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DE69102425T2 - Verfahren und gerät zur übertragung eines akustischen signals in einer photoakustischen zelle. - Google Patents

Verfahren und gerät zur übertragung eines akustischen signals in einer photoakustischen zelle.

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DE69102425T2
DE69102425T2 DE69102425T DE69102425T DE69102425T2 DE 69102425 T2 DE69102425 T2 DE 69102425T2 DE 69102425 T DE69102425 T DE 69102425T DE 69102425 T DE69102425 T DE 69102425T DE 69102425 T2 DE69102425 T2 DE 69102425T2
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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Übertragung eines akustischen Signals in einer photoakustischen oder optoakustischen Zelle, die Bestandteil einer Vorrichtung zum Messen von physikalischen oder chemischen Materialeigenschaften in einem Medium und/oder zur Analyse von Substanzen/Gasen oder Mischungen von diesen bildet. Das Verfahren ist bekannt als "Photoakustik" oder "Optoakustik", mittels der ein in dem Medium optisch erzeugtes, akustisches Signal gemessen wird und die Amplitude, Frequenz oder Phase dieses Signals eine Information hinsichtlich der Zusammensetzung, Dichte, Homogenität, Struktur der Substanz oder anderer Eigenschaften des analysierten Mediums, beispielsweise eines Rauchgases, erzeugt.
  • Aus der GB-A-2 148 487 ist eine Vorrichtung zur optischen Analyse eines Rauchgases bekannt. Diese Vorrichtung setzten jedoch eine optisch klare Sicht, sofern notwendig unterstützt durch Spiegel oder Linsen, auf einer Übertragungsstrecke durch ein Rauchgas voraus. Diese Entfernung kann identisch mit dem freien Raum der Leitung zum Transport des Rauchgases dadurch sein, daß die beiden nahezu identischen Teile der Vorrichtung rechtwinklig zu der Leitung angeordnet sind, wobei die in jedem Teil enthaltenen Sensoren gegen einen gefährlichen Einfluß des Rauchgases mittels eines in jeden Teil eingeführten Schutzgases geschützt sind. Das optische Signal kann sich entsprechend der Gasdichte in der Übermittlungsstrecke verändern und wird zu einem in einem Meßgerät ablesbaren elektrischen Signal umgewandelt. Die Vorrichtung ist nur zur Messung der Dichte eines Rauchgases geeignet und liefert keine Information hinsichtlich anderer wesentlicher Eigenschaften eines Gases, beispielsweise der Zusammensetzung, Homogenität oder Struktur. Für diesen Zweck muß eine photoakustische Messung des Rauchgases mittels einer Vorrichtung durchgeführt werden, die es gestattet, daß die analysierte Menge des Gases in eine separate Analysenstrecke zur weiteren Überprüfung eingeführt wird.
  • Die US-A-3 659 452 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung für die photoakustische Spektroskopie eines Gases mittels einer akustischen Resonanzzelle.
  • Die US-A-4 253 770 offenbart eine Vorrichtung zur optoakustischen Analyse mittels des Lichts eines Laserresonators und einer Differentialzellenanordnung eines Gases, um Verunreinigungen in demselben festzustellen, und die US-A-4 372 149 offenbart ein lasererregtes Spektrophon für die spektrometrische Gasanalyse insbesondere bei Forschungsanwendungen im Wege einer gesteuerten Aufheizung und Kühlung einer Gasprobe, um schwache Absorbtivitäten in gasförmigen Medien als eine Funktion der Gastemperatur bei einer molekularen Laserspektroskopie zu messen. Keine dieser Patentbeschreibungen gibt jedoch Lösungen für den Schutz der empfindlichen Apparateteile gegen gefährliche Einflüsse des analysierten Mediums an.
  • Die CH-B-344 234 offenbart ein ausschließlich akustisches Gasanalysengerät, bei dem das Mikrophon in einem Seitenrohr zu dem Rohr angeordnet sein kann, das die Gasprobe enthält, und gegen die gefährlichen Einflüsse des analysierten Gases durch eine dünne Schicht eines inerten Gases geschützt ist. Eine Mischung zwischen dem analysierten Gas und dem inerten Schutzgas muß jedoch berücksichtigt werden, und der Schutz des Mikrophons ist nur dann gesichert, wenn das Verhältnis zwischen den beiden Gases bei 100:1 gehalten wird. Zusätzlich hierzu ist die Anordnung des Mikrophons in einem Seitenrohr unvermeidbar mit einer unerwünschten Schwächung des akustischen Signals verbunden.
  • Um die Empfindlichkeit eines Mikrophons in einer photoakustischen Zelle für den oben angegebenen Analysenzweck zu optimieren, wird eine Anordnung des Mikrophons so dicht wie möglich bei der Quelle des akustischen Signals bevorzugt. Wenn dieses Signal bei hohen Temperaturen in chemisch aggressiven Umgebungen oder in anderen Umgebungen, die das Mikrophon beschädigen, was häufig der Fall sein kann, erzeugt wird, kann diese Anordnung sehr große und kostspielige Anforderungen an die Mikrophonkonstruktion stellen, um eine zufriedenstellende Funktionsweise sicherzustellen, es sei denn andere Maßnahmen würden zum Schutz des Mikrophons ergriffen.
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Isolierung einer Mikrophoneinheit in einer photoakustischen Zelle gegenüber schädigenden Umgebungen und ohne die Nachteile zu schaffen, die mit den bisher bekannten Anordnungen einer Einheit verbunden sind. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird mittels eines Verfahrens der im Oberbegriff von Anspruch 1 angegebenen Gattung gelöst und ist gekennzeichnet durch die im kennzeichnenden Teil dieses Anspruchs angegebenen Merkmale. Das Verfahren ist weiter dadurch gekennzeichnet, daß das zum Schutz der Mikrophoneinheit verwendete Gas ein solches der in Anspruch 2 angegebenen Art ist.
  • Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 4 angegebenen Art mit den Merkmalen verwendet, die im kennzeichnenden Teil dieses Anspruchs angegebenen sind. Bevorzugte Ausführungsformen der Vorrichtung sind aus den Ansprüchen 5, 6, 7 und 8 ersichtlich.
  • Die Erfindung wird jetzt weiter ins Detail gehend unter Bezugnahme auf die ebenfalls beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen die Figuren 1A, 1B und 1C drei gegenseitig unterschiedliche Prinzipien des Verfahrens veranschaulichen, während Fig. 2 schematisch eine nicht einschränkende Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt.
  • Bei einer photoakustischen oder optoakustischen Überwachung beispielsweise von Gasmischungen wird ein optisches Signal mit Frequenzen verwendet, die von einem Bestandteil der Mischung absorbiert werden, um das Vorhandensein und die Konzentration des Bestandteils anzugeben. Das optische Signal wird bei einer akustischen Frequenz moduliert, und durch Beleuchtung der Gasmischung wird der Teil des optischen Signals, der absorbiert wird, in Wärme umgewandelt, und bewirkt dieser Teil des Signals Druckoszillationen der akustischen Frequenz. Das akustische Signal wird zu einem elektrischen Signal in einem Mikrophon umgewandelt, und die Konzentration des absorbierenden Bestandteils in der Gasmischung wird durch Analyse des elektrischen Signals bestimmt.
  • Bei der Überwachung besonderer Moleküle in einem Rauchgas oder einer anderen Gasmischung, die sich aus chemischen Reaktionen in einem Reaktor ergeben, sollte das akustische Signal in geeigneter Weise bei der Temperatur des Rauchgases an der Stelle der Probenentnahme aufgrund des Umstandes erzeugt werden, daß eine Temperaturveränderung mit der Gefahr einer Verzerrung der Probenergebnisse beispielsweise infolge von Kondensation mengenmäßig großer Gasbestandteile, Störung der chemischen Gleichgewichte etc. verbunden ist.
  • Ein anderes Anwendungsgebiet ist die Überwachung von Molekülen über Absorptionslinien, wobei der untere Energiepegel ein erregter Zustand der Moleküle ist.
  • Für solche Absorptionslinien steigt der Absorptionskoeffizient zusammen mit der Temperatur, was Veranlassung für eine Vergrößerung der Empfindlichkeit ist, wenn das Gas erwärmt wird.
  • Bei solchen Überwachungen stellt die Erregungszone des eingesetzten Gases bzw. der eingesetzten Gase eine äußerst gefährdende Zone für eine Mikrophoneinheit dar, und ist folglich erfindungsgemäß das Mikrophon an die Erregungszone über einen akustischen Wellenleiter zur Übermittlung des akustischen Signals an das Mikrophon angeschlossen.
  • Fig. 1A veranschaulicht dieses Prinzip. Ein Mikrophon 10 befindet sich in einem Bereich 60 mit einer erträglichen Umgebung, jedoch würde das Mikrophon es nicht aushalten, fortdauernd in den gefährdenden Umgebungen 40 angeordnet zu sein, die die akustische Erregungszone 30 enthalten. Ein Wellenleiter 20, der mit einem Schutzgas 70 gefüllt ist, überträgt das akustische Signal von der Erregungszone 30 über den Übergangsbereich 50 zu dem Mikrophon 10.
  • Das Schutzgas 70 ist dadurch gekennzeichnet, daß es das Mikrophon den unannehmbaren Einflüssen unter den im Bereich 60 vorherrschenden Bedingungen nicht aussetzt.
  • Die Erregungszone 30 kann vollständig oder teilweise innerhalb des Wellenleiters 20 angeordnet sein.
  • Ebenfalls kann das Mikrophon 10 innerhalb des Wellenleiters 20 oder unmittelbar außerhalb der letzteren angeordnet sein.
  • Der Wellenleiter 20 kann in Hinblick darauf gestaltet sein, einen akustischen Resonator für den Schall der Modulationsfrequenz oder des Mehrfachen derselben zu bilden, obwohl dies nicht notwendigerweise der Fall sein muß. Andere grundsätzliche Gestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus Fig. 1B und 1C, wobei Fig. 1B eine offene, resonante Erregungszone 30 zeigt, die nicht dieselbe Resonanz liefert wie der Wellenleiter 20, während Fig. 1C eine offene, resonante Erregungszone 30 mit zwei symmetrisch angeordneten Wellenleitern 20 zeigt.
  • Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei die Vorrichtung eine Zelle zur photoakustischen Überwachung bei hohen Temperaturen ist. Das optische Signal, das bei einer akustischen Frequenz moduliert wird, wird von einem nicht dargestellten Wellenleiterlaser abgegeben und in eine Zelle über ein Fenster 11 gerichtet, das zusammen mit einer Mikrophoneinheit 10 in einem Gehäuse 21 angeordnet ist, worin auch ein Ende eines akustischen Wellenleiters 20 angeordnet ist. Das andere Ende des Wellenleiters 20 endet in einem Gefäß 22 mit einem Einlaß 14 zur Einführung einer Probe eines Mediums, in diesem Fall eines Gases, in den Wellenleier 20. In direkter Fortsetzung des Wellenleiters ist ein Spiegelmechanismus 15 im Gefäß 22 angeordnet, um das in den Wellenleiter durch das Fenster gerichteten Lichts unter einem spitzen Winkel in einer solchen Weise zu reflektieren, daß das Licht die Zelle wieder durch dasselbe Fenster verläßt. In dem Wellenleiter 20 ist ein Auslaß 13 in einem geeigneten Abstand vom Einlaß 14 angeordnet, wobei die Strecke 19 das Wechselwirkungsvolumen oder die Erregungszone bildet, in der das Medium gemessen und das akustische Signal erzeugt wird. Um das für die Mikrophoneinheit 10 schädliche Gas 30 an einem Erreichen des Mikrophons zu hindern, ist das Gehäuse 21 mit einem Einlaß 12 für ein Schutzgas ausgestattet, das durch das Gehäuse und den Wellenleiter über einer Strecke 18 in Richtung auf die Erregungszone geführt wird und das zusammen mit der Gasprobe durch den Auslaß 13 hindurch abgeführt wird. Die Zellenkonstruktion als Ganze kann in einem Träger 16 angeordnet sein, der auf einer Basis 17 ruht. Das Schutzgas wird in Hinblick darauf ausgewählt, daß es für das analysierte Medium unter den in der Erregungszone vorherrschenden Bedingungen neutral ist und daß es keine Absorption liefert und somit kein Schallsignal für die verwendeten Lichtfrequenzen und daß es des weiteren keine schädigenden Einflüsse auf das Fenster und die Mikrophoneinheit verursacht. Als Schutzgas kann beispielsweise gereinigte atmosphäre Luft verwendet werden.
  • Der in Fig. 2 dargestellte Wellenleiter 20 besitzt ein Wechselwirkungsvolumen 19, das einen akustischen Resonator bildet, der den akustische Bereich bei der Modulationsfrequenz verstärkt und daher vorzugsweise ein Halbwellenresonator ist wobei sein Hauptton einen Wellenbauch an jedem Ende des Wellenleiters besitzt wodurch der Resonator asymmetrisch erregt wird. Die Kombination des Schutzgases in einem Teil des Wellenleiters und des eingesetzten Mediums (Gasprobe) in dem anderen Teil bewirkt, daß der Ton bereich, der die akustische, stationäre Welle in Richtung auf das Mikrophon 10 "pumpt", insofern sehr wirksam ist, daß das Pumpen ausschließlich am warmen Ende (dem Gaseinlaßende) des Wellenleiters stattfindet, während die Mikrophoneinheit entsprechend an einer besser geeigneten Stelle, beispielsweise an dem Wellenbauch am gegenüberliegenden kalten Ende des Wellenleiters, angeordnet ist. Des weiteren besitzt die dargestellte Ausführungsform der Zelle den Vorteil, daß das Licht durch ein am kalten Ende der Zelle angeordnetes Fenster hindurch gerichtet und mittels eines am warmen Ende angeordneten Spiegels reflektiert wird, wodurch das Fenster extremen Einflüssen nicht ausgesetzt wird, um Gegenmaßnahmen gegen solche Einflüsse zu vermeiden und die Notwendigkeit für besondere Abdichtungen am warmen Ende zwischen den unterschiedlichen Materialien, aus denen die Zelle hergestellt ist, zu eliminieren. In vorteilhafter Weise kann die Zelle daher als eine insgesamt geschweißte Einheit oder gemäß Darstellung in Fig. 2 mit Dichtungen mit Stahl/Stahl-Verriegelungskragen hergestellt werden.
  • Bei entsprechenden Vorrichtungen für das in Fig. 1B und 1C dargelegte Verfahren muß das optische Signal (der Laserstrahl) nicht notwendigerweise in den Wellenleiter 20 gerichtet werden, sondern kann das optische Signal ebensogut direkt in die Erregungszone 20 und entlang derselben und somit quer zu dem bzw. den Wellenleiter(n) ausgerichtet sein.

Claims (8)

1. Verfahren zum Übertragen eines akustischen Signals an ein Mikrophon an einer optoakustischen Zelle, die Teil einer Vorrichtung zur optoakustischen Analyse von Substanzen oder Mischungen von Substanzen und Gasen oder Mischungen von Gasen ist und bei welcher Vorrichtung das Mikrophon gegen gefährliche Einflüsse von den analysierten Substanzen durch ein Schutzgas geschützt ist, das in die Vorrichtung eingeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Mikrophon zur Aufnahme des akustischen Signals von einer Erregungszone, die eine Umgebung darstellt oder in einer Umgebung angeordnet ist, die für das Mikrophon schädigend ist, außerhalb dieser Umgebung angeordnet wird, das Mikrophon an die Erregungszone über einen Hohlleiter angeschlossen wird, innerhalb dessen die Erregungszone ganz oder teilweise angeordnet sein kann, das zu analysierende Medium, das in die Erregungszone eingeführt wird und in dem ein akustisches Signal mittels einer akustischen Frequenzmodulation eines in das Medium gerichteten optischen Signals erzeugt wird, an einem Erreichen des Mikrophons durch das Schutzgas in dem Hohlleiter gehindert wird, der Hohlleiter einen akustischen Resonator mit mindestens zwei Wellenbäuchen bildet, wobei der Resonator in einem Wellenbauch erregt wird und das Mikrophon in einem anderen Wellenbauch angeordnet wird, und der Hohlleiter das erzeugte akustische Signal von dem analysierten Medium durch das Schutzgas hindurch an das Mikrophon ohne bedeutende Schwächung des Signals weitergibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß, soweit Lichtfrequenz betroffen ist, das Schutzgas ein nicht-absorbierendes und somit kein Schallsignal erzeugendes Gas ist, das unter den herrschenden physikalischen Bedingungen für das Mikrophon tolerierbar und gegenüber dem analysierten Medium unter den in der Erregungszone herrschenden Bedingungen chemisch neutral ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das analysierte Medium innerhalb des Hohlleiters und das Schutzgas, die zusammen in denselben eingeführt werden, aus dem Hohlleiter über einen Auslaß abgeführt werden, der zwischen der Erregungszone und dem Mikrophon angeordnet ist.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und bestehend aus einer optoakustischen Meßzelle, die den Durchtritt eines pulsierenden Lichts von einer Laserlichtquelle gestattet, aus einer Mikrophoneinheit und aus einem Mittel zum Einführen eines zu analysierenden Mittels, das für das Mikrophon schädigend ist, in die Zelle, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ende der Meßzelle ein Gehäuse (21) mit einem Fenster (11) enthält, das den Durchtritt des pulsierenden Laserlichts gestattet und das andere Ende der Zelle mit einem Laserlicht reflektrierenden Spiegel (15) ausgestattet ist, der innerhalb eines Behältnisses (22) angeordnet ist, daß die Zelle Mittel (12, 13) zum Einführen eines Schutzgases zu dem Mikrophon und zum Abführen desselben aufweist, daß das Mikrophon (10) und das Behältnis (22) mittels eines Hohlleiters (20) mit einer Länge miteinander verbunden sind, die einen Halbwellenakustikresonator bildet und die es gestattet, daß das Mikrophon (10) außerhalb des Schädigungsbereichs des Mediums anzuordnen, daß ein Teil des Hohlleiters (20) ein Wechselwirkungsvolumen (19) zur Analyse des Mediums bildet, daß der Hohlleiter am Mikrophonende einen Einlaß (12) zum Zuführen von Schutzgas (70) in den Hohlleiter aufweist und daß der Hohlleiter an dem Ende des Wechselwirkungsvolumens (19) in Richtung auf das Mikrophon (10) einen Auslaß (13) zur Abführung des analysierten Mediums aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzfrequenz des Halbwellenresonators der Modulationsfrequenz des optischen Lasersignals oder einem Mehrfachen dieser Frequenz entspricht.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptton des Halbwellenresonators einen Wellenbauch an jedem Ende des Hohlleiters aufweist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter nicht die gleichen Resonanzen wie das in dem Medium erzeugte Schallsignal aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle zwei oder mehr hinsichtlich der Erregungszone (30) symmetrisch angeordnete Hohlleiter aufweist.
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