DE2813239A1 - Detektor fuer einen infrarot-gasanalysator - Google Patents

Description

2813239 Henkel, Kern, Feiler & HänzeS

Möhlstraße 37 Yokogawa Electric Works Ltd_o D-8000 München 80

Janan Te!.: 089/982085-87

Japan Telex:0529802hnkid

Telegramme: ellipsoid

28. März 1978

Detektor für einen Infrarot-Gasanalysator

Die Erfindung betrifft einen Detektor für einen Infrarot-Gasanalysator zum Analysieren bzw. Untersuchen der Komponenten eines Gases unter Ausnutzung der Absorption von Infrarotstrahlung und insbesondere einen verbesserten Detektor unter Verwendung eines infrarotempfindlichen Halbleiterelements als Lichtfühler sowie eines mehrlagigen Interferenzfilters.

Bei den bisherigen Infrarot-Gasahalysatoren ist üblicherweise ein mehrlagiges Interferenzfilter praktisch neben einer Bezugs- und einer Probenzelle angeordnet, wobei seine Abmessungen entsprechend der Fläche eines in der Zelle ausgebildeten Fensters zum Durchlassen einer ausreichend großen Infrarotstrahlungsmenge gewählt sind_o Da das mehrlagige Interferenzfilter zudem einen bestimmten Temperaturkoeffizienten besitzt, muß es zur Bildung eines Infrarot-Gasanalysators mit hoher Ansprechempfindlichkeit auf einer festgelegten Temperatur gehalten werden; die bisherige Vorrichtung ist daher mit geeigneten Einrichtungen zur Erfüllung dieses Erfor= dernisses versehen«, Andererseits muß auch das die Infrarot=

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strahlung messende Halbleiterelement im Betrieb vom Einfluß von Umgebungstemperaturschwankungen freigehalten werden, weshalb eine entsprechende Einrichtung vorgesehen ist, welche die Temperatur des Infrarot-Meßelements konstant hält. Die bisherige Vorrichtung ist daher mit den folgenden Kachteilen bzw. Hängein behaftet:

1. Der Einfluß von Umgebungstemperaturschwankungen wird durch Anordnung einer Temperaturregeleinrichtung sowohl für das mehrlagige Interferenzfilter als auch für das Infrarotmeß-Halbleiterelement oder durch Anordnung dieser beiden Bauteile in einem thermostatisch geregelten Ofen vermieden. Hierdurch erhält der Infrarot-Gasanalysator unvermeidlich einen komplizierten und teueren Aufbau.

2. Da das mehrlagige Interferenzfilter große Abmessungen besitzt (praktisch entsprechend der Fläche eines in der betreffenden Zelle ausgebildeten Fensters), ist seine Wärmekapazität groß, woraus sich eine schwierige Temperaturregelung ergibt.

Die Erfindung ist nun mit dem Ziel der Ausschaltung der vorgenannten Nachteile geschaffen worden. Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Detektor zur Verwendung bei einem Infrarot-Gasanalysator zu schaffen, bei dem eine einfache Temperaturregelung sowohl des Infrarotlichtmeß-Halbleiterelements als auch des mehrlagigen Interferenzfilters möglich sein soll.

Diese Aufgabe wird bei einem Detektor für einen Infrarot-Gasanalysator erfindungsgemäß gelöst durch einen Metallblock mit darin ausgebildeten Lichteinlässen, durch einen in den Lichteinlässen des Metallblocks angeordneten Lichtfühler, durch mehrlagige Interferenzfilter, die derart im Metallblock angeordnet sind, daß sie die Lichteinlässe verschließen, und durch eine Temperaturregeleinrichtung zur Aufrechterhaltung einer festen Temperatur am Hetallblock.

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Dabei sind ein Bezugslichteinlaß und ein Heßlichteinlaß jeweils einzeln in einem einzigen Metallblock ausgebildet.

Die Lichteinlässe sind gemäß einem Merkmal der Erfindung konisch geformte

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß Bezugslicht und Meßlicht intermittierend über die Lichteinlässe einfallen und ein Lichtfühler-Ausgangssignal liefern^ dessen Wechselstromkomponente als Meßsignal benutzbar ist, während das aus einander überlagerten Wechselstrom- und Gleichstromkomponenten bestehende Signal der Temperaturregeleinrichtung als Eingangssignal einspeisbar ist_e

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläuterte Es zeigen;

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines mit einem erfindungsgemäßen Detektor ausgestatteten Infrarot-Gasanalysators,

Fig. 2 eine Schnittansicht zur Veranschaulichung des Aufbaus einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3 eine Aufsicht auf den Detektor gemäß Figo 2,

Fig„ 4 ein Schaltbild einer Signalwandler/Temperaturregel-Einheit und

Fig. 5 eine Fig_e 2 ähnelnde Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein mit einem erfindungsgemäßen Detektor versehener Infrarot-Gasanalysator dargestellt. Der Detektor

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selbst ist dabei in den Fig. 2 und 3 näher veranschaulicht. Gemäß Fig. 1 v/eist der Gasanalysator einen Infrarotstrahler 1 und eine mit einem Probengas gefüllte Probenzelle 2 auf, die einen Einlaß 23 und einen Auslaß 24 zum Einleiten und Auslassen des Probengases aufweist. Eine mit reinem, gasförmigem Stickstoff gefüllte Bezugszelle 3 ist mit Fenstern 31, 32 zum Durchlassen von Infrarotstrahlung versehen. (Der Gasanalysator gemäß Fig. 1 ist für die Bestimmung von gleichzeitig mit Stickstoff auftretenden Komponenten ausgelegt.) Weiterhin sind ein Detektor 4 und ein Signalwandler/Temperaturregler 5 vorgesehen. Der Detektor 4 befindet sich in der Nähe des Brennpunkts eines konkaven Reflexionsspiegels 7, so daß er intermittierend die durch die Bezugszelle 3 und die Probenzelle 2 hindurchgetretenen Lichtstrahlen aufnimmt. Das intermittierende Licht wird dadurch erzeugt, daß das vom Infrarotstrahler 1 emittierte Licht zunächst durch einen konkaven Reflexionsspiegel 6 zu parallelen Strahlen geformt wird, die dann durch einen von einem Motor 9 in Drehung versetzten Unterbrecher 8 beeinflußt werden.

Im folgenden sind der Detektor 4 und der Signalwandler/Temperaturregler 5 anhand der Fig. 2 bis 4 näher erläutert.

Die Fig. 2 und 3 zeigen den Detektor 4 im Schnitt bzw. in Aufsicht. Bei der dargestellten Ausfuhrungsform weist ein Metallblock 41 einen konxschen Meßlichteinlaß 411 und einen konxschen Bezugs lichte inlaß 412 auf, über welche das IleßlJcht bzw. das Bezugslicht einfallen kann. Am Schnittpunkt der Hchteinlässe 411, 412 ist im Hetallblock 41 eine einen Lichtfühler 413 aufnehmende Bohrung 413 vorgesehen, während in die Außenfläche des Metallblocks 41 eine Ringnut 414 eingestochen ist. In die Bohrung 413 des Metallblocks 41 ist eine Basis- oder Grundplatte 42 unter Befestigung eingesetzt, an der ein Lichtfühler- oder -meßelement 43, etwa ein Thermistor-Bolometer, befestigt ist. Eine Zuleitung 431 verbindet dieses Meßelement

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43 mit dem Signalwandler/Temperaturregier 5« Am Metallblock 41 sind zwei mehrlagige Interferenzfilter 44 und 45 so angebracht, daß sie den Heßlichteinlaß 411 bzw. den Bezugslichteinlaß 412 verschließen und dabei dem einfallenden Licht unmittelbar zugewandt sind. Der von den Lichteinlässen 411, und der Bohrung 413 gebildete Raum ist vollständig luftdicht verschlossen und mit gasförmigem Stickstoff (N₂) gefüllt. In die Ringnut 414 ist ein Heizelement 46 zum Erwärmen des Metallblocks 41 eingesetzt, wobei das Ausgangssignal des Reglers 5 über eine Zuleitung 461 dem Heizelement 46 zuführbar ist. Der gesamte Metallblock 41 ist von einem Überzugselement 47 aus z.B. Bakelitharz umschlossen und auf diese Weise effektiv gegenüber äußeren Temperatureinflüssen abgeschirmt. Für die Lichteinlässe 411 und 412 sind Fenster 471 bzw. 472 vorgesehen.

In dem in Fig. 4 dargestellten Schaltungsaufbau des Signalwandler/Temperaturreglers 5 ist das mit r_d bezeichnete Thermistor-Bolometer 43 (Thermoumwandler) als Widerstandselement dargestellt, das zusammen mit anderen, temperaturstabilen Widerstandselementen r1, r2, r3 und einer Gleichspannungsversorgung Eo eine Meßbrückenschaltung bildet, welche das vom Unterbrecher 9 zerhackte Meßlicht und Bezugslicht empfängt. Der Unterschied zwischen der Unabgleichspannung der Meßbrücke und einer Vorwählspannung Es (preset voltage) wird durch einen rauscharmen Verstärker A1 mit hoher Eingangsimpedanz verstärkt und einer weiteren Verstärkung durch einen Transistor Q1 unterworfen, dessen Ausgangsstrom das Heizelement 46 (Widerstandselement r_h) speist. Gleichzeitig wird dabei nur die Wechselstrom- oder -Spannungskomponente des AusgangsStroms über einen Kondensator C1 zu einem Verstärker Δ2 geleitet, an dessen Ausgangsklemme OUT ein Meßsignal geliefert wird.

Der Detektor für den Infrarot-Gasanalysator mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau arbeitet wie folgt: Das vom Infra-

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rotstrahier 1 emittierte Licht wird durch den Unterbrecher 8 zerhackt und abwechselnd durch die Probenzelle 2 und die Bezugszelle 3 übertragen. Das intermittierend auftretende Licht wird dann vom konkaven Spiegel 7 gebündelt und in den Detektor 4 geworfen, in welchem es unter einem rechten Winkel auf die Oberflächen der mehrlagigen Interferenzfilter 44, 45 auftrifft und sodann auf das Thermistor-Bolometer 43 fällt. Hierdurch werden im Vergleich zu einem schrägen Lichteinfall auf die Filteroberfläche(n) ideale Verhältnisse gewährleistet, weil dabei weder eine Minderung der Ansprechempfindlichkeit aufgrund einer Reflexion am mehrlagigen Interferenzfilter, noch eine Änderung des Durchlaßbereichs auftritt, der bei schrägem Lichteinfall im allgemeinen verbreitert wird. Der Umwandlungswirkungsgrad des Thermistor-Bolometers' 43 zeigt seinen Höchstwert dann, wenn die Reflexionsfläche des konkaven Spiegels 7 ideal ausgebildet und das Thermistor-Bolometer 43 im Brennpunkt des Spiegels 7 angeordnet ist. Selbst wenn diese Bedingung nicht vollständig erfüllt

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ist, kann jedoch der Umwandlungwirkungsgrad dadurch verbessert werden, daß die Lichteinlässe 411, 412 konisch geformt und ihre Oberflächen auf hohe Güte bearbeitet sind. Erfindungsgemäß durchgeführte Versuche haben gezeigt, daß der tatsächlich erreichte Umwandlungswirkungsgrad mehr als das Doppelte des bei der bisherigen zylindrischen Anordnung erzielten Werts beträgt.

Der Signalwandler/Temperaturregler 5 arbeitet wie folgt: Der Widerstand r, des Thermistor-Bolometers 43 wird in Abhängigkeit von dem vom Unterbrecher 8 gelieferten, intermittierenden Licht sowie von der Erwärmungstemperatur des Heizelements 46 bestimmt. Der erste Faktor liefert Wechselstromänderungen kurzer Periode, während der letztere Faktor Gleichstromänderungen ergibt, deren Ansprechen oder Dämpfung (response) aufgrund einer großen Zeitkonstante des Heizelements langsam ist. Das Ausgangssignal der aus den Widerstandselementen rd, r1, r2,

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r3 und der Stromversorgimg Eo gebildeten Meßbrückenschaltung wird daher durch die Gleichstrom- bzw. -spannungskomponente und die dieser überlagerte Wechselstrom- bzw.-spannungskomponente gebildet. Die Gleichspannungskomponente ist ein Signal, welches die Temperatur des Thermistor-Bolometers 43 angibt, und die Wechselspannungskomponente kann als Meßsignal betrachtet werden, welches der im Probengas enthaltenen Komponente entspricht. Das Ausgangssignal der Meßbrücke und ein Voreinsteil- bzw. Vorwählsignal Es werden in Differentialbeziehung an den Verstärker A1 angelegt, dessen Ausgangssignal durch den Transistor Q1 weiter verstärkt wird, um ein Signal zur Speisung des Heizelements 46 zu liefern. Andererseits wird durch den Verstärker A2 über den Kondensator CI nur die Wechselspannungskomponente allein zu einem Meßsignal verstärkt. Auch wenn im Heizelement-Speisesignal die Wechselspannungskomponente enthalten ist, hat dies praktisch keinen schädlichen Einfluß auf die Regelanlage, weil das Heizelement 46 eine große Zeitkonstante besitzt und das Thermistor-Bolometer 43 daher auf einer Temperatur entsprechend der Vorwählspannung Es gehalten werden kann. Da der Regler 5 die Temperatur des Metallblocks 42 im Detektor 4 regelt, können ersichtlicherweise das Thermistor-Bolometer 43 und die in den Metallblock 42 eingebauten mehrlagigen Interferenzfilter 44, 45 auf gleicher Temperatur gehalten werden.

In Fig. 5 ist eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei welcher den Teilen von Fig. 2 entsprechende Teile mit denselben Bezugsziffern wie dort bezeichnet und daher nicht näher erläutert sind. Der Unterschied zwischen den beiden Ausführungsformen nach Fig. 2 und Fig. 5 besteht im Schaltungsaufbau einer Temperaturreglereinheit für den Metallblock 42 des Detektors 4. Gemäß Fig. 5 ist ein Temperaturfühler- oder -meßelement 43' in einen Teil des Metallblocks 42 eingesetzt, und ein Temperaturregler 52 ist getrennt von einem Signalwandler 51 angeordnet. Bei dieser Konstruktion

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können für den Signalwandler 51 und den Temperaturregler 52 an sich bekannte Schaltkreise verwendet werden.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, bei dem das Thermistor-Bolometer als Lichtmeßelement benutzt und beheizt wird. Dieses Element kann vielmehr durch z.B. eine photoleitende Zelle, etwa eine TlS-, PbS-, CdS- o.dgl. Zelle, ersetzt werden, wobei die Anordnung so abgewandelt sein kann, daß dieses Element gekühlt wird. Eine zur Verfügung stehende Kühleinrichtung ist ein mit einem Peltier-Effektelement ausgerüsteter Tief tempera turstabilisator·*

Beim beschriebenen Detektor gemäß der Erfindung werden die Temperaturen der mehrlagigen Interferenzfilter und eines in einen Metallblock eingebauten Infrarotmeß-Halbleiterelements durch Einstellung des Hetallblocks auf eine feste Temperatur geregelt. Aus diesem Grund genügt eine einzige Temperaturregelanlage den Anforderungen, wodurch der Aufbau des Analysators vereinfacht wird. Da zudem die mehrlagigen Interferenzfilter an den Lichteinlaßöffnurgen im Metallblock angeordnet sind, kann der Detektor im Vergleich zur bisherigen Konstruktion kleiner ausgebildet sein, bei welcher die Filter in der Nähe von Fenstern für eine Probenzelle und eine Bezugszelle angebracht sind. Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird also die Wärmekapazität verringert und dadurch die Temperaturregelung vereinfacht. Darüber hinaus ergeben sich durch Miniaturisierung der mehrlagigen Interferenzfilter wirtschaftliche Vorteile.

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Claims (2)

1. Patentansprüche

   1„!Detektor für einen Infrarot-Gasanalysator, gekennzeichnet durch einen Hetallblock (41) mit darin ausgebildeten Lichteinlässen (411, 412), durch einen in den Lichteinlässen des Ketallblocks angeordneten Lichtfühler (413)? durch mehrlagige Interferenzfilter (44, 45)> die derart im Metallblock angeordnet sind, daß sie die Lichteinlässe verschließen, und durch eine Temperaturregeleinrichtung (5) zur Aufrechterhaltung einer festen Temperatur am Metallblocko
2. 2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichteinlässe ein Bezugslichteinlaß und ein Meßlichteinlaß sind ο

   3ο Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichteinlässe eine konische Form besitzen»

   Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Bezugslicht und Heßlicht intermittierend über die Lichteinlässe einfallen und ein Lichtfühler-Ausgangssignal liefern, dessen Wechselstromkomponente als Meßsignal benutzbar ist, während das aus einander überlagerten Wechselstrom-

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   und GIeichstromkomponenten bestehende Signal der Temperaturregeleinriaitung als Eingangssignal einspeisbar ist,

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