DE60126076T2

DE60126076T2 - Gaszelle

Info

Publication number: DE60126076T2
Application number: DE60126076T
Authority: DE
Inventors: Göran Hans MARTIN
Original assignee: SenseAir AB
Current assignee: SenseAir AB
Priority date: 2000-04-26
Filing date: 2001-04-26
Publication date: 2007-08-16
Anticipated expiration: 2021-04-27
Also published as: SE0001509D0; SE522941C2; JP4711590B2; US6921899B2; CA2402964C; CN1444725A; EP1279027B1; EP1279027A1; AU2001250735B2; DE60126076D1; AU5073501A; US20030058439A1; SE0001509L; CA2402964A1; ATE352034T1; CN1262832C; JP2003532071A; WO2001081901A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Gaszelle, und spezieller eine Gaszelle jener Art, die einen Hohlraum zur Aufnahme eines gewählten Gasvolumens aufweist, eine Lichtquelle, sowie Einheiten zum Empfangen eines oder mehrerer Lichtstrahlen oder Lichtstrahlenbündel.
Spezieller betrifft die vorliegende Erfindung eine Gaszelle dieser Art, bei welcher der Hohlraum durch eine erste, teilweise elliptische Spiegeloberfläche, welche zwei teilweise elliptischen Spieloberflächen zugewandt ist, also einer zweiten und einer dritten Spiegeloberfläche, ausgebildet und festgelegt wird.
Diese elliptischen Spiegeloberflächen sind so in Bezug zueinander ausgerichtet, dass ein Lichtstrahl, der von der Lichtquelle ausgesandt wird, durch die Spiegeloberflächen so reflektiert wird, dass ein Endpunkt eines optischen Messweges zur Verfügung gestellt wird, und in einer Empfangseinheit endet, die für einen gewünschten Wegendpunkt gedacht ist.
Unter dem Begriff „teilweise elliptisch" soll nur ein Teil einer vollständig elliptischen Form einerseits und andererseits eine elliptische Form verstanden werden, die im Wesentlichen mit einer mathematisch elliptischen Form übereinstimmt.
Beschreibung des Stands der Technik
Es ist seit langem bekannt, elektromagnetische Wellen im Zusammenhang mit Absorptionsspektroskopie einzusetzen, und insbesondere Lichtstrahlen oder Lichtstrahlbündel (Lichtbündel) einzusetzen, deren Frequenzen im Infrarotbereich liegen, und unterschiedliche Arten von Detektorelementen zu verwenden.
Im Falle von Gassensoren, die auf der Absorptionstechnik beruhen, müssen die Lichtstrahlen durch eine Gasprobe hindurchgehen können, die in einem Zellenhohlraum enthalten ist, wodurch ein vorgegebenes Volumen eines ausgewählten Gases zu einer frequenzabhängigen Absorption der Lichtstrahlen führt.
Ein Gasdetektor ist daher dazu ausgebildet, das Frequenzspektrum der Lichtstrahlen für ein betreffendes Gas oder eine betreffende Gaskonzentration in dem Hohlraum zu erfassen, und das Gas oder die Gaskonzentration kann dadurch bestimmt werden, dass die Intensität des erfassten Lichtstrahls in Bezug zu einer ausgewählten Intensität der einfallenden Lichtstrahlen bestimmt wird, und der Absorptionskoeffizient des betreffenden Lichts oder die elektromagnetische Wellenlänge des betreffenden Gases.
In Bezug auf die Merkmale der vorliegenden Erfindung lässt sich erwähnen, dass bekannt ist, eine Gaszelle in Bezug auf ihre körperlichen Abmessungen zu verkleinern, und zwar dadurch, dass ermöglicht wird, dass die Lichtstrahlen mehrfach in dem Hohlraum reflektiert werden, wodurch ein Endpunkt eines relativ langen Messweges (Wellenlänge) oder ein Endpunkt eines relativ langen Absorptionsweges relativ zu den Innenabmessungen der Gaszelle oder des Hohlraums erhalten wird.
Die Absorptionszelle oder Gaszelle, die in der Patentveröffentlichung US-A-5 009 493 beschrieben wird, stellt ein Beispiel für eine Gaszelle dar, die so ausgelegt ist, dass sie einen angepassten Endpunkt eines langen Absorptionsweges oder einen Endpunkt eines optischen Messweges innerhalb eines festgelegten oder begrenzten Hohlraums zur Verfügung stellt, wobei einfallende Lichtstrahlen (oder Lichtbündel) mehrfach innerhalb des Hohlraums reflektiert werden sollen, bevor sie diesen verlassen, und dann auf einen Lichtdetektor einfallen.
Bei derartigen Gaszellen ist es üblich, dass einfallende Lichtstrahlen in den Hohlraum über eine erste Öffnung hinein gelangen, und die Strahlen aus dem Hohlraum über eine zweite Öffnung heraus gelangen, wodurch ermöglicht wird, dass ein Detektor, der im vorliegenden Zusammenhang eingesetzt wird, aus einer getrennten Einheit besteht, die vorzugsweise auf der Gaszelle im Zusammenhang mit der zweiten Öffnung angebracht ist.
Der Hohlraum der Gaszelle wird normalerweise durch zumindest ein erstes und ein zweites Teil gebildet, deren innere Oberflächen so behandelt sein können, dass Oberflächen zur Verfügung gestellt werden, die stark die einfallenden Lichtstrahlen oder Lichtbündel reflektieren.
Diese Oberflächenbehandlung umfasst normalerweise, die innere Oberfläche mit einer oder mehreren Schichten aus Metall zu beschichten, wodurch die reflektierenden Oberflächen durch die letzte aufgebrachte Metallschicht gebildet werden.
Das Metall und die Vorgehensweise, die für diesen Beschichtungsvorgang eingesetzt werden, hängen von den gewünschten optischen Qualitäten der Oberflächen ab, und auch von der optischen Wellenlänge oder den optischen Wellenlängen, die von den Oberflächen reflektiert werden sollen. Auch das Material in dem Gaszellenkörper muss berücksichtigt werden.
In Bezug auf die signifikanten, charakteristischen Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung lässt sich auch ein Beispiel eines früheren, bekannten Gassensors angeben, bei welchem die einfallenden Lichtstrahlen oder Lichtbündel mehrfach innerhalb des Hohlraums entsprechend einem vorbestimmten Muster reflektiert werden.
In dieser Hinsicht wird Bezug auf einen Gassensor genommen, der in der internationalen Patentanmeldung PCT/SE96/01448, Veröffentlichungsnummer WO97/10460 und in der internationalen Patentanmeldung PCT/SE97/01366, Veröffentlichungsnummer WO98/09152 erläutert und beschrieben ist, gegenüber welchen die vorliegende Erfindung so angesehen werden kann, dass sie eine Weiterentwicklung darstellt.
Die DE 42 14 840 A beschreibt eine Gaszelle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, die eine Lichtquelle aufweist, die mit einem sammelnden, konkaven Reflektor versehen ist. Die Lichtquelle und der Reflektor sind außerhalb des Probenhohlraums angeordnet, und so ausgebildet, dass sie gesammeltes Licht auf eine Fokussierlinse richten, die in der Wand der Gaszelle vorgesehen ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Technische Probleme
Berücksichtigt man die technischen Überlegungen, die ein Fachmann auf diesem speziellen Gebiet vornehmen muss, um eine Lösung für ein oder mehrere technische Probleme bereitzustellen, denen er ausgesetzt ist, so sieht man, dass es erforderlich ist, zuerst die Maßnahmen und/oder die Abfolge von Maßnahmen zu realisieren, die zu diesem Zweck unternommen werden müssen, einerseits, und es andererseits erforderlich ist, zu erkennen, welche Vorrichtung oder Vorrichtungen dazu benötigt werden, eines oder mehrere dieser Probleme zu lösen. Auf dieser Grundlage wird deutlich, dass die nachstehend angegebenen technischen Probleme äußerst relevant für die Entwicklung der vorliegenden Erfindung sind.
Berücksichtigt man den voranstehend geschilderten, momentanen Stand der Technik, so erkennt man, dass in Bezug auf eine Gaszelle der in der Einleitung geschilderten Art ein technisches Problem darin besteht, Bedingungen zu schaffen, welche es ermöglichen, dass ein Endpunkt eines ausgewählten, angepassten optischen Messweges länger ist als die Endpunkte jenes Messweges, die bei den voranstehend geschilderten internationalen Patentveröffentlichungen erhalten werden können, unterhalb einer begrenzten Zunahme der Abmessung des eingesetzten Hohlraums.
Ein weiteres technisches Problem besteht darin, die Signifikanz und die Vorteile zu erkennen, die dadurch erreicht werden, dass ermöglicht wird, dass die Lichtquelle in einem Endbereich des Hohlraums angeordnet ist, um so zu ermöglichen, Bedingungen zu schaffen, die Vorteile im Vergleich zu jenen zur Verfügung stellen, die bei der bereits erkannten Technik erzielt werden können.
Ein weiteres technisches Problem besteht in der Erkenntnis der Signifikanz und der Vorteile, die dadurch erzielt werden, dass in dem einen Endbereich ein Reflektor angeordnet wird, der dazu führt, dass die ausgesandten Lichtbündel gesammelt werden.
Weiterhin sieht man, dass ein technisches Problem darin besteht, die Signifikanz und die Vorteile zu erkennen, die durch Anpassung des Reflektors auf solche Weise bereitgestellt werden, dass die Lichtbündel zum Sammeln zu einem Brennpunkt veranlasst werden, der innerhalb des Hohlraums angeordnet wird.
Ein weiteres technisches Problem besteht in der Erkenntnis der Signifikanz und der Vorteile, die dadurch erzielt werden, dass ermöglicht wird, dass der Brennpunkt in der Nähe eines flachen Spiegelteils angeordnet ist, das dem Hohlraum zugeordnet ist.
Ein weiteres technisches Problem besteht in der Erkenntnis der Signifikanz und der Vorteile, die dadurch ermöglicht werden, dass ein virtueller Brennpunkt über das flache Spiegelteil so erzeugt wird, dass er sich außerhalb des Hohlraums befindet.
Ein weiteres technisches Problem besteht in der Erkenntnis der Signifikanz und der Vorteile, die dadurch erzielt werden, dass das flache Spiegelteil in der Nähe einer ersten Begrenzungsoberfläche der ersten, teilweise elliptischen Spiegeloberfläche angeordnet ist.
Ein weiteres technisches Problem besteht in der Erkenntnis der Signifikanz und der Vorteile, die dadurch erzielt werden, dass ermöglicht wird, dass der Reflektor einen teilweise elliptischen Abschnitt in der Nähe einer zweiten Begrenzungsoberfläche der ersten, teilweise elliptischen Spiegeloberfläche aufweist.
Weiterhin erkennt man, dass ein technisches Problem darin besteht, die Signifikanz zu erkennen, es dem Reflektor zu ermöglichen, einen teilweise elliptischen Schnitt aufzuweisen, der durch einen Wandabschnitt gebildet wird, der in dem Hohlraum angeordnet ist.
Ein weiteres technisches Problem besteht in der Erkenntnis der Signifikanz und der Vorteile, die dadurch erhalten werden, dass ermöglicht wird, in einer Gaszelle der betreffenden Art Bedingungen zu schaffen, welche die Auswahl eines dünnen Hohlraums ermöglichen, wobei der Hohlraum durch zumindest zwei gegenseitig zusammenwirkende Teile gebildet wird.
Ein technisches Problem besteht auch in der Erkenntnis der Signifikanz und der Vorteile, die damit zusammenhängen, dass ermöglicht wird, dass eine Gasverbindung zum Hohlraum in der Nähe des voranstehend erwähnten, flachen Spiegelteils vorgesehen ist.
Ein weiteres technisches Problem besteht in der Erkenntnis der Signifikanz und der Vorteile, die dadurch erzielt werden, dass ermöglicht wird, dass eine Gasverbindung zum Hohlraum in der Nähe einer Lichtquelle und in der Nähe des Wandteils angeordnet ist, das in dem Hohlraum vorgesehen ist.
Ein weiteres technisches Problem besteht in der Fähigkeit, die Signifikanz und die Vorteile zu erkennen, die dadurch erzielt werden, dass ermöglicht wird, dass das Lichtbündel von dem virtuellen Brennpunkt zu einem Grenzbereich zwischen der zweiten und der dritten, teilweise elliptischen Spiegeloberfläche reflektiert wird, und ermöglicht wird, dass ein erster Anteil des Lichtbündels, der von der zweiten Spiegeloberfläche reflektiert wird, einem ersten Endpunkt eines optischen Messweges zugeordnet wird, und ein anderer Anteil des Lichtbündels, der von der dritten Spiegeloberfläche reflektiert wird, einem zweiten Endpunkt eines optischen Messweges zugeordnet wird.
Im Falle einer Gaszelle jener Art, die in der Einleitung beschrieben wird, besteht ein technisches Problem in der Fähigkeit, die Signifikanz und die Vorteile zu erkennen, die durch eine Vorrichtung zum Ablenken eines direkt einwirkenden Lichtbündels von der Lichtquelle erzielt werden, die in der Nähe der Lichtquelle angeordnet ist, und zu dem flachen Spiegelteil gerichtet wird, um so zu ermöglichen, dass ein weiterer, wenn auch kürzerer, Endpunkt eines optischen Messweges ausgebildet wird.
Ein weiteres technisches Problem besteht in der Fähigkeit, die Signifikanz und die Vorteile zu erkennen, die damit zusammenhängen, dass ermöglicht wird, dass dem Hohlraum zugeordnete, aktive optische Oberflächen an einer betreffenden Seite der Lichtquelle konzentriert werden, und zu teilweise elliptischen, an den Reflektor angepassten Abschnitten, und zu optischen Oberflächen, die sich zu einem Brennpunkt sammeln, und zu einem Oberflächenbereich, der zwischen den drei teilweise elliptischen Spiegeloberflächen angeordnet ist.
Ein weiteres technisches Problem besteht in der Fähigkeit, die Signifikanz und die Vorteile zu erkennen, die damit zusammenhängen, dass die Vorrichtung so ausgebildet wird, dass direkt-aktive Lichtbündel von der Lichtquelle gegenüber den dem Hohlraum zugeordneten Lichtdetektoren abgeschirmt werden.
Ein weiteres technisches Problem besteht in der Fähigkeit, mit Hilfe einer einfachen Vorrichtung und mit einem Gassensor mit Einschränkungen für die Form zu erreichen, dass der Gassensor einfach dazu veranlasst werden kann, den Feuchtegehalt oder die Wasserdampfkonzentration zu messen, oder alternativ das Vorhandensein und die Konzentration irgendeines anderen, ausgewählten Gases, beispielsweise Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Stickoxid usw.
Lösung
Die vorliegende Erfindung beruht daher auf einer Gaszelle der in der Einleitung geschilderten Art, die einen für ein gewähltes Gasvolumen angepassten Hohlraum aufweist, eine Lichtquelle, und eine oder mehrere Einheiten zum Empfang von Lichtstrahlen und Lichtbündeln, wobei der Hohlraum durch eine erste, teilweise elliptische Spiegeloberfläche ausgebildet und begrenzt wird, welche zwei teilweise elliptischen Spiegeloberflächen zugewandt ist, einer zweiten und einer dritten Oberfläche, wobei die Oberflächen in Bezug aufeinander so ausgerichtet sind, das ein von der Lichtquelle ausgesandtes Lichtbündel durch die Spiegeloberflächen reflektiert wird, vorzugsweise mehrfach, um so einen Endpunkt eines optischen Messweges auszubilden, und in einer Lichtbündel-Empfangseinheit endet, welche einem gewählten Endpunkt eines optischen Messweges zugeordnet ist.
Mit dem Ziel, eines oder mehrere der voranstehend geschilderten technischen Probleme zu lösen, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, dass die Lichtquelle innerhalb des Hohlraums und dann innerhalb von dessen einem Endbereich angeordnet ist, und in dem Endbereich ein Reflektor angeordnet ist, der dazu führt, dass sich die ausgesandten Lichtbündel zu einem Brennpunkt hin sammeln.
Mit Hilfe vorgeschlagener Ausführungsformen, die vom Umfang des Prinzips der Erfindung umfasst werden, wird vorgeschlagen, dass der Reflektor dazu ausgebildet ist, zu ermöglichen, dass sich die Lichtbündel zu einem Brennpunkt hin sammeln, der innerhalb des Hohlraums und in dessen anderem, entgegengesetzten Endbereich angeordnet ist.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass der Brennpunkt in der Nähe eines Endpunktes eines vorgegebenen Weges von einem flachen, dem Hohlraum zugeordneten Spiegelteil liegt.
In dieser Hinsicht wird vorgeschlagen, dass ein virtueller Brennpunkt, der durch das flache Spiegelteil gebildet wird, außerhalb des Hohlraum angeordnet ist.
Gemäß der Erfindung soll das flache Spiegelteil in der Nähe einer ersten Begrenzungsoberfläche der ersten, teilweise elliptischen Spiegeloberfläche angeordnet sein.
Der erwähnte Reflektor besteht aus einem teilweise elliptischen Abschnitt in der Nähe der ersten, teilweise elliptischen Spiegeloberfläche.
Der Reflektor weist weiterhin einen teilweise elliptischen Abschnitt auf, der durch ein Wandteil gebildet wird, das in dem Hohlraum angeordnet ist.
Speziell wird vorgeschlagen, dass der Hohlraum sehr dünn ist, und aus zumindest zwei gegenseitig zusammenwirkenden Teilen ausgebildet oder hergestellt ist.
Weiterhin wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, dass ein erster Gasanschluss in der Nähe des flachen Spiegelteils angeordnet ist, und dass ein zweiter Gasanschluss in der Nähe der Gasquelle und in der Nähe des Wandteils angeordnet ist, das in dem Hohlraum befestigt ist.
Weiterhin wird gemäß der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, dass der Hohlraum der Gaszelle so ausgebildet ist, dass die Lichtbündel von dem virtuellen, am Umfang des Hohlraums liegenden Brennpunkt zu einem Grenzbereich zwischen der zweiten und der dritten Spiegeloberfläche reflektiert werden, und dass ein erster Anteil, der durch die zweite Spiegeloberfläche reflektiert wird, einen ersten Endpunkt eines optischen Messweges bildet, während ein zweiter Anteil, der durch die dritte Spiegeloberfläche reflektiert wird, einen zweiten Endpunkt eines optischen Messweges bildet.
Gemäß der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Ablenken eines direkt einwirkenden Lichtbündels von der Lichtquelle in der Nähe der Lichtquelle und innerhalb des Hohlraums vorgesehen, wobei die Vorrichtung dem flachen Spiegelteil zugewandt ist, um hierdurch einen weiteren Endpunkt eines optischen Messweges auszubilden.
Weiterhin wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, dass dem Hohlraum zugeordnete, aktive optische Oberflächen an ihren jeweiligen Seiten der Lichtquelle konzentriert sind, und sich zu teilweise elliptischen, dem Reflektor zugeordneten Abschnitten erstrecken, und weiterhin zu dem Brennpunkt im Innern des Hohlraums zusammenlaufen, und zu einem Oberflächenbereich, der zwischen den drei teilweisen elliptischen Spiegeloberflächen angeordnet ist.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung so ausgebildet und angepasst ist, dass sie direkt einwirkende Lichtbündel zu dem Hohlraum zugeordneten Lichtdetektoren abschirmt.
Gemäß der Erfindung kann die Lichtquelle für Infrarotstrahlung ausgebildet sein, und dazu gedacht sein, zu ermöglichten, dass Feuchtgehalte gemessen werden.
Die Einheiten, welche den Lichtstrahl oder das Lichtbündel empfangen, sind dazu ausgebildet, das Vorhandensein und/oder die Konzentration anderer ausgewählter Gase zu bestimmen, beispielsweise Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Stickoxid, usw.
Vorteile
Jene Vorteile, die hauptsächlich charakteristisch für eine erfindungsgemäße Gaszelle sind, welche die charakteristischen Eigenschaften der vorliegenden Erfindung aufweist, bestehen in der Bereitstellung von Bedingungen, die ermöglichen, in einer Gaszelle mit kleinen Außenabmessungen zumindest zwei Endpunkte eines langen optischen Messweges zur Verfügung zu stellen. Weiterhin wurden Maßnahmen unternommen, um ein Gasvolumen zum Durchgang durch den Hohlraum in Form einer Laminarströmung oder im Wesentlichen einer Laminarströmung zu veranlassen.
Die Gaszelle kann auch dazu eingesetzt werden, einen Endpunkt eines weiteren, obwohl kurzen Messweges zur Verfügung zu stellen.
Die primären Eigenschaften einer erfindungsgemäßen Gaszelle sind im kennzeichnenden Teil des beigefügten Patentanspruchs 1 angegeben.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Eine Ausführungsform einer momentan bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, welche charakteristische, für die Erfindung signifikante Merkmale aufweist, wird nunmehr im Einzelnen beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, bei welchen
1 ein Blockdiagramm ist, das einen Gasdetektor darstellt, der eine erfindungsgemäße Gaszelle verwendet;
2 eine Aufsicht ist, welche die Form einer erfindungsgemäßen Gaszelle zeigt;
3 eine Schnittansicht entlang der Linie III-III in 2 ist;
4 eine Gaszelle gemäß 1 darstellt, und optisch aktive Beleuchtungsoberflächen zeigt; und
5 die Gaszelle gemäß 2 darstellt, wobei aktive Beleuchtungsoberflächen und ein durch eine Vorrichtung, innerhalb deren Oberfläche direkte Strahlung von der Lichtquelle auf Lichtdetektoren oder -einheiten verhindert werden soll, erzeugter Periskopschatten dargestellt sind.
Beschreibung der momentan bevorzugten Ausführungsformen
In 1 ist schematisch eine Detektoranordnung gezeigt, die es ermöglicht, das Vorhandensein eines Gases in einer Gasmischung und/oder eine Gaskonzentration einer Gasmischung zu bestimmen.
Die in 1 dargestellte Anordnung ist mit 1 bezeichnet, und weist einen erforderlichen Gassensor 2 auf, der an einen Anschluss 2a und an einen Anschluss 2b angeschlossen ist, die es ermöglichen, ein Volumen eines zu untersuchenden Gases der Gaszelle zuzuführen und von dieser abzuführen.
Alternativ kann ein Wandteil 20' als ein Diffusionsfilter dienen.
Es wird angenommen, dass das Gas über den Anschluss 2a eingelassen wird, und sich durch eine Gaszelle 2' in dem Gassensor 2 in Form einer mehr oder weniger laminaren Strömung bewegen kann, und danach durch den Anschluss 2b hinaus gelangt.
1 zeigt weiterhin den Anschluss einer oder mehrerer Einheiten 21, 22, 23, 24 und 25 an eine zentrale Verarbeitungseinheit 3, wobei die Einheiten dazu dienen sollen, Lichtstrahlen oder Lichtbündel zu empfangen.
Die zentrale Einheit 3 weist daher erforderliche Signalbearbeitungsschaltungen und Schaltungen zum Aussenden und Aktivieren einer dem Gassensor zugeordneten Lichtquelle über eine Leitung 3a auf.
Die vorliegende Erfindung betrifft hauptsächlich einen Gassensor 2' in der Gaszelle 2, wobei dieser Gassensor nachstehend mit weiteren Einzelheiten unter Bezugnahme auf die 2 und 3 beschrieben wird.
Die Gaszelle 2' weist den Hohlraum 20 auf, der für ein ausgewähltes Gasvolumen angepasst ist, eine Lichtquelle 30, und eine oder mehrere Lichtstrahlempfangseinheiten 21–25.
Der Hohlraum 20 wird, unter anderem, durch eine erste, teilweise elliptische Spiegeloberfläche 20a und zwei teilweise elliptische Spiegeloberflächen, eine zweite 20b und eine dritte 20c, ausgebildet und begrenzt, welche gegenüberliegend der ersten Spiegeloberfläche 20a liegen.
Die drei Spiegeloberflächen 20a, 20b, 20c sind so in Bezug aufeinander ausgerichtet, dass der von der Lichtquelle 30 ausgesandte Lichtstrahl zwischen den Spiegeloberflächen reflektiert wird, und hierdurch einen Endpunkt oder Endpunkte eines optischen Messweges bilden kann, und in einer Lichtstrahlempfangseinheit oder einem Detektor endet, welcher bzw. welchem ein ausgewählter Endpunkt des Messweges zugeordnet ist.
Die Lichtquelle 30 ist in einem Endbereich des Hohlraums, dem linken Bereich in 2 angeordnet, und ein Reflektor, der dazu führt, dass ein ausgewählter Lichtstrahl gesammelt wird, ist in dem einen Endbereich angeordnet, und weist ein oberes Teil 30a und ein unteres Teil 30b auf, wobei die Lichtquelle 30 in einem Brennpunkt angeordnet ist.
Die Reflektorteile 30a, 30b sind teilweise elliptisch, und dazu ausgebildet, die ausgewählten Lichtstrahlbündel oder -gruppen zum Sammeln zu einem Brennpunkt F in dem Hohlraum 20 zu veranlassen, beispielsweise jeweilige Lichtbündel 130 und 230.
Der Brennpunkt F ist in dem Bereich des anderen Endes des Hohlraums angeordnet, in 2 nach rechts hin.
Der Brennpunkt F ist in der Nähe eines flachen, dem Hohlraum zugeordneten Spiegelteils 20d angeordnet. Dieses flache Spiegelteil 20d steht in einem gewissen Winkel in Bezug zu einer geraden Linie zwischen der Lichtquelle 30 und dem Brennpunkt F.
Das flache Spiegelteil 20d erzeugt aus dem Brennpunkt F einen virtuellen Brennpunkt F', der nunmehr etwas außerhalb des Hohlraums 20 liegt, wie deutlich in 2 gezeigt ist.
Das flache Spiegelteil 20d ist in der Nähe einer Begrenzungsoberfläche an der rechten Seite der ersten Spiegeloberfläche 20a angeordnet.
Die obere Spiegeloberfläche 30a des Reflektors besteht aus einem teilweise elliptischen Abschnitt, und ist in der Nähe einer nach links gerichteten Begrenzungsoberfläche der ersten Spiegeloberfläche 20a angeordnet.
Das dem Reflektor zugeordnete Teil 30b besteht ebenfalls aus einem teilweise elliptischen Abschnitt, der durch ein teilweise elliptisches Wandteil 26 gebildet wird, das in dem Hohlraum 20 angeordnet ist.
Wie nunmehr aus 3 hervorgeht, kann der Hohlraum 20 sehr dünn oder schmal sein, und wird hauptsächlich durch zwei gegenseitig zusammenwirkende Teile 41, 42 gebildet. Die Dicke kann der Länge eines Glühheizfadens für die Lichtquelle 30 entsprechen, also einer Länge von 1,5 mm oder etwas größer.
Ein erster Gasanschluss 2a ist in der Nähe des flachen Spiegelteils 20d angeordnet. Ein zweiter Gasanschluss 2e ist in der Nähe der Lichtquelle 30 und in der Nähe des Wandteils 26 angeordnet, das in dem Hohlraum 20 vorgesehen ist.
Zusätzlich zur Ausbildung des Spiegelteils 30b ist das Wandteil 26, infolge seiner Dicke und seiner Form, dazu ausgebildet, eine deutliche Laminarströmung des zu untersuchenden Gasvolumens zur Verfügung zu stellen, wobei von dem Gasvolumen angenommen wird, dass es durch den Anschluss 2a eingelassen wird, und durch den Anschluss 2b herausgeht.
Gemäß der Erfindung werden die Bündel der Lichtstrahlen, beispielsweise die Lichtbündel 130 und 230, von dem virtuellen Brennpunkt F' zu einem Grenzbereich reflektiert, der zwischen der zweiten Spiegeloberfläche 20b und der dritten Spiegeloberfläche 20c liegt, wobei ein erster Anteil 130a, der durch die zweite Spiegeloberfläche 20b reflektiert wird, einen Endpunkt eines ersten optischen Messweges bildet, wogegen ein zweiter Anteil 130b, der durch die dritte Spiegeloberfläche 20c reflektiert wird, einen Endpunkt eines zweiten optischen Messweges bildet.
Es wird deutlich, dass jeder dieser Endpunkte eines optischen Messweges in weitere Endpunkte eines Messweges aufgeteilt werden kann, wenn das Licht zwischen den Oberflächen 20a, 20b und 20c reflektiert wird, auf eine an sich bekannte Art und Weise. Jeder Endpunkt eines optischen Messweges endet in einem ausgewählten Detektor 21, 22, 23, 24 bzw. 25.
In der Nähe der Lichtquelle 30, und dem flachen Spiegelteil 20d zugewandt, befindet sich eine Vorrichtung 40, die in einem Winkel in Bezug auf direkt einwirkende Lichtbündel angeordnet ist, um so einen weiteren Endpunkt eines optischen Messweges (oder mehrere Endpunkte optischer Messwege) zu einer Lichtbündel-Empfangseinheit 41 auszubilden.
In 4 sind dem Hohlraum zugeordnete, aktive optische Oberflächen dargestellt, die sich jeweils an einer jeweiligen Seite der Lichtquelle 30 konzentrieren, wobei diese Oberflächen mit 61 und 62 bezeichnet sind.
Diese optischen Oberflächen erstrecken sich an jeweiligen Seiten der Lichtquelle 30 zu den teilweise elliptischen Abschnitten 30a, 30b hin, und decken diese Oberflächen ab, die zum Brennpunkt F hin zusammenlaufen.
Ein weiterer optischer Oberflächenbereich 63 ist zwischen den teilweise elliptischen Spiegeloberflächen 20a, 20b und 20c ausgebildet.
Insbesondere aus 5 wird deutlich, dass diese Vorrichtung 40 dazu ausgebildet ist, ein Abschattieren der direkt einwirkenden Lichtbündel zu den dem Hohlraum zugeordneten Lichtdetektoren 21–25 zu ermöglichen.
Die Lichtquelle 30 kann für Infrarotstrahlung ausgelegt sein, und kann in dieser Hinsicht zur Messung des Feuchtegehalts des im Hohlraum eingeschlossenen Gasvolumens gedacht sein, also zur Messung der Wasserdampfkonzentration.
Die ausgewählten Bündel der Lichtstrahlen können auch dazu ausgebildet sein, das Vorhandensein eines anderen, ausgewählten Gases und/oder dessen Konzentration zu bestimmen, beispielsweise Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Stickoxid, mit Hilfe der Lichtempfangsschaltungen oder -einheiten.
Wie wiederum aus den 2 und 3 hervorgeht, wird deutlich, dass der zusätzliche Endpunkt des optischen Messweges zwischen der Lichtquelle 30 und der Einheit 41 eine kurze Länge aufweisen kann, beispielsweise eine Länge von 4–20 mm oder von etwa 8 mm.
Der Endpunkt des optischen Messweges zur Einheit 21 oder 23 kann eine Länge von 13 bzw. 21 cm aufweisen, und der Endpunkt des optischen Messweges zwischen der Lichtquelle 30 und der jeweiligen Einheit 23, 24 bzw. 25 kann eine Länge von 21, 29 bzw. 37 cm aufweisen.
Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass im Falle einer Gaszelle 2' mit Außenabmessungen von etwa 45 × 45 mm hierdurch ermöglicht wird, zumindest zwei voneinander unabhängige Endpunkte optischer Messwege zur Verfügung zu stellen, die eine Länge von 36 cm aufweisen, um so zu ermöglichen, die Konzentration von Stickstoffgas/Kohlendioxid und den Wassergehalt des Gases und dessen Kohlendioxidkonzentration zu bestimmen.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die voranstehend geschilderten, beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung beschränkt ist, und dass Abänderungen innerhalb des Umfangs des erfindungsgemäßen Grundprinzips vorgenommen werden können, wie es in den beigefügten Patentansprüchen angegeben ist.

Claims

Gaszelle, die einen Hohlraum (20) aufweist, der an ein gewähltes Gasvolumen angepasst ist, eine Lichtquelle (30), und Einheiten (21–25) zum Empfang eines oder mehrer Lichtstrahlbündel, wobei der Hohlraum unter anderem durch eine erste, teilweise elliptische Spiegeloberfläche (20a) ausgebildet und begrenzt wird, eine zweite, teilweise elliptische Spiegeloberfläche (20b), und eine dritte, teilweise elliptische Spiegeloberfläche (20c), die zweite und die dritte Oberfläche gegenüberliegend der ersten Oberfläche (20a) angeordnet und in Bezug aufeinander so ausgerichtet sind, dass Lichtstrahlbündel (130a, 130b), die von der Lichtquelle (30) ausgesandt werden, durch die Spiegeloberflächen (20a, 20b, 20c) so reflektiert werden, dass ein Endpunkt eines optischen Messweges ausgebildet wird, und sie in einer Einheit (21–25) enden, die ein zugehöriges Lichtstrahlbündel in einem Endpunkt eines ausgewählten Messweges empfängt, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (30) in dem Hohlraum (20) an dessen einem Endbereich angeordnet ist, und in dem einem Endbereich ein Reflektor (30a, 30b) angeordnet ist, der dazu führt, dass die ausgesandten Lichtstrahlbündel zu einem Brennpunkt (F) hin gesammelt werden.
Gaszelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (30a, 30b) dazu ausgebildet ist, die Lichtstrahlbündel zum Sammeln zu einem Brennpunkt (F) hin zu veranlassen, der in dem Hohlraum angeordnet ist.
Gaszelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennpunkt (F) in der Nähe eines flachen, dem Hohlraum zugeordneten Spiegelabschnitts (20d) angeordnet ist.
Gaszelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein virtueller Brennpunkt (F'), der durch den flachen Spiegelabschnitt (20d) gebildet wird, außerhalb des Hohlraums angeordnet ist.
Gaszelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der flache Spiegelabschnitt (20d) in der Nähe einer Begrenzungsoberfläche der ersten Spiegeloberfläche (20a) angeordnet ist.
Gaszelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (30a, 30b) einen teilweise elliptischen Abschnitt aufweist, der in der Nähe der ersten Spiegeloberfläche (20a) angeordnet ist.
Gaszelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (30a, 30b) einen teilweise elliptischen Abschnitt aufweist, der durch ein Wandteil gebildet wird, das in dem Hohlraum angeordnet ist.
Gaszelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (20) dünn ist, und durch zumindest zwei Teile (41, 42) gebildet wird, die miteinander zusammenwirken können.
Gaszelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gasverbindung (2a) in der Nähe des flachen Spiegelabschnitts (20d) angeordnet ist.
Gaszelle nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gasverbindung (2b) in der Nähe der Lichtquelle (30) in der Nähe eines Wandabschnitts angeordnet ist, der in dem Hohlraum (20) angeordnet ist.
Gaszelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtstrahlbündel von dem virtuellen Brennpunkt (F') zu einem Grenzbereich reflektiert werden, der zwischen der zweiten (20b) und der dritten (20c) Spiegeloberfläche angeordnet ist; und dass ein erster Teil, der von der zweiten Spiegeloberfläche reflektiert wird, einen ersten Endpunkt eines optischen Messweges bildet, während ein zweiter Teil, der von der dritten Spiegeloberfläche reflektiert wird, einen zweiten Endpunkt eines optischen Messweges bildet.
Gaszelle nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung, die in der Nähe der Lichtquelle (30) angeordnet ist, und so arbeitet, dass sie ein Lichtstrahlbündel, das von der Lichtquelle ausgesandt wird, in eine Richtung zu dem flachen Spiegelabschnitt (20d) hin reflektiert, um hierdurch einen weiteren Endpunkt eines optischen Messweges auszubilden.
Gaszelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie dem Hohlraum zugeordnete, aktive optische Oberflächen (61, 62) aufweist, die an der jeweiligen Seite der Lichtquelle (30) konzentriert sind, und zu Abschnitten, die an einen teilweise elliptischen Reflektor angepasst sind, und zu einem Brennpunkt hin zusammenlaufen, wobei die Oberflächen einen Oberflächenbereich aufweisen, der zwischen den elliptischen Spiegeloberflächen angeordnet ist.
Gaszelle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (40) dazu ausgebildet ist, eine Abschattung direkt einwirkender Lichtstrahlbündel bezüglich dem Hohlraum zugeordneter Lichtdetektoren (21–25) zu ermöglichen.
Gaszelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (30) für Infrarotstrahlung angepasst ist, und zur Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts oder von Dampf über einen ausgewählten Detektor bestimmt ist.
Gaszelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgewählten Einheiten (21–25) oder Detektoren zum Empfang der Lichtstrahlbündel dazu ausgebildet sind, die Konzentration eines ausgewählten Gases zu bestimmen, beispielsweise Kohlendioxyd, Kohlenmonoxyd, Stickoxyd.
Gaszelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein dem Hohlraum zugeordneter Wandabschnitt ein Diffusionsfilter (20') aufweist.
Gaszelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Hohlraums an die Länge (Höhe) eines Glühheizfadens für die Lichtquelle angepasst ist.