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Dokumentenidentifikation DE19848120C2 27.09.2001
Titel Einrichtung zur Messung der Strahlungsabsorption von Gasen
Anmelder ABB Patent GmbH, 68309 Mannheim, DE
Erfinder Fabinski, Walter, 65830 Kriftel, DE;
Zöchbauer, Michael, Dr., 61440 Oberursel, DE;
Laschinsky, Gerd, 40591 Düsseldorf, DE
DE-Anmeldedatum 20.10.1998
DE-Aktenzeichen 19848120
Offenlegungstag 18.05.2000
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 27.09.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.09.2001
IPC-Hauptklasse G01N 21/61
IPC-Nebenklasse G01N 21/37   G01N 21/03   G01J 3/42   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung der Strahlungsabsorption von Gasen, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Der Grundaufbau solcher Einrichtungen besteht aus einer Strahlungsquelle, einer Modulationseinrichtung, einer Absorptionszelle sowie einem Detektor und ggf. einer Selektivierungseinrichtung. Die besagten Elemente sind dabei auf einer optischen Achse oder zumindest hintereinander gereiht angeordnet. Das von der Strahlungsquelle emitierte Licht einer charakteristischen Wellenlänge oder zumindest eines charakteristischen Spektrums durchläuft die Modulationseinrichtung, die Selektivierungseinrichtung, die Absorptionszelle, in welcher entweder Gase, Flüssigkeiten oder Festkörper eingebracht bzw. eingefüllt sind. Hinter der von der Strahlung beaufschlagten Absorptionszelle ist dann ein Detektor angeordnet, welcher das nach Passieren der Absorptionszelle verbleibende Licht hinsichtlich seiner Intensität mißt. Aus dieser errechnet sich die in der Absorptionszelle bewirkte Absorption. Eine Selektivierungseinrichtung besteht ggf. aus Interferenz-, Farb oder Gasfiltern; ggf mißt auch der Detektor selektiv, oder die Lampe strahlt eine spez. Wellenlänge oder eine Wellenlängenkombination zur Selektivierung aus. Der Detektor selbst mißt in der Regel in einem weiten Wellenlängenbereich sensitiv, da die Meßmethode auf die jeweilige Absorptionsbande gewünschter Substanzen gerichtet ist. Der besagte Verlust wird am Detektor gemessen, wobei dieser mit der Differenz zwischen der Meßanordnung mit Meßgas und ohne Meßgas verglichen wird.

Üblicherweise weisen die Absorptionszellen zumindest zwei Fenster auf, ein Eintrittsfenster und ein Austrittsfenster. Diese besagten Fenster sind bezüglich der Wellenlänge charakteristischer Absorptionsbanden transparent. Da die besagten Absorptionszellen durchstrahlt werden, befinden sich die transparenten Fenster bezogen auf den Strahlengang an zwei gegenüberliegenden Seiten. Sind nun die Absorptionen aufgrund einer geringen Konzentration der eigentlich selektiv zu ermittelnden Gaskomponente im Gasgemisch klein oder ist die physikalisch im Meßgas bewirkte wellenlängenbezogene Absorption klein, so ist auch die Intensitätsabnahme der Strahlung hinter der Zelle gering. Eine genaue Messung geringerer Absorptionen oder kleiner Konzentrationen ist damit unter der Maßgabe einer guten Genauigkeit nicht mehr möglich. Hierzu werden bekanntermaßen die Absorptionszellen verlängert. Vielfach besteht jedoch die Maßgabe, daß die so aufgebauten Meßeinrichtungen transportabel sein müssen, wobei dann eine Absorptionszelle in der Länge von mehreren Metern nicht mehr realisierbar ist. Aus diesem Grund werden sogenannte Multireflexionszellen verwendet, wie z. B die "White- Zelle".

Eine solche White-Zelle besteht aus transparenten Eintritts- und Austrittsfenstern sowie mehreren, innerhalb der Zelle angeordneten Spiegeln. Das einfallende und ausfallende Licht muß dazu auf Spalte abgebildet werden und wird dann an den Spiegeln bzw. zwischen den Spiegelanordnungen reflektiert, so daß das Licht mehrfach durch die zu untersuchende Substanz hindurchläuft, wodurch sich in Summe die Absorption erhöht.

Hierbei ergibt sich jedoch der Nachteil, daß die Anzahl der Bauteile im Vergleich zu einer einfachen Absorptionszelle hoch ist, und darüber hinaus ist eine genaue Justage der Spiegelpositionierungen zueinander notwendig. Durch die Abbildung auf Spalte entstehen Energieverluste. Weiterhin können solche White-Zellen nicht anstelle einfacher Absorptionszellen, z. B. in einem Spektrometer, verwendet werden, ohne daß zum Teil eine Änderung in erheblichem Umfang notwendig wird.

Aus DE-AS 11 43 040 ist eine Messküvette für Absorptionsmessungen bekannt, bei welcher die Küvettenfenster mit einer reflektierenden Schicht versehen ist. Die dabei entstehende Reflexion bewirkt jedoch eine nicht genau quantifizierbare Mehrfachreflexion, deren Winkel zueinander nicht genau bekannt sind.

Aus US 4,885,469 ist eine Infrarot-Gasmessanordnung bekannt, bei denen die Fenster teildurchlässige Spiegel sind.

Aus DE 29 38 056 C2 ist eine Vorrichtung für fluorimetrische Gasmessung bekannt, bei welcher aufeinanderfolgende Fenster unterschiedliche Reflektivität aufweisen, um schrittweise einzelne Strahlungsbanden auszublenden.

Aus DE 196 52 513 A1 ist eine Küvette bekannt welche innen mit verschiedenen einstellbaren Spiegelelementen versehen ist.

Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Absorptionszelle mit großer effektiver optischer Absorptionsweglänge zu realisieren, wobei die Einrichtung baulich einfach gestaltet und der Justageaufwand möglichst gering ist, z. B. daß die Eingangs- und Ausgangsapertur identisch der einer einfachen, zylindrisch ausgeführten Meßküvette ist.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Erfindungsgemäße Verwendungen sind in den ist in Ansprüchen 7 und 8 angegeben.

Der Vorteil der Erfindung liegt darin, daß im Vergleich zu üblichen Zellen eine große effektive absorbierende Wegstrecke entsteht. Diese entsteht dabei, ohne daß komplizierte Spiegelanordnungen oder Abbildungsoptiken außerhalb und innerhalb der Zelle mit entsprechendem Justageaufwand angeordnet sein müßten. Damit ist auch eine Messung geringer Absorptionen möglich. Eine entsprechende Wahl der Reflektivität der Spiegel bzw. der Spiegeloberflächen ermöglicht dabei, die optisch durchstrahlte Wegstrecke zu bestimmen bzw zu bewirken. Da das Licht die Zelle auf geradem Wege durchstrahlt, ist eine einfache Integration der Zelle in bestehende Spektrometer möglich.

Durch die Anordnung der Spiegelflächen im Abstand der Krümmungsradien entsteht eine konfokale Anordnung. Diese konfokale Anordnung hat den Vorteil, daß Licht von schlechter Strahlungsqualität sehr lange zwischen den Spiegeln hin und zurück reflektiert wird und nicht aus der Zelle herausläuft. Damit können auch lange Wegstrecken für solche Licht- oder Strahlungsquellen realisiert werden, die nur eine schlechte Strahlungsqualität haben.

Durch die Mehrfachreflexion in sich selbst wird natürlich nicht nur das absorptionsbedingte count-rate-Signal erhöht, sondern auch das bspw. extinktionsbedingte begleitende Rauschsignal angehoben. Dies stellt zwar ein weiteres Problem dar, was aber im Zusammenhang mit der hier dargestellten Erfindung zunächst nicht im Vordergrund steht.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher beschrieben.

Es zeigt:

Fig. 1 Der Grundaufbau der Zelle.

Fig. 2 Schematischer Strahlengang mit Darstellung der Absorptionen.

Fig. 3 Grundaufbau eines Fotometers mit Strahler, Modulationseinrichtung, Meßzelle und Detektor

Fig. 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau. Von einer Lichtquelle L ausgehend wird über ein Linsen- oder Filtersystem das Licht über eine hier nicht weiter dargestellte Modulationseinrichtung auf die Absorptionszelle Z gerichtet. Die Absorptionszelle Z selbst wird von den teildurchlässigen Spiegeln SP1 und SP2 jeweils stirnseitig begrenzt. Eine einfache Umrüstung bestehender Spektrometer kann darin bestehen, die bereits vorhandene Absorptionszelle Z, die auch als Küvette bezeichnet wird, stirnseitig mit den dargestellten teildurchlässigen Siegeln SP1 und SP2 zu versehen. Das Licht einer ausgedehnten Lichtquelle L wird dabei über die Linse F in die Zelle eingestrahlt. Die Krümmungsradien der teildurchlässigen Spiegel entsprechen ihrem Abstand r1 = r2 = l. Hinter der Absorptionszelle Z ist ein Detektor D angeordnet, der die Intensität des Lichtes, welches nach Passieren der Absorptionszelle Z noch vorhanden ist, mißt. Kann die Lichtquelle in der Emmissionswellenlänge abgestimmt werden, so läßt sich wellenlängenaufgelöst die Absorption der in der Absorptionszelle Z eingeschlossen Substanz bestimmen.

Fig. 2 zeigt anhand eines Prinzipbildes den eigentlichen Strahlengang und die bewirkte Absorption. Das Licht der Intensität I0 trifft auf das teilverspiegelte Eintrittsfenster und der Teil I0 × R wird zurückreflektiert. Der Teil I0(1 - R) passiert das besagte teilverspiegelte Fenster, welches in Fig. 1 durch SP1 dargestellt ist. Das besagte eintretende Licht tritt in die Länge der Zelle der Länge l ein.

Das Licht wird von der Substanz mit dem Absorptionskoeffizenten α nach dem Lambert-Beerschen-Gesetz geschwächt und der Teil



I = I0(1 - R)2e-αl (1)



verläßt das verspiegelte Austrittsfenster der Zelle welches in Fig. 1 durch SP2 dargestellt ist. Der Teil



I0(1 - R)Reαl



wird in die Zelle zurück reflektiert und nach dem Lambert-Beerschen-Gesetz geschwächt. Nach der Reflexion am Eintrittsfenster und weiterer Absorption verläßt der Teil



I0(1 - R)2R2e-3αl (2)



das Austrittsfenster. Ein Teil des Lichtes wird in die Zelle zurück reflektiert und nach einem weiteren Umlauf verläßt der Teil



I0(1 - R)2R4e-5αl (3)



das Austrittsfenster. Nach jedem Umlauf in der Zelle kommt ein weiterer Intensitätsbeitrag zu der Intensität I am Austrittsfenster hinzu. Die resultierende Intensität ergibt sich zu



I = I0(1 - R)2e-αl(1 + R2e-2αl + R4e-4αl + . . .). (4)

Bei dieser Summe handelt es sich um eine geometrische Reihe, die sich zu





umschreiben läßt. Da das Licht mehrfach in der Zelle umläuft und dabei jeweils nach dem Lambert-Beerschen Gesetz geschwächt wird, führt die Anordnung in Fig. 1 zu einer Verlängerung der optischen Wegstrecke. Diese Verlängerung λ läßt sich über





berechnen. Es ergibt sich eine Verlängerung um den Faktor





Dieser Faktor ist abhängig von der Absorption α der Substanz. Mit höherer Konzentration, d. h. mit größerem α, nimmt die Zahl der Umläufe in der Zelle ab und folglich wird auch die optische Wegstrecke λl geringer. Für eine verschwindende Absorption α → 0 läßt sich λc zu





berechnen.

Die Intensität hinter dem Austrittsfenster der Zelle mit den teilverspiegelten Fenstern ist im Vergleich zu einer Zelle mit den unverspiegelten Fenstern geringer, da das Eintrittsfenster nur der Anteil I0(1 - R) passieren kann. Der Verlust an Intensität durch die verspiegelten Fenster im Vergleich zu den unverspiegelten Fenstern ergibt sich zu





Für eine verschwindende Absorption von α = 0 läßt sich der Intensitätsverlust mit





berechnen.

Für eine Reflektivität der Spiegel von R = 95% ergibt sich eine Verlängerung der optischen Wegstrecke um den Faktor λ0 = 19,5. Der Intensitätsverlust beläuft sich auf &sl0;0 = 39. Der optische Längengewinn ist halb so groß wie der Intensitätsverlust. Dieser Intensitätsverlust kann z. B. durch eine intensivere Lichtquelle oder durch empfindlichere Detektoren ausgeglichen werden.

Die Verwendung einer solchen Zelle als Absorptionsküvette bei nicht-dispersiven- Infrarot-Spektrometern verschafft eine erheblich höhere Sensitivität und Selektivität.

Fig. 3 zeigt ein typisches Fotometer, in das die Absorptionszelle Z gemäß Fig. 1 als Messküvette MK integriert werden kann. Von einer Strahlungsquelle S ausgehend wird das emittierte Licht über ein Filterrad FR mit darin enthaltenen Gasfiltern einer Linse L zugeführt. Dabei ist der Linsenschliff so, daß die Strahlungsquelle ungefähr im Brennpunkt dieser bikonvexen Linse ist. Hinter der Linse L ist ein Filter F. Nachfolgend trifft das Licht auf einen Strahlenteiler ST, der einen Teil geradlinig durchläßt und einen Teil rechtwinklig reflektiert. Der geradlinige Anteil trifft auf einen Referenzdetektor RD und der andere Teil durchstrahlt die Meßküvette MK, durch welche Meßgas hindurchgeleitet wird. Die Strahlungswege sind linear und ohne zusätzliche Abbildungsoptiken ausgeführt. Da die Eintritts- und Austrittsapertur identisch sind, kann die Absorptionszelle Z gemäß Fig. 1 hier als durchströmte Meßküvette MK ausgebildet werden.

Nach Durchgang durch das oben erwähnte Filter F trifft die Strahlung auf den Strahlenteiler ST und von hier direkt auf der erwähnten Referenzdetektor RD; der andere Teilstrahl geht über die Meßküvette MK zum Meßdetektor MD. Die 2-mal-2- Detektorsignale werden beispielsweise durch doppelte Quotientenbildung miteinander verknüpft, wobei störende Einflüsse beispielsweise durch Lampenalterung, Verschmutzung der Küvette und ähnliche herabgesetzt werden können.

Mit dem Einsatz dieser Meßzelle sind alle vorstehend genannten Vorteile derselben für die hier dargestellte Meßtechnik anwendbar.


Anspruch[de]
  1. 1. Einrichtung zur Messung der Strahlungsabsorption von Gasen mit einer Strahlungsquelle, einer Modulationseinrichtung, einer Selektivierungseinrichtung, einer Absorptionszelle sowie einem Detektor, wobei das Eintrittsfenster und das Austrittsfenster der Absorptionszelle als teildurchlässige Spiegel (SP1, SP2) ausgeführt sind, die teildurchlässigen Spiegel (SP1, SP2) über ihre gesamte Fläche jeweils eine konstante Reflektivität aufweisen, die teildurchlässigen Spiegel (SP1, SP2) als plankonkave Spiegel ausgeführt sind, wobei die konkave Seite dem inneren der Absorptionszelle zugewandt ist, und die Krümmungsradien der teildurchlässigen Spiegel (SP1, SP2) ihrem Abstand zueinander entsprechen.
  2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelflächen der teildurchlässigen Spiegel (SP1, SP2) aus dielektrischen Schichten bestehen, die durch Bedampfung aufgebracht sind.
  3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der einfallenden Strahlung vor der Absorptionszelle über einen Strahlenteiler (ST) ausgeblendet und zur Signalkorrektur von einem Referenzdetektor (RD) erfaßt wird.
  4. 4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (S) eine breitbandige Strahlungsquelle ist.
  5. 5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (S) ein schwarzer Strahler ist.
  6. 6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (S) ein selektiver Strahler ist.
  7. 7. Verwendung einer Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, als nicht-dispersives Infrarot-Spektrometer.
  8. 8. Verwendung einer Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 als Spektrometeranordnung, wobei die Absorptionszelle die Messküvette ist.






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