DE69723891T2

DE69723891T2 - Photoakustische Vorrichtung und Verfahren zur Feststellung mehrerer Gase

Info

Publication number: DE69723891T2
Application number: DE69723891T
Authority: DE
Inventors: Andrew R. Wood; Thomas M. Rezachek; Rudy R. Hegel
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1996-12-31
Filing date: 1997-11-21
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2017-11-22
Also published as: EP1111367A3; DE69706438T2; EP0950179A1; DE69706438D1; JP2001507798A; EP1111367B1; US5933245A; WO1998029733A1; DE69723891D1; EP1111367A2; EP0950179B1

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft die fotoakustische oder optoakustische Spektroskopie und insbesondere Anwendungen, bei denen zwei oder mehr Gase oder Dämpfe in einer Mischung gemessen werden.
Die fotoakustische Messung basiert auf der Tendenz von Molekülen, wenn sie bestimmten Frequenzen von Strahlungsenergie (z. B. Infrarotstrahlungsenergie) ausgesetzt werden, die Energie zu absorbieren und höhere Niveaus der molekularen Vibration und Drehung zu erreichen, um dadurch eine höhere Temperatur und einen höheren Druck zu erreichen. Wenn die Strahlungsenergie amplitudenmoduliert wird, erzeugen die resultierenden Fluktuationen der für die Absorption verfügbaren Energie entsprechende Temperatur- und Druckfluktuationen. Mit einem empfindlichen Mikrofon kann man ein elektrisches Ausgangssignal erzeugen, das die Druckfluktuationen darstellt. Die Amplituden des akustischen Signals und des resultierenden elektrischen Ausgangssignals sind proportional zu der Intensität der Strahlung und dem Konzentrationswert des absorbierenden Gases. Bei gegebener konstanter Amplitude der Strahlungsenergiebeleuchtung kann folglich das elektrische Ausgangssignal mit der Modulationsfrequenz detektiert werden, um einen zu einer absorbierenden Menge des Gases proportionalen Konzentrationswert zu erhalten. Außerdem kann der Benutzer durch die proportionale Beziehung mit der Lichtquellenintensität die Empfindlichkeit steigern, indem er die Lichtquellenintensität vergrößert. Die Einrichtungen eignen sich also gut für die Messung kleiner Konzentrationswerte von Gasen (im ppm-Bereich) insbesondere im Vergleich zu Sensoren, die eine Messung der ausgesendeten Strahlungsenergie verwenden.
Es sind vielfältige dieser Einrichtungen bekannt, siehe z. B. die US-Patente Nr. 4,557,603, 4,818,882 und 4,866,681. Die Einrichtungen haben mehrere Komponenten gemeinsam. Insbesondere erzeugt ein Laser oder eine andere Energiequelle Strahlungsenergie, die entweder thermisch (Leistung ein/aus) oder mit einer Zerhackereinrichtung moduliert wird. Die modulierte Energie wird einer Zelle zugeführt, die ein Gas oder eine Gasmischung enthält, das bzw. die die Strahlungsenergie absorbiert, was zu Temperaturfluktuationen in dem Gas führt, die der Modulationsfrequenz folgen. Die Temperatur wird nicht direkt erfaßt. Stattdessen erfaßt ein empfindliches Mikrofon in der Zelle Druckfluktuationen, die die Temperaturfluktuationen begleiten. Das Mikrofonausgangssignal wird mit der Modulationsfrequenz detektiert, um ein zu der Gaskonzentration proportionales elektrisches Signal zu erhalten.
Häufig müssen die Konzentrationen zweier oder mehrerer Gase in einer Gasmischung bestimmt werden. Obwohl dies mit zwei oder mehr Meßsystemen erreicht werden könnte, wobei jeweils eines jedem studierten Gas zugeordnet ist, würde ein gemeinsames Benutzen von Komponenten zwischen mehreren Systemen wahrscheinlich die Kosten verringern. Folglich gab es mehrere Vorschläge für die Verwendung einer einzigen fotoakustischen Zelle, um zwei oder mehr Gase zu erkennen.
Zum Beispiel ist aus dem US-Patent Nr. 4,818,882 eine perforierte Scheibe mit drei Filteröffnungssätzen mit verschiedenen Abständen zwischen benachbarten Öffnungen bekannt, zum gleichzeitigen (1) Auffiltern von Infrarotlicht in verschiedene Wellenlängen „die von N₂O, CO₂ bzw. Narkosemitteln absorbiert werden"; und (2) Modulieren der Wellenlänge bei drei verschiedenen Frequenzen. Den verschiedenen Gasen entsprechende Signale werden angeblich durch eine elektrische Filtrierung des Mikrofonsignals getrennt.
Aus dem US-Patent Nr. 4,557,603 ist ein mechanischer Lichtmodulator und ein Monochromator mit verschiedenen Interferenzfiltern bekannt, die angeblich eine gleichzeitige getrennte Erkennung mehrerer Komponenten einer Gasmischung ermöglichen. Es wird angegeben, daß die Störung durch Messungen durch andere Gaskomponenten zum großen Teil beseitigt werden kann, indem mehrere Schmalbandfilter verwendet werden, die für die Maxima oder Flanken des gemessenen Gases oder der störenden Komponenten ausgelegt sind. Konzentrationen verschiedener Komponenten sind angeblich aus den mit den verschiedenen Schmalbandfiltern durchgeführten Messungen bestimmbar, wobei diese Filter sukzessive in den Weg der Strahlen eingeführt werden.
Ein Nachteil dieser Systeme ist die Notwendigkeit, die Strahlungsenergie in extrem schmalen Bändern bereitzustellen. Dies erfordert entweder Laser zur Erzeugung von Energie oder Geräte, die dafür ausgelegt sind, sukzessive verschiedene Schmalbandfilter in den Lichtweg zwischen der Quelle und der fotoakustischen Zelle einzuführen. Beide Ansätze tragen zu den Kosten des Systems bei. Außerdem ist es innerhalb der Einschränkungen dieser Systeme schwierig, zwischen zwei Gasen mit sich überlappenden oder zusammenfallenden Absorptionsbändern zu unterscheiden oder das Vorhandensein eines unbekannten absorbierenden Gases zu bestimmen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist deshalb die Gewährleistung der gleichzeitigen Messung von zwei oder mehr Gasen durch: Verwendung gemeinsam benutzter Komponenten, z. B. einer einzigen fotoakustischen Zelle, eines einzigen Mikrofons und eines einzigen Verstärkers; Vermeidung der Notwendigkeit, Strahlungsenergie ausschließlich als monochromatische Strahlung zu erzeugen; und Verwendung keiner beweglichen Teile.
Eine andere Aufgabe ist die Bereitstellung der Fähigkeit zur getrennten Messung der Konzentrationswerte mehrerer Gase mit Absorptionslinien oder -bändern, die sich überlappen oder miteinander zusammenfallen können, oder der Erkennung des Vorhandenseins eines anderen Gases, dessen Absorptionsbänder oder -linien sich mit denen der mehreren Gase, deren Messung erwünscht ist, überlappen oder mit diesen zusammenfallen können.
Eine andere Aufgabe besteht darin, daß der Sensor zuverlässiger wird, indem Konzentrationswerte bezüglich der Effekte veränderlicher Temperatur, veränderlichen Luftdrucks und veränderlicher Höhen der installierten Sensoren in Bezug auf den Meeresspiegel korrigiert werden.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung liefert eine fotoakustische Zelle nach Anspruch 1.
Die Zelle kann die Merkmale eines beliebigen oder mehrerer der abhängigen Ansprüche 2 bis 6 enthalten.
Um diese und andere Aufgaben zu lösen, wird ein fotoakustisches Gasmeßsystem bereitgestellt. Das System enthält eine Strahlungsenergiequelle zum Erzeugen von Strahlungsenergie in einer ersten bzw. zweiten Frequenzbandbreite. Die Quelle liefert die Strahlungsenergie an eine Meßregion, die von einer Gasmischung eingenommen wird, die erste und zweite verschiedene Gase enthält. Ein Modulationsmittel moduliert die Strahlungsenergie mit einer ersten und einer zweiten Modulationsfrequenz, die der ersten bzw. der zweiten Frequenzbandbreite zugeordnet sind, um die Strahlungsenergie in Form eines ersten und eines zweiten modulierten Energiesignals bereitzustellen. Ein Wandlermittel des Meßbereichs empfängt gleichzeitig das erste und das zweite modulierte Energiesignal; und erzeugt als Reaktion ein Wandlersignal. An das Wandlermittel ist ein Detektiermittel angekoppelt, um das Wandlersignal zu detektieren, um ein Detektorausgangssignal zu erzeugen, das eine erste Signalkomponente bei der ersten Modulationsfrequenz und eine zweite Signalkomponente bei der zweiten Modulationsfrequenz umfaßt. Ein Signalverarbeitungsmittel ist angekoppelt, um das Detektorausgangssignal zu empfangen, und kombiniert die erste und die zweite Signalkomponente einzeln mit vorbestimmten Konstanten auf der Grundlage der Strahlungsenergieabsorptionseigenschaften des ersten und des zweiten Gases, um einen ersten und einen zweiten Konzentrationswert zu erzeugen, die jeweils eine Konzentration des ersten Gases und eine Konzentration des zweiten Gases in dem Meßbereich angeben.
Vorzugsweise enthält das Verarbeitungsmittel einen digitalen Speicher zum Speichern der vorbestimmten Konstanten. Zur Bestimmung der Konzentrationen zweier Gase werden bis zu sechs Konstanten gespeichert. Die Konstanten a, b, c und d betreffen die Tendenz jedes des ersten und des zweiten Gases, einzeln Energie in jeder der ersten und der zweiten Frequenzbandbreite zu absorbieren. Weitere Konstanten e und f betreffen die Tendenz der Zellenwände und -fenster, Energie in der ersten und der zweiten Frequenzbandbreite zu absorbieren. Dann werden die Detektorsignale dem Verarbeitungsmittel als binäre Signale zugeführt. Eine Verarbeitungsschaltung in dem Verarbeitungsmittel kombiniert die Konstanten a–d und die Detektorsignale, um den ersten und den zweiten Konzentrationswert gemäß den folgenden Gleichungen zu berechnen: X = dS1 – bS2 – de + bf/da – bc; und Y = aS2 – cS1 – af + ec/da – be;
Dabei ist S₁ das erste Detektorsignal, S₂ das zweite Detektorsignal, X der dem ersten Gas zugeordnete Konzentrationswert und Y der dem zweiten Gas zugeordnete Konzentrationswert.
Die Konstanten werden in einer Kalibrationsprozedur erhalten, die bekannte Konzentrationen des ersten und des zweiten Gases verwendet.
Die Konstanten unterscheiden sich voneinander auf eine Weise, die die eindeutigen Absorptionsfähigkeitseigenschaften jedes Gases wiedergibt. Genauer gesagt weisen Strahlungsenergieabsorptionsspektren von Gasen in der Regel schmale Bänder hoher Absorptionsfähigkeit auf, die durch Regionen mit wesentlich niedrigerer Absorptionsfähigkeit voneinander beabstandet sind. Jedes Gas hat sein eigenes eindeutiges Spektrum, d. h. ein Muster von Bereichen mit hoher Absorptionsfähigkeit und niedriger Absorptionsfähigkeit innerhalb eines gegebenen Bereichs von Strahlungsenergiewellenlängen.
Dieser Ansatz erfordert nicht, daß alle Konstanten a–f dieselbe Auswirkung oder auch nur eine wesentliche Auswirkung auf die Bestimmung von X und Y haben. Zum Beispiel kann eine der Konstanten a–d vernachlässigbar sein und in den obigen Gleichungen als Null behandelt werden, falls eine der ersten und der zweiten Frequenzbandbreiten schmal ist, oder falls eines des ersten und des zweiten Gases in einer der ersten und der zweiten Frequenzbandbreiten trotz seiner Breite vernachlässigbar Energie absorbiert. Eine der Konstanten e und f oder beide können vernachlässigbar sein und als Null behandelt werden, falls die Zellenstruktur in der ersten und/oder der zweiten Frequenzbandbreiten nur wenig oder gar keine Energie absorbiert. Ungeachtet solcher Fälle spielen häufig alle Konstanten a–f eine wesentliche Rolle bei der Bestimmung der Konzentrationswerte X und Y.
Die beiden obigen Gleichungen werden dafür verwendet, auf zwei Unbekannte aufzulösen, und erlauben somit eine gleichzeitige Bestimmung zweier Gaskonzentrationswerte. Der Ansatz erfordert nur eine Zelle, ein Mikrofon, einen Verstärker, einen digitalen Prozessor und benötigt keine beweglichen Teile. Dieselben Signalverarbeitungsschaltkreise behandeln alle ankommenden Signale. Der zusammengesetzte Beitrag getrennter Gase wird berücksichtigt. Deshalb müssen keine präzisen und schmalen separaten Bandbreiten für getrennte Gase erzeugt werden, um zu versuchen, zu gewährleisten, daß jedes der Gase nur eine der zur Bestimmung der Konzentrationen verwendeten Frequenzbandbreiten absorbiert. Eine dieser Bandbreiten oder beide können wesentlich breiter ausgeführt werden und die Bandbreiten können sich sogar überlappen (obwohl sie nicht identisch sein dürfen), da es nicht notwendig ist, eine gegebene Bandbreite für die Absorption durch nur eines der Gase zu isolieren. Jede Bandbreite sollte so gewählt werden, daß sie grob mit den Absorptionsbändern jedes Gases, das gemessen werden soll, zusammenfällt. Die Verwendung breiterer Wellenbänder erhöht die Empfindlichkeit und verringert gleichzeitig die Kosten. Die Bandbreiten müssen nicht mit Bändern mit besonders hoher Absorptionsfähigkeit der beteiligten Gase zusammenfallen. Sie können jedoch ohne einen Fehler zu verursachen zusammenfallen.
Ein weiterer Vorteil, der sich aus der beteiligten Kalibration und Verarbeitung ergibt, besteht darin, daß Strahlungsenergie mit einer dritten Frequenzbandbreite, die mit einer dritten Modulationsfrequenz moduliert wird, mit bis drei weiteren Konstanten, die durch Kalibration bestimmt und gespeichert werden, bereitgestellt werden kann. Dann kann das Wandlersignal bei der dritten Modulationsfrequenz detektiert werden, um ein drittes Detektorausgangssignal zu erzeugen. Die resultierenden neun Konstanten können zur verbesserten Zuverlässigkeit zur redundanten Berechnung der Konzentrationswerte des ersten und zweiten Gases verwendet werden. Als Alternative können Differenzen zwischen redundanten Bestimmungen der Konzentrationswerte zur Bestimmung des Vorhandenseins eines unbekannten Gases verwendet werden. Gemäß einer weiteren Alternative, werden durch Kalibration drei weitere Konstanten bestimmt und gespeichert und die resultierenden zwölf Konstanten zum Finden von Konzentrationswerten dreier verschiedener Gase verwendet.
Im Einklang mit der Bevorzugung einer Verarbeitung digitaler Daten zur Bestimmung von Konzentrationswerten, kann das Detektionsmittel analog/digital-Umsetzer enthalten, so daß die Detektorausgangssignale digitale Werte sind. Der Detektor enthält außerdem ein Taktmittel, um sicherzustellen, daß die Detektorausgangssignale phasengleich zueinander sind.
Strukturelle Komponenten des fotoakustischen Meßsystems können innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung variiert werden. Zum Beispiel kann die Strahlungsenergiequelle zwei oder mehr Emitter kohärenter Infrarotenergie mit den verschiedenen Frequenzbandbreiten umfassen. Als Alternative werden ein oder mehrere Breitbandquellen in Kombination mit zwei oder mehr Filtern verwendet. Das Modulationsmittel kann eine oder mehrere Scheiben zwischen der Quelle und der Meßregion enthalten, wobei jede Scheibe Öffnungen aufweist und drehbar ist, um die Strahlungsenergie bei einer gewählten Modulationsfrequenz alternativ durchzulassen und abzublocken. Wenn die Quelle zwei oder mehr Emitter enthält, können die Emitter thermisch moduliert werden.
Das bevorzugte Wandlermittel umfaßt eine die Gasmischung enthaltende Zelle. Mindestens ein Teil der Zellenwand ist gegenüber Strahlungsenergie in der ersten und der zweiten Energiebandbreite transparent, um sicherzustellen, daß immer dann, wenn die Zelle Energie in jeder Bandbreite ausgesetzt wird, Absorption stattfindet. Ein Teil der Zellenwand kann außerdem gasdurchlässig sein.
Bestimmte Optionen werden bevorzugt, um einen zuverlässigen Betrieb über große Zeitspannen und über einen Bereich von Betriebstemperaturen und Umgebungsdrücken sicherzustellen. Der Langzeitbetrieb wird durch Bereitstellen eines Lichtsensors in der Nähe der Strahlungsenergiequelle verbessert. Der Sensor kann entweder zum Auslösen einer Einstellung für die IR-Quelle zur Aufrechterhaltung einer gleichförmigen Intensität oder zum Regeln einer Eingabe für den digitalen Prozessor zur Kompensation einer Änderung (typischerweise einer Abnahme) der Quellenintensität verwendet werden.
Für eine verbesserte Leistung über einen großen Temperaturbereich hinweg, kann in der Nähe des Mikrofons ein Temperatursensor angeordnet werden, um den Effekten der Mikrofontemperaturempfindlichkeit entgegenzuwirken. Das Sensorausgangssignal kann zur Steuerung eines Heizelements in der Nähe des Mikrofons verwendet werden, so daß das Mikrofon auf einer gleichförmigen Temperatur gehalten wird. Als Alternative kann das Sensorausgangssignal dem digitalen Prozessor zugeführt werden, um die Effekte von Änderungen der Mikrofontemperatur zu korrigieren.
Für eine verbesserte Leistung über einen Bereich von Sensororten (genauer gesagt Höhen über dem Meeresspiegel), Umgebungslufttemperaturen und Umgebungsdrücken, kann ein Drucksensor und ein Temperatursensor verwendet werden, um dem digitalen Prozessor Signale zuzuführen, die jeweils proportional zu dem Umgebungsdruck und der Umgebungstemperatur sind, um so Konzentrationsmaße bereitzustellen, die im Hinblick auf die Effekte der Sensorhöhe, Änderungen des Luftdrucks und Änderungen der Umgebungstemperatur korrigiert sind.
Folglich wird weiterhin gemäß der vorliegenden Erfindung ein fotoakustisches Gasmeßsystem bereitgestellt, das eine Strahlungsenergiequelle zum Erzeugen von Strahlungsenergie und zum Abgeben der Strahlungsenergie an einen Meßbereich, der von einer Gasmischung eingenommen wird, enthält. Das System enthält weiterhin ein Modulationsmittel zum Modulieren der Strahlungsenergie, um dem Meßbereich Strahlungsenergie als ein moduliertes Energiesignal zuzuführen. Ein Wandlermittel in dem Meßbereich empfängt das modulierte Energiesignal und erzeugt als Reaktion ein Wandlersignal. An das Wandlermittel ist ein Detektionsmittel angekoppelt und detektiert das Wandlersignal, um ein Detektorausgangssignal bei der Modulationsfrequenz zu erzeugen. Ein in der Nähe des Meßbereichs angeordneter Sensor erkennt eine Umgebungsbedingung und erzeugt ein Sensorausgangssignal, das von der Umgebungsbedingung abhängt. Ein Signalverarbeitungsmittel, das so gekoppelt ist, daß es das Detektorausgangssignal und das Sensorausgangssignal empfängt, erzeugt einen Konzentrationswert, der eine Gaskonzentration in dem Meßbereich angibt, der in bezug auf Schwankungen der Umgebungsbedingung korrigiert ist.
Die Umgebungsbedingung kann der Luftdruck, die Umgebungstemperatur oder beides sein. In diesem letzteren bevorzugten Fall befinden sich in dem Meßbereich ein Temperatursensor und ein Drucksensor und liefern jeweils temperaturempfindliche und druckempfindliche Signale an das Signalverarbeitungsmittel.
Als eine weitere Option kann die Zelle aus einer Wand zusammengesetzt sein, die völlig aus gasdurchlässigem Material besteht, das außerdem gegenüber Strahlungsenergie in dem ersten und dem zweiten Frequenzband transparent ist. In dieser Struktur bildet ein gasdurchlässiger und strahlungsenergiedurchlässigar Polymer die gesamte Zellenwandstruktur, statt lediglich gas- und energiedurchlässige Fenster durch in einem strukturellen Material, wie zum Beispiel Aluminium, ausgebildete Fenster bereitzustellen. Das Ergebnis ist eine erhöhte Effizienz aufgrund der größeren Oberfläche von durchlässigem Material für eine Zelle eines gegebenen Volumens, wodurch Gase besser durch die Zellenwand durchgelassen werden und ein höherer Anteil der Strahlungsenergie in die Zelle durchgelassen wird. Außerdem ist die Zelle weniger teuer, aufgrund von Reduktionen der Material- und Herstellungskosten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann man also mit einer einzigen fotoakustischen Zelle gleichzeitig die Konzentrationen zweier oder mehrerer Gase bestimmen, indem das Wandlersignal auf eine Weise verarbeitet wird, die den Beitrag jedes Gases zu den Druckfluktuationen berücksichtigt. Ein einziges Wandlersignal, das als Funktion der kumulativen Druckfluktuationen erzeugt wird, wird bei denselben Modulationsfrequenzen detektiert, die bei dar Beleuchtung der Zelle mit verschiedenen Strahlungsenergiebandbreiten verwendet werden. In der Regel wird jedes der resultierenden Detektorsignale von allen untersuchten Gasen beeinflußt. Wenn die Detektorsignale in Verbindung mit vorbestimmten Konstanten und auf die oben beschriebene Weise verarbeitet werden, ist das Ergebnis eine Menge von Werten, die einzeln den einzelnen Gasen in der Mischung zugeordnet sind.
ZEICHNUNGEN
Für ein weiteres Verständnis dieser und anderer Merkmale und Vorteile wird auf die folgende ausführliche Beschreibung und auf die Zeichnungen bezug genommen. Es zeigen:
1 eine Diagrammansicht eines fotoakustischen Gasmeßsystems, das gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
2 ein Impulsdiagramm von Signalen in verschiedenen Stufen in dem Gesamtsystem;
3 eine perspektivische Ansicht einer fotoakustischen Wandlerzelle des Systems;
4 eine schematische Ansicht einer digitalen Verarbeitungseinrichtung des Systems;
5 eine Diagrammansicht eines gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebauten fotoakustischen Gasmeßsystems in einer alternativen Ausführungsform;
6 eine schematische Ansicht einer alternativen Ausführungsform einer Quelle von modulierter Strahlungsenergie zur Verwendung in jedem fotoakustischen System; und
7 eine Draufsicht im Schnitt einer alternativen Ausführungsform einer fotoakustischen Wandlerzelle, die in jedem der Systeme verwendbar ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nunmehr mit Bezug auf die Zeichnungen ist in 1 ein fotoakustisches Gasmeßsystem 16 zum Messen von Gasen in einer gewählten Meßregion gezeigt. Das System ist so ausgelegt, daß es gleichzeitig die Konzentrationswerte zweier verschiedener Gase bestimmt, und verwendet zu diesem Zweck (a) eine Strahlungsenergiequelle, die Strahlungsenergie in zwei verschiedenen Frequenzband breiten liefert, die mit zwei verschiedenen Frequenzen moduliert wird; (b) eine einzige Wandleranordnung, die als Reaktion auf den Empfang der Strahlungsenergie ein analoges elektrisches Ausgangssignal erzeugt; und (c) Signalverarbeitungsschaltkreise, die das analoge elektrische Signal detektieren und analysieren, um zwei Ausgangssignale zu erzeugen, die dem Konzentrationswert jedes Gases entsprechen.
Genauer gesagt enthält die Strahlungsenergiequelle zwei beabstandete Niederleistungslampen (z. B. 0,5 W) oder Emitter 18 und 20, die vorzugsweise im Infrarotbereich Breitbandstrahlungsenergie erzeugen. An den Emitter 18 ist eine Steuerung 22 angekoppelt. Gesteuert durch ein digitales Zeitsteuerungseingangssignal 24 moduliert die Steuerung 22 den Emitter 18 thermisch, d. h. aktiviert und deaktiviert zyklisch den Emitter 18 mit einer ersten Modulationsfrequenz von z. B. etwa 10 Hz. Ähnlich ist der Emitter 20 an eine Steuerung 26 angekoppelt, die von einem Zeitsteuerungseingangsignal 28 gesteuert wird. Die Steuerung 26 moduliert thermisch den Emitter 20 gemäß einer zweiten Modulationsfrequenz, die von der ersten Modulationsfrequenz verschieden ist; z. B. etwa 8 Hz. Die erste und die zweite Modulationsfrequenz sind in 2 bei 29 und 31 gezeigt. Die beiden Modulationsfrequenzen sollten nicht Oberschwingungen voneinander sein und sollten nicht extrem nahe beieinander liegen. 2 zeigt den Umstand, daß die Modulationsfrequenzen verschieden sind, und soll nicht genau ein Verhältnis oder auch nur eine Beziehung zwischen diesen Frequenzen zeigen.
Ein Sensor 30 erzeugt ein Ausgangssignal 32 als Funktion der Amplitude der Infrarotenergie aus dem Emitter 18. Ähnlich erzeugt ein Sensor 34 als Reaktion auf den Emitter 20 ein Ausgangssignal 36. Die Sensorausgangssignale können dazu verwendet werden, der Tendenz der Emitter 18 und 20, Infrarotenergie mit einer Intensität zu erzeugen, die allmählich über die Zeit hinweg abnimmt, entgegenzuwirken oder diese zu kompensieren. Allgemeiner ausgedrückt kann man mit den Ausgangssignalen 32 und 36 jede Änderung der Strahlungsenergieintensität kompensieren oder dieser entgegenwirken.
Die Eingangssignale 32a und 36a für die Steuerungen 22 und 26 veranschaulichen die Benutzung der Ausgangssignale 32 und 36 zur Einstellung der Leistung für die Emitter 18 und 20 z. B. durch Vergrößern der Leistung für einen Emitter als Reaktion auf eine Messung einer Abnahme der Intensität oder Amplitude der emittierten Energie. Dadurch wird besser sichergestellt, daß die Emitter 18 und 20 über eine große Zeitspanne hinweg Energie mit gleichförmigen Intensitäten aussenden. Als Alternative können die Sensorausgangssignale einem Mikroprozessor zugeführt werden, wie in 1 bei 32b und 36b angegeben. Die Eingangssignale 32b und 36b für den Mikroprozessor stellen sicher, daß berechnete Gaskonzentrationswerte eine Kompensation von Änderungen der Emitterintensität wiedergeben.
Die Wirksamkeit, mit der ein Gas Strahlungsenergie absorbiert, fluktuiert beträchtlich mit der Strahlungsfrequenz der Energie. Die Energieabsorption durch ein bestimmtes Gas über ein Frequenzspektrum hinweg enthält in der Regel schmale Bänder oder Linien hoher Absorptionsfähigkeit, die durch Frequenzbänder mit wesentlich niedrigerer Absorptionsfähigkeit voneinander getrennt sind. Jedes Gas hat ein einzigartiges Absorptionsfähigkeitsspektrum. Folglich können fotoakustische Systeme durch Anpassen der Strahlungsenergiefrequenzen an die untersuchten Gase verbessert werden. Zu diesem Zweck läßt ein in der Nähe dass Emitters 18 angeordnetes Filter 38 die Strahlungsenergie nur in einem etwas verschmälerten Wellenband bzw, einer ersten Frequenzbandbreite durch. Ähnlich läßt ein Filter 40 in der Nähe des Emitters 20 Energie nur in einer zweiten Frequenzbandbreite durch, die von der ersten Frequenzbandbreite verschieden ist. Die erste und die zweite Frequenzbandbreite, die beide in dem Infrarotbereich liegen, können sich überlappen, dürfen aber nicht identisch sein. Jede Frequenzbandbreite sollte so gewählt werden, daß sie grob mit den stärksten Absorptionsbändern jedes zu messenden Gases übereinstimmt. Im Fall von Wasserdampf (Feuchtigkeit) und Kohlendioxid (CO₂) kann die erste Frequenzbandbreite einen Bereich von etwa 1 bis etwa 5 Mikrometer enthalten, der gut der Wasserdampfabsorption entspricht, und die zweite Frequenzbandbreite kann einen Bereich von etwa 4 bis etwa 5 Mikrometer enthalten, der gut der Kohlendioxidabsoption entspricht.
Bei einem konkreten Beispiel enthielt ein Sensor pur Messung der Konzentration von Kohlendioxid und der Luftfeuchtigkeit die folgenden Energiequellen und Filter zur Bereitstellung der verschiedenen Wellenbänder mit niedrigen Kosten: eine Blitzlampe mit einem Glas-IR-Filter zur Bereitstellung einer ersten Frequenzbandbreite hoher Intensität von etwa 0,5 Mikrometer bis etwa 5,0 Mikrometer; und eine Blitzlampe und ein Glasfilter in Kombination mit einem weiteren IR-Filter, das aus mehreren abwechselnden Schichten aus Germanium und Siliciumdioxid, abgelagert auf Silicium, besteht. Diese Kombination liefert eine zweite Frequenzbandbreite niedrigerer Intensität von etwa 1,2 Mikrometer bis etwa 4,0 Mikrometer und relativ hoher Intensität von etwa 4,0 Mikrometer bis etwa 5,0 Mikrometer.
Ein auf die Infrarotenergie reagierender Wandler, in der Regel eine fotoakustische Zelle 42, ist so angeordnet, daß er gefilterte Energie aus beiden Emittern 18 und 20 empfängt. In jedem Fall stellt die in der Zelle 42 empfangene Energie das Ausgangssignal des Emitters dar, das durch die zugeordnete Steuerung moduliert und durch das zugeordnete Filter bezüglich des Frequenzbereichs (oder Wellenlängenbereichs) verschmälert wird. Die Zelle 42 empfängt also Energie in Form jeweiliger amplitudenmodulierter Energiesignale 44 und 46 (siehe 2). In jedem der Signale 44 und 46 ist die Frequenz des Trägers wesentlich höher als die Modulationsfrequenz, insbesondere um etwa zwölf Größenordnungen oder mehr. Folglich geben die zusammengesetzten oder modulierten Signale genau ihre zugeordneten Modulationssignale wieder.
Die fotoakustische Zelle 42 ist in 3 ausführlicher gezeigt. Die Zelle 42 hat eine Wandstruktur vorzugsweise aus Aluminium oder einem anderen Metall, die einen im allgemeinen würfelförmigen Meßbereich oder eine Volumen von etwa einem cm³ umschließt. Die Wandstruktur enthält getrennte im allgemeinen planate Teile, wobei die Seitenwandteile 48 und 50 und ein Oberwandteil 52 in der FIG. sichtbar sind. Die Öffnungen 54 und 56 durch die Wandteile 48 und 50 sind mit einem für Infrarotstrahlung transparentem Material, z. B. Glas, abgedeckt. Andere Wahlmöglichkeiten sind z. B. Germanium und Saphir. Eine Öffnung 58 durch den Oberwandteil 52 wird von einer porösen Membran aus Papier, einem porösen Metall oder einem Polymer, das bzw. der gasdurchlässig ist, abgedeckt. Nach einer kurzen Zeit (etwa 5 Minuten) in einer gegebenen Umgebung stimmt somit das Meßvolumen in der Zelle von in der Regel etwa einem Kubikzentimeter im wesentlichen mit den Eigenschaften der Gasmischung in dem umgebenden Umfeld überein.
Ein für akustische Signale empfindlicher Detektor, d. h. ein Elektretmikrofon 60, ist in einem Unterwandteil angebracht und ist dem Zelleninneren ausgesetzt und weist außerdem ein Abschlußende 62 auf, das sich unter der Zelle nach außen erstreckt. Zusammen wirken die Zelle 42 und das Mikrofon 60 als ein Wandlermittel zur Erzeugung eines analogen elektrischen Ausgangssignals als Reaktion auf den gleichzeitigen Empfang modulierter Energiesignale 44 und 46.
Während Gase im Inneren der Zelle die ankommende Strahlungsenergie absorbieren, erfahren kurzgefaßt einzelne Moleküle eine erhöhte Drehung und Vibration und die Kollisionen zwischen Molekülen nehmen zu. Diese Aktivität manifestiert sich als eine Temperaturzunahme, und da das Gas im wesentlichen in dem Meßvolumen enthalten ist, auch als eine Druckzunahme. Da die Infrarotenergie als zwei amplitudenmodulierte Signale empfangen wird, fluktuieren die Temperatur und der Druck in der Zelle. Die Druckfluktuationen erzeugen ein akustisches Signal, das von dem Mikrofon 60 empfangen wird, um das analoge elektrische Ausgangssignal zu erzeugen. Ein Verstärker 64 (1) verstärkt das Mikrofonausgangssignal, um ein schematisch in 2 gezeigtes Wandlersignal 66 zu erzeugen. Aufgrund der beteiligten verschiedenen Modulationsfrequenzen ist das Wandlersignal eine Kombination von Signalen an beiden Modulationsfrequenzen.
Das verstärkte Wandlersignal wird einem Detektor 68 zugeführt. Ein Zeitsteuerungseingangssignal 69 steuert die Detektion gemäß den Modulationsfrequenzen, wie in 2 digital bei (f) und (g) dargestellt. Der Detektor erzeugt eine digitale Darstellung des Wandlersignals. Die digitale Darstellung enthält jeweilige Signalkomponenten bei der ersten und der zweiten Modulationsfrequenz. Diese digitale Darstellung wird einem digitalen Prozessor, d. h. einem Mikroprozessor 84, zugeführt. Der Mikroprozessor berechnet digital den Betrag der Amplitude jeder modulierenden Frequenzkomponente durch einen lock-in-Algorithmus und mittelt die resultierenden Amplituden für eine gewählte Zeitspanne (etwa eine Minute), um Rauschen zu glätten.
Wie in 4 zu sehen ist, enthält der Mikroprozessor Verarbeitungsschaltkreise 86 und einen Speicher 88. Der Speicher speichert sechs Konstanten a–f. Die Konstanten werden durch Kalibrieren der fotoakustischen Zelle 42 in bezug auf das Paar zu messender Gase und mit Bezug auf die die Zelle beleuchtende erste und zweite Frequenzbandbreite erhalten. Bei der Kalibration wird die Zelle jeweils mit der ersten und der zweiten Frequenzbandbreite beleuchtet, wenn die Zelle bekannte Konzentrationen der untersuchten Gase und ein inaktives Gas enthält, das in bezug auf Nichtabsorptionsfähigkeit der bestimmten Frequenzbandbreite gewählt wird, z. B. Stickstoff. Die resultierende Konstante „a" gibt die Tendenz des ersten Gases wieder, Infrarotenergie in dir ersten Frequenzbandbreite zu absorbieren. Die Konstante „b" gibt die Tendenz des zweiten Gases wieder, Energie in der ersten Frequenzbandbreite zu absorbieren; und die Konstanten „c" und „d" geben jeweils die Tendenzen des ersten und des zweiten Gases wieder, Energie in der zweiten Frequenzbandbreite zu absorbieren. Wenn eine Frequenzbandbreite eine schmale Bandbreite ist oder wenn ein Gas in einer Strahlungsbandbreite eine vernachlässigbare Absorption aufweist, können eine oder mehrere der obigen Konstanten einen vernachlässigbaren Wert aufweisen oder null sein. Die Konstante „e" ist ein fester Offsetwert, der den Umstand berücksichtige, daß die Wände und Fenster der fotoakustischen Zelle 42 Energie in der ersten Frequenzbandbreite absorbieren. Ähnlich berücksichtigt die Konstante „f" eine solche Absorption von Energie in der zweiten Frequenzbandbreite.
Der Detektor 68 liefert ein Ausgangssignal bzw. zusammengesetztes Signal 80, das Komponenten mit beiden Modulationsfrequenzen enthält, aufgrund der Absorption von Energie in beiden Infrarotwellenbändern durch bei je Gase. Dieses Phänomen wird durch die folgenden Gleichungen dargestellt: S1 = aX + bY + e, und S2 = cX + dY + f.
Dabei ist S₁ die Signalkomponente mit der ersten Modulationsfrequenz, S₂ die Signalkomponente mit der zweiten Modulationsfrequenz, „X" ist der Konzentrationswert des ersten Gases und „Y" der Konzentrationswert des zweiten Gases. Wenn diese Gleichungen auf die jeweiligen Konzentrationswerte aufgelöst werden, erhält man X = dS1 – bS2 – de + bf/da – be; und Y = aS2 – cS1 – af + ec./da – be
„X" und „Y" sind also Werte, die jeweils die Konzentrationswerte des ersten und des zweiten Gases in der Zelle 42 angeben. Die Werte „X" und „Y" können einfach als Zahlen angegeben werden, die proportional zu ihren jeweiligen Absorptionsmengen sind, oder sie können in andere Konzentrationsmaße umgewandelt werden.
Die Verarbeitungsschaltung 86 erzielt eine Manipulation des Detektorsignals 80, die dem Lösen der obigen Gleichungen äquivalent ist. Zusammen mit dem Empfangen der Detektorsignale als Eingangsignale holt die Verarbeitungsschaltung die Konstanten a–f. Die Verarbeitungsschaltung wird von einem Zeitsteuerungseingangssignal 90 gesteuert, das aus derselben Taktquelle abgeleitet wird, die die anderen Zeitsteuerungseingangssignale bestimmt, um Phasenkohärenz sicherzustellen. Außerdem empfängt die Verarbeitungsschaltung Sensorausgangssignale 32 und 36 (angegeben bei 32b und 36b), um Amplitudendifferenzen zwischen den Emittern 18 und 20 zu berücksichtigen und um eine etwaige Verminderung der Amplitude jedes Emitters zu korrigieren. Als Alternative werden die Ausgangssignale als Steuersignale (32a und 36a) bereitgestellt, um die Amplituden der Emitter auf konstanten Werten zu halten.
Der Ausdruck „Konzentrationswert" soll hier ein gemessenes Signal bedeuten, das der Anzahl von Gasmolekülen in der Gaszelle entspricht. Der Konzentrationswert hängt nicht nur von der Gaskonzentration ab, sondern kann sich mit Änderungen der Umgebungstemperatur und des Umgebungsdrucks ändern. Der Ort der fotoakustischen Zelle 42 (insbesondere irre Höhe in bezug auf den Meeresspiegel) beeinflußt den Druck aufgrund der Tendenz des Luftdrucks, mit zunehmender Höhe abzunehmen. Folglich wird es notwendig, Konzentrationswerte in bezug auf Temperatur- und Druckdifferenzen zu korrigieren. Um eine Umwandlung von Konzentrationswerten X und Y in Konzentrationsmaße abhängig von der Lufttemperatur und dem Druck zu ermöglichen, erzeugt ein Lufttemperatursensor 76 ein Signal 78 (1), und der Luftdrucksensor 79 erzeugt ein Signal 82. Die Signale 78 und 82 werden dem Mikroprozessor 84 als Eingangssignale zugeführt. Somit stellen die Prozessorausgangssignale 92 und 94 die jeweiligen Konzentrationsmaße dar, d. h. die in bezug auf Umgebungstemperatur und -druck (einschließlich Höhe) korrigierten Konzentrationswerte. Die Konzentrationsmaße können einem Videoterminal, einem Drucker oder einem anderen Peripheriegerät (nicht gezeigt) zugeführt werden, um lesbare praktische Maße im Hinblick auf ppm oder relative Feuchtigkeit zu liefern. Außerdem können die Konzentrationsmaße einer Einrichtung zum Auslösen eines Alarms als Reaktion auf eine unerwünscht hohe Konzentration jedes Gases zugeführt werden.
Das Mikrofon 60 reagiert auf Temperaturänderungen. Wenn erwartet wird, daß das System 16 über einen großen Temperaturbereich hinweg arbeitet, wird diese Empfindlichkeit folglich entweder durch Aufrechterhalten einer im wesentlichen konstanten Mikrofontemperatur nullifiziert oder wird in dem Mikroprozessor 84 kompensiert.
Zur Zeit ist der bevorzugte Ansatz, eine konstante Mikrofontemperatur aufrechtzuerhalten. Zu diesem Zweck wird in der Nähe des Mikrofons und vorzugsweise in der fotoakustischen Zelle ein Temperatursensor 70 angebracht, obwohl sich der Sensor 70 auch außerhalb der Zelle befinden kann, wie in 1 und 3 gezeigt. Ein Temperatursensorausgangssignal 72 wird einem Heizelement 74 in der Nähe des Mikrofons mit der Bezugszahl 72a zugeführt, so daß eine Regelung zum Halten des Mikrofons 60 auf einer gewählten Temperatur bereitgestellt wird. Das Ansprechverhalten von Gasen in der Zelle 42 auf das Heizelement ist vernachlässigbar; d. h. das Mikrofon 60 wird erhitzt, ohne einen Fehler in die Konzentrationswerte einzuführen.
Als eine geeignete Alternative wird das Sensorausgangssignal 72 dem Mikroprozessor 84 als ein Eingangssignal 72b der Verarbeitungsschaltung 86 zugeführt. Folglich werden die Prozessorausgangssignale 92 und 94 so erzeugt, daß durch Temperatur verursachte Veränderungen der Mikrofonempfindlichkeit kompensiert werden. Anhand der weiteren Eingangssignale aus dem Temperatursensor 76 und dem Drucksensor 79 für den Mikroprozessor werden die Ausgangssignale 92 und 94 erzeugt, um auch Fluktuationen von Umgebungsbedingungen zu korrigieren.
Ein wesentliches Merkmal des Detektionssystems 16 besteht darin, daß ein einziges Wandlerausgangssignal, das darauf basiert, daß eine Zusammensetzung zweier verschiedener Gase auf zwei verschiedene Strahlungsenergieeingaben reagiert, verarbeitet wird, um zwei getrennte Konzentrationswerte zu ergeben, die jeweils mit einem der untersuchten Gase zusammenhängen. Es ist nicht notwendig, die erste und die zweite Frequenzbandbreite auf sehr schmale, sich gegenseitig ausschließende Frequenzbereiche zu begrenzen, wobei jeder Bereich speziell auf eine Absorption ausschließlich durch eines der beteiligten Gase hin abgestimmt ist. Ein solcher Idealfall läßt sich nur schwierig erzielen oder angehen, da jedes Gas dazu tendiert, Strahlung in der „ausschließlich" für das andere Gas gewählten Bandbreite zu absorbieren.
Bei der vorliegenden Erfindung wird diese Tendenz berücksichtigt, anstatt sich zu bemühen, sie zu vermeiden. Da die Strahlungsenergiebandbreiten nicht so strikt eingegrenzt und schmal sein müssen, können erstens wesentlich billigere Strahlungsenergieemitter verwendet werden. Obwohl zwei verschiedene Konzentrationswerte erhalten werden, erhält man sie aus demselben Mikrofonausgangssignal unter Verwendung derselben Verarbeitungsschaltkreise. Ein weiterer Vorteil ist die erhöhte Empfindlichkeit, die sich daraus ergibt, daß die Strahlungsenergie in breiteren Frequenzbandbreiten bereitgestellt wird. Schließlich ergibt sich eine größere Flexibilität, da sich die verschiedenen Infrarotfrequenzbänder überlappen können, bis zu dem Punkt, daß sie sich eines oder mehrere der Bänder hoher Absorptionsfähigkeit der beteiligten Gase teilen. Zusammenfallende Absorptionslinien führen nicht zu einem Fehler.
Das Berücksichtigen der Tendenz jedes Gases, das Ansprechverhalten der anderen Gase gegenüber ankommender Strahlungsenergie zu beeinflussen, gewährt weitere Vorteile, wenn eine fotoakustische Zelle mit drei oder mehr verschiedenen Frequenzbandbreiten der Strahlungsenergie beleuchtet wird. 5 zeigt ein fotoakustisches Detektionssystem 96, in dem drei Laser 98, 100 und 102 Infrarotenergie in drei kohärenten Frequenzbandbreiten (oder Wellenlängen) erzeugen. Folglich besteht keine Notwendigkeit einzelner Filter, wie zum Beispiel 38 und 40 des Systems 16. In dem System 96 wird die Strahlungsenergie nicht thermisch, sondern mechanisch moduliert. Insbesondere sind zwischen einer fotoakustischen Zelle 110 und den Lasern 98, 100 und 102 Scheiben 104, 106 bzw. 108 angeordnet. Die Scheiben weisen regelmäßig beabstandete Öffnungen auf, wie zum Beispiel aus dem obenerwähnten US-Patent Nr. 4,818,882 bekannt ist. Wenn jede der Scheiben gedreht wird, wird folglich Energie aus ihrem zugeordneten Laser mit einer Modulationsfrequenz, die von der Plattendrehgeschwindigkeit abhängt, „zerhackt" oder moduliert.
Die Zelle 110 enthält ein Mikrofon 112 zum Erzeugen eines analogen elektrischen Ausgangssignals, das durch einen Verstärker 114 verstärkt wird. Das Verstärkerausgangssignal wird zur Detektion des Analogsignals bei den drei verschiedenen Modulationsfrequenzen einem Detektor 116 zugeführt, um so ein Detektorausgangssignal 122 an einen Mikroprozessor 128 auszugeben.
Der Mikroprozessor 12B enthält Schaltkreise zur Berechnung des Betrags der Amplitude jeder Modulationsfrequenzkomponente des Signals 122.
Der Mikroprozessor enthält eine Prozessorschaltung 130 und einen Speicher 132, im wesentlichen ähnlich ihren Gegenstücken in dem Mikroprozessor 84. Der Speicher 132 speichert jedoch neun Konstanten a–i, wobei die zusätzlichen Konstanten g, h und i auf den jeweiligen Tendenzen des ersten Gases, des zweiten Gases und der Zellenstruktur, Energie in der dritten Frequenzbandbreite zu absorbieren, basieren.
Die zusätzliche Strahlungsenergiebandbreite und Modulationsfrequenz ermöglichen eine redundante Messung und Verarbeitung, um drei Gleichungen für den Konzentrationswert „X" und drei Gleichungen für den Konzentrationswert „Y" zu erhalten. Die redundanten Berechnungen liefern eine Prüfung an den Anfangsberechnungen für verbesserte Zuverlässigkeit.
Als Alternative kann man Differenzen zwischen den Konzentrationswerten verwenden, um das Vorhandensein eines unbekannten Gases zu bestimmen, das ungleiche Beiträge zu den getrennten Detektorsignalen verursacht:. Die Kalibration geschieht wie oben erläutert, wobei der einzige Unterschied die zusätzlichen Kalibrationen sind, die der dritten Frequenzbandbreite zugeordnet sind.
Als eine weitere Option kann das System 96 im Hinblick auf drei verschiedene Prüfgase kalibriert werden, um zwölf Konstanten a-1 zu liefern, die zusammen die Tendenz jedes der drei Gase und der Zellenstruktur, Energie in jeder der drei Frequenzbandbreiten zu absorbieren, wiedergeben. Obwohl die betreffenden Gleichungen und die resultierenden Prozessorschaltkreise (oder die resultierende Programmierung) etwas komplexer sind, sind die oben besprochenen Vorteile im Vergleich zu dem Zweigassystem ausgeprägter.
6 zeigt und alternative Strahlungsenergiequelle, die eine einzige Lampe oder einen einzigen Breitbandemitter 134 in Kombination mit zwei Filtern 136 und 138 und zwei Scheiben oder Zerhackern 140 und 142 verwendet. Die Filter 136 und 138 lassen wie ihre Gegenstücke 38 und 40 in dem System 16 Licht aus dem Emitter 134 jeweils als erste und zweite verschiedene Frequenzbandbreiten durch. Die Scheibe 140 moduliert Energie in der ersten Frequenzbandbreite mit einer ersten Modulationsfrequenz, und die Scheibe 142 moduliert Energie an der zweiten Frequenzbandbreite mit einer zweiten Modulationsfrequenz, die von der ersten verschieden ist. Spiegel oder andere Komponenten sind geeignet angeordnet, um sicherzustellen, daß eine fotoakustische Zelle 144 nur die Zusammensetzung von Energie in der ersten Frequenzbandbreite, moduliert mit der ersten Modulationsfrequenz, und Energie in der zweiten Frequenzbandbreite, moduliert mit der zweiten Modulationsfrequenz, empfängt. Die Verstärkung und Verarbeitung des Wandlersignals signalabwärts stimmt im wesentlichen mit der in Verbindung mit System 16 beschriebenen überein.
7 zeigt eine alternative optoakustische oder fotoakustische Gaszelle 146 zur Verwendung in dem System 16 oder in dem System 96, und eine Strahlungsenergiequelle in der Nähe der Zelle. Die Strahlungsenergiequelle enthält eine Breitbandlampe bzw. einen Breitbandemitter 148 und ein Infrarotfilter 150 zwischen dem Emitter 148 und der Zelle 146. Der Emitter sendet vorzugsweise Infrarotenergie mit einer Wellenlänge von etwa 4,2 Mikrometer aus. Ein Siliciumsensor 152 erzeugt als Reaktion auf die Amplitude der Strahlungsenergie aus dem Emitter 148 über ihr vollständiges Wellenlängenband hinweg ein Ausgangssignal.
Die fotoakustische Zelle 146 besteht aus im allgemeinen flachen Wandteilen, die zusammen ein kubisches Meßvolumen von etwa einem Kubikzentimeter einschließen. Die Zelle ist im Schnitt dargestellt, um vier der Wandteile zu zeigen; die drei Seitenwandteile 154, 156 und 158 und einen oberen Wandteil 160. Den Boden vier Zelle 146 bildet ein Elektretmikrofon 162, das mit einem Haftmittel 164 an den Seitenwänden befestigt ist.
Die obere Wand und die Seitenwände werden völlig aus einem Polymer (z. B. Methacrylat) gebildet, das für Infrarotstrahlung und außerdem gasdurchlässig ist. Insbesondere sind die Wandteile für Kohlendioxid und Wasserdampf durchlässig. Den Wandteilen 154, 156, 158 und 160 wird eine Dicke (vorzugsweise weniger als 0,5 mm) zugegeben, die mit einem angemessenen strukturellen Halt vereinbar ist. Außerdem können einzelne Wandteile mit verschmälerten Teilen ausgestattet werden, wie bei 166 in Verbindung mit dem Wandteil 154 dargestellt, um das Durchlassen der Infrarotenergie in die Zelle zu verbessern. Obwohl nur eine solche Verschmälerung in Verbindung mit einem einzigen Infrarotemitter gezeigt ist, versteht sich, daß zwei oder mehr solche Teile und Emitter zur Messung von zwei oder mehr Gasen bereitgestellt werden können.
Da sie völlig aus Methacrylat oder einem anderen Polymermaterial konstruiert ist, kann die fotoakustische Zelle 146 durch einen Formprozeß hergestellt werden, wodurch die Herstellungskosten im Vergleich mit einer Aluminiumzelle verringert werden. Bei den polymerischen Wandteilen fehlt das Reflexionsvermögen von Aluminiumwandteilen. Für eine bevorzugtere Konstruktion, die den Polymer verwendet und doch ein erhöhtes Reflexionsvermögen aufweist, können die polymerischen Wandteile wie bei 168 gezeigt metallisiert werden, z. B. durch Aufdampfen, Oberflächensprayen oder Anbringen einer Metallfolie. Die Wandteile werden nicht vollständig bedeckt. Stattdessen wird eine Maskierung oder ein Folienschnitt verwendet, um definierte gasdurchlässige und strahlungsdurchlässige Fenster 170 zurückzulassen, die aus dem Polymer bestehen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können gleichzeitig mit einer einzigen fotoakustischen Zelle zwei oder mehr Gase gemessen werden, ohne daß die Strahlungsenergie auf zu schmale Bandbreiten begrenzt werden muß, wobei tatsächlich eine verbesserte Empfindlichkeit bereitgestellt wird, da die jeweiligen Bandbreiten breiter sein können und sich überlappen dürfen. Es wird ein einziges Ausgangssignal des fotoakustischen Wandlers bei den verschiedenen Modulationsfrequenzen detektiert, an denen die verschiedenen Strahlungsenergiefrequenzbandbreiten in Phasenkohärenz moduliert werden, um zwei oder mehr Detektorsignale zu erzeugen. Obwohl jedes der Detektorsignale von mehr als einer der Strahlungsenergiefrequenzbandbreiten beeinflußt werden kann, werden die Detektorsignale zusammen mit vorbestimmten Konstanten verarbeitet, um getrennte Konzentrations- werte zu erhalten, die jeweils einzeln einem untersuchten Gas zugeordnet sind. Außerdem können Signale, die die Umgebungstemperatur und den Umgebungsdruck darstellen, verarbeitet werden, um in Bezug auf Variationen der Umgebungstemperatur und des Drucks korrigierte Konzentrationswerte zu erhalten. Die fotoakustische Zelle kann durch Strahlungsenergie in einem weiteren Frequenzband, das mit einer weiteren Modulationsfrequenz moduliert wird, beleuchtet werden, um entweder redundante Konzentrationswerte bereitzustellen, eine Messung eines zusätzlichen bekannten Gases zu ermöglichen oder um das Vorhandensein eines unbekannten Gases in der fotoakustischen Zelle zu bestimmen.

Claims

Fotoakustische Zelle zur Verwendung bei der Bestimmung von Gaskonzentrationen, umfassend: ein im wesentlichen durchgängiges Wandmittel zum Definieren und im wesentlichen Einschließen einer Meßkammer, wobei das Wandmittel im wesentlichen vollständig aus einem gasdurchlässigen Material besteht, das für Strahlungsenergie transparent ist; einen akustischen Wandler zum Erzeugen von elektrischen Signalen als Reaktion auf akustische Signale, wobei der akustische Wandler einen druckempfindlichen Teil zum Empfangen von akustischen Signalen und zum Bereitstellen der entsprechenden elektrischen Signale an einem Ausgangsanschluß davon enthält; ein Zustandserfassungsmittel zum Erfassen eines Umgebungszustands in der Nähe der Meßkammer; ein Temperaturerfassungsmittel zum Erzeugen eines temperaturabhängigen Ausgangssignals, wodurch das Temperaturerfassungsmittel mit einem Temperaturregelmittel zusammenwirkt, um einen gewählten Teil der Zelle auf einer im wesentlichen konstanten Temperatur zu halten; und ein Mittel zum Anbringen des akustischen Wandlers in Bezug auf das Wandmittel, um den Wandler mit dem druckempfindlichen Teil in der Kammer zu positionieren, während der Ausgangsanschluß außerhalb der Kammer positioniert wird.
Zelle nach Anspruch 1, wobei das Temperaturerfassungsmittel in der Nähe des akustischen Wandlers in der Zelle befestigt ist und wobei sich das Zustandserfassungsmittel außerhalb der Zelle befindet.
Zelle nach Anspruch 2, wobei das Wandmittel mehrere im allg emeinen flache Wandsegmente enthält, die miteinander verbunden sind, um eine im wesentlichen würfelförmige Kammer zu definieren.
Zelle nach Anspruch 3, wobei mindestens einer der Wandteile einen Peripheriebereich mit einer ersten Dicke und einen Innenbereich mit einer zweiten Dicke, die kleiner als die erste Dicke ist, enthält, um die Durchlässigkeit von Strahlung in die Kammer zu verbessern.
Zelle nach Anspruch 2, wobei das Wandmittel im wesentlichen aus Methacrylat besteht.
Zelle nach Anspruch 2, weiterhin umfassend: eine reflektierende Metallschicht, die an einer Innenfläche des Wandmittels angebracht ist, wobei die reflektierende Metallschicht einen ersten Teil der Innenfläche bedeckt, aber einen zweiten Teil der Innenfläche freiläßt, wodurch das Wandmittel neben dem ersten Teil der Innenfläche eine erhöhte Reflektivität, eine verminderte Gasdurchlässigkeit und eine verminderte Transparenz für Strahlungsenergie aufweist.