DE4413670A1 - Gerät für Infrarotanalysen von insbesondere gasförmigen Stoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät für Infrarotanalysen von ins­ besondere gasförmigen Stoffen gemäß dem Oberbegriff des Hauptan­ spruches.

Ein derartiges Gerät ist insbesondere aus der DE OS 28 04 972 bekannt. Die aus einem Infrarotstrahler austretende Strahlung wird über eine Linse in einen Meßbehälter in dem sich das zu analy­ sierende Gas befindet an einem Ende einer Meßstrecke eingekoppelt und tritt am anderen Ende der Meßstrecke des Meßbehälters aus in dem Meßbehälter ist eine rotierende Scheibe zum periodischen Ab­ schotten und Freigeben des Strahlenganges angeordnet. Die die Meßstrecke durchlaufenden Strahlen werden unterschiedlich durch verschiedene Gasbestandteile absorbiert. Die Änderung, bzw. die Schwächung der Intensität der Strahlung entsprechend einer be­ stimmten Wellenlänge wird durch den Detektor registriert. Aus der Schwächung der Intensität der die Meßstrecke durchlaufenden Strahlen werden die einzelnen Gasbestandteile des in dem Meßbehälter befindlichen Gases bestimmt. Nur durch die Erzeugung einer pulsierenden Beaufschlagung können Meßsignale erzeugt wer­ den, die anschließend ausgewertet werden können. Das periodische Freigeben und Abschotten der Infrarotstrahlen wird im wesentli­ chen durch zwei Stellungen der rotierenden Scheibe erreicht; in einer ersten Stellung der Scheibe werden die Strahlen abgeschottet, in einer zweiten Stellung, bei der die Scheibenfläche mit ihrer schmalen Seite zum Strahlengang steht,werden die Strahlen freigegeben. Jedoch entsteht in dieser Stellung der Scheibe, bei der die Strahlen freigegeben werden ein Schatten auf dem Detektor, was zur Verschlechterung des Wirkungs­ grades des Strahlenganges und somit zur Verfälschung der Meßergebnisse führt.

Eine andere bekannte Lösung ist das elektronische Choppen der Strahlen, indem die Strahlenquelle periodisch ein- und ausge­ schaltet wird. Die dabei erreichbare Meßempfindlichkeit ist je­ doch sehr gering, da dieses Choppen nur für leistungsschwache Strahler geeignet ist. Niedrige Konzentrationen von Gasbestand­ teilen können mit dieser Methode nicht ermittelt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Gerät zur Infrarotanalyse von Gasen so weiterzubilden, daß bei ei­ ner preisgünstigen und herstellungtechnisch einfachen Bauform die Meßgenauigkeit erhöht wird.

Diese Aufgabe ist durch die im Hauptanspruch angegebenen Merk­ male gelöst. Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Weiterbil­ dungen dar.

Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung zur periodischen Freigabe des Strahlenganges die durch ein senkrecht auf die Längsachse des Meßbehälters stehendes, rotierendes Bauelement mit einer Öffnung zum ungehinderten Durchtritt des gesamten Strahlenganges gebil­ det und weist vorzugsweise die Form eines Chopperzylinders auf, der vorzugsweise in dem Teil des Meßbehälters, der den Hohlspiegel des Strahles bildet, angeordnet ist. Die Form der Öffnung zum Durchtritt des Strahlenganges entspricht der Querschnittsform des Meßbehälters, d. h. der gesamte Strahlengang kann ungehindert durch die Öffnung des rotierenden Elementes ohne Hindernisse durchtreten. Die Drehachse des Chopperzylinders steht senkrecht auf die Längsachse des Meßbehälters bzw. senkrecht zu dem Strahlengang. Durch die Drehung um seine Drehachse wird der Chop­ perzylinder in eine erste Stellung gebracht, bei der die Licht­ strahlen abgeschottet werden, d. h. er verschließt mit seiner durchgehenden Fläche den Querschnitt des Meßbehälters; durch eine weitere Drehung um 90° erreicht der Chopperzylinder eine zweite Stellung, bei der die Strahlen auf seine Öffnung auftreffen und durch diese ungehindert durchtreten. Diese Position des Chopper­ zylinders ist mit der Freigabe des gesamten Strahlenganges gleich. Es ist vorteilhaft, daß das die Strahlen durchlassende und abschottende Bauelement/Chopperzylinder eine zylindrische Form aufweist und durch einen Schrittmotor gesteuert wird.

Vorteilhaft ist, wenn der Detektor an dem dem Lichteintritt ab­ gewandten Ende der Meßstrecke/des Meßbehälters und in diesem an­ geordnet ist. Die den einzelnen Wellenlängen entsprechenden Fil­ ter sind direkt am Detektor angeordnet. Dadurch, daß die dünne Scheibe und der empfangende Detektor in dem Meßbehälter angeord­ net sind, ist kein zusätzliches Vakuum notwendig, bzw. kein zusätzlicher evakuierter Raum, in dem die Filter für verschiedene Wellenlängen angeordnet werden müssen. Die Messung wird somit ohne weitere Maßnahmen nur durch die Gasbestandteile, die ermit­ telt werden sollen, beeinflußt. Nach Durchlaufen der gesamten Meßstrecke trifft bei entsprechenden Stellung des Chopperzylin­ ders das gesamte Licht auf den Detektor auf und die Intensität des auftreffenden Lichtstrahles für eine bestimmte Wellenlänge wird gemessen. Durch die kompakte Anordnung der einzelnen Bauteile des erfindungsgemäßen Gerätes insbesondere innerhalb des Meßbehälters ist es möglich, seine Abmessungen sehr gering zu hal­ ten. Darüberhinaus können sowohl der Chopperzylinder als auch der Detektor eine miniaturisierte Form aufweisen, so daß bei einer normalen Konzentration eines zu untersuchenden gasförmigen Stof­ fes das Gerät eine Länge von 5 bis 200 mm und einen Durchmesser von etwa 10 bis 20 mm aufweisen kann, was die Einsetzbarkeit des Gerätes für Vor-Ort-Analysen ermöglicht.

Der Meßbehälter weist vorteilhafterweise eine im wesentlichen zylindrische, in Richtung des Detektors sich evtl. verjüngende Form auf. Dadurch wird erreicht, daß das zu untersuchende Gas sich in einem Vakuum befindet, das von den Infrarotstrahlen durchsetzt wird. Die sich von der Strahlenquelle, die einen Durchmesser von ca. 10 mm bis 15 mm aufweist befindliche Linse fokussiert die Strahlung in Richtung auf den Detektor, dessen Oberfläche einen Durchmesser von ca. 5 mm hat.

Der Chopperzylinder wird durch einen ihm zugeordneten Motor ge­ dreht. Vorteilhaft ist, wenn es sich dabei um einen Schrittmotor handelt, wodurch die Übergänge zwischen der Lichtfreigabe- und Lichtabschottungsposition des Chopperzylinders sehr schnell stattfinden und das Anhalten in den beiden Positionen den Anforde­ rungen entsprechend gesteuert wird. Zu diesem Zweck ist auch ein Geber vorgesehen, der die jeweilige Position des Chopperzylinders erfaßt und den Motor entsprechend steuert. Der Antriebsmotor weist ebenfalls eine miniaturisierte Form auf und ist vorteilhafterwei­ se an der äußeren Wandung des Meßbehälters angeordnet.

Vorteilhaft ist, wenn der Empfänger durch einen Detektor, wel­ cher auf pyroelektrischer Basis arbeitet und deswegen besonders kleine Abmessungen aufweist, gebildet ist. Diesem Detektor sind erfindungsgemäß sektorenweise Filter für verschiedene Wellenlängen zugeordnet. Vorteilhafterweise ist einer der Filter für eine Referenzwellenlänge vorgesehen. Dadurch ist es möglich, äußere Einflüsse, die die eigentliche Messung beeinflussen, aus­ zuschalten. Die Intensität des Lichtes mit der Referenzwellenlänge wird durch die äußeren Einflüsse genauso verändert wie die Intensität der zu messenden Wellenlängen. Da­ durch ist die Unabhängigkeit der Messung von den äußeren Einflüssen gewährleistet.

Die Größe des Meßbehälters wird der zu erwartenden Konzentrati­ on an gasförmigen Stoffen, deren Beschaffenheit bestimmt werden muß, angepaßt. Ist die Konzentration der gasförmigen Stoffe nied­ rig, so muß die Meßstrecke länger sein und dementsprechend auch die Abmessungen des Meßbehälters.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen, die in den nachfolgenden Figuren dargestellt sind, näher erläutert. Er zeigt

Fig. 1 Eine schematische perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Gerätes.

Fig. 2 Eine Draufsicht auf eine etwas andere Bauform des erfindungsgemäßen Gerätes.

Fig. 3 Eine Darstellung eines Detektors zur Bestimmung von fünfzehn Bestandteilen des untersuchten gasförmigen Stoffes.

Das erfindungsgemäße Gerät für Infrarotanalysen von gasförmigen Stoffen weist einen Meßbehälter 1, einen Infrarot­ strahler 2 und einen Detektor 3 auf. Der Infrarotstrahler 2 ist in einem Gehäuse 4 angeordnet, das die Form eines Parabolspiegels hat. Durch eine Linse 5 werden die durch den Infrarotstrahler 2 erzeugten Strahlen in die Meßstrecke des Meßbehälters 1 eingekop­ pelt. Im Meßbehälter 1 befindet sich das zu untersuchende Gas, das durch eine Zuführung 6 dem Behälter zugeführt wird und durch eine Abführung 7 von diesem abgeführt wird. Der Meßbehälter 1 weist eine zylindrische Form auf. Im Meßbehälter 1 ist ein um eine Achse A-A drehbarer Chopperzylinder 8 mit einer durchgehenden Öffnung 9 angeordnet. Die Öffnung 9 erstreckt sich parallel zu Strahlengang, bzw. zur Längserstreckungsrichtung des Meßbehälters. Die Drehbewegungen des Chopperzylinders 8 werden durch einen Motor 10 verursacht und gesteuert. Der Motor 10 ist mit einer Steuereinheit 16 auf Gleich- oder Wechselstrombasis evtl. durch einen Schrittmotor für die Drehgeschwindigkeit des Chopperzylinders 8 ausgestattet. Darüber hinaus ist dem Chopper­ zylinder 8 ein Geber 11 zugeordnet, welcher seine Positionen erfaßt. Der Geber 11 kann durch eine Lichtschranke, eine Hall-Sonde oder einen induktiven, oder kapazitiven Näherungsschalter gebil­ det sein. Die Signale des Gebers 11 werden der mit dem Motor 10 ver­ bundenen Steuereinheit zugeführt, wonach die Bewegungen und die Geschwindigkeit des Chopperzylinders 8 gesteuert werden. Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Position des Chopperzylinders 8 ent­ spricht einem Zustand, in dem alle Lichtstrahlen durchgelassen werden und somit zum Detektor 3 gelangen. Der Detektor 3 ist eben­ so wie der Chopperzylinder 8 im Meßbehälter 1 an seinem, dem Strahleneintritt abgewandten Ende angeordnet. Beim Detektor 3 handelt es sich um einen pyroelektrischen Detektor für eine oder mehrere Wellenlängen. Der Chopperzylinder 8 besteht aus einem Ma­ terial, welches einerseits wärmebeständig ist und andererseits leicht genug ist, um schnelle Drehbewegungen desselben um die Ro­ tationsachse A-A zu ermöglichen. Dieses Material kann Metall oder wärmebeständiger Kunststoff sein. Die Verbindung zwischen dem Motor 10 und der Achse des Chopperzylinders 8 geschieht über eine im Gehäuse des Meßbehälters 1 dicht verankerte Kupplung 17. Die dargestellte Position des Chopperzylinders 8 läßt die Infrarot­ strahlen zum Detektor 3 durch. Die Öffnung 9 des Chopperzylinders 8 erstreckt sich parallel zum Strahlengang 12. Wird der Chopperzy­ linder 8 durch den Motor 10 um 90° um die Achse A-A gedreht, so treffen die Strahlen 12 auf die geschlossene Fläche 8a des Chop­ perzylinders 8 auf, so daß diese Position einer Abschottung des Strahlenganges 12 entspricht.

In Fig. 3 ist der Detektor 3 dargestellt mit vier pyrolytischen Meßzellen 13, vor denen jeweils sektorenweise vier Filter 14 ange­ ordnet sind. Somit ist eine Messung der Intensitätsschwächung von sechzehn Wellenlängen möglich, woraus sich eine Bestimmung von fünfzehn Gasbestandteilen ergibt, da ein Filter 14 für eine Referenzwellenlänge vorgesehen ist.

Es ergibt sich folgende Wirkungsweise: Die von der Infrarot­ lichtquelle 2 ausgesandten Strahlen werden über die Linse 5 in den Meßbehälter 1 eingekoppelt, wo sie eine Meßstrecke bis zum Detek­ tor 3 durchlaufen. In dem Meßbehälter 1 befindet sich das zu un­ tersuchende Gas, dessen einzelne Bestandteile bestimmt werden sollen. Für die Durchführung der Messung ist es wichtig, daß der Strahlengang geschoppt wird, d. h. die Strahlen 12 periodisch frei­ gegeben und abgeschottet werden, so daß sie periodisch den Empfänger des Detektors 3 erreichen. In Abhängigkeit von der Stel­ lung des Chopperzylinders 8 werden die Strahlen periodisch frei­ gegeben und abgeschottet. Befindet sich der Chopperzylinder 8 in einer solchen Position, daß der gesamte Querschnitt des Meßbehälters 1 durch die geschlossene Fläche 8a des Chopperzylin­ ders 8 eingenommen wird, so werden keine Strahlen durchgelassen; befindet sich der Chopperzylinder in einer solchen Position, daß seine Öffnung 9, die dem Durchmesser und der Form des Meßbehälters gleich ist, und sich parallel zum Strahlengang erstreckt, so ge­ langen alle Strahlen zum Detektor 3, da die geschlossenen Seiten 8a des Chopperzylinders 8 in der Ausbuchtung 15 liegen. Die Intensität der am Detektor 3 ankommenden Strahlung kann gemessen werden. Die Messungen werden mehrmals wiederholt, um Zählraten zu erhalten, aufgrund deren die Schwächung der Lichtintensität für bestimmte Wellenlängen zuverlässig festgestellt werden kann und daß aufgrund dieser Absorbtionsraten die Bestandteile des zu mes­ senden Gasgemisches bestimmt werden können.

Claims (10)

1. Gerät für Infrarotanalysen von insbesondere gasförmigen Stof­ fen mit einer Infrarotstrahlungsquelle, wobei die Infrarot­ strahlen in einen mit dem Gasgemisch gefüllten Meßbehälter eingekoppelt werden, und einer Vorrichtung zur periodischen Freigabe des Infrarotstrahlenganges und mit Filtern, die ein­ zelnen Wellenlängen entsprechen, und einem Detektor zur Messung der Intensität der Strahlen nach Durchlaufen des Meßbehälters, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur periodischen Freigabe des Infrarotstrahlenganges (12) durch ein im Meßbehälter (1) angeordnetes und um eine senkrecht auf die Längsachse des Meßbehälters (1) stehende Achse (A-A) rotierendes, im wesentlichen in zwei Stellungen bringbares Bau­ element (8) gebildet ist und wobei das Bauelement (8) eine Öffnung (9) zum ungehinderten Durchtritt des gesamten Strahlenganges (12) aufweist.

2. Gerät für Infrarotanalysen nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Bauelement ein Chopperzylinder (8) ist.

3. Gerät für Infrarotanalysen nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßbehälter (1) eine im wesentlichen zylindrische, Form aufweist.

4. Gerät für Infrarotanalysen nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Motor (10) für die Drehbewegungen des Chopperzylinders (8) vorgesehen ist.

5. Gerät für Infrarotanalysen nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Motor (9) ein Schrittmotor ist und mit einer Steuervorrichtung (16) zur Steuerung der Geschwindigkeit des Chopperzylinders (8) versehen ist.

6. Gerät für Infrarotanalysen nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (3) im Meßbehälter angeordnet und ein pyroelektrischer Empfänger ist.

7. Gerät für Infrarotanalysen nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (3) mit Filtern (13) versehen ist.

8. Gerät für Infrarotanalysen nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Detektor (3) ein Filter (14) für eine Referenzwellenlänge aufweist.

9. Gerät für Infrarotanalysen nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Geber (11) zur Abta­ stung der Position des Chopperzylinders (8) vorgesehen ist.

10. Gerät für Infrarotanalysen nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Meßbehälters (1) der Konzentration der gasförmigen Stoffe angepaßt ist.