DE1598189C3

DE1598189C3 - spectrometer

Info

Publication number: DE1598189C3
Application number: DE19671598189
Authority: DE
Inventors: Anthony Rene Willowdale Ontario Barringer (Kanada); Josef Pep Cambridge Mass. Schock (V.St.A.)
Original assignee: Barringer Research Ltd
Current assignee: Smiths Detection Toronto Ltd
Priority date: 1966-06-23
Filing date: 1967-06-22
Publication date: 1974-02-14
Also published as: CH455317A; BE700355A; DE1598189B2; DE1598189A1; GB1150531A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Spektrometer mit einer Dispersionsvorrichtung zum Zerlegen von in das Spektrometer einfallendem Licht in seine ein- ■ zelnen Wellenlängen, welche eine Fokussiervorrichtung zum Erzeugen eines Spektrums in einer Brennebene enthält, und mit mindestens einer im Wege des Lichtes im Spektrometer angeordneten Maske, die mit einem für eine bestimmte Substanz mit bekanntem, kennzeichnendem Spektrum charakteristischen Linienmuster aus abwechselnd verhältnismäßig transparenten und lichtundurchlässigen Bereichen an bestimmten Wellenlängen entsprechenden Stellen versehen ist, wobei Maske und Licht relativ zueinander bewegbar sind, sowie mit einem Photodetektor zur Aufnahme von die Maske passierendem Licht, der ein der Intensität des auf ihn treffenden Lichtes , r proportionales Ausgangssignal erzeugt. \j The invention relates to a spectrometer with a dispersion device for breaking down light incident into the spectrometer into its individual wavelengths, which contains a focusing device for generating a spectrum in a focal plane, and with at least one mask arranged in the path of the light in the spectrometer which is provided with a line pattern characteristic of a certain substance with a known, characteristic spectrum of alternating relatively transparent and opaque areas at certain wavelengths corresponding points, the mask and light being movable relative to one another, and with a photodetector for recording light passing through the mask , which generates an output signal proportional to the intensity of the light hitting it, r. \ j

Bei einem bekannten Spektrometer dieser Art (USA.-Patentschrift3 052154) wird das erzeugte Spektrum zwischen einer dem Spektralbild einer ersten Substanz entsprechenden Maske und einer weiteren, dem Spektralbild einer anderen Substanz entsprechenden Maske in der Ebene dieser Masken und senkrecht zur Zerlegungsrichtung des Spektrums hin- und herbewegt.In a known spectrometer of this type (US Pat. No. 3,052,154) the generated Spectrum between a mask corresponding to the spectral image of a first substance and another, mask corresponding to the spectral image of another substance in the plane of these masks and reciprocated perpendicular to the direction of decomposition of the spectrum.

Dieses bekannte Spektrometer ermöglicht jedoch nur die Messung des Konzentrationsverhältnisses von zwei Substanzen in einem Gemisch oder einer Verbindung, deren Spektralbilder zu diesem Zweck abwechselnd einem Photodetektor zugeführt werden.However, this known spectrometer only enables the measurement of the concentration ratio of two substances in a mixture or a compound, whose spectral images alternate for this purpose be fed to a photodetector.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Konzentration eines einzelnen bestimmten Gases oder Dampfes mit hoher Empfindlichkeit mit minimaler Störung durch andere Gase oder Dämpfe zu messen.In contrast, the invention is based on the object of determining the concentration of an individual High sensitivity gas or vapor with minimal interference from other gases or to measure fumes.

Diese Aufgabe wird mit einem Spektrometer der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Mittel zum Verändern des Korrelationsgrads zwischen dem kennzeichnenden Spektrum und den Linien der Maske vorgesehen sind, die diesenThis object is achieved according to the invention with a spectrometer of the type mentioned at the beginning solved that means for changing the degree of correlation between the characteristic spectrum and the lines of the mask are provided that this

mit einer konstanten Folgefrequenz zwischen einem ersten Zustand, in dem Übereinstimmung zwischen dem Bild des Spektrums und denv durch die Linien der Maske dargestellten Wellenlängen besteht, und einem zweiten Zustand, in welchem praktisch keine Übereinstimmung zwischen dem Bild des Spektrums und den Linien der Maske besteht, periodisch verändern, und daß eine auf den Photodetektor folgende Schaltung vorgesehen ist, die das Verhältnis zwischen maximaler und minimaler Korrelation anzeigt, die der Konzentration des das kennzeichnende Spektrum erzeugenden Stoffes entspricht.with a constant repetition rate between a first state in which correspondence between the image of the spectrum and the wavelengths represented by the lines of the mask, and a second state in which there is practically no correspondence between the image of the spectrum and the lines of the mask, periodically change, and that one following the photodetector Circuit is provided that shows the relationship between maximum and minimum correlation, which corresponds to the concentration of the substance producing the characteristic spectrum.

Das erfindungsgemäße Spektrometer läßt sich zur Untersuchung von Emissions- und Absorptionsspektren im Laboratorium anwenden, doch ist es besönders für die Untersuchung von durch Gase oder Dämpfe in der Atmosphäre der Erde oder anderer Planeten erzeugten Absorptionsspektren im Sonnenlicht geeignet, wobei Messungen von feststehenden oder beweglichen Erdstationen, in Luftfahrzeugen oder in Raumfahrzeugen durchgeführt werden können. The spectrometer according to the invention can be used to investigate emission and absorption spectra Use in the laboratory, but it is better for the investigation of gases or Vapors in the atmosphere of the earth or other planets produced absorption spectra in sunlight suitable, taking measurements from fixed or movable earth stations, in aircraft or can be carried out in spacecraft.

Darüber hinaus ermöglicht das, Spektrometer gemäß der Erfindung auf einfachste Weise die Untersuchung von Luftverunreinigungen, beispielsweise Verunreinigungen durch Schwefeldioxid, das in Großstädten häufig schädliche Konzentrationen erreichen kann. Diese Untersuchungen lassen sich ohne Beeinträchtigung der Messung durch übrige Luftbestandteile und ohne besonders komplizierte und aufwendige Auswerteeinrichtuhgen durchführen.In addition, the spectrometer in accordance with the invention in the simplest way the investigation of air pollution, for example sulfur dioxide pollution, which occurs in large cities can often reach harmful concentrations. These examinations can be carried out without impairment the measurement through other air components and without particularly complicated and time-consuming Carry out evaluation equipment.

Die Folgefrequenz, mit der der Korrelationsgrad verändert wird, kann beispielsweise zwischen 10 und 200 Hz liegen.The repetition rate with which the degree of correlation is changed, for example, can be between 10 and 200 Hz.

Zur Durchführung von Messungen und Untersuchungen mittels des erfindungsgemäßen Spektrometers enthält die Maske vorzugsweise eine photographische Abbildung des dem charakteristischen Spektrum einer bestimmten Substanz entsprechenden Spektralbildes. ....To carry out measurements and investigations using the spectrometer according to the invention the mask preferably contains a photographic image of the characteristic spectrum spectral image corresponding to a certain substance. ....

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Figuren näher erläutert. Es zeigtThe invention is explained in more detail below with reference to the figures. It shows

F i g. 1 die wichtigsten optischen Teile eines bevorzugten Ausführüngsbeispiels eines Spektrometers mit einem Beugungsgitter zur Dispersion in schematischer perspektivischer Sicht,F i g. 1 with the most important optical parts of a preferred exemplary embodiment of a spectrometer a diffraction grating for dispersion in a schematic perspective view,

F i g. 2 eine Kurve eines Teils des Absorptionsspektrums von SO₂-GaS,F i g. 2 is a curve of part of the absorption spectrum of SO ₂ gas,

Fig. 3 eine Kurve der durch die Maske gelassenen Lichtintensität als Funktion der relativen seitlichen Verschiebung zwischen den Linien der Maske und den Spektralbildern, wobei die Abstände zwischen den Spektralbiidern ziemlich regelmäßig sind,Figure 3 is a graph of the light intensity transmitted through the mask as a function of the relative lateral Shift between the lines of the mask and the spectral images, the distances between the spectral images are fairly regular,

Fig. 4 eine entsprechende Kurve wie in Fig. 3, wobei die Abstände zwischen den Spektralbildern jedoch unregelmäßig sind,FIG. 4 shows a curve corresponding to that in FIG. 3, the distances between the spectral images, however are irregular,

F i g. 5 ein Blockschaltbild einer elektronischen Schaltung zur Verarbeitung des Photodetektorausgangssignals, F i g. 5 is a block diagram of an electronic circuit for processing the photodetector output signal;

F i g. 6 eine andere Anordnung zur Veränderung der relativen seitlichen Lage der Spektralbilder und der Linien der Maske in perspektivischer Darstellung, .F i g. 6 shows another arrangement for changing the relative lateral position of the spectral images and the lines of the mask in perspective,.

F i g. 7 schematisch eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei der die Maske schwingt und ein Prisma zur Dispersion verwendet ist,F i g. Figure 7 schematically shows another embodiment of the invention in which the mask oscillates and settles in Prism is used for dispersion,

F i g. 8 schematisch eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der die Maske periodisch in die Brennebene der Spektralbilder und aus dieser heraus schwingt,F i g. 8 schematically shows a further embodiment of the invention, in which the mask is periodically moved into the Focal plane of the spectral images and oscillates out of this,

F i g. 9 schematisch eine weitere Anordnung, bei der die Spektralbilder periodisch relativ zu den Linien der Maske gedreht werden,F i g. 9 schematically shows a further arrangement in which the spectral images are periodic relative to the lines the mask can be rotated,

F i g. 9 a eine Darstellung der Beziehung zwischen dem Spektrum und den Linien der Maske beim Apparat nach F i g. 9.F i g. 9a shows the relationship between the spectrum and the lines of the mask in the apparatus according to FIG. 9.

Das in Fig.. 1 dargestellte Spektrometer 10 enthält eine Objektivlinse 11, welche das Licht von einem entfernten Untersuchungsbereich sammelt und an der Stelle einer Feldblende 12 ein Bild des Bereiches erzeugt. Durch eine Linse 13 wird an einem Spalt l4 ein Bild der Objektivlinse 11 und auf einem Beugungsgitter 15 ein Bild der Feldblende 12 erzeugt. Die Feidbiende 12 ist so dimensioniert, daß sie das Licht, weiches nicht auf das. Gitter 15 treffen würde, zurückhält. Vorzugsweise hat das Gitter 15 eine größtmögliche Fläche und der Spalt 14 eine größtmögliche Breite und Höhe, so daß ein optimales Lichtsammei vermögen erzielt wird. Hinter dem Spalt 14 befindet sich in dem Wege des Lichtes eine transparente Refraktorpiatte 16, und der Lichtstrahl wird durch einen die Refraktorplatte 16 betätigenden Tqrsionszerhacker 17 in Schwingungen versetzt. Die senkrecht zum Lichtstrahl verlaufenden entgegengesetzten Seiten der Refraktorpiatte 16 sind im wesentlichen parallel und optisch eben_v Nach dem Durchtritt durch die Refraktorpiatte 16 wird der Lichtstrahl von einem als Ebert-Spiegel bekannten Konkavspiegel 18 zum Beugungsgitter 15 reflektiert. Durch das Beugungsgitter 15 wird der Lichtstrahl in seine einzelnen Wellenlängen zerlegt, und das zerlegte Licht wird zum Spiegel 18 zurückreflektiert, welcher das durch das Beugungsgitter 15 erzeugte Spektrum in die Ebene einer Maske 19 fokussiert. Das durch die Maske 19 hindurchtretende Licht wird durch eine Linse 20 in Richtung auf die empfindliche Fläche eines Photodetektors 21 gebrochen. Der Photodetektor besteht aus einer lichtempfindlichen Vorrichtung, wie beispielsweise einem Photoelektronen-Vervielfacher, einem Photowiderstand, einem Photoelement, einer Photodiode od. dgl. Vorzugsweise wird im Wege des Lichtes. ein übliches Filter (nicht dargestellt) angeordnet, welches außerhalb des interessierenden Bereiches liegende Wellenlängen eliminiert. The spectrometer 10 shown in FIG. 1 contains an objective lens 11 which collects the light from a distant examination area and generates an image of the area at the location of a field stop 12. A lens 13 generates an image of the objective lens 11 at a slit 14 and an image of the field stop 12 on a diffraction grating 15. The field area 12 is dimensioned so that it retains the light which would not strike the grid 15. Preferably, the grid 15 has the largest possible area and the gap 14 has the largest possible width and height, so that an optimal Lichtsammei ability is achieved. Behind the slit 14 there is a transparent refractor plate 16 in the path of the light, and the light beam is set in oscillation by a torsion chopper 17 which actuates the refractor plate 16. The direction perpendicular to the light beam opposite sides of the Refraktorpiatte 16 are substantially parallel and optically flat _v After passage through the Refraktorpiatte 16 of the light beam is reflected by a process known as Ebert-concave mirror 18 to the diffraction grating 15 °. The light beam is split up into its individual wavelengths by the diffraction grating 15, and the split light is reflected back to the mirror 18, which focuses the spectrum generated by the diffraction grating 15 into the plane of a mask 19. The light passing through the mask 19 is refracted by a lens 20 in the direction of the sensitive surface of a photodetector 21. The photodetector consists of a light-sensitive device such as a photoelectron multiplier, a photoresistor, a photo element, a photodiode or the like. a conventional filter (not shown) is arranged, which eliminates wavelengths lying outside the region of interest.

Wenn das in das Spektrometer eintretende Licht die charakteristischen Spektren einer bestimmten Substanz wie beispielsweise die von Schwefeldioxidgas (SO₂) enthält, werden in der Ebene der Maske 19 Spektralbilder erzeugt. Im Falle von SO₂ entsprechen die Spektraibiider den in Fig. 2 gezeigten Absorptionsbanden. Der Abstand zwischen den Maxima der Absorptionsbande beträgt dabei etwa 20 A.If the light entering the spectrometer contains the characteristic spectra of a certain substance such as, for example, that of sulfur dioxide gas (SO ₂ ), spectral images are generated in the plane of the mask 19. In the case of SO ₂ , the spectra correspond to the absorption bands shown in FIG. The distance between the maxima of the absorption band is about 20 A.

Die Maske 19 ist mit einem Linienmuster versehen, welches aus abwechselnd relativ transparenten und iichtundurchlässigen Bereichen an bestimmten Wellenlängen der charakteristischen Spektren der Untersuchungssubstanz entsprechenden Stellen besteht. Das Spektrometer kann auf die folgende Weise selbst zur Herstellung einer Maske 19 verwendet werden. Als Beispiel wird für die Beschreibung SÖ,-Gas gewählt, jedoch können entsprechende Verfahren natürlich auch für andere Gase angewendet werden. Zur Herstellung einer SO₂-Maske wird Licht aus einer breiten UV-Quelle, welches durch SÖ.,-Gas hindurchgetreten ist, zur Erzeugung eines SO₂-Spek-The mask 19 is provided with a line pattern, which consists of alternately relatively transparent and opaque areas at certain wavelengths of the characteristic spectra of the substance to be examined. The spectrometer itself can be used to produce a mask 19 in the following manner. SÖ, -Gas is chosen as an example for the description, but corresponding methods can of course also be used for other gases. To produce an SO ₂ mask, light from a broad UV source, which has passed through SO ₂ gas, is used to produce an SO 2 spec-

trums an der Maske 19 in das Spektrometer gerichtet. Die Maske 19 besteht vorzugsweise aus einer dünnen Glasplatte mit einer Schicht aus einer photographischen Emulsion, welche dem SO,-Spektrum ausgesetzt wird. Die Emulsion wird dann entwickelt, und die auf der Maske 19 entstandenen Linien geben ein exaktes Bild des an der Maske 19 erzeugten Spektrums wieder. Im Falle von SO₂ liegt der bevorzugte Wellenlängenbereich bei 285Ö bis 315OA, so daß die Maske 19 etwa 15 Linien enthält, welche den 15 Banden in diesem Bereich entsprechen. Hierbei muß jedoch berücksichtigt werden, daß die Wellenlängen unter etwa 3000A im Sonnenlicht nicht immer vorhanden sind. Eine optimale Korrelation wird erzielt, wenn ein maximaler Kontrast zwischen den benachbarten Linien der Maske 19 besteht. Die Breite der Linien entspricht der Linienbreite der Absorptionslinien oder -bande, und die Zwischenräume zwischen den Linien sind transparent und entsprechen im Falle eines regelmäßigen Spektrums wie demjenigen von SO₂ in der Breite den Linien. Zur Verstärkung des Kontrastes hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die Linien auf der Maske nach Entwicklung der Emulsion mit Ausziehtusche nachzuziehen. Die Maske kann jedoch auch ohne Photographieren der Spektren von Hand mit Ausziehtusche auf einen transparenten Film gezeichnet werden, indem man die Lage der Spektren aus den optischen Konstanten des Spektrometers berechnet. Der Hintergrund der Maske kann entweder transparent mit lichtundurchlässigen Linien oder lichtundurchlässig mit transparenten Linien sein. In beiden Fällen ist die Arbeitsweise des Spektrometers die gleiche, wobei jedoch die Polarität der erhaltenen Wechselstrom-Modulationsspannung bei den beiden Maskenarten entgegengesetzt ist.trums directed at the mask 19 in the spectrometer. The mask 19 preferably consists of a thin glass plate with a layer of a photographic emulsion which is exposed to the SO, spectrum. The emulsion is then developed and the lines produced on mask 19 reproduce an exact image of the spectrum produced on mask 19. In the case of SO ₂ , the preferred wavelength range is 2850 to 315OA, so that the mask 19 contains about 15 lines which correspond to the 15 bands in this region. Here, however, it must be taken into account that the wavelengths below about 3000A are not always present in sunlight. An optimal correlation is achieved when there is a maximum contrast between the adjacent lines of the mask 19. The width of the lines corresponds to the line width of the absorption line or band, and the spaces between the lines are transparent and correspond in width to the lines _{in the case of a regular spectrum such as that of SO 2.} To increase the contrast, it has proven to be useful to trace the lines on the mask after developing the emulsion with an ink jet. However, the mask can also be drawn on a transparent film by hand with drawing ink without photographing the spectra by calculating the position of the spectra from the optical constants of the spectrometer. The background of the mask can either be transparent with opaque lines or opaque with transparent lines. In both cases, the operation of the spectrometer is the same, but the polarity of the alternating current modulation voltage obtained is opposite for the two types of masks.

Das Spektrometer ist mit einer Vorrichtung zum Variieren des Korrelationsgrades zwischen dem Spektrum und den Linien der Maske mit einer hohen und konstanten Folgefrequenz versehen. In der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform besteht diese Vorrichtung aus einer Refraktorplatte 16, welche durch den Torsionszerhacker 17 in Schwingungen versetzt wird. Durch die Schwingungen der Refraktorplatte 16 schwingt das Spektralbild an der Maske 19 leicht mit konstanter Frequenz. Bei jeder Schwingung werden die Spektralbilder in ihrer Dispersionsrichtung von einer Stellung, in der die Spektralbilder auf die Linien der Maske ausgerichtet sind, in eine Stellung, in der sie etwas gegen die Linien der Maske 19 versetzt sind, verschoben. Hierdurch wird in dem durch die Maske 19 hindurchtretenden Licht eine Wechselstrom-Modulation erzeugt. Die Schwingungsfrequenz kann zwischen etwa 20 und 1000 Hz liegen, wobei Frequenzen im Bereich von 100 Hz bevorzugt werden. Bei höheren Frequenzen wird es schwierig, eine ausreichende Verschiebungsamplitude zu erzielen; bei sehr niedrigen Frequenzen nehmen die Rauschprobleme zu. Die Wechselstrommodulation ist darauf zurückzuführen, daß in der Stellung, in der die Spektralbilder mit den Linien der Maske übereinstimmen, in Abhängigkeit davon, ob die Linien transparent oder lichtundurchlässig sind, entweder eine maximale oder eine minimale Lichtmenge durch die Maske fällt. Wenn die Spektralbilder aus der Korrelationsstellung verschoben werden, verändert sich die Intensität des durch die Maske hindurchtretenden Lichtes proportional zur Intensität der Spektren. Im Falle von ziemlich regelmäßig verteilten Spektren wie denjenigen von SO., wird eine Kurve wie die in F i g. 3 gezeigte erhalten, wenn man die Intensität des durch die Maske hindurchtretenden Lichtes als Funktion der Verschiebung aufträgt. Im Falle von SO₂ besteht eine maximale Differenz in der Intensität beieiner Verschiebung von etwa 10 A, was aus F i g. 2 hervorgeht.The spectrometer is provided with a device for varying the degree of correlation between the spectrum and the lines of the mask with a high and constant repetition frequency. In the in F i g. 1, this device consists of a refractor plate 16, which is caused to vibrate by the torsion chopper 17. Due to the vibrations of the refractor plate 16, the spectral image on the mask 19 vibrates slightly at a constant frequency. With each oscillation, the spectral images are shifted in their dispersion direction from a position in which the spectral images are aligned with the lines of the mask to a position in which they are slightly offset from the lines of the mask 19. As a result, an alternating current modulation is generated in the light passing through the mask 19. The oscillation frequency can be between approximately 20 and 1000 Hz, frequencies in the range of 100 Hz being preferred. At higher frequencies it becomes difficult to achieve sufficient displacement amplitude; at very low frequencies the noise problems increase. The AC modulation is due to the fact that in the position in which the spectral images match the lines of the mask, depending on whether the lines are transparent or opaque, either a maximum or a minimum amount of light falls through the mask. If the spectral images are shifted from the correlation position, the intensity of the light passing through the mask changes proportionally to the intensity of the spectra. In the case of rather regularly distributed spectra such as that of SO., A curve like that in FIG. 3 obtained when the intensity of the light passing through the mask is plotted as a function of the displacement. In the case of SO _{2, there} is a maximum difference in intensity with a displacement of about 10 A, which can be seen from FIG. 2 shows.

Bei Vergrößerung der Verschiebung von 1OA werden andere Extrema in der in F i g. 3 gezeigten Kurve beobachtet. Derartige Extrema werden durch die Teilkorrelation zwischen den Spektralbildern und den Linien der Maske 19 verursacht. Im Falle von SO₂ tritt beispielsweise eine Teilkorrelation auf, wenn die Spektralbilder um etwa 20 A gegen die Stellung der maximalen Korrelation (der Abstand zwischen den Maxima der Absorptionsbande von SO₂ beträgt etwa 20 A) verschoben werden. Die Korrelation wird bei weiterer Verschiebung allmählich weniger ausgeprägt, wie aus F i g. 3 hervorgeht. Im Falle eines unregelmäßigen Spektrums gibt es nur eine Stellung starker Korrelation, wie sie in Fig.4 gezeigt ist. In derartigen Fällen sind die Teilkorrelationen wesentlich weniger ausgeprägt als im Falle eines regelmäßigen Spektrums wie demjenigen von SO₂.If the displacement is increased by 10A, other extrema are shown in FIG. 3 is observed. Such extremes are caused by the partial correlation between the spectral images and the lines of the mask 19. In the case of SO ₂ , for example, a partial correlation occurs when the spectral images are shifted by about 20 A from the position of the maximum correlation (the distance between the maxima of the absorption band of SO ₂ is about 20 A). The correlation gradually becomes less pronounced as the shift continues, as shown in FIG. 3 emerges. In the case of an irregular spectrum, there is only one position of strong correlation, as shown in Fig. 4. In such cases the partial correlations are much less pronounced than in the case of a regular spectrum such as that of SO ₂ .

Zur Erzielung einer optimalen Verschiebungsamplitude für bestimmte Gase oder Dämpfe wird zunächst für das jeweilige Gas oder den jeweiligen Dampf eine Maske angefertigt und eine Kurve wie die in F i g. 3 und 4 gezeigte aufgestellt. Die optimale Verschiebungsamplitude geht dann aus der Kurve hervor (sie entspricht der Verschiebung, welche eine maximale Intensitätsdifferenz bei kleinen Verschiebungen, wie z. B. in der Größenordnung des Abstandes zwischen den Maxima der Linien oder Bande ergibt). To achieve an optimal displacement amplitude for certain gases or vapors, first a mask made for the respective gas or the respective vapor and a curve like the in F i g. 3 and 4 shown erected. The optimal displacement amplitude then goes out of the curve (it corresponds to the shift that produces a maximum intensity difference for small shifts, such as B. in the order of magnitude of the distance between the maxima of the lines or bands).

Die optimale Verschiebungsamplitude kann jedoch auch durch Analyse des Absorptions- (oder Emissionsspektrums des Gases oder Dampfes ermittelt werden.However, the optimal displacement amplitude can also be determined by analyzing the absorption (or emission spectrum of the gas or steam can be determined.

Während die Amplitude der erhaltenen Wechselstrommodulation bei Verschiebung zwischen der Stellung der maximalen Korrelation und dem ersten Minimum (bei SO₀ 10A) am größten ist, ist es bei ziemlich regelmäßigen Spektren vorteilhaft, Verschiebungen von etwas größerer Amplitude zu wählen. Im Falle von SO₂ ist es z. B. zweckmäßig, einen Bereich zwischen Stellungen von jeweils 20 A zu beiden Seiten der Stellung der maximalen Korrelation zu durchlaufen. Hierbei werden noch allgemein sinusförmige Wechselstromverläufe erhalten, welche jedoch genau die vierfache Frequenz der Schwingfrequenz (Grundfrequenz) der Refraktorplatte 16 haben. Dies ist vorteilhaft, da die auf der Gegenwart von SO₂ beruhende Wechselstrommodulation hierbei leichter von unerwünschten, bei der Grundfrequenz auftretenden Wechselstrommodulationen unterschieden wird, welche auf Effekten wie Schwankungen der Wellenlänge in der Intensität des den Dampf oder das Gas beleuchtenden Lichtes, Schwankungen in Reflektionsverlusten an der Refraktorplatte als Funktion der Winkelstellung und Schwankungen in der Empfindlichkeit des Photodetektors 21 mit der Richtung des auftreffenden Lichtes beruhen. Derartige Schwankungen lassen sich zwar weitgehend elektronisch beseitigen, jedoch hat es sich in der Praxis als zweckmäßig erwiesen, bei Harmonischen derWhile the amplitude of the alternating current modulation obtained is greatest when there is a shift between the position of the maximum correlation and the first minimum (at SO ₀ 10A), in the case of fairly regular spectra it is advantageous to choose shifts of somewhat greater amplitude. In the case of SO ₂ , it is e.g. B. expedient to traverse a range between positions of 20 A on both sides of the position of the maximum correlation. In this case, generally sinusoidal alternating current curves are obtained, which, however, have exactly four times the frequency of the oscillation frequency (basic frequency) of the refractor plate 16. This is advantageous because the _{alternating current modulation based on the presence of SO 2} is more easily distinguished from undesired alternating current modulations occurring at the fundamental frequency, which are based on effects such as fluctuations in the wavelength in the intensity of the light illuminating the vapor or gas, fluctuations in reflection losses of the refractor plate as a function of the angular position and fluctuations in the sensitivity of the photodetector 21 with the direction of the incident light. Such fluctuations can be largely eliminated electronically, but it has proven to be useful in practice for harmonics

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Grundfrequenz zu arbeiten, so daß die gewünschten 27 zugeführt und durch ein Meßinstrument 28 oder Signale leichter von den nicht-.zur Spektralstruktur eine sonstige geeignete Anzeigevorrichtung, wie ein des zu untersuchenden Gases oder Dampfes gehören- Schreib- oder Zähl- oder Fernmeßsystem, angezeigt, den Signalen unterschieden werden können. Im Falle Bei hohem Signalpegel werden auch ohne den Synvon sehr unregelmäßigen Spektren ist dieses Verfah- 5 chrondetektor 24 und die dazugehörige Schaltung ren jedoch anscheinend nicht möglich, und derartige gute Ergebnisse erzielt. Zu Bestimmung des Verhält-Fremdmodulationen müssen in diesem Falle elektro- nisses der Intensität des in den Stellungen der maxinisch beseitigt werden. malen und der minimalen Korrelation durch dieFundamental frequency to work so that the desired 27 is supplied and by a measuring instrument 28 or Signals more easily from the non-. To the spectral structure another suitable display device, such as a the gas or vapor to be examined belongs - writing or counting or telemetry system, displayed, the signals can be distinguished. In the case of a high signal level, even without the Synvon This method has very irregular spectra and the associated circuitry however, it does not appear to be possible, and has achieved such good results. To determine the ratio of external modulations In this case, the electronic must have the intensity of the maxinic in the positions be eliminated. paint and the minimum correlation through the

In dem oben im einzelnen beschriebenen Spektro- Maske fallenden Lichtes können alle üblichen Mittel meter hatte die Maske 19 die Abmessungen io (z.B. Normalisieren des Signals durch AVR-Tech-0,8 X 1 cm. Der Spalt 14 war 10 A breit und etwa nik) angewendet werden.All conventional means can be used in the light falling from the spectro-mask described in detail above meter, mask 19 had the dimensions io (e.g. normalization of the signal by AVR-Tech-0.8 X 1 cm. The gap 14 was 10 A wide and about nik) should be used.

0,8 cm hoch. Das Beugungsgitter 15 war etwa Die Kompensation der Pegelschwankungen der0.8 cm high. The diffraction grating 15 was about compensating for the level fluctuations of the

5,85 cm im Quadrat, und seine Dispersion betrug Untergrund-Helligkeit erfolgt zweckmäßig durch etwa 33 A je mm (1200 Linien/mm). Der Beugungs- automatische Veränderung des Verstärkungsfaktors winkel betrug etwa ll^p, Die Brennweite der Objek- 15 des Photoelektronen^Vervielfachers (Photodetektor tivlinse 11 war 54,61 cm und die Brennweite des 21), um dessen Ausgangsgleichspannung auf prak-Spiegels 18 betrug 25,4 cm, Der Abstand zwischen tisch konstantem Pegel zu halten. Hierzu ist an den dem Spalt 14 und dem Spiegel 18' betrug 25,4 cm und Ausgang des Vorverstärkers 22 ein Tiefpaßverstärker zwischen dem Gitter 15 und dem Spiegel 18 29 angeschlossen, der eine Grenzfrequenz von etwa 17,78 cm. 20 10 Hz hat, so daß jede Wechselspannung von höherer Frequenz, wie beispielsweise die Wechselstrom-Elektrische Schaltung modulationskomponenten nicht verstärkt werden.5.85 cm square, and its dispersion was Background brightness is suitably about 33 Å per mm (1200 lines / mm). The automatic diffraction change in the amplification factor angle was about ll ^p , the focal length of the object 15 of the photoelectron ^ multiplier (photodetector lens 11 was 54.61 cm and the focal length of the 21), around whose output DC voltage on prak mirror 18 was 25, 4 cm, the distance between the table to keep constant level. For this purpose, a low-pass amplifier is connected to the gap 14 and the mirror 18 'and the output of the preamplifier 22 between the grating 15 and the mirror 18 29, which has a cutoff frequency of about 17.78 cm. 20 has 10 Hz, so that any AC voltage of higher frequency such as the AC-electric circuit modulation components are not amplified.

Mit dem Ausgang des Tiefpaßverstärkers 29 undWith the output of the low-pass amplifier 29 and

Die Ausgangsspannung des Photodetektors 21 ist dem Ausgang eines Bezugskreises 31 für Helligkeitsnormalerweise eine der Intensität des einfallenden 25 regelung, welcher eine einstellbare Gleichspannung Lichtes proportionale Gleichspannung, und bei Kor- liefert, ist ein Vergleicher 30 (z. B. ein Differentialrelation des auf die Maske fallenden Spektrums mit verstärker) verbunden. Das Ausgangssignal des Verden Linien der Maske wird, wie oben bereits gesagt, gleichers 30, das aus der Differenz zwischen der der Gleichstromspannung eine Wechselstrommodula- Ausgangsspannung des Tiefpaßverstärkers 29 und tionsspannung gemessen und gleichzeitig Zufalls- 30 dem gewählten Vorspannungspegel des Bezugskreischwankungen im Pegel der Ausgangsspannung des ses 31 besteht, wird einem Hochspannungsregler 32 Photodetektors 21 kompensiert werden, welche sich zugeführt, welcher den Pegel der von einer Hochdurch Veränderungen in der Gesamtintensität der Spannungsquelle 33 erzeugten Hochspannung regu-Untergrund-Helligkeit ergeben können. Die Aus- liert. Die regulierte Hochspannung wird dem Photoegangsspannung des Photodetektors 21, der im vorlie- 35 lektronen Vervielfacher zugeführt. Im Betrieb wird genden Fall vorzugsweise ein Photoelektronen-Ver- die Spannung des Bezugskreises 31 auf einen Pegel vielfacher ist, wird durch einen Vorverstärker 22 ver- eingestellt, welcher bei einer gegebenen Intensität der stärkt und dann einem auf die Schwingfrequenz des Untergrund-Helligkeit einen bestimmten Verstär-Torsionszerhackers 17 von beispielsweise etwa kungsfaktor für den Photoelektronen-Vervielfacher 100 Hz oder die geeignete Harmonische abgestimm- 40 ergibt. Solange die Intensität der Untergrund-Helligten Verstärker 23 zugeführt. Die Ausgangsspannung keit die gleiche bleibt, ist das Ausgangssignal des des abgestimmten Verstärkers 23 wird von einem Vergleichers 30 gleich Null. Wenn die Intensität der Synchrondetektor 24 demoduliert. Der Torsionszer- mittleren Helligkeit jedoch vom Normalwert abhacker 17 wird durch einen Zerhackerantriebskreis weicht, wird die Ausgangsspannung des Tiefpaßver-25 (z.B. einen 100 Hz-Oszillator oder Verstärker) er- 45 stärkers 29 größer oder kleiner (je nachdem, ob die regt. Die Schwingfrequenz des Torsionszerhackers 17 Intensität zunimmt oder abnimmt) als der Vorspanist die gleiche wie die Frequenz der Erregerspan- nungspegel des Bezugskreises 31. Diese Abweichung nung. Ein Bezugsphasen- und Rechteckstromkreis 26 ergibt eine Spannung, welche dem Hochspannungsregbesteht aus einem üblichen Stromkreis zur Erzeu- ler 32 zugeführt wird und dadurch eine entspregung einer konstanten periodischen Rechteckspan- 50 chende Veränderung im Pegel der Hochspannung nung der erforderlichen Schwingfrequenz (z. B. des Photoelektronen-Vervielfachers bewirkt, bis der 100 Hz) oder der erforderlichen Harmonischen der- ausgeglichene Zustand wieder erreicht ist.
selben (wenn die Wchselstrommodulation eine Har- Zum Eichen des Spektrometers können Absorp-The output voltage of the photodetector 21 is the output of a reference circle 31 for brightness, normally one of the intensity of the incident 25 control, which supplies an adjustable DC voltage proportional to light, and at Kor- is a comparator 30 (e.g. a differential relation of the on the mask falling spectrum associated with amplifier). The output signal of the verden lines of the mask is, as already said above, equal to 30, which is measured from the difference between that of the direct current voltage, an alternating current module output voltage of the low-pass amplifier 29 and the voltage, and at the same time random 30 the selected bias level of the reference circuit fluctuations in the level of the output voltage of the ses 31 exists, a high-voltage regulator 32 of photodetector 21 is supplied, which is fed to the level of the high-voltage regu background brightness generated by a high through changes in the total intensity of the voltage source 33. The Ausliert. The regulated high voltage is fed to the photo input voltage of the photodetector 21, which is present in the electron multiplier. In operation, a photoelectron voltage of the reference circuit 31 is preferably set to a level multiple by a preamplifier 22, which strengthens the at a given intensity and then a specific one to the oscillation frequency of the background brightness Amplifying torsion chopper 17 of, for example, approximately kung factor for the photoelectron multiplier 100 Hz or the suitable harmonic tuned 40 results. As long as the intensity of the background-brightened amplifier 23 is supplied. The output voltage remains the same if the output signal of the tuned amplifier 23 is equal to zero by a comparator 30. When the intensity of the synchronous detector 24 demodulates. The torsional average brightness, however, chopper 17 from the normal value is deviated by a chopper drive circuit, the output voltage of the low-pass amplifier (e.g. a 100 Hz oscillator or amplifier) amplifier 29 increases or decreases (depending on whether it is stimulating Oscillation frequency of the torsional chopper 17 intensity increases or decreases) than the preamble is the same as the frequency of the excitation voltage level of the reference circle 31. This deviation. A reference phase and square-wave circuit 26 results in a voltage which is supplied to the high-voltage regulator from a conventional circuit for the generator 32 and thereby a corresponding change in the level of the high-voltage voltage of the required oscillation frequency (e.g. the Photoelectron multiplier causes until the 100 Hz) or the required harmonic of the balanced state is reached again.
same (if the alternating current modulation is used to calibrate the spectrometer, absorption

monische der Schwingfrequenz ist) vorzugsweise ein- tionszellen mit bestimmten Gasen oder Dämpfen stellbarer Phase zum Synchronisieren des Synchron- 55 zwischen einer Lichtquelle und dem Spektrometer detektors 24. Die Frequenz des Bezugsphasen- und angeordnet und die Ausgangspegel des Integrators Rechteckstromkreises 26 wird durch ein Wechsel- 27 bei verschiedenen Konzentrationen des Gases Stromsignal der erforderlichen Frequenz aus dem oder Dampfes und verschiedenen Weglängen festge-Zerhackerantriebskreis 25 gesteuert. Die Ausgangs- stellt werden. Nachdem das Instrument geeicht ist, spannung des Bezugsphasen- und Rechteckstrom- 60 können Fernmessungen der Konzentration des jeweikreises 26 wird dem Synchrondetektor 24 zugeführt, ligen Gases oder Dampfes durchgeführt werden, inso daß dessen Ausgangssignal aus Komponenten be- dem man die Objektivlinse 11 des Spektrometers beisteht, welche in Phase mit der Schwingfrequenz des spielsweise auf einen rauchenden Schornstein richtet, Torsionszerhackers 17 oder der geeigneten Harmoni- um die SO₂-Konzentration des Rauches zu messen, sehen derselben sind. Das Ausgangssignal des Syn- 65 Außerdem kann das Spektrometer im Laboratorium chrondetektors 24, welches aus einer dem Pegel der zum Messen von Konzentrationen oder Strömungsge-Wechselstrommodulationskomponenten proportiona- schwindigkeiten von Gasen oder Dämpfen verwendet len Gleichspannung besteht, wird einem Integrator werden, welche durch zwischen einer Lichtquelle undmonical of the oscillation frequency), preferably single cells with certain gases or vapors adjustable phase for synchronizing the synchronous 55 between a light source and the spectrometer detector 24. The frequency of the reference phase and arranged and the output level of the integrator square-wave circuit 26 is 27 at different concentrations of the gas current signal of the required frequency from the or steam and different path lengths fixed-chopper drive circuit 25 controlled. The starting points will be. After the instrument has been calibrated, the voltage of the reference phase and square-wave current, remote measurements of the concentration of the respective circle 26 can be supplied to the synchronous detector 24, gas or vapor can be carried out, so that its output signal is made up of components by using the objective lens 11 of the spectrometer , which in phase with the oscillation frequency of the, for example, aimed at a smoking chimney, torsion chopper 17 or the appropriate harmonic _{to measure the SO 2} concentration of the smoke, see the same. The output signal of the syn- 65 In addition, the spectrometer in the laboratory chrondetector 24, which consists of a DC voltage proportional to the level of the concentration or flow rate AC modulation components of gases or vapors, will be an integrator, which is through between a Light source and

dem Spektrometer angeordnete Absorptionszellen gepumpt werden. Normalerweise befinden sich die zu untersuchenden Gase oder Dämpfe außerhalb des Spektrometers, jedoch können sie auch in das Spektrometer, beispielsweise zwischen den Spiegel 18 und die Maske 19 oder zwischen die Maske 19 und den Photodetektor 21, eingeführt werden. In diesem Fall wirkt die Maske 19 als Farbfilter für die bestimmte Wellenlänge, die sie darstellt.the spectrometer arranged absorption cells are pumped. Usually those are too investigating gases or vapors outside of the spectrometer, but they can also be in the spectrometer, for example between the mirror 18 and the mask 19 or between the mask 19 and the Photodetector 21 are introduced. In this case, the mask 19 acts as a color filter for the specific Wavelength that it represents.

Bei der oben im einzelnen beschriebenen Ausführungsform stellen die Refraktorplatte 16 und der Torsionszerhacker 17 die Vorrichtung zum periodischen Verändern des Korrelationsgrades zwischen dem Spektrum und den Linien der Maske dar. Im folgenden werden einige weitere Beispiele für derartige Vorrichtungen gegeben.In the embodiment described in detail above, the refractor plate 16 and the Torsion chopper 17 the device for periodically changing the degree of correlation between the spectrum and lines of the mask. The following are some more examples of such Devices given.

In F i g. 6 sind zwei Refraktorplatten 34, 35 zusammen auf einen kleinen Block 36 geklebt, welcher an einer Zinke einer Stimmgabel 37 befestigt ist. Die Platten 34 und 35 sind dabei so angeordnet, daß sie beim Schwingen der Stimmgabel abwechselnd in den Weg des Lichtes im Spektrometer kommen. Wenn sich beispielsweise die Platte 34 im Lichtwege befindet, wird das Licht so gebrochen, daß das Spektrum in Korrelation mit den Linien der Maske ist; wenn sich dagegen die Platte 35 im Lichtwege befindet, wird das Spektrum um einen geeigneten Bereich verschoben. Zum kontinuierlichen Schwingen der Stimmgabel 37 werden übliche Vorrichtungen (nicht dargestellt) verwendet.In Fig. 6, two refractor plates 34, 35 are glued together on a small block 36, which is attached to a prong of a tuning fork 37. The plates 34 and 35 are arranged so that they alternately come into the path of the light in the spectrometer when swinging the tuning fork. When For example, the plate 34 is in the light path, the light is refracted so that the spectrum is in correlation with the lines of the mask; if, on the other hand, the plate 35 is in the light path, shifts the spectrum by an appropriate range. For the continuous oscillation of the Tuning fork 37, conventional devices (not shown) are used.

In F i g. 7 ist schematisch eine Ausführungsform gezeigt, bei welcher die Maske an Stelle des Spektrums in Schwingungen versetzt wird. Licht aus einer Quelle 38 fällt durch den Eintrittsspalt 39 und wird durch ein Prisma 40 gestreut. Ein Littrow-Spiegel 41 reflektiert das Licht zurück durch das Prisma 40, von wo es in Richtung auf eine Maske 42 gebrochen wird. Die Maske 42 ist genau so beschaffen wie die oben beschriebene Maske 19, jedoch wird sie in diesem Falle durch einen Motor 43 und einen Nockenantriebsmechanismus 44 in Schwingungen versetzt. Nach dem Hindurchtreten durch die Maske 42 wird das Licht durch eine Linse 45 in Richtung auf einen Photodetektor 46 gelenkt.In Fig. 7 an embodiment is shown schematically in which the mask instead of the spectrum is set in vibration. Light from a source 38 falls through the entrance slit 39 and becomes scattered by a prism 40. A Littrow mirror 41 reflects the light back through the prism 40, from where it is broken towards a mask 42. The mask 42 is made exactly like that mask 19 described above, but in this case it is operated by a motor 43 and a cam drive mechanism 44 set in vibration. After passing through the mask 42, the light is through a lens 45 towards one Photodetector 46 steered.

In F i g. 8 wirkt die Vorrichtung zur Veränderung der Korrelation so, daß sie die Maske 47 abwechselnd in die Bildebene des Spektrums und aus dieser heraus bewegt. In der mit durchgezogenen Linien gezeigten Stellung der Maske 47 befindet sich die Maske 47 in der Ebene des Spektrums und es tritt optimale Korrelation auf. In der in gestrichelten Linien gezeigten Stellung ist die Maske etwas aus der Bildebene des Spektrums herausgerückt, so daß das Licht an der Maske 47 genügend defokussiert wird. In diesem Zustand besteht keine Korrelation. Die Maske 47 kann durch jede geeignete Vorrichtung wie beispielsweise einen Motor 48 und einen Exzenterantrieb 49, welche schematisch dargestellt sind, bewegt werden. In Fig. 8 sind außerdem die übliche Linse und der Photodetektor gezeigt.In Fig. 8, the device for changing the correlation acts to alternate the mask 47 moves into and out of the image plane of the spectrum. In the one shown in solid lines In the position of the mask 47, the mask 47 is in the plane of the spectrum and it occurs optimal correlation. In the position shown in dashed lines, the mask is a bit out of place The image plane of the spectrum has been moved out so that the light on the mask 47 is sufficiently defocused. There is no correlation in this state. The mask 47 can be formed by any suitable device such as for example a motor 48 and an eccentric drive 49, which are shown schematically, moves will. Also shown in Fig. 8 is the conventional lens and photodetector.

In F i g. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei welcher die Vorrichtung zur Veränderung der Korrelation den Winkel zwischen dem Spektralbild und den Linien der Maske verändert. Dies kann durch Hin- und Herdrehen des Eintrittsspaltes um einen kleinen Winkel erfolgen. In F i g. 9 ist der Eintrittsspalt drehbar in einem hohlen Lager 51 angeordnet und wird durch einen Schaltmotor 52 über einen Treibriemen 53 hin- und hergedreht. Wenn die Linien der Maske senkrecht verlaufen, tritt optimale Korrelation bei senkrechter Stellung des Schlitzes 50 auf. Wenn der Schlitz 50 jedoch gedreht wird, bilden die Spektralbilder einen Winkel mit den Linien der Maske (s. Fig. 9 a) und es besteht keine Korrelation.In Fig. 9 shows a further embodiment in which the device for changing the correlation changes the angle between the spectral image and the lines of the mask. This can be done by Turn the entrance slit back and forth through a small angle. In Fig. 9, the entry gap is rotatably arranged in a hollow bearing 51 and is rotated back and forth by a switching motor 52 via a drive belt 53. When the lines of the mask run vertically, optimal correlation occurs when the slit 50 is in a vertical position on. However, when the slit 50 is rotated, the spectral images form an angle with the lines of FIG Mask (see FIG. 9 a) and there is no correlation.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Spectrometer with a. Dispersion device for breaking down incident into the spectrometer Light in its individual wavelengths, which a focusing device generates contains a spectrum in a focal plane, and with at least one in the path of light im Spectrometer arranged mask, which with a known for a certain substance, characteristic spectrum characteristic line pattern from alternately proportionately transparent and opaque areas corresponding to certain wavelengths Places is provided, the mask and light can be moved relative to one another, as well as with a photodetector for receiving light passing through the mask, the one of the intensity of the light hitting it generates a proportional output signal, characterized in that that means (16; 34, 35; 43, 44; 48, 49) for changing the degree of correlation between the characteristic spectrum and the lines of the mask (19, 42, 47) are provided, these with a constant repetition rate between a first state in which the match between the image of the spectrum and that represented by the lines of the mask (19, 42, 47) Wavelengths, and a second state in which there is practically no match between the image of the spectrum and the lines of the mask (19, 42, 47), periodically change, and that one on the photodetector (21) the following circuit (22, 23, 24, 27, 28) is provided, which zwisehen the ratio maximum and minimum correlation indicates the concentration of the characteristic Spectrum generating substance corresponds.

2. Spectrometer according to claim 1, characterized in that the repetition frequency is about zwisehen 10 and 200 Hz.

3. Spectrometer according to claim 1 or 2, characterized in that the mask (19) has a photographic illustration of the characteristic spectrum of a given substance contains corresponding spectral image.

4. Spectrometer according to one of claims 1 to 3, characterized in that the second State is shifted from the first state in the disassembly direction.

5. Spectrometer according to claim 4, characterized in that the mask (19) is stationary and that for periodically changing the degree of correlation, a refractor plate (16) with im Paths of the light beam and arranged essentially perpendicular to this, optically planar and parallel surfaces, as well as an oscillator drive (17) for pivoting the refractor plate (16) is provided.

6. Spectrometer according to claim 4 or 5, characterized in that the displacement amplitude is twice as large as the distance between the maxima of regularly distributed spectral lines and that the photodetector (24) for synchronously demodulating the generated alternating current signal synchronized by means of a signal consisting of the fourth harmonic of the repetition frequency is.

7. Spectrometer according to claim 4, characterized in that that the mask (19) is stationary and that for periodically changing the degree of correlation two refractor plates (34, 35) attached to a prong of a tuning fork (37) are provided which, when the tuning fork vibrates alternately in the path of the light in and out of the spectrometer are, one of the plates allowing the light passing through it by a different amount or in a different Direction as the other plate shifts.

8. Spectrometer according to one of claims 1 to 3, characterized in that the characteristic Spectrum in the first state is focused on the mask (47) and that in the second state the image plane has a small distance from the mask (47), so that a blurred image arises on the mask.

9. Spectrometer according to one of claims 1 to 3, characterized in that the characteristic The spectrum in the second state is slightly rotated compared to the spectrum in the first state is.