DE69533119T2 - Spektroskopische Messvorrichtung zur Analyse von Medien - Google Patents

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3504Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis

Description

  • INSTRUMENTARIUM CORPORATION
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Messsensor für die spektroskopische Analyse von Medien, wobei der Messsensor umfasst: eine Probenkammer für ein zu analysierendes Medium, wobei die Kammer mit zumindest zwei strahlungsdurchlässigen Fenstern oder Fensterabschnitten in Fensteröffnungen versehen ist, die in der Kammer enthalten sind, eine Strahlungsquelle zum Abgeben von Strahlung, welche sich durch das erste Fenster, die Probenkammer und weiter durch das zweite Fenster fortpflanzt, einen oder eine Mehrzahl von Detektoren, der oder die optisch zu diesem zweiten Fenster oder Fensterabschnitt hin ausgerichtet ist oder sind, sowie einen Filter, der für ein bestimmtes Wellenlängenband zwischen der (Öffnung des zweiten Fensters und jedem Detektor durchlässig ist.
  • Wenn Medien, typischerweise Gase, z.B. mittels Infrarottechnologie analysiert werden, erwies sich die am meisten bevorzugte Lösung als ein nicht-dispersives Messverfahren, welches die Analyse jeder Gaskomponente in einer zu untersuchenden Gasprobe beinhaltet, d.h. das Identifizieren einer Gaskomponente und/oder das Messen von deren Konzentration unter Verwendung eines bestimmten Spektralbands, das jedem vorab zugeordnet ist. Der Mehrfachgassensor besteht typischerweise aus einer Strahlungsquelle, wie etwa einer Breitband-Infrarotstrahlungsquelle, einer Probenkammer, mechanisch austauschbaren schmalbandigen Filtern sowie einem Infrarotdetektor. Dieser Typ der Lösung ist z.B. in der Veröffentlichung US-4,233,513 offenbart. Ein Problem in dieser Lösung ist eine kurze Betriebslebensdauer, die durch die Abnutzung bewegender Teile hervorgerufen wird. Zusätzlich benötigt diese Lösung relativ schnelle Detektoren. Solche Detektoren, die bei Raumtemperatur arbeiten können, sind schwer zu finden, wenn der Wert der zu erfassenden Wellenlänge etwa 5 μm überschreitet. Es ist allgemein bekannt, dass die meisten charakteristischen Infrarotabsorptionsbänder nur innerhalb dieser Wellenlängen liegen, z.B. innerhalb des Bereichs von 8 – 14 μm, obwohl wesentlich kürzere Wellenlängen, z.B. herunter bis zu 3 μm, ebenfalls verwendet werden.
  • Aus den obigen Gründen gibt es eine zunehmende Tendenz dahin, Lösungen zu vermeiden, die bewegende Teile beinhalten. Jedoch hat die oben beschriebene Lösung einen Vorteil darin ergeben, dass sie Strahlenwege durch die Kammer hat, die allen Messbändern gemeinsam sind, und ein einziger Detektor zum Erfassen aller Strahlen ausreichend war. Somit sind vergleichbare Änderungen, einschließlich z.B. einer Verunreinigung einer Probenkammer und der thermischen Empfindlichkeit eines Detektors, die genau den gleichen Effekt haben, wenn unterschiedliche Wellenlängenbänder angewendet werden, sehr leicht kompensiert worden. In einem Sensor, der ohne bewegende Teile arbeitet, muss jedes Wellenlängenband mit einem eigenen Detektor versehen sein, und daher sind eine Mehrzahl von Detektoren erforderlich. Die gegenwärtigen Detektoren, z.B. Thermokopplerdetektoren, sind im Hinblick auf ihre Eigenschaften sehr ähnlich, und daher führt die Kompensation, die wegen deren Disparität erforderlich ist, allgemein keine Probleme. Andererseits könnte die Tatsache, dass Strahlung zu verschiedenen Detektoren durch die Probenkammer über unterschiedliche Wege führt, zu Messfehlern führen, insbesondere dann, wenn die Kammerfenster oder -wände schmutzig werden. Dies ist ein häufiges Problem z.B. in Atemgasanalysatoren. Die Veröffentlichung US-5,081,998 offenbart eine Lösung, worin die Detektoren zusammen mit ihren Filtern Seite an Seite angeordnet sind, obwohl die zitierte Veröffentlichung sich hauptsächlich mit der Beseitigung von Effekten von thermischem Rauschen sowie einer Änderung des Betriebsorts befasst. Diese herkömmliche Lösung ist überhaupt nicht in der Lage, andere vergleichbare Fehler zu kompensieren, wie etwa einen Fehler, der durch die ungleichmäßige Kontamination einer Probenkammer hervorgerufen wird, da die Strahlen vollständig voneinander getrennt zu verschiedenen Detektoren laufen. Das Problem wird noch schwerwiegender, wenn die Anzahl von zu messenden Gaskomponenten mehr als zwei beträgt. In der genannten Veröffentlichung verwenden die die Bänder messenden Detektorsysteme eine angrenzende parallele Strahlung, wobei aber, auch wenn die Detektoren zu der Mitte einer Infrarotquellle hin ausgerichtet wären, dies das Problem nicht löst, insbesondere dann, wenn eine Mehrzahl von Detektoren verwendet werden. Somit vergrößert sich auch der Winkel zwischen den verschiedenen optischen Wegen und die Möglichkeit der Verwendung desselben Wegs durch die Probenkammer nimmt weiter ab. Der Abstand kann vergrößert werden, und daher kann der Winkel reduziert werden, wobei aber in diesem Fall die Lichtintensität zu stark abnimmt.
  • Eine andere Möglichkeit des Versuchs zur Lösung der obigen Probleme ist die Verwendung besonders gestalteter Detektorzellen, die eine Mehrzahl von Detektoren und entsprechende Filter aufweisen, die eng einander benachbart gepackt sind. Dieser Lösungstyp ist in der Veröffentlichung US-4,772,790 offenbart. In diesem Fall sind die Strahlen, die sich durch eine Probenkammer fortpflanzen, für alle Detektoren weitgehend ähnlich, und daher sind die vergleichbaren Fehler nahezu kompensierbar. In der Praxis ist diese Lösung jedoch teuer und empfindlich. Wenn nur eine einzige individuelle Komponente defekt ist, muss der gesamte Detektor ersetzt werden. Diese Lösung kann auch zu Problemen führen, wenn es notwendig ist, die Anzahl der Detektoren wesentlich zu erhöhen, da die Zelle eine derart große Oberflächenausdehnung hat, dass ein Teil der Strahlung, die durch die Probenkammer hindurchgetreten und von den verschiedenen Detektorelementen darin empfangen worden ist, einzeln von unterschiedlichen Teilen der Kammer gestammt hat. Wenn die in dieser Veröffentlichung aufgeführte Struktur mit Interferenzfiltern stromauf der Detektorelemente versehen werden soll, muss die Strahlungsquelle strikte Anforderungen erfüllen, da diese Filter eine im Wesentlichen orthogonal einfallende Strahlung erfordert, um einen präzisen Banddurchlass beizubehalten, wobei keine Streustrahlung vorhanden sein sollte. Die genannte Probenkammer und die andere Struktur tragen nicht dazu bei, eine Parallilität in der Strahlung zu erzeugen.
  • Im Hinblick auf die Verwendung mit Abstand angeordneter schmalbandiger Filter und Detektoren, die alle die Infrarotquelle von der gleichen Richtung her sehen und alle hierdurch erfassten Strahlen durch die Probenkammer über einen im Wesentlichen gemeinsamen Weg gelaufen sind, sind Strahlenteiler in Verwendung genommen worden. Die Veröffentlichung US-4,914,719 offenbart einen solchen Mehrfachgasanalysator. Jedoch ist das Messystem kompliziert und teuer. Zusätzlich ist die Lichtintensität ungleichmäßig und für unterschiedliche Detektoren ziemlich niedrig, einerseits weil der Abstand zu einer Infrarotquelle hierfür unterschiedlich ist, und andererseits weil die vorangehenden Halbspiegel einen Teil der Intensität nehmen. Im Prinzip könnten die Reflektivitäten dieser aufeinanderfolgenden Halbspiegel stufenweise variierend ausgelegt werden, um die gleiche Intensität für verschiedene Detektoren zu erzeugen, wobei aber dies den Preis noch weiter erhöht und der niedrige Intensitätspegel ein Problem bleibt, insbesondere dann, wenn die Anwendung mehrerer Detektoren erforderlich ist. In der in dieser genannten Veröffentlichung offenbarten Anordnung ist es schwierig und teuer, die einzelnen Detektoren auf der gleichen und konstanten Betriebstemperatur zu halten, da die Abstände zwischen diesen lang sind und diese Abstände nicht ohne Probleme verringert werden können.
  • Die oben erwähnte Veröffentlichung US-4,914,719, aber auch viel ältere Dokumente, wie etwa DE-716 153 aus dem Jahre 1941, und EDUARD RÜCHARDT: VERSTÄNDLICHE WISSENSCHAFT, FÜNFUNDDREISSIGSTER BAND, Springer Verlag 1952, offenbaren Interferenzfilter, die für eine lange Zeit zur Verfügung gestanden haben.
  • Die Veröffentlichung US-5,054,869 zeigt einen Strahlungsleiter mit großen Längen im Bereich von fünf bis zehn Fuß, worin die Innenoberfläche des Lichtrohrs mit einer hochreflektiven Metallschicht beschichtet ist, bevorzugt Rhodium oder Nickel. Die Veröffentlichung verwendet explizit einen collimierten, d.h. optimal parallelen Strahlengang, der eine minimale und gleichmäßige Divergenz von nicht größer als 1,5° oder 1° hat. Der Effekt der Divergenz wird auch durch die Verwendung eines kleinstmöglichen Detektors minimiert. Ferner hat gemäß der Veröffentlichung der parallele Strahlengang eine Querschnittsfläche im Wesentlichen gleich der Fläche der zylindrischen Passage in dem Lichtrohr, und das Lichtrohr hat einen relativ großen Durchmesser, um die Anzahl von Reflektionen pro Längeneinheit zu minimieren, wobei Bedingungen eingehalten werden, indem der Durchmesser des Strahls an jenen des verfügbaren Lichtrohrs angepasst wird. Auch ist festgelegt, dass der zylindrische Durchgang so reflektiv wie möglich sein sollte, um Verluste in dem Lichtrohr zu minimieren. Zu diesem Zweck wird vorgeschlagen, dass der "reale" Teil "n" des Brechungsindex relativ niedrig ist, um das Minimum der Reflektanz zu größeren Glanzwinkeln zu bewegen. Darüber hinaus besteht die Lichtquelle aus einem Interferometer, das impliziert, dass eine monochromatische Strahlung verwendet wird, und in diesem Fall kein optischer Filter verwendet wird, gemäß der US-5,054,869. Die aufeinanderfolgenden Lichtrohre werden zwischen der collimierten Lichtquelle und der Probenzelle angewendet, wohingegen eine geeignete Optik zwischen der Probenzelle und dem Detektor vorgesehen ist, um die divergierende Strahlung nach der Probe auszurichten.
  • Die Veröffentlichung GB-740 374 beschreibt optische Trichter, deren Innenseiten mit einem reflektiven Film beschichtet sind. Diese optischen Trichter sind sogenannte Konzentratoren, die allgemein bekannt sind und in herkömmlicher Weise in dieser Veröffentlichung angewendet werden, insbesondere, um Licht auf einen kleinen Punkt zu fokussieren. Die Veröffentlichung definiert nicht z.B. das Verhältnis zwischen der Länge und dem Durchmesser der Trichter, wobei aber der Kegelwinkel der Konzentratoren typischerweise so ist, wie in den Figuren der Veröffentlichung gezeigt, mit einem gesamten Kegelwinkel von etwa 20°, und wobei das Verhältnis des mittleren Durchmessers zur Länge etwa 1 : 3,5 beträgt, was ziemlich übliche Werte für Konzentratoren sind. Die Konzentratoren haben unvermeidlich die Wirkung, dass die Einfallswinkelverteilung auf die Oberfläche der optischen Filter und auf die Detektoroberfläche sehr groß ist, was in der Praxis Winkel beinhaltet, die ± 90° angenähert sind. Die Figuren dieser Veröffentlichung zeigen nur die axialen Strahlen, wobei aber in Wirklichkeit der Strahl eine große Menge schräger Strahlen beinhaltet, sich sich entlang einem Zickzackweg durch die Vorrichtung fortpflanzen, wobei schräge Strahlen auch auf die Detektoren fallen sollen. Eine Vorbedingung für die Betriebsfähigkeit eines solchen Konzentrators ist eine sehr gute Reflektanz der Kegeloberfläche auch mit kleinen Reflektionswinkeln, d.h. in Richtungen nahezu orthogonal zur Trichteroberfläche. Der Typ der Zellen, d.h. der Typ der optischen Filter, ist in der GB-740 374 nicht beschrieben, sondern sie sind auf der Basis ihrer konstruktiven Merkmale sogenannte optische Gasfilter, die auf die Richtung der Strahlen unempfindlich sind. Die Detektoren sind Thermokoppler, die ebenfalls auf die Richtung der Strahlen unempfindlich sind. Die Veröffentlichung US-5,282,473 beschreibt auch eine Konstruktion, die einen Collimator oder einen optischen Trichter enthält, der sehr kurz ist, wobei das Verhältnis des mittleren Durchmessers zur Länge angenähert 1 : 0,6 beträgt. Daher entspricht diese Veröffentlichung der zuvor abgehandelten GB-740 374. Der Hauptzweck der Konfiguration in dieser Veröffentlichung ist es, den Strahlendurchmesser zu formen.
  • Eine Aufgabe dieser Erfindung ist es, die obigen Probleme zu beseitigen. Dementsprechend ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen solchen nicht-dispersiven Messsensor für die spektroskopische Analyse von Gasgemischen und anderen Mediem bereitzustellen, wie etwa Flüssigkeit und feste strahlungsdurchlässige Materialien, in welchem Sensor die vergleichbaren Fehler einfach zu kompensieren sind oder überhaupt nicht auftreten, und wodurch die schnellen Konzentrationsänderungen eines Gasgemisches präzise und sofort messbar sind. Somit ist das Ziel ein Sensor, worin die Intensitäten über unterschiedliche Wellenlängenbänder gleichzeitig gemessen werden und worin die Strahlung für einzelne Detektoren in dem Sensor so genau wie möglich von demselben Punkt durch eine Probenkammer hindurch geht, und worin jeder Sensor eine Strahlungsquelle so präzise wie möglich in dem gleichen oder einem entsprechenden Weg sieht. Eine zweite Aufgabe der Erfindung ist ein Messsensor des obigen Typs, worin die Bandpassfilter stromauf der Detektoren mit einer so parallel wie möglichen Strahlung versehen werden und so mit einer präzisen und korrekten Bandtransmission, auch wenn die Strahlungsquelle auch Streustrahlung abgibt oder ein zu messendes Gasgemisch von einem Typ wäre, welches das Streuen einer Strahlung hervorruft. Eine dritte Aufgabe der Erfindung ist ein solcher Messsensor, der in der Lage ist, jedem einer Mehrzahl von Detektoren, wobei deren Anzahl typischerweise vier bis sieben betragen kann, mit einer konstant hohen Strahlungsintensität zu versehen. Daher braucht die Strahlung und insbesondere die langwellige Infrarotstrahlung, zwischen der Probenkammer und den Detektoren nicht unterdrückt oder verteilt werden. Eine vierte Aufgabel der Erfindung ist ein solcher Sensor, worin die einzelnen Detektoren in einfacher Weise auf einer stabilen konstanten Temperatur gehalten werden können. Eine noch weitere Aufgabe der Erfindung ist ein Messsensor des obigen Typs, der einfach und wirtschaftlich herzustellen wäre.
  • Die obigen Probleme können gelöst werden und die obigen Aufgaben können gelöst werden mittels eines Messsensors der Erfindung, der dadurch gekennzeichnet ist, was im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 angegeben ist, und mittels eines Verfahrens, das dadurch gekennzeichnet ist, was in dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 15 angegeben ist.
  • Die Lösung beruht auf der Verwendung eines Lichtleiters in der Form eines Wellenrohrs. Der Begriff Wellenrohr bezieht sich auf ein langgestrecktes lichtleitendes Loch oder eine solche Kammer, deren Wände aus einem Material hergestellt sind, das zur Lichtreflektion in der Lage ist. Es unterscheidet sich von der optischen Faser darin, dass die Lichtfortpflanzung nicht auf der Nutzung von Totalreflektion beruht, sondern auf einer hohen Reflektivität der Wände. Ein durch diese Struktur erlangter Vorteil ist z.B., dass das Licht nicht in einem Medium laufen muss, das optisch dichter ist als das Wandmaterial, wie etwa der Glaskern einer optischen Faser. Daher pflanzt sich die langwellige Infrarotstrahlung mit geringeren Verlusten in einem Wellenrohr fort. Die Reflektionsverluste haben allgemein keine größere Signifikanz, da das Rohr relativ kurz ist. Das Verhältnis der Länge zum Durchmesser beträgt zumindest 5, und in einer bevorzugten Lösung dieser Erfindung liegt es in der Größenordnung von 10 – 30. Die Wände haben eine Reflektivität, die in der Praxis die maximale Länge auf etwa einen Meter begrenzt, und wobei eine bevorzugte Länge in der Größenordnung von 30 – 100 mm liegt. Wenn die Detektorelemente sehr klein gemacht werden können, ist es möglich, Wellenrohre zu verwenden, die noch kürzer sind als diese, solange sie eine ausreichende Länge relativ zu ihren Querschnittsdimensionen haben, wie oben definiert. Das Wellenrohr, das in der Praxis ein langgestrecktes Loch aufweist, das aus einem geeigneten Material hergestellt ist, leitet das Licht angenähert verlustfrei von dem Probenkammerauslass zu den einzelnen Detektoren. Die Lösung ermöglicht die gleichzeitige Verwendung einer Mehrzahl von Detektoren vom Standardtyp, und da der Abstand von einer Infrarotquelle zu einem Detektor relativ lang sein kann im Vergleich zu dem Abstand zwischen den Detektoren, ist der Lichweg durch die Probenkammer für alle Detektoren ungefähr gleich, und alle Detektoren sind mit einem ähnlichen Blickfeld über die Strahlungsquelle versehen. Am meisten bevorzugt ist das Wellenrohr nicht flexibel, da ein Verbiegen den Lichtweg innerhalb des Rohrs verändert, und dann einen störenden Effekt auf die im Detektor ankommende Lichtmenge hat.
  • Während die Reflektionen von den Rohrwänden effizient genutzt werden, um z.B. Infrarotstrahlung zu den Detektoren zu leiten, hat das Wellenrohr einen Effekt darin, auf ein gewisses Ausmaß die Divergenz oder Streustrahlung eines Lichtstrahls zu reduzieren, was günstig und sogar unumgänglich ist, wenn schmalbandige Interferenzfilter verwendet werden. Dieses Merkmal eines Wellenrohrs ist das Ergebnis der Tatsache, dass kleinere Einfallswinkel zu der Rohrwand hin größere Verluste hervorrufen als größere Einfallswinkel, wobei der Ausdruck Einfallswinkel sich auf einen Winkel zwischen dem einfallenden Strahl und der Normalen einer Oberfläche bezieht, wie es in der technischen Optik üblich ist. Eine geeignete Materialauswahl kann einen Effekt auf die Winkel-Verlust-Beziehung haben, in anderen Worten auf die Winkelverteilung und hierdurch auf die Parallelität der Strahlung, die in einem im Detektor enthaltenen Filter ankommt. Der Großteil der Strahlung reflektiert innerhalb eines Rohrs mit einem sehr großen Einfallswinkel, und daher sind die Verluste, angenähert unabhängig von der Materialauswahl, niedrig. Ein längerer Abstand zwischen einer Infrarotquelle und einem Detektor ist auch im Hinblick auf die thermische Konstruktion bevorzugt, da die durch Konvektion der Quelle induzierte thermische Belastung dann leichter zu kontrollieren ist, z.B. mittels einer Wärmeisolierung. Gleichzeitig können alle Detektoren leicht auf derselben thermischen Masse verankert werden, da die Detektoren nahe beieinander angeordnet sind. Diese divergenzreduzierende Eigenschaft in einem Wellenrohr der Erfindung ist nicht nur in der Lage, Probleme zu reduzieren, die durch eine mögliche Streustrahlung hervorgerufen werden, wie etwa einer Quelle von Streustrahlung, und diese z.B. auf das oben erwähnte Erfordernis für die Strahlungseinfallsrichtung bezieht, die auf anderenfalls bevorzugte Interferenzfilter gelegt ist, sondern es kann auch infolgedessen eine solche großflächige Streustrahlungs-abgebende Strahlungsquelle noch günstiger gemacht werden, da sie in bestimmten Fällen in der Lage ist, eine Strahlungsquelle zu erzeugen, die für die einzelnen Detektoren eines Sensors identisch sichtbar ist.
  • Die Erfindung wird nun im Detail in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
  • 1 zeigt die einfachste Ausführung für einen Messsensor der Erfindung.
  • 23 zeigen zwei weitere Ausführungen für einen Messsensor der Erfindung.
  • 4 zeigt eine dritte Ausführung für einen Messsensor der Erfindung, der zwei Filterdetektorpaare enthält.
  • 5 zeigt eine vierte Ausführung für einen Messsensor der Erfindung, der zwei Filterdetektorpaare sowie gekrümmte Wellenrohre enthält.
  • 6 zeigt eine fünfte Ausführung für einen Messsensor der Erfindung, der sieben Filterdetektorpaare für die Analyse einer Mehrzahl von Gaskomponenten enthält.
  • Die in den 1 bis 3 gezeigte grundlegende Lösung umfasst typischerweise eine Infrarotstrahlung-abgebende Strahlungsquelle 1, eine Probenkammer 2, die mit Fenstern 3a und 3b versehen ist, die für diese Infrarotstrahlung durchlässig ist und an den unterschiedlichen Seiten der Kammer einander gegenüberliegend angeordnet sind, sowie Einlass- und Auslassanschlüsse 5 und 6 für eine Gasprobe, ein Wellenrohr 7, einen schmalbandigen Filter 8 sowie einen Infrarotdetektor 9. Die Kammerfenster 3a und 3b oder ein mögliches Einzelfenster sind in entsprechende Fensteröffnungen oder in eine Öffnung eingesetzt, die in der Kammer enthalten ist und die Teile davon bilden. Die Fenster können aus Filtern oder dgl. bestehen, wie in dieser Beschreibung nachfolgend beschrieben. Ein Medium 21, z.B. ein Probengas 21, fließt über die Anschlüsse 5 und 6 durch die Probenkammer 2 und die fließende Gasportion kann entweder ein gesamtes Gasvolumen sein, das an ein in dieser Beschreibung nicht diskutiertes Objekt gebunden ist, oder eine daraus aufgenommene kleine Probe. Die Strahlung stammt aus dieser Infrarotquelle, pflanzt sich über das erste Fenster 3a, durch die Probenkammer 2 und das zu analysierende enthaltene Gas 21 weiter über das zweite Fenster 3b in das Wellenrohr 7, durch den Filter 8 und in den Strahlungsdetektor 9 fort. Die Infrarotquelle umfasst gewöhnlich Glut mit breitem Spektrum, hinter der sich für eine verbesserte Strahlungsleistung ein Reflektor 10 befinden kann. In einer Struktur der Erfindung kann die Strahlungsquelle 1 in Richtung quer zu der oben beschriebenen Strahlungslaufrichtung R breit sein, z.B. gleich oder noch breiter als die Probenkammerweite W, aufgrund des besonderen Wellenrohrs, wobei aber die Verwendung einer kleineren oder punktartigen Strahlungsquelle die Verwendung eines Wellenrohrs 7 ermöglicht, das kürzer ist und/oder das einen verbesserten Arbeitswirkungsgrad hat, der von der Konfiguration abhängig ist. In dieser Erfindung hat die Probenkammer 2 eine Strahlungslaufrichtung R mit kurzer Länge LT, wobei es aber im Falle eines einzelnen Wellenrohrs auch lang sein könnte. Die kurze Probenkammer bezieht sich auf eine Kammer mit einer Länge LT, die zumindest kleiner als das Doppelte ihrer Weite W ist und typischerweise kleiner als die Weite W ist. Die lange Probenkammer, worin die Länge LT mehr als das Doppelte ihrer Weite W enthält, könnte auch als Wellenrohr fungieren, wobei aber gemäß dieser Erfindung das Wellenrohr 7 nicht dazu dient, ein beliebiges Probengas aufzunehmen. Wenn ein Atemgassensor in Frage kommt, beträgt die geeignete Kammerlänge z.B. 3 mm – 10 mm.
  • Die Anästhesiegase, wie etwa Halothan, Enfluran, Isofluran, Sevofluran und Desfluran, werden innerhalb des oben erwähnten Bereichs von 8 μm – 14 μm gemessen, während die Erkennung von Kohlendioxid und von Stickoxidgas allgemein innerhalb des Bereichs von 3,8 μm – 4,2 μm erfolgt. Die Probengaskammerfenster 3a und 3b können aus einem Material hergestellt sein, das für die zu messende Infrarotstrahlung durchlässig ist, wie etwa Calciumfluorid, oder eines oder beide der Fenster können breitbandige Filter sein im Hinblick auf den Durchlass und dazu dienen, die unnötige Strahlung außerhalb des Wellenlängenbereichs zu eliminieren, die das Erhitzen der Detektoranordnung hervorrufen könnte. Das zweite Fenster 3b kann auch ein erforderlicher Filter sein, der für das Wellenlängenband durchlässig ist, wobei es aber allgemein angemessen ist, Filter 8, 8a, 8b, ... 8i ... in jedem Ende 15 oder 16 eines Wellenrohrs 7, 7a, 7b, ..., 7i ... einzubauen, um die Verwendung einer Vielzahl von Wellenlängenbändern zu gestatten, und daher, um eine Mehrzahl von Materialkomponenten aus einem zu untersuchenden Medium zu analysieren.
  • Das Wellenrohr 7 führt die Infrarotstrahlung von ihrem ersten Ende 15, das zu dem Auslassfenster 3b der Probenkammer 2 weist, zu einem Filterdetektorpaar 8, 9 benachbart seinem zweiten Ende. Das Wellenrohr 7 kann bevorzugt ein Loch sein, das in Aluminium gebohrt und geglättet ist, wobei es aber auch aus irgendeinem anderen hochreflektiven Material hergestellt sein kann, wie etwa Kupfer, oder die Wände 17 des Lochs 11 könnten mit einer reflektiven Metallfolie 27 beschichtet sein, wie etwa einer Goldschicht, oder mit einem auf Interferenz basierenden mehrschichtigen Spiegel 27, wie in 3 dargestellt. Das Wellenrohrkörpermaterial 18 kann auch aus einem Polymermaterial, Glas, Mineral oder irgendeinem(r) anderen geeigneten festen Nichtmetall oder -verbindung bestehen. Solche Nichtmetalle und Mineralien können Silicium, Calciumfluorid, verschiedene Boride, Nitride und Oxide etc. sein. Somit ist das Wellenrohr mit einer Umhüllungsoberfläche 17 versehen, die zu seinem Innenhohlraum 11 hin reflektiert, und gegebenenfalls aus einer echten Spiegeloberfläche 27 besteht, oder allgemein definiert, einem Körpermaterial 18, das einen Brechungsindex aufweist, der jenen des Wellenrohrkernabschnitts überschreitet, d.h. das Innere des Lochs 11. Die Wand hat eine Reflektivität, die bei großen Einfallswinkeln leicht in der Größenordnung von 0,9 oder darüber liegt, und daher praktische Verluste minimal sind. In diesem Kontext bezieht sich der Einfallswinkel auf einen Winkel zwischen der Normalen einer Oberfläche und dem einfallenden Strahl, wie dies allgemein im Gebiet der Optik verstanden wird. Das Verhältnis einer Wellenrohrlänge LL zu dessen Durchmesser D, zu einem ersten Enddurchmesser D1, zu einem zweiten Enddurchmesser D2 oder zu einem mittleren Durchmesser DD beträgt zumindest 5, und in einer bevorzugten Lösung dieser Erfindung liegt es in der Größenordnung von 10 – 30. Die Wände haben eine Reflektivität, die in der Praxis die maximale Länge LL auf etwa einen Meter begrenzt, und eine bevorzugte Länge LL liegt in der Größenordnung von 30 – 100 mm. Wenn die Detektorelemente sehr klein gemacht werden können, ist es möglich, noch kürzere Wellenrohre 8 zu verwenden, solange sie relativ zu ihren Querschnittsdimensionen ausreichend lang sind, wie oben beschrieben.
  • Da Polymermaterialien und Glas sowie die meisten Mineralien eine schlechte Lichtreflektion außer für sehr große Einfallswinkel haben, ist es somit sehr leicht, eine Art von Einschränkung für die Winkelverteilung des Lichts zu bewirken, die prinzipiell eine Strahlung mit einer Winkelverteilung von weniger als R +/– 10° akzeptiert, wohingegen die Strahlungsrichtung R in der Hauptrichtung eines Strahls liegt, der durch die Probenkammer und das Wellenrohr hindurchtritt, die die gleiche wie eine beliebige gegebene Richtung der Wellenrohrmittelachse ist und normalerweise orthogonal zum Detektor 9 und der Ebene seines Filters 8 ist. Wenn z.B. das Verhältnis der Rohrlänge zum Durchmesser 20 beträgt, hat die mit Winkeln von R +/– 5° laufende Strahlung eine Transmission in diesem Wellenrohr von etwa 50 %, hat die mit den Winkeln von R +/– 10° laufende Strahlung eine Transmission von 6 % und hat die mit den Winkeln R +/– 20° laufende Strahlung nicht länger mehr als 0,001 %. Es ist bisher bekannt, dass der schmalbandige Interferenzfilter 8 auf den Lichteinfallswinkel empfindlich ist, derart, dass das Transmissionsband oder Durchlassband sich zu einer kürzeren Wellenlänge hin verschiebt, wenn der Einfallswinkel zunimmt, sodass er etwa 10° überschreitet. Dieses Verhalten ist in Gasanalysatoren allgemein nicht erwünscht, da dann das Transmissionsband undefiniert ist und möglicherweise auch unstabil ist und fehlerempfindlich ist. Der Interferenzfilter 8 hat eine Bandbreite, die normalerweise etwa 1 % – 5 % der mittleren Wellenlänge beträgt, und ist auf der Basis von Absorptionspunkten ausgewählt, die durch ein Probengas im Infrarotspektrum erzeugt werden. Wenn somit die Winkelverteilung relativ hoch ist, z.B. R +/– 20°, werden die mit weiten Winkeln ankommenden Strahlen mehrere Male von der Wellenrohrwand 17 reflektiert, und umso häufiger, je weiter der Winkel ist. In dem gerade erwähnten Winkel von +/– 20° wird der Strahl in einem Wellenrohr der Erfindung zumindest drei mal und bevorzugt zumindest vier bis fünf mal für eine wirksame Dämpfung oder Unterdrückung reflektiert. Somit ermöglicht das oben beschriebene unbeschichtete Wellenrohr 7 aus Kunststoff oder Glas einen sehr kleinen Einfallswinkel zu dem Interferenzfilter 8, auch wenn eine großflächige Strahlungsquelle 1 verwendet wird. Andererseits erfordert die Verwendung einer punktartigen Strahlungsquelle 1, die daraus gerichtete Strahlung emittiert, dieses Merkmal eines Wellenrohrs in der gegenwärtig beschriebenen Ausführung der Erfindung kaum.
  • Der Filter 8 kann eine separate Komponente zwischen dem Wellenrohr 8 und dem Detektor 9 aufweisen, könnte aber auch in den Detektor 9 integriert sein, z.B. als strahlungsdurchlässiges Fenster dafür, wie in 2. In jedem Fall erzeugen ein einziger Filter 8 und Detektor 9 zu jeder gegebenen Zeit ein Filterdetektorpaar zum Bereitstellen eines nicht-dispersiven Messverfahrens. Für jedes Filterdetektorpaar 8a und 9a; 8b und 9b; ..., 8i und 9i ... kann der Filter an jedem Ende des Wellenrohrs montiert werden, entweder am der Probenkammer benachbarten Ende 15 oder am dem Detektor benachbarten Ende 16. Der Raum 11 innerhalb des Wellenrohrs 7 besteht normalerweise aus Luft, kann jedoch manchmal zu analysierende Infrarotstrahlung nachteilhaft absorbieren, z.B. wenn es eine große Menge desselben zu messenden Gases in der Probenkammer 2 enthält, oder wenn es eine solche Gaskomponente enthält, die über den gleichen Wellenlängenbereich wie irgendeines der zu analysierenden Gase absorbiert. In diesem Fall kann das Gasvolumen in dem Raum 11 durch Vakuum oder ein solches Gas ersetzt werden, das über ungünstige Wellenlängen nicht absorbiert, oder das Wellenrohrinnere kann mit einem geeigneten Adsorbens versehen werden, wie etwa Silikagel, Zeolith oder Aktivkohle. Wenn Kohlendioxid in Frage kommt, ist es auch möglich, das gut bekannte Calciumhydroxid als Absorbens zu verwenden. Der Innenraum 11 kann auch mit Gas oder einem Gasgemisch versorgt werden, das sich in der Probenkammer als Störkomponente befindet. In diesem Fall arbeitet der Innenraum 11 des Wellenrohrs 7 als eine Art von Infrarotabsorptionsfilter für diese Gaskomponente. In diesen Fällen versucht man, das Wellenrohrinnere 11 so dicht wie möglich abzudichten, und auch denkbar ist es, dass dieses Gas in dem Innenraum bei einem höheren Druck als jenem der Umgebungsluft gehalten wird. In der Praxis kann das Fenster 3b, das in dem Wellenrohr benachbart der Probenkammer 2 enthalten ist, oder ein Filter, der diesem Fenster in einer in den Figuren nicht gezeigten Weise benachbart ist, gleichzeitig das erste Ende 15 eines Wellenrohrs abdichten, und an dem zweiten Ende 16 davon kann der Filter 8 und/oder der Detektor 9 an dem Rohr 11 dicht angebracht und abgedichtet werden. Es versteht sich, dass die Enden 15, 16 des Wellenrohrs 7 auch mit ihren eigenen Infrarotstrahlungsdurchlässigen Fenstern versehen werden können, die, falls gewünscht, auch als Filter dienen können, die unakzeptable Strahlungswellenlängen abblocken, wie oben in Bezug auf die Probenkammerfenster 3a, 3b beschrieben. Optional kann das Wellenrohr auch vollständig offen sein, vorausgesetzt, dass keine äußeren Störungen vorhanden sind.
  • In Bezug auf 1 hat die Wellenrohrinnenoberfläche 17 die Form eines geraden Kreiszylinders. Obwohl das Wellenrohr 7 bevorzugt ein solches zylindrisches Loch umfasst, dessen Durchmesser mit dem Bezugszeichen D bezeichnet ist, könnte es auch ein Hohlraum sein, der zu dem Detektor hin konvergiert, wie in 2 in einer zweiten Ausführung der Erfindung gezeigt. Ein Gedanke dieser Lösung ist eine verbesserte Strahlungssammelleistung. Jedoch überschreitet die Winkelverteilung der Strahlung in der Nähe des Detektors jene, die sich im Falle von 1 herausgestellt hat, d.h. es wird mehr Strahlung auch von anderen Richtungen als der medialen Richtung R empfangen und ist daher nicht nur auf solche Fälle anwendbar, in denen der Filter 8 nicht kritisch von dem Strahlungseinfallswinkel abhängig ist. In der in 3 gezeigten Ausführung divergiert das Wellenrohr 7 zu dem Detektor 9 hin. Hierbei ist die Winkelverteilung in der Nähe des Detektors kleiner als in 1, d.h. Strahlung wird im Wesentlichen nur in der medialen Richtung R orthogonal zum Filter 8 empfangen, wobei aber gleichzeitig der Rohrdurchmesser auf ein solches Ausmaß vergrößert worden ist, dass das Sammeln des gesamten Signals einen größeren Filter 8 und Detektor 9 als zuvor benötigt. In diesen Fällen hat das erste Ende 15 eines Wellenrohrs einen Durchmesser, der mit dem Bezugszeichen D1 bezeichnet ist, und jenen des zweiten Endes, der mit dem Bezugszeichen D2 bezeichnet ist. Der mittlere Durchmesser ist DD, wie schematisch in 3 dargestellt. Die Wellenrohre können auch eine andere Querschnittsform als kreisförmig aufweisen, wobei aber die Kreisform im Hinblick auf den Wirkungsgrad des Strahlungsdurchgangs am meisten bevorzugt ist. Das erste Ende 15 des Wellenrohrs 7 hat eine Querschnittsfläche, d.h. die Querschnittsfläche entsprechend dem Durchmesser D1, die angenähert gleich der Querschnittsaustrittsfläche des zweiten Fensters 3b ist oder kleiner als diese Querschnittsaustrittsfläche.
  • 4 zeigt einen Gassensor, der mit zwei Wellenrohren 7a und 7b versehen ist, und jeweils zwei schmalbandigen Filtern 8a und 8b und zwei Detektoren 9a und 9b, die Filterdetektorpaare 8a, 9a und 8b, 9b aufbauen. Beide Wellenrohre 7a und 7b sind zu einer Infrarotquelle 1 hin oder zumindest zwischen der Quelle und der Mitte einer Probenkammer 2 hin ausgerichtet, wobei die ersten Enden 15 oder Einlassenden beider Wellenrohre 7a und 7b mit im Wesentlichen dem gleichen Flächenquerschnitt des zweiten Fensters 3b ausgerichtet sind, um die gleiche Strahlungsintensität in jedes Wellenrohr und weiter zu dem jeweiligen Filterdetektorpaar zu liefern. Somit liegt zwischen diesen zwei Wellenrohren 7a und 7b ein kleiner Winkel K, dessen Halbierende typischerweise orthogonal zur Ebene des zweiten Fensters 3b ist. Die Wellenrohre 7a, 7b können bevorzugt in der Form zylindrischer Löcher sein, wobei aber auch ein konvergierender oder bzw. ein divergierender Typ, wie in den 2 und 3 gezeigt, möglich ist. Insbesondere in diesem Fall hat die Probenkammer 2 bevorzugt eine kurze Länge LT im Hinblick darauf, die Strahlen für beiden Wellenrohre so genau wie möglich entlang dem gleichen Weg durch die Kammer zu führen. Daher ist der durch Flecken der Kammer 2 hervorgerufene Fehler in beiden Detektoren vergleichbar und somit kompensierbar, ohne einen Fehler in das Messergebnis einzuführen. Daher kann das eine Wellenrohrsystem 12a benutzt werden, um das Signal des anderen Wellenrohrsystems 12b gleichzurichten. In diesem Kontext bezieht sich das Wellenrohrsystem 12 auf eine Einheit, die einen Aufbau umfasst, der aus dem Wellenrohr 7 und dem jeweiligen Filter 8 und Detektor 9 besteht.
  • Wenn man handelsübliche Detektoren 9 verwendet, werden diese in einer TO-5-Kapsel montiert, die einen maximalen Durchmesser von etwa 10 mm hat. Wenn der Abstand zu einer Infrarotquelle 70 mm beträgt, dann liegt ein Winkel K von etwa 8° zwischen den Wellenrohrsystemen 12a und 12b. Wenn die Infrarotquelle 1 in der Nähe der Probenkammer 2 angeordnet ist und die Wellenrohrsysteme 12a und 12b zu demselben Querschnitt in dem Vorderrand der Quelle 1 oder in das Einlassfenster 3a der Probenkammer 2 ausgerichtet sind, haben die Strahlen, die für unterschiedliche Wellenrohrsysteme gebündelt sind, eine Abweichung von etwa 0,4 mm in der Querrichtung W an dem Fenster 3b der Kammer 2, wenn die Kammerlänge LT 3 mm beträgt. Der Fehler, der durch diese kleine Abweichung z.B. in einem Lichtstrahl mit einem Durchmesser von 3 mm hervorgerufen wird, ist vernachlässigbar unter der Annahme, dass das Fenster 3b inhomogen fleckig wird. Der erhaltene Effekt ist noch geringer, wenn die Wellenrohrsysteme 12a und 12b zu der Mitte der Probenkammer 2 hin ausgerichtet sind, wobei aber in diesem Fall die Infrarotquelle 1 partiell abgeschirmt sein kann oder etwas unterschiedliche Teile davon für die verschiedenen Wellenrohrsysteme sichtbar sein können, wobei aber diese Unterschiede ziemlich vernachlässigbar sind. Gerade in dieser Hinsicht wird ein Vorteil durch die Strahlungsquelle 1 erlangt, die eine große Oberflächenausdehnung hat und daher eine diffuse oder Streustrahlung emittiert und durch Wellenrohre der Erfindung und insbesondere durch die divergenzreduzierenden Ausführungen davon, d.h. Kunststoff, Glas oder andere solche unbeschichteten Wellenrohre. Daher beliefert eine oberflächengroße und daher relativ homogene Strahlungsquelle beide Wellenrohre im Wesentlichen immer mit gleicher Strahlung, auch wenn die fokussierenden Oberflächen der Wellenrohre in der Strahlungsquelle 1 nicht exakt gleich sind, sondern stattdessen die Fokussierung auf das zweite Fenster 3b durchgeführt worden ist. Als Vergleich kann angemerkt werden, dass eine ähnliche Fokussierung des zweiten Fensters mit einem Winkel K/2, wenn ein punktartiges gut ausgerichtetes Licht verwendet wird (wie in der Veröffentlichung US-4,722,790) zu einem beträchtlichen Abschirmen der Strahlungsquelle führen würde, da dieser Typ von Strahlungsquelle angenähert keine Intensität über ihre Mittelachse hinaus emittiert. Trotz dieser diffusen Lichtquelle ist das Wellenrohr der Erfindung in der Lage, die Filterdetektorpaare 8a, 9a und 8b, 9b eines Sensors wirksam mit der orthogonalen Richtung zu beliefern. Gemäß 4 münden die Wellenrohre 7a und 7b am Ende 15 benachbart der Probenkammer 2 zusammen. Daher ist der Innenraum 1 der Wellenrohre beiden Zweigen gemeinsam, und daher kann die oben erwähnte mögliche Spezialbehandlung eines Gases leicht ausgeführt werden. Die Wellenrohre 7a und 7b haben Längen, die bevorzugt gleich sind, die aber, falls notwendig, auch gut voneinander unterschiedlich sein könnten, ohne größere Differenzen im Lichtverlust. Es versteht sich, dass die Wellenrohre 7a und 7b unterschiedliche Kapazitäten haben können, wobei aber in diesem Fall der Abstand dazwischen etwas länger ist und die Möglichkeit, vergleichbare Fehler auszugleichen, etwas mehr begrenzt ist.
  • 5 zeigt einen Weg, die Winkelabweichung zu reduzieren, die im vorstehenden Absatz beschrieben ist, und in der Probenkammer 2 vorliegt. In dieser Figur sind die Wellenrohre 7a und 7b nicht gerade, sondern nach außen gekrümmt, und krümmen sich gewöhnlich von der medialen Normalen des zweiten Fensters 2b nach außen. Auf diese Weise wird der Abweichungswinkel relativ zum ersten Ende 15 des Wellenrohrs sehr klein, während man ausreichend Platz für die Filterdetektorpaare 8a, 9b und 8b, 9b bereitstellt. Diese Wellenrohre könnten z.B. durch Gießen oder durch Biegen gerader Rohre hergestellt werden. Die Winkelverteilung des Lichts nimmt an dem Detektor 9 etwas zu, d.h. es kommt mehr Strahlung auch von anderen Richtungen als der medialen Richtung R an, infolge davon, dass die Wellenrohre 7a, 7b gebogen sind, und daher erfordert die Anwendung dieser Ausführung die Verwendung eines derartigen Wellenlängenbandfilters 8a, 8b, der in Abhängigkeit vom Winkel nicht kritisch ist. Wie in Bezug auf die vorstehende Ausführung beschrieben, enthält auch diese Ausführung, die eine Mehrzahl von Wellenrohrsystemen 12a, 12b enthält, nur ein Wellenrohrvolumen 11, sowohl dazu, die Systeme eng zusammenzubringen, im Hinblick darauf, vergleichbare Fehler zu eliminieren, als auch, um eine einfache Gasfilterung zu ermöglichen. In anderen Hinsichten gilt das, was in Verbindung mit der vorstehenden Ausführung beschrieben wurde, auch für diese Ausführung.
  • Die obigen Ausführungen beziehen sich auf die Verwendung von zwei Wellenrohrsystemen. 6 zeigt einen Mehrfachgasanalysator der Erfindung, der sieben Wellenrohrsysteme aufweist, die allgemein mit dem Bezugszeichen 12i bezeichnet sind, wobei i = a ... g, und die entsprechenden Wellenrohre mit dem Bezugszeichen 7i und die Detektoren mit dem Bezugszeichen 9i.
  • Natürlich enthält das System auch einen Filter 8i entsprechend jedem Detektor 9i, wobei diese aber in der Figur nicht sichtbar sind. Eines dieser Systeme 12i kann die vergleichbaren Fehler anderer Systeme kompensieren. Wie in den vorstehenden Ausführungen in Bezug auf eine Mehrzahl von Wellenrohrsystemen hat diese auch alle Wellenrohrsysteme 12i, und daher insbesondere deren Filterdetektorpaare 8a, 9a; 8b, 9b; 8c, 9c ..., die relativ zu der aus dem zweiten Fenster kommenden Strahlung Seite an Seite angeordnet sind, um die aus der Probenkammer 2 gelieferte Strahlung entlang den Wellenrohren 7a; 7b; 7c ... im Wesentlichen gleichartig zu jedem Filterdetektorpaar zu leiten. Die Divergenz der Strahlen, die für die Wellenrohrsysteme an dem Probenkammerfenster 3b gebündelt sind, ist nun etwas größer als in der Anordnung von 4, wobei aber die Fehler auch jetzt nicht sehr signifikant sind. Der Fehler kann durch das Verlängern oder Biegen der Wellenrohre 7i reduziert werden, wenn dies durch die Gesamtgröße eines Analysators zulässig ist. In anderen Hinsichten gilt alles, was in Bezug auf die vorstehenden Ausführungen beschrieben wurde, auch für diese Ausführung. Bevorzugt wird jede Anordnung eines Filters 8i, Wellenrohrs 7 und Detektors 9i zum Analysieren einer Komponente eines Mediums, wie etwa eines Gasgemisches, verwendet, d.h. zum Identifizieren des Typs oder der Qualität der Komponente und/oder zum Bestimmen von deren Konzentration. In diesem Fall kann der Filter an jedem Ende 15 oder 16 eines Wellenrohrs oder in der Mitte eines Wellenrohrs enthalten sein. Natürlich ist es möglich, eine Mehrzahl von Gaskomponenten zu analysieren, indem jedes einzelne Wellenrohr mit einer Mehrzahl von Sensoren und/oder Filtern versehen wird, wie nachfolgend beschrieben wird.
  • Wenn eine Mehrzahl von Filterdetektorpaaren zum Messen vieler unterschiedlicher Gase verwendet werden, bietet diese Anordnung den weiteren Vorteil, dass alle Systeme 12i oder, in einfacheren Fällen, die Systeme 12a und 12b im thermischen Gleichgewicht zueinander stehen, indem sie in Kontakt mit demselben Element 18 stehen. Dieser Vorteil kann durch die Verwendung eines durchgehenden Metallelements 20 oder dgl. herausgehoben werden, um die Detektoren 9a; 9b; 9c ... daran zu befestigen, insbesondere in solchen Fällen, in denen die Wellenrohre 7a, 7b, 7c ... aus Kunststoff oder Glas oder irgendeinem anderen Material mit schlechter thermischer Leitfähigkeit hergestellt sind. Falls erforderlich, können die Detektoren 9 mittels eines in den Figuren nicht gezeigten Thermostaten auf einer konstanten Temperatur gehalten werden. Zusätzlich hierzu empfangen alle Detektoren 9i ein ausreichend kräftiges Signal, und eine Änderung in der Konzentration der Komponenten, die in einer in der Probenkammer 2 enthaltenen Gasprobe enthalten sind, ist in allen Detektoren gleichzeitig. Dies ist bei der Signalverarbeitung besonders wichtig. Schon eine leichte Zeitverzögerung zwischen den einzelnen Detektoren 9i resultiert leicht in einem größeren Fehler in der Konzentration, und sogar die Identifikation einer Gaskomponente könnte fehlerhaft sein.
  • Es versteht sich, dass die oben beschriebenen Ausführungen mittels herkömmlicher Lösungen modifiziert werden können. Somit ist es z.B. möglich, mehrere, z.B. zwei, drei oder vier Filter und jeweilige Detektoren, d.h. Filterdetektorpaare in jeder Detektoreinheit einzubauen, die dem oben beschriebenen Detektor 9 entspricht. Somit könnten die Ausführungen der 4 und 5 vier, sechs oder acht Filterdetektorpaare enthalten. Die in dieser Beschreibung beschriebene Vorrichtung kann zum Analysieren von Gasgemischen verwendet werden, in Bezug auf die Identifikation von Gemischkomponenten, deren Möglichkeit angenommen wird, und/oder zum Bestimmen der Konzentration einer bekannten Gemischkomponente. Die erstere erfolgt durch Auswahl von Transmissionsbändern für die Filter 8 nach Wunsch, und die letztere erfolgt durch Verwendung der Detektoren 9 zum Messen der Absorptionen, die in der Strahlungsintensität aufgetreten sind, d.h. der Intensitäten über bestimmte Wellenlängenbänder und durch Berechnen, auf deren Basis der Konzentration jeder gewünschten Gaskomponente in einem Gasgemisch, in an sich bekannter Weise. Im Prinzip könnte das Wellenrohrinnere 11 aus einem anderen Material als Gas bestehen, ob flüssig oder fest, solange dessen Brechungsindex ausreichend niedriger ist als jener des Wellenrohrkörpers 18 oder der Beschichtung 27 und das Material für die zu messenden Wellenlängen hochdurchlässig ist. Gewöhnlich ist dieser Lösungstyp nicht angemessen.
  • Das in der Probenkammer 2 zu analysierende Medium 21 kann ein Gas, eine Flüssigkeit, ein Dampf oder ein Festmaterial sein. Die Messprozedur ist grundlegend in allen Fällen dieselbe mit der Ausnahme, dass die Behandlung einer sehr hochviskosen Flüssigkeit ihre eigenen speziellen Maßnahmen im Hinblick auf die Struktur und Dimensionierung einer Probenkammer erfordern könnte. Die Analyse eines Festmediums erfordert nicht notwendigerweise eine echte Probenkammer, oder zumindest die Fenster 3a und 3b sind nicht notwendig. Ein Ziel der Erfindung ist es, diese Anwendungen unabhängig davon abzudecken, ob die Ausführung tatsächlich mit massiven Fenstern versehen ist oder nicht. Daher soll der Ausdruck erstes und zweites Fenster auch jede Volumenbegrenzung oder Oberfläche abdecken, die für die gewünschte Strahlung durchlässig ist und an deren anderer Seite eine Strahlungsquelle 1 angeordnet ist oder bzw. ein Wellenrohr 7 zusammen mit dessen Detektor 9. Diese Fenster 3a und 3b können in den Seiten einer Probenkammer 2 einander gegenüberliegend enthalten sein, wie in den in den Figuren gezeigten Ausführungen, oder solche Fenster können in den divergierenden Seiten einer Probenkammer enthalten sein, wobei sich die Strahlung in dieser Probenkammer z.B. mittels einer Spiegeloberfläche fortpflanzt. In diesem Fall könnte die Probenkammer ein Dreieck sein, das im in der Strahlungsfortpflanzungsrichtung gelegten Schnitt rechtwinklig ist und dessen Schenkel Fenster sind und die Hypotenuse eine Spiegeloberfläche ist. Auch sind andere Konfigurationen denkbar. Auch besteht die Möglichkeit, nur ein einzelnes Fenster zu verwenden, das z.B. mit angrenzenden Fensterabschnitten versehen ist, wobei die Strahlung durch den ersten Abschnitt in eine Probenkammer tritt, von der gegenüberliegenden Kammerwand reflektiert wird und durch den zweiten Fensterabschnitt und weiter in das Wellenrohr, den Filter und Detektor oder zu einer Mehrzahl von Filtern, Wellenrohren und Detektoren läuft. Zwischen dem zweiten Fenster oder Fensterabschnitt und dem Wellenrohr und/oder zwischen dem Wellenrohr und dem Detektor kann bzw. können jeweils ein Prisma, Prismen oder eine Faseroptik oder dgl. angebracht sein, um die Richtung eines Strahls oder von Strahlen abzulenken, falls erforderlich, im Hinblick darauf, eine gewünschte Form und Größe für den Messsensor bereitzustellen. In all diesen Konfigurationen ist der Detektor oder sind die Detektoren optisch zu dem zweiten Fenster 3b oder dem zweiten Fensterabschnitt hin ausgerichtet.

Claims (15)

  1. Messsensor für die spektroskopische Analyse von Medien, wobei der Messsensor umfasst: – eine Probenkammer (2) für ein zu analysierendes Medium, wobei die Kammer mit zumindest zwei strahlungsdurchlässigen Fenstern (3a, 3d) oder Fensterabschnitten in Fensteröffnungen versehen ist, die in der Kammer enthalten sind; – eine Strahlungsquelle (1) zum Abgeben von Strahlung, welche sich durch das erste Fenster (3a), die Probenkammer (2) und weiter durch das zweite Fenster (3b) fortpflanzt; – ein oder mehrere Detektoren (9, 9a, 9b), der oder die optisch zu diesem zweiten Fenster oder Fensterabschnitt hin ausgerichtet ist oder sind; – einen optischen Filter (8, 8a, 8b) zwischen der Öffnung des zweiten Fensters und jedem Detektor; sowie – einen Lichtleiter in der Form eines Wellenrohrs (7; 7a, 7b), das zwischen dem zweiten Fenster (3b) oder Fensterabschnitt der Probenkammer und dem Detektor (9, 9a, 9b) angeordnet ist und eine aus festem Material (18) hergestellte Umhüllung aufweist und das mit strahlungsdurchlässigen Enden (15, 16) und einem lichtleitenden Hohlraum versehen ist, der eine strahlungsreflektierende Innenoberfläche (17) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Filter ein Interferenzfilter (8, 8a, 8b) ist, der für ein bestimmtes Wellenlängenband durchlässig ist; dass das reflektierende Umhüllungsmaterial (18) einen Brechungsindex hat, der jenen des Wellenrohrinneren (11) überschreitet, und das Wellenrohr eine Länge (LL) hat, die zumindest das Fünffache seines mittleren Durchmessers (D oder DD) beträgt, um die Strahlung zu leiten, während eine Divergenz der Strahlung von der Kammer entlang dem Wellenrohr reduziert wird, bevor sie den Detektor oder die Detektoren (9, 9a, 9b...) erreicht, wodurch die auf einen Detektor (9, 9a, 9b...) auftreffende Strahlung auf den Interferenzfilter (8, 8a, 8b...) als allgemeiner paralleler Satz von Strahlen fällt, der einen Einfallswinkel auf diesen Filter von weniger als 10° aufweist.
  2. Messsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Filter und Detektoren (8a und 9a; 8b und 9b...) jeweils zumindest zwei beträgt, die paarweise mit einem Filter für einen Detektor angeordnet sind und relativ zur durch das zweite Fenster (3b) abgegebenen Strahlung Seite an Seite angeordnet sind, um die von der Probenkammer (2) abgegebene Strahlung entlang den Wellenrohren (7a, 7b...) im Wesentlichen gleichartig zu jedem der Detektoren zu leiten, und dass die Filter (8a, 8b ..., 8i...), die in den Filterdetektorpaaren enthalten sind, entweder am dem Detektor benachbarten Wellenrohrende (16) oder an dessen der Probenkammer benachbarten Ende (15) oder als ein echtes zweites Fenster (3b), das in die Fensteröffnung der Probenkammer eingesetzt ist, angeordnet sind.
  3. Messsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenrohr (7; 7a, 7b) in seinem Querschnitt zylindrisch ist und in seiner Querschnittsflächenausdehnung angenähert der Austritts- Querschnittsflächenausdehnung des zweiten Fensters (3b) entspricht oder kleiner ist als diese Austritts-Querschnittsflächenausdehnung.
  4. Messsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenrohr (7; 7a, 7b) von dem zweiten Fenster (3b) zu jedem Detektor (9a, 9b) konvergiert, wobei diese Konvergenz durch das Verhältnis der Länge des Wellenrohrs zu dessen Durchmesser begrenzt ist.
  5. Messsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenrohr (7; 7a, 7b) von dem zweiten Fenster (3b) zu jedem Detektor (9a, 9b) divergiert, wobei diese Divergenz durch das Verhältnis der Länge des Wellenrohrs zu dessen Durchmesser begrenzt ist.
  6. Messsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Detektor (9a, 9b) sein eigenes, zumindest teilweise separates Wellenrohr (7a, 7b) zugeordnet ist, wobei jedes davon Strahlung von dem zweiten Fenster (3b) zu dem einen oder den mehreren Detektoren leitet, und dass diese Längen (LL) separater Wellenrohre einen Winkel (K) relativ zueinander bilden, wobei die Winkelhalbierende orthogonal zur Ebene des zweiten Fensters (3b) ist.
  7. Messsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Detektor (9a, 9b) sein eigenes, zumindest teilweise separates Wellenrohr (7a, 7b) zugeordnet ist, und dass diese Längen (LL) separater Wellenrohre im Verlauf von dem zweiten Fenster (3b) zu jedem Detektor (9) hin von der zum zweiten Fenster normalen Mediane auswärts gekrümmt sind.
  8. Messsensor nach einem der vorhergenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (LL) des Wellenrohrs (7; 7a, 7b) zumindest das Fünffache im Vergleich zu dessen maximalem Durchmesser (D; D1 oder D2) beträgt, und bevorzugt das Verhältnis der Wellenrohrlänge (LL) zu dem mittleren Durchmesser (D oder DD) in der Größenordnung von 10 – 30 liegt und dass die Wellenrohrmittellinie im Wesentlichen orthogonal zur Ebene des Interferenzfilters (8, 8a, 8b...) ist.
  9. Messsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenrohr (7; 7a, 7b) aus einem in festem Material (18) hergestellten Loch (11) besteht, das mit einer Innenoberfläche (17) versehen ist, die strahlungsreflektierend poliert ist und die zu dem Detektor (9a, 9b) hin ausgerichtete Enden (15, 16) enthält, und dass das feste Material ein Metall oder ein festes Nicht-Metall oder irgendein Polymermaterial, Glas, Mineral oder dergleichen aufweist, das einen Brechungsindex hat, welcher jenen des Wellenrohrinneren (11) wesentlich überschreitet.
  10. Messsensor nach Anspruch 1 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen (11), welches durch das Loch des Wellenrohrs (7; 7a, 7b) gebildet ist, ein Gas oder Gasgemisch mit einem niedrigeren Druck als jenem der Umgebungsluft, ein Gas oder Gasgemisch oder irgendein anderes Medium bei höherem Druck als jenem der Umgebung enthält; und dass das Gas oder Gasgemisch Luft, irgendein anderes Gas oder Gasgemisch enthält, oder das Medium in dem Wellenrohr das Gas oder Medium enthält, das als Störkomponente in einem zu analysierenden Gasgemisch oder Medium enthalten ist und das in der Probenkammer enthalten ist.
  11. Messsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Messsensor mit einer Mehrzahl von Filtern und Detektoren (8a und 9a; 8b und 9b...) als Kombinationen versehen ist, um den Typ einer Mehrzahl von Komponenten, die in einem zu analysierenden Medium enthalten sind, zu identifizieren und/oder deren Konzentration zu bestimmen, und dass alle Detektoren (9a, 9b, 9c...) mit demselben Element (18 oder 20) in Eingriff stehen, das eine hohe thermische Leitfähigkeit hat, um die Detektoren auf einer konstanten, bei Bedarf geregelten Temperatur zu halten.
  12. Messsensor nach Anspruch 1 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Eintrittsende (15) des Wellenrohrs (7; 7a, 7b) entsprechend jedem Detektor im Wesentlichen auf den gleichen Oberflächenbereich des zweiten Fensters (3b) oder des ersten Fensters (3a) oder der Strahlungsquelle (1) fokussiert ist, um die gleiche Strahlungsintensität in jedes Wellenrohr und weiter zu dem Detektor (9, 9a, 9b) einzuleiten.
  13. Messsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierende Umhüllungsoberfläche (17) des Wellenrohrs bzw. der Wellenrohre (7, 7a, 7b) aus einer Interferenzspiegelbeschichtung oder dergleichen (27) besteht und dass das Durchlassband eines Interferenzfilters (8, 8a, 8b...) vorgesehen ist, um eine vorbestimmte Komponente des Probenmediums zu analysieren.
  14. Messsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Richtung quer zur Hauptlaufrichtung (R) der Strahlung die Strahlungsquelle (1) eine Oberflächenausdehnung aufweist, die angenähert gleich der Oberflächenausdehnung des ersten Fensters (3a) der Probenkammer (2) ist.
  15. Verfahren für die spektroskopische Analyse von Medien mittels eines Messsensors umfassend: – ein Probenvolumen (2) eines zu analysierenden Mediums (21), wobei das Volumen zumindest zwei Oberflächenabschnitte (3a, 3b) enthält, die für die verwendete Strahlung durchlässig sind; und – eine Strahlungsquelle (1 ), die eine Strahlung abgibt, welche sich fortpflanzt: – durch den ersten Oberflächenabschnitt (3a), das Probenvolumen (2) und weiter den zweiten Oberflächenabschnitt (3b), – durch einen Lichtleiter in der Form eines Wellenrohrs (7; 7a, 7b), das hinter dem Probenvolumen angeordnet und mit einem lichtleitenden Hohlraum (11) versehen ist, der eine Innenoberfläche (17) aufweist, die Strahlung zum Inneren des Rohrs hin reflektiert, – durch einen bzw. mehrere optische(n) Filter (8, 8a, 8b), der bzw. die zwischen dem zweiten Oberflächenabschnitt und jedem Detektor sitzt bzw. sitzen, und weiter – zu einem oder einer Mehrzahl von Detektoren) (9, 9a, 9b), der oder die optisch zu diesem zweiten Oberflächenabschnitt hin ausgerichtet ist oder sind, dadurch gekennzeichnet, dass hinter dem zweiten Oberflächenabschnitt (3b): – erlaubt wird, dass sich die Strahlung durch das zumindest eine Wellenrohr (7, 7a, 7b...) hindurch fortpflanzt, worin ein die reflektierende Innenoberfläche (17) des Wellenrohrs bildendes Material (18) einen Brechungsindex aufweist, der jenen des Wellenrohrhohlraums (11) überschreitet; – wobei jener Anteil der Strahlung, der einen kleineren Einfallswinkel zu der Innenoberfläche und eine Winkelverteilung hat, die einen Winkel von ± 20° in Bezug auf die Mittelachse des Wellenrohrs (7, 7a, 7b...) überschreitet, von der Innenoberfläche (17) des Wellenrohrs in der Fortpflanzungsrichtung der Strahlung zumindest dreimal reflektiert wird, um das Einleiten dieses divergierenden oder streuenden Strahlungsanteils in den Detektor (9, 9a, 9b...) zu reduzieren; – wobei erlaubt wird, dass der Rest der Strahlung, der größere Einfallswinkel jeweils zu der Innenoberfläche aufweist, sich durch den optischen Filter fortpflanzt, der einen Wellenlängenband durchlässigen Interferenzfilter (8, 8a, 8b...) entweder stromauf oder stromab des Wellenrohrs aufweist; und – schließlich erlaubt wird, dass die gefilterte Strahlung auf den jeweiligen Detektor auftrifft, um ein elektrisches Signal im Hinblick auf eine weitere Verarbeitung desselben zu erzeugen.
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