DE1598893A1

DE1598893A1 - Nichtdispersives Ultrarotanalysengeraet

Info

Publication number: DE1598893A1
Application number: DE19661598893
Authority: DE
Inventors: Karl Luft
Original assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Current assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Priority date: 1966-07-27
Filing date: 1966-09-01
Publication date: 1971-01-07
Also published as: DE1598893B2; CH469254A; DE1598893C3; BE701807A; NL6707856A; US3476934A; FR1494281A; GB1196326A

Description

.RG/NZ 3604-66

OFFICE NATIONAL D»ETUDES ET DE RECHERCHES AER03PATIALES O. N. E. R. A.'

Nicht-dispersives UltrarotanalysengerSfc· Die. Erfindung besieht sich auf ein Ultrarotanalysen-» i

moduliert«
gerät, bei dem die/Ultrarotstrahlung.zwecks Messung der Konzentration einer bestimmten Substanz, insbesondere eines bestimmten Gases in einem Substanz- bzw· Gasgemisch nach Ihrem Durchgang durch das Gemisch in zwei hintereinander im Strahlengang angeordnete Empfangekammern gelangt, wobei die beiden Empfangskammern durch ein oder mehrere strahlendurchlffssige Fenster gasdicht voneinander getrennt sind· Dabei werden in der ersten Empfangskammer vorwiegend die WellenlSngen der Ultrarotstrahlung g absorbiert, die den Zentren der Absorptionslinien - und Banden der zu bestimmenden Substanz, insbesondere des zu bestimmenden Gases, entsprechen, während in der zweiten Empfangskammer der Rest der WellenlSngen, die den Absorptionslinien- und -Banden der zu bestimmenden Substanz entsprechen, insbesondere die den Flanken dieser Linien und Banden entsprechenden WellenlSngen absorbiert werden).

5/7/66-Ö

009882/0427

Zu diesem Zweck enthalten die Empfangekammern entweder die in dem Gemisch zu bestimmende Substanz oder eine Substanz, deren Absorptionslinien- und-Banden im wesentlichen mit den Absorptionslinien- und-Baaden der zu bestimmenden Substana übereinstimmen· Was apeziell die hintere Empfangskanmer anbelangt, so genügt es, dass die in ihr enthaltene Substanz, wenn sie von der su bestimmenden Substanz verschieden ist, für dl« WellenlSngen, die den Flanken der Absorptionslinien- und» Banden der zu bestimmenden Substana entsprechen, absorbierend wirkt'·

Im allgemeinen enthalten aber die beiden hintereinander geschalteten Empfangskammern die gleiche, und awar die in dem Gemisch zu bestimmende Substanz!· Der Unterschied der in den beiden Empfangskammern absorbierten Strahlungsenergien stellt dann ein Maas für die Konzentration der in dem Gemisch festzustellenden Substanz, insbesondere des Gases dar·

Selbstverständlich muss im Nullpunkt der Messung, das heiset wenn die Konzentration der zu bestimmenden ftibstans in dem Gemisch gleich null 1st, Gleichgewicht zwischen den in den beiden Empfangskamraern absorbierten Strahlungsenergien bestehen· Zur Herstellung dieses Gleichgewichtes werden bei den bekannten AnalysengerSten ° der in Rede stehenden Art die Längen oder Drück« bzw· Par- ^ tialdrüfcke (wenn das als absorbierende Substanz gewählte

ro Gas mit einem neutralen Gas gemischt ist) der absorbieren-

° den Substanz schicht entsprechend gewählt)· Im allgemeinen ^ ist die Lffnge oder der Druck dieser Schicht in der zweiten Kammer gr&sser als in der ersten Kammext·

.' ' ' ORIGINAL INSPiGTED

- 3 - 0777-66

Es hat sich nun herausgestellt, dass es hfiufig

schwierig ist, den Signalen der beiden Kammern im Nullpunkt der Messung, also dann, wenn die Konzentration des im Gasgemisch zu bestimmenden Gases in der Analysenkammer gleich Null ist, nach Amplitude und Phase genau gleicht Werte su geben, so dass sie sich gegenseitig aufheben· Dieses Different- oder Nullsignal ist bei Bapfangskammern ungleicher Ling· durch die unterschiedliche Geometrie der beiden Kammern bedingt· Aber auch bei EmpfSngerkammern λ gleicher LShge Hast sich ein Abgleich der Kammersignale nach Amplitude und Phase nicht ohne weiteres erreichen, da der Absorptionsverlauf in beiden Kammern und damit die Zeitkomtanten des Brwffrmungs- und Ahkffhlungsvorganges bei periodischer Einstrahlung unterschiedlich sind!·

Man kann in bekannter Weise den Abgleich der BnpfIngerkammerslgnale durch Hilfsvorrichtungen, wie einstellbare Blenden, regelbar· pneumatische Nebenschlüsse und

Puffervoluaina erreichen, die auf Amplitude und Phase der Kammersignale einwirken· Dies· Vorrichtungen erfordern

jedoch einen erheblichen susfteilchen Aufwand und sind in der Handhabung uastSndlich und schwierig·

Es ist auch schon vorgeschlagen worden, das Auftreten hoher Kammersignal· und damit auch das Auftreten eines störenden Differenssignal«s dadurch su vermeiden, dass die in die beiden hintereinander im Strahlengang liegenden Empfängerkamern «intretende Strahlung in zwei annfihernd

009882/0427 bad original

gleiche, gegenphasig modulierte Anteile zerlegt ist, von denen der eine die Mess-, der andere die VergleichshSlfte einer geteilten Analysenkammer durchlaufen hat!« Diese Anordnung hat jedoch eine Komplizierung des optischen Teils und eine durch die Zweiteilung des Strahlenganges bedingte schlechtere Ausnutzung der Strahlung zur Folge·

Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, auf möglichst einfachem und fCfr die technische Anwendung der in Hede stehenden GerSte vorteilhaftem Weg die oben er-

t wffhnten Schwierigkeiten bei der Eliminierung des zwischen den beiden Messkammem bestehenden Differenzsignales zu beseitigen«.

Sie besteht im wesentlichen darin, das von der Ungleichheit der EmpfSngerkammersignale herrührende Wechselspannungs-Differens- oder -Kullsignal durch ein n&herungswelse konstantes Gegen- oder-Hilfeslgnal geeigneter Amplitude und Phase zu kompensieren!«

Die Durchführung der Erfindung ist besonders einfach bei Verwendung von mit elektrischen Impulsen statt mecha-

" nisch mittels rotierender Blenden modulierter Strahler, da dann der Modulator der Mess-Strahlung auch zur Erzeugung

signale
de· Hilfeβΰσαίααηβε dienen kann)·

Das Hilfesignal kann an einer beliebigen Stelle des Signalflusses in der aus Strahlungsempfänger und Verstärker bestehenden Messkette zugeführt werden·

Es 1st besonders vorteilhaft, das Hilfssignal möglichst am Anfang der Messkette als modulierte Strahlung dem Smpfänger zuzuführen, damit Differenz- und Hilfesignal möglichst den gleichen Einflussgrdssen unterworfen sind und 009882/042 7

- 5 - .I03ÖÖ3J 0777-66

somit das aus der Differenz beider Signale gebildete Nullsignal konstant bleibt· Zu diesem Zweck, wird diejenige Messkammer, deren Signal im Nullpunkt der Messung ungenügend ist, um das Signal der anderen Messkammer zu kompensieren, einer Hilfsstrahlung ausgesetzt, die von einer zweiten modulierten Strahlungsquelle erzeugt ist[« Hierbei ist es besonders zweckmSssig, dafür zu sorgen', dass die der Mesa-Strahlung auszusetzende Empfangskammer die zweite Empfangskammer ist ο Deren Rückwand wird dann als strahlungsdurchlSssiges Fenster ausgebildet, an dem die zweite modulierte Strahlungs- λ quelle angeordnet ist· Es wird so die Symmetrie der optischen Anordnung gewährte

In vielen AnwendungsfSllen und insbesondere dann, wenn keine allzu hohe Messempfindlichkeit verlangt wird, kann auf die zusätzliche modulierte Strahlungsquelle verzichtet und das Hilfssignal als elektrisches, von der Modulationseinrichtung der Mess-Strahlungsquelle gesteuertes Wechselspannung ssignal erzeugt und an einer geeigneten Stelle des Verstärkers dem Differenzsignal überlagert werden·

In allen fällen hat es sich als besonders gfltnstig er-

wiesen, vor allem auch im Hinblick auf die stets im Differenzsignal vorhandenen Oberwellen der Modulationsfrequenz, dem Hilfssignal neben der gleichen GrSsse eine Richtung zu geben, die entgegengesetzt der Komponente des Differenzsignals ist, die parallel zu dem bei der Nullmessung ffberifegenden Empfangskammersignal, im allgemeinen also parallel zum Signal der vorderen Empfangskammer ist, und die senkrecht zu der genannten Komponente gerichtete Komponente des Differenzsignals durch phasenabhä*ngige Gleichrichtung des aus Diffe-

009882/0427 _B._n

BAD

rens- und Hilfssignal resultierenden Suamenaignala unwirksam ZJ. machen·

Falls sich jedoch StSreinflffsse, wie Temperatur, Spannung s- und Frequθnaänderung©η auf Differenz- und Hilfssignal unterschiedlich auswirken, lässt sich eine weitere Verbesserung dadurch erzielen_s dass in der zur Erzeugung der Hilfsspannung dienenden Inordnung stSrgrSssenabhSngige Korrekturglieder enthalten sind·

In der anliegenden Zeichnung ist die Erfindung an Hand zweier verschiedener Ausführungsformen erläutert, und zwar zeigen

- die Abbildungen 1 und 2 schematisch je eine dieser AusfCfhrungsformen, während

- Figur 3 ein Diagramm zur Erläuterung des Gegenstandes der Abbildung 2 istο

Die Abbildungen zeigen die Anwendung der Erfindung auf ein für die Analyse eines Gasgemisches bestimmtes Ultrarotanalysengerät der im DBF 1 017 3^5 dargestellten Art· Der optisehe Teil des Analysator» besteht aus einen periodisch raodulierten Strahler 1, der Analysenkammer 3 mit den Anschlüssen 4 für die Zu- und Ableitung des zu analysierenden Gasgemisches und den beiden hiztereinander im Strahlengang liegenden Empfangskammern 5 und 6· Strahler, Analysenkammer und Empfangskammern sind durch strahlungsdurehlSssige Fenster 2 von einander gasdicht getrennt· Bei den in den Figuren dargestellten AusfShrungsformen des Analysengerätes sind beide Empfangskammern 5 und 6 mit Gas von gleichem Druok gefüllt, sodass diese Kammern an die beiden Abteile eines geraeinsamen Membrankondensator s 7, der eine flexible Membran $ und eine Gegenplatte 9 enthalt, anschliessbar sind· Das die Enpfangskammern 009882/0427

' ' BAD·

-T-

AnfCtllende Gas kann bei den dargestellten Ausföhrungsformen das in dem zu analysierenden Gasgemisch festzustellende

Gas sein··

In der ersten Empfaiigskaianer 5 werden vor allem die den Zentren der Absorptionelinien und -Banden des zu bestimmenden Gases entsprechenden Wellenlängen absorbiert, wahrend in der nachge schalteten Eapfangskammer 6 vor allem die den Flanken der genannten Absorptionelinien und -Banden entsprechenden Wellenlängen absorbiert werden· Die Hffhe der ersten Empfangskamraer 5 ist geringer als die der zweiten Empfangskammer 6. Die Höhen der Erapfangskammern 5 und 6 sind derart gewählt, dass in dem Falle, in dem das in der Analysenkammer 3 befindliche Gasgemisch von dem zu bestimmenden Gas völlig frei ist, in dem also die Konzentration dieses Gases gleich Null ist, die durch die Strahlungsabsorption in den beiden Empfangskainmern 5 und 6 hervorgerufenen Druckerhffhungen möglichst gleicher Amplitude und Phase sind, sodass sie sich an der Membran des Kondensators aufheben, was jedoch in der Praxis niemals völlig erreicht werden kann, weswegen auch im Nullpunkt der Messung ein gewisses Differenzsignal auf· tritt, dessen Beseitigung die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist· - Weist jedoch das in der Analysenkammer befindliche Gasgemisch einen gewissen Gehalt an dem su bestimmenden Gas auf, so treten in den Empfangskaramern 5 und 6 periodisch modulierte Druckunterschiede auf, deren Frequenz der per'lodischen Modulierung des Strahlers 1 entspricht, und deren _o GrSsse einen RÖckschlues auf die Konzentration des zu bestim-

oo raenden Gases in dem Gasgemisch zulffsst· co

^J- ' ^Die periodisch modulierten Druckunterschiede fffhren zu ο Kapasitftsanderungen in dem Membrankondensator 7, die im an-Kj geschlossenen Verstärker 10 in SpannungsSnderungen umgewan- ^ delt, dann verstärkt und nach Gleichrichtung im Messinstrument 11 angezeigt werden. _BAD ORIGINAL

Die periodische Modulierung der vom Strahler 1 erzeugten Strahlung kann mit mechanischen Mitteln wie rotierenden Blenden o· dgl· erreicht werden· Vorteilhafter ist es jedoch, die Modulation der Strahlung auf elektrische Weise herbeizuführen, indem ein mit kleiner thermischer Trägheit behafteter Strahler mit Stromimpulsen geringer Frequenz gespeist wird· Mit einem 15 JU/ dicken, luftausgespannten Chrom-Nickelband als Strahlungsquelle lässt sich eine ausreichende Modulationstiefe noch für Impulsfrequenzen von 5 Hz erzielen·

- Bei den in Abbildung 1 und 2 dargestellten Analysatoren b ist der Strahler in der genannten Welse ausgebildet, und die zu seiner Speisung dienenden Stromimpulse werden in bekannter Weiae mittels eines Impulsgenerators 13 erzeugt, der

Multivibrator . (Steuerkreis nach SeeleB-Jordan) einen j3bfcjsdBt»p«Steuerkreis/mit einem angeschlossenen Verstärker enthalt·

Ua das auf der unterschiedlichen Geometrie der Empfangskammern 5 und 6 beruhende, im Nullpunkt der Messung auftretende Differenzsignal zu kompensieren, ist bei der in Abbild dung 1 dargestellten Ausfffhrungsform der Erfindung ein Hilfsstrahler vorgesehen, der zur Erzeugung eines das Differenzsignal kompensierenden Hilfesignals eine HilfeStrahlung in diejenige der beiden Empfangekammern hineinschickt, deren Signal im Nullpunkt der Messung das schwächere ist« Vorzugsweise wird dafür gesorgt, dass dies schwächere Signal im Nullpunkt der Messung von der hinteren Empfangskammer 6 erzeugt wird, sodass dann die Hilfsstrahlung in die hintere Kammer 6 eingestrahlt werden muss· Dementsprechend igt gernäss Abbildung 1, hinter der Empfangskammer 6 ein Hilfsstrahler 12 vorgesehen, und ist die Rückwand der Empfangskammer 6

00988 2/0427

als strahlungsdurchlSssiges Fenster ausgebildet· Die Anordnung der Hilfsstrahlers 12 hinter der Rückwand der hinteren Empfangskammer 6 ist besonders vorteilhaft, da sie die Symmetrie der Strahlung wahrt. - Die Modulation des Hilfsstrahlers 12 ist die gleiche wie die des HauptStrahlers 1« ZweckmSssigerweise wird auch die Modulation des Hilfsstrahlers auf elektrischem Wege herbeigeführt, wodurch es ermöglicht wird, die Speiseimpulse für den Hilfsstrahler 12 durch den gleichen Steuerkreis im Modulator 13 zu erzeugen, wobei jedoch dieser Modulator zusätzliche, in ihrem Aufbau und | ihrer Funktion bekannte Einrichtungen enthält, die die Hilfsstrahlung in ihrer Amplitude und Phase so einstellen, dass das Differenzsignal, welches in den Empfangskammern von dem Hauptstrahler 1 erzeugt wird, von der Hilfsstrahlung möglichst weitgehend kompensiert wird., indem man dem Hilfssignal ausser der gleichen Amplitude die genau um lÖO* gegen das Differenzsignal gedrehte Phasenrichtung gibtf·

Bei der in Abbildung 2 dargestellten AusfCfhrungsform der Erfindung wird die Kompensation des Differenisignals _g auf rein elektrischem Wege durchgeführt· Zur besseren Veranschaulichung sind die dabei in Frage kommenden Signale mit Hilfe des Vektordiagramms Abbildung 3 dargestellt· Die in den Empfängerkammern 5 und 6 entstehenden Signale werden durch die Vektoren a Und b dargestellt und ergeben das Differ ©na signal c. In Abbildung 3 sind diese Signale in Nullpunkt der Messung, das heisst für den Fall wiedergegeben, bei dem in der Analysenkammer 3 kein zu bestimmendes Gas vorhanden ist·

009882/0427

Qeml se Abbildung 3 wird angenommen, dass das Signal te dar hinteren Kammer 6 nur k/9 das Signale a dar vorderen Kammer 5 beträgt· Dar Phaaenwinkel swiaehen baidan Signalan aal &· .

Zur Einstellung daa Hilfssignals wird das la Nullpunkt dar Messung auftretende Differensslgnal t hinter dem Vor-Teratlrker 10a im Phasenaehieher 10» so gedreht, daas aeine in Richtung de a KamnertigBala a gelegene Komponente «^ genau um IdO⁹ gegen die Tom Modulator 13 gelieferte Hilfe- ^ spannung k gedreht ist* Im Hauptversttrker 10« werden Hilfe· und Differensalgnal überlagert und wird das Hilfesignal mit Hilfe des Potentiometers 14 so eingestellt, dass I₁ Ton k kompensiert viral C₁ - k - 0) ·

Mit 15 ist ein phasenabhflngiger Gleichrichter beseleh« net, der - wegen der Kompeneierung der lomponente e^ des Dlfferenseignals durch das Hilfesignal k · an den Verstärker 10« eine Ausgangsweeheelspannung abgibt, die nur noeh aua der Bankrecht sum Kammeraignal a gerieht «ten Komponent« «2 bestehtt· Da die Steuerung des CUeiehriehters mit Hilfe * dee Modulators synchron sur Hilfsspannung k erfolgt, wird die eenkreeht sur Steuerphase liegende Komponente «₂ nicht gleichgerichtet und daher für die Meesung unwirksam gemacht· Befindet aiah dagegen in der Analraenkammer 3 eine bestimmte Konsentration des su moseendcn Qases, so wirkt sieh d«ssen StraJblungsabsorptiom praktiseh nur auf das Signal der vorderen Kammer 5 au·· Seine Abnahme let als Ag In daa VektordUgnrara der Abbildung 3 eingeseiehnet> wlhrend im Nullpunkt der Messung «^ « k · 0 1st, wird Jetst, wie aua dem Vektordiagramm leicht su entnehmen ist,

009882/0A27

an Auegaag dee Qlelehriehtera U «tin· daa Signal Am eat· apreoheada Qleletiafmning geliefert, die ·1η Mt·· für dl· in der Aaalyaeakaamer J durch daa si beatianieiide 0«· bewirkte Absorption und dial« tür die Kon·«ntnation dl«··· OaMa la d«r genannten tanaer darstellt· · Die angegebene Angl·!· fhuiis tob * «η ·χ »1* «naehli«i»«ad«r ph*o«ambhlneif«p Oltiohriohtune 1st *u«h ta Hinbliek auf dl« itett in Diff«. riaitigo·! YorhtadAiita ObemeLlen dtr Modul*tion*fre<ju«a· Ton beaondtr«« Vorteil.

Die Irfiaduag let MlbatYerstSadlieh nloht *ui die tor- ä

ateheBd erllotertea AueJPffhrungeforeen beeohrlnkt» 80 kam »«Ib«tT«retfndIl9A die an Hand der Abbildungen 2 und 3 er· lluterte Anglelehung τοη k an «^ alt anaetalleaaender phaaea· abhlntlfer aielehriahtang obae «eiterea auea bei der Auefffe· rung»for« aaah Abbildung 1 Anwendung finden, laden die hler· BU notwendigen Mittel beiaplelavelae in daa Teratlrker 10 eingebaut «erden·

Weiterhin la« ea mfclleh, aaeteile daa fffr dia bsiden 9 uad 4 genelaiaaien MeBbraakeadeftaatera 7

ItEr jede lanfangakajMer «in beaeadarea XeaMrgaa, ata Bei·

eplel eiaen MeabraakoBdaaaatar Torauaehen· tetaterea kwt vor allea daaa in Frage, wenn die ABpfangakaaMem mit Qaaem

/od«r verachiedenjr Zuaenaaeneetsung/ ▼eraebiedener Drieke/gafillt aüd.

Ferner kann al· StraaleTr ela rein elektroalaah arbel* tender Strahler, «ie a· B. Laaerdiodea, Temendet «erden«

BAD
009882/0427

Claims

Belegexemplar

Darf nicht-geändert werden

1·) Iltht-dltptrtlrtt Vltrarotanal7ttngtrft tür Messung, dar Koneentratlon finer btatinatan fubtttni, in·* btaondtrt «int· btttlarttn 0····, in tintn Substtai- bitf» daagtalatk, vobti dl« aodulUrtt Ultrarotatrahlung naan das Durehgang durth 4m iu anal?tltrtndt OtalMh in ivtl hlattrainandtr la Strahlengang «nft«r4nttt tepfanfaka·· rijHgt, und dort Signtl· trttuft, dtrtn önt«r-Ton d«r Konitntrttien dtr mx bttti-awUtn flubttuu in d«R fubstanif«mitth «bhloft, gtk«ini«lthnt% durth

Kit%«l tar Iriiufung tin·· HlUTtgiipul·, mltht· da·

nach QrOs·· und Phaet PiffTwttgMl/komptn>i*rt, da· in Miiltyank% dtr lont«B%rfttlon*Mt0onf dt· in btttiootadtn QtMt auftritt·

I·) Otrtt nath Antpruth I₉ didurth §tkannB«ithntt₉ datt da· Hilfaalcnal τοη tintn nodulltrttn Hilf tttrthltr (11) «ratugt IBt₉ dttttn Frtqutni gltlth dtr Frtqutm dt· laufftatrahUr· (1) l«t₉ und dar dit Hilfsetrahlung in dUjtnitt dtr btldtc ftanfangalnmauii (5 und 4) tin· strahlt, dlt la Nollpunkt dar Mtttunf da· ftrinftr· •ifnal trttttft·

3·) Qtrfft nteh insyruth 1 und Z₉ dadurah gtktnn« ■tlthnt^, da·· dtr Hllftttrahltr (la) hlnttr dar al· atrahltndurahlfeaift· Ftnstar cutgtbildttta Kfltkwmnd dtr Bvtlttn fcpfangaliawntr (6) tnftordntt ltt, dia Ia Vullpunkt dtr Mtttunf da· ftrlngtrt Signal tntugt·

4·) Gtrit naah tinta dtr aneprttoh· 1*3» dadurth gtktnnttlchntt, data dar eur tltktrltthtn Modulation dtt

Htuftttrahltrt (1) ditntndt Modulator auth «ur Irttufunf

009882/0427 dts Hilfttlfaalt ditnt·

■ ^^ " . BAD ORIGiMAL

5.) Qarfft naah «naprueh X₉ daduroh gakannaaiahaafe,

/ dem Differenzsignal"in da·· dag Hilf«signal tin elektriaanee signal lsi, u&J

• überlagert

dam Varstlrkai» (10·) Itpifw* wird, welaher daa Iignal veratffrkt, de· daa UhtarMhiad dtr dureh dia »trahluag*- abaorption in dan Bapfinfatean—ra (5 und 6) erieugtan Signalan antaprioht.

6«) Oartt nach Ampruoh I₉ dadurch gakannaaiahnat, dass da· Hilfaiignal glaitht Qr5aea hat wi· dia parmllal sum Signal Aw vordaran j^pfangakawnr (5) gariehtata Komponanta da· Diffaraniaienale und diaaar E antgagangariehtat IsI₉ und daaa da· au· Diffaran*- und Hilfaaignal raaultiaranda Signal pnaaanafahlnglg glaiahgtriehtat nivd₉ aodsaa dia aankraaht su dar genannt·* Komponenta daa Diffaranaaignale gariehtat« Komponente deaealben umriiitea» garaaaht wird·

7.) Uarft naah Aniprueh I₉ dadurch gakanniaiahnat, daaa dia lur Briaugung d·· Hilfiiigaala diananda Anord* nung etörgr5a»enabhlngig· Korrakturgliadar anthllt.

BAD ORIGINAL 009882/0427

H . Leerseite*