DE2225319C3 - Nichtdispersiver optischer Strahlungsanalysator - Google Patents

Description

Mikrophon-Membran im Detektor trägt auch zu selektiven Quelle, die in der Vorrichtung nach diesen unerwünschten Eigenschaften bei. F i g. I verwendet werden kann,

Ein weiteres Problem derartiger Analysatoren be- Fig. λA Emissionsspektren der beiden in der steht in ihrer hohen Anfälligkeit für spektrale Stö- Vorrichtung nach F i g. 3 verwendeten Emissionsrungen zwischen den Absorptionsspektren der Mole- 5 dioden sowie die spektrale Ausgangsfunktion des küle, von denen die Konzentration gemessen werden Fotoleiters,

soll, sowie der Spektren der Verdünnungsmittel oder Fig. 4 ein Diagramm einer möglichen Ausfüh-

der zufälligerweise vorhandene Gase und Dämpfe. rungsform der Quelle und des Detektors nach Um diese Schwierigkeiten zu mildern, wurde große Fig. 1,

Sorgfalt aui den Bau sehr selektiver Formen von io F i g. 5 ein Diagramm einer anderen Ausführungs-Detektoren, Quellen, Filtern und Kombinationen form eine* nichtdispersiven, infrarote Strahlung verdieser Elemente gelegt. wendenden Gasanalysators mit einer selektiven Foto-

Aus der USA.-Patentschrift 3 435 209 ist ein detektorstufe,

dispersiver optischer .Strahlungsanalysator bekannt, Fig. 5 A Emissionsspektren der beiden Emitter-

der im übrigen die Merkmale des Strahlungsanaly- 15 dioden und die spektrale Antwortfunktion der beiden sators der eingangs genannten Gattung aufweist. in der Vorrichtung nach Fig. 5 verwendeten De-Auch dieser Strahlungsanalysator enthält jedoch eine tektoren,

mechanische Zerhackerscheibe und außerdem eine F i g. 6 ein Diagramm zur Erläuterung des Multi-

mechanische Lichtabschwächungseinrichtung für plexverfahrens der Vorrichtung nach Fi g. 5,
einen Strahl, so daß sich im wesentlichen die gleichen 20 Fig. 7 eine andere Ausführung-Jorm einer Queile Nachteile wie bei den bekannten nichtdispersiven und eines Detektors gemäß F i g.
Strahlungsanalysatoren ergeben. Fig. 8 ein Diagramm einer weiicr» π AuMÜhrungs-

Aus der deutschen Patentschrift 9 76 290 ist ein form der Erfindung zur Analyse von Verunreinigun-Gasanalysator bekannt, der eine einheitliche Strah- gen bei relativ weiten Entfernungen,
lenquelle besitzt, aus der mehrere Zonen geometrisch 35 Gemäß F i g. 1 weist eine bevorzugte Ausfi^;t.iungsausgeblendet werden, so daß Strahlenwege gebildet form η dem Abschnitt mit der selektiven Quelle ein werden, die nacheinander zeitlich und räumlich par- Paar Dioden E_s und E_R zur Emission infraroter allel durch mehrere Gase oder Gasgemische geleitet Strahlung auf. Die Probenquelle £'_s gibt ein Strahwerden können. Dies hat jedoch den Nachteil, daß lungsspektrum ab, das ein Grundabsorptionsspektrum eine gegenseitige Anpassung der Strahlungsintensitä- 30 des ausgewählten zu analysierenden Gases umfaßt, ten der Teilstrahlen nur auf mechanischem Wege Beispielsweise liegt im Falle eines Analysators für und über den Umweg über einen zusätzlichen Tei¹- CO₂-GaS eines der Basisabsorptionsspektren des CO₂-strahl möglich ist. Moleküls bei 4,3 um, und die meistens angestrebte

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Probenquelle E_s liegt auch bei etwa dieser Frequenz Strahlungsanalysator der eingangs genannten Gattung 35 (vg. F i g. 1 A). Geeignet ist eine Quelle für infrarote zu schaffen, welcher keinerlei mechanisch bewegliche Strahlung, wie sie beschrieben ist in dem Artikel Teile aufweist und bezüglich der Selektivität, Ge- »Electroluminescent Properties of InAs₁ j-Sb^ Alnauigkeit, Empfindlichkeit, Geschwindigkeit. Größe, loys«, J.Y.Wong et al. Extended Abstracts of the des Gewichtes, der Leistung und insbesondere der Los Angeles, May K) 15, 1970, Meetings of the Stabilität die herkömmlichen Instrumente übertrifft. 4° Electrochemical Society. S. 232 bis 235. Eine Diode

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im aus InAs₀ C₁₂Sb₀₀,, liegt im Absorptionsspektrum von Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Vor- CO₂ und hat eine Halbwertsbreite, die das Absorpteilhafte Ausgestaltungen bzw. Weiterbildungen der tionsband bedeckt.

Erfindnnq sind durch die Unteransprüche gekenn- Die Referenzdiode E_R hat ein Emissionsspektrum,

zeichnet. 45 das um die Wellenlänge 3,55 «m zentriert ist und

Aus der britischen Patentschrift 1 186 957 ist nahe dem Emissionsspektrum der Probendiode jcallerdings der Einsatz von lichtemittierenden Dioden doch von diesem entfernt liegt, und vorzugsweise ersowie von Halbleiter-Strahlungsempfängern auf dem gibt sich wenig oder keine Überlappung in den Emis-Gebiet des Gegenstandes der Erfindung bereits be- sionsspektren. Eine geeignete Referenzquelle ist eine kannt. 5° Diode mit InAs.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungs- I ine I:ijektion^cdiode ist im wesentlichen aus zwei

beispiele der Erfindung an Hand der Zeichnungen Gründen die bevorzugte Quelle E_s, E_n für diese Vorerlautert; es stellt dar richtung. Ihre Emisüonshalbwertsbreite für Strah-

F ig. 1 ein Diagramm eines nichtdispersiven, für lur.^siekombinationen nahe dem Absorbtionsrand des infrarote Strahlung geeigneten Gasanalysators mit 55 Halbleitermaterials, bei dem die Rekombination aufciner selektiven Quelle mit verschiedenen Strahlungs- tritt, ist in der R^gel einige kT breit. In V-'eilenzahlen emissionsq"e!len, r in cm · ausgedrückt, ergibt 2 kT Dei 300 ' K etv.a

Fig. IA Diagramme der Emissionsspektren typi- 200 cm"¹. Bei tieferen Temperaturen ist die Halbscher Dioden für die Proben- und RiJerenzemissions- wertsbreite en.snrechend proportional kleiner und bei quelle sowie die spektrale Ausgangsfunktion eines 6° höheren Temperaturen größer. Diese Halbwertsbreitypischen in der Vorrichtung nach Fig. 1 verwen- ten haben die gleiche Größe wie die Halbwertsbreite deten Fotoleiters, der (Vibrations/Rötations)Absorptionsspektren der

F i g. 1B das Emissionsbandenzentrum für Gasmoleküle (F i g. 1 A). Wenn sich das Gas nicht InAs_1-1Sb₁ bei drei verschiedenen Betriebstempe- auf einer sehr viel höheren Temperatur als die infraraturen, 65 rote Strahlung emittierende Diode befindet, umgibt

Fig. 2 ein Zeitfolgediagramm zur Erläuterung des das Emissionsspektrum der Diode das Absorptions-Multiplexverfahrens (fcr Vorrichtung nach Fig. 1, Spektrum des Gasmoleküls.

F ί g. 3 ein Diagramm einer anderen Form einer Die zweite wünschenswerte Eigenschaft von Strah-

lung emittierenden Halbleiterdioden ist die chemische Steuerung, welche erreicht werden kann, indem man das Zentrum des Emissionsbandes sucht. Jede HaIblcilervcrbindung hat ein charakteristisches Zentrum des Eniissionsbandcs, dessen Spcktrallage durch die Temperatur und den Druck bestimmt ist, bei dem die Diode arbeitet. Dies führt zu einer bedeutenden Anzahl von Wahlmöglichkeiten über die sichtbaren und infraroten Spektren hinweg. Noch wichtiger ist, daß eine große Anzahl lerniircr und qualernärcr Legierungen zwischen den durch die Halblcilerverbindungcn dargestellten endgültigen Zusammensetzungen gebildet werden können. Beispielsweise kann durch die Synthese von Legierungsverbindungen von InAs₁^₁Sb₁. zwischen den endgültigen Verbindungen InAs und InSb der Absorptionsrand irgendwo zwischen 3 und !2;.·!ϊ! im infraroten Dort¹·'"'' gesetzt werden.

Aus der vorgenannten Vorveröffentlichung geht hervor, daß Dioden mit Emissionsspektren hergestellt worden sind, die in dem Intervall zwischen 3,2 und 5,1 (im zentriert sind. Eine Legierung mit 8" ο InSb und 92% InAs ergibt eine Diodenemission, die in dem Absorptionsband von CO., zentriert ist, wenn die Diode bei 300 K, d. h. bei Raumtemperatur, betrieben wird, wie aus Fig. 1 B hervorgeht. Wenn die Dioden bei der Temperatur von Trockeneis oder flüssigem Stickstoff betrieben werden, werden Lcgierungszusamm :nsetzungen zwischen 13 bzw. 18"Ό InSb gewählt.

Beide Dioden sind derart angeordnet, daß ein Teil der Strahlung von jeder Diode auf einen Vergleichs-Detektor D_n, beispielsweise einen PbSe-Fotoleiter, auftrifft, der vor der zu untersuchenden Probe angeordnet ist. Diese Probe ist durch einen Pfeil in der für Licht transparenten Leitung oder Kammer 11 dargestellt. Ein anderer Anteil des Lichtes von jeder Emitterdiode gelangt durch das Probengas und fällt auf einen Probendetektor D_s, beispielsweise einen PbSe-Fotoleiter, auf, der sich auf der entfernten Seite der Leitung 11 befindet.

Bei der Auswahl der PbSe-Fotoleiter ist es wichtig, daß sie nahezu identische Ausgangsspektren über den ganzen Bereich des Spektrums haben, in dem die Dioden E_s und E_R emittieren. Noch wichtiger ist, daß, abgesehen von der Größe der Ausgangsspektren, diese sich über den ganzen Spektralbereich unter ändernden Umgebungs- und Betriebsbedingungen gleichartig verändern. Bei der Auswahl eines geeigneten Fotodetektors muß auf die Spektralposition des Absorptionsrandes des Halbleitermaterials geachtet werden, aus dem der Detektor hergestellt ist. Diese Position bestimmt die Grenzwellenlänge für langwellige Strahlung des Fotodetektors und sollte derart gewählt werden, daß die Ausgangsfunktion des Fotodetektors die Emissionsspektren beider Emissionsdioden E₅ und E_R umfaßt. Wie im Emissionsfall ist die spektrale Position des Absorptionsrandes eine Funktion der Temperatur. Im Fall von PbSe hat der Temperaturkoeffizient der Lage des Absorptionsrandes das entgegengesetzte Vorzeichen wie die InAsSb-Legierungen. Dies setzt eine obere Grenze für die Betriebstemperatur der hier beschriebenen Ausführungsform bei etwa 40^c C.

Andere Detektoren können verwendet werden, beispielsweise Legierungen aus HgCdTe und auch aus InAsSb, falls sie den obigen Bedingungen genügen. Ihre Zusammensetzung sollte derart ausgewählt sein, daß sie eine Absorptionsgrenze bei einer größeren Wellenlänge als der Absorptionsrand der Emissionsquellen haben. Auch andere Folodclcktorcri, beispielsweise Fotovolta- oder fotoeleklromagnetischc Fotodetektören, können verwendet werden.

Diese Halbleitefqücllcn und Detektoren sind sehr selektiv und auch bezüglich Temperatur und Druck sehr empfindlich, beispielsweise sind die Amplitude, die Halbwertsbrcite und die Spcktrallage derartiger Emissionsqucllen temperaturabhängig. Die hier beschriebenen Vorrichtungen kompensieren diese Einflüsse.

In Betrieb betätigt eine Multiplex- oder Taktgeberschaltung 10 die Schalter Sl bis S8 gemäß

¹S F i g. 2 erneut bei jedem Zyklus, der vier Intervalle aufweist. Während des größten Teiles des Intprvnlk A wird die Referenz -T missionsdiodc E_R gespeist, und es folgt ein dunkles Intervall B, C und D. Die Proben-Emissionsdiode E₅ wird in einem Intervail C gf'peist, und es folgt ein dunkles Intervall in den Zeiträumen D, A und B. Das angegebene Tastverhältnis von etwas wenicer als 25⁰Zo ist jedoch nur bc^pielshalbcr zu verstehen.

Während des Intervalls/1 sind die Schalter Sl bis

^a5 54 geschlossen und die Referenzdiode E₁₁ wird gespeist, \;nd ihre Strahlung betätigt den Vergleichs-Detektor D_n und den Signaldetcktor D_s. Das Ausgangssignal des Detektors D_n wird im Verstärker 12 verstärkt und im Kondensator C1 gespeichert, und dieser Kondensator speichert bis /u dem Wert, der durch den Ausgang des Detektors D_n und damit durch die Intensität der Strahlung von der Emissionsdiode E_R bestimmt ist.

Während des folgenden Intervalls B ist die Referenzemissionsdiode E_R abgeschaltet, und der Detektor D_n ist dem Strahlungspegel »dunkel« ausgesetzt. Jedes Detektorausgangssignal während dieses dunklen Intervalls lädt auch den Kondensator Cl, so daß die Ladung auf dem Kondensator Cl der Durch-

<° schnittswert des Verstärkerausganges während der Einschaltzeit der Referenzemissionsquelle E_R und der folgenden dunklen Periode ist. Diese Durchschnittsladung des Kondensators Cl ist während der folgenden zwei Perioden C und D gespeichert, wenn der

« Schalter S2 geöffnet ist.

Während der Periode C sind die Schalter S6, S7 und 58 geschlossen, und der Schalter S 6 schließt den Schaltkreis zur Speisung der Diode E_s. Das auf den Detektor D_B während dieser Periode auftupfende Licht ruft ein Ausgangssignal hervor, das proportional der Lichtstärke ist, und eine für dieses Detektorausgangssignal signifikante Ladung wird dem Kondensator C 2 zugeführt. Da dieser Kondensator C 2 auch mit dem Detektor D_B während des folgenden dunklen Intervalls D verbunden ist, wenn der Schalter S 6 geöffnet und die Emitterdiode E₅ geöffnet ist, ist die tatsächliche Ladung des Kondensators CI der Durchschnittswert des Ausganges des Verstärkers 12 während der Einschaltzeit der Diode E₅ und des nachfolgenden dunklen Intervalls D.

Der Verstärker 13 verstärkt die Wechselspannungskomponente des von den beiden Kondensatoren C1 und C 2 während der einen Hälfte der Taktfrequenz erhaltenen Eingangssiguals wegen des Schaltens der beiden Schalter Sl und S2. Diese Wechselspannungskomponente liegt vor, wenn die beiden Kondensatoren keine gleichen Spannungen gespeichert haben. Falls die auf jedem der beiden Kondensatoren ge-

^{7 s} . . ..

speicherte Spannung nahezu gleich ist, hat die Ein- tors maximal zu machen, nachdem die Diode E₁₁ ab- f

gangsspannung für den Verstärker 13 eine kleine schaltet,

WcchsclspanniTngskoniponenlc, die sie an den syn- Während des Zeitintervalls C wird die Diode E_s chfonen Detektorschaiter51 weitergibt, der während gespeist, und das Licht gelangt durch die Probender Intervalle A und B geschlossen und während der 5 leitung 11 und in den Probendetektor D₅. Die erfaßte Intervalle C und D geöffnet ist. Lichtintensität ist eine Funktion der Menge oder

O-«s Eingangssignal für das Tiefpaßfilter 14 besteht Konzentration des ausgewählten Gases in der Gas- I

daher aus einer kleinen Gleichspanriüngsköfriponente, probe* Jegliche Differenzen in der Lichtintensität erderen Vorzeichen davon abhängt, welcher der beiden scheinen als Differenz In der Amplitude am Eingang Kondensatoren Cl und Cl eine hohe Spannung ge- ίο des Verstärkers 18 gegenüber dem Referenzsignal vofi genüber dem anderen hat. und die Amplitude hängt der Quelle 19, das während des dunklen Intervalls |

von der Spannungsdifferenz der durch die Konden- zugeführt wird. Dbs Ausgangssignal des Verstärkers \

satoren gespeicherten Spannungen ab. Das Ausgangs- 18 wird über den Schalter 57 und das Tiefpaßfilter signal des Tiefpaßfilters 14 wird an den Gleichspan- 24 an den anderen Eingang des Ausgangsverstärkers liungsverstärker 15 übertragen, der Speisestrom an »5 23 übertragen. Der Ausgang e₀ des Verstärkers 23 ist *

die Diode £_s während der Periode C über den Schal- auf die Differenz zwischen den beiden Eingangs- \

lcrSd zuführt. Die Ausgangsspannung des Vcrstär- Signalen während den Intervallen A und C bezogen ker« 1? stpiirrt dip Intensität des Lichtes von der und ist daher meßbar auf die Lichtabsorption durch Quelle E_x und führt daher die Diode E_s der Refe- das ausgewählte Gas in der Leitung 11 von der Diode renzdiode E_R nach, um ein angestrebtes Verhältnis a° E._s· bezogen. Dieses Ausgangssignal e₀ wird an ein der Liuitmtensitäten beider Emissionsquellen zu er- Aufzeichnungsgerät, ein Meßgerät od. dgl. als Maß halten. der Konzentration des ausgewählten in der Leitung

Im Betrieb kann es wünschenswert sein, daß das vorhandenen Gases übertragen. Das Ausgangs-Verhältnis des Referenzlichtes zu dem von der Pro- signal e_n ist nichtlinear bei einer abnehmenden Ändebendiode ausgesandten Licht, das auf den Signal- *5 rungsgeschwindigkeit der Amplitude mit zunehmendetektor D_s auftrifft, wenn in der Leitung kein aus- der COo-Konzentration, und es ergibt sich eine nichtgewähltes Gas vorliegt, eins ist, und daher kann das lineare Äuslesung (NLRO). Zusätzlich kann zur AbVerhältnis der beiden auf den Detektoren D_n auf- gäbe einer linearen Anzeige (LRO) mit dem Austreffenden Lichtstärken so eingestellt werden, daß gangsverstärker 23 eine Schaltung zur Linearisierung m; ι die angestrebte gleiche Intensität am Proben- 3< > verbunden werden,
detektor D_s erhält. Eine andere Ausführungsform der Erfindung ist in

Während des Intervalls A, bei dem die Schalter 53 F i g. 3 dargestellt und weist eine Emissionsquelle auf. und 54 geschlossen und die Referenzdiode E_R ge- die selektiver ist als die Quelle gemäß Fig. 1. Die speist ist, gelangt das Licht von dieser Diode durch letzte Quelle verwendet zwei verschiedene Emissions- ,

die Probenleitung 11 und trifft auf den Detektor D_s 35 dioden. In Fig. 3 sind die beiden Emissionsdioden E_n \

für das Licht der Probe auf. Wie schon angemerkt und E_R gleich, beispielsweise aus InAs_{0 B}.,Sb₀„₈, und jj

wurde, liegt das Emissionsspektrum dieses Lichtes die Referenzdiode E_R ist in einer transparenten Zelle *

außerhalb des Absorptionsspektrums des ausgewähl- 25 eingeschlossen, die das ausgewählte Gas, beispielsten Gases, und die gleiche Lichtintensität fällt auf weise CO₂, aufweist. Das von der Zelle 25 abgegebene den Signaldetektor D₅, unabhängig davon, ob irgend- 4o Licht hat nicht das Absorptionsspektrum von CO₂ >n eine zu untersuchende Gasmenge in der Leitung 11 seinem Emissionsspektrum, und daher findet wie bei vorhanden ist. der InAs-Diode der Fig. 1 keine bedeutende Ab-

Das Ausgangssignal des Detektors Dj, welches von sorption dieses Lichtes statt, wenn es durch das CO.,

der auftreffenden Lichtintensität abhängt, wird in in der Probenleitung 11 gelangt. Die Emissionsspek- «

dem Verstärker 17 verstärkt und dann an einen zu- 45 tren von £_s und E_R sind in F i g. 3 A einander übersätzlichen Verstärker 18 übertragen. Während eines lagert dargestellt, wobei die CO.,-Absorption von dem Teiles jedes der dunklen Intervalle ist der Schalter SS £_R-Spektrum herrührt.

geschlossen, und von der Quelle 19 wird eine Refe- Eine bevorzugte Ausführungsform einer Emis-

renzspannung an den Eingang des Verstärkers 18 ab- sionsquelle in Form einer Diode und eines Diodengegeben, um den Verstärker auf einen ausgewählten 50 detektors ist in F i g. 4 dargestellt, wo alle vier opto-Referenzeingang mittels eines Ladekondensators 16 elektronischen Vorrichtungen E₅, E_R, D_n und D_s einzustellen. Das Ausgangssignal des Verstärkers 18 wechselseitig rechtwinklig zu einem Strahlspalter 26 während des Intervalls A hängt von der Differenz im Zentrum angeordnet sind. Das Licht von der zwischen der Referenzspannung im Intervall D und Probenemissionsdiode E₅ für infrarote Strahlung ist dem Signal vom Verstärker 17 während der Inter- 55 auf den Strahlspalter gerichtet, und ein Teil dieses valle A und B ab. Das Ausgangssignal des Verstär- Lichtes wird auf den Detektor D_B reflektiert, und der kers 18 wird über den Schalter 53 und das Tiefpaß- Rest gelangt durch den Strahlspalter und die Probenfilter 21 übertragen und erscheint als Fehlersignal am leitung oder Kammer 27 auf die Signaldetektoren D_s. Eingang des Verstärkers 22. Der Ausgang des Ver- Die Referenzdiode D_R ist in einer Kammer 28 an-

stärkers22 wird über den Schalter 54 während des ^6o geordnet, die mit Absorptionsgas, beispielsweise CO₂, Intervalls A übertragen, um die Lichtintensität der gefüllt ist, so daß das emittierte Licht kein CO₂-Ab-Referenzdiode E_R auf dem gewünschten Amplituden- Sorptionsspektrum hat. Ein Teil dieses Lichtes gepegel zu halten. Das Ausgangssignal des Tiefpaß- langt durch den Strahlspalter 26 zu dem Detektor D_B, filters 21 gelangt auch an einen Eingang des Aus- und der Rest wird durch die Gasprobenkammer 27 gangsverstärkers 23 während der Intervalle A und B. ^£5 auf den Signaldetekior D_s reflektiert.
Der Schalter 55 ist nur während des letzten Teiles Wenn erwartet wird, daß ein Gas mit einem Ab-

des Intervalls B geschlossen, um die Lichtmessung Sorptionsspektrum nahe dem Absorptionsspektrum des Detektors D_s während der Abfallzeit des Detek- oder in Überlappung mit dem Absorptionsspektrum

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des untersuchten Gases, beispielsweise N.„ in einem CO^Analysalor in der Probenkammer 27 auftreten und die Konzentrationsablesung beeinträchtigen könnte, kann dieses Gas auch der Hauptkammer 29 zugeführt werden. Das Licht Von beiden Emittern E_R und E₅ weist nicht mehr das Emissionsspektrum dieses störenden Gases auf, bevor dieses durch die Probenkammer 27 gelangt, so daß die durch den Detektor D₅ erfaßten Intensitätsänderungen des Lichtes auf das ausgewählte zu untersuchende Gas zurückgehen.

Gemäß F i g. 5 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der die Lichtdetektorstufe der Vorrichtung an Stelle der Lichtquellenstufe in den vorangehenden Äusführungsbeispielen selektiv gemacht wird.

Eine geeignete Vergleichs-Diode £_a für die Emission infraroter Strahlung wird während des Intervalls A beim Schließen des Schalters 511 (vgl. Fig. 6) gespeist. Die Intensität des emittierten T ichtes ist auf einen gewünschten Pegel einstellbar, indem der Strom für die Diode gesteuert wird. Die Strahlung trifft auf einen Referenzdetektor D_R auf, nachdem sie zunächst durch eine Menge des ausgewählten Gases 31, beispielsweise CO₂, hindurchgelangt ist, so daß das Hauptabsorptionsspektrum des ausgewählten Gases entfernt ist, bevor die Strahlung auf den Detektor D_R auftrifft. Die Strahlung trifft auch auf eine Probendetektordiode D_x ohne Filterung auf. Die Emissionsspektren von E_x und E_n und die spektralen Ausgangssignale von Όs und D_R sind in Fig.5 A dargestellt, wobei die Absorption von CO₂ in dem Ausgangssignal des Detektors D_R fehlt.

Die beiden Detektoren D_R und D₆- sind in Reihe geschaltet über eine Schaltung zur Einstellung der Vorspannung mit Widerständen 32 und 33, die mit positiven und negativen Quellen verbunden sind. Eine Regelschaltung wird verwendet, um die beiden Ausgänge der beiden Detektoren in einem gewünschten Verhältnis, beispielsweise mit gleichen Amplituden, während des Referenzintervalls A zu halten. Diese Regelschaltung weist ein Paar Verstärker 34 und 35 auf, bei denen jö ein Eingang eines Verstärkers mit einem der Detektoren verbunden ist. Die Ausgänge der beiden Verstärker sind miteinander über eine Widerstandsschaltung mit dem Widerstand des Potentiometers 36 verbunden, dessen Abgriff mit einem Eingang des Rückkopplungsverstärkers 37 verbunden ist. Das Potentiometer 36 wird anfangs verwendet, um den Abgleich der Brücke mit den Detektektoren D_R, D₅, den Verstärkern 34 und 35 und dem Widerstandskreis einzustellen. Der Ausgang des Verstärkers 37 ist mit einem synchronen Detektorkreis mit Kondensatoren C 3 und C 4 und Schaltern 512 und 513 verbunden. Das Ausgangssignal des synchronen Detektors ist über den Verstärker 38 mit dem Verbindungspunit der beiden Detektoren D_R und D₈ verbunden, um eine Ausgleichsschleife mit den beiden LichtdetektOTen zu bilden.

Der Ausgang des Verstärkers 34 ist auch mit einem Verstärker 39 verbunden, dessen Eingang mit einer Referenzspannungsquelle 41 über den Schalteröle während jedes dunklen Intervalls D verbunden ist, das dem Intervalle vorhergeht. Der Ausgang des Verstärkers 39 ist über den Schalter 514 mit einer Probenemissionsdiode E₅ verbunden, die während der Speisung im Intervall C Licht durch das Probengas in der lichttransparenten Leitung oder Kammer 11 und auf die beiden Detektoren D_R und D₅ überträgt und dadurch einen Regelkreis für die Lichtintensität der Pr^benemissionsquelle bildet.

Der Ausgang des Verstärkers 42 ist über einen synchronen Detektor mit Kondensatoren C 5 und C 6 und Schaltern 515 und 517 mit dem Ausgangsver-> stärker 43 verbünden, der das Ausgangssignal e_n abgibt, das das Vorhandensein einer reichlichen Menge des ausgewählten Gases in dem Probengas darstellt.

In Betrieb ist die Emissionsquelle E_B während des

ίο Intervalls A (Fig.6) bei geschlossenen Schaltern 511 und 512 gespeist, und das davon emittierte Licht trifft auf die beiden Detektoren D_s und D_R. Das Ausgangssignal vom Verstärker 34 ist proportional dem Ausgangssignal des Detektors D_R, und das Ausgangs-

*5 signal des Verstärkers 35 ist proportional dem Ausgangssignal des Detektors D_s. Jedes am Verstärker 37 wegen eines Ungleichgewichtes in den Ausgängen der Verstärker 34 und 35 auftretende Eingangssignal führt zu einer Ausgangsspannung, die am Kondensator C 3 gespeichert ist.

Während des folgenden dunklen Intervalls B bei geschlossenem Schalter 513 führt jeder Unterschied zwischen den Ausgangsspannungen der Verstärker 34 und 35 wegen eines Unterschiedes in den Ausgangs-

^a5 spannungen der Detektoren D_R und D₅ zu einer Ausgangsspannung vom Verstärker 37, die im Kondensator C 4 gespeichert ist.

Die synchrone, durch die Kondensatoren C3 und C 4 und die Schalter 512 und 513 gebildete Detektorschaltung gibt an eine Verbindungsstelle der beiden Detektoren D_R und D_s eine Ausgangsspannung ab, deren Vorzeichen von der Richtung des Unterschiedes der Ausgangssignale der Verstärker 34 und 35 und deren Amplitude von der Größe dieser Differenz abhängt. Ein negatives Ausgangssigr.al vom Verstärker 38 erhöht die Vorspannung am Detektor D_R und vermindert die Vorspannung am Detektor D₅, während ein positives Ausgangssignal eine entgegengesetzte Änderung in der Vorspannung bewirkt. Diese

Rückkopplung dient dazu, die Ausgaugssignale der Verstärker 34 und 35 während der Periode mit den Intervallen A und D gleich zu halten.

Während des Intervalls C wird das Ausgangssignal des Verstärkers 39 über den Schalter 514 der Diode E₅ zugeführt. Das Licht von dieser aktivierten Diode gelangt durch die Gasprobenleitung 11 und trifft auf die beiden Detektoren D_R und D₅ auf.

Der Ausgang des Detektors D^, der von der Menge des in der Leitung vorhandenen ausgewählten Gases unabhängig ist, da das Absorptionsspektrum durch das den Detektor D^ in jedem Fall umgebende Gas 31 entfernt ist, wird an den Eingang des Verstärkers 39 übertragen, wo es mit der Referenzspannung von der Quelle 41 verglichen wird, die über den Schalter S16 während des dunklen Intervalls D zugeführt wird. Das Ausgangssignal des Verstärkers 39 entspricht der Differenz der beiden Eingangsspannungen und dient dazu, die Intensität des Ausgangssignals der Emissionsdiode E₅ zu regeln, um die Eingangsspannungen für den Verstärker 39 nahezu gleich zu halten.

Der Ausgang des Verstärkers 34 ist auch mit einem Eingang des Verstärkers 42 verbunden, und der andere Eingang ist mit dem Ausgang des Verstärkers

⁵S 35 verbunden. Während des Intervalls C der Emschaltzeit der Emissionsdiode E₅ lädt das Ausgangssignal des Verstärkers 42, das der Differenz der Ausgangssignale der beiden Detektoren D_R und D₅ pro··

Ii 12

porttofiai ist, den KondensatorC5 über den Schaltet tionsspektrum des zu messenden Gases umfaßt, ist

515. Während des folgenden dunklen Intervalls D amplitudenmoduliert bei einer Trägerfrequenz f_t

ist die Ausgangsspannung des Verstärkers 42 am durch den geregelten Leistungsgenerator 51. Ein Teil

Kondensator C 6 gespeichert, wobei der Schalter S15 der Strahlung von der Quelle E₅ wird durch einen

offen und der Schalter 517 geschlossen ist. Diese 5 Strahlspalter 52 übertragen und durch einen Spiegel

synchrone Detektorschaltung ergibt eine Ausgangs- £>3 durch den zentralen Abschnitt 54 eines konzen-

gleichspannung, die proportional der Differenz zwi- irischen optischen Systems an das zu untersuchende

sehen den beiden Eingangsspannungen von den Ver- Gasmedium reflektiert. Je nach der Art der Ver-

stärkern 34 und 35 ist, und die Ausgangsgleichspan- unreinigung und deren Intensität, die erfaßt werden

filing des Verstärkers 43 dient daher als Maß der In- io soll, kann dieses Medium ein offenes System bis zu

tensitat des Lichtes, das auf den Lichtdetektor D_s einigen tausend Meter Länge sein, oder es kann sich

wegen der Absorption durch das ausgewählte Gas in um ein örtliches oder Punktsystem handeln, dessert

der Probenleitung 11 auftrifft. optische Wellenlänge bis zu einigen hundert Metern

Die Emissionsquellen und Detektoren der Vorrich- reicht. Der Strahl gelangt an einen einzigen nicht dar-

tung nach F i g. 5 können in einer ähnlichen Anord- 15 gestellten Reflektor oder an ein System derartiger

nung wie diejenige der F i g. 4 gemäß F i g.7 angeord- Reflektoren, falls eine derartige Ablenkung des

net sein. Strahles angestrebt wird.

Aus den vorstehenden Beschreibungen der Vor-, Der reflektierte Strahl wird durch den äußeren

richtungen der Fig. i, 3, 4, 5 und 7 isi etsiclulich, Abschnitt55 des kuüienirischen optischen Systems

daß das optoelektronische in diesem optischen aö eingefangen und auf den Fotodetektor D₅ durch einen

Analysator verwendete Netzwerk zwei optische Strahlspaher 56 fokussiert.

Zweige mit Einrichtungen zur Erzeugung eines Eine Emissionsquelle E_R für infrarote Strahlung Paares optischer Strahlen aufweist, die durch die hat ein Emissionsspektrum, das nahe dem Spektrrm Probe gelangen, wobei ein Strahl in jedem Zweig ver- der Emissionsquelle E_s ist, aber das Absorptionsläuft und die Strahlen sehr ähnliche Strahlungsspek- 25 Spektrum des zu untersuchenden Gases nicht umtren haben. Dabei ist der Strahl in einem Zweig durch gibt und bei einer Trägerfrequenz /, durch den gedas Probenabsorptionsmittel unterschiedlich modu- regelten Leistungsgenerator 57 amplitudenmoduliert liert gegenüber dem Strahl in dem anderen Zweig. ist. Ein Teil der Strahlung von der Quelle E_R wird Es ist eine Einrichtung vorgesehen, um die Modu- von dem Strahlspalter 52 und dem Spiegel 53 relation der Strahlung in jedem der Zweige durch das 30 flektiert und gelangt zentral durch die Optik 54 in Absorptionsmittel zu erfassen, und eine zusätzliche das Probenmedium. Diese Strahlung wird zurück-Einrichtung dient dazu, die relativen Strahlungs- reflektiert, um auf den Detektor D₅ aufzutreffen,
flüsse in den beiden Zweigen zu regeln. Ein Teil der Strahlung von Quelle E₅ wird von

Im Falle der Fig. 1, 3 und 4 weist ein optischer dem Strahlspalter52 reflektiert, und ein Teil der Zweig die Emissionsquelle E_s auf, die den durch die 35 Strahlung von der Quelle E_R wird durch den Strahl-Probe in den Behälter 11 gelangenden Strahl erzeugt, spalter 52 übertragen, wobei diese beiden Strahlun- und der andere optische Zweig weist die Emissions- gen durch den Strahlspalter 58 gelangen und auf quelle E_R in F i g. 1 oder die Emissionsquelle E_R und einen geeigneten Fotodetektor D_B auftreffen. Der die umgebende Gaszelle in F i g. 3 und 4 auf, die den Ausgang des Detektors D_B wird in dem Bandpaßdurch die Probe gelangenden Strahl erzeugt. Diese 40 verstärker 59 verstärkt, und dieses Ausgangssigna! beiden Strahlen treffen auf den Detektor D₅ auf, der wird in zwei Frequenzkomponenten Z₁ und /_a durch mit einer Schaltung versehen ist, um die Modulation zwei synchrone Detektoren 61 und 62 zerlegt. Das jedes der beiden Strahlen auf Grund der Probe zu Gleichspannungs-Fehlersignal vom synchronen Deerfassen. Der Detektor D_B und die angeschlossene tektoröl, welches der Intensität der Lichtübertra-Schaltung bewirkt die Regelung der relativen Strah- 45 gung von der Emissionsquelle E₅ entspricht, wird lungsflüsse, d. h. der Strahlungsintensität in den verwendet, um den Ausgangspegel des Generators beiden Zweigen. 51 zur Speisung des Emitters E₅ zu regeln. In ähn-

Im Fall der F i g. 5 und 7 werden die beiden Strah- licher Weise regelt das Gleichspannungsfehlersignal len in den beiden Zweigen durch die gleiche Quelle E₅ am Ausgang des Detektors 62 den Ausgangspegel erzeugt, und der auf den Detektor D₅ auftreffende 50 des Generators 57 für die Emissionsquelle E_R. Auf Strahl ist unterschiedlich durch die Probe, in dem Be- diese Weise wird das gewünschte Verhältnis der halter 11 bezüglich des auf dem Detektor D_R auf- Lichtintensität der beiden Emissionsquellen E₅ treffenden Strahles moduliert, da der Detektor D_R und E_R automatisch aufrechterhalten,
von einer Menge des zu untersuchenden Gases um- Ein Teil der zurückkehrenden Strahlung mit den geben und daher bezüglich Änderungen des Strahles 55 beiden Komponenten Z₁ und f., wird durch den auf Grund der Probenmodulation unempfindlich ist. Strahlspalter 56 auf den Fotodetektor D^ reflektiert, Daher erfaßt die selektive Detektoranordnung mit und ein anderer Teil wird durch den Strahlspalter 56 den Detektoren D₅ und D^ die Modulation eines auf den Fotodetektor D₅ übertragen. Die Referenz-Strahles bezüglich der Modulation des anderen Strah- komponente /., der eintreffenden Strahlung, welche les. Die Lichtstrahlen von der Quelle E₀ treffen auf 60 zum Unterschied von dem untersuchten Hauptdie Detektoren D₅ und D_R auf und dienen dazu, die absorptionsmittel durch Hintergrund-Absorptionsrelativen Strahlungsflüsse, d. h. die Ströme in den De- stoffe in der Probe moduliert ist, wird über den tektoren in den beiden Zweigen, zu regeln. Detektor D^ und das Bandpaßfilter 62 an den syn-

Ia Fig. 8 ist ein Detektor für infrarote Strahlung chronen Detektor 63 übertragen. Auch wird an den

dargestellt, die die Gasabsorption über relativ weite 65 synchronen Detektor 63 ein Referenzsignal f„ vom

Entfernungen messen kann. Hauptgenerator 57 für die Frequenz/_ä nach geeig-

Die Emissionsdiode E₅ für infrarote Strahlung, neter Phasenangleichung in dem Phasenschieber

welche ein Emissionsspektrum hat, das das Absorp- 64 übertragen. Das Ausgangssignal des Detektors

one ¹Z 1 ο

Cl CiU JlO

63 wird über das Tiefpaßfilter «»5 zu einem Komparator 66 für das Amplitudenverhältnis übertragen.

Das mit der Frequenz J₁ modulierte und vom Lichtdetektor D^ erfaßte Licht wird über das Bandpaßfilter 67 zu dem Komparator für das Amplitudenverhältnis übertragen, wo das Amplitudenverhältnis des Verunreinigungsgases gegenüber dem optischen Hintergrundpegel erhalten wird. Das Ausgangssignal dieses Komparators wird an einen synchronen Detektor 68 übertragen, der ein Referenzsignal über den Phaseneinstellkreis 69 vom Generator 51 für die Frequenz/_t erhält. Die Ausgangsgleichspannung zur Darstellung der Konzentration des Verunreinigungsgases wird bezüglich der Bandbreite in dem Tiefpaßfilter 71 für entweder analoge oder digitale Darstellung begrenzt.

Ein Teil des Lichtes von den Dioden E_R und E₅

wird vom Strahlspalter 58 auf einen Detektor reflektiert, der die drei Photonendetektoren D_x, D_y und D_t und die angeschlossenen optischen Schmalbandfilter Fj., F_y und F₂ aufweist.

Das Detektors.ystem F₁,, Dy ist derart ausgelegt, daß 5S das Licht im zentralen Bereich des Emissionsspektrums der Diode £_s erfaßt, während die Detektorsysteme F_x, D_x und F₂, D, das Licht in den seitlichen Bereichen des Spektrums der Diode E_s erfassen. Die Ausgangssignale der drei Detektoren D₁, Dj, und D₂ werden in einem Komparator 72 verglichen, und das Ausgangssignal wird dazu verwendet, um einen geregelten Umgebungsmodulator 73 zu steuern, der die elektroakustische (druckabhängige) oder thermische Umgebungsbedingung der Diode umsteuert und sie damit bei der Bandmittenfrequenz des Absorptionsgases oder der zu untersuchenden Verunreinigung abgestimmt hält.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Festkörper-Strahler [Es) gebildet ist und die DePatentansprüche: tektorvorrichtung zwei Festkörper-Strahlungs- empfUnger (Ds, DK) umfaßt, die im Weg der von

1. Nichtdispersiver optischer Strahlungsanaly- der Strahlungsquelle (E_s) ausgehenden Strahlung sator zum Messen der Konzentration einer be- 5 hinter der Probe (11) angeordnet sind, und daß stimmten absorbierenden Substanz in einer gas- die erste optoelektronische Schaltung (E₁₁, D_K, förmigen Probe, mit einer Strahlungsquellen- D_s, 36, 37, 38) einen weiteren Festkörper-Strahanordnung zur Durchstrahlung der Probenkam- l_er (E_a) umfaßt, der für eine unmittelbare Bemer, mit einer Detektoreinrichtung zum Emp- strahlung der beiden Festkörper-Sti jhlungsfang von Strahlung eines ersten Wellenlängen- io empfänger (D_s, D_l{) ohne vorherigen Durchtritt bereichs, in dem die nachzuweisende Substanz seiner Strahlung durch die Probe (11) angeordkeine Absorptionsbanden besitzt, und Strahlung net ist.

eines zweiten Wellenlängenbereichs, deren Inten- 6. Nichtdispersiver optischer Strahlungsanalysität durch die nachzuweisende Substanz ge- sator nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, schwächt ist, mit Strahlteilungseinrichtungen und/ 15 daß im Strahlweg vor einem der beiden Festoder Multiplexschaltungen zur Unterscheidung körper-StrahlungsempFänger (D_s,D_;i) eine Menge der von der Strahlung in dem jeweiligen Wellen- der jeweils untersuchten Substanz (31) angeordlängenbereich vermittelten Information und mit net ist, durch weiche die Strahlung nach Durcheiner Auswertschaltung zur Erzeugung zweier den tritt durch die Probe (11) hindurchgeht,
jeweilige:-. Intensitäten der Strahlung in den bei- 20 7. Strahlungsanalysator nach einem der Anden Weilenlängenbereichen entsprechenden Si- spriiche 3 bis 6. dadurch gekennzeichnet, daß die gnale sowie eines aus der Differenz dieser beiden beiden Festkörper-Strahlungsempfänger (D_s, D_n; Signale gebildeten Signals, das ein Maß für die D_s, D_R) spektrale Kennlinien besitzen, die sich Konzentration der nachzuweisenden Substanz bei Änderung der Umgebungstemperatur gleichdarstellt, dadurch gekennzeichnet, daß 25 artig ändern,
die Strahlungsquellenanordnung getrennte Sirahlungsqucllen (E_s, E_R) für die beiden Wellenlängenbereiche aufweist und daß zur Regelung

des Pegels des dem zweiten Wellenlängenbereich
zugeordneten Signals relativ zum Pegel des dem 3°

ersten We'lenlängenbereich zugeordneten Signals Die vorliegende Erfindung betrifft einen nichteine opto-elektronische Schaltung (E_s, E_R, D_B, dispersiven optischen Strahlungsanalysator gemäß 12 bis 15; E_B, D_R, D_s, 3i/ bis 38; E_s, E_R, D_B, dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
59, 61, 62, 51, 57) sorgesehen ist, die auf die Nichtdispersive, mit Infrarotstrahlung arbeitende Probenkammer nicht durch itzende, die beiden 35 Gasanalysatoren, d. h. Geräte, die kein optisches Wellenlängenbereiche umfassende Strahlung an- Beugungselement wie ein Prisma oder ein Gitter spricht. benötigen, um eine Strahlung entsprechend der

2. Nichtdispersiver optischer Strahlungsanaly- Wellenlänge der Strahlungskomponenten räumlich sator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zu zerlegen, werden zur Zeit häufig, insbesondere eine weitere optoelektronische Schaltung (E_R, D_s, 4° zur Feststellung und Messung von Verunreinigungen 17. 18, 19, 21, 22; £_s, D_n, 34, 39, 41) zur Re- in Gasen verwendet. Diese Geräte lassen sich grob gelung der Absolutwerte der Strahlungsinten- in zwei Gruppen einteilen, und zwar in solche Gesitäten in den beiden Wellenlängenbereichen. rate, weiche eine selektive Detektorstufe benutzen

3. Nichtdispersiver optischer Strahlungsanaly- und solche, welche eine selektive Emissionsquelle sator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn- 45 benutzen. Es lassen sich Untergruppen bilden, je zeichnet, daß die Strahlungsquelle zwei Fest- nachdem, ob es sich um eine Vorrichtung mit räumkörper-Strahlcr (E _s, E_K) umfaßt und die Dc- lichcr oder zeitlicher Doppelstrahlbildung handelt,
tektoreinrichtung durch einen Fcstkörper-Strah- Am häufigsten wird ein Gerät mit räumlicher lungscmpfängcr (D_s) gebildet ist, der im V/egc Doppelstrahlbildung verwendet, das einen selektiven der von den beiden Festkörperstrahlern (£'_s, E_R) 50 Detektor mit einem kompensierten Kondensatorausgehenden Strahlung hinter der Probe (11) an- mikrophon, d. h. einen mit Gas oder Dampf gefüllgcordnct ist, und daß die erste optoelektronische ten Detektor mit zwei durch eine bewegliche Mem-Schaltung (E_s, Zi„, D_B, 12, 13, 14, 15; E„, E„, bran getrennten Hohlräumen, aufweist.

/)_H. 59, 61, 62, 51, 57) einen weiteren Festkörper- Fine vollständige Beschreibung dieser Art von

Strahlungsempfänger (D_n) umfaßt, der für eine 55 Analysator sowie anderer ähnlicher Geräte ist dem Erfassung von Strahlung von den beiden F'est- Aufsatz »Non-Dispersive Infrared Gas Analysis in körper-Strahlern (E_s, E_n) vor Durchtritt durch Science, Medicine and Industry« von D. W. Hill die Probe (11) angeordnet ist. und T. Powell, 1968, Plenum Press of New York,

4. Nichtdispersiver optischer Strahlungsanaly- New York, zu entnehmen.

sator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, 60 Die üblichen nichtdispersiven mit Infrarotstrahl ■

daß im Strahlweg hinter einem der beiden Fest- lung arbeitenden Gasanalysaloren sind sperrig, ar-

körper-Strahler (E$, E_R) eine Menge der jeweils bcitcn langsam und sind in mechanischer Hinsicht

untersuchten Substanz (25) angeordnet ist, diarch anfällig, Der langsame Betrieb und die mechanische

welche die Strahlung vor Eintritt iri die Piföbe Störanfälligkeit gehen hauptsächlich darauf zurück,

(11) hindurchgeht. «s daß solche Geräte mechanische Einrichtungen, bei·

5. Nichtdispersiver optischer Strahlungsar.ialy- spielsweise durch Motoren getriebene rotierende sator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn^ Zerhackcrscheiben aufweisen, um die infrarote Strah· zeichne!;, daß die Strahlungsquelle durch einen lung der Quelle zu modulieren, Die Bewegung der