DE4314535C2 - Inferferometric gas component measuring device - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein interferometrisches Gaskomponenten- Meßgerät nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 oder nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 7.The invention relates to an interferometric gas component Measuring device according to the preamble of patent claim 1 or according to the preamble of claim 7.
Es dient dazu, die Konzentration eines Gases, dessen in einem Wellenlängenband liegendes Absorptionsspektrum bekannt ist, festzustellen. Hierbei soll der Einfluß von Gasen mit sehr ähnlichen - jedoch nicht identischen - Absorp tionsspektren im betreffenden Wellenlängenband, den sogenann ten Querkomponenten, weitgehend ausgeschaltet werden.It serves the concentration of a gas, the absorption spectrum lying in a wavelength band is known to establish. The influence of Gases with very similar - but not identical - absorbers tion spectra in the relevant wavelength band, the so-called ten cross components, are largely switched off.
Ein derartiges, bekanntes interferometrisches Gaskompo nenten-Meßgerät (FR 2 619 621) überlagert das Durchlaß spektrum des Interferometers (Interferometerkamm), das Spek trum des zu messenden Gases und den vom Polychromator ausge blendeten Spektralbereich oder einen ausgefilterten Teil dieses Spektralbereiches, der eine Vielzahl von Maxima und Minima des Interferometerkammes bzw. Absorptionslinien der zu messenden Gaskomponente(n) umfaßt. Durch eine (gedachte) kontinuierliche Veränderung der Dicke der feststehenden doppelbrechenden Haupt- und/oder Hilfsplatte, d. h. der optischen Wegdifferenz, wird in der Auswerteschaltung ein aus Minima und Maxima bestehendes Interferogramm gebildet. Nimmt die Plattendicke bzw. die optische Wegdifferenz einen solchen Wert an, daß die Transmissionsmaxima des Interferometerkammes mit dem Absorptionsmaxima des Gasspektrums zur Deckung gelangen, erhält man im Interferogramm ein Minimum. Wenn die Platten dicke bzw. die optische Wegdifferenz dagegen einen Wert auf weist, daß die Transmissionsminima des Interferometerkamms auf Absorptionsmaxima des Gasspektrums fallen, weist das Interferogramm ein Maximum auf.Such a known interferometric gas compo nent measuring device (FR 2 619 621) overlaps the passage spectrum of the interferometer (interferometer comb), the spec of the gas to be measured and that of the polychromator dazzled spectral range or a filtered out part this spectral range, which has a variety of maxima and Minima of the interferometer comb or absorption lines of the Gas component (s) to be measured comprises. Through an (imaginary) continuous change in the thickness of the fixed birefringent main and / or auxiliary plate, d. H. of the optical path difference, becomes in the evaluation circuit from minima and maxima existing interferogram is formed. Takes the plate thickness or the optical path difference indicates such a value that the transmission maxima of the interferometer comb with the Absorption maxima of the gas spectrum are covered, you get a minimum in the interferogram. If the plates thickness or the optical path difference, on the other hand, has a value indicates that the transmission minima of the interferometer comb fall on absorption maxima of the gas spectrum, that indicates Interferogram a maximum.
Durch einen die effektive Plattendicke im Bereich einer hal ben Wellenlänge variierenden photoelastischen Modulator, der außer der doppelbrechenden Haupt- und Hilfsplatte im Raum zwischen Polarisator und Analysator angeordnet ist, kann nun ein sich über eine halbe Wellenlänge erstreckender, ausge wählter Bereich des Interferogramms, der durch die Platten dicke bestimmt ist, abgetastet werden, indem der Modulator zu einer mechanischen Schwingung im kHz-Bereich angeregt wird.The effective plate thickness in the range of one hal ben wavelength varying photoelastic modulator, the except for the birefringent main and auxiliary plate in the room between the polarizer and analyzer can now one extending over half a wavelength selected area of the interferogram through the plates thickness is determined to be sampled by the modulator excited to mechanical vibration in the kHz range becomes.
Ein solches Gaskomponenten-Meßgerät arbeitet dann einwand frei, wenn das Zentrum des ausgewählten Bereichs an eine ganz bestimmte Stelle des Interferogramms, z. B. in eine Flanke oder ein Maximum gelegt werden kann. Dies ist bei dem bekannten Meßgerät mittels der Hilfsplatte möglich, welche eine veränderliche Dicke aufweist. Such a gas component measuring device then works properly free if the center of the selected area is at a very specific location of the interferogram, e.g. B. in a Edge or a maximum can be placed. This is with the known measuring device possible by means of the auxiliary plate, which has a variable thickness.
Durch geeignete Wahl des Arbeitspunktes mittels Temperatur einstellung kann eine zunächst möglicherweise vorhandene Querempfindlichkeit für eine unerwünschte Gaskomponente nahezu unterdrückt werden, während die Linie oder das Band der interessierenden Gaskomponente weitgehend ungestört von der unerwünschten Querkomponente gemessen werden kann.By suitable selection of the working point by means of temperature The setting may be an existing one Cross sensitivity to an unwanted gas component be almost suppressed while the line or the band the gas component of interest largely undisturbed by the unwanted cross component can be measured.
Die erste Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein inter ferometrisches Gaskomponenten-Meßgerät zu schaffen, mittels dem unabhängig von Veränderungen der Temperatur, also auch bei absolut gleichbleibender oder sogar durch besondere Maßnahmen konstant gehaltener Tempera tur und ohne Veränderung der Dicke der Hilfsplatte eine sehr schnelle und präzise Arbeitspunkteinstellung möglich ist, wobei gleichzeitig das Kriterium einer stabilen Funktion erfüllt sein soll.The first object of the invention is an inter ferometric gas component measuring device to create by means of which regardless of changes in the Temperature, also with absolutely constant or even through special measures to keep the tempera constant structure and without changing the thickness of the auxiliary plate quick and precise working point setting is possible, at the same time the criterion of a stable function should be fulfilled.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des kennzeichnen den Teils des Patentanspruchs 1 vorgesehen. Vorzugsweise ist nach Anspruch 2 dabei auch ein photoelastischer Modulator zur Abtastung eines ausgewählten Bereiches des Interfero gramms vorgesehen.To solve this problem, the features of the label the part of claim 1 provided. Preferably according to claim 2, a photoelastic modulator to scan a selected area of the interfero provided.
Der Erfindungsgedanke ist also darin zu sehen, daß zusätz lich zu der feststehenden doppelbrechenden Hauptplatte eine zweite, kippbare Hilfsplatte hinzugenommen wird, wobei deren optische Kristallachse parallel oder senkrecht zu der der Hauptplatte verläuft und die effektive optische Gangdifferenz beider Platten so gewählt sind, daß man sich im Bereich maximalen Kon trastes des Interferogramms befindet. Die genaue Arbeits punkteinstellung erfolgt relativ schnell über die Winkel stellung der kippbaren Hilfsplatte, wobei der maximale Kipp winkel und die Dicke der Hilfsplatte abhängig sind von der gewünschten Auflösung und der spektralen Lage der Absorp tionsbanden. The inventive idea is to be seen in the fact that additional Lich to the fixed birefringent main plate second, tiltable auxiliary plate is added, the optical crystal axis parallel or perpendicular to that of the Main plate runs and the effective optical path difference of both Plates are chosen so that one can look at the maximum con trastes of the interferogram. The exact working Point adjustment is done relatively quickly via the angles position of the tiltable auxiliary plate, the maximum tilt angle and the thickness of the auxiliary plate depend on the desired resolution and the spectral position of the absorber gangs.
Weiter sollte gewährleistet sein, daß der Verstellbereich der optischen Gangdifferenz über den Winkel der kippbaren Hilfsplatte größer als die halbe Periode des Interferogramms ist. Für HCL ist z. B. bei λ = 3,6 µm eine MgF₂-Platte mit einer Dicke von 3 mm und einem maximalen Kippwinkel von ungefähr 20° ausreichend. Durch die Wahl eines Schrittmotors mit Untersetzung kann eine Auflösung der optischen Gangdif ferenz von etwa λ/1000 pro mm MgF₂-Platte (λ = 3,6 µm) er reicht werden.It should also be ensured that the adjustment range the optical path difference over the angle of the tiltable Auxiliary plate larger than half the period of the interferogram is. For HCL z. B. at λ = 3.6 microns with a MgF₂ plate a thickness of 3 mm and a maximum tilt angle of about 20 ° is sufficient. By choosing a stepper motor with reduction, a resolution of the optical gangdif reference of about λ / 1000 per mm MgF₂ plate (λ = 3.6 µm) be enough.
Innenliegende Heizmatten sollen bei dem in Sandwichbauweise konstruierten Interferometer zusammen mit einer geeigneten Temperaturregelung eine Temperaturkonstanz von besser als 0,1° gewährleisten, was bei einer 1 mm dicken Rutilplatte einer Genauigkeit von ungefähr λ/1000 der optischen Gangdif ferenz entspricht.Internal heating mats are said to be in sandwich construction constructed interferometer together with a suitable one Temperature control a temperature constancy better than Ensure 0.1 °, what with a 1 mm thick rutile plate an accuracy of approximately λ / 1000 of the optical gear diff reference corresponds.
Die Arbeitspunktregelung über den Kippwinkel der Hilfsplatte ermöglicht bei einer vorhandenen Querempfindlichkeitskompo nente, d. h. beim Vorhandensein eines Gases, das die Messung nicht beeinflussen soll, dessen Linien jedoch im selben Spektralbereich wie die der Hauptkomponente liegen, das nahezu simultane Messen beider Komponenten, indem durch die kippbare Hilfsplatte alternierend die Minima (Nulldurch gänge) des Gangunterschiedes der beiden Komponenten im Inter ferogramm angefahren werden und bei vorhandener Restempfind lichkeit die jeweils andere Komponente gemessen wird.The working point control via the tilting angle of the auxiliary plate enables with an existing cross sensitivity compo nente, d. H. in the presence of a gas that is the measurement should not affect, but its lines in the same Spectral range as that of the main component, that almost simultaneous measurement of both components by the tiltable auxiliary plate alternating the minima (zero through gears) of the gait difference of the two components in the inter can be approached and if there is residual sensitivity the other component is measured.
Weiterhin besteht erfindungsgemäß auch die Möglichkeit, zwei oder mehrere Gaskomponenten, deren Absorptionsbanden sich nicht überlappen und für deren Reziproken der Linienaufspal tung Δ₁ ≈ n·δ₂ ≈ m·Δ₃ . . . (n, m ganzzahlig) gilt, durch Verdrehen der kippbaren Hilfsplatte im Bereich maximaler Empfindlichkeit zu messen. According to the invention there is also the possibility of two or several gas components whose absorption bands are different do not overlap and for their reciprocals the line spread tung Δ₁ ≈ n · δ₂ ≈ m · Δ₃. . . (n, m integer) applies by Rotate the tiltable auxiliary plate in the area of maximum To measure sensitivity.
Die vorteilhafte Weiterbildung nach Anspruch 2 bedeutet, daß die Dicke und der Winkelverstellbereich der Hilfsplatte so gewählt sind, daß die optische Gangdifferenz um mehr als die halbe Wellenlänge des verwendeten Lichtes verstellbar ist.The advantageous development according to claim 2 means that the thickness and the angle adjustment range of the auxiliary plate so are chosen that the optical path difference by more than half the wavelength of the light used is adjustable.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstandes des Anspruches 1 sind durch die Patentansprüche 3 bis 6 gekenn zeichnet.Further advantageous developments of the subject of Claim 1 are characterized by claims 3 to 6 draws.
Ein photoelastischer Modulator, wie er vorzugsweise verwendet wird, ist z. B. in der DE 36 12 733 A1 oder in APPLIED OPTICS, Vol. 15, No. 8, August 1976, Seiten 1960 bis 1965, beschrieben. Ein derartiger Modulator schwingt vorzugsweise derart, daß der durch ihn bewirkte Gangunterschied um etwas mehr als eine halbe Periode des Interferogramms schwankt. Auf diese Weise kann z. B. der Arbeitspunkt durch geeignete Kippung der Hilfsplatte in eine Flanke des Interferogramms derart verlegt werden, daß der Gangunterschied zwischen dem Maximum und Minimum des Inter ferogramms schwankt, so daß ein maximales Wechselsignal in der Auswerteschaltung erhalten wird.A photo-elastic modulator like him is preferably used, for. B. in DE 36 12 733 A1 or in APPLIED OPTICS, Vol. 15, No. 8, August 1976, pages 1960 to 1965. Such a modulator preferably vibrates in such a way that the one caused by it Path difference by just over half a period of Interferogram fluctuates. In this way, e.g. B. the Working point by suitable tilting of the auxiliary plate in one Flank of the interferogram be laid such that the Path difference between the maximum and minimum of the Inter ferogram fluctuates so that a maximum alternating signal in the evaluation circuit is obtained.
Man kann aber auch beispielsweise durch geeignete Winkelein stellung der Hilfsplatte den Arbeitspunkt auf ein Maximum oder Minimum des Interferogramms einstellen, wodurch dann bei Erzeugung eines wechselnden Gangunterschiedes von etwas mehr als der halben Periode des Interferogramms ein Wechsel signal mit doppelter Frequenz erzeugt wird, welches in der Auswerteschaltung leicht ausgeblendet werden kann, so daß die betreffende Gaskomponente bei der Auswertung vollständig unterdrückt wird.However, one can also use suitable angles, for example position of the auxiliary plate the working point to a maximum or set the minimum of the interferogram, which then when generating a changing gait difference of something a change more than half the period of the interferogram signal is generated with double frequency, which in the Evaluation circuit can be easily hidden, so that the gas component in question is fully evaluated is suppressed.
Der bekannte Schwinger nach der DE 36 12 733 A1 weist eine Länge auf, welche gerade der Schallwellenlänge λ im Modula tormaterial entspricht. Ein derartiger Modulator muß in zwei Punkten längs seiner Schwingungsachse in den Bewegungsknoten gelagert werden und besitzt nicht zu vernachlässigende, durch die Aufhängung induzierte Spannungsdoppelbrechung, welche sich störend auf das Meßsignal auswirken kann.The known vibrator according to DE 36 12 733 A1 has one Length, which is just the sound wavelength λ in the modula door material corresponds. Such a modulator must have two Points along its axis of vibration in the movement nodes be stored and has not negligible, stress birefringence induced by the suspension, which can interfere with the measurement signal.
Bei derartigen photoelastischen Modulatoren sind auch 3/2 λ- oder oktogonale Schwinger üblich, welche aus verschiedenen Materialien, nämlich einem transparenten Schwinger und einem piezoelektrischen Wandler, zusammengesetzt sind. Dies be dingt einen erhöhten Aufwand bei der Verbindung (mehrere Klebflächen), bei der Frequenzregelung (Anpassung der Resonanzfrequenzen von optischem und piezoelektrischem Element) und nicht zuletzt bei der Materialwahl. Die Länge des Modulators ist abhängig von der Schallwellenlänge des verwendeten Materials und der antreibenden Frequenz und sollte, um Preis und Bauform klein zu halten, möglichst gering sein. Dies wird im allgemeinen durch eine hohe mecha nische Schwingungsfrequenz und kleine Schallwellenlängen erreicht. Die maximale Frequenz ist im wesentlichen durch die Wahl des Detektors festgelegt. Im Bereich von 2 bis 4,7 µm bietet sich der relativ günstige PbSe-Detektor an, was eine obere mechanische Grenze von 25 bis 30 kHz für die Frequenz bedingt. Als Modulatormaterial zeigt ZnSe in diesem Spektralbereich die besten spannungsoptischen Materialkon stanten bei der relativ geringen Schallgeschwindigkeit von 3700 m/sec. CaF₂ hat dagegen eine Schallgeschwindigkeit von 6800 m/sec. Dennoch beträgt auch bei Verwendung von ZnSe die Stablänge etwa 15 cm, gegenüber 27 cm bei CaF₂.With such photo-elastic modulators, 3/2 λ- or octagonal transducers, which consist of different Materials, namely a transparent transducer and one piezoelectric transducers, are composed. This be requires an increased effort in connection (several Adhesive surfaces), for frequency control (adjustment of the Resonance frequencies of optical and piezoelectric Element) and last but not least when choosing the material. The length of the modulator depends on the sound wavelength of the used material and the driving frequency and in order to keep price and design small, if possible be small. This is generally characterized by a high mecha Vibration frequency and small sound wavelengths reached. The maximum frequency is essentially through the choice of detector set. In the range of 2 to 4.7 µm is the relatively inexpensive PbSe detector, what an upper mechanical limit of 25 to 30 kHz for that Frequency conditional. ZnSe shows in this as modulator material Spectral range the best voltage optical material con ast at the relatively low speed of sound of 3700 m / sec. In contrast, CaF₂ has a speed of sound of 6800 m / sec. Nevertheless, even when using ZnSe, the Bar length about 15 cm, compared to 27 cm for CaF₂.
Da die Resonanzfrequenz des photoelastischen Modulators temperaturabhängig ist und dieser eine hohe Güte aufweist, muß sie geregelt werden. Es hat sich gezeigt, daß eine Rege lung der Phase zwischen Strom und Spannung auf 0 nicht be friedigend arbeitet, da zwischen elektronischer und mechani scher Resonanz ein Phasenversatz besteht, welcher von äuße ren Parametern, insbesondere der Befestigung und Temperatur, abhängt und nicht definiert angegeben werden kann. Folglich kann die mechanische Auslenkung des Modulators bis zu 30% geringer sein, als das in mechanischer Resonanz möglich ist.Because the resonance frequency of the photoelastic modulator is temperature-dependent and has a high quality, it must be regulated. It has been shown that a brisk The phase between current and voltage is not set to 0 works peacefully, because between electronic and mechanical sher resonance there is a phase shift, which of external ren parameters, especially the fastening and temperature, depends and can not be specified defined. Hence can the mechanical deflection of the modulator up to 30% be less than is possible in mechanical resonance.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, ein interferometrisches Gaskomponenten-Meßgerät der durch den Oberbegriff des Anspruches 7 definierten Gattung zu schaf fen, bei dem der photoelastische Modulator eine deutlich verringerte Bauhöhe hat und die Richtung der über die Längenmodulation induzierten optischen Achse stabil gehalten wird.Another object of the invention is therefore a interferometric gas component measuring device by the The preamble of claim 7 defined genus to sheep in which the photoelastic modulator has a distinct has reduced overall height and the direction of the over Length modulation induced optical axis kept stable becomes.
Dies wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruches 7 erreicht. Eine vorteilhafte Weiterbildung ist im Anspruch 8 definiert.This is due to the characteristics of the characteristic part of the Claim 7 reached. An advantageous development is defined in claim 8.
Der photoelastische Modulator ist also nicht nur in seiner Länge halbiert, so daß der für seine Unterbringung erforder liche Platz entsprechend reduziert ist und er auch ent sprechend wirtschaftlicher verfügbar ist, sondern es wird auch die Richtung der über die Längenmodulation induzierten optischen Achse stabil genug festgelegt bei gleichzeitig geringer Dämpfung der Modulation und nahezu verschwindender, durch die Lagerung induzierter Spannungsdoppelbrechung. Es wird also in der Stabmitte am Ort eines Bewegungsknotens über die die mechanische Schwingung erzeugenden Piezokeramikelemente auf einer Länge von etwa 20 mm eine ca. 5 mm dicke Schicht eines Silikonkautschuks aufgegossen, womit dann der Modulator in einer geeigneten Fassung befestigt wird.The photoelastic modulator is therefore not only in its Length halved so that it is necessary for its accommodation space is reduced accordingly and it also ent speaking is more economically available, but it will also the Direction of the optical induced by the length modulation Axis fixed stable enough at the same time lower Damping the modulation and almost vanishing through the storage of induced voltage birefringence. It will So in the middle of the bar at the location of a movement node over the the piezoelectric ceramic elements generating mechanical vibration over a length of about 20 mm an approximately 5 mm thick layer poured a silicone rubber, with which the Modulator is attached in a suitable version.
Nach Anspruch 9 ist zusätzlich zu den die Schwingung anre genden Piezokeramikelementen am Stabende ein Schwingungs sensor angebracht, in dem eine der mechanischen Auslenkung proportionale Spannung induziert wird, mit deren Hilfe ein Mikroprozessor eine exakte Einstellung der Frequenz in der mechanischen Resonanz gewährleistet.According to claim 9 is in addition to the vibration Piezoceramic elements at the end of the rod vibrate sensor attached in which one of the mechanical deflection proportional voltage is induced, with the help of a Microprocessor an exact setting of the frequency in the mechanical resonance guaranteed.
Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:The invention is described below, for example, with reference to Drawing described; in this shows:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht des Strahlenganges innerhalb eines erfindungsgemäßen interferometri schen Gaskomponenten-Meßgerätes, Fig. 1 is a schematic side view of the optical path within an inventive interferometric rule gas component measuring apparatus,
Fig. 2 eine vergrößerte entsprechende Ansicht der bei dem Gaskomponenten-Meßgerät nach Fig. 1 verwendeten Hilfsplatte, Fig. 2 is an enlarged view corresponding to the gas component in the measuring apparatus according to Fig. 1 auxiliary plate used,
Fig. 3 eine schematische perspektivische Ansicht eines photoelastischen Modulators, wie er bei dem Gas- Meßgerät nach Fig. 1 verwendet werden kann, wobei schematisch auch der den Modulator steuernde Mikro prozessor angedeutet ist, Fig. 3 is a schematic perspective view of a photoelastic modulator, such as may be used with the gas measuring apparatus according to Fig. 1, showing schematically also the modulator controlling micro-processor is indicated,
Fig. 4 die Definition eines Interferogramms bei Vorhanden sein eines Gases mit Spektrallinienabständen δν, wo bei auf der Ordinate die am Ausgang des Polychroma tors insgesamt vorhandene Lichtintensität I und auf der Abszisse der durch eine bestimmte Dicke der feststehenden doppelbrechenden Platte bedingte Gangunterschied Δ(m) aufgetragen ist und etwa bei 1/δ der Arbeitspunkt der tatsächlich verwendeten doppelbrechenden Platten liegt, Fig. 4 shows the definition to be an interferogram in the presence δν a gas with Spektrallinienabständen where at the ordinate represents the gate at the output of Polychroma total available light intensity I and the abscissa represents the conditional through a certain thickness of the fixed birefringent plate retardation Δ (m) is plotted and the working point of the birefringent plates actually used is approximately 1 / δ,
Fig. 5 einen vergrößerten Ausschnitt aus dem Interferogramm nach Fig. 4 zur Veranschaulichung einer Einstellung des Arbeitspunktes für die optimale Messung bei einem Gangunterschied Δ₀ = 1/δ und Figure 5 is an enlarged section of the interferogram of FIG. 4 / δ. For illustrating a setting of the operating point for the optimum measurement in a path difference Δ₀ = 1 and
Fig. 6 einen entsprechenden Ausschnitt zur Veranschau lichung der Unterdrückung der Messung einer Gas komponente bei einem Gangunterschied Δ₁. Fig. 6 shows a corresponding section to illustrate the suppression of the measurement of a gas component with a path difference Δ₁.
Nach Fig. 1 wird eine die erforderliche Bandbreite für die Erfassung der ausgewählten Frequenzbanden der zu messenden Gaskomponenten aufweisende Lichtquelle 27 durch einen schema tisch angedeuteten Kondensor 28 in ein Eingangsobjektiv 29 abgebildet, welches seinerseits die Kondensoröffnung ins Unendliche abbildet, so daß aus dem Eingangsobjektiv 29 ein paralleles Lichtbündel 16 austritt, welches durch eine mit den zu messenden Gasen gefüllte Meßstrecke 30 hindurchtritt und anschließend auf einen Polarisator 11 trifft, der bei spielsweise als Wollaston-Prisma ausgebildet sein kann. Die Polarisationsachse des Polarisators 11 verläuft unter 45° zur Zeichenebene, so daß die Darstellung des Wollaston- Prismas in Fig. 1 rein schematisch zu verstehen ist.According to Fig. 1, the bandwidth required for the detection of the selected frequency bands of the gas components to be measured having light source 27 is represented by a schematically indicated condenser 28 in an input lens 29 , which in turn depicts the condenser opening to infinity, so that from the input lens 29 parallel light beam 16 emerges, which passes through a measuring section 30 filled with the gases to be measured and then strikes a polarizer 11 , which can be designed, for example, as a Wollaston prism. The polarization axis of the polarizer 11 extends at 45 ° to the plane of the drawing, so that the representation of the Wollaston prism in FIG. 1 is to be understood purely schematically.
Hinter dem Polarisator 11 befindet sich ebenfalls auf der Strahlengangachse 15 des optischen Systems und senkrecht zu diesem eine feststehende doppelbrechende planparallele Platte 12, deren optische Achse unter 45° zur Polarisationsrich tung des Polarisators 11 angeordnet ist und somit in der Zeichenebene oder senkrecht dazu verläuft. Die doppelbrechen de Platte 12 hat eine Dicke d₁, die in auf die zu messenden Gaskomponenten abgestimmter Weise so gewählt ist, wie das weiter unten im einzelnen beschrieben wird.Behind the polarizer 11 is also on the beam path axis 15 of the optical system and perpendicular to this a fixed birefringent plane-parallel plate 12 , the optical axis of which is arranged at 45 ° to the direction of polarization of the polarizer 11 and thus extends in the plane of the drawing or perpendicular to it. The birefringent plate 12 has a thickness d 1 which is selected in a manner coordinated with the gas components to be measured, as will be described in more detail below.
Der feststehenden doppelbrechenden Platte 12, die als Haupt platte bezeichnet wird, folgt eine Hilfsplatte 20, welche ebenfalls doppelbrechend ist und deren optische Achse parallel zu derjenigen der Hauptplatte 12 verläuft. Die Hilfsplatte 20 ist um eine senkrecht auf der Zeichnungsebene der Fig. 1 stehend angenommene Querachse 17 verschwenkbar, welche mit der optischen Kristallachse oder einer senkrecht zu dieser verlaufenden Achse, also Achsen, welche unter ±45° zu den Polarisatorachsen stehen, zusammenfällt.The fixed birefringent plate 12 , which is referred to as the main plate, is followed by an auxiliary plate 20 , which is also birefringent and whose optical axis runs parallel to that of the main plate 12 . The auxiliary plate 20 can be pivoted about a transverse axis 17 which is assumed to be perpendicular to the plane of the drawing in FIG. 1 and which coincides with the optical crystal axis or with an axis running perpendicular to this, that is to say axes which are at ± 45 ° to the polarizer axes.
Von einem Schrittmotor 37 mit angeschlossenem Getriebe kann die Hilfsplatte 20 um die Querachse 17 in verschiedene Win kelpositionen α verstellt werden. Wenn die Querachse 17 mit der optischen Kristallachse zusammenfällt, wird gemäß Fig. 2 lediglich der Weg von Lichtstrahlen 38, die parallel zur Strahlengangachse 15 in die Hilfsplatte 20 eintreten, ent sprechend dem Kippwinkel α und dem Brechungsindex n der Hilfsplatte 20 verlängert, so daß mit zunehmender Vergröße rung des Kippwinkels α die relativ zur Dicke d₂ der Hilfs platte 20 größere effektive Dicke deff zunehmend größer wird. Steht die Querachse 17 senkrecht auf der optischen Kristallachse, wird zusätzlich zur Änderung der effektiven Dicke der Hilfsplatte 20 auch noch die Brechzahldifferenz zwischen ordentlichem und außerordentlichem Strahl in Abhän gigkeit vom Kippwinkel α verändert.From a stepper motor 37 with a connected gear, the auxiliary plate 20 can be adjusted α about the transverse axis 17 in different win kelpositionen. If the transverse axis 17 coincides with the optical crystal axis, only the path of light rays 38 , which enter the auxiliary plate 20 parallel to the beam path axis 15 , is accordingly extended according to FIG. 2, the tilt angle α and the refractive index n of the auxiliary plate 20 , so that with increasing enlargement tion of the tilt angle α which relative to the thickness d₂ of the auxiliary plate 20, the greater effective thickness d eff becomes increasingly larger. Is the transverse axis 17 perpendicular to the optical crystal axis, in addition to changing the effective thickness of the auxiliary plate 20 and the refractive index difference between ordinary and extraordinary beam depending on the tilt angle α changed.
Nach Fig. 1 folgt der kippbaren Hilfsplatte 20 ein durch Piezokeramikelemente 23 (Fig. 3) erregter photoelastischer Modulator 14, der aus dem in ihn eintretenden Gleichlicht Wechsellicht macht, welches in einer Auswerteschaltung 39 besser ausgewertet werden kann. Im Ruhezustand des Modula tors 14 existiert keine Doppelbrechung. Durch Anlegung einer elektrischen Spannung an die Piezokeramikelemente 23 wird dieser mechanisch gestreckt oder gestaucht und so eine mecha nische Spannung induziert. Beim Betrieb in Resonanz ist diese induzierte Spannung und die daraus resultierende Doppelbrechung bei gegebener elektrischer Spannung maximal, aber zeitabhängig, da die Anordnung mit Wechselspannung be trieben wird. According to FIG. 1, the tiltable auxiliary plate 20 is followed by a photoelastic modulator 14 which is excited by piezoceramic elements 23 ( FIG. 3) and which makes alternating light from the direct light entering it, which can be better evaluated in an evaluation circuit 39 . In the idle state of the modulator 14 there is no birefringence. By applying an electrical voltage to the piezoceramic elements 23 , the latter is mechanically stretched or compressed and thus a mechanical voltage is induced. When operating in resonance, this induced voltage and the resulting birefringence for a given electrical voltage is maximum, but time-dependent, since the arrangement is operated with AC voltage.
Um nun die größte Dynamik zu erzielen, muß die erreichbare Gangdifferenz, welche durch den Modulator 14 bewirkt wird, mindestens ± λ/4 sein (λ = die mittlere Wellenlänge des absorbierenden Gases). So ist bei λ = 2 µm bei gleicher Spannung eine geringere Modulation erforderlich, um eine Gangdifferenz von λ/4 = 0,5 µm zu erreichen, als bei λ = 5 µm (λ/4 = 1,25 µm).In order to achieve the greatest dynamics, the achievable path difference, which is caused by the modulator 14 , must be at least ± λ / 4 (λ = the mean wavelength of the absorbing gas). With λ = 2 µm at the same voltage, less modulation is required to achieve a path difference of λ / 4 = 0.5 µm than with λ = 5 µm (λ / 4 = 1.25 µm).
Aus dem photoelastischen Modulator 14 tritt das Lichtbündel in einen Analysator 13 ein, dessen Polarisationsrichtung parallel oder senkrecht zu der des Polarisators 11 steht, also ebenfalls - entgegen der rein schematisch zu verstehen den zeichnerischen Darstellung - unter ± 45° zur Zeichenebene verläuft.From the photoelastic modulator 14 , the light bundle enters an analyzer 13 , the direction of polarization of which is parallel or perpendicular to that of the polarizer 11 , that is also - contrary to the purely schematic representation of the drawing - at ± 45 ° to the drawing plane.
An den Analysator 13 schließt sich ein Ausgangsobjektiv 31 an, in dessen Brennpunkt sich eine Ausgangsspaltblende 32 befindet, welche den Eingang eines Polychromators darstellt, der ein schräggestelltes holographisches Konkavgitter 33 und eine aus Einzeldioden 21 bestehende Diodenzeile 22 aufweist. Das Konkavgitter 33 reflektiert die auftreffenden Lichtstrah len entsprechend ihrer Wellenlänge in unterschiedliche Win kelbereiche, so daß jede Einzeldiode 21 der Diodenzeile 22 Licht eines mehr oder weniger engen Wellenlängenbereiches, z. B. Δλ₁, Δλ₂ oder Δλ₃ empfängt. Die Diodenzeile 22 kann z. B. aus 256 Einzeldioden 21 bestehen.The analyzer 13 is followed by an output objective 31 , at the focal point of which there is an output slit diaphragm 32 which represents the input of a polychromator which has an inclined holographic concave grating 33 and a diode row 22 consisting of individual diodes 21 . The concave grating 33 reflects the incident light beams len according to their wavelength in different angle ranges, so that each individual diode 21 of the diode row 22 light of a more or less narrow wavelength range, for. B. Δλ₁, Δλ₂ or Δλ₃ receives. The diode array 22 can e.g. B. consist of 256 individual diodes 21 .
Der Ausgang der Diodenzeile 22 ist über eine Leitung 35 an eine elektronische Auswerteschaltung 39 angeschlossen, in welcher aus den von der Diodenzeile 22 empfangenen Signalen die Konzentration der gesuchten Gaskomponenten errechnet wird.The output of the diode line 22 is connected via a line 35 to an electronic evaluation circuit 39 , in which the concentration of the gas components sought is calculated from the signals received from the diode line 22 .
Die Arbeitsweise des beschriebenen Gaskomponenten-Meßgeräts
ist wie folgt:
Die z. B. aus MgF₂, SiO₂ oder TiO₂ bestehenden doppelbrechen
den Platten 12, 20 werden hinsichtlich ihrer Dicke so ausge
wählt, daß der bei einer vorgegebenen Zwischen-Winkelstel
lung oder Hilfsplatte 20 und Kippung um die optische
Kristallachse auftretende effektive optische Gangunterschied
den folgenden Wert besitzt:The gas component measuring device described operates as follows:
The z. B. from MgF₂, SiO₂ or TiO₂ existing birefringence plates 12 , 20 are chosen in terms of their thickness so that the effective optical path difference occurring at a given intermediate angular position or auxiliary plate 20 and tilting around the optical crystal axis has the following value:
Δ₀= d₁·Δn₁ + deff·Δn₂ (1)Δ₀ = d₁ · Δn₁ + d eff · Δn₂ (1)
In dieser Formel bedeuten:
Δ₀: optischer Gangunterschied;
d₁: Dicke der feststehenden doppelbrechenden Haupt
platte 12;
Δn₁: Differenz der Brechungsindizes zwischen ordentlichem
und außerordentlichem Lichtstrahl in der Hauptplatte
12;
deff: effektive Dicke der unter dem Winkel α angeordneten
Hilfsplatte 20, wobei sich diese Dicke aus dem opti
schen Brechungsgesetz errechnet;
Δn₂: Differenz der Brechungsindizes zwischen ordentlichem
und außerordentlichem Lichtstrahl in der Hilfsplatte
20.In this formula:
Δ₀: optical path difference;
d₁: thickness of the fixed birefringent main plate 12 ;
Δn₁: difference in refractive indices between ordinary and extraordinary light beam in the main plate 12 ;
d eff : effective thickness of the auxiliary plate 20 arranged at the angle α, this thickness being calculated from the optical refractive law;
Δn₂: difference in refractive indices between ordinary and extraordinary light beam in the auxiliary plate 20th
Erfolgt die Kippung um die senkrecht zur optischen Kristall achse verlaufende Achse, ist der Gangunterschied wie folgt:Is tilted around the perpendicular to the optical crystal axis running axis, the gear difference is as follows:
Δ₀ = d₁·Δn₁-deff·Δn2eff (2)Δ₀ = d₁ · Δn₁-d eff · Δn 2eff (2)
Darin bedeutet:
Δn2eff: effektive Differenz der Brechungsindizes zwischen
ordentlichem und außerordentlichem Lichtstrahl bei
dem Kippwinkel α.
It means:
Δn 2eff : effective difference in refractive indices between ordinary and extraordinary light beam at the tilt angle α.
Die effektive Dicke deff der Hilfsplatte 20 im Sinne von Fig. 2 berechnet sich aus der Dicke der Hilfsplatte d₂, dem Kippwinkel α (dieser ist gleich dem Einfallswinkel des Licht bündels 16) und dem mittleren Brechungsindex n der Hilfs platte 20 wie folgt:The effective thickness d eff of the auxiliary plate 20 in the sense of FIG. 2 is calculated from the thickness of the auxiliary plate d₂, the tilt angle α (this is equal to the angle of incidence of the light beam 16 ) and the average refractive index n of the auxiliary plate 20 as follows:
Die Dicken d₁ und deff werden nun so gewählt, daß der
effektive optische Gangunterschied Δ₀ gerade dem Reziproken
der Linienaufspaltung der quasiperiodischen Vibrations-/
Rotationsbanden der nachzuweisenden Gasmoleküle entspricht.
Die genaue Arbeitspunkteinstellung geht nun wie folgt vor
sich:
Ein erfindungsgemäßes Interferometer liefert in der Auswerte
schaltung einen sog. Interferometerkamm, der eine Sinusfunk
tion mit einer Folge von Minima und Maxima ist. Befindet
sich zwischen Sender und Empfänger sowohl ein Gas mit einem
bestimmten Spektrum als auch das erfindungsgemäße Polarisa
tionsinterferometer mit dem besagten Interferometerkamm, so
sieht die einen bestimmten Wellenlängenbereich abdeckende
Diodenzeile 22 (oder ein ausgewählter Teil derselben) nur
die integrale Information, welche durch diesen Wellenlängen
bereich durchgelassen wird.The thicknesses d₁ and d eff are now chosen so that the effective optical path difference Δ₀ corresponds precisely to the reciprocal of the line splitting of the quasi-periodic vibration / rotation bands of the gas molecules to be detected. The exact working point setting is now as follows:
An interferometer according to the invention provides a so-called interferometer comb in the evaluation circuit, which is a sinus function with a sequence of minima and maxima. If there is both a gas with a certain spectrum and the polarization interferometer according to the invention with said interferometer comb between the transmitter and receiver, the diode row 22 (or a selected part of it) covering a certain wavelength range sees only the integral information which ranges through these wavelengths is let through.
Bei der Wahl der Dicke der Platten 12, 20 wird nun wie folgt
vorgegangen:
Aus Fig. 4 erkennt man, daß das Interferogramm nur in einem
z. B. 10 Perioden umfassenden Bereich K der optischen Wegdif
ferenzen einen vernünftigen Kontrast aufweist. Die Dicke der
Platten 12, 20 wird nun so gewählt, daß der bei einer mitt
leren Kippstellung der Hilfsplatte 20 durch sie
hervorgerufene Gangunterschied Δ₀ irgendwo in dem Bereich K
zu liegen kommt. Bevorzugt ist die Mitte des Bereiches K, wo
der Kontrast, d. h. der Unterschied zwischen Minimum und
Maximum am größten ist.The choice of the thickness of the plates 12 , 20 is now as follows:
From Fig. 4 it can be seen that the interferogram only in a z. B. 10-period region K of optical Wegdif references has a reasonable contrast. The thickness of the plates 12 , 20 is now chosen so that the at a medium tilt position of the auxiliary plate 20 caused by them path difference Δ₀ comes to lie somewhere in the area K. The middle of the area K is preferred, where the contrast, ie the difference between minimum and maximum, is greatest.
Nun erfolgt die Feinjustierung in der Weise, daß der Arbeitspunkt bei vorgegebener konstanter Temperatur über die Winkelstellung der Hilfsplatte 20 so einjustiert wird, daß nach Fig. 5 bei Modulatorbetrieb die Intensität des integralen Ausgangssignals der Diodenzeile 22, welches in der Auswerteschaltung 39 gebildet wird, zwischen Imax und Imin variiert. Sitzt der Arbeitspunkt genau in der Flanke des Interferogramms (siehe Δ₀ in Fig. 5), so ist das durch den Modulator 14 erzeugte Wechselsignal maximal, wenn er mit einer Amplitude von ± λ/4 schwingt. Der durch den schwingen den Modulator 14 bedingte Gangunterschied ist in dem inner halb von Δ₀ wiedergegebenen Hilfsdiagramm 5′ in Abhängigkeit von der Zeit t angedeutet. Das Meßgerät ist nun für ein Gas, dessen Spektrallinienabstände δ betragen, maximal empfindlich.Now the fine adjustment is carried out in such a way that the operating point is adjusted at a predetermined constant temperature via the angular position of the auxiliary plate 20 so that, according to FIG. 5, the intensity of the integral output signal of the diode row 22 , which is formed in the evaluation circuit 39 , between modulator operation I max and I min varies. If the operating point is located exactly in the flank of the interferogram (see Δ₀ in FIG. 5), the alternating signal generated by the modulator 14 is at a maximum if it oscillates with an amplitude of ± λ / 4. The path difference caused by the oscillation of the modulator 14 is indicated in the inner half of Δ₀ shown auxiliary diagram 5 'depending on the time t. The measuring device is now maximally sensitive to a gas whose spectral line spacing is δ.
Wird der Arbeitspunkt durch Verkippen der Hilfsplatte 20 auf ein Maximum des Interferogramms gelegt, wie das bei Δ₁ in Fig. 6 angenommen ist, so erhält man zwar auch ein Wechsel signal (Änderung von Ia über Imax nach Ib), jedoch mit doppelter Frequenz, was folglich durch eine Lock-In-Technik unterdrückt werden kann (Minimum). Das Interferometer ist nun gegen ein Gas, dessen Spektrallinienabstände l/Δ₁ betragen, unempfindlich.If the operating point is placed by tilting the auxiliary plate 20 to a maximum of the interferogram, as is assumed at Δ₁ in Fig. 6, then you get an alternating signal (change from I a over I max to I b ), but with double Frequency, which can therefore be suppressed by a lock-in technique (minimum). The interferometer is now insensitive to a gas whose spectral line spacing is l / Δ₁.
Das Meßgerät für ein Gas empfindlich oder unempfindlich zu machen, bedeutet somit den Gangunterschied Δ über die Hilfs platte 20 so zu verändern, daß das durch die ±λ/4 Gangunter schiedsmodulation des Modulators 14 erzeugte Wechselsignal maximal oder minimal gemacht wird.To make the measuring device sensitive or insensitive to a gas thus means to change the path difference Δ via the auxiliary plate 20 such that the alternating signal generated by the ± λ / 4 speed difference modulation of the modulator 14 is made maximum or minimal.
Die (effektiven) Dicken der Platten 12, 20 und damit die effektive Gangdifferenz werden also so gewählt, daß man sich im Bereich K des maximalen Kontrastes (Fig. 4) des Interfero gramms befindet. Dieser Bereich kann bis zu zehn Maxima und Minima (fast gleicher Amplitude) aufweisen, was u. a. eine Folge der Tatsache ist, daß bei den Spektren der Gase die Absorptionslinien nicht äquidistant, sondern nur quasiäqui distant sind. Somit ist die Winkelstellung der Hilfsplatte 20 für die Grobeinstellung nicht relevant.The (effective) thicknesses of the plates 12 , 20 and thus the effective path difference are thus chosen so that one is in the area K of the maximum contrast ( FIG. 4) of the interferogram. This range can have up to ten maxima and minima (almost the same amplitude), which is, among other things, a consequence of the fact that in the spectra of the gases the absorption lines are not equidistant but only quasi-equidistant. Thus, the angular position of the auxiliary plate 20 is not relevant for the rough adjustment.
Der maximale Kippwinkel αmax und die Dicke der Hilfsplatte 20 sind abhängig von der gewünschten Auflösung und der spektralen Lage der Absorptionsbanden.The maximum tilt angle α max and the thickness of the auxiliary plate 20 depend on the desired resolution and the spectral position of the absorption bands.
Zwischen den optischen Bauelementen 11, 12; 12, 20; 20, 14; und 14, 13 sind nach Fig. 1 blendenartig ausgebildete Heiz matten 18 befestigt, mittels deren durch geeignete Tempera tursteuerung eine exakte Temperatur mit einer Konstanz von besser als 0,1° in dem Raum erzeugt werden kann, wo sich die optischen Bauelemente befinden. Dies ergibt bei einer 1 mm dicken Rutilplatte eine Genauigkeit von ungefähr λ/1000 beim Gangunterschied. Alle optischen Bauelemente sollten in einem wärmeisolierenden Gehäuse untergebracht sein.Between the optical components 11 , 12 ; 12 , 20 ; 20 , 14 ; and 14, 13 are shown in FIG. 1 diaphragmed formed heater mat 18 is attached, by means of which by suitable temperature tursteuerung exact temperature with a stability of better than can be generated in the space of 0.1 °, where there are the optical components. With a 1 mm thick rutile plate, this gives an accuracy of approximately λ / 1000 in the path difference. All optical components should be housed in a heat-insulating housing.
Nach Fig. 3 ist der photoelastische Modulator 14 nach Fig. 1 als ein im Querschnitt rechteckiger Modulatorstab 19 mit einer Länge L ausgebildet, welche halb so lang ist wie die Wellenlänge, mit der der Modulatorstab 19 in seiner Längs richtung schwingen soll. Dadurch ergibt sich ein Schwingungs knoten in der Stabmitte. Dort sind auf gegenüberliegenden Seiten des Modulatorstabes 19 Piezokeramikelemente 23 ange bracht, welche auf einer Länge von etwa 20 mm mit einer 5 mm dicken Silikon-Kautschuk-Schicht 24 abgedeckt sind. Durch den Lichtstrahl 38 ist angedeutet, wie das Lichtbündel 16 nach Fig. 1 den Modulatorstab 19 durchquert. Die Piezokera mikelemente 23 befinden sich also an um 90° um die Stabachse 42 gegenüber den Lichtdurchtrittsflächen versetzten Flächen.According to FIG. 3, the photoelastic modulator 14 according to FIG. 1 is designed as a modulator rod 19 with a rectangular cross section with a length L which is half as long as the wavelength with which the modulator rod 19 is to oscillate in its longitudinal direction. This creates a vibration node in the middle of the bar. There are 19 piezoceramic elements 23 are placed on opposite sides of the modulator rod, which are covered over a length of about 20 mm with a 5 mm thick silicone rubber layer 24 . The light beam 38 indicates how the light bundle 16 according to FIG. 1 crosses the modulator rod 19 . The Piezokera mikelemente 23 are thus at 90 ° around the rod axis 42 with respect to the light transmission surfaces offset surfaces.
In einem Endbereich des Modulatorstabes 19 ist an einer sei ner Seiten ein Schwingungssensor 25 angebracht. Der Schwin gungssensor 25 und die Piezokeramikelemente 23 sind über nur gestrichelt angedeutete Leitungen mit einem Mikroprozessor 26 verbunden, welcher über den Schwingungssensor 25 die Ist- Frequenz und die Schwingungsamplitude des zu einer Längs schwingung angeregten Modulatorstabes 19 mißt und dement sprechend die Piezokeramikelemente 23 derart mit einer Anre gungsfrequenz beaufschlagt, daß diese mit einer vorbestimm ten Sollfrequenz arbeiten, die einer Wellenlänge gleich dem Doppelten der Stablänge L entspricht.In an end region of the modulator rod 19 , a vibration sensor 25 is attached to one side. The oscillations supply sensor 25 and the piezoceramic elements 23 are connected via only indicated in dashed lines lines to a microprocessor 26 which measures on the vibration sensor 25, the actual frequency and the vibration amplitude of the vibration to a longitudinal excited modulator rod 19 and accordingly, the piezoceramic elements 23 in such a Excitation frequency applied that they work with a predetermined th target frequency, which corresponds to a wavelength twice the rod length L.
Der Mikroprozessor 26 kann Bestandteil der Auswerteschaltung 29 nach Fig. 1 sein. Die die Piezokeramikelemente 23 mit Spannung versorgenden Leitungen sind der Einfachheit halber in Fig. 3 nicht dargestellt.The microprocessor 26 can be part of the evaluation circuit 29 according to FIG. 1. The lines supplying the piezoceramic elements 23 with voltage are not shown in FIG. 3 for the sake of simplicity.
Weiter sind auch die Fassungen in Fig. 3 nicht gezeigt, welche von beiden Seiten her an den Silikon-Kautschuk- Schichten 24 angreifen und auf diese Weise den Modulatorstab 19 in seinem Schwingungsknoten einspannen. Durch die Einspan nung über die erfindungsgemäß über den Piezokeramikelementen 23 vorgesehenen Silikon-Kautschuk-Schichten 24 wird die Richtung der über die Längenmodulation induzierten optischen Achse stabil auf einen Wert genauer als 1° festgelegt, und zwar bei gleichzeitig geringer Dämpfung der Modulation und nahezu verschwindender, durch die Lagerung induzierter Span nungsdoppelbrechung.Furthermore, the sockets are not shown in FIG. 3, which act on the silicone rubber layers 24 from both sides and in this way clamp the modulator rod 19 in its vibration node. By clamping over the silicone rubber layers 24 provided according to the invention over the piezoceramic elements 23 , the direction of the optical axis induced via the length modulation is stably set to a value more precise than 1 °, with simultaneous low damping of the modulation and almost vanishing, stress birefringence induced by the storage.
Erfindungsgemäß ist also eine schnelle Arbeitseinstellung und eine Stabilisierung desselben möglich. Da die Temperatur im Innern des Interferometers nicht verändert werden muß und in engen Grenzen konstant gehalten werden kann, ist die Arbeitspunkteinstellung nicht nur schnell, sondern auch sehr genau möglich.According to the invention, therefore, the work is set up quickly and a stabilization of the same is possible. Because the temperature inside the interferometer does not have to be changed and can be kept constant within narrow limits is the Working point setting not only quickly, but also very much exactly possible.
An sich störende Querkomponenten können nicht nur elimi niert, sondern sogar durch geeignete Kippstellung der Hilfs platte 20 gemessen werden.Disturbing cross components can not only be eliminated, but can even be measured by suitable tilting of the auxiliary plate 20 .
Der wesentliche Bestandteil des erfindungsgemäßen Gas-Meß gerätes ist das beschriebene Polarisationsinterferometer, bei dem die Dicke der doppelbrechenden Platten auf die quasi periodische Struktur in den Vibrations-/Rotationsbanden, die des Modulators auf die zu erreichende Retardation und damit den Wellenlängenbereich der Absorption des zu messenden Gases abgestimmt ist.The essential part of the gas measurement according to the invention device is the polarization interferometer described, where the thickness of the birefringent plates on the quasi periodic structure in the vibration / rotation bands that of the modulator on the retardation to be achieved and thus the wavelength range of the absorption of the measured Gases is matched.
Die Grobeinstellung des beschriebenen Polarisationsinterfero meters geschieht also durch geeignete Wahl der Dicken d₁ und d₂ der Hauptplatte 12 bzw. der Hilfsplatte 20. Die Fein justierung kann dann durch geeignete Einstellung des Winkels α der Hilfsplatte 20 erfolgen. Zweckmäßigerweise wird bei der Wahl der Dicke d₂ der Hilfsplatte 20 bereits von einem mittleren Winkel α ausgegangen, so daß nach Fertigstellung des Interferometers die Hilfsplatte 20 unter einem Ausgangs winkel von beispielsweise 10° steht, der dann nach beiden Richtungen verändert werden kann, um die erforderliche Fein einstellung auf eine bestimmte Absorptionsbande vorzunehmen.The coarse adjustment of the polarization interferometer described is done by a suitable choice of the thicknesses d 1 and d 2 of the main plate 12 and the auxiliary plate 20 . The fine adjustment can then be made by suitable adjustment of the angle α of the auxiliary plate 20 . Appropriately, the choice of the thickness d₂ of the auxiliary plate 20 is already based on an average angle α, so that after completion of the interferometer the auxiliary plate 20 is at an output angle of, for example, 10 °, which can then be changed in both directions to the required Fine tune to a specific absorption band.
Claims (9)
mit einem zwischen dem Polarisator (11) und dem Analysa tor (13) und insbesondere zwischen der feststehenden Hauptplatte (12) und dem Analysator (13) angeordneten photoelastischen Modulator (14),
dadurch gekennzeichnet,
daß als photoelastischer Modulator (14) ein durchsichtiger, photoelastischer Modulatorstab (19) mit vorzugsweise rechteckigem oder quadratischem Querschnitt in der Stabmitte beidseits der Lichtdurchtritts stelle (28) mechanisch eingespannt und zu einer mechani schen Längsschwingung mit einer dem doppelten seiner Länge (L) entsprechenden Wellenlänge anregbar ist,
daß weiterhin in der Stabmitte auf den eingespannten Seiten des Modulatorstabes (19) Piezokeramikelemente (23) angebracht sind, die zu einer mechanischen Schwingung mit der obigen Wellenlänge anregbar sind,
daß die Piezokeramikelemente (23) jeweils mit einer Silikon- Kautschukschicht (24) überzogen sind und
daß mittels der Silikon-Kautschukschichten der Modulatorstab (19) in einer Fassung gehalten ist.7. Interferometric gas component measuring device, in particular for small gas molecules, with a light beam ( 16 ) generated by a light transmitting arrangement ( 27 , 28 , 29 ), which has a wavelength band in which the absorption spectra of the gas components to be determined are located, with one of the gas components containing measuring path ( 30 ) through which the light beam ( 16 ) passes, a polarizer ( 11 ) receiving the light emerging from the measuring path ( 30 ), behind which a fixed birefringent main plate ( 12 ) is arranged, the optical axis of which is at an angle of preferably 45 ° with the polarization direction of the polarizer ( 11 ) includes and such a thickness (d₁) that the optical path difference (Δ₀) between the perpendicularly polarized light beams generated in the main plate ( 12 ) in the order of magnitude of the reciprocal ( 1 / δν) of the quasi-periodic line splitting of a selected vibra tion-rotation band of the gas molecules of a gas component, with an analyzer ( 13 ) arranged behind the main plate ( 12 ), the direction of polarization of which runs parallel or perpendicular to that of the polarizer ( 11 ), an output lens ( 31 ) arranged behind it, which does that the analyzer ( 13 ) exits de light to a polychromator ( 22 , 33 ) with an evaluation circuit ( 39 ) which emits representative electrical concentration signals representative of the concentration of the gas components in question,
with a photoelastic modulator ( 14 ) arranged between the polarizer ( 11 ) and the analyzer ( 13 ) and in particular between the fixed main plate ( 12 ) and the analyzer ( 13 ),
characterized,
that as a photo-elastic modulator ( 14 ) a transparent, photo-elastic modulator rod ( 19 ) with a preferably rectangular or square cross-section in the rod center on both sides of the light passage point ( 28 ) mechanically clamped and to a mechanical rule's longitudinal vibration with a wavelength twice its length (L) is stimulable
that in the middle of the rod on the clamped sides of the modulator rod ( 19 ) piezoceramic elements ( 23 ) are attached, which can be excited to mechanical vibration with the above wavelength,
that the piezoceramic elements ( 23 ) are each covered with a silicone rubber layer ( 24 ) and
that the modulator rod ( 19 ) is held in a socket by means of the silicone rubber layers.
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| DE19934314535 DE4314535C2 (en) | 1993-05-03 | 1993-05-03 | Inferferometric gas component measuring device |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103234635B (en) * | 2013-03-22 | 2015-05-27 | 中北大学 | Photoelastic-modulation Fourier transform interference imaging spectrometer |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2566532B1 (en) * | 1984-06-22 | 1986-09-12 | Elf France | GAS DETECTOR BY INTERFEROMETRY |
| FR2581190B1 (en) * | 1985-04-25 | 1987-06-19 | Elf France | INTERFEROMETRIC GAS DETECTOR |
| FR2619621B1 (en) * | 1987-08-18 | 1989-12-22 | Centre Nat Rech Scient | METHOD FOR MEASURING THE CONCENTRATION OF A GAS IN A GAS MIXTURE AND DEVICE FOR CARRYING OUT SAID METHOD |
| DE3825683C1 (en) * | 1988-07-28 | 1989-12-28 | Erwin Sick Gmbh Optik-Elektronik, 7808 Waldkirch, De | |
| SU1608508A1 (en) * | 1988-08-04 | 1990-11-23 | Новосибирский государственный университет | Refractometer |
| DE3926504C2 (en) * | 1988-08-12 | 1999-11-18 | Murata Manufacturing Co | Vibratory gyroscope |
| FR2643145A1 (en) * | 1989-02-14 | 1990-08-17 | Bertin & Cie | METHOD AND DEVICE FOR DETECTING AND MEASURING A PHYSICAL SIZE |
| US5117148A (en) * | 1989-11-07 | 1992-05-26 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Vibrator |
-
1993
- 1993-05-03 DE DE19934314535 patent/DE4314535C2/en not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2336748A1 (en) | 2009-12-18 | 2011-06-22 | SICK MAIHAK GmbH | Method and device for measuring the mercury content of a gas |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE4314535A1 (en) | 1994-11-10 |
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| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
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Owner name: SICK AG, 79183 WALDKIRCH, DE |
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| D2 | Grant after examination | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
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