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INSTRUMENTARIUM
CORPORATION
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Erfindung wird nun im Detail in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben.
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1 zeigt
die einfachste Ausführung
für einen
Messsensor der Erfindung.
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2 – 3 zeigen
zwei weitere Ausführungen
für einen
Messsensor der Erfindung.
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4 zeigt
eine dritte Ausführung
für einen Messsensor
der Erfindung, der zwei Filterdetektorpaare enthält.
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5 zeigt
eine vierte Ausführung
für einen Messsensor
der Erfindung, der zwei Filterdetektorpaare sowie gekrümmte Wellenrohre
enthält.
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6 zeigt
eine fünfte
Ausführung
für einen Messsensor
der Erfindung, der sieben Filterdetektorpaare für die Analyse einer Mehrzahl
von Gaskomponenten enthält.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.