DE19543105A1 - Optischer Gasanalysator mit einem pyroelektrischen Detektorelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Gasanalysator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein Gasanalysator der genannten Art ist aus der EP 0332 180 A2 bekanntgeworden. Bei dem bekannten Gasanalysator enthält der Infrarotsensor in einem Gehäuse einen Strahlunterbrecher und ein pyroelektrisches Detektorelement, welche auf einer gemeinsamen Halterung befestigt sind. Das Detektorelement ist in einer Hülse aufgenommen, welche in Richtung der Infrarot-Strahlungsquelle mit einem optischen Filter versehen ist. Die von der IR-Strahlungsquelle emittierte Meßstrahlung gelangt über eine die nachzuweisende Gasprobe enthaltende Meßküvette, den Strahlunterbrecher und das optische Filter zu dem pyroelektrischen Detektorelement.

Von pyroelektrischen Detektorelementen ist bekannt, daß das Signal- Rausch-Verhältnis des Meßsignales durch auf den Detektor wirkende mechanische Schwingungen oder Stöße beeinträchtigt ist. Diese Störungen wirken sich besonders bei einer breitbandigen Auswertung des Meßsignales aus. Mechanische Schwingungen innerhalb des Gasanalysators können beispielsweise durch Meßgaspumpen oder aber auch durch den motorisch betriebenen Strahlunterbrecher verursacht werden. Eine Schwingungsisolation in Form einer elastischen Lagerung der Meßgaspumpe bzw. des Strahlunterbrechers führt in vielen Fällen noch nicht zu einer Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses, da die durch die elastische Lagerung entstehenden Masse-Feder-Systeme meistens eine Resonanzfrequenz innerhalb des auszuwertenden Frequenzbereiches besitzen und damit die Resonanzphänomene innerhalb des für die Auswertung relevanten Frequenzbereiches nur auf der Frequenzachse verschoben werden. Da bei der Meßgaspumpe bzw. dem Strahlunterbrecher die Masse konstruktionsbedingt fest vorgegeben ist und nur geringfügig beeinflußt werden kann, läßt sich die Resonanzfrequenz in vielen Fällen nur über die Federkonstante der elastischen Lagerung beeinflussen. Physikalische und mechanische Grenzen erschweren jedoch die Dimensionierung der elastischen Lagerung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gasanalysator der genannten Art hinsichtlich breitbandiger Auswertbarkeit des Meßsignales des pyroelektrischen Detektors zu verbessern.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt dadurch, daß im Verbindungsbereich zwischen dem Detektorelement und der Detektorhalterung ein Schwingungs- Entkopplungs-System vorgesehen ist.

Der Vorteil der Erfindung besteht im wesentlichen darin, daß durch Anbringung eines Schwingungs-Entkopplungs-Systems zwischen dem pyroelektrischen Detektorelement und der Detektorhalterung ein Masse- Feder-System geschaffen wird, mit dem Detektorelement als Masse und dem Schwingungs-Entkopplungs-Systems als Feder, welches mittels der Federkonstante des Schwingungs-Entkopplungs-Systems besonders gut auf tiefe Resonanzfrequenzen abstimmbar ist. Die Resonanzfrequenz wird dabei so eingestellt, daß sie mindestens am unteren Ende des auszuwertenden Frequenzbereiches liegt. Eine weitere Veränderung der Resonanzfrequenz in Richtung tiefer Frequenzen ist durch Vergrößerung der Masse des Detektorelementes möglich, indem zum Beispiel ein Vorverstärkersystem fest mit dem Detektorelement verbunden wird und das Schwingungs- Entkopplungssystem zwischen dem Detektorelement mit Vorverstärkersystem und der Detektorhalterung angebracht wird. Das Vorverstärkersystem kann auch noch zusätzliche Verstärkerstufen enthalten, die die Masse weiter erhöhen.

Besonders vorteilhaft ist es, eine das Detektorelement umgebende Hülse in die Masse des Detektorelementes mit einzubeziehen und das Schwingungs- Entkopplungs-System zwischen der Hülse und der Detektorhalterung anzubringen. Über das Material und die Wandstärke der Hülse ist die Masse für praktische Anwendungen in ausreichenden Grenzen variierbar.

Eine im Bereich der Strahlungseintrittsfläche des Detektorelementes befindliche Optik ist zweckmäßigerweise an der Hülse angebracht und somit in die Masse des Detektorelementes mit einbezogen.

Das Schwingungs-Entkopplungs-System ist zweckmäßigerweise als eine elastische Lagerung ausgeführt und besteht aus einem Elastomer, wie z. B. Silikon, Kautschuk oder Gummi oder ist als ein gedämpftes Federsystem ausgeführt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im folgenden näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt schematisch einen Gasanalysator 1 im Längsschnitt. Auf einer beheizten Trägerplatte 2 in einem Gehäuse des Gasanalysators 1 sind eine IR-Strahlungsquelle 3, eine Küvette 4 als Meßstrecke und ein pyroelektrischer Detektor 5 als photoelektrischer Empfänger angeordnet. Mittels einer an der Trägerplatte befindlichen Heizpatrone 6 wird die Trägerplatte 2 auf eine Temperatur von etwa 55°C aufgeheizt. Der Detektor 5 ist an eine Auswerteschaltung 7 angeschlossen und über eine Meßsignalleitung 8 mit einer Auswerteelektronik 9 verbunden. Zwischen der Strahlungsquelle 3 und der Küvette 4 werden mittels eines von einem Motor 11 angetriebenen Filterrades 10 nacheinander mehrere Filter in den Strahlengang gebracht, von denen in der Fig. 1 sich ein Filter 12 momentan im Strahlungsweg befindet. Ein zum Filter 12 gehöriges Meßsignal wird über die Meßsignalleitung 8 an die Auswerteelektronik 9 übertragen. Die Küvette 4 besitzt im Strahlungsweg zwei für IR-Strahlung durchlässige Fenster 13 und einen in der Figur nicht dargestellten Gaseinlaß und einen Gasauslaß für die zu analysierende Gasprobe.

Der pyroelektrische Detektor 5 besteht aus einem pyroelektrischen Detektorelement 51 mit einem Vorverstärkersystem 52, welche zusammen in einer Hülse 53 befestigt sind, wobei an der Strahlungseintrittsfläche eine Optik 54 an der Hülse 53 angebracht ist. Die Drahtverbindung zwischen dem Vorverstärkersystem 52 und der Auswerteschaltung 7 ist mittels einer dünnen, flexiblen Litze ausgeführt, um eine mechanische Entkopplung zwischen dem Vorverstärkersystem 52 und der Auswerteschaltung 7 zu erreichen. Die Trägerplatte 2 ist im Bereich des pyroelektrischen Detektors 5 zu einer Detektorhalterung 21 ausgebildet, wobei der pyroelektrische Detektor 5 mittels einer elastischen Lagerung 14 innerhalb der Detektorhalterung 21 befestigt ist. Die elastische Lagerung 14 ist als ein Moosgummiring oder Silikonring ausgeführt. Das durch die elastische Lagerung 14 des pyroelektrischen Detektors 5 gebildete Masse-Feder- System wird bezüglich seiner Resonanzfrequenz auf die untere Grenzfrequenz des auszuwertenden Frequenzbereiches eingestellt, welcher beispielsweise zwischen 0,5 Hz und 10 kHz liegt. Die für die Resonanzfrequenz maßgebende Masse des Detektors 5 setzt sich aus den Einzelmassen von Detektorelement 51, Vorverstärkerelement 52, Hülse 53 und Optik 54 zusammen. Die Masse des Detektors 5 kann beispielsweise über die Einzelmasse der Hülse 53 besonders einfach verändert werden, indem das Material oder die Materialstärke der Hülse 53 den Erfordernissen angepaßt wird. Die für die Resonanzfrequenz relevante Federkonstante ergibt sich aus den Materialeigenschaften der elastischen Lagerung 14. So kann beispielsweise durch eine weiche elastische Lagerung 14 die Resonanzfrequenz abgesenkt oder durch eine härtere Lagerung 14 angehoben werden. Als elastische Lagerung sind Materialien wie zum Beispiel Moos- oder Schaumgummi, Silikon oder Kautschuk geeignet, die eine hohe Elastizität und eine hohe innere Dämpfung besitzen.

Claims (4)

1. Optischer Gasanalysator zum Messen des Anteils von Komponenten in einer Gasprobe mittels IR-Absorption, enthaltend zumindestens ein pyroelektrisches Detektorelement (51) an einer Detektorhalterung (21), dadurch gekennzeichnet, daß im Verbindungsbereich zwischen dem Detektorelement (51) und der Detektorhalterung (21) ein Schwingungs- Entkopplungs-System (14) vorgesehen ist.

2. Optischer Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingungs-Entkopplungs-System bei dem in einer Hülse (53) aufgenommenen Detektorelement (51) zwischen der Hülse (53) und der Detektorhalterung (21) angeordnet ist.

3. Optischer Gasanalysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingungs-Entkopplungs-System eine elastische Lagerung (14) ist.

4. Gasanalysator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Lagerung (14) aus einem Elastomer und/oder Federsystem besteht.