DE19713928C1 - Meßvorrichtung zur Infrarotabsorption - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung zur Konzentrationsbestimmung von Gasen durch Infrarotabsorption mit zwei Strahlungsquellen und zwei Strahlungsdetektoren.

Eine derartige Meßvorrichtung geht aus der Deutschen Patentschrift DE 195 20 488 C1 hervor, bei der das zu messende Gas in einen Hohlleiter strömt, der als Meßstrecke dient, und wobei im allgemeinen die Absorption infraroter Strahlung durch das nachzuweisende Gas ein Maß für dessen Konzentration ist. Nachteilig bei dieser bekannten Meßvorrichtung ist die Tatsache, daß die Intensität am Ort der strahlungsempfindlichen Detektoren in Abhängigkeit von der Anzahl der Krümmungen im Hohlleiter sehr gering werden kann.

Aus der US 4,620,104 ist eine Meßvorrichtung mit einer Infrarotstrahlung emittierenden Strahlungsquelle bekanntgeworden, welche aus mehreren, elektrisch leitenden Filmen besteht, die auf einem isolierenden Substrat angeordnet sind und mittels zeitabhängiger elektrischer Ströme gezielt erwärmt werden.

Die DE 41 33 131 C1 offenbart eine Meßanordnung, bei der Licht von vorzugsweise einer Lichtquelle mit mindestens zwei Wellenlängenkomponenten gebündelt zu einem Lichtteiler ausgesandt wird, der das Lichtbündel in ein Referenzlichtbündel und ein Meßlichtbündel teilt, und wobei mit zugehörigen Empfängern und elektronischer Signalauswertung für die Messung spezifische Quotienten gebildet werden.

In der DE-OS 19 29 737 wird eine Vorrichtung zur optischen Konzentration beschrieben, die aus mehreren, verschieden ausgebildeten Spiegeln besteht.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Meßvorrichtung zur Konzentrationsbestimmung von Gasen, und zwar insbesondere von explosiven Gasen oder Gasgemischen bereitzustellen, die trotz auftretender Verschmutzungen oder Strahlabdeckungen der äußeren, den Gasen oder Gemischen von Gasen ausgesetzten optischen Flächen sowie trotz möglicher mechanischer Dejustagen stabile Meßwerte liefert.

Die Lösung der Aufgabe erhält man mit den Merkmalen von Anspruch 1. Die Unteransprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstands nach Anspruch 1.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung besteht darin, daß ein kompaktes, robustes, auch für extreme Einsatzbedingungen geeignetes Gerät zur Verfügung gestellt wird. Erfindungsgemäße Meßvorrichtungen werden typischerweise im stationären Betrieb an Industriestandorten eingesetzt, um giftige und/oder explosive gas- bzw. dampfförmige Stoffe in der Atmosphäre zum Schutz von Personen und Anlagen zu messen. Unter den üblichen Einsatzbedingungen treten weiter Verschmutzungen der Optik durch Aerosole und Staub, veränderliche Luftfeuchtigkeiten von praktisch 0 bis fast 100% relativer Feuchte und Temperaturbereiche von -40°C bis +70°C auf. Insbesondere im Off-shore-Bereich ist zusätzlich die Bildung von Salzkristallen häufig, jedoch ist der Schutz der empfindlichen Teile einer optischen Gasmeßeinrichtung durch Staubfilter oder Membranen unerwünscht, weil der Zutritt des zu messenden Gases in derartigen Fällen ebenfalls behindert wird. Deshalb sind sogenannte offene Meßsysteme ohne Meßküvette in diesen Anwendungsfällen bevorzugt. Die eigentliche Meßküvette besteht hier nur noch aus den Begrenzungen der Stirnflächen der Meßküvette durch Infrarotfenster und Spiegel ohne seitliche Begrenzung der Küvette. Besonders wichtig ist die durch den Erfindungsgegenstand erfüllte Forderung eines stabilen, drift- und fehlerfreien Betriebs einer infrarotoptischen Meßvorrichtung über längere Zeiträume von bis zu mehreren Jahren. Der Erfindungsgegenstand betrifft eine infrarotoptische Meßvorrichtung zur Konzentrationsbestimmung von Gasen, wobei die eigentliche Gasmeßstrecke offen ist.

Es ist bekannt, in optischen Gassensoren zur Kompensation von nicht gasbedingten, gemessenen Intensitätsabnahmen der Infrarotstrahlung zwei Strahlungsdetektoren zu verwenden. Während der erste Detektor nur Strahlung aus einem Wellenlängenbereich mißt, in dem das nachzuweisende Gas eine Absorptionsbande besitzt, ist der zweite Detektor nur für Strahlung aus einem spektral benachbarten Bereich, in welchem das Gas nicht absorbiert, empfindlich. Der Quotient aus diesen beiden Signalen ändert sich nur, wenn in der Gasmeßstrecke das nachzuweisende Gas vorhanden ist. Verschmutzungen und andere nicht spektrale Änderungen der Strahlungsleistung sollten im allgemeinen auf beide Detektoren gleichermaßen wirken, so daß der Quotient in diesen Fällen konstant bleibt. Allerdings können auch in einem Aufbau mit zwei Detektoren Driften auftreten, die durch eine Verschmutzung des Strahlenganges verursacht werden. Da Verschmutzungen im allgemeinen nicht homogen über den Strahlquerschnitt verteilt sind, ändert sich hinter dem verschmutzten optischen Element die räumliche Strahlungsleistungsverteilung über den Querschnitt des optischen Systems. In Zusammenhang mit der verbleibenden Asymmetrie bei der Aufteilung der Strahlung auf zwei Detektoren führt dies zu einer Änderung des Quotienten, also zu einer Drift der Anzeige des Gerätes. Die Erfindung stellt eine Meßvorrichtung bereit, deren optische Anordnung auch gegenüber asymmetrischen Störungen im Strahlengang unempfindlich ist. Insbesondere bezieht sich die erfindungsgemäße Meßvorrichtung auf sogenannte nichtdispersive Infrarotanalysatoren, die durch die Verwendung von gasspezifischen Interferenzfiltern mit Bandpaßcharakteristik wenig querempfindlich auf andere in der Meßatmosphäre enthaltene Gase oder Luftfeuchtigkeit sind.

Der prinzipielle Aufbau einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung soll mit Hilfe der einzigen Figur an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. Der beschriebene Gassensor verfügt über zwei gleiche breitbandige Temperaturstrahler, deren Strahlung im gesamten emittierten Spektralbereich mittels je eines Parabolspiegels kollimiert wird. Eine komplette Strahlungsquelle 1 oder 2 besteht hier aus einem Parabolspiegel und einer Glühlampe. Der kollimierte Lichtstrahl der Strahlungsquelle 1 durchläuft ein Gasvolumen mit dem zu messenden Gas vorgegebener Länge, um dann auf einen Strahlenteiler 5 zu treffen, hinter dem zwei selektive Strahlungsdetektoren 3 und 4 angeordnet sind. Vor dem Strahlungsdetektor 3 befindet sich ein Interferenzfilter 100 mit Bandpaßcharakteristik, dessen spektraler Durchlaßbereich im Absorptionsgebiet des nachzuweisenden Gases liegt. Im Durchlaßbereich des zweiten Interferenzfilters 10, das vor dem zweiten Strahlungsdetektor 4 angeordnet ist, befinden sich keine Absorptionslinien; weder von dem zu messenden Gas noch von anderen in der Meßatmosphäre üblicherweise enthaltenen Gasen. Die zweite Strahlungsquelle 2 strahlt direkt, ohne Durchstrahlung des Gasvolumens, in den gleichen Strahlenteiler 5, der auch die Strahlung der ersten Strahlungsquelle 1 auf die Strahlungsdetektoren 3, 4 verteilt. Die Modulation der Strahlungsquellen 1, 2 mit unterschiedlichen Frequenzen und die Demodulation der Detektorsignale mittels Lock-In-Ver­ stärkern, ermöglicht die Zuordnung der unterschiedlichen Signale je Strahlungsdetektor 3 oder 4 zur jeweiligen Strahlungsquelle 1 oder 2. Wesentlich für die erfindungsgemäße Meßvorrichtung ist, daß zwischen Strahlenteiler 5 und jedem Strahlungsdetektor 3 oder 4 jeweils ein nicht abbildender Konzentrator 14, 15 angeordnet ist. Diese Konzentratoren 14, 15 sollen die parallel einfallende Strahlung bündeln und eine gleichförmige Strahlungsverteilung in der Ebene des strahlungsempfindlichen Detektorkristalls 110, 11 erzeugen. Die Konzentratoren 14, 15 können je nach den Vorgaben des speziellen Strahlenganges und/oder dem mechanischen Platzangebot im jeweiligen Gerät, ein bestimmtes konisches oder parabolisches Profil besitzen oder in der Form eines CPC (Compound Parabolic Concentrator) ausgeführt sein. Die innere Oberfläche 8 der Konzentratoren 14, 15 ist hochreflektierend ausgeführt. In einem konventionellen Strahlenteileraufbau werden die Detektoren aufgrund mechanischer Toleranzen, Inhomogenitäten im Strahlprofil und der vorhandenen Strahldivergenz mit nicht exakt denselben räumlichen Intensitätsverteilungen bestrahlt. Eine Änderung der räumlichen Intensitätsverteilung durch asymmetrische Verschmutzung des Strahlenganges wirkt sich daher auch unterschiedlich auf die Detektoren aus und führt zu einer unerwünschten Änderung des Quotienten aus Meß- und Referenzsignal bzw. zu einer Drift der Anzeige des Gasmeßgerätes. Durch den Einsatz nicht abbildender Konzentratoren 14, 15 wird die räumliche Intensitätsverteilung am Ort des Strahlungsdetektors 3 und 4 durchmischt und geglättet und die in der Eintrittsapertur des Konzentrators 14 und 15 vorliegende Strahlungsleistung wird unmittelbar hinter der Austrittsapertur des Konzentrators 14 und 15 auf den Detektorkristall 110 und 11 konzentriert. Wichtig ist, daß die in die Konzentratoren 14, 15 eintretenden Strahlen nicht entgegen ihrer ursprünglichen Richtung aus den Konzentratoren 14, 15 wieder herausreflektiert werden. Ein konischer Konzentrator 14 und 15 besitzt demnach eine optimale Länge, deren Überschreitung bei gleichbleibendem Kegelwinkel keine weitere Erhöhung der optischen Effizienz zur Folge hat. Die besten Ergebnisse wurden mit Konzentratoren 14, 15 erzielt, die eine Eintrittsapertur von 15 mm Durchmesser, einen Öffnungswinkel von 14°, eine Länge von 20 mm sowie eine Austrittsapertur von 5 mm Durchmesser aufweisen, wobei die Größe der Eintrittsapertur dem Querschnitt des verwendeten einfallenden Lichtbündels angepaßt ist, insbesondere diesem gleich ist. Das Lichtbündel hat diesen Querschnitt, um unempfindlich gegen einzelne Tropfen und Staubkörner zu sein, die sich auf den äußeren optischen Flächen (durch Streben 30 fixierter Planspiegel 13 sowie infrarotdurchlässiges Fenster 12) absetzen können. Der Öffnungswinkel ist auf den Blickfeldwinkel der verwendeten Strahlungsdetektoren 3, 4 abgestimmt. Für die bevorzugt eingesetzten pyroelektrischen Detektoren beträgt dieser Winkel 60°. Ein parallel zur optischen Achse einfallender Lichtstrahl der im vorderen Teil des Konzentrators 14 oder 15 auf die verspiegelte Oberfläche 8 trifft, hat nach zwei Reflexionen im Konzentrator 14 oder 15 einen maximalen Winkel von 4×14° = 56° gegen die optische Achse. Bei mehr als zwei Reflexionen der eintretenden Lichtstrahlen in den Konzentratoren 14, 15 ist abhängig vom Öffnungs- bzw. Kegelwinkel der Konzentratoren 14, 15 der Winkel mit der optischen Achse des optischen Konzentrators 14 oder 15 größer als 90°, was zur Folge hat, daß der Strahl entgegen seiner ursprünglichen Richtung wieder zur Einfallsrichtung hin aus dem Konzentrator 14 oder 15 hinausreflektiert wird. Ein konischer Konzentrator 14 oder 15 besitzt demnach eine optimale Länge, deren Überschreitung bei gleichbleibendem Kegelwinkel keine weitere Erhöhung des Wirkungsgrades der optischen Intensität zur Folge hat. Die erfindungsgemäße, mit Hilfe der Figur erläuterte Meßvorrichtung ist dann von asymmetrischen Strahlstörungen unabhängig, wenn jeweils die gesamte, vom Strahlenteiler 5 reflektierte bzw. transmittierte Strahlung in den zugehörigen Konzentrator 14 oder 15 eingestrahlt wird und wenn das Intensitätsmaximum hinter dem Konzentrator 14 oder 15 jeweils vollständig auf den Detektorkristall 11 oder 110 gebündelt wird und wenn die Intensitätsverteilung in der Detektorebene bei einer asymmetrischen Störung des Strahlenganges eine möglichst gleichmäßige, örtlich unstrukturierte Intensitätsabnahme zeigt. Eine geometrisch ungleichmäßige Strahlenteilung, bei der beispielsweise in einem Konzentrator 14 oder 15 ein Anteil von 50% der Intensität eingestrahlt wird, in den anderen aber aufgrund mechanischer Dejustage nur 40%, hätte zur Folge, daß unsymmetrische Strahlstörungen auch den Quotienten der gemessenen Strahlungsintensitäten beeinflussen. Durch die Blende 6 vor dem Strahlenteiler 5 wird das parallele, einfallende Strahlenbündel so weit begrenzt, daß es trotz geringer Dejustagen des Strahlenganges, beispielsweise durch mechanische Toleranzen und trotz der verbleibenden Divergenz des Bündels vollständig in den Konzentrator 14 und 15 fällt. Wichtig und vorteilhaft beim Erfindungsgegenstand ist die Tatsache, daß eine nicht abbildende Optik für die Intensitätsbündelung in der Detektorebene verwendet wird. Diese Eigenschaft hat zur Folge, daß erfindungsgemäße Meßvorrichtungen deutlich unempfindlicher gegenüber mechanischen Dejustagen des Strahlenganges sind. Somit sind auch Serienprodukte deutlich kostengünstiger, weil optisch unempfindlicher machbar. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ergibt sich durch die nicht abbildende Optik in Bezug auf die genaue Lage des Strahlenteilers 5. So würde ein Kippen eines Parabolreflektors nur zu einer Verschiebung eines wenig strukturierten Lichtreflexes in der Eintrittsapertur des Strahlenteilergehäuses führen. An diesen Effekt sind aber offensichtlich keine großen Signalverluste oder Strukturänderungen in der Detektorebene (keine Bildverschiebung) gekoppelt. Die Bündelung der Strahlung auf die Detektoren wird im erfindungsgemäßen optischen System erst am Ende des Strahlengangs mit Hilfe der Konzentratoren 14, 15 vorgenommen. Zusammengefaßt wird eine infrarotoptische Meßvorrichtung zur Konzentrationsbestimmung von Gasen vorgeschlagen, deren Optik auch gegenüber asymmetrischen Störungen im Strahlengang unempfindlich ist und die die Vorteile der Verwendung eines Meß- und Referenzdetektors mit zwei Strahlungsquellen zur Kompensation von Temperaturdriften und Alterungseffekten beibehält.

Claims (4)

1. Meßvorrichtung zur Konzentrationsbestimmung von Gasen durch Infrarotabsorption mit zwei Strahlungsquellen (1, 2) und zwei Strahlungsdetektoren (3, 4) mit folgenden Merkmalen:

• - die beiden Strahlungsdetektoren (3, 4) sind mit je einem optischen Konzentrator (14, 15) versehen und zusammen mit den beiden gleichen Strahlungsquellen (1, 2) und mit einem Strahlenteiler (5) in einem gasdichten Gehäuse (40) angeordnet,
• - die eine Strahlungsquelle (1) ist durch ein infrarotdurchlässiges Fenster (12) auf einen Planspiegel (13) außerhalb des gasdichten Gehäuses (40) ausgerichtet, so daß der am Planspiegel (13) reflektierte Strahlengang nachfolgend durch das infrarotdurchlässige Fenster (12) auf den Strahlenteiler (5) fällt,
• - der Strahlenteiler (5) teilt sowohl die am Planspiegel (13) reflektierte Strahlung der ersten Strahlungsquelle (1) als auch die Strahlung der zweiten Strahlungsquelle (2) auf beide Strahlungsdetektoren (3, 4) auf,
• - der erste Strahlungsdetektor (3) dient als Meßdetektor und der zweite Strahlungsdetektor (4) als Referenzdetektor.

2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentratoren (14, 15) einen Öffnungswinkel von 140, eine Länge von 20 mm, eine Eintriftsapertur von 15 mm Durchmesser und eine Austrittsapertur von 5 mm Durchmesser aufweisen.

3. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoren der Strahlungsquellen (1, 2) und die Konzentratoren (14, 15) als einheitliches Kunststoffspritzteil (20) gefertigt sind mit reflektierender Beschichtung der Oberfläche (8).

4. Meßvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsdetektoren (3, 4) je mit einem Interferenzfilter (10, 100) und einem, vorzugsweise pyroelektrischen, Detektorkristall (11, 110) versehen sind, wobei der erste Interferenzfilter (100) eine Bandpaßcharakteristik aufweist mit einem spektralen Durchlaßbereich im Absorptionsgebiet des oder der nachzuweisenden Gase und wobei sich im Durchlaßbereich des zweiten Interferenzfilters (10) keine Gasabsorptionslinien befinden.