DE4432940C2 - Infrarot-Gasanalysator - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Absorptions-Infrarot-Gasanalysator zur qualitativen oder quantitativen Analyse von in einer Gasprobe enthaltenen Gasspuren. Absorptions-Infrarot-Gas­ analysatoren, die qualitativ oder quantitativ Gasspuren in einer Gasprobe auf der Grundlage einer Infrarot-Absorption durch die Gasspuren analysieren, sind auf verschiedenen technischen Gebieten wegen ihrer ausgezeichneten Selektivität und hohen Empfindlichkeit weit verbreitet.

Unter Bezugnahme auf Fig. 7 sollen zunächst der Aufbau und das Wirkungsprinzip eines her­ kömmlichen Absorptions-Doppelstrahl-Infrarot-Gasanalysators erläutert werden. Bei der in Fig. 7 gezeigten Anordnung wird eine Infrarotstrahlung von einer Infrarot-Strahlungsquelle 3 mittels eines rotierenden Zerhackers 2 zu einer Infrarotstrahlenfolge zerhackt, die mit einer vorbe­ stimmten Frequenz pulsiert. Die Strahlenfolge wird mittels einer Verteilerzelle 4 in zwei Teil­ strahlen aufgeteilt. Einer der Teilstrahlen wird als Meßstrahl 11 einer Meßzelle 13 und der andere Teilstrahl als Referenzstrahl 12 einer Referenzzelle 14 zugeführt. Die Meßzelle 13 umfaßt Infrarot-Fenster 5, 6 sowie eine Einlaß- und eine Auslaßleitung 18, 17, durch die eine die zu analysierende Gaskomponente enthaltende Gasprobe in die Meßzelle 13 eingeführt bzw. aus ihr herausgeleitet wird. Der Meßstrahl 11 wird in der Meßzelle 13 abhängig vom Gehalt des zu analysierenden Komponentengases absorbiert.

Die Referenzzelle 14 umfaßt Infrarot-Fenster 7, 8. In der Referenzzelle 14 ist ein Gas einge­ schlossen, das den Infrarotstrahl nicht absorbiert, beispielsweise Stickstoff. Die Strahlen 11 und 12 werden nach Durchlaufen der Zellen 13 bzw. 14 in einen Gaseinschluß-Detektor 20 eingeleitet. Der Detektor 20 umfaßt eine erste und eine zweite Expansionszelle 15 und 16, auf denen Infrarot-Fenster 9 bzw. 10 installiert sind. Das gleiche Spurengas wie das zu analysie­ rende ist in dem Detektor 20 eingeschlossen. Der Strahl 11 trifft durch das Infrarot-Fenster 9 auf die erste Expansionszelle 15, und der Referenzstrahl 12 trifft durch das Infrarot-Fenster 10 auf die zweite Expansionszelle 16. Der Detektor 20 umfaßt ferner einen Gasströmungskanal 19, der die Expansionszellen 15 und 16 miteinander verbindet. Eine Gasströmung durch den Kanal 19 ist durch eine Druckänderungsdifferenz bedingt, die von einer Infrarot-Absorptionsdif­ ferenz zwischen den Expansionszellen 15 und 16 entsprechend dem Gehalt an zu analysieren­ dem Gas in der Gasprobe herrührt.

Thermoelemente 23, 24 in einem Thermosensor 21 sind in den Fig. 8(A), (B) und (C) gezeigt. Fig. 8(A) zeigt eine Vorderansicht der Thermoelemente 23, 24, die in Form zweier flacher Git­ ter aus elektrisch leitendem Material wie Metall oder Keramik ausgebildet sind. Das dargestellte Beispiel des Thermoelements 23 oder 24 umfaßt einen Widerstand (schraffierter Teil), der dadurch hergestellt ist, daß schmale interdigitale (versetzt gegeneinanderlaufende) Schlitze durch Ätzen einer rechteckigen Nickelfolie ausgebildet sind. Die Thermoelemente 23 und 24 sind mit einem engen Zwischenabstand aufeinander angeordnet, wie in Fig. 8(B) gezeigt.

Fig. 8(B) zeigt eine Querschnittsansicht längs der Linie A-A in Fig. 8(A) der Thermoelemente 23 und 24. Die schraffierten Teile in Fig. 8(B) stellen Teile des oben beschrieben Zick-Zack- Verlaufs der elektrisch leitenden Folie dar, dessen Widerstand sich stark mit der Temperatur ändert. Das Thermoelement 23 ist auf der linken Seite angeordnet und das Thermoelement 24 liegt in enger Nähe zu dem Element 23. Die entsprechenden zentralen Abschnitte der Thermo­ elemente 23 und 24 sind als Öffnung ausgebildet, die senkrecht in dem Kanal 19 liegt, welcher die erste und die zweite Expansionszelle 15 und 16 miteinander verbindet. Die Thermoelemente 23 und 24 sind zur Bildung einer Wheatstone′sche Brückenschaltung mit Widerständen 27 bzw. 28 verbunden. Die Thermoelemente 23, 24 werden durch der Wheatstone′schen-Brüc­ kenschaltung gelieferte elektrische Leistung über Raumtemperatur erwärmt. Die Thermoele­ mente 23, 24 sind so nahe beieinander angeordnet, daß zwischen ihnen eine thermische Kopplung auftritt.

Wenn als Antwort auf die Druckdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Expansionszelle 15 und 16 eine Gasströmung durch den Kanal 19 auftritt, ändert diese die Temperaturvertei­ lung um die Thermoelemente 23, 24. Die Wheatstone′sche Brückenschaltung erfaßt die Tem­ peraturverteilungsänderung als Anzeige der Druckdifferenz.

Der bekannte Infrarot-Gasanalysator, der die aus zwei Thermoelementen und zwei Widerstän­ den bestehende Wheatstone′sche Brückenschaltung aufweist, ist nicht empfindlich genug, um Gasspuren geringer Konzentration zu analysieren, da die Wheatstone′sche Brückenschaltung nur die Widerstandsänderung der beiden Thermoelemente ausnutzt. Der Infrarot-Gasanalysator gemäß dem Stand der Technik hat dieses Problem mit einer verlängerten Meßzelle oder mit einer Infrarot-Strahlungsquelle hoher Strahlstärke gelöst. Die verlängerte Meßzelle behindert jedoch eine Verkleinerung des optischen Systems, und die Strahlungsquelle hoher Strahlstärke erfordert zusätzliche thermische Mittel, einschließlich eines Radiators, da die Strahlungsquelle hoher Strahlstärke durch eine hohe Quellentemperatur realisiert wird, was zu einer größeren Bauform und Verteuerung des Infrarot-Gasanalysators führt.

Ein Zweistrahl-IR-Gasanalysator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus der DE 26 38 522 A1 bekannt. Bei diesem Stand der Technik sind im Strahlengang jedes der beiden Teilstrahlen aufeinanderfolgend zwei Detektorzellen angeordnet, die jeweils über eine Strömungskanal hohen Strömungswiderstandes untereinander verbunden sind. Die beiden Detektorzellen, die im Strahlengang des ersten Teilstrahls und des zweiten Teilstrahls an die Meßzelle bzw. die Referenzzelle anschließen, sind über einen Gasströmungskanal mteinander verbunden, in welchem sich eine Thermosensoranordnung mit zwei Thermoelementen befindet. Die beiden übrigen Detektorzellen sind in gleicher Weise mit einem Gasströmungskanal verbunden, in welchem sich eine zweite Thermosensoranordnung mit ebenfalls zwei Thermoelementen befindet. Jeder der Thermosensoren ist Teil einer gesonderten Wheatstone'schen Brückenschaltung, deren Ausgangssignale einem jeweiligen Verstärker zugeführt werden. Die Ausgangssignale der beiden Verstärker liegen an einem Differenzverstärker an, der ein Meßinstrument speist.

Ein Einstrahl-IR-Gasanalysator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 2 ist aus der DE 28 08 033 A1 bekannt. Bei diesem bekannten Gasanalysator befindet sich in der zweiten Detektorzelle ein Druckmeßumformer zur Erzeugung eines elektrischen Ausgangssignals, welches der gesuchten Komponente des zu analysierenden Gases proportional ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen IR-Gasanalysator mit verbesserter Empfindlichkeit, geringerer Größe und niedrigeren Kosten zu schaffen, der eine stabile Messung von Gas geringer Konzentration ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Zweistrahl-IR-Gasanalysator gemäß Patentanspruch 1 bzw. einen Einstrahl-IR-Gasanalysator gemäß Patentanspruch 2 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Intensitätsdifferenz der Infrarot-Strahlen, die auf die Detektorzellen auftreffen, wird in eine Druckdifferenz zwischen den Detektorzellen umgewandelt, welche ihrerseits eine Gasströmung durch den Kanal hervorruft, der die Detektorzellen miteinander verbindet. Die Gasströmung strömt längsseits der gepaarten Thermoelemente oder durch eine Öffnung der gepaarten Ther­ moelemente einer Vielzahl von Thermosensoren, die in dem Gasströmungskanal angeordnet sind. Die Thermoelemente sind Teil einer Brückenschaltung oder werden mittels eines Kon­ stantstroms betrieben. Jedes Paar der Thermoelemente erfährt eine Selbstaufheizung durch einen die Elemente selbst durchfließenden Strom, wodurch um jedes Paar ein Temperaturfeld gebildet wird, das höher ist als das der Gasumgebung in dem Gasströmungskanal. Die Thermo­ sensoren, von denen jeder ein Paar Thermoelemente umfaßt, sind um einen Abstand voneinan­ der entfernt, über den eine thermische Kopplung zwischen den Sensoren vernachlässigt werden kann.

Bei dem Infrarot-Gasanalysator mit dem obigen Aufbau werden die gepaarten Thermoelemente durch die Stromversorgung für die Brückenschaltung aufgeheizt. Die Hitze von den nahe bei­ einander angeordneten Thermoelementen erhitzt das das Thermoelementenpaar umgebende Gas. Eine schwache Gasströmung in dem Gasströmungskanal infolge der Druckdifferenz zwi­ schen den beiden Detektorzellen verschiebt das Temperaturfeld um das Thermoelementenpaar. Diese Verschiebung des Temperaturfeldes oder die Änderung der Temperaturverteilung ändert die Widerstandswerte der Thermoelemente. Auf diese Weise wird die Infrarot-Absorption in der Meßzelle, die die Konzentration des zu analysierenden Gases repräsentiert, dadurch gemessen, daß mit Hilfe der Brückenschaltung Änderungen der Widerstandswerte oder eine Änderung der Temperaturverteilung ermittelt wird.

Eine Detektorschaltung ist aus vier Thermoelementen aufgebaut, von denen jeweils zwei einen Thermosensor darstellen, welche einzeln an einer Seite einer Wheatstone′schen Brücke in einem Aufbau angeordnet sind, daß das stromaufgelegene Element eines der Thermoelemen­ tenpaare und das stromabgelegene Element eines anderen Paares in gegenüberliegende Seiten geschaltet sind und das stromabgelegene Element des einen Thermoelementenpaares und das stromaufgelegene Element des anderen Paares auf den anderen gegenüberliegenden Seiten der Wheatstone′schen Brückenschaltung angeschlossen sind. Die so aufgebaute Wheatstone′sche Brückenschaltung kompensiert eine Zunahme und eine Abnahme der Reihenwiderstandswerte der an eine Stromversorgung für die Brückenschaltung angeschlossenen Thermoelemente und hält die Ströme, die die Thermoelemente durchfließen, auf einem nahezu konstanten Wert. Daher arbeitet diese Wheatstone′sche Brückenschaltung stabil bei einer relativ niedrigen Span­ nung der Brückenstromversorgung in einem Zustand, wo die Thermoelemente, deren Wider­ stand stark temperaturabhängig ist, selbsterhitzt sind.

Der Infrarot-Gasanalysator einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfaßt eine Vielzahl von Thermosensoren, von denen jeweils die stromaufgelegenen Thermoelemente in Reihe geschaltet sind und die stromabgelegenen Elemente in Reihe geschaltet sind und die Detektor­ signalspannung mit der Anzahl enthaltener Thermosensoren multipliziert wird, indem eine Brüc­ kenschaltung mit den beiden Reihenschaltungen und zwei festen Widerständen aufgebaut wird, von denen jeder mit einer dieser Reihenschaltungen verbunden ist, indem die Spannung der Brückenstromversorgung erhöht wird und indem die durch die Brückenseite fließenden Ströme auf denselben Wert eingestellt werden.

Die Reihenschaltung der stromaufliegenden Elemente und die Reihenschaltung der stromablie­ genden Elemente können gesondert von zwei Konstantstromquellen gespeist werden. Indem man Konstantstromquellen mit Operationsverstärkern aufbaut, ermöglicht dieser Aufbau, der dem vorgenannten für den Fall unendlicher Widerstandswerte der festen Widerstände ent­ spricht, eine Verringerung der Spannung der Brückenstromversorgung im Vergleich zur Brüc­ kenschaltung mit Widerständen unendlichen Widerstandswerts, die Speisung der Thermoele­ mente mit einem konstanten Strom und die Erhöhung der Detektorempfindlichkeit durch die Anzahl der Thermosensoren. Die Anordnung des Paares von Detektorzellen längs der Ausbrei­ tungsrichtung des Infrarot-Strahls ist auf den Doppelstrahl-Gasanalysator anwendbar. Ebenso kann das Paar Detektorzellen, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Infrarot-Strahls aus­ gerichtet sind, bei einem Einzelstrahl-Gasanalysator verwendet werden.

Die Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit des Thermoelements wird bei einer Ausfüh­ rungsform der Erfindung dadurch kompensiert, daß der Stromfluß durch das Thermoelement mittels des Ausgangssignals eines in dem Infrarot-Gasanalysator enthaltenen Temperatursen­ sors gesteuert wird.

Die von Druckänderungen (Dichteänderungen) in der Meßzelle verursachte Änderung der Infra­ rot-Absorption kann durch Steuerung des Stromflusses durch das Thermoelement mittels des Ausgangssignals eines in der Meßzelle enthaltenen Drucksensors kompensiert werden.

Durch Gestaltung des Detektors mit einer Vollbrückenschaltung werden die durch die Thermo­ elemente fließenden Ströme ungeachtet von Temperaturverteilungsänderungen auf einem kon­ stanten Wert gehalten, wodurch die Brückenschaltung bei einer relativ niedrigen Spannung stabil in einem Zustand betrieben wird, in welchem die Thermoelemente selbst-erhitzt sind.

Durch Aufbau des Detektors mit einer Halbbrückenschaltung, die eine Stromauf-Reihenschal­ tung und Stromab-Reihenschaltung der Thermoelemente mit zwei festen Widerständen verbin­ det oder die Reihenschaltungen mit zwei konstanten Strömen speist, kann die Detektorspan­ nung des Detektors mit der Anzahl der Thermosensoren (Thermoelementenpaare) des Detektors multipliziert werden. Insbesondere liefert ein Aufbau, bei dem die beiden Widerstände durch Operationsverstärker ersetzt sind, die die Reihenschaltungen mit zwei konstanten Strömen speisen, eine Brückenschaltung äquivalent der Halbbrückenschaltung, deren Widerstandswerte der beiden Widerstände unendlich sind. Dieser Aufbau ist wirksam zur Verringerung der Span­ nung der Stromversorgung für die Brücke im Vergleich zur Halbbrückenschaltung mit festen Widerständen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezug auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch den Aufbau eines Hauptteiles einer Ausführungsform eines Doppel­ strahl-Infrarot-Gasanalysators gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 schematisch einen Hauptteil einer Ausführungsform eines Einzelstrahl-Infrarot-Gas­ analysators gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 3(A) und (B) Darstellungen zur Erläuterung des Detektors von Fig. 1,

Fig. 4(A), (B) und (C) Darstellungen einer anderen Ausführungsform des Detektors,

Fig. 5(A), (B) und (C) Schaltbilder zur Erläuterung des Aufbaus der Brückenschaltungen,

Fig. 6 schematisch den Aufbau eines Doppelstrahl-Infrarot-Gasanalysators, der eine Kompensationsfunktion mit einem Drucksensor beinhaltet,

Fig. 7 schematisch einen Hauptteil des Doppelstrahl-Infrarot-Gasanalysators gemäß dem Stand der Technik, und

Fig. 8(A), (B) und (C) Aufbau und Anschluß der Thermoelemente bei dem Detektor gemäß dem Stand der Technik.

In den Fig. 1 bis 6 sind Teile, die solchen der Fig. 7 und 8 entsprechen, mit denselben Bezugszahlen versehen.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Anordnung wird ein von einer Infrarot-Strahlungsquelle 3 emittierter Infrarot-Strahl mittels eines rotierenden Zerhackers 2 in eine pulsierende Strahlfolge zerhackt. Die Strahlfolge wird dann mittels einer Verteilerzelle 4 in zwei Teilstrahlen aufgeteilt. Einer der Teilstrahlen wird als Meßstrahl 11 einer Meßzelle 13 zugeführt. Der andere Teilstrahl wird als Referenzstrahl 12 einer Referenzzelle 14 zugeführt. Infrarot-Fenster 5, 6 sind an der Meßzelle 13 angebracht, in die eine Gasprobe, die zu analysierende Gasspuren enthält, durch eine Ein­ laßleitung 18 eingeleitet wird. Die Gasprobe verläßt die Meßzelle 13 durch eine Auslaßleitung 17. Der Meßstrahl 11 wird entsprechend der Konzentration der zu analysierenden Gasspuren in der Meßzelle 13 absorbiert.

Die Referenzzelle 14, an der Infrarot-Fenster 7, 8 angebracht sind, enthält ein Gas, das den Infrarot-Strahl nicht absorbiert. Der Meßstrahl 11, der die Meßzelle 13 durchlaufen hat und der Referenzstrahl 12, der die Referenzzelle 14 durchlaufen hat, werden einem Detektor 20 zuge­ führt. Der Detektor 20 setzt sich aus einer ersten und einer zweiten Detektorzelle (nachfolgend als erste und zweite Expansionszelle bezeichnet) 15 und 16 zusammen, auf denen Infrarot-Fen­ ster 9 bzw. 10 angebracht sind. Die Expansionszellen 15, 16 sind mit denselben Gasspuren wie das zu analysierende Gas gefüllt. Der Meßstrahl 11 trifft auf die erste Expansionszelle 15 durch das Fenster 9 auf, während der Referenzstrahl 12 auf die zweite Expansionszelle 16 durch das Fenster 10 auftrifft.

Es soll nun ein Beispiel des Detektors 20 unter Bezugnahme auf die Fig. 3(A) und (B) erläu­ tert werden. In Fig. 3(A) umfaßt der Detektor 20 die erste und die zweite Expansionszelle 15, 16 und einen Gasströmungskanal 19, der die Expansionszellen 15 und 16 miteinander verbin­ det. Eine Vielzahl von Thermosensoren (zwei Sensoren 21, 22 bei dem dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel), von denen jeder ein Paar Thermoelemente 23, 24 bzw. 25, 26 umfaßt, sind an einem Abschnitt A des Gasströmungskanals 19 angeordnet. Die Infrarot-Strahlen 11 und 12, die in die Expansionszellen 15 bzw. 16 eintreten, verursachen eine Druckänderungsdifferenz zwischen den Zellen 15 und 16 abhängig von der Infrarot-Absorptionsdifferenz zwischen den Zellen 15 und 16. Als Folge der sich einstellenden Druckänderungsdifferenz, tritt eine Gasströ­ mung durch den Gasströmungskanal 19 auf, die dem Gehalt des zu analysierenden Gases in der Gasprobe entspricht.

Fig. 3(B) zeigt den Detailaufbau der Thermosensoren 21, 22. In Fig. 3(B) sind Thermosenso­ ren 21, 22, wie sie unter Bezugnahme auf die Fig. 8(A) und (B) erläutert wurden, mit einem Abstand zueinander angeordnet, über den eine thermische Kopplung zwischen ihnen vernach­ lässigt werden kann. Nimmt man an, daß das eingeschlossene Gas von links (stromaufgelegene Seite) nach rechts (stromabgelegene Seite) strömt, wie durch den geraden Pfeil in Fig. 3(B) dargestellt, dann sind die stromaufgelegenen Thermoelemente 23 und 25 in ein Paar sich gegenüberliegender Seiten einer Wheatstone′schen Brücke geschaltet, während die stromab­ gelegenen Thermoelemente 24, 26 in ein anderes Paar gegenüberliegender Seiten der Wheat­ stone′schen Brücke geschaltet sind (dies entspricht der später unter Bezugnahme auf Fig. 5(A) erläuterten Schaltung). Wie in der Figur dargestellt, gehören die Thermoelemente 23, 24 zu dem Thermosensor 21, und die Elemente 25, 26 zu dem anderen Thermosensor 22.

Wenn das eingeschlossene Gas nicht strömt, werden die Thermoelemente 23, 24, 25 und 26 durch einen von einer Brückenstromversorgung 30 gelieferten Strom aufgeheizt, woraufhin sich um jedes Thermoelementenpaar (23, 24), (25, 26) aufgrund der thermischen Kopplung zwi­ schen den gepaarten Thermoelementen (23, 24), (25, 26) eine Temperaturverteilung einstellt, die in Fig. 3(B) durch eine ausgezogene Linie a dargestellt ist. Wie schon erwähnt, sind die Thermosensoren 21, 22 voneinander um einen solchen Abstand getrennt, daß eine gegensei­ tige thermische Kopplung zwischen ihnen vernachlässigt werden kann. Wenn eine schwache Gasströmung in dem Gasströmungskanal 19 auftritt, strömt das Gas durch die thermisch gekoppelten Thermoelemente und verschiebt die Temperaturverteilung a zu einer in Fig. 3(B) durch eine gestrichelte Linie b wiedergegebene Temperaturverteilung. Gemäß Darstellung in der Figur sinkt die Temperatur um die Thermoelemente 23, 25, während diejenige um die Thermo­ elemente 24, 26 zunimmt. Als Antwort auf diese Temperaturänderung tritt eine starke Ände­ rung des Widerstands jedes der Thermoelemente auf. Die schwache Gasströmung wird durch Verstärken eines Signals von der Wheatstone′schen Brücke erfaßt, deren Ungleichgewicht von der beschriebenen Widerstandsänderung der Thermoelemente herrührt.

Die Fig. 4(A), (B) und (C) zeigen ein anderes Ausführungsbeispiel des Detektors. In Fig. 4(A) umfaßt der Detektor 20 die erste Expansionszelle 15, die zweite Expansionszelle 16 und den Gasströmungskanal 19. Ein Detektormodul 120, das zwei Paare von Thermoelementen (123, 124) und (125, 126) aufweist, ist an einem Abschnitt B des Gasströmungskanals 19 angeord­ net. Die Infrarot-Strahlen 11 und 12, die in die Expansionszelle 15 bzw. 16 eintreten, verursa­ chen eine Druckänderungsdifferenz zwischen den Zellen 15 und 16 abhängig von der Infrarot- Absorptionsdifferenz zwischen den Zellen 15 und 16. Als Folge der erzeugten Druckände­ rungsdifferenz tritt eine Gasströmung durch den Gasströmungskanal 19 entsprechend dem Gehalt des zu analysierenden Gases in der Gasprobe auf. Die Fig. 4(B) und (C) zeigen den Aufbau des Detektormoduls 120 im einzelnen. Fig. 4(B) ist eine Draufsicht und Fig. 4(C) eine Seitenansicht des Detektormoduls 120. Wie in Fig. 4(B) gezeigt, umfaßt das Detektormodul 120 zwei Thermosensoren, von denen sich jeder aus einem Paar Thermoelemente (123, 124) bzw. (125, 126) zusammensetzt, die auf einem Substrat montiert sind. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind Dünnfilm-Thermoelemente 123 bis 126 mit Hilfe herkömmlicher Dünnfilm-Verarbeitungstechniken auf einem Siliziumsubstrat 122 ausgebildet. Ein Bodenab­ schnitt des Siliziumsubstrats 122 ist gemäß Darstellung in Fig. 4(C) weggeätzt, damit die Wärmekapazität verringert wird und eine Wärmeableitung durch Wärmeleitung verhindert wird. Das Siliziumsubstrat 122 ist an einer Basis 121 befestigt. Bei dem Detektormodul 120 sind die stromaufgelegenen Thermoelemente 123, 125 in ein Paar gegenüberliegender Seiten einer Wheatstone′schen Brücke geschaltet, während die stromabgelegenen Thermoelemente 124, 126 in ein anderes Paar gegenüberliegender Seiten der Wheatstone′schen Brücke geschaltet sind, und zwar ähnlich wie dies in Fig. 3(B) (und Fig. 5(A)) dargestellt ist. Die Thermoele­ mente 123 bis 126 werden von einem Strom aufgeheizt, der von der Brückenstromversorgung 30 geliefert wird, und es stellt sich eine lokal erhöhte Temperaturverteilung ein. Wenn eine schwache Gasströmung in dem Gasströmungskanal 19 auftritt, strömt das Gas über die Ther­ moelemente, wodurch der Widerstand jedes einzelnen Thermoelements stark verändert wird. Die schwache Gasströmung wird als Anzeige der Druckdifferenz zwischen den Expansionszel­ len des Detektors durch Verstärken eines Ungleichgewichtssignals von der Wheatstone′schen Brückenschaltung erfaßt. Das Ungleichgewicht rührt von der oben beschriebenen Wider­ standsänderung der Thermoelemente her.

Fig. 5 zeigt Schaltbilder zur Erläuterung von Beispielen des Brückenschaltungsaufbaus. Die Detektorschaltung von Fig. 5(A) ist so aufgebaut, daß die stromaufgelegenen Thermoelemente 23, 25 in einem Paar gegenüberliegender Seiten einer Wheatstone′schen Brücke angeordnet sind, während die stromabgelegenen Thermoelemente 24, 26 in einem anderen Paar gegen­ überliegender Seiten der Wheatstone′schen Brücke angeordnet sind. Elektrische Leistung wird von der Brückenstromversorgung 30 geliefert. Die so aufgebaute Wheatstone′sche Brücken­ schaltung kompensiert eine Zunahme und eine Abnahme der Reihenwiderstandswerte der Thermoelemente (23, 26) und (24, 25), die in Reihe an die Stromversorgung für die Brücken­ schaltung angeschlossen sind, und hält die Ströme, die durch die Thermoelemente fließen, auf nahezu konstantem Wert. Daher arbeitet diese Wheatstone′sche Brückenschaltung stabil bei einer relativ niedrigen Spannung der Brückenstromversorgung in einem Zustand, wo die Ther­ moelemente, deren Widerstand stark temperaturabhängig ist, selbst-aufgeheizt sind. Die Span­ nung in der Größenordnung von Volt wird an die Thermoelemente 23 bis 26 (123 bis 126) zu deren Aufheizen auf eine Temperatur um eine Größenordnung höher als die Raumtemperatur angeordnet.

Die Detektorschaltung von Fig. 5(B) hat die stromaufgelegenen Thermoelemente 23, 25 in einer Reihenschaltung und die stromabgelegenen Elemente 24, 26 in einer anderen Reihen­ schaltung. Die Detektorschaltung multipliziert die Detektorsignalspannung mit der Anzahl ein­ geschlossener Thermosensoren (Thermoelementenpaaren), indem eine Brückenschaltung mit den oben beschriebenen Reihenschaltungen und zwei festen Widerständen 27, 28 aufgebaut ist, indem die Spannung der Brückenstromversorgung erhöht wird und indem die durch die Brückenseiten fließenden Ströme auf denselben Wert justiert werden. Die Widerstandswerte der festen Widerstände 27, 28 sind auf einen Wert eine Größenordnung höher als die Wider­ standswerte der Reihenschaltung eingestellt, damit die Detektorspannungsempfindlichkeit garantiert wird und die Stromversorgung zur Brückenschaltung so konstant wie möglich gehal­ ten wird, was eine relativ hohe Spannung der Stromversorgung 30 erfordert.

Die Detektorschaltung von Fig. 5(C) hat die stromaufgelegenen Thermoelemente 23, 25 in einer Reihenschaltung und die stromabgelegenen Elemente 24, 26 in einer anderen Reihen­ schaltung. Diese Reihenschaltungen werden von zwei Konstantstromquellen 27A, 27B gespeist, und die Differenz der Spannungsabfälle über den Reihenschaltungen wird zum Erhalt eines Detektorsignals verstärkt. Dieser Aufbau ist äquivalent der Detektorschaltung von Fig. 5(B), für den Fall, daß der Widerstandswert der Widerstände 27, 28 unendlich ist. Durch Aufbau von Konstantstromquellen mit Operationsverstärkern ermöglicht diese Ausgestaltung eine Sen­ kung der Spannung der Brückenstromquelle um etwa 10 V im Vergleich zur Brückenschaltung von Fig. 5(B), die Speisung der Thermoelemente mit einem Konstantstrom und die Erhöhung der Detektorempfindlichkeit durch die Anzahl enthaltener Thermosensoren (Thermoelementen­ paaren).

Fig. 2 zeigt den Hauptteil einer Ausführungsform eines Einzelstrahl-Infrarot-Gasanalysators gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform gemäß Fig. 2 wird ein von einer Infrarot-Strahlungsquelle 3 emittierter Infrarot-Strahl von einem rotierenden Zerhacker 2 zu einer pulsierenden Strahlfolge zerhackt. Die Strahlfolge trifft als Meßstrahl 11 auf eine Meßzelle 13. Die Meßzelle 13 umfaßt Infrarot-Fenster 5, 6 und eine Einlaß- und eine Auslaßleitung 18 bzw. 17, durch die eine Gasprobe, welche eine zu analysierende Gasspur enthält, in die Meß­ zelle 13 eingeführt bzw. aus ihr herausgeleitet wird. Der Meßstrahl 11 wird in der Meßzelle 13 entsprechend dem Gehalt des zu analysierenden Gases absorbiert. Der nicht absorbierte Teil des Meßstrahls 11 gelangt zu einem Detektor 20.

Der Detektor 20 umfaßt eine erste Expansionszelle 15A und eine zweite Expansionszelle 16A, die in der Ausbreitungsrichtung des Strahls 11 ausgerichtet sind. Der Meßstrahl 11 tritt nach Durchlaufen der Meßzelle 13 durch ein Fenster 9 in die erste Expansionszelle 15A und nach Durchlaufen dieser ersten Expansionszelle 15A durch ein Fenster 10 in die zweite Expansions­ zelle 16A ein. Dasselbe Spurengas wie das zu analysierende Gas ist in die Expansionszellen 15A, 16A gefüllt. In der ersten Expansionszelle 15A als vordere Zelle wird der meiste Teil des Infrarot-Strahls im Wellenlängenbereich, in welchem die zu analysierende Gasspur einen hohen Absorptionskoeffizienten aufweist, absorbiert. Der übrig bleibende Meßstrahl 11, der in der Expansionszelle 15A nicht absorbiert wurde, gelangt in die zweite Expansionszelle 16A. In der zweiten Expansionszelle 16A wird der restliche Meßstrahl 11 im Wellenlängenbereich, in welchem die zu analysierende Gasspur einen mittleren Absorptionskoeffizienten aufweist, absorbiert. In dem Gasströmungskanal 19 wird eine Gasströmung durch den Unterschied der absorbierten Infrarot-Intensität zwischen den Expansionszellen 15A und 16A hervorgerufen. Eine Vielzahl von Thermosensoren (zwei Sensoren 21, 22 bei dem dargestellten Beispiel), von denen jeder ein Paar Thermoelemente 23, 24 (25, 26) enthält, ist in einem Abschnitt A des Gasströmungskanals 19 angeordnet. Im Gegensatz zur Ausführungsform von Fig. 1, wo der Gasströmungskanal 19 horizontal angeordnet ist, ist der Gasströmungskanal 19 bei der Aus­ führungsform von Fig. 2 vertikal angeordnet. Obwohl das eingeschlossene Gas bei der Ausfüh­ rungsform von Fig. 2 vertikal strömt, unterscheidet sich das Detektorprinzip mittels der Vielzahl von Thermosensoren nicht von demjenigen der Ausführungsform von Fig. 1.

In Fig. 1 ist ein Temperatursensor 200 in dem Detektor 20 zur Messung der Temperatur in dem Detektor angeordnet. Ein Spannungscontroller 210 steuert, zur Erzielung eines stabil arbeiten­ den Infrarot-Gasanalysators, die Thermoelemente 23 bis 26 oder die Dünnfilm-Thermoelemente 123 bis 126 auf eine geeignete Betriebstemperatur, um die Temperaturabhängigkeit der Ther­ moelemente, deren Verstärkung gewöhnlich mit erhöhter Temperatur zunimmt, zu kompensie­ ren. Der Temperatursensor 200 kann irgendwo in dem Infrarot-Analysator positioniert werden, wo die Temperatur in der Nähe des Detektors 20 gemessen werden kann.

Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem eine mit atmosphärischen Druckänderungen ver­ bundene Empfindlichkeitsänderung des Analysators kompensiert wird. Zu diesem Zweck ist ein Drucksensor 220 in der Meßzelle 13 angeordnet. Beim Stand der Technik unterliegt der Detek­ torausgang einem Fehler, der auf Dichteänderungen des zu messenden Gases beruht, bedingt durch atmosphärische Druckänderungen, da ein Ende der Meßzelle des Infrarot-Gasanalysators gewöhnlich zur Atmosphäre offen ist. Die Empfindlichkeit des Infrarot-Gasanalysators wird durch Erfassen des Drucks in der Meßzelle 13 mittels des Drucksensors 220 und durch Steue­ rung der Temperatur der Thermoelemente 23 bis 26 oder der Dünnfilm-Thermoelemente 123 bis 126 auf eine geeignete Betriebstemperatur mittels des Spannungscontrollers 210 kompen­ siert. Wenn das Ausgangssignal des Detektors 20 beispielsweise in Verbindung mit einer Abnahme des Innendrucks der Meßzelle 13 abnimmt, erhöht der Spannungscontroller sein Ausgangssignal, um die Betriebstemperatur der Thermoelemente 23 bis 26 oder der Dünnfilm- Thermoelemente 123 bis 126 anzuheben, damit das Detektorausgangssignal des Detektors 20 erhöht wird und Änderungen des Meßwerts aufgrund der Innendruckschwankungen der Meß­ zelle kompensiert werden.

Die Thermoelemente 23 bis 26 der Fig. 1, 2 und 6 können durch das Detektormodul 120 ersetzt werden, in welchem die Dünnfilm-Thermoelemente 123 bis 126 integriert sind. Der Vollbrückenschaltungsaufbau von Fig. 5(A), der in den Fig. 1, 2 und 6 verwendet wird, kann durch den Halbbrückenschaltungsaufbau gemäß Fig. 5(B) oder durch die konstantstrom­ gespeiste Brückenschaltung gemäß Fig. 5(C) ersetzt werden.

Claims (11)

1. Zweistrahl-IR-Gasanalysator, umfassend
eine IR-Strahlungsquelle (3),
einen Strahlteiler (4) zur Aufteilung der IR-Strahlung in zwei Strahlen (11, 12),
eine Meßzelle (13) und eine erste Detektorzelle (15), die im Strahlengang eines ersten (11) der Strahlen aufeinanderfolgend angeordnet sind, und
eine Referenzzelle (14) und eine zweite Detektorzelle (16), die im Strahlengang des zweiten Strahls (12) aufeinanderfolgend angeordnet sind,
wobei in die Meßzelle (13) zu analysierendes, die IR-Strahlung absorbierendes Gas einführbar ist, die Referenzzelle (14) mit einem die IR-Strahlung nicht absorbierenden Gas gefüllt ist, die Detektorzellen (15, 16) je mit einem Gas gefüllt sind, dessen Absorptionswellenlängenbereich gleich dem des zu analysierenden Gases ist, und beide Detektorzellen durch einen Gasströmungskanal (19) miteinander verbunden sind, in welchem sich eine Thermosensoranordnung als Teil einer elektrischen Meßschaltung befindet,
dadurch gekennzeichnet, daß die Thermosensoranordnung mehrere mit einem solchen Abstand voneinander angeordnete Thermosensoren (21, 22) aufweist, daß eine thermische Kopplung zwischen ihnen vernachlässigbar ist, und jeder Thermosensor zwei Thermoelemente (23, 24, 25, 26; 123, 124, 125, 126) umfaßt, die so eng benachbart sind, daß zwischen ihnen eine thermische Kopplung besteht.

2. Einstrahl-IR-Gasanalysator, umfssend
eine IR-Strahlungsquelle (3), und
eine Meßzelle (13), eine erste Detektorzelle (15A) und eine zweite Detektorzelle (16A), die im Strahlengang der IR-Strahlung aufeinanderfolgend angeordnet sind,
wobei in die Meßzelle (13) zu analysierendes, die IR-Strahlung absorbierendes Gas einführbar ist, die Detektorzellen je mit einem Gas gefüllt sind, dessen Absorptionswellenlängenbereich gleich dem des zu analysierenden Gases ist, und beide Detektorzellen durch einen Gasströmungskanal (19) miteinander verbunden sind,
dadurch gekennzeichnet, daß sich in dem Gasströmungskanal (19) als Teil einer elektrischen Meßschaltung eine Thermosensoranordnung befindet, welche mehrere mit einem solchen Abstand voneinander angeordnete Thermosensoren (21, 22) aufweist, daß eine thermische Kopplung zwischen ihnen vernachlässigbar ist, und jeder Thermosensor zwei Thermoelemente (23, 24, 25, 26; 123, 124, 125, 126) umfaßt, die so eng benachbart sind, daß zwischen ihnen eine thermische Kopplung besteht.

3. Gasanalysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermosensoranordnung (21, 22) zwei Thermosensoren umfaßt, deren gaszustromseitig gelegene Thermoelemente (23, 24, 25, 26; 123, 125, 124, 126) in ein Paar gegenüberliegender Seiten einer Wheatstone'schen Brückenschaltung geschaltet sind, während die gasabstromseitig gelegenen Thermoelemente in ein anderes Paar gegenüberliegender Seiten der Wheatstone'schen Brückenschaltung geschaltet sind.

4. Gasanalysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Thermoelementen (23, 25; 123, 125), die gaszustromseitig angeordnet sind, zu einer Reihenschaltung verbunden sind, eine Vielzahl von Thermoelementen (24, 26; 124, 126), die gasabstromseitig angeordnet sind, zu einer anderen Reihenschaltung verbunden sind und jede der Reihenschaltungen unter Bildung einer Wheatstone′schen Brücke mit einem jeweiligen festen Widerstand (27, 28) verbunden ist.

5. Gasanalysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von gaszustromseitig angeordneten Thermoelementen zu einer Reihenschaltung verbunden ist, eine Vielzahl von gasabstromseitig angeordneten Thermoelementen zu einer anderen Reihenschaltung verbunden ist und jede der Reihenschaltung von einer jeweiligen Konstantstromquelle (27A, 28A) gespeist wird.

6. Gasanalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Thermoelemente (23-26; 123-126) durch sie durchfließende Ströme erhitzt werden.

7. Gasanalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß das eingeschlossene Gas längsseits der Thermoelemente (23-26; 123-126) strömt.

8. Gasanalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das eingeschlossene Gas durch die Thermoelemente (23-26; 123-126) strömt.

9. Gasanalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Thermoelemente aus irgendeinem aus der Gruppe, enthaltend elektrisch leitendes Metall, Keramik und Halbleiter, ausgewählten Material bestehen, dessen Widerstand temperaturabhängig ist.

10. Gasanalysator nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die die Thermoelemente (23-26; 123-126) durchfließenden Ströme abhängig vom Ausgangssignal eines Temperatursensors (200), der in dem Gasanalysator angeordnet ist, ein­ stellbar sind.

11. Gasanalysator nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die die Thermoelemente (23-26; 123-126) durchfließenden Ströme abhängig von dem Ausgangssignal eines Drucksensors (220) zur Messung des Druckes in der Meßzelle (13) einstellbar sind.