DE4438244C1

DE4438244C1 - Vorrichtung zum Messen der Konzentration einer Gaskomponente in einer Gasmischung

Info

Publication number: DE4438244C1
Application number: DE4438244A
Authority: DE
Inventors: Wolf-Dietrich Prof D Frobenius
Original assignee: FROBENIUS WOLF DIETRICH PROF D
Current assignee: FROBENIUS WOLF DIETRICH PROF D
Priority date: 1994-10-26
Filing date: 1994-10-26
Publication date: 1996-03-07
Anticipated expiration: 2014-10-27

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Konzentration einer Gaskomponente in einer Gasmischung, insbesondere von Kohlendioxid in Luft, durch Infrarot-Strahlungsabsorption, mit einer Strahlungsquelle zur Erzeugung der Infrarot-Strahlung, einem der Strahlungsquelle gegenüber angeordneten selektiven Strahlungsempfänger, einer zwischen der Strahlungsquelle und dem Strahlungsempfänger angeordneten zylindrischen Röhre mit einer die Infrarot- Strahlung reflektierenden Auflage zur Aufnahme der zu untersuchenden Gasmischung, wobei die aus einem gasundurchlässigen Material bestehende zylindrische Röhre zwecks Gasaustausch mit dem Umgebungsraum nicht hermetisch abgeschlossen ist. Eine derartige Vorrichtung ist aus der US 5 163 332 A bekannt.

Es ist bekannt, die Konzentration von Gasgemischen, z. B. Kohlendioxid in Luft, mit Hilfe von Infrarot-Strahlung zu bestimmen. Bekannte Anordnungen benutzen dazu eine Rohrküvette, die von dem zu untersuchenden Gas durchströmt wird, wobei mittels eines ersten Fokussierspiegels die IR-Strahlung parallel an einem Ende durch ein durchlässiges Fenster in die Küvette eintritt, die Gasstrecke durchläuft und am anderen Ende durch ein zweites Fenster wieder austritt. Ein zweiter Fokussierspiegel konzentriert dann die Strahlung auf den Empfänger mit vorgesetztem Bandpaßfilter. Der beim Durchlauf durch die Gasstrecke auftretende Schwächungsgrad der Strahlung ist ein Maß für die Konzentration. Mit einem mechanischen Chopper wird die Strahlung periodisch unterbrochen, wodurch ein Wechselsignal entsteht, welches sich elektrisch einfacher verstärken läßt. Der mechanische Chopper wird heute oft durch eine elektrische gepulste Infrarot-Strahlungsquelle ersetzt, die im einfachsten Falle aus einer Glühlampe besteht.

Der Aufwand von zwei Fokussierspiegeln und zwei Küvettenfenstern ist zur Erzeugung eines Parallelstrahlenbündels und damit zur Erzielung einer effizienten Interaktion zwischen Infrarot-Strahlung und Gasmolekülen notwendig. Nur die Strahlungsleistung, die in die Küvette eingebracht wird, kann durch die Anwesenheit von Gasmolekülen weggedämpft werden, d. h. sie bestimmt die Oberbegrenze des Detektionsbereichs. Die Untergrenze des Detektionsbereichs wird durch die Küvettenlänge bestimmt. Der zugrundeliegende physikalische Effekt wird mathematisch durch das Lambert-Beersche-Gesetz beschrieben, wonach die einfallende Strahlungsleistung exponentiell über dem Weg abnimmt.

Der Nachteil derartiger Einrichtungen liegt einerseits in dem erwähnten Aufwand selbst und zum anderen in der Notwendigkeit einer exakten Justierung und deren Erhaltung über längere Zeit.

Um ohne den Aufwand von Fenstern, Linsen und Spiegeln auszukommen, sind Einrichtungen bekannt, die eine Rohrküvette benutzen, deren eines Ende von der Infrarot-Strahlungsquelle und deren anderes Ende von einem Infrarot-Detektor mit integriertem Schmalbandfilter verschlossen ist. Wenn die innere Wandung des Küvettenrohres hochgradig reflektierend ausgeführt wird, erreicht die von der Infrarot-Strahlungsquelle abgegebene Strahlung direkt und durch Vielfachreflexion an der Innenwand den gegenüberliegenden Detektor. Eine Justierung ist dabei nicht erforderlich, und auch nach längerer Zeit wird die Strahlungsleistung sicher zum Empfänger geführt. Die Begasung der Küvette erfolgt entweder durch radial angebrachte Rohrstutzen oder beispielsweise, wenn der Mantel des Küvettenrohres gleichzeitig porös ist, durch Diffusion (US 4 709 150).

In einer anderen Ausführung wird die hochgradig reflektierende innere Rohrmantelfläche durch eine eingebrachte spiegelnde Metallfolie, die sich durch eigene Federkraft an die innere Rohrwandung anschmiegt, erzielt (DE 89 02 312 U1).

Allen genannten Ausführungen ist gemeinsam, daß das zu untersuchende Gasvolumen mit dem von der Infrarot-Strahlung durchstrahlten Raum identisch ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art derart weiterzubilden, daß sie ohne den Aufwand von strahlungsdurchlässigen Küvettenfenstern, Linsen oder Spiegeln zur Strahlbeeinflussung auskommt und dadurch eine mechanisch-optische Justierung überflüssig wird.

Die Lösung dieser Aufgabenstellung durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische Röhre durch ein zu einem selbsttragenden Zylinder gerolltes NiFe-Bereich mit einander überlappenden Rändern gebildet ist, daß die reflektierende Auflage aus einer Goldschicht besteht und daß die Strahlungsquelle und der Strahlungsempfänger innerhalb des vom gerollten NiFe-Bereich gebildeten selbsttragenden Zylinders in dessen jeweiligem Endbereich angeordnet sind.

Die vorliegende Erfindung hebt sich von den bekannten Lösungen dadurch entscheidend ab, als das Gasvolumen der Rohrküvette nicht länger mit dem Volumen des optisch durchstrahlten Raumes identisch ist. Vielmehr spielt die Form der Rohrküvette nach der Erfindung nur eine sekundäre Rolle und kann in besonderen Anwendungsfällen sogar ganz fortgelassen werden. Die äußerst einfach aufgebaute Absorptionsmeßstrecke der Erfindung kann in jede beliebig geformte Meßküvette, in die das zu untersuchende Gasgemisch über Schlauchanschlüsse eingebracht wird, eingesetzt werden. Die Form der Meßküvette kann dabei beliebig gestaltet sein, z. B. kugelförmig, würfelförmig, zylindrisch, quaderförmig. Die Innenwände der Meßküvette brauchen nicht spiegelnd zu sein, da sie nicht zur Strahlführung benutzt werden. In besonderen Anwendungsfällen, z. B. als Raumluftdetektor, braucht überhaupt keine Küvette vorhanden zu sein.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben.

Die Fig. 1 zeigt eine das Kernstück der Erfindung bildende zylindrische Röhre, die aus einem zu einem selbsttragenden Zylinder gerollten NiFe-Blech 1 besteht.

Die Fig. 2 zeigt die gesamte Absorptionsmeßstrecke, die aus dem schon erwähnten Zylinder und einer elektrisch gepulsten Glühlampe als Infrarot-Strahlungsquelle 2 an einem Ende und einem Strahlungsempfänger 3 mit integriertem Schmalbandfilter am anderen Ende besteht. Der zur Leitung des Lichts dienende Zylinder aus dem zu einer Röhre gebogenen NiFe-Blech 1 ist mit einer dünnen reflektierenden Goldauflage versehen. Die Herstellung erfolgt äußerst einfach durch Aufrollen des vorher ebenen NiFe-Bleches 1, wobei der Zylinder nicht hermetisch verschlossen wird, sondern nur mit seinen Rändern 1a und 1b überlappt, wodurch erreicht wird, daß einerseits die Infrarot-Strahlung bei ihrer Ausbreitung in axialer Richtung geführt wird und andererseits ein Gasaustausch mit der Umgebungsluft erhalten bleibt.

Die von der Infrarot-Strahlungsquelle 2 ausgehende Strahlung durchsetzt den Zylinder und das in ihn eindiffundierte Gasgemisch sowohl auf direktem als auch auf indirektem Wege über Mehrfachreflexionen an der Wand. Es ist damit sichergestellt, daß die von der Infrarot-Strahlungsquelle 2 ausgehende Strahlung ohne zusätzliche Justierung und daher auch ohne die Gefahr die Dejustierung den Empfänger immer voll erreicht.

Innerhalb des Zylinders gibt es im wesentlichen zwei unterschiedliche Strahlenweglängen, einmal den direkten Weg, der der Länge des Zylinders entspricht, und einen etwa doppelt so langen Weg, der durch ein bis drei Reflexionen an der Innenwand zustande kommt. Strahlen mit noch mehr Reflexionen tragen zum Meßergebnis nicht bei, da sie nicht mehr lotrecht genug auf das Schmalbandfilter auftreffen, um dieses passieren zu können. Diese theoretischen Überlegungen wurden anhand der gemessenen Kennlinien, die keinen reinen Exponentialfunktionen darstellen, mehrfach bestätigt. Geht man von zwei Exponentialfunktionen gemäß dem Lambert-Beerschen- Gesetz aus mit jeweils halber Strahlungsleistung und zwei unterschiedlich langen Absorptionswegen, die sich wie zwei zu eins verhalten, und überlagert diese beiden Kurven zu einer Gesamtkurve, so stimmt diese recht gut mit der Form der Meßkurve überein.

Die Fig. 3 zeigt den Einsatz der Absorptionsmeßstrecke nach Fig. 2 in einer kugelförmigen Meßküvette 4.

Die Fig. 4 zeigt den Einsatz der Absorptionsmeßstrecke in einer zylinderförmigen Meßküvette 5.

Die Fig. 5 zeigt schließlich, daß die Absorptionsstrecke auch ohne Küvette eingesetzt werden kann. Als Raumluftdetektor ist hier die Absorptionsmeßstrecke unmittelbar in eine gedruckte Leiterplatte 6 einer elektronischen Auswerteschaltung eingelötet. Der Gasaustausch zwischen der Umgebungsluft und der Meßstrecke erfolgt dabei durch Diffusion.

Claims

Vorrichtung zum Messen der Konzentration einer Gaskomponente in einer Gasmischung, insbesondere von Kohlendioxid in Luft, durch Infrarot-Strahlungsabsorption, mit einer Infrarot-Strahlungsquelle zur Erzeugung der Infrarot-Strahlung, einem der Infrarot-Strahlungsquelle gegenüber angeordneten selektiven Strahlungsempfänger, einer zwischen der Infrarot-Strahlungsquelle und dem Strahlungsempfänger angeordneten zylindrischen Röhre mit einer die Infrarot-Strahlung reflektierenden Auflage zur Aufnahme der zu untersuchenden Gasmischung, wobei die aus einem gasundurchlässigen Material bestehende zylindrische Röhre zwecks Gasaustausch mit dem Umgebungsraum nicht hermetisch abgeschlossen ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die zylindrische Röhre durch ein zu einem selbsttragenden Zylinder gerolltes NiFe-Blech (1) mit einander überlappenden Rändern (1a, 1b) gebildet ist,
daß die reflektierende Auflage aus einer Goldschicht besteht
und daß die Infrarot-Strahlungsquelle (2) und der Strahlungsempfänger (3) innerhalb des vom gerollten NiFe-Blech (1) gebildeten selbsttragenden Zylinders in dessen jeweiligem Endbereich angeordnet sind.