erzeugung der Rotation des optischen Gitters werden die Ultraschallsender zyklisch nacheinander angesteuert.

Der Vorteil dieser erfindungsgemäßen Ausführung liegt in der Vermeidung von mechanisch bewegten Teilen. Zudem kann die Ansteuerung in sehr einfacher Weise realisiert werden. Der zeitliche Abstand, mit dem die Ultraschallsender angesteuert werden, legt die Rotationsgeschwindigkeit fest. Zudem erfolgt die Drehung des Gitters schrittweise und nicht kontinuierlich. Auf diese Weise kann leicht eine Anpassung des Abstandes der Filter erreicht werden, indem die Ultraschallsender in einem entsprechenden Abstand zueinander auf der Mantelfläche des zylinderförmigen Gefäßes angeordnet sind.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Kegelspitze im Bereich des Hauptmaximums der gebeugten Meßlichtstrahlen mit einer nicht reflektierenden Schicht versehen. Dadurch kann auf eine separate Blende zur Ausblendung des Hauptmaximums verzichtet werden.

Ein weiterführender Vorteil ergibt sich, wenn nur der Bereich des Kegelmantels mit der reflektierenden Schicht versehen ist, der im Bereich des ersten Nebenmaximums auftritt. Dadurch kann die Ausführung des Hohlspiegels vereinfacht werden, da nur ein kleinerer Teil auf den Lichtdetektor abgebildet werden muß.

Die optischen Filter werden in vorteilhafter Weise kreisförmig angeordnet. Dabei ist der Abstand so klein zu wählen, wie es die mechanische Anordnung zuläßt. Durch die kreisförmige Anordnung der Filter wird am besten der Drehbewegung des optischen Gitters entsprochen.

Zur Vereinfachung der Auswertung ist es vorteilhaft, jeweils die gegenüberliegenden der kreisförmig angeordneten Filter, d. h. die Filter, die um 180° versetzt liegen, mit dem gleichen Durchlaßbereich zu wählen. Da die ersten Nebenmaxima der am optischen Gitter gebeugten Lichtstrahlung zu beiden Seiten des ausgeblendeten Hauptmaximums auftreten, erhält man zwei rotierende Lichtstrahlen, die um 180° versetzt sind. Aus diesem Grund ist es notwendig entweder ein Nebenmaximum der ersten Ordnung auszublenden oder gegenüberliegende Filter mit dem gleichen Durchlaßbereich zu wählen, wobei sich letzteres als vorteilhafter erwiesen hat.

In vorteilhafte Weise sind die Filter zumindest teilweise als Verlauffilter ausgeführt. Dadurch ändert sich der Durchlaßbereich kontinuierlich und folglich kann auch die Auswertung kontinuierlich erfolgen.

Als vorteilhaft hat es sich ebenfalls erwiesen, die optischen Filter so anzuordnen, daß die jedem Filter gegenüberliegende Fläche lichtundurchlässig ausgeführt ist. In beiden Fällen wird erreicht, daß auf den Lichtsensor nicht das Licht verschiedener Frequenzen gleichzeitig eintrifft, was zu Fehlern in der Auswertung führen könnte.

Im weiteren hat sich gezeigt, daß die Abbildung des in seine interessierenden Komponenten aufgespaltenen Meßlichtstrahles auf einen Lichtempfänger auch erreicht werden kann, wenn anstelle des Hohlspiegels ein verstellbarer planarer Spiegel verwendet wird und die reflektierten Strahlen mit einer geeigneten Abbildungsoptik, die im wesentlichen sammelnde Wirkung hat, auf den Lichtdetektor geführt wird.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich auch, wenn der Kegel, der sich im Brennpunktbereich des Lichtstrahles in der Meßkammer befindet, durch einen kegelförmigen Körper ersetzt wird, dessen Grundfläche ein Vieleck ist, dessen Anzahl der Seitenflächen der Anzahl der möglichen auszuwertenden Frequenzen entspricht.

Im weiteren wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles beschrieben, wobei die Figur eine mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung zeigt.

In dieser Figur fällt der Lichtstrahl L nach Durchlaufen der Probe, das in der Figur nicht dargestellt ist, in das drehende optische Phasengitter 1, dem eine Abbildungsoptik 2 nachgestellt ist, ein. Der Lichtstrahl wird in Abhängigkeit der Wellenlänge verschieden stark gebeugt und teilt sich somit auf verschiedene Lichtstrahlen mit verschiedenen Wellenlängen auf, von denen in der Figur die Lichtstrahlen L1 und L2 beispielhaft dargestellt sind. Im Strahlengang ist der Kegel 3 angeordnet, der mit einer reflektierenden Mantelfläche versehen ist, wobei zur Ausblendung des Hauptmaximums der gebeugten Lichtstrahlen der Bereich der Kegelspitze 31 mit einer nicht reflektierenden Schicht versehen ist. Weiterhin wird der Kegel 3 von der lichtdurchlässigen Halterung 6 gehalten. Im weiteren Verlauf des Strahlenganges sind die Filter 4 angeordnet. Diese Filter 4 werden von den Halterungen 5 getragen. Sie sind kreisförmig angeordnet und zum Kreismittelpunkt hin nach oben verlaufend, so daß die Lichtstrahlen L1 und L2 nahezu senkrecht durch die Filter hindurchtreten.

Durch die Halterungen 5 und 8 sind Hohlspiegel 7 befestigt, wobei die Befestigung nicht starr erfolgt, so daß eine Justierung der Hohlspiegel möglich ist. Die Hohlspiegel 7 sind so dimensioniert, daß sie die Lichtstrahlen in dem vorgegebenen Frequenzbereich auf den Lichtempfänger 10 hin reflektieren.

Der Lichtempfänger 10 ist mit einer Halterung 11, die in der Figur an der Steuereinheit 12 angebracht ist, befestigt. Die Steuereinheit 12 steuert die Rotationsgeschwindigkeit des optischen Gitters 1 sowie die Synchronität in der Auswertung bezüglich der Frequenzen, welche ausgewertet werden, und der Lage des Phasengitters, die bestimmt, durch welches Filter der Lichtstrahl geführt wird.

Die gesamte Anordnung befindet sich, wie in der Figur dargestellt, vorzugsweise in einem zylinderförmigen, vorzugsweise rotationssymmetrischen Gehäuse 13.

Claims (10)

1. Anordnung zur Bestimmung von mehreren Bestandteilen in Gasen oder Flüssigkeiten durch Absorption von Licht, mit einer mehrfrequenten Lichtquelle, deren Licht das Gas oder die Flüssigkeit durchstrahlt, mit optischen Filtern zur Trennung der von den Bestandteilen beeinflußten Wellenlängen des Meßlichtes zum Zweck der Auswertung und mit einem Detektor (10), dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Meßlichtstrahl an einem rotierenden optischen Gitter (1) gebeugt wird und mit einer nachfolgenden Abbildungsoptik (2) auf einen Brennpunktbereich abgebildet wird, so daß im Brennpunktbereich rotierende Lichtstrahlen entstehen, wobei das Hauptmaximum des Beugungsbildes ausgeblendet wird,
• - im Brennpunktbereich ein Kegel (3) angeordnet ist, dessen Kegelspitze in die Richtung des optischen Gitters zeigt, und dessen Mantelfläche aus einem reflektierenden Material besteht,
• - im weiteren Strahlengang optische Filter (4) so angeordnet sind, daß die rotierenden Lichtstrahlen sequentiell diese Filter durchlaufen,
• - im Strahlengang nach den Filtern verstellbare Hohlspiegel (7) angeordnet sind, welche die Lichtstrahlen in der Weise reflektieren, daß sie auf den Detektor (10) treffen, und
• - eine Steuereinheit (12) vorgesehen ist, mit der die Koordinierung der Drehung des optischen Gitters und der Auswertung hinsichtlich der Wellenlänge erfolgt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das rotierende optische Gitter (1) durch periodische Dichteänderungen in einer Flüssigkeit erzeugt wird, wobei

• - die Flüssigkeit in einem flachen, zylinderförmigen Gefäß eingebracht ist, durch dessen Grundflächen der Meßlichtstrahl ein- bzw. austritt, und
• - an der Mantelfläche des Gefäßes Ultraschallsender angebracht sind, die Ultraschall einer vorgegebenen Frequenz, welche die Gitterkonstante des Beugungsgitters bestimmt, in Richtung zur Zylinderachse einstrahlen, und
• - die Ultraschallsender zyklisch nacheinander angesteuert werden, um die Rotation des Gitters zu erreichen.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kegelspitze (31) des Kegels (3) in dem Bereich, in dem die Hauptmaxima des gebeugten Lichtstrahles auftreten, mit einer nicht reflektierenden Schicht versehen ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der reflektierende Teil des Kegelmantels so dimensioniert ist, daß auf ihn die ersten Nebenmaxima der gebeugten Lichtstrahlen im vorgegebenen Frequenzbereich treffen.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Filter (4) in geringem Abstand voneinander kreisförmig angeordnet sind.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Filter (4) zumindest teilweise als Verlauffilter ausgeführt sind.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Filter (4), die auf dem Kreis um 180°versetzt liegen, den gleichen Durchlaßbereich aufweisen.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Filter (4) so angeordnet sind, daß auf dem um 180° versetzten Ort eines Filters ein lichtundurchlässiger Bereich entsteht.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Hohlspiegel (7) verstellbare planare Spiegel verwendet werden und im Strahlengang nach diesen Spiegeln eine Sammeloptik angeordnet ist, die die Lichtstrahlen auf den Detektor (10) abbilden.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des Kegels (3) im Brennpunktbereich des Lichtstrahles ein kegelförmiger Körper angebracht ist, dessen Grundfläche ein Vieleck ist, wobei die Anzahl der Seitenflächen der Zahl der Filter (4) entspricht.