EP2834607A1 - Device and method for fast recording of an absorption spectrum of a fluid - Google Patents

Device and method for fast recording of an absorption spectrum of a fluid

Info

Publication number
EP2834607A1
EP2834607A1 EP13716250.9A EP13716250A EP2834607A1 EP 2834607 A1 EP2834607 A1 EP 2834607A1 EP 13716250 A EP13716250 A EP 13716250A EP 2834607 A1 EP2834607 A1 EP 2834607A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
radiation
fabry
spectral range
etalon
detector
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP13716250.9A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Ralf Buchtal
Peter Dreyer
Livio Fornasiero
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Draegerwerk AG and Co KGaA
Original Assignee
Draeger Medical GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=48095823&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=EP2834607(A1) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by Draeger Medical GmbH filed Critical Draeger Medical GmbH
Publication of EP2834607A1 publication Critical patent/EP2834607A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3504Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J3/26Generating the spectrum; Monochromators using multiple reflection, e.g. Fabry-Perot interferometer, variable interference filters
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28Investigating the spectrum
    • G01J3/42Absorption spectrometry; Double beam spectrometry; Flicker spectrometry; Reflection spectrometry
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28Investigating the spectrum
    • G01J3/42Absorption spectrometry; Double beam spectrometry; Flicker spectrometry; Reflection spectrometry
    • G01J3/433Modulation spectrometry; Derivative spectrometry
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/06Illumination; Optics
    • G01N2201/061Sources
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/06Illumination; Optics
    • G01N2201/066Modifiable path; multiple paths in one sample
    • G01N2201/0662Comparing measurements on two or more paths in one sample
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/06Illumination; Optics
    • G01N2201/068Optics, miscellaneous

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for on ⁇ taking an absorption spectrum of a fluid having a first radiation source which emits radiation in a first spectral region along a first beam path, having disposed in said first beam path first measurement path along which the radiation through the fluid enters , having disposed in said first beam path tunable Fabry-Perot interferometer, which can transmit as a displaceable Bandpassfil ⁇ ter radiation in the first spectral range and a first detector for measuring the intensity of the radiation in the first spectral range and a method for receiving a Absorption spectrum of a fluid.
  • the concentration of the anesthetic gases used in the breath or in the control of drivers of the alcohol content in the respiratory air is measured, for example, in anesthetized Pati ⁇ often ducks in each breath.
  • concentration of the respective components spectrometric methods are used. As a rule, signals are recorded and compared with references using discrete filters in wavelength bands in which the gases exhibit absorptions. From the change of the signals at these wavelengths, which are characterizedis ⁇ table for a particular gas, thus it can be concluded in the breathing air on the concentration of the gas.
  • a number of devices are known from the prior art with which the concentration of selected constituents of a fluid or of a fluid can be determined by absorption measurements at selected wavelengths or over a spectral range. of a gas, such as breathing gas.
  • Such devices have a radiation source which emits radiation over a selected, continuous spectral range.
  • an optical bandpass filter hereinafter referred to as a filter, arranged, which restricts the spectrum of the radiation to a wavelength for a component of the gas whose concentration is to be measured is characteristic.
  • the intensity of the radiation after it has passed through the filter and the measurement distance measured by ei ⁇ nem suitable detector From the attenuation of the intensity compared to a reference measurement in a reference fluid in which the concentration of the constituent is known, it is now possible to deduce the concentration of the constituent in the fluid.
  • a private geeigne ⁇ tes filter must be used for each component.
  • the various filters are arranged on a so-called filter wheel.
  • a filter wheel is a rotating ⁇ de disk that moves the filter in quick succession in the beam path between the radiation source and detector.
  • a complete absorption spectrum can be recorded using a tunable Fabry-Perot interferometer be as described in DE 10 2006 045 253 B3.
  • a tunable Fabry-Perot interferometer is arranged in the beam path between radiation source and detector instead of the filter.
  • a Fabry-Perot interferometer is an arrangement that has two partially transparent mirrors arranged parallel to one another, whose reflective coated mirror surfaces are assigned to one another. The distance of the mirror surfaces from one another determines a narrow wavelength range, which is transmitted by the Fabry-Perot interferometer or for which the Fabry-Perot interferometer is permeable.
  • the width of the light transmitted by the Fabry-Perot interferometer wavelength range is referred to as spectral on ⁇ solution and is dependent on the wavelength.
  • a tunable Fabry-Perot interferometer the distance of the mirror surfaces can be changed and thus the wavelength range that is transmitted can be shifted.
  • a Fabry-Perot interferometer therefore represents a sliding band pass filter ⁇ , the width of the spectral resolution of the Fabry-Perot interferometer corresponds. If the absorption spectrum of a fluid over a selected spectral region are fully recorded, the Fabry-Perot interferometer must be tuned le ⁇ diglich over the selected spectral range.
  • a Fabry-Perot interferometer can also be permeable simultaneously for two different wavelength ranges. It is thus possible to simultaneously record the absorption spectra of the fluid in the two wavelength ranges.
  • a device for recording an absorption spectrum of a fluid using such a Fabry-Perot interferometer is known from DE 10 2009 011 421 B3.
  • the spectrum recorded by the detector must be be compared with a reference measurement.
  • lock-in amplifiers are used regularly.
  • a measured signal is multiplied by a reference signal and the result of the multiplication integrated in a low-pass filter.
  • the lock-in amplifier thus forms the cross-correlation between the measured signal and the reference signal.
  • the signal outputted from the detector so that the radiation emitted by the radiation source Strah ⁇ radiation must, however, be time-modulated.
  • a temporal modulation is to be understood here as a change in the intensity of the radiation with time. In the simplest case, this can be done by switching on and off the radiation source or a downstream chopper, which repeatedly interrupts the beam path between the radiation source and the detector.
  • Absorption of selected constituents in the respiratory air is preferably at wavelengths between 2 and 15 ym ym ge ⁇ measure.
  • the available broadband radiation sources in this wavelength range are usually thermal radiators. If these electrically modulated in time with a sniff necessary for frequency-resolved measurements of more than 100 Hz, the relative modulation depends In the ⁇ intensity greatly from the considered wavelength from, the modulation of short to long wavelength decreases. In the spectral range between 2 ym and 15 ym, the intensity modulation at frequencies of 100 Hz and more at the longer wavelengths decreases so much that it is no longer sufficient for use with a lock-in amplifier.
  • the object is achieved by a device which has a first etalon for the spectral modulation of the radiation, which is arranged in the first beam path and which has a plurality of transmission maxima in the first spectral range.
  • the Fabry-Perot is configured such that the formed by the Fabry-Perot interferometer Bandpassfil ⁇ ter can be moved in such a way via the first spectral range, the spectral modulation of the radiation through the first etalon as a temporal modulation of the intensity of the radiation from the first detector can be measured.
  • the device initially has a first radiation source which emits radiation in a first spectral range with a preferably continuous spectrum.
  • a first radiation source for example membrane ⁇ radiator, which have a continuous spectrum in a wavelength range between 2 ym and 20 ym.
  • membrane ⁇ radiator which have a continuous spectrum in a wavelength range between 2 ym and 20 ym.
  • powerful helical radiators or other thermal radiators can be used, which also emit in this spectral range.
  • the radiation emitted by the radiation source is preferably largely collimated by a lens arrangement or a reflector and guided along a first beam path through the device.
  • the first measurement distance, the Fabry-Perot interferometer and the first etalon are arranged in the propagation direction of the radiation prior to the detector, wherein the order in which the radiation, the first measuring ⁇ range, the Fabry-Perot interferometer and the first etalon happens, is arbitrary.
  • the first measuring path arranged in the first beam path may, for example, be a cuvette in which the fluid to be examined is arranged.
  • An etalon is to be understood here as a Fabry-Perot interferometer in which the distance between the mirror surfaces can not be changed or is not changed during a measurement.
  • a blank ⁇ coated, polished thin disk made of silicon or Ger ⁇ Manium or mainly comprises silicon or germanium may be used.
  • metallic or dielectric coated discs which are optically transparent or two coated or uncoated parallel spaced plates may be used.
  • optical components which have a comb-like transmission or reflection, for example certain plastic components. foils or cuvettes filled with a gas, the gas having a pronounced comb-like absorption.
  • the first etalon has a plurality of transmission maxima in the first spectral range.
  • a broadband Strah ⁇ development which passes through the first etalon, thus has referred to a spectral modulation, which is characterized by a change from the Etalon specific intensity minima and maxima.
  • spectral modulation is meant herein the dependence of the intensity of a radiation on the wavelength or the frequency. For example, in the spectral range between 4 ⁇ m and 5 ⁇ m, a silicon wafer with a thickness of 100 ⁇ m has 35 transmission maxima and just as many transmission minima. In the spectral range between 8 ym and 11 ym, the same disc has 25 transmission maxima.
  • the first etalon is formed such that at least some of the transmission maxima of the first etalon comprise wavelengths which are charac teristic ⁇ for the components whose concentration is to be analyzed in the fluid. In this way, the Konzentra ⁇ tion of components of the fluid can be determined optimized, which have only narrow characteristic absorption lines.
  • the first etalon is such that the maxima of the transmission rate from ⁇ stand is greater than the spectral resolution of the Fabry-Perot interferometer in the first spectral range ⁇ . If the spectral resolution of the Fabry-Perot interferometer is wider than the distance of the transmission maxima, this leads to an undesired smoothing of the spectrum. In other words, the intensity maxima generated by the first etalon appear broader and shallower when sampled with the Fabry-Perot interferometer.
  • the surfaces of the first etalon are not aligned pa rallel ⁇ to the surfaces of the elements in the propagation direction of the radiation immediately before and arranged behind the first etalon in order to prevent additional undesirable Etaionef ⁇ fect.
  • a Fabry-Perot interferometer is arranged in the first beam path, in which the distance between the mirror surfaces can be adjusted so that the Fabry-Perot interferometer represents a displaceable bandpass filter in the first spectral range.
  • the bandpass filter formed by the Fabry-Perot interferometer can be displaced over the first spectral range, preferably continuously, such that the spectral modulation by the first etalon is measured as a temporal modulation of the intensity of the radiation from the first detector.
  • the spectral modulation of the radiation through the first etalon with the tuning of the Fabry-Perot interferometer and the associated displacement of the band-pass filter in a zeitli ⁇ che intensity modulation of the radiation is transmitted.
  • the spectral modulation of the radiation through the first etalon with the tuning of the Fabry-Perot interferometer and the associated displacement of the band-pass filter in a zeitli ⁇ che intensity modulation of the radiation is transmitted.
  • due to the known width of the Fabry-Perot interferometer at any time on the transmitted wavelength and da ⁇ be concluded with the wavelength of the radiation.
  • the Fabry-Perot interferometer travels five times per second over the spectral range of the smallest to the largest wavelength and then tuned back ent ⁇ this indicates an intensity modulation of the radiation at a frequency of 350 Hz.
  • a spectral region that includes the wavelengths between 8 ym and 11 ym has the sliding ⁇ che silicon wafer, for example, 25 Transmissionsmaxima- and minima.
  • the device has a first detector which is arranged so that it can measure the intensity of the radiation after it has passed the first etalon, the Fabry-Perot interferometer and the first measuring path.
  • the first detector may, for example, be a semiconductor sensor, a thermopile, a thermoresistor, a pyroelectric sensor or a photoacoustic gas sensor. The latter is preferably arranged in the first measuring section.
  • Such a device is advantageous because it has no macro-mechanical elements and it is nevertheless possible to modulate the intensity of the radiation with a sufficiently high frequency for a breath-resolved measurement over a broad spectral range.
  • the apparatus operates almost ver ⁇ from wear, making the maintenance compared to known prior art devices can be reduced and the service life is increased.
  • a first lock-in amplifier In a preferred embodiment for the determination of the absorption spectrum of the fluid from the measured with the first Detek ⁇ tor intensities of the radiation a first lock-in amplifier is provided.
  • the lock-in amplifier forms the cross-correlation function between the output from the first sensor measurement signal and a reference signal and represents a particularly narrow band-pass filter, which allows even with strongly noisy signals, already minor Ab ⁇ deviations between the measurement signal and the reference signal. Therefore, the lock-in amplifier allows you to particularly advantageous way to record an absorption spectrum of the fluid.
  • the device comprises a second radiation source having a radiation in a second areas of the spectrum ⁇ rich emitted along a two ⁇ th ray path, a second measuring path along which the light emitted from the second radiation source passes through the fluid, and a second Detector for measuring the intensity of the radiation in the second spectral range.
  • the first and the second beam path are such forms ⁇ out that the Fabry-Perot interferometer is disposed in the first and the second beam path.
  • the Fabry-Perot interferometers In ⁇ can transmit band-pass filter as a moveable radiation in the second spectral range.
  • the device has a second etalon for the spectral modulation of the radiation, which is arranged in the second beam path and which has a plurality of transmission maxima in the second spectral range.
  • the Fabry-Perot is adapted to that the of the Fabry-Perot interferometer ge ⁇ formed band-pass filter can be shifted such via the second spectral range, the spectral modulation of the radiation through the second etalon as a temporal Modulati ⁇ on the intensity of the radiation can be measured by the second detector.
  • This preferred embodiment has a second radiation ⁇ source, emits radiation in a second spectral range, wherein the second spectral range, preferably re walls ⁇ includes wavelengths than the first spectral range.
  • the first spectral range could comprise the wavelengths between 2 ym and 6 ym - preferably between 4 ym and 5 ym - and the second spectral range the wavelengths between 7 ym and 15 ym - preferably between 8 ym and 11 ym. It is also conceivable that the first radiation source and the second radiation source to emit radiation over the same spectral region, and are used by respective band-pass filter to the respective spectral ranges turned ⁇ limits.
  • the apparatus further comprises a second etalon which is arranged in the second beam path and modulates the radiation in the second spectral range in a similar manner as the ers ⁇ te etalon radiation in the first spectral range.
  • the second etalon in the second spectral range comprises a plurality of transmission maxima whose distance preference ⁇ example is greater than the bandwidth or spectral resolu ⁇ solution of the Fabry-Perot interferometer in the second areas of the spectrum ⁇ rich.
  • the second etalon is configured in such a way that at least some of the transmission maxima of the second etalon comprise wavelengths that are characteristic of the constituents whose concentration in the fluid is to be investigated.
  • the surfaces of the second etalon are also not aligned parallel to the surfaces of the elements arranged in the propagation direction of the radiation directly in front of and behind the second etalon, in order to avoid additional undesirable etalon effects.
  • This preferred embodiment further includes a second measurement path along which the light emitted from the second radiation source ⁇ radiation passes through the fluid. It is conceivable that the first and the second measurement path have the same length, of the length of a Messstre ⁇ blocks the route is to be understood that traverses the radiation along the measurement path through the fluid.
  • the first measurement section is integrally formed with the second measurement path, ie the first and the second measuring section coincide or extend on the same Way through the fluid.
  • the first and the second measuring section have different lengths. Last ⁇ res is particularly advantageous when the fluid in the ers ⁇ th and in the second spectral range absorbed to different extents. So it is for example conceivable that a Be ⁇ standing part of the fluid whose concentration is to be determined, absorbs only very weak in the first spectral range. Nevertheless, in order to achieve measurable changes in the absorption for the first detector, a longer first measuring section is used. Conversely, it is also conceivable that, for example, the concentration of a constituent of the fluid determines who should ⁇ , the strongly absorbed already in low concentrations in the second spectral range. In this case, the second measuring section could be selected to be correspondingly short, so that measurable changes in the absorption occur even at high concentrations of the second detector.
  • the Fabry-Perot interferometer is arranged in the first and the second beam path.
  • both the radiation emitted by the first radiation source and the radiation emitted by the second radiation source passes through the Fabry-Perot interferometer, wherein the first and the second optical path extend parallel, approximately parallel or one above the other through the Fabry-Perot interferometer.
  • the beam splitter is arranged, for example, such that the portion of the radiation emitted by the first radiation source in the Fabry-Perot interferometer transmits the first beam path while the portion of the radiation emitted by the second radiation source is reflected there by the beam splitter forms the second beam path.
  • the device further comprises a second detector adapted to measure the intensity of the radiation in the second spectral region after passing through the second etalon, the second measurement path and the Fabry-Perot interferometer.
  • the Fabry-Perot interferometer is purchasedbil ⁇ det, that the distance of the mirror surfaces can be adjusted so that the Fabry-Perot interferometer is a displaceable bandpass filter in the second spectral range.
  • the band-pass filter formed by the Fabry-Perot interferometer can such via the second spectral region - are shifted, that the spectral modulation is measured by the second etalon as a temporal Mo ⁇ dulation the intensity of the radiation from the second detector - preferably continuously.
  • the spectral Modulati ⁇ on the radiation through the second etalon with the tuning of the Fabry-Perot interferometer and the associated displacement of the band-pass filter is transmitted to a temporal intensity ⁇ modulation of the radiation.
  • the Fabry-Perot interferometer is designed such that it can transmit radiation in the first and in the second spectral range at the same time and that the light emitted by the Fabry-Perot interferometer can be transmitted.
  • bandpass filter can be shifted over the first and the second spectral range at the same time that the spectral modulation of the radiation by the first and the second etalon can be measured as a temporal modulation of the intensity of the radiation from the first and the second detector.
  • the distance of the mirror surfaces of the Fabry-Perot interferometer can be adjusted so that it simultaneously forms a band pass in the first and the second spectral range.
  • the first and second spectral regions can be scanned simultaneously, and the absorption spectrum of the fluid can be recorded in both spectral regions in a particularly short time, making it possible to measure the concentration of constituents in a fluid whose composition changes in very short periods of time ,
  • a second lock-in amplifier is provided.
  • first etalon integrally with the second etalon.
  • first and the second etalon only one etalon is provided which has a plurality of transmission maxima both in the first and in the second spectral range.
  • a 100 ym thick slice of silicon could be used which has 35 transmission maxima in the spectral range between 4 ym and 5 ym and 25 transmission maxima in the spectral range between 8 ym and 11 ym.
  • the size of the device can be significantly reduced.
  • the first etalon is arranged in such a way in the first and in the second beam path as a beam splitter, that the first beam path and the second beam path. lengang run parallel in the propagation direction of the radiation behind the first etalon.
  • the first etalon and the second etalon to be replaced by a common Eta ⁇ lon, which is also designed as a beam splitter and the first and the second beam path brings together such that the Fabry-Perot interferometer in Ausbrei ⁇ power direction of the radiation behind the etalon, is passed in parallel by the radiation emitted by the first and the second radiation source.
  • Such a device is also particularly advantageous, since in this way a particularly compact design can be realized.
  • first detector integrally with the second detector.
  • first and a second detector only one detector is provided, which measures the intensity of the radiation in both the first and in the second spectral range, whereby a particularly compact design of the device is possible.
  • the first radiation source is identical to the second radiation source.
  • only one radiation source is provided, which emits radiation in the first and in the second spectral range. This also makes it possible to realize a particularly compact design.
  • the first radiation source is a thermal radiator whose intensity can be modulated in time so rapidly that the relative change in the intensity of the radiation is more pronounced in one of the two spectral ranges than in the other spectral range. If only one radiation source is present and that formed as a ther ⁇ mixer radiator, so it is advantageous to the intensity ⁇ In the radiation source to modulate in time quickly. If the modulation frequency is sufficiently high, then the intensity modulation affects only the shorter wavelength spectral range, while the longer wavelength one of the two spectral ranges is essentially not modulated. Significant net ⁇ a detector an overlay of the absorption spectra in the first and second spectral range, this additional modulation of shorter wavelength spectral range can be used in a particularly advantageous manner, to separate the first and second absorption spectrum from one another.
  • the device can also be configured such that the absorption of the fluid in further spectral ranges can be determined.
  • a radiation source that emits in the Spekt ⁇ ral Scheme radiation along a beam path.
  • a measurement path, an etalon and a detector are arranged, the radiation passing through the fluid along the measurement path, the etalon for modulating the radiation in the spectral range having a plurality of transmission maxima and the detector for measuring the intensity of the radiation is set up in the spectral range.
  • the beam paths are designed such that the Fabry-Perot interferometer is arranged in each beam path.
  • the Fabry-Perot interferometer is adapted to transmit radiation in each of the spectral regions as a displaceable bandpass filter, wherein the bandpass filter can be shifted over the spectral regions such that the spectral modulation of the radiation through the etalons as a temporal modulation of the intensity of the radiation from the Detectors can be measured.
  • the bandpass filter can be shifted over the spectral regions such that the spectral modulation of the radiation through the etalons as a temporal modulation of the intensity of the radiation from the Detectors can be measured.
  • all the radiation sources, all etalons, all measuring sections and / or all detectors are integrally formed with each other, whereby a broadband device for recording absorption spectra can be realized in a particularly compact construction.
  • the object is further achieved by a method for using a device according to the invention, in which the Fabry-Perot interferometer is tuned so that the bandpass filter formed by the Fabry-Perot interferometer is shifted over the first spectral range such that the spectral modulation of the radiation the first etalon is measured as a temporal modulation of the intensity of the radiation from the first detector.
  • a measurement signal output by the second detector is compared with the first lock-in amplifier with a reference signal.
  • the reference signal required for this purpose can be determined in a variety of ways.
  • the intensity maxima of the radiation produced by the first etalon and the Fabry-Perot interferometer usually do not occur at a constant time interval. Therefore, an external reference signal with a constant frequency can not be used as a rule. It is conceivable, however, such a match, the control of the Fabry-Perot interferometer to ⁇ that the maxima of intensity-modulated radiation in a temporally equidistant occur. In this case, it would be possible to use a constant frequency reference signal.
  • the measuring signal produced in this manner can also be compared with an ex ⁇ tern generated reference signal. It is also conceivable first to record an absorption spectrum in which the first or second measurement path is filled or evacuated with a reference fluid of known composition, and to use the measurement signal output by the detector for further measurements as a reference signal.
  • the Fabry-Perot interferometer is tuned in such a way that the bandpass filter formed by the Fabry-Perot interferometer is shifted over the second spectral range such that the spectral modulation of the radiation by the second etalon is a temporal modulation of the intensity the radiation is measured by the second detector.
  • a measurement signal output by the second detector is compared with the second lock-in amplifier with a reference signal.
  • the Fabry-Perot interferometer is tuned in such a way that time ⁇ equal to the absorption spectrum of the fluid in the first and in the second frequency range can be determined.
  • This embodiment is particularly advantageous because it allows to record an absorption spectrum of the fluid in the first and in the second spectral range in a particularly short time.
  • the frequency modulation can also be used for a Fourier analysis of the signal sequence.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of an inventive device Shen ⁇ Fig. 2 shows a second embodiment of an inventive device ⁇ SEN,
  • Fig. 3 shows a third embodiment of an inventive ⁇ Shen device.
  • Fig. 4 shows a fourth embodiment of an inventive device ⁇ SEN
  • Fig. 5 shows a fifth embodiment of an inventive device ⁇ SEN
  • FIG. 6 shows a method for determining an absorption spectrum from a measuring signal output by a detector
  • the first radiation source 1 is a thermal radiator (eg membrane radiator, helical radiator or Nernst pin) which extends over a spectral range from 2 ⁇ m to .mu.m 20 ym has a continuous spectrum whose maximum is about 5 ym.
  • a thermal radiator eg membrane radiator, helical radiator or Nernst pin
  • the etalon 3 arranged in the direction of propagation of the radiation behind the radiation source 1 consists of a silicon wafer having a thickness of 100 ⁇ m, which transmits radiation in a first spectral range and in a second spectral range and has a plurality of transmission maxima in both spectral ranges.
  • the calculated transmission of the etalon 3 in the first spectral region ym wavelengths of 4 comprises up to 5 ym, is shown in Figure 7, wherein on the Radofs ⁇ senachse 13, the wavelength is shown in m and the relative transmission on the ordinate axis 15 °.
  • the etalon transmission maxima at 3 35 17 and as many transmission minima 19th 8 shows the calculated transmission of the etalon 3 in the second areas of the spectrum is rich ⁇ comprising wavelengths between 8 and 11 ym ym, shown, wherein for identical elements of all Zeichnun ⁇ gene, the same reference numerals have been used.
  • the wavelength in m represents ⁇ Darge and on the ordinate axis 15, the relative transmission of the etalon 3.
  • the etalon 25 transmission peaks 17 3 and as many transmission minima 19.
  • a first measuring section 5 is referred to ⁇ sorted, which is, for example, is a column filled with a respiratory gas cuvette.
  • the etalon 3 is such to ⁇ arranged that the top surface 21 does not extend ⁇ facing the surface of the cuvette parallel to this, unwanted Etaion bine between the cuvette and the etalon 3 to vermei ⁇ .
  • the Fabry-Perot interferometer 7 is arranged, which has a first and a second mirror surface 23, 25, wherein the first mirror ⁇ surface 23 parallel to the second mirror surface 25 ver ⁇ runs and assigns to them.
  • the spacing of the Spiegeloberflä ⁇ surfaces 23, 25 of the Fabry-Perot interferometer 7 can be turned so ⁇ assumed that the band-pass filter formed by the Fabry-Perot interferometer 7 transmits radiation in the first and second spectral range simultaneously.
  • a detector 9 is arranged, which measures the intensity of the radiation after it has crossed the etalon 3, the first measuring section 5 and the Fabry-Perot interferometer 7.
  • the De ⁇ Tektor 9 may be for example, a quantum detector or a thermal detector such as a py roelektrischen sensor.
  • the distance between the mirror surfaces 23, 25 is continuously changed so that the bandpass filter formed by the Fabry-Perot interferometer 7 simultaneously scans the first and second spectral ranges.
  • the detector 9 records a Intensi ⁇ ty of the radiation at this time, the wavelength can be assigned to the distance of the mirror surfaces 23, 25 of the Fabry-Perot interferometer 7, the band-pass filter formed by the Fabry-Perot interferometer 7 transmits or passes at this distance.
  • the detector 9 consequently measures a superposition of the radiation transmitted in the first and the second spectral range.
  • the first embodiment of the invention is particularly advantageous since it provides a particularly compact apparatus ⁇ which allows to record the absorbance spectrum of a fluid simultaneously with intensity modulated radiation in two spectral regions without the macro mechanical components must be used. Such devices are low maintenance, durable and inexpensive to manufacture.
  • the measurement signal 33 output by the detector 9 has to be separated.
  • the difference ⁇ Liche frequency of the transmission maxima can be 17 used in the first and second spectral range, the position of which also is known.
  • the device may have a first and a second lock-in amplifier (not shown) with which the measuring signal 33 is compared with a reference signal suitable for the spectral range.
  • the measurement signal 33 of a reference measurement in the respective spectral range can be used as the reference signal.
  • the detector 35 is at a broadband photoacoustic sensor (eg microphone, cantilever, tuning fork-shaped oscillating quartz or the like), which is arranged in the first measuring path 5 forming cuvette 37.
  • a broadband photoacoustic sensor eg microphone, cantilever, tuning fork-shaped oscillating quartz or the like.
  • a third embodiment is shown in Figure 3, wherein a second Strah ⁇ radiation source 39 is provided adjacent to the first radiation source. 1
  • the first and second Strah ⁇ radiation source 1, 39 are both wide-band thermal emitter, the radiation of which are restricted by suitable bandpass filters 41, 43 on the first and the second spectral range.
  • the radiation emitted by the second radiation source 39 radiation is guided along a second beam path 45 through the Vorrich ⁇ processing.
  • first and second beam path 11 45 is a first etalon 3, and a second etalon 47 are arranged in the propagation direction behind the band-pass filter having a multi ⁇ plurality of transmission peaks in the first and second spectral range.
  • the embodiment illustrated in Figure 3 is advantageous ⁇ way, since the first and the second radiation source 1, 39 inde pendent ⁇ can be switched from each other and it is thus possible in a simple manner to record absorption spectra in only one of the two spectral ranges.
  • different thickness etalon 3 and 47 can be used, which allows to adapt the modulations in the first and the second spectral range separately to the absorption ⁇ spectrum of the fluid.
  • FIG. 4 shows a fourth exemplary embodiment, which is a modification of the third exemplary embodiment shown in FIG.
  • a first etalon 3 is merely used, which also serves as a beam splitter and as an etalon in the first and second spectral range.
  • the device according to the invention shown in FIG. 4 is particularly advantageous since it has two independent radiation sources and nevertheless a particularly compact construction.
  • FIG. 5 shows a fifth exemplary embodiment, which shows the use of a first and a second etalon 3, 47 in front of a cuvette 37 through which a gas flows, in which the radiation passes through the gas along a first and a second measuring section 5, 5 ' , wherein the first and the second measuring section 5, 5 'have different lengths.
  • These con ⁇ figuration has the advantage that on the longer path gases with low absorption cross-section, on the shorter route but gases with a high absorption cross section can be detected gleichzei ⁇ tig over a wide concentration range.
  • Darge ⁇ represents in Fig. 6. In the upper diagram in FIG.
  • the abscissa 51 represents the wavelength and the ordinate axis 53 the transmission of the etalon and the Fabry-Perot interferometer, the dashed curve 55 representing the transmission of the etalon and the solid curve 57 representing the Transmission of the Fabry-Perot interferometer, which is shifted from small to large wavelengths.
  • the absorption spectrum of Messsig ⁇ Nalles on the intensity maxima and minima is integrated during recording. This is schematically shown in the lower diagram in Fig. 6, in which on the abscissa axis 51 is also the wavelength and the ordinate axis 59, the integrated measuring signal 61 is Darge ⁇ represents.

Abstract

The invention relates to a device for recording an absorption spectrum of a fluid, with a first radiation source (1) that emits a radiation in a first spectral range along a first beam path (11), with a first measuring path (5), along which the radiation passes through the fluid and which is arranged in the first beam path (11), with a tunable Fabry-Perot interferometer (7), which is arranged in the first beam path (11) and can transmit radiation in the first spectral range as a displaceable bandpass filter, and with a first detector (9, 35) for measuring the intensity of the radiation in the first spectral range. According to the invention, the device has a first etalon (3), which is arranged for spectral modulation of radiation in the first beam path (11) and which has a plurality of transmission maxima (17) in the first spectral range, and the Fabry-Perot interferometer (7) is designed such that the bandpass filter formed by the Fabry-Perot interferometer (7) can be displaced across the first spectral range in such a manner that the spectral modulation of the radiation by the first etalon (3) can be measured by the first detector (9, 35) as a modulation over time of the radiation intensity.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur schnellen Aufnahme eines  Device and method for rapid recording of a
Absorptionsspektrums eines Fluids  Absorption spectrum of a fluid
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Auf¬ nahme eines Absorptionsspektrums eines Fluids mit einer ersten Strahlungsquelle, die entlang eines ersten Strahlengangs eine Strahlung in einem ersten Spektralbereich emittiert, mit einer in dem ersten Strahlengang angeordneten ersten Messstrecke, entlang derer die Strahlung durch das Fluid tritt, mit einem in dem ersten Strahlengang angeordneten durchstimmbaren Fabry- Perot Interferometer, das als ein verschiebbares Bandpassfil¬ ter Strahlung in dem ersten Spektralbereich transmittieren kann, und mit einem ersten Detektor zur Messung der Intensität der Strahlung in dem ersten Spektralbereich sowie ein Verfahren zur Aufnahme eine Absorptionsspektrums eines Fluids. The present invention relates to an apparatus for on ¬ taking an absorption spectrum of a fluid having a first radiation source which emits radiation in a first spectral region along a first beam path, having disposed in said first beam path first measurement path along which the radiation through the fluid enters , having disposed in said first beam path tunable Fabry-Perot interferometer, which can transmit as a displaceable Bandpassfil ¬ ter radiation in the first spectral range and a first detector for measuring the intensity of the radiation in the first spectral range and a method for receiving a Absorption spectrum of a fluid.
In der Medizintechnik ist es oftmals notwendig, die Konzentra¬ tion ausgewählter Bestandteile der Atemluft zu bestimmen bzw. zu überwachen. So wird beispielsweise bei narkotisierten Pati¬ enten oftmals bei jedem Atemzug die Konzentration der verwendeten Narkosegase in der Atemluft oder bei der Kontrolle von Autofahrern der Alkoholgehalt in der Atemluft gemessen. Zur Bestimmung der Konzentration der jeweiligen Bestandteile werden spektrometrische Verfahren eingesetzt. In der Regel werden dazu mit diskreten Filtern in Wellenlängenbändern, in denen die Gase Absorptionen aufweisen, Signale aufgezeichnet und mit Referenzen verglichen. Aus der Veränderung der Signale bei diesen Wellenlängen, die für ein bestimmtes Gas charakteris¬ tisch sind, lässt sich somit auf die Konzentration des Gases in der Atemluft schließen. In medical technology, it is often necessary to determine the concentra ¬ tion of selected components of the air we breathe or monitor. Thus, the concentration of the anesthetic gases used in the breath or in the control of drivers of the alcohol content in the respiratory air is measured, for example, in anesthetized Pati ¬ often ducks in each breath. To determine the concentration of the respective components spectrometric methods are used. As a rule, signals are recorded and compared with references using discrete filters in wavelength bands in which the gases exhibit absorptions. From the change of the signals at these wavelengths, which are charakteris ¬ table for a particular gas, thus it can be concluded in the breathing air on the concentration of the gas.
Aus dem Stand der Technik ist eine Reihe von Vorrichtungen bekannt, mit denen sich durch Absorptionsmessungen bei ausgewählten Wellenlängen oder auch über einen Spektralbereich die Konzentration ausgewählter Bestandteile eines Fluids oder ei- nes Gases wie zum Beispiel Atemgas bestimmen lassen. Derartige Vorrichtungen weisen eine Strahlungsquelle auf, die über einen ausgewählten, kontinuierlichen Spektralbereich Strahlung emittiert. Zwischen der Strahlungsquelle und einer nachfolgend an¬ geordneten Messstrecke, in der die Strahlung durch das Fluid tritt, ist ein optisches Bandpassfilter, im folgenden kurz als Filter bezeichnet, angeordnet, das das Spektrum der Strahlung auf eine Wellenlänge einschränkt, die für einen Bestandteil des Gases, dessen Konzentration gemessen werden soll, charakteristisch ist. Die Intensität der Strahlung wird, nachdem diese das Filter und die Messstrecke durchlaufen hat, mit ei¬ nem geeigneten Detektor gemessen. Aus der Abschwächung der Intensität im Vergleich zu einer Referenzmessung in einem Refe- renzfluid, in dem die Konzentration des Bestandteils bekannt ist, kann nun auf die Konzentration des Bestandteils in dem Fluid geschlossen werden. A number of devices are known from the prior art with which the concentration of selected constituents of a fluid or of a fluid can be determined by absorption measurements at selected wavelengths or over a spectral range. of a gas, such as breathing gas. Such devices have a radiation source which emits radiation over a selected, continuous spectral range. Between the radiation source and a subsequently arranged ¬ measuring path in which the radiation passes through the fluid, an optical bandpass filter, hereinafter referred to as a filter, arranged, which restricts the spectrum of the radiation to a wavelength for a component of the gas whose concentration is to be measured is characteristic. The intensity of the radiation after it has passed through the filter and the measurement distance measured by ei ¬ nem suitable detector. From the attenuation of the intensity compared to a reference measurement in a reference fluid in which the concentration of the constituent is known, it is now possible to deduce the concentration of the constituent in the fluid.
Soll die Konzentration einer Mehrzahl von Bestandteilen gemessen werden, so muss für jeden Bestandteil ein eigenes geeigne¬ tes Filter verwendet werden. Um die Konzentration der verschiedenen Bestandteile in einem kurzen Zeitraum - möglichst in einem Atemzug als sogenannte atemzugsaufgelöste Messung - zu bestimmen, werden die verschiedenen Filter auf einem sogenannten Filterrad angeordnet. Ein Filterrad ist eine rotieren¬ de Scheibe, die die Filter in schneller Abfolge in den Strahlengang zwischen Strahlungsquelle und Detektor bewegt. Nachteilhaft ist allerdings, dass nur eine kleine Anzahl von Be¬ standteilen untersucht werden kann, da für jeden Bestandteil ein eigenes Filter vorhanden sein muss und die Größe der Filterräder beschränkt ist. Zudem ist die Verwendung von mechanischen Bauteilen generell nachteilhaft, da diese den Wartungs¬ aufwand erhöhen und fehleranfällig sind. If the concentration of a plurality of components to be measured, a private geeigne ¬ tes filter must be used for each component. In order to determine the concentration of the various constituents in a short period of time-preferably in the same breath as so-called breath-resolved measurement-the various filters are arranged on a so-called filter wheel. A filter wheel is a rotating ¬ de disk that moves the filter in quick succession in the beam path between the radiation source and detector. A disadvantage, however, that only a small number of Be ¬ stood share can be examined, there must be present for each component its own filter and the size of the filter wheel is limited. In addition, the use of mechanical components is generally disadvantageous because they increase the maintenance ¬ effort and are prone to errors.
Ein vollständiges Absorptionsspektrum kann unter Verwendung eines durchstimmbaren Fabry-Perot Interferometers aufgenommen werden, wie in der DE 10 2006 045 253 B3 beschrieben ist. Hierzu wird in dem Strahlengang zwischen Strahlungsquelle und Detektor anstelle des Filters ein durchstimmbares Fabry-Perot Interferometer angeordnet. Ein Fabry-Perot Interferometer ist eine Anordnung, die zwei teildurchlässige, parallel zueinander angeordnete Spiegel aufweist, deren reflektiv beschichtete Spiegeloberflächen aufeinander zuweisen. Der Abstand der Spiegeloberflächen zueinander bestimmt einen schmalen Wellenlängenbereich, der von dem Fabry-Perot Interferometer transmit- tiert wird bzw. für den das Fabry-Perot Interferometer durchlässig ist. Die Breite des von dem Fabry-Perot Interferometer durchgelassenen Wellenlängenbereiches wird als spektrale Auf¬ lösung bezeichnet und ist abhängig von der Wellenlänge. Bei einem durchstimmbaren Fabry-Perot Interferometer kann der Abstand der Spiegelflächen verändert und damit der Wellenlängenbereich, der transmittiert wird, verschoben werden. Ein Fabry- Perot Interferometer stellt somit ein verschiebbares Bandpass¬ filter dar, dessen Breite der spektralen Auflösung des Fabry- Perot Interferometers entspricht. Soll das Absorptionsspektrum eines Fluids über einen ausgewählten Spektralbereich vollständig erfasst werden, so muss das Fabry-Perot Interferometer le¬ diglich über den ausgewählten Spektralbereich durchgestimmt werden . A complete absorption spectrum can be recorded using a tunable Fabry-Perot interferometer be as described in DE 10 2006 045 253 B3. For this purpose, a tunable Fabry-Perot interferometer is arranged in the beam path between radiation source and detector instead of the filter. A Fabry-Perot interferometer is an arrangement that has two partially transparent mirrors arranged parallel to one another, whose reflective coated mirror surfaces are assigned to one another. The distance of the mirror surfaces from one another determines a narrow wavelength range, which is transmitted by the Fabry-Perot interferometer or for which the Fabry-Perot interferometer is permeable. The width of the light transmitted by the Fabry-Perot interferometer wavelength range is referred to as spectral on ¬ solution and is dependent on the wavelength. In a tunable Fabry-Perot interferometer, the distance of the mirror surfaces can be changed and thus the wavelength range that is transmitted can be shifted. A Fabry-Perot interferometer therefore represents a sliding band pass filter ¬, the width of the spectral resolution of the Fabry-Perot interferometer corresponds. If the absorption spectrum of a fluid over a selected spectral region are fully recorded, the Fabry-Perot interferometer must be tuned le ¬ diglich over the selected spectral range.
Bei geeigneter Beschichtung der Spiegeloberflächen kann ein Fabry-Perot Interferometer auch für zwei verschiedene Wellenlängenbereiche gleichzeitig durchlässig sein. Es ist folglich möglich, die Absorptionsspektren des Fluids in den beiden Wellenlängenbereichen gleichzeitig aufzuzeichnen. Ein Vorrichtung zur Aufnahme eines Absorptionsspektrums eines Fluids unter der Verwendung eines derartigen Fabry-Perot Interferometers ist aus der DE 10 2009 011 421 B3 bekannt. With a suitable coating of the mirror surfaces, a Fabry-Perot interferometer can also be permeable simultaneously for two different wavelength ranges. It is thus possible to simultaneously record the absorption spectra of the fluid in the two wavelength ranges. A device for recording an absorption spectrum of a fluid using such a Fabry-Perot interferometer is known from DE 10 2009 011 421 B3.
Um die Konzentration der einzelnen Bestandteile des Fluids zu bestimmen, muss das von dem Detektor aufgezeichnete Spektrum mit einer Referenzmessung verglichen werden. Hierzu werden regelmäßig Lock-In-Verstärker verwendet. In einem Lock-In- Verstärker wird ein gemessenes Signal mit einem Referenzsignal multipliziert und das Ergebnis der Multiplikation in einem Tiefpass integriert. Der Lock-In-Verstärker bildet also die Kreuzkorrelation zwischen dem gemessenen Signal und dem Referenzsignal . To determine the concentration of the individual components of the fluid, the spectrum recorded by the detector must be be compared with a reference measurement. For this purpose, lock-in amplifiers are used regularly. In a lock-in amplifier, a measured signal is multiplied by a reference signal and the result of the multiplication integrated in a low-pass filter. The lock-in amplifier thus forms the cross-correlation between the measured signal and the reference signal.
Um einen Lock-In-Verstärker verwenden zu können, muss das von dem Detektor ausgegebene Signal und damit die von der Strah¬ lungsquelle emittierte Strahlung allerdings zeitlich moduliert sein. Unter einer zeitlichen Modulation soll hier eine Änderung der Intensität der Strahlung mit der Zeit verstanden werden. Im einfachsten Falle kann dies durch An- und Ausschalten der Strahlungsquelle oder einen nachgeordneten Chopper erfolgen, der den Strahlengang zwischen Strahlungsquelle und Detektor wiederholt unterbricht. In order to use a lock-in amplifier, the signal outputted from the detector so that the radiation emitted by the radiation source Strah ¬ radiation must, however, be time-modulated. A temporal modulation is to be understood here as a change in the intensity of the radiation with time. In the simplest case, this can be done by switching on and off the radiation source or a downstream chopper, which repeatedly interrupts the beam path between the radiation source and the detector.
Die Absorption von ausgewählten Bestandteilen in der Atemluft wird vorzugsweise bei Wellenlängen zwischen 2 ym und 15 ym ge¬ messen. Die zur Verfügung stehenden breitbandigen Strahlungsquellen in diesem Wellenlängenbereich sind in der Regel thermische Strahler. Werden diese mit einer für atemzugsaufgelöste Messungen notwendige Frequenz von mehr als 100 Hz zeitlich elektrisch moduliert, so hängt die relative Modulation der In¬ tensität stark von der betrachteten Wellenlänge ab, wobei die Modulation von kurzen zu langen Wellenlängen abnimmt. In dem Spektralbereich zwischen 2 ym und 15 ym nimmt die Intensitätsmodulation bei Frequenzen von 100 Hz und mehr bei den längeren Wellenlängen so stark ab, dass sie für die Verwendung mit einem Lock-In-Verstärker nicht mehr ausreicht. Absorption of selected constituents in the respiratory air is preferably at wavelengths between 2 and 15 ym ym ge ¬ measure. The available broadband radiation sources in this wavelength range are usually thermal radiators. If these electrically modulated in time with a sniff necessary for frequency-resolved measurements of more than 100 Hz, the relative modulation depends In the ¬ intensity greatly from the considered wavelength from, the modulation of short to long wavelength decreases. In the spectral range between 2 ym and 15 ym, the intensity modulation at frequencies of 100 Hz and more at the longer wavelengths decreases so much that it is no longer sufficient for use with a lock-in amplifier.
Die Verwendung eines mechanischen Choppers ist zwar prinzipiell möglich, allerdings handelt es sich hierbei wiederum um ein mechanisches Bauteil, das aufwendig in der Wartung und zu¬ dem schwer zu miniaturisieren ist. Although the use of a mechanical chopper is possible in principle, this is again a mechanical component which is hard to miniaturize the complex in the maintenance and ¬.
Eine ähnliche Problematik stellt sich, wenn als Detektor ein photoakustischer oder ein pyroelektrischer Sensor verwendet werden soll, da diese beiden Sensortypen lediglich verwendet werden können, wenn die Strahlung eine zeitliche Änderung der Intensität aufweist. A similar problem arises when a photoacoustic or a pyroelectric sensor is to be used as the detector, since these two sensor types can only be used if the radiation has a temporal change in intensity.
Es stellt sich somit die Aufgabe die von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung über den gesamten ausgewählten Spektralbereich zeitlich so schnell zu modulieren, dass als Detektor ein in der Messstrecke angeordneter photoakustischer Sensor oder ein pyroelektrischer Sensor verwendet werden kann. Weiterhin ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Strahlung zeitlich so schnell zu modulieren, dass zum Vergleich des gemessenen Absorptionsspektrums mit einem Referenzspektrum ein nachfolgend angeordneter Lock-In-Verstärker betrieben werden kann. It is thus the task to temporally modulate the radiation emitted by the radiation source over the entire selected spectral range so quickly that a photoacoustic sensor or a pyroelectric sensor arranged in the measurement section can be used as the detector. Furthermore, it is an object of the present invention to modulate the radiation so quickly in time that a subsequently arranged lock-in amplifier can be operated to compare the measured absorption spectrum with a reference spectrum.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung, die ein erstes Etalon zur spektralen Modulation der Strahlung aufweist, das in dem ersten Strahlengang angeordnet ist und das in dem ersten Spektralbereich eine Mehrzahl von Transmissionsmaxima aufweist. Weiterhin ist das Fabry-Perot dazu eingerichtet, dass das von dem Fabry-Perot Interferometer gebildete Bandpassfil¬ ter derart über den ersten Spektralbereich verschoben werden kann, dass die spektrale Modulation der Strahlung durch das erste Etalon als eine zeitliche Modulation der Intensität der Strahlung von dem ersten Detektor gemessen werden kann. The object is achieved by a device which has a first etalon for the spectral modulation of the radiation, which is arranged in the first beam path and which has a plurality of transmission maxima in the first spectral range. Further, the Fabry-Perot is configured such that the formed by the Fabry-Perot interferometer Bandpassfil ¬ ter can be moved in such a way via the first spectral range, the spectral modulation of the radiation through the first etalon as a temporal modulation of the intensity of the radiation from the first detector can be measured.
Die Vorrichtung weist zunächst eine erste Strahlungsquelle auf, die in einem ersten Spektralbereich eine Strahlung mit einem vorzugsweise kontinuierlichen Spektrum emittiert. Zur Bestimmung der Konzentration von Bestandteilen der Atemluft eignen sich als erste Strahlungsquelle beispielsweise Membran¬ strahler, die ein kontinuierliches Spektrum in einem Wellenlängenbereich zwischen 2 ym und 20 ym aufweisen. Alternativ können auch leistungsstarke Wendelstrahler oder andere thermische Strahler eingesetzt werden, die ebenfalls in diesem Spektralbereich emittieren. Die von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung wird vorzugsweise durch eine Linsenanordnung oder einen Reflektor weitgehend kollimiert und entlang eines ersten Strahlengangs durch die Vorrichtung geführt. The device initially has a first radiation source which emits radiation in a first spectral range with a preferably continuous spectrum. To determine the concentration of constituents of the respiratory air are suitable as a first radiation source, for example membrane ¬ radiator, which have a continuous spectrum in a wavelength range between 2 ym and 20 ym. Alternatively, powerful helical radiators or other thermal radiators can be used, which also emit in this spectral range. The radiation emitted by the radiation source is preferably largely collimated by a lens arrangement or a reflector and guided along a first beam path through the device.
Entlang des ersten Strahlengangs sind in Ausbreitungsrichtung der Strahlung vor dem Detektor die erste Messstrecke, das Fabry-Perot Interferometer und das erste Etalon angeordnet, wobei die Reihenfolge, in der die Strahlung die erste Mess¬ strecke, das Fabry-Perot Interferometer und das erste Etalon passiert, beliebig ist. Along the first beam path, the first measurement distance, the Fabry-Perot interferometer and the first etalon are arranged in the propagation direction of the radiation prior to the detector, wherein the order in which the radiation, the first measuring ¬ range, the Fabry-Perot interferometer and the first etalon happens, is arbitrary.
Bei der in dem ersten Strahlengang angeordneten ersten Messstrecke kann es sich beispielsweise um eine Küvette handeln, in der das zu untersuchende Fluid angeordnet ist. The first measuring path arranged in the first beam path may, for example, be a cuvette in which the fluid to be examined is arranged.
Unter einem Etalon soll hier ein Fabry-Perot Interferometer verstanden werden, bei dem der Abstand der Spiegeloberflächen nicht verändert werden kann bzw. während einer Messung nicht verändert wird. Als Etalon kann beispielsweise eine unbe¬ schichtete, polierte dünne Scheibe, die aus Silizium oder Ger¬ manium besteht bzw. vornehmlich Silizium oder Germanium aufweist, verwendet werden. Alternativ können als Etalon beispielsweise auch metallisch oder dielektrisch beschichtete Scheiben, die optisch transparent sind, oder zwei beschichtete oder unbeschichtete parallel beabstandete Platten verwendet werden. Es ist auch denkbar, anstelle eines Etalons optische Bauteile zu verwenden, die eine kammartige Transmission oder Reflexion aufweisen, wie beispielsweise bestimmte Kunststoff- folien oder auch mit einem Gas gefüllte Küvetten, wobei das Gas eine ausgeprägte kammartige Absorption aufweist. An etalon is to be understood here as a Fabry-Perot interferometer in which the distance between the mirror surfaces can not be changed or is not changed during a measurement. As an etalon, for example, a blank ¬ coated, polished thin disk made of silicon or Ger ¬ Manium or mainly comprises silicon or germanium may be used. Alternatively, as the etalon, for example, metallic or dielectric coated discs which are optically transparent or two coated or uncoated parallel spaced plates may be used. It is also conceivable, instead of using an etalon, to use optical components which have a comb-like transmission or reflection, for example certain plastic components. foils or cuvettes filled with a gas, the gas having a pronounced comb-like absorption.
Das erste Etalon weist in dem ersten Spektralbereich eine Mehrzahl von Transmissionsmaxima auf. Eine breitbandige Strah¬ lung, die das erste Etalon passiert, weist somit nachfolgend eine spektrale Modulation auf, die sich durch einen Wechsel von für das Etalon spezifische Intensitätsminima und -maxima auszeichnet. Unter spektraler Modulation soll dabei hierin die Abhängikeit der Intensität einer Strahlung von der Wellenlänge bzw. der Frequenz verstanden werden. Beispielsweise weist eine 100 ym dicke Siliziumscheibe im Spektralbereich zwischen 4 ym und 5 ym 35 Transmissionsmaxima und ebenso viele Transmissi- onsminima auf. Im Spektralbereich zwischen 8 ym und 11 ym weist die gleiche Scheibe 25 Transmissionsmaxima auf. The first etalon has a plurality of transmission maxima in the first spectral range. A broadband Strah ¬ development, which passes through the first etalon, thus has referred to a spectral modulation, which is characterized by a change from the Etalon specific intensity minima and maxima. By spectral modulation is meant herein the dependence of the intensity of a radiation on the wavelength or the frequency. For example, in the spectral range between 4 μm and 5 μm, a silicon wafer with a thickness of 100 μm has 35 transmission maxima and just as many transmission minima. In the spectral range between 8 ym and 11 ym, the same disc has 25 transmission maxima.
Es ist vorstellbar, dass das erste Etalon derart ausgebildet ist, dass zumindest einige der Transmissionsmaxima des ersten Etalons Wellenlängen umfassen, die für die Bestandteile, deren Konzentration in dem Fluid untersucht werden soll, charakte¬ ristisch sind. Auf diese Weise lässt sich auch die Konzentra¬ tion von Bestandteilen des Fluids optimiert bestimmen, die nur schmale charakteristische Absorptionslinien aufweisen. It is conceivable that the first etalon is formed such that at least some of the transmission maxima of the first etalon comprise wavelengths which are charac teristic ¬ for the components whose concentration is to be analyzed in the fluid. In this way, the Konzentra ¬ tion of components of the fluid can be determined optimized, which have only narrow characteristic absorption lines.
Vorzugsweise ist das erste Etalon so beschaffen, dass der Ab¬ stand der Transmissionsmaxima größer ist als die spektrale Auflösung des Fabry-Perot Interferometers im ersten Spektral¬ bereich. Ist die spektrale Auflösung des Fabry-Perot Interfe- rometers breiter als der Abstand der Transmissionsmaxima, so führt dies zu einer unerwünschten Glättung des Spektrums. Mit anderen Worten erscheinen die von dem ersten Etalon erzeugten Intensitätsmaxima bei Abtastung mit dem Fabry-Perot Interfero- meter breiter und flacher. Vorzugsweise sind die Oberflächen des ersten Etalons nicht pa¬ rallel zu den Oberflächen der in Ausbreitungsrichtung der Strahlung direkt vor und hinter dem ersten Etalon angeordneten Elemente ausgerichtet, um zusätzliche unerwünschte Etaionef¬ fekte zu vermeiden. Preferably, the first etalon is such that the maxima of the transmission rate from ¬ stand is greater than the spectral resolution of the Fabry-Perot interferometer in the first spectral range ¬. If the spectral resolution of the Fabry-Perot interferometer is wider than the distance of the transmission maxima, this leads to an undesired smoothing of the spectrum. In other words, the intensity maxima generated by the first etalon appear broader and shallower when sampled with the Fabry-Perot interferometer. Preferably, the surfaces of the first etalon are not aligned pa rallel ¬ to the surfaces of the elements in the propagation direction of the radiation immediately before and arranged behind the first etalon in order to prevent additional undesirable Etaionef ¬ fect.
Weiterhin ist in dem ersten Strahlengang ein Fabry-Perot In- terferometer angeordnet, bei dem der Abstand der Spiegeloberflächen so eingestellt werden kann, dass das Fabry-Perot In- terferometer in dem ersten Spektralbereich ein verschiebbares Bandpassfilter darstellt. Dabei kann das von dem Fabry-Perot Interferometer gebildete Bandpassfilter derart über den ersten Spektralbereich - vorzugsweise kontinuierlich - verschoben werden, dass die spektrale Modulation durch das erste Etalon als eine zeitliche Modulation der Intensität der Strahlung von dem ersten Detektor gemessen wird. Mit anderen Worten wird die spektrale Modulation der Strahlung durch das erste Etalon mit dem Durchstimmen des Fabry-Perot Interferometers und das damit einhergehende Verschieben des Bandpassfilters in eine zeitli¬ che Intensitätsmodulation der Strahlung übertragen. Dabei kann aufgrund der bekannten Breite des Fabry-Perot Interferometers zu jedem Zeitpunkt auf die transmittierte Wellenlänge und da¬ mit die Wellenlänge der Strahlung geschlossen werden. Furthermore, a Fabry-Perot interferometer is arranged in the first beam path, in which the distance between the mirror surfaces can be adjusted so that the Fabry-Perot interferometer represents a displaceable bandpass filter in the first spectral range. In this case, the bandpass filter formed by the Fabry-Perot interferometer can be displaced over the first spectral range, preferably continuously, such that the spectral modulation by the first etalon is measured as a temporal modulation of the intensity of the radiation from the first detector. In other words, the spectral modulation of the radiation through the first etalon with the tuning of the Fabry-Perot interferometer and the associated displacement of the band-pass filter in a zeitli ¬ che intensity modulation of the radiation is transmitted. In this case, due to the known width of the Fabry-Perot interferometer at any time on the transmitted wavelength and da ¬ be concluded with the wavelength of the radiation.
Wird beispielsweise bei einer Vorrichtung mit einem ersten E- talon aus einer 100 ym dicken Siliziumscheibe, die 35 Trans- missionsmaxima- und minima in einem Spektralbereich zwischen 4 ym und 5 ym aufweist, das Fabry-Perot Interferometer fünf mal pro Sekunde über den Spektralbereich von der kleinsten zur größten Wellenlänge und wieder zurück durchgestimmt, ent¬ spricht dies einer Intensitätsmodulation der Strahlung mit einer Frequenz von 350 Hz. In einem Spektralbereich, der die Wellenlängen zwischen 8 ym und 11 ym umfasst, weist die glei¬ che Siliziumscheibe beispielsweise 25 Transmissionsmaxima- und minima auf. Somit würde ein fünfmaliges Durchstimmen des Fabry-Perot Interferometers über diesen Spektralbereich in beide Richtungen einer Intensitätsmodulation der Strahlung mit einer Frequenz von 250 Hz entsprechen. If, for example, in the case of a device having a first etalon of a silicon wafer with a thickness of 100 μm, which has 35 transmission maxima and minima in a spectral range between 4 μm and 5 μm, the Fabry-Perot interferometer travels five times per second over the spectral range of the smallest to the largest wavelength and then tuned back ent ¬ this indicates an intensity modulation of the radiation at a frequency of 350 Hz. In a spectral region that includes the wavelengths between 8 ym and 11 ym, has the sliding ¬ che silicon wafer, for example, 25 Transmissionsmaxima- and minima. Thus, a five-time tuning of the Fabry-Perot interferometers across this spectral range in both directions correspond to an intensity modulation of the radiation with a frequency of 250 Hz.
Weiterhin weist die Vorrichtung einen ersten Detektor auf, der so angeordnet ist, dass er die Intensität der Strahlung messen kann, nachdem diese das erste Etalon, das Fabry-Perot Interfe- rometer und die erste Messstrecke passiert hat. Bei dem ersten Detektor kann es sich beispielsweise um einen Halbleitersensor, eine Thermosäule, einen Thermowiderstand, einen pyroe- lektrischen Sensor oder einen photoakustischen Gassensor handeln. Letzterer ist vorzugsweise in der ersten Messstrecke angeordnet . Furthermore, the device has a first detector which is arranged so that it can measure the intensity of the radiation after it has passed the first etalon, the Fabry-Perot interferometer and the first measuring path. The first detector may, for example, be a semiconductor sensor, a thermopile, a thermoresistor, a pyroelectric sensor or a photoacoustic gas sensor. The latter is preferably arranged in the first measuring section.
Eine derartige Vorrichtung ist vorteilhaft, da sie keinerlei makromechanische Elemente aufweist und es trotzdem möglich ist, die Intensität der Strahlung mit einer für eine atemzugsaufgelöste Messung ausreichend hohen Frequenz über einen weiten Spektralbereich zu modulieren. Da auf makromechanische Bauteile verzichtet wird, arbeitet die Vorrichtung nahezu ver¬ schleißfrei, wodurch sich der Wartungsaufwand im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen deutlich verringert und die Lebensdauer erhöht wird. Such a device is advantageous because it has no macro-mechanical elements and it is nevertheless possible to modulate the intensity of the radiation with a sufficiently high frequency for a breath-resolved measurement over a broad spectral range. As will be omitted macro mechanical components, the apparatus operates almost ver ¬ from wear, making the maintenance compared to known prior art devices can be reduced and the service life is increased.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist zur Bestimmung des Absorptionsspektrums des Fluids aus den mit dem ersten Detek¬ tor gemessenen Intensitäten der Strahlung ein erster Lock-In- Verstärker vorgesehen. Der Lock-In-Verstärker bildet die Kreuzkorrelationsfunktion zwischen dem von dem ersten Sensor ausgegebenen Messsignal und einem Referenzsignal und stellt ein besonders schmales Bandpassfilter dar, das es auch bei stark verrauschten Signalen erlaubt, bereits geringfügige Ab¬ weichungen zwischen dem Messsignal und dem Referenzsignal festzustellen. Daher erlaubt es der Lock-In-Verstärker auf be- sonders vorteilhafte Weise, ein Absorptionsspektrum des Fluids aufzuzeichnen . In a preferred embodiment for the determination of the absorption spectrum of the fluid from the measured with the first Detek ¬ tor intensities of the radiation a first lock-in amplifier is provided. The lock-in amplifier forms the cross-correlation function between the output from the first sensor measurement signal and a reference signal and represents a particularly narrow band-pass filter, which allows even with strongly noisy signals, already minor Ab ¬ deviations between the measurement signal and the reference signal. Therefore, the lock-in amplifier allows you to particularly advantageous way to record an absorption spectrum of the fluid.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung eine zweite Strahlungsquelle, die entlang eines zwei¬ ten Strahlengangs eine Strahlung in einem zweiten Spektralbe¬ reich emittiert, eine zweite Messstrecke, entlang derer die von der zweiten Strahlungsquelle emittierte Strahlung durch das Fluid tritt, und einen zweiten Detektor zur Messung der Intensität der Strahlung in dem zweiten Spektralbereich auf. Dabei sind der erste und der zweite Strahlengang derart ausge¬ bildet, dass das Fabry-Perot Interferometer in dem ersten und dem zweiten Strahlengang angeordnet ist. Das Fabry-Perot In¬ terferometer kann als verschiebbares Bandpassfilter Strahlung in dem zweiten Spektralbereich transmittieren . Weiterhin weist die Vorrichtung ein zweites Etalon zur spektralen Modulation der Strahlung auf, das in dem zweiten Strahlengang angeordnet ist und das in dem zweiten Spektralbereich eine Mehrzahl von Transmissionsmaxima aufweist. Zudem ist das Fabry-Perot dazu eingerichtet, dass das von dem Fabry-Perot Interferometer ge¬ bildete Bandpassfilter derart über den zweiten Spektralbereich verschoben werden kann, dass die spektrale Modulation der Strahlung durch das zweite Etalon als eine zeitliche Modulati¬ on der Intensität der Strahlung von dem zweiten Detektor gemessen werden kann. In a further preferred embodiment the device comprises a second radiation source having a radiation in a second areas of the spectrum ¬ rich emitted along a two ¬ th ray path, a second measuring path along which the light emitted from the second radiation source passes through the fluid, and a second Detector for measuring the intensity of the radiation in the second spectral range. Here, the first and the second beam path are such forms ¬ out that the Fabry-Perot interferometer is disposed in the first and the second beam path. The Fabry-Perot interferometers In ¬ can transmit band-pass filter as a moveable radiation in the second spectral range. Furthermore, the device has a second etalon for the spectral modulation of the radiation, which is arranged in the second beam path and which has a plurality of transmission maxima in the second spectral range. In addition, the Fabry-Perot is adapted to that the of the Fabry-Perot interferometer ge ¬ formed band-pass filter can be shifted such via the second spectral range, the spectral modulation of the radiation through the second etalon as a temporal Modulati ¬ on the intensity of the radiation can be measured by the second detector.
Diese bevorzugte Ausführungsform weist eine zweite Strahlungs¬ quelle auf, die Strahlung in einem zweiten Spektralbereich emittiert, wobei der zweite Spektralbereich vorzugsweise ande¬ re Wellenlängen umfasst als der erste Spektralbereich. Beispielsweise könnte der erste Spektralbereich die Wellenlängen zwischen 2 ym und 6 ym - vorzugsweise zwischen 4 ym und 5 ym - umfassen und der zweite Spektralbereich die Wellenlängen zwischen 7 ym und 15 ym - vorzugsweise zwischen 8 ym und 11 ym - umfassen. Es ist auch denkbar, dass die erste Strahlungsquelle und die zweite Strahlungsquelle Strahlung über den gleichen Spektralbereich emittieren und lediglich durch entsprechende Bandpassfilter auf die jeweiligen Spektralbereiche einge¬ schränkt werden. This preferred embodiment has a second radiation ¬ source, emits radiation in a second spectral range, wherein the second spectral range, preferably re walls ¬ includes wavelengths than the first spectral range. For example, the first spectral range could comprise the wavelengths between 2 ym and 6 ym - preferably between 4 ym and 5 ym - and the second spectral range the wavelengths between 7 ym and 15 ym - preferably between 8 ym and 11 ym. It is also conceivable that the first radiation source and the second radiation source to emit radiation over the same spectral region, and are used by respective band-pass filter to the respective spectral ranges turned ¬ limits.
Weiterhin weist die Vorrichtung ein zweites Etalon auf, das im zweiten Strahlengang angeordnet ist und die Strahlung im zweiten Spektralbereich auf ähnliche Weise moduliert, wie das ers¬ te Etalon die Strahlung im ersten Spektralbereich. Insbesondere weist das zweite Etalon im zweiten Spektralbereich eine Mehrzahl von Transmissionsmaxima auf, deren Abstand vorzugs¬ weise größer ist als die Bandbreite oder auch spektrale Auflö¬ sung des Fabry-Perot Interferometers im zweiten Spektralbe¬ reich. Es ist weiterhin denkbar, dass das zweite Etalon derart ausgebildet ist, dass zumindest einige der Transmissionsmaxima des zweiten Etalons Wellenlängen umfassen, die für die Bestandteile, deren Konzentration in dem Fluid untersucht werden soll, charakteristisch sind. The apparatus further comprises a second etalon which is arranged in the second beam path and modulates the radiation in the second spectral range in a similar manner as the ers ¬ te etalon radiation in the first spectral range. In particular, the second etalon in the second spectral range comprises a plurality of transmission maxima whose distance preference ¬ example is greater than the bandwidth or spectral resolu ¬ solution of the Fabry-Perot interferometer in the second areas of the spectrum ¬ rich. It is further conceivable that the second etalon is configured in such a way that at least some of the transmission maxima of the second etalon comprise wavelengths that are characteristic of the constituents whose concentration in the fluid is to be investigated.
Vorzugsweise sind auch die Oberflächen des zweiten Etalons nicht parallel zu den Oberflächen der in Ausbreitungsrichtung der Strahlung direkt vor und hinter dem zweiten Etalon angeordneten Elemente ausgerichtet, um zusätzliche unerwünschte Etaioneffekte zu vermeiden. Preferably, the surfaces of the second etalon are also not aligned parallel to the surfaces of the elements arranged in the propagation direction of the radiation directly in front of and behind the second etalon, in order to avoid additional undesirable etalon effects.
Diese bevorzugte Ausführungsform weist weiterhin eine zweite Messstrecke auf, entlang derer die von der zweiten Strahlungs¬ quelle emittierte Strahlung durch das Fluid tritt. Dabei ist es denkbar, dass die erste und die zweite Messstrecke die gleiche Länge aufweisen, wobei unter der Länge einer Messstre¬ cke die Strecke zu verstehen ist, die die Strahlung entlang der Messstrecke durch das Fluid zurücklegt. In einer bevorzug¬ ten Ausführungsform ist die erste Messstrecke integral mit der zweiten Messstrecke ausgebildet, d.h. fallen die erste und die zweite Messstrecke zusammen oder verlaufen auf dem gleichen Weg durch das Fluid. Eine derartige Vorrichtung ist besonders vorteilhaft, da die Absorptionsspektren in dem Fluid in zwei Spektralbereichen in der gleichen Messstrecke gemessen werden können und somit sichergestellt ist, dass die Konzentrations- messung nicht von räumlichen Unterschieden in der Konzentration der Bestandteile beeinflusst wird. This preferred embodiment further includes a second measurement path along which the light emitted from the second radiation source ¬ radiation passes through the fluid. It is conceivable that the first and the second measurement path have the same length, of the length of a Messstre ¬ blocks the route is to be understood that traverses the radiation along the measurement path through the fluid. In a Favor ¬ th embodiment, the first measurement section is integrally formed with the second measurement path, ie the first and the second measuring section coincide or extend on the same Way through the fluid. Such a device is particularly advantageous since the absorption spectra in the fluid can be measured in two spectral ranges in the same measuring path and thus it is ensured that the concentration measurement is not influenced by spatial differences in the concentration of the constituents.
Es ist allerdings auch vorstellbar, dass die erste und die zweite Messstrecke unterschiedliche Längen aufweisen. Letzte¬ res ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Fluid im ers¬ ten und im zweiten Spektralbereich unterschiedlich stark absorbiert. So ist es beispielsweise vorstellbar, dass ein Be¬ standteil des Fluids, dessen Konzentration bestimmt werden soll, im ersten Spektralbereich nur sehr schwach absorbiert. Um dennoch für den ersten Detektor messbare Änderungen der Absorption zu erreichen, wird eine längere erste Messstrecke verwendet. Umgekehrt ist es auch denkbar, dass beispielsweise die Konzentration eines Bestandteils des Fluids bestimmt wer¬ den soll, der bereits in geringen Konzentrationen im zweiten Spektralbereich stark absorbiert. In diesem Fall könnte die zweite Messstrecke entsprechend kurz gewählt werden, sodass auch bei hohen Konzentrationen noch vom zweiten Detektor messbare Veränderungen in der Absorption auftreten. However, it is also conceivable that the first and the second measuring section have different lengths. Last ¬ res is particularly advantageous when the fluid in the ers ¬ th and in the second spectral range absorbed to different extents. So it is for example conceivable that a Be ¬ standing part of the fluid whose concentration is to be determined, absorbs only very weak in the first spectral range. Nevertheless, in order to achieve measurable changes in the absorption for the first detector, a longer first measuring section is used. Conversely, it is also conceivable that, for example, the concentration of a constituent of the fluid determines who should ¬, the strongly absorbed already in low concentrations in the second spectral range. In this case, the second measuring section could be selected to be correspondingly short, so that measurable changes in the absorption occur even at high concentrations of the second detector.
In dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Fabry-Perot Interferometer in dem ersten und des zweiten Strahlengangs angeordnet. Mit anderen Worten passiert sowohl die von der ersten Strahlungsquelle emittierte Strahlung als auch die von der zweiten Strahlungsquelle emittierte Strahlung das Fabry-Perot Interferometer, wobei der erste und der zweite Strahlengang parallel, annähernd parallel oder übereinander durch das Fabry-Perot Interferometer verlaufen. In this preferred embodiment of the invention, the Fabry-Perot interferometer is arranged in the first and the second beam path. In other words, both the radiation emitted by the first radiation source and the radiation emitted by the second radiation source passes through the Fabry-Perot interferometer, wherein the first and the second optical path extend parallel, approximately parallel or one above the other through the Fabry-Perot interferometer.
So ist es beispielsweise vorstellbar, dass der erste und der zweite Strahlengang, nachdem die Strahlung das jeweilige Eta- lon passiert hat, auf den gleichen Strahlteiler treffen. Dabei ist der Strahlteiler beispielsweise so angeordnet, dass der von dem Strahlteiler transmittierte Anteil der von der ersten Strahlungsquelle emittierten Strahlung in dem Fabry-Perot In- terferometer den ersten Strahlengang bildet, während der von dem Strahlteiler reflektierte Anteil der von der zweiten Strahlungsquelle emittierten Strahlung dort den zweiten Strahlengang bildet. For example, it is conceivable that the first and the second beam path, after the radiation, the respective Eta lon happened to hit the same beam splitter. In this case, the beam splitter is arranged, for example, such that the portion of the radiation emitted by the first radiation source in the Fabry-Perot interferometer transmits the first beam path while the portion of the radiation emitted by the second radiation source is reflected there by the beam splitter forms the second beam path.
Die Vorrichtung weist darüber hinaus einen zweiten Detektor auf, der dazu geeignet ist, die Intensität der Strahlung in dem zweiten Spektralbereich zu messen, nachdem diese das zweite Etalon, die zweite Messstrecke und das Fabry-Perot Interfe- rometer passiert hat. The device further comprises a second detector adapted to measure the intensity of the radiation in the second spectral region after passing through the second etalon, the second measurement path and the Fabry-Perot interferometer.
Weiterhin ist das Fabry-Perot Interferometer derart ausgebil¬ det, dass der Abstand der Spiegeloberflächen so eingestellt werden kann, dass das Fabry-Perot Interferometer im zweiten Spektralbereich ein verschiebbares Bandpassfilter darstellt. Dabei kann das von dem Fabry-Perot Interferometer gebildete Bandpassfilter derart über den zweiten Spektralbereich - vorzugsweise kontinuierlich - verschoben werden, dass die spektrale Modulation durch das zweite Etalon als eine zeitliche Mo¬ dulation der Intensität der Strahlung von dem zweiten Detektor gemessen wird. Mit anderen Worten wird die spektrale Modulati¬ on der Strahlung durch das zweite Etalon mit dem Durchstimmen des Fabry-Perot Interferometers und das damit einhergehende Verschieben des Bandpassfilters in eine zeitliche Intensitäts¬ modulation der Strahlung übertragen. Furthermore, the Fabry-Perot interferometer is ausgebil ¬ det, that the distance of the mirror surfaces can be adjusted so that the Fabry-Perot interferometer is a displaceable bandpass filter in the second spectral range. Here, the band-pass filter formed by the Fabry-Perot interferometer can such via the second spectral region - are shifted, that the spectral modulation is measured by the second etalon as a temporal Mo ¬ dulation the intensity of the radiation from the second detector - preferably continuously. In other words, the spectral Modulati ¬ on the radiation through the second etalon with the tuning of the Fabry-Perot interferometer and the associated displacement of the band-pass filter is transmitted to a temporal intensity ¬ modulation of the radiation.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Fabry-Perot Interferometer derart ausgebildet, dass es zeitgleich Strahlung in dem ersten und in dem zweiten Spektralbereich transmittie- ren kann und dass das von dem Fabry-Perot Interferometer ge- bildete Bandpassfilter derart zeitgleich über den ersten und den zweiten Spektralbereich verschoben werden kann, dass die spektrale Modulation der Strahlung durch das erste und das zweite Etalon als eine zeitliche Modulation der Intensität der Strahlung von dem ersten und dem zweiten Detektor gemessen werden kann. Mit anderen Worten kann der Abstand der Spiegeloberflächen des Fabry-Perot Interferometers so eingestellt werden, dass es zeitgleich einen Bandpass in dem ersten und dem zweiten Spektralbereich bildet. Somit lassen sich der erste und der zweite Spektralbereiche zeitgleich abtasten und das Absorptionsspektrum des Fluids kann in beiden Spektralbereichen in besonders kurzer Zeit aufgenommen werden, wodurch es möglich ist, die Konzentration von Bestandteilen in einem Fluid zu messen, dessen Zusammensetzung sich in sehr kurzen Zeiträumen verändert. In a preferred embodiment, the Fabry-Perot interferometer is designed such that it can transmit radiation in the first and in the second spectral range at the same time and that the light emitted by the Fabry-Perot interferometer can be transmitted. bandpass filter can be shifted over the first and the second spectral range at the same time that the spectral modulation of the radiation by the first and the second etalon can be measured as a temporal modulation of the intensity of the radiation from the first and the second detector. In other words, the distance of the mirror surfaces of the Fabry-Perot interferometer can be adjusted so that it simultaneously forms a band pass in the first and the second spectral range. Thus, the first and second spectral regions can be scanned simultaneously, and the absorption spectrum of the fluid can be recorded in both spectral regions in a particularly short time, making it possible to measure the concentration of constituents in a fluid whose composition changes in very short periods of time ,
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zur Bestimmung des Absorptionsspektrums des Fluids aus den mit dem zwei¬ ten Detektor gemessenen Intensitäten der Strahlung ein zweiter Lock-In-Verstärker vorgesehen. In a further preferred embodiment for the determination of the absorption spectrum of the fluid from the measured with the two ¬ th detector intensities of the radiation a second lock-in amplifier is provided.
Es ist weiterhin bevorzugt, das erste Etalon integral mit dem zweiten Etalon auszubilden. Mit anderen Worten ist statt des ersten und des zweiten Etalons lediglich ein Etalon vorgesehen, dass sowohl in dem ersten als auch in dem zweiten Spektralbereich eine Mehrzahl von Transmissionsmaxima aufweist. Beispielsweise könnte eine 100 ym dicke Scheibe aus Silizium verwendet werden, die im Spektralbereich zwischen 4 ym und 5 ym 35 Transmissionsmaxima und im Spektralbereich zwischen 8 ym und 11 ym 25 Transmissionsmaxima aufweist. Hierdurch lässt sich die Baugröße der Vorrichtung deutlich verringern. It is further preferred to form the first etalon integrally with the second etalon. In other words, instead of the first and the second etalon, only one etalon is provided which has a plurality of transmission maxima both in the first and in the second spectral range. For example, a 100 ym thick slice of silicon could be used which has 35 transmission maxima in the spectral range between 4 ym and 5 ym and 25 transmission maxima in the spectral range between 8 ym and 11 ym. As a result, the size of the device can be significantly reduced.
Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn das erste Etalon derart im ersten und im zweiten Strahlengang als Strahlteiler angeordnet ist, dass der erste Strahlengang und der zweite Strah- lengang in Ausbreitungsrichtung der Strahlung hinter dem ersten Etalon parallel verlaufen. Mit anderen Worten werden das erste Etalon und das zweite Etalon durch ein gemeinsames Eta¬ lon ersetzt, das zugleich als ein Strahlteiler ausgebildet ist und den ersten und den zweiten Strahlengang derart zusammenführt, dass das Fabry-Perot Interferometer, das in Ausbrei¬ tungsrichtung der Strahlung hinter dem Etalon liegt, parallel von der von der ersten und der zweiten Strahlungsquelle emittierten Strahlung durchlaufen wird. Auch eine derartige Vorrichtung ist besonders vorteilhaft, da sich auf diese Weise eine besonders kompakte Bauweise realisieren lässt. It is particularly preferred if the first etalon is arranged in such a way in the first and in the second beam path as a beam splitter, that the first beam path and the second beam path. lengang run parallel in the propagation direction of the radiation behind the first etalon. In other words, the first etalon and the second etalon to be replaced by a common Eta ¬ lon, which is also designed as a beam splitter and the first and the second beam path brings together such that the Fabry-Perot interferometer in Ausbrei ¬ power direction of the radiation behind the etalon, is passed in parallel by the radiation emitted by the first and the second radiation source. Such a device is also particularly advantageous, since in this way a particularly compact design can be realized.
Es ist ebenfalls bevorzugt, den ersten Detektor integral mit dem zweiten Detektor auszubilden. Mit anderen Worten ist statt eines ersten und eines zweiten Detektors lediglich ein Detektor vorgesehen, der die Intensität der Strahlung sowohl in dem ersten als auch in dem zweiten Spektralbereich misst, wodurch eine besonders kompakte Ausgestaltung der Vorrichtung möglich ist . It is also preferable to form the first detector integrally with the second detector. In other words, instead of a first and a second detector, only one detector is provided, which measures the intensity of the radiation in both the first and in the second spectral range, whereby a particularly compact design of the device is possible.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass die erste Strahlungsquelle identisch mit der zweiten Strahlungsquelle ist. Mit anderen Worten ist statt zwei Strahlungsquellen lediglich eine Strahlungsquelle vorgesehen, die Strahlung im ersten und im zweiten Spektralbereich emittiert. Auch hierdurch lässt sich eine besonders kompakte Bauweise realisieren. It is further preferred that the first radiation source is identical to the second radiation source. In other words, instead of two radiation sources, only one radiation source is provided, which emits radiation in the first and in the second spectral range. This also makes it possible to realize a particularly compact design.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Strahlungsquelle ein thermischer Strahler, dessen Intensität zeitlich so schnell moduliert werden kann, dass die relative Änderung der Intensität der Strahlung in einem der beiden Spektralbereiche stärker ausgeprägt ist als in dem anderen Spektralbereich. Ist lediglich eine Strahlungsquelle vorhanden und diese als ther¬ mischer Strahler ausgebildet, so ist es vorteilhaft, die In¬ tensität der Strahlungsquelle zeitlich schnell zu modulieren. Ist die Modulationsfrequenz ausreichend hoch, so wirkt sich die Intensitätsmodulation lediglich auf den kurzwelligeren Spektralbereich aus, während der langwelligere der beiden Spektralbereiche im Wesentlichen nicht moduliert wird. Zeich¬ net ein Detektor eine Überlagerung der Absorptionsspektren im ersten und im zweiten Spektralbereich auf, so kann diese zusätzliche Modulation des kurzwelligeren Spektralbereiches auf besonders vorteilhafte Weise verwendet werden, um das erste und das zweite Absorptionsspektrum voneinander zu trennen. In a preferred embodiment, the first radiation source is a thermal radiator whose intensity can be modulated in time so rapidly that the relative change in the intensity of the radiation is more pronounced in one of the two spectral ranges than in the other spectral range. If only one radiation source is present and that formed as a ther ¬ mixer radiator, so it is advantageous to the intensity ¬ In the radiation source to modulate in time quickly. If the modulation frequency is sufficiently high, then the intensity modulation affects only the shorter wavelength spectral range, while the longer wavelength one of the two spectral ranges is essentially not modulated. Significant net ¬ a detector an overlay of the absorption spectra in the first and second spectral range, this additional modulation of shorter wavelength spectral range can be used in a particularly advantageous manner, to separate the first and second absorption spectrum from one another.
Die Vorrichtung kann auch derart ausgestaltet sein, dass die Absorption des Fluids in weiteren Spektralbereichen bestimmt werden kann. Hierzu weist die Vorrichtung für jeden weiteren Spektralbereich eine Strahlungsquelle auf, die in dem Spekt¬ ralbereich Strahlung entlang eines Strahlengangs emittiert. Entlang jedes Strahlengangs ist eine Messstrecke, ein Etalon und ein Detektor angeordnet, wobei die Strahlung entlang der Messstrecke durch das Fluid tritt, das Etalon zur Modulation der Strahlung in dem Spektralbereich eine Mehrzahl von Trans- missionsmaxima aufweist und der Detektor zur Messung der Intensität der Strahlung in dem Spektralbereich eingerichtet ist. Dabei sind die Strahlgänge derart ausgebildet, dass das Fabry-Perot Interferometer in jedem Strahlengang angeordnet ist. Das Fabry-Perot Interferometer ist dazu eingerichtet, in jedem der Spektralbereiche als verschiebbares Bandpassfilter Strahlung zu transmittieren, wobei das Bandpassfilter derart über die Spektralbereiche verschoben werden kann, dass die spektrale Modulation der Strahlung durch die Etalons als eine zeitliche Modulation der Intensität der Strahlung von den Detektoren gemessen werden kann. Bei einer derartigen Vorrichtung ist es denkbar, dass alle Strahlungsquellen, alle Etalons, alle Messstrecken und/oder alle Detektoren integral miteinander ausgebildet sind, wodurch sich eine breitbandige Vor¬ richtung zur Aufnahme von Absorptionsspektren in besonders kompakter Bauweise realisieren lässt. Die Aufgabe wird weiterhin von einem Verfahren zur Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gelöst, bei der das Fabry- Perot Interferometer derart durchgestimmt wird, dass das von dem Fabry-Perot Interferometer gebildete Bandpassfilter derart über den ersten Spektralbereich verschoben wird, dass die spektrale Modulation der Strahlung durch das erste Etalon als eine zeitliche Modulation der Intensität der Strahlung von dem ersten Detektor gemessen wird. The device can also be configured such that the absorption of the fluid in further spectral ranges can be determined. To this end the device for each additional spectral region a radiation source that emits in the Spekt ¬ ralbereich radiation along a beam path. Along each beam path, a measurement path, an etalon and a detector are arranged, the radiation passing through the fluid along the measurement path, the etalon for modulating the radiation in the spectral range having a plurality of transmission maxima and the detector for measuring the intensity of the radiation is set up in the spectral range. The beam paths are designed such that the Fabry-Perot interferometer is arranged in each beam path. The Fabry-Perot interferometer is adapted to transmit radiation in each of the spectral regions as a displaceable bandpass filter, wherein the bandpass filter can be shifted over the spectral regions such that the spectral modulation of the radiation through the etalons as a temporal modulation of the intensity of the radiation from the Detectors can be measured. In such a device, it is conceivable that all the radiation sources, all etalons, all measuring sections and / or all detectors are integrally formed with each other, whereby a broadband device for recording absorption spectra can be realized in a particularly compact construction. The object is further achieved by a method for using a device according to the invention, in which the Fabry-Perot interferometer is tuned so that the bandpass filter formed by the Fabry-Perot interferometer is shifted over the first spectral range such that the spectral modulation of the radiation the first etalon is measured as a temporal modulation of the intensity of the radiation from the first detector.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird zur Bestimmung des Absorptionsspektrums im ersten Spektralbereich ein von dem zweiten Detektor ausgegebenes Messsignal mit dem ersten Lock- In-Verstärker mit einem Referenzsignal verglichen. In a preferred embodiment, to determine the absorption spectrum in the first spectral range, a measurement signal output by the second detector is compared with the first lock-in amplifier with a reference signal.
Das hierfür benötige Referenzsignal kann auf vielfältige Weise bestimmt werden. Die von dem ersten Etalon und dem Fabry-Perot Interferometer erzeugten Intensitätsmaxima der Strahlung treten für gewöhnlich nicht in zeitlich konstantem Abstand auf. Daher kann in der Regel kein externes Referenzsignal mit einer konstanten Frequenz verwendet werden. Es ist jedoch vorstellbar, die Steuerung des Fabry-Perot Interferometers derart an¬ zupassen, dass die Maxima der intensitätsmodulierten Strahlung in zeitlich gleichem Abstand auftreten. In diesem Fall wäre es möglich, ein Referenzsignal mit konstanter Frequenz zu verwenden . The reference signal required for this purpose can be determined in a variety of ways. The intensity maxima of the radiation produced by the first etalon and the Fabry-Perot interferometer usually do not occur at a constant time interval. Therefore, an external reference signal with a constant frequency can not be used as a rule. It is conceivable, however, such a match, the control of the Fabry-Perot interferometer to ¬ that the maxima of intensity-modulated radiation in a temporally equidistant occur. In this case, it would be possible to use a constant frequency reference signal.
Alternativ ist es auch möglich, zunächst ein gesamtes Absorptionsspektrum für den ersten Spektralbereich aufzuzeichnen und mit einer Auswerteeinheit derart zu transformieren, dass die Intensitätsmaxima zeitlich gleich beabstandet sind. Das auf diese Weise erzeugte Messsignal kann ebenfalls mit einem ex¬ tern erzeugten Referenzsignal verglichen werden. Es ist auch denkbar, zunächst ein Absorptionsspektrum aufzunehmen, bei dem die erste bzw. zweite Messstrecke mit einem Referenzfluid bekannter Zusammensetzung gefüllt oder evakuiert ist, und das von dem Detektor hierbei ausgegebene Messsignal für weitere Messungen als Referenzsignal zu verwenden. Alternatively, it is also possible first to record an entire absorption spectrum for the first spectral range and to transform it with an evaluation unit in such a way that the intensity maxima are temporally equally spaced. The measuring signal produced in this manner can also be compared with an ex ¬ tern generated reference signal. It is also conceivable first to record an absorption spectrum in which the first or second measurement path is filled or evacuated with a reference fluid of known composition, and to use the measurement signal output by the detector for further measurements as a reference signal.
Wird kein Lock-In-Verstärker verwendet, so ist es auch denkbar, ein Absorptionsspektrum zu bestimmen, in dem über die von dem Detektor gemessenen Intensitätsmaxima integriert wird. Aus dem Zeitpunkt, zu dem ein Intensitätsmaximum auftritt, kann bei bekannter Breite des Fabry-Perot Interferometers zu dem Zeitpunkt auf die Wellenlänge geschlossen werden, die bei die¬ ser Einstellung des Fabry-Perot Interferometers transmittiert wird und somit auch auf die Wellenlänge, zu der das jeweilige Intensitätsmaximum auftritt. Wird nun über das gesamte Intensitätsmaximum, d.h. von einem Intensitätsminimum zum nächsten integriert, so kann aus dem Vergleich des Wertes des Integrals mit einer Referenzmessung auf die relative Absorption bei der Wellenlänge geschlossen werden und ein vollständiges Absorpti¬ onsspektrum in dem ersten Spektralbereich erstellt werden, ohne das ein Lock-In-Verstärker notwendig ist. If no lock-in amplifier is used, it is also conceivable to determine an absorption spectrum in which the intensity maxima measured by the detector are integrated. From the time at which an intensity maximum occurs, at a known width of the Fabry-Perot interferometer are closed at the time of the wavelength that is transmitted at the ¬ ser setting of the Fabry-Perot interferometer and thus on the wavelength to which the respective intensity maximum occurs. Is now over the entire maximum intensity, that is integrated by an intensity minimum to the next, it can from the comparison of the value of the integral with a reference measurement of the relative absorption at the wavelength to be closed and a complete Absorpti ¬ onsspektrum are created in the first spectral range, without that a lock-in amplifier is necessary.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Fabry- Perot Interferometer derart durchgestimmt, dass das von dem Fabry-Perot Interferometer gebildete Bandpassfilter derart ü- ber den zweiten Spektralbereich verschoben wird, dass die spektrale Modulation der Strahlung durch das zweite Etalon als eine zeitliche Modulation der Intensität der Strahlung von dem zweiten Detektor gemessen wird. Auch bei dieser Ausführungsform ist es weiterhin bevorzugt, wenn zur Bestimmung des Absorptionsspektrums im zweiten Spektralbereich ein von dem zweiten Detektor ausgegebenes Messsignal mit dem zweiten Lock- In-Verstärker mit einem Referenzsignal verglichen wird. Darüber hinaus ist es besonders bevorzugt, dass das Fabry- Perot Interferometer derart durchgestimmt wird, dass zeit¬ gleich das Absorptionsspektrum des Fluids in dem ersten und in dem zweiten Frequenzbereich bestimmt werden kann. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, da sie es erlaubt, ein Absorptionsspektrum des Fluids im ersten und im zweiten Spektralbereich in besonders kurzer Zeit aufzuzeichnen. In a further preferred embodiment, the Fabry-Perot interferometer is tuned in such a way that the bandpass filter formed by the Fabry-Perot interferometer is shifted over the second spectral range such that the spectral modulation of the radiation by the second etalon is a temporal modulation of the intensity the radiation is measured by the second detector. In this embodiment, too, it is further preferred if, for determining the absorption spectrum in the second spectral range, a measurement signal output by the second detector is compared with the second lock-in amplifier with a reference signal. In addition, it is particularly preferred that the Fabry-Perot interferometer is tuned in such a way that time ¬ equal to the absorption spectrum of the fluid in the first and in the second frequency range can be determined. This embodiment is particularly advantageous because it allows to record an absorption spectrum of the fluid in the first and in the second spectral range in a particularly short time.
Dies ist insbesondere auch dann möglich, wenn zur Messung der Intensität der Strahlung im ersten und im zweiten Spektralbereich nur ein Detektor verwendet wird, da die Intensitätsmodu¬ lation der Strahlung durch ein erstes und ein zweites Etalon, die auch integral (d.h. als ein Element) ausgebildet sein kön¬ nen, erfolgt. Zunächst misst ein einzelner Detektor eine Überlagerung der Absorptionsspektren im ersten und im zweiten Spektralbereich. Da die Intensitätsmaxima der Strahlung jedoch nach dem Passieren der oder des Etalons unterschiedliche, vom Spektralbereich abhängige Abstände aufweisen, können die Absorptionsspektren nach der Aufzeichnung auf einfache Weise aufgetrennt werden. Dies kann elektronisch, über eine Fourieranalyse oder über zwei Lock-In-Verstärker erfolgen, die verschiedene, für den jeweiligen Spektralbereich charakteristische Referenzsignale verwenden. In diesem Zusammenhang kann also neben der Amplitudenmodulation für das Lock-in Verfahren auch die Frequenzmodulation für eine Fourieranalyse der Signalfolge benutzt werden. This is especially possible if only one detector is used to measure the intensity of radiation in the first and second spectral range, since the Intensitätsmodu ¬ lation of the radiation through a first and a second etalon, which is also integrally (ie, as an element) be formed Kgs ¬ NEN, takes place. First, a single detector measures a superposition of the absorption spectra in the first and second spectral range. However, since the intensity maxima of the radiation after passing through the etalon or have different, dependent on the spectral range distances, the absorption spectra can be separated after recording in a simple manner. This can be done electronically, via a Fourier analysis or via two lock-in amplifiers, which use different reference signals characteristic of the respective spectral range. In this context, in addition to the amplitude modulation for the lock-in method, the frequency modulation can also be used for a Fourier analysis of the signal sequence.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand einer vier Ausführungsbeispiele darstellende Zeichnung erläutert. Die Zeichnung zeigt in The present invention will be explained below with reference to a drawing illustrating four embodiments. The drawing shows in
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemä¬ ßen Vorrichtung, Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemä¬ ßen Vorrichtung, 1 shows a first embodiment of an inventive device Shen ¬ Fig. 2 shows a second embodiment of an inventive device ¬ SEN,
Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemä¬ ßen Vorrichtung. Fig. 3 shows a third embodiment of an inventive ¬ Shen device.
Fig. 4 ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemä¬ ßen Vorrichtung, Fig. 4 shows a fourth embodiment of an inventive device ¬ SEN,
Fig. 5 ein fünftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemä¬ ßen Vorrichtung, Fig. 5 shows a fifth embodiment of an inventive device ¬ SEN,
Fig. 6 ein Verfahren zur Bestimmung eines Absorptionsspektrums aus einem von einem Detektor ausgegeben Mes- signal , 6 shows a method for determining an absorption spectrum from a measuring signal output by a detector,
Fig. 7 ein Transmissionsspektrum eines Etalons des ersten 7 shows a transmission spectrum of an etalon of the first
Ausführungsbeispiels in einem ersten Spektralbereich,  Embodiment in a first spectral range,
Fig. 8 ein Transmissionsspektrum eines Etalons des ersten 8 shows a transmission spectrum of an etalon of the first
Ausführungsbeispiels in einem zweiten Spektralbereich und  Embodiment in a second spectral range and
Fig. 9 eine Überlagerung der in den Figuren 7 und 8 dargestellten Transmissionsspektren. 9 shows a superimposition of the transmission spectra shown in FIGS. 7 and 8.
In Figur 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfin¬ dungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, die eine erste Strahlungsquelle 1, ein erstes Etalon 3, eine erste Messstrecke 5, ein Fabry-Perot Interferometer 7 und einen Detektor 9 aufweist, die entlang eines ersten Strahlengangs 11 angeordnet sind. Bei der ersten Strahlungsquelle 1 handelt es sich um ei¬ nen thermischen Strahler (z.B. Membranstrahler, Wendelstrahler oder Nernststift) , der über einen Spektralbereich von 2 ym bis 20 ym ein kontinuierliches Spektrum aufweist, dessen Maximum bei ungefähr 5 ym liegt. 1 shows a first embodiment of an OF INVENTION ¬ to the invention apparatus is shown having a first radiation source 1, a first etalon 3, a first measuring section 5, a Fabry-Perot interferometer 7 and a detector 9, which are arranged along a first beam path 11 , The first radiation source 1 is a thermal radiator (eg membrane radiator, helical radiator or Nernst pin) which extends over a spectral range from 2 μm to .mu.m 20 ym has a continuous spectrum whose maximum is about 5 ym.
Das in Ausbreitungsrichtung der Strahlung hinter der Strahlungsquelle 1 angeordnete Etalon 3 besteht aus einer 100 ym dicken Siliziumscheibe, die in einem ersten Spektralbereich und in einem zweiten Spektralbereich Strahlung transmittiert und in beiden Spektralbereichen eine Mehrzahl von Transmissi- onsmaxima aufweist. Die berechnete Transmission des Etalons 3 im ersten Spektralbereich, der die Wellenlängen von 4 ym bis 5 ym umfasst, ist in Figur 7 dargestellt, wobei auf der Abszis¬ senachse 13 die Wellenlänge in m dargestellt ist und auf der Ordinatenachse 15 die relative Transmission. Im ersten Spekt¬ ralbereich weist das Etalon 3 35 Transmissionsmaxima 17 und ebenso viele Transmissionsminima 19 auf. In Figur 8 ist die berechnete Transmission des Etalons 3 im zweiten Spektralbe¬ reich, der die Wellenlängen zwischen 8 ym und 11 ym umfasst, dargestellt, wobei für gleichlautende Elemente aller Zeichnun¬ gen die gleichen Bezugszeichen verwendet worden sind. Auf der Abzissenachse 13 ist in Figur 8 die Wellenlänge in m darge¬ stellt und auf der Ordinatenachse 15 die relative Transmission des Etalons 3. Im zweiten Spektralbereich weist das Etalon 3 25 Transmissionsmaxima 17 und ebenso viele Transmissionsminima 19 auf. The etalon 3 arranged in the direction of propagation of the radiation behind the radiation source 1 consists of a silicon wafer having a thickness of 100 μm, which transmits radiation in a first spectral range and in a second spectral range and has a plurality of transmission maxima in both spectral ranges. The calculated transmission of the etalon 3 in the first spectral region ym wavelengths of 4 comprises up to 5 ym, is shown in Figure 7, wherein on the Radofs ¬ senachse 13, the wavelength is shown in m and the relative transmission on the ordinate axis 15 °. In the first Spekt ¬ ralbereich, the etalon transmission maxima at 3 35 17 and as many transmission minima 19th 8 shows the calculated transmission of the etalon 3 in the second areas of the spectrum is rich ¬ comprising wavelengths between 8 and 11 ym ym, shown, wherein for identical elements of all Zeichnun ¬ gene, the same reference numerals have been used. On the abscissa axis 13 in Figure 8 is the wavelength in m represents ¬ Darge and on the ordinate axis 15, the relative transmission of the etalon 3. In the second spectral region, the etalon 25 transmission peaks 17 3 and as many transmission minima 19.
In Ausbreitungsrichtung der Strahlung entlang des ersten Strahlengangs 11 ist nachfolgend eine erste Messstrecke 5 an¬ geordnet, bei der es sich beispielsweise um eine mit einem Atemgas gefüllte Küvette handelt. Das Etalon 3 ist derart an¬ geordnet, dass die zur Oberfläche der Küvette weisende Ober¬ fläche 21 nicht parallel zu dieser verläuft, um unerwünschte Etaioneffekte zwischen der Küvette und dem Etalon 3 zu vermei¬ den . Nachfolgend ist in dem ersten Strahlengang 11 das Fabry-Perot Interferometer 7 angeordnet, das eine erste und eine zweite Spiegeloberfläche 23, 25 aufweist, wobei die erste Spiegel¬ oberfläche 23 parallel zur zweiten Spiegeloberfläche 25 ver¬ läuft und auf diese zuweist. Der Abstand der Spiegeloberflä¬ chen 23, 25 des Fabry-Perot Interferometers 7 kann so einge¬ stellt werden, dass das von dem Fabry-Perot Interferometer 7 gebildete Bandpassfilter gleichzeitig Strahlung im ersten und im zweiten Spektralbereich transmittiert. In the direction of propagation of the radiation along the first beam path 11, a first measuring section 5 is referred to ¬ sorted, which is, for example, is a column filled with a respiratory gas cuvette. The etalon 3 is such to ¬ arranged that the top surface 21 does not extend ¬ facing the surface of the cuvette parallel to this, unwanted Etaioneffekte between the cuvette and the etalon 3 to vermei ¬. Subsequently, in the first beam path 11, the Fabry-Perot interferometer 7 is arranged, which has a first and a second mirror surface 23, 25, wherein the first mirror ¬ surface 23 parallel to the second mirror surface 25 ver ¬ runs and assigns to them. The spacing of the Spiegeloberflä ¬ surfaces 23, 25 of the Fabry-Perot interferometer 7 can be turned so ¬ assumed that the band-pass filter formed by the Fabry-Perot interferometer 7 transmits radiation in the first and second spectral range simultaneously.
Wiederum nachfolgend in Ausbreitungsrichtung der Strahlung ist ein Detektor 9 angeordnet, der die Intensität der Strahlung misst, nachdem diese das Etalon 3, die erste Messstrecke 5 und das Fabry-Perot Interferometer 7 durchquert hat. Bei dem De¬ tektor 9 kann es sich beispielsweise um einen Quantendetektor oder einen thermischen Detektor wie beispielsweise einen py- roelektrischen Sensor handeln. Once again in the propagation direction of the radiation, a detector 9 is arranged, which measures the intensity of the radiation after it has crossed the etalon 3, the first measuring section 5 and the Fabry-Perot interferometer 7. In the De ¬ Tektor 9 may be for example, a quantum detector or a thermal detector such as a py roelektrischen sensor.
Zum Aufnehmen eines Absorptionsspektrums des in der ersten Messstrecke 5 angeordneten Gases wird der Abstand der Spiegel¬ oberflächen 23, 25 kontinuierlich so verändert, dass das von dem Fabry-Perot Interferometer 7 gebildete Bandpassfilter zeitgleich den ersten und den zweiten Spektralbereich abtastet. Zu jedem Zeitpunkt zeichnet der Detektor 9 eine Intensi¬ tät der Strahlung auf, die über den Abstand der Spiegeloberflächen 23, 25 des Fabry-Perot Interferometers 7 zu diesem Zeitpunkt den Wellenlänge zugeordnet werden kann, die das von dem Fabry-Perot Interferometer 7 gebildete Bandpassfilter bei diesem Abstand transmittiert bzw. passieren lässt. Der Detektor 9 misst folglich eine Überlagerung der in dem ersten und dem zweiten Spektralbereich transmittierten Strahlung. To record an absorption spectrum of the gas arranged in the first measuring section 5, the distance between the mirror surfaces 23, 25 is continuously changed so that the bandpass filter formed by the Fabry-Perot interferometer 7 simultaneously scans the first and second spectral ranges. At any time, the detector 9 records a Intensi ¬ ty of the radiation at this time, the wavelength can be assigned to the distance of the mirror surfaces 23, 25 of the Fabry-Perot interferometer 7, the band-pass filter formed by the Fabry-Perot interferometer 7 transmits or passes at this distance. The detector 9 consequently measures a superposition of the radiation transmitted in the first and the second spectral range.
In Figur 9 ist eine entsprechende Überlagerung der Transmissi¬ onsspektren des ersten Etalons 3 in dem ersten und dem zweiten Spektralbereich dargestellt, wobei die obere Abzissenachse 27 die Wellenlänge im ersten Spektralbereich in m darstellt, die untere Abzissenachse 29 die Wellenlänge im zweiten Spektralbe¬ reich und die Ordinatenachse 31 die relative Intensität der an dem Detektor 9 gemessenen Strahlung. In Figure 9, an appropriate overlay of the TRANSMISSI ¬ onsspektren of the first etalon 3 is illustrated in the first and the second spectral range, with the upper axis of abscissa 27 represents the wavelength in the first spectral range in m, the lower abscissa axis 29, the wavelength in the second areas of the spectrum ¬ rich and the ordinate axis 31, the relative intensity of the measured radiation at the detector 9.
Das erfindungsgemäße erste Ausführungsbeispiel ist besonders vorteilhaft, da es eine besonders kompakte Vorrichtung bereit¬ stellt, die es erlaubt das Absorptionsspektrum eines Fluids gleichzeitig mit intensitätsmodulierter Strahlung in zwei Spektralbereichen aufzuzeichnen, ohne das makromechanische Bauteile verwendet werden müssen. Derartige Vorrichtungen sind wartungsarm, langlebig und kostengünstig zu fertigen. The first embodiment of the invention is particularly advantageous since it provides a particularly compact apparatus ¬ which allows to record the absorbance spectrum of a fluid simultaneously with intensity modulated radiation in two spectral regions without the macro mechanical components must be used. Such devices are low maintenance, durable and inexpensive to manufacture.
Um die Absorptionsspektren im ersten und im zweiten Spektralbereich zu erhalten, muss das von dem Detektor 9 ausgegebene Messsignal 33 aufgetrennt werden. Hierzu kann die unterschied¬ liche Häufigkeit der Transmissionsmaxima 17 im ersten und im zweiten Spektralbereich verwendet werden, deren Lage zudem bekannt ist. Beispielsweise kann die Vorrichtung einen ersten und einen zweiten Lock-In-Verstärker (nicht dargestellt) aufweisen, mit denen das Messsignal 33 jeweils mit einem für den Spektralbereich geeigneten Referenzsignal verglichen werden. Als Referenzsignal kann dabei beispielsweise das Messsignal 33 einer Referenzmessung in dem jeweiligen Spektralbereich verwendet werden. In order to obtain the absorption spectra in the first and in the second spectral range, the measurement signal 33 output by the detector 9 has to be separated. For this, the difference ¬ Liche frequency of the transmission maxima can be 17 used in the first and second spectral range, the position of which also is known. By way of example, the device may have a first and a second lock-in amplifier (not shown) with which the measuring signal 33 is compared with a reference signal suitable for the spectral range. For example, the measurement signal 33 of a reference measurement in the respective spectral range can be used as the reference signal.
Es ist auch möglich, den ersten und den zweiten Spektralbereich über eine Fourieranalyse aufzutrennen, wobei ebenfalls die unterschiedliche Häufigkeit der Transmissionsmaxima in den beiden Spektralbereichen ausgenutzt wird. It is also possible to separate the first and the second spectral range by means of a Fourier analysis, wherein likewise the different frequency of the transmission maxima in the two spectral ranges is utilized.
In Figur 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfin¬ dungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, bei der die Reihenfolge des Fabry-Perot Interferometers 7 und der ersten Messstrecke 5 vertauscht sind. Zudem handelt es sich bei dem Detektor 35 um einen breitbandigen photoakustischen Sensor (z.B. Mikrofon, Cantilever, stimmgabelförmiger Schwingquarz o.a.), der in der die erste Messstrecke 5 bildenden Küvette 37 angeordnet ist. Die Verwendung von photoakustischen Sensoren ist vorteilhaft, da sie zum einen eine Erfassung der Absorptionsspektren über einen weiten Wellenlängen- und Dynamikbereich erlauben. Zum anderen wird ein Signal nur erzeugt, wenn tatsächlich ein absorbierendes Fluid vorhanden ist. Auch kleine Signale, d.h. nur schwache Absorptionen, sind daher noch mit gutem Kontrast detektierbar . 2 shows a second embodiment of a ¬ OF INVENTION apparatus is shown to the invention, in which the order of the Fabry-Perot interferometer 7 and the first measuring section 5 are reversed. In addition, the detector 35 is at a broadband photoacoustic sensor (eg microphone, cantilever, tuning fork-shaped oscillating quartz or the like), which is arranged in the first measuring path 5 forming cuvette 37. The use of photoacoustic sensors is advantageous because it allows for a detection of the absorption spectra over a wide wavelength and dynamic range. On the other hand, a signal is only generated if an absorbing fluid is actually present. Even small signals, ie only weak absorptions, can therefore still be detected with good contrast.
Ein drittes Ausführungsbeispiel ist in Figur 3 dargestellt, bei der neben der ersten Strahlungsquelle 1 eine zweite Strah¬ lungsquelle 39 vorgesehen ist. Die erste und die zweite Strah¬ lungsquelle 1, 39 sind beide breitbandige thermische Strahler, deren Strahlung durch geeignete Bandpassfilter 41, 43 auf den ersten und den zweiten Spektralbereich eingeschränkt werden. Die von der zweiten Strahlungsquelle 39 emittierte Strahlung wird entlang eines zweiten Strahlengangs 45 durch die Vorrich¬ tung geführt. A third embodiment is shown in Figure 3, wherein a second Strah ¬ radiation source 39 is provided adjacent to the first radiation source. 1 The first and second Strah ¬ radiation source 1, 39 are both wide-band thermal emitter, the radiation of which are restricted by suitable bandpass filters 41, 43 on the first and the second spectral range. The radiation emitted by the second radiation source 39 radiation is guided along a second beam path 45 through the Vorrich ¬ processing.
Entlang des ersten und des zweiten Strahlengangs 11, 45 sind in Ausbreitungsrichtung hinter dem Bandpassfilter ein erstes Etalon 3 und ein zweites Etalon 47 angeordnet, die eine Mehr¬ zahl von Transmissionsmaxima in dem ersten bzw. zweiten Spektralbereich aufweisen. Along the first and second beam path 11, 45 is a first etalon 3, and a second etalon 47 are arranged in the propagation direction behind the band-pass filter having a multi ¬ plurality of transmission peaks in the first and second spectral range.
Die von der ersten und der zweiten Strahlungsquelle emittierten Strahlungen treffen auf den gleichen Strahlteiler 49, der so angeordnet ist, dass nachfolgend der erste und der zweite Strahlengang übereinander oder auch parallel durch die erste Messstrecke 5, die integral mit der zweiten Messstrecke ausge¬ bildet ist (mit ihr zusammenfällt) , und das Fabry-Perot Inter- ferometer 7 laufen und auf den gleichen Detektor 9 treffen. Das in Figur 3 dargestellte Ausführungsbeispiel ist vorteil¬ haft, da die erste und die zweite Strahlungsquelle 1, 39 unab¬ hängig voneinander geschaltet werden können und es somit auf einfache Weise möglich ist, Absorptionsspektren in nur einem der beiden Spektralbereiche aufzuzeichnen. The light emitted from the first and the second radiation source radiation incident on the same beam splitter 49 which is arranged so that subsequently the first and the second beam path above the other or in parallel by the first measuring section 5 forming ¬ integrally with the second measuring section (coincides with it), and the Fabry-Perot Interferometer 7 run and hit the same detector 9. The embodiment illustrated in Figure 3 is advantageous ¬ way, since the first and the second radiation source 1, 39 inde pendent ¬ can be switched from each other and it is thus possible in a simple manner to record absorption spectra in only one of the two spectral ranges.
Auch können unterschiedlich dicke Etalons 3 und 47 eingesetzt werden, was es erlaubt, die Modulationen in dem ersten und dem zweiten Spektralbereich jeweils separat an das Absorptions¬ spektrum des Fluids anzupassen. Also, different thickness etalon 3 and 47 can be used, which allows to adapt the modulations in the first and the second spectral range separately to the absorption ¬ spectrum of the fluid.
In Figur 4 ist viertes Ausführungsbeispiel dargestellt, das eine Abwandelung des in Figur 3 dargestellten dritten Ausführungsbeispiels ist. Statt eines ersten Etalons 3, eines zwei¬ ten Etalons 47 und eines Strahlteilers 49, wird lediglich ein erstes Etalon 3 verwendet, das zugleich als Strahlteiler und als Etalon im ersten und im zweiten Spektralbereich dient. Hierbei wird ausgenutzt, dass ein Etalon auch die Funktion ei¬ nes Bandpassfilters hat, wenn es Strahlung reflektiert. Die in Figur 4 dargestellt erfindungsgemäße Vorrichtung ist besonders vorteilhaft, das sie zwei unabhängige Strahlungsquellen und trotzdem eine besonders kompakte Bauweise aufweist. FIG. 4 shows a fourth exemplary embodiment, which is a modification of the third exemplary embodiment shown in FIG. Instead of the first etalon 3, a two-¬ th etalon 47 and a beam splitter 49, a first etalon 3 is merely used, which also serves as a beam splitter and as an etalon in the first and second spectral range. This exploits that an etalon also has the function ei ¬ nes bandpass filter when it reflects radiation. The device according to the invention shown in FIG. 4 is particularly advantageous since it has two independent radiation sources and nevertheless a particularly compact construction.
In Figur 5 ist ein fünftes Ausführungsbeispiel dargestellt, das die Verwendung eines ersten und eines zweiten Etalons 3, 47 vor einer von einem Gas durchströmten Küvette 37 zeigt, in denen die Strahlung entlang einer ersten und einer zweiten Messstrecke 5, 5' durch das Gas tritt, wobei die erste und die zweite Messstrecke 5 ,5' unterschiedlich lang sind. Diese Kon¬ figuration hat den Vorteil, dass auf dem längeren Weg Gase mit geringem Absorptionswirkungsquerschnitt , auf dem kürzeren Weg aber Gase mit hohem Absorptionswirkungsquerschnitt gleichzei¬ tig über einen weiten Konzentrationsbereich erfasst werden können . Zuletzt ist in Fig. 6 schematisch eine Verfahren zur Bestimmung eines Absorptionsspektrums aus einem Messsignal darge¬ stellt. In dem oberen Diagramm in Fig. 6 ist auf der Abzisse- nachse 51 die Wellenlänge und auf der Ordinatenachse 53 die Transmission des Etalons und des Fabry-Perot Interferometers dargestellt, wobei die gestrichelte Kurve 55 die Transmission des Etalons wiedergibt und die durchgezogene Kurve 57 die Transmission des Fabry-Perot Interferometers , die von kleinen zu großen Wellenlängen verschoben wird. Zur Bestimmung des Absorptionsspektrums wird während der Aufzeichnung des Messsig¬ nals über die Intensitätsmaxima und -minima integriert. Dies ist schematisch in dem unteren Diagramm in Fig. 6 gezeigt, bei dem auf der Abzissenachse 51 ebenfalls die Wellenlänge und auf der Ordinatenachse 59 das integrierte Messsignal 61 darge¬ stellt ist. Aus dem Wert des Integrals über ein Minimum bzw. Maximum, deren Lage bekannt ist, lässt sich aus dem Vergleich mit einer Referenzmessung ein Absorptionsspektrum und damit eine Aussage über die Konzentration der Bestandteile in einem Fluid machen. Dieses Verfahren ist besonders vorteilhaft, da das Absorptionsspektrum eines Fluids bestimmt werden kann, ohne dass es notwendig ist, einen Lock-In-Verstärker zu verwenden . FIG. 5 shows a fifth exemplary embodiment, which shows the use of a first and a second etalon 3, 47 in front of a cuvette 37 through which a gas flows, in which the radiation passes through the gas along a first and a second measuring section 5, 5 ' , wherein the first and the second measuring section 5, 5 'have different lengths. These con ¬ figuration has the advantage that on the longer path gases with low absorption cross-section, on the shorter route but gases with a high absorption cross section can be detected gleichzei ¬ tig over a wide concentration range. Recently a method for the determination of an absorption spectrum of a measurement signal is schematically Darge ¬ represents in Fig. 6. In the upper diagram in FIG. 6, the abscissa 51 represents the wavelength and the ordinate axis 53 the transmission of the etalon and the Fabry-Perot interferometer, the dashed curve 55 representing the transmission of the etalon and the solid curve 57 representing the Transmission of the Fabry-Perot interferometer, which is shifted from small to large wavelengths. To determine the absorption spectrum of Messsig ¬ Nalles on the intensity maxima and minima is integrated during recording. This is schematically shown in the lower diagram in Fig. 6, in which on the abscissa axis 51 is also the wavelength and the ordinate axis 59, the integrated measuring signal 61 is Darge ¬ represents. From the value of the integral over a minimum or maximum, the position of which is known, an absorption spectrum and thus a statement about the concentration of the constituents in a fluid can be made from the comparison with a reference measurement. This method is particularly advantageous because the absorption spectrum of a fluid can be determined without the need to use a lock-in enhancer.
Bezugs zeichenliste : Reference sign list:
I Erste Strahlungsquelle I First radiation source
3 Erstes Etalon 3 First Etalon
5 Erste Messstrecke  5 first test section
7 Fabry-Perot Interferometer  7 Fabry-Perot interferometer
9 Detektor  9 detector
II Erster Strahlengang  II first ray path
13 Abzissenachse 13 abscissa axis
15 Ordinate  15 ordinates
17 Transmissionsmaxima  17 transmission maxima
21 Zur Küvette weisende Oberfläche des ersten Etalons 21 Cuvette-facing surface of the first etalon
23 Verspiegelte Oberfläche 23 Mirrored surface
25 Verspiegelte Oberfläche  25 mirrored surface
27 Obere Abzissenachse  27 Upper abscissa axis
29 Untere Abzissenachse  29 Lower abscissa axis
31 Ordinatenachse Messsignal 31 ordinate axis measuring signal
Detektor detector
Küvette cuvette
Zweite Strahlungsquelle Second radiation source
Bandpassfilter Bandpass filter
Bandpassfilter Bandpass filter
Zweiter Strahlengang Second ray path
Zweites Etalon Second Etalon
Strahlteiler beamsplitter
Abzissenachse abscissa
Ordinatenachse axis of ordinates
Transmissionskurve des Etalons Transmission curve of the etalon
Transmissionskurve des Fabry-Perot Interferometers Ordinatenachse Transmission curve of the Fabry-Perot interferometer ordinate axis
Integriertes Messsignal Integrated measuring signal

Claims

Patentansprüche claims
Vorrichtung zur Aufnahme eines Absorptionsspektrums eines Fluids Device for recording an absorption spectrum of a fluid
mit einer ersten Strahlungsquelle (1), die entlang eines ersten Strahlengangs (11) eine Strahlung in einem ersten Spektralbereich emittiert,  with a first radiation source (1) which emits radiation along a first beam path (11) in a first spectral range,
mit einer in dem ersten Strahlengang (11) angeordneten ersten Messstrecke (5) , entlang derer die Strahlung durch das Fluid tritt,  with a first measuring path (5) arranged in the first beam path (11), along which the radiation passes through the fluid,
mit einem in dem ersten Strahlengang (11) angeordneten durchstimmbaren Fabry-Perot Interferometer (7), das als ein verschiebbarer Bandpassfilter Strahlung in dem ersten Spektralbereich transmittieren kann, und  with a tunable in the first beam path (11) Fabry-Perot interferometer (7), which can transmit as a slidable bandpass filter radiation in the first spectral range, and
mit einem ersten Detektor (9, 35) zur Messung der Intensität der Strahlung in dem ersten Spektralbereich,  with a first detector (9, 35) for measuring the intensity of the radiation in the first spectral range,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass die Vorrichtung ein erstes Etalon (3) zur spektralen Modulation der Strahlung aufweist, das in dem ersten Strahlengang (11) angeordnet ist und das in dem ersten Spektralbereich eine Mehrzahl von Transmissionsmaxima (17) aufweist, und  in that the device has a first etalon (3) for the spectral modulation of the radiation, which is arranged in the first beam path (11) and which has a plurality of transmission maxima (17) in the first spectral range, and
dass das Fabry-Perot (7) dazu eingerichtet ist, dass das von dem Fabry-Perot Interferometer (7) gebildete Band¬ passfilter derart über den ersten Spektralbereich verschoben werden kann, dass die spektrale Modulation der Strahlung durch das erste Etalon (3) als eine zeitliche Modula¬ tion der Intensität der Strahlung von dem ersten Detektor (9, 35) gemessen werden kann. that the Fabry-Perot (7) is adapted to that of the Fabry-Perot interferometer (7) formed tape ¬ pass filter can be shifted in such a way via the first spectral range, the spectral modulation of the radiation through the first etalon (3) as a temporal Modula ¬ tion of the intensity of the radiation from the first detector (9, 35) can be measured.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Absorptionsspektrums des Fluids aus den mit dem ersten Detektor (9, 35) gemessenen Intensitäten der Strahlung ein erster Lock- In-Verstärker vorgesehen ist . Apparatus according to claim 1, characterized in that for determining the absorption spectrum of the fluid from the first detector (9, 35) measured intensities of the radiation, a first lock-in amplifier is provided.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Strahlungsquelle (39) entlang eines zweiten Strahlengangs (45) eine Strahlung in einem zweiten Spektralbereich emittiert, Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that a second radiation source (39) along a second beam path (45) emits radiation in a second spectral range,
dass die Vorrichtung einen zweiten Detektor zur Messung der Intensität der Strahlung in dem zweiten Spektralbereich aufweist,  in that the device has a second detector for measuring the intensity of the radiation in the second spectral range,
dass in dem zweiten Strahlengang (45) eine zweite Messstrecke (5') angeordnet ist, entlang derer die von der zweiten Strahlungsquelle (39) emittierte Strahlungen durch das Fluid tritt,  in that a second measuring path (5 ') is arranged in the second beam path (45), along which the radiation emitted by the second radiation source (39) passes through the fluid,
dass der erste und der zweite Strahlengang (11, 45) derart ausgebildet sind, dass das Fabry-Perot Interferome- ter (7) in dem ersten und dem zweiten Strahlengang (11, 45) angeordnet ist,  the first and the second beam path (11, 45) are formed such that the Fabry-Perot interferometer (7) is arranged in the first and the second beam path (11, 45),
dass das Fabry-Perot Interferometer (7) als ver¬ schiebbares Bandpassfilter Strahlung in dem zweiten Spektralbereich transmittieren kann, that the Fabry-Perot interferometer (7) can transmit a ver ¬ slideable bandpass filter radiation in the second spectral region,
dass die Vorrichtung ein zweites Etalon (47) zur spektralen Modulation der Strahlung aufweist, das in dem zweiten Strahlengang (45) angeordnet ist und das in dem zweiten Spektralbereich eine Mehrzahl von Transmissionsma- xima (17) aufweist, und  in that the device has a second etalon (47) for the spectral modulation of the radiation, which is arranged in the second beam path (45) and which has a plurality of transmission maxima (17) in the second spectral range, and
dass das Fabry-Perot Interferometer (7) dazu einge¬ richtet ist, dass das von dem Fabry-Perot Interferometer (7) gebildete Bandpassfilter derart über den zweiten Spektralbereich verschoben werden kann, dass die spektrale Modulation der Strahlung durch das zweite Etalon (47) als eine zeitliche Modulation der Intensität der Strahlung von dem zweiten Detektor gemessen werden kann. is that the Fabry-Perot interferometer (7) to be ¬ oriented such that the of the Fabry-Perot interferometer (7) band-pass filter formed can be displaced in such via the second spectral range, the spectral modulation of the radiation through the second etalon (47) as a temporal modulation of the intensity of the radiation from the second detector can be measured.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Fabry-Perot Interferometer (7) derart ausgebildet ist, dass es zeitgleich Strahlung in dem ersten und in dem zweiten Spektralbereich transmittieren kann, und Device according to Claim 3, characterized in that the Fabry-Perot interferometer (7) is designed in such a way that that it can simultaneously transmit radiation in the first and in the second spectral range, and
dass das von dem Fabry-Perot Interferometer (7) gebildete Bandpassfilter derart zeitgleich über den ersten und den zweiten Spektralbereich verschoben werden kann, dass die spektrale Modulation der Strahlung durch das erste und das zweite Etalon (3, 47) als eine zeitliche Modu¬ lation der Intensität der Strahlung von dem ersten und dem zweiten Detektor (9, 35) gemessen werden kann. that of the Fabry-Perot interferometer (7) band-pass filter formed can be displaced in such a simultaneously via the first and the second spectral range, the spectral modulation of the radiation through the first and second etalon (3, 47) as a time modu ¬ lation the intensity of the radiation from the first and the second detector (9, 35) can be measured.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Absorptionsspektrums des Flu¬ ids aus den mit dem zweiten Detektor gemessenen Intensitäten der Strahlung ein zweiter Lock-In-Verstärker vorgesehen ist. 5. Apparatus according to claim 3 or 4, characterized in that for determining the absorption spectrum of the Flu ¬ ids from the measured with the second detector intensities of the radiation, a second lock-in amplifier is provided.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Etalon (3) integral mit dem zweiten Etalon (47) ausgebildet ist. 6. Device according to one of claims 3 to 5, characterized in that the first etalon (3) is formed integrally with the second etalon (47).
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Messstrecke (5) mit der zwei¬ ten Messstrecke (5') zusammenfällt. 7. Device according to one of claims 3 to 6, characterized in that the first measuring section (5) coincides with the second ¬ th measuring section (5 ').
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Detektor (9, 35) integral mit dem zweiten Detektor ausgebildet ist. 8. Device according to one of claims 3 to 7, characterized in that the first detector (9, 35) is integrally formed with the second detector.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Strahlungsquelle (1) integral mit der zweiten Strahlungsquelle (39) ausgebildet ist. 9. Device according to one of claims 3 to 8, characterized in that the first radiation source (1) is formed integrally with the second radiation source (39).
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Strahlungsquelle (1) ein thermischer Strahler ist und dass die Intensität der ersten Strahlungsquelle (1) zeitlich so schnell moduliert werden kann, dass die rela¬ tive Änderung der Intensität der Strahlung in einem der beiden Spektralbereiche stärker ausgeprägt ist als in dem anderen Spektralbereich. 10. The device according to claim 9, characterized in that the first radiation source (1) is a thermal radiator and that the intensity of the first radiation source (1) can be modulated in time so fast that the rela tive ¬ change in the intensity of the radiation in one of the two spectral regions is more pronounced than in the other spectral range.
11. Verfahren zur Aufnahme eines Absorptionsspektrums eines Fluids in einem ersten Spektralbereich mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, 11. A method for recording an absorption spectrum of a fluid in a first spectral range with a device according to one of claims 1 to 10,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass das Fabry-Perot Interferometer (7) derart durch¬ gestimmt wird, dass das von dem Fabry-Perot Interferometer (7) gebildete Bandpassfilter derart über den ersten Spektralbereich verschoben wird, dass die spektrale Modulation der Strahlung durch das erste Etalon (3) als eine zeitli¬ che Modulation der Intensität der Strahlung von dem ersten Detektor (9, 35) gemessen wird. that the Fabry-Perot interferometer (7) is so tuned by ¬ that of the Fabry-Perot interferometer (7) band-pass filter is formed is shifted so via the first spectral range, the spectral modulation of the radiation through the first etalon (3) as a zeitli ¬ che modulation of the intensity of the radiation from the first detector (9, 35) is measured.
12. Verfahren nach Anspruch 11, sofern abhängig von Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Absorptionsspektrums im ersten Spektralbereich ein von dem ersten Detektor (9, 35) ausgegebenes Messsignal (33) mit dem ersten Lock-In-Verstärker mit einem Referenzsignal verglichen wird. 12. The method of claim 11, if dependent on claim 2, characterized in that for determining the absorption spectrum in the first spectral range of the first detector (9, 35) output measuring signal (33) with the first lock-in amplifier with a reference signal is compared.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, sofern abhängig von Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Fabry-Perot Interferometer (7) derart durchgestimmt wird, dass das von dem Fabry-Perot Interferometer (7) gebildete Bandpassfil¬ ter derart über den zweiten Spektralbereich verschoben wird, dass die spektrale Modulation der Strahlung durch das zweite Etalon (47) als eine zeitliche Modulation der Intensität der Strahlung von dem zweiten Detektor gemessen wird . 13. The method of claim 11 or 12, when dependent on claim 3, characterized in that the Fabry-Perot interferometer (7) is tuned such that formed from said Fabry-Perot interferometer (7) Bandpassfil ¬ ter second in such a way over the Spectral range is shifted, that the spectral modulation of the radiation by the second etalon (47) is measured as a temporal modulation of the intensity of the radiation from the second detector.
14. Verfahren nach Anspruch 13, sofern abhängig von Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Absorptionsspektrums im zweiten Spektralbereich ein von dem zweiten Detektor ausgegebenes Messsignal (33) mit dem zweiten Lock-In-Verstärker mit einem Referenzsignal verglichen wird. 14. The method according to claim 13, if dependent on claim 5, characterized in that for determining the absorption spectrum in the second spectral range, a measurement signal (33) output by the second detector is compared with the second lock-in amplifier with a reference signal.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, sofern abhängig von Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Fabry-Perot Interferometer (7) derart durchgestimmt wird, dass zeit¬ gleich das Absorptionsspektrum des Fluids in dem ersten und in dem zweiten Frequenzbereich bestimmt werden kann. 15. The method of claim 13 or 14, if dependent on claim 4, characterized in that the Fabry-Perot interferometer (7) is tuned so that time ¬ equal to the absorption spectrum of the fluid in the first and in the second frequency range can be determined ,
EP13716250.9A 2012-04-05 2013-04-04 Device and method for fast recording of an absorption spectrum of a fluid Withdrawn EP2834607A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102012007030.6A DE102012007030C5 (en) 2012-04-05 2012-04-05 Apparatus and method for rapidly acquiring an absorption spectrum of a fluid
PCT/EP2013/057112 WO2013150102A1 (en) 2012-04-05 2013-04-04 Device and method for fast recording of an absorption spectrum of a fluid

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP2834607A1 true EP2834607A1 (en) 2015-02-11

Family

ID=48095823

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP13716250.9A Withdrawn EP2834607A1 (en) 2012-04-05 2013-04-04 Device and method for fast recording of an absorption spectrum of a fluid

Country Status (6)

Country Link
US (1) US9939374B2 (en)
EP (1) EP2834607A1 (en)
JP (2) JP6290173B2 (en)
CN (1) CN104412080B (en)
DE (1) DE102012007030C5 (en)
WO (1) WO2013150102A1 (en)

Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5987573B2 (en) 2012-09-12 2016-09-07 セイコーエプソン株式会社 Optical module, electronic device, and driving method
DE102014016515B4 (en) * 2014-11-10 2021-04-29 Dräger Safety AG & Co. KGaA Optical gas sensor
DE102015012429B4 (en) * 2015-09-25 2019-09-05 Drägerwerk AG & Co. KGaA Method for signal acquisition in a gas analysis system
DE102016009366B4 (en) 2016-08-03 2019-12-05 Drägerwerk AG & Co. KGaA Apparatus for analyzing an anesthetic respiratory gas and anesthetic ventilator
FR3055703B1 (en) * 2016-09-05 2020-12-18 Elichens GAS ANALYSIS PROCESS
US10620165B2 (en) * 2016-12-29 2020-04-14 Infineon Technologies Ag Photoacoustic gas analyzer for determining species concentrations using intensity modulation
DE102017202640A1 (en) 2017-02-20 2018-08-23 Robert Bosch Gmbh Microspectrometer, method and controller for operating a microspectrometer
DE102017202636A1 (en) 2017-02-20 2018-08-23 Robert Bosch Gmbh Microspectrometer, method and controller for operating a microspectrometer
EP3692347B1 (en) 2017-10-06 2024-03-27 Bio-Rad Laboratories, Inc. Protein quantitation devices and method
JP7440869B2 (en) * 2018-11-21 2024-02-29 積水メディカル株式会社 Optical resonator, carbon isotope analysis device and carbon isotope analysis method using the same
DE102018009981A1 (en) 2018-12-21 2020-06-25 Dräger Safety AG & Co. KGaA Alcohol detection device with redundant measuring channels and method for measuring an ethanol concentration in breathing air
JP2020128940A (en) * 2019-02-08 2020-08-27 アズビル株式会社 Measurement device, measurement system, and measurement method
DE102019205195A1 (en) * 2019-04-11 2020-10-15 Robert Bosch Gmbh Optical analysis device for generating a spectrum from a sample and method for operating an optical analysis device
DE102021111431A1 (en) 2020-06-29 2021-12-30 Dräger Safety AG & Co. KGaA Surveillance system
US11835451B2 (en) 2021-03-25 2023-12-05 Asahi Kasei Microdevices Corporation Gas sensor
CN113945528B (en) * 2021-10-08 2023-10-10 中国科学院合肥物质科学研究院 Ammonia gas measurement device and method based on Fabry-Perot interferometer

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE69025639T2 (en) * 1989-05-01 1996-07-18 Rosemount Analytical Inc Method and device for measuring the optical absorption of gas mixtures
US5606419A (en) * 1992-11-18 1997-02-25 Norsk Hydro A.S. Spectroscopic measuring device having filter consisting of interference filter, one or two fixed-mirror etalons and a single movable -mirror etalon

Family Cites Families (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3373651A (en) * 1966-11-28 1968-03-19 Design Inc Interferometric spectrometer utilizing three fabry-perot etalons in series
US3914055A (en) * 1974-05-23 1975-10-21 Lansing Research Corp Instrument for high resolution spectral analysis with large optical throughput
US4035643A (en) * 1974-06-11 1977-07-12 Allied Chemical Corporation Infrared gas analysis
US4525067A (en) * 1982-10-22 1985-06-25 The United States Of America As Represented By The Secretary Of Commerce Twin-etalon scanning spectrometer
DE3812334A1 (en) * 1988-04-14 1989-10-26 Hartmann & Braun Ag INTERFEROMETRIC DEVICE
DE3925692C1 (en) 1989-08-03 1990-08-23 Hartmann & Braun Ag, 6000 Frankfurt, De
DE59006449D1 (en) * 1989-10-12 1994-08-18 Hartmann & Braun Ag METHOD AND ARRANGEMENT FOR FABRY PEROT SPECTROSCOPY.
US5128798A (en) * 1991-02-07 1992-07-07 International Business Machines Corporation Addressable wedge etalon filter
FI96450C (en) * 1993-01-13 1996-06-25 Vaisala Oy Single-channel gas concentration measurement method and equipment
JP3343156B2 (en) * 1993-07-14 2002-11-11 アークレイ株式会社 Optical component concentration measuring apparatus and method
JPH0979980A (en) 1995-09-13 1997-03-28 Yazaki Corp Gas detector and gas detecting apparatus
GB2314617B (en) * 1996-06-24 2000-08-23 Graviner Ltd Kidde High sensitivity gas detection
FI101749B1 (en) * 1996-12-30 1998-08-14 Instrumentarium Oy Accurate measurement of concentration for a gas component in a gas mixture in which other components affect determination of the concentration
JP2000104058A (en) * 1998-09-28 2000-04-11 Sony Corp Production of luminescent material
DE19925196C2 (en) 1999-05-26 2001-12-13 Inst Chemo Biosensorik Gas sensor arrangement
US6947218B2 (en) * 2002-08-30 2005-09-20 Research Electro-Optics, Inc. Fabry-perot etalon with independently selectable resonance frequency and free spectral range
US20040145741A1 (en) * 2003-01-24 2004-07-29 Honeywell International Inc. Comb etalon fluid analyzer
JP2004309296A (en) * 2003-04-07 2004-11-04 Horiba Ltd Light absorption type analyzer
US7065112B2 (en) * 2003-05-12 2006-06-20 Princeton Optronics, Inc. Wavelength locker
US7061618B2 (en) * 2003-10-17 2006-06-13 Axsun Technologies, Inc. Integrated spectroscopy system
JP2005321244A (en) 2004-05-07 2005-11-17 Shimadzu Corp Optical measuring instrument
JP2008026397A (en) 2006-07-18 2008-02-07 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Light source and gas measuring device
DE102006045253B3 (en) * 2006-09-26 2007-12-20 Dräger Medical AG & Co. KG Gas e.g. laughing gas, concentration measuring device, has reflective mirrors, where distance between mirrors is changeable on basis of Fabry Perot interferometer, and transmissions of radiations are facilitated in two spectral regions
JP2010169625A (en) 2009-01-26 2010-08-05 Anritsu Corp Gas detector
DE102009011421B3 (en) 2009-03-03 2010-04-15 Drägerwerk AG & Co. KGaA Method for operating gas concentration measuring device for e.g. monitoring concentration of alcohol in breathing gas of animal, involves synchronizing control voltage with light control signals
JP2010286291A (en) 2009-06-10 2010-12-24 Hioki Ee Corp Infrared spectroscope and infrared spectral measuring device
CN101806725B (en) * 2010-04-19 2012-05-09 哈尔滨工程大学 Suspension-core optical fiber-based gas absorption spectrum line reference device
CN102230889A (en) * 2011-06-22 2011-11-02 天津大学 Air concentration measuring system and method based on super-continuum spectrum light source

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE69025639T2 (en) * 1989-05-01 1996-07-18 Rosemount Analytical Inc Method and device for measuring the optical absorption of gas mixtures
US5606419A (en) * 1992-11-18 1997-02-25 Norsk Hydro A.S. Spectroscopic measuring device having filter consisting of interference filter, one or two fixed-mirror etalons and a single movable -mirror etalon

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of WO2013150102A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
DE102012007030A1 (en) 2013-10-10
JP6290173B2 (en) 2018-03-07
WO2013150102A1 (en) 2013-10-10
DE102012007030C5 (en) 2019-01-10
US9939374B2 (en) 2018-04-10
CN104412080B (en) 2017-03-29
JP2015512521A (en) 2015-04-27
JP6370442B2 (en) 2018-08-08
US20150300948A1 (en) 2015-10-22
DE102012007030B4 (en) 2015-12-31
JP2017187503A (en) 2017-10-12
CN104412080A (en) 2015-03-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2013150102A1 (en) Device and method for fast recording of an absorption spectrum of a fluid
DE3811475C2 (en)
DE69535012T2 (en) Method and apparatus for measuring the concentration of absorbing components in a scattering medium
EP2520924A1 (en) Method and measurement assembly for improving signal resolution in gas absorption spectroscopy
DE2511771C3 (en)
EP0094374A1 (en) Method for the continuous measurement of the mass of aerosol particles in gaseous samples, and device for carrying out the method
DE102012223874B3 (en) Method for measuring the concentration of a gas component in a sample gas
EP2770319B2 (en) Gas measuring device
DE69925930T2 (en) METHOD AND DEVICE FOR MEASURING THE INNER PROPERTIES OF A SPREADING ABSORBENT
DE102014226827A1 (en) Method, apparatus and sensor for determining an absorption behavior of a medium
DE2414229A1 (en) DEVICE FOR ANALYZING GASEOUS MIXTURES
DE102006045253B3 (en) Gas e.g. laughing gas, concentration measuring device, has reflective mirrors, where distance between mirrors is changeable on basis of Fabry Perot interferometer, and transmissions of radiations are facilitated in two spectral regions
EP2132551B1 (en) Photoacoustic detector with two beam paths for excitation light
DE2927156A1 (en) DEVICE FOR MEASURING THE OXYGEN CONCENTRATION
EP2584328A1 (en) Device for high resolution detection of the concentration of substances in fluid media
DE102011078156A1 (en) Gas chromatograph and method for gas chromatographic analysis of a gas mixture
DE2948590A1 (en) METHOD AND DEVICE FOR GAS ANALYSIS
DE102011083750A1 (en) Method and arrangement for adjusting a laser spectrometer
DE102004031643A1 (en) Non-dispersive infrared gas analyzer
DE102016108544A1 (en) Measuring device and method for detecting different gases and gas concentrations
EP3273152A1 (en) Assembly for the measurement of gas concentrations
DE3544015C2 (en)
DE3736673C2 (en)
WO2021048321A1 (en) Method and apparatus for performing nonlinear spectroscopy on a sample
DE10238356A1 (en) Quantitive gas absorption spectrometer for power station combustion chambers uses Fourier transform processing with sampling at less than wavelength modulation frequency.

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20141105

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: BA ME

DAX Request for extension of the european patent (deleted)
RAP1 Party data changed (applicant data changed or rights of an application transferred)

Owner name: DRAEGERWERK AG & CO. KGAA

17Q First examination report despatched

Effective date: 20170222

GRAP Despatch of communication of intention to grant a patent

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR1

INTG Intention to grant announced

Effective date: 20190614

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20191025