DE2700422A1 - METHOD AND DEVICE FOR MEASURING A TYPE OF GAS MOLECULE - Google Patents
METHOD AND DEVICE FOR MEASURING A TYPE OF GAS MOLECULEInfo
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Description
Dr. Dieter Weber Dipl.-Phys. Klaus SeiffertDr. Dieter Weber Dipl.-Phys. Klaus Seiffert
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Allied Chemical Corporation, Morris town, New Jersey 07960, USAAllied Chemical Corporation, Morris town, New Jersey 07960, USA
Verfahren und Vorrichtung rtli die InMethod and device rtli the In
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Priorität; Serial No. 647 388 vom 8. Januar 1976 in USA Priority; Serial No. 647 388 dated January 8, 1976 in USA
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(Patent ) und P 25 25 787.8(Patent) and P 25 25 787.8
(Patent )(Patent)
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Die Erfindung betrifft das Gebiet der Infrarotgasanalyse und spezieller ein Verfahren und eine Vorrichtung, mit Hilfe derer Licht durch eine Gasprobe bei diskreten bzw. vereinzelten Frequenzen durchgelassen bzw. übertragen wird, die mit dem Absorp-The invention relates to the field of infrared gas analysis and more specifically, a method and apparatus by which light passes through a gas sample at discrete or isolated frequencies is allowed through or transmitted, which is associated with the absorption
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tionsspektrum eines Gasbestandteils in Beziehung stehen, um den Bestandteil zu erfassen und quantitativ zu messen.tion spectrum of a gas component are related in order to record the component and measure it quantitatively.
Bei der für die nichtdispersive Infrarotgasanalyse herkömmlich benutzten Vorrichtung wird ein Strahl einer Infrarotstrahlung mit einem Emissionsspektrum, welches das Absorptionsspektrum des zu analysierenden Gases umfaßt, durch eine Gasprobe zu einem übertrager gerichtet. Das Ausgangssignal vom übertrager wird verglichen mit jenem Signal, welches beim Durchlauf des Strahles durch die Reihenkombination der Probe und eines Bezugsgases der für die Analyse ausgewählten Art erzeugt wird. Ein Signalintensitätsdifferential, welches durch die Absorption in der Probe erzeugt ist, wird zu einem erfaßbaren Signal umgewandelt und dargestellt.Conventional for non-dispersive infrared gas analysis The device used is a beam of infrared radiation with an emission spectrum which is the absorption spectrum of the gas to be analyzed, directed through a gas sample to a transmitter. The output signal from the transmitter it is compared with the signal which is generated when the beam passes through the series combination of the sample and a reference gas of the type selected for analysis is generated. A signal intensity differential which is determined by the absorption generated in the sample is converted to a detectable signal and displayed.
Eines der Hauptprobleme bei solchen Analysatoren ist die Schwierigkeit, Mengen von Gasbestandteilen zu analysieren, die in dem unteren Millionstel Bereich zugegen sind. Das Signalintensitätsdifferential stellt eine relativ kleine Änderung in einem großen Signal dar und wird häufig durch die Spektralinterferenz zwischen Absorptionsspektren des zu analysierenden Bestandteiles und Absorptionsspektren zugleich vorhandener Bestandteile verdunkelt bzw. verwischt. Ein anderes Problem bei solchen Analysatoren ist die Verminderte, sich ergebende Empfindlichkeit, außer wenn die Temperatur und der Druck des Bezugsgases sorgfältig gesteuert sind. Zur Verminderung dieser Probleme war es notwendig, die Analysatoren mit äußerst empfindlichen Formen und Kombinationen von Detektoren, Quellen, Filtern, Steuersystemen und dergleichen zu versehen, die relativ teuer sind. Aus den vorstehend erwähnten Gründen haben die Gasanalysatoren derOne of the main problems with such analyzers is the difficulty Analyze quantities of gas components that are present in the lower millionth range. The signal intensity differential represents a relatively small change in a large signal and is often caused by spectral interference between the absorption spectra of the constituent to be analyzed and the absorption spectra of the constituents present at the same time darkened or blurred. Another problem with such analyzers is the decreased resulting sensitivity, unless the temperature and pressure of the reference gas are carefully controlled. It was to alleviate these problems necessary the analyzers with extremely sensitive forms and combinations of detectors, sources, filters, control systems and the like, which are relatively expensive. For the reasons mentioned above, the gas analyzers of the
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beschriebenen Art niedrige Empfindlichkeit und hohe Betriebskosten. described type low sensitivity and high running costs.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung, bei welcher Licht vom infraroten Frequenzbereich durch eine Gasprobe bei diskreten Frequenzen übertragen bzw. durchlassen wird, die mit dem Absorptionsspektrum einer Molekülart des Gases in Beziehung stehen, um die Arten zu erfassen und quantitativ zu messen. Kurz gesagt, weist die Vorrichtung eine Lichtquelle zur Erzeugung inkohärenter, infraroter Strahlung auf. Eine Lichtkonditioniereinrichtung sammelt, kollimiert und überträgt das Licht zu einer ersten Filtereinrichtung. Diese ist so eingestellt, daß sie das Licht empfängt und selektiv Licht überträgt bzw. durchläßt, das einen Frequenzbereich im Bereich einer Absorptionsbande für die zu erfassenden Molekülarten aufweist. Eine zweite Filtereinrichtung ist zum Empfang des gefilterten Lichtes einger-ichtet und überträgt das Licht bei einer Vielzahl diskreter Frequenzen unter Bildung mehrerer Streifen, die ein erfaßbares Signal vorsehen. Die zweite Filtereinrichtung hat interferenzerzeugende Einrichtungen zur Schaffung mehrerer Übertragungsfenster, die bezüglich der Frequenz in regelmäßigem Abstand angeordnet sind. Der Frequenzabstand zwischen benachbarten Fenstern wird so eingestellt, daß er im wesentlichen gleich dem Produkt der Frequenzdifferenz zwischen benachbarten Spektrallinien des Absorptionsspektrums für die zu erfassendeThe present invention provides an apparatus in which light of the infrared frequency range passes through a gas sample is transmitted or transmitted at discrete frequencies which are related to the absorption spectrum of a type of molecule of the gas stand to record the species and measure them quantitatively. In short, the device assigns a light source Generation of incoherent, infrared radiation. A light conditioning device collects, collimates and transmits the light to a first filter device. This is set so that it receives the light and selectively transmits or transmits light that has a frequency range in the range of a Has absorption band for the types of molecules to be detected. A second filter device is for receiving the filtered Light is set up and transmits the light at a multitude of discrete frequencies forming multiple stripes, the provide a detectable signal. The second filter device has interference-generating devices for creating several transmission windows, which are arranged at regular intervals with respect to the frequency. The frequency spacing between neighboring ones Window is set so that it is substantially equal to the product of the frequency difference between adjacent ones Spectral lines of the absorption spectrum for the to be recorded
η ist
Molekülart und des Faktors —j-, worin η und n1 ganze Zahlen sind
und η nicht gleich n1 ist. Unter diesen Umständen bildet die
interferenzerzeugende Einrichtung einen Kammfilter. Die zweite Filtereinrichtung weist auch Abtasteinrichtungen auf, um dieη is
Molecular type and the factor —j-, where η and n 1 are integers and η is not equal to n 1 . Under these circumstances, the interference generating device forms a comb filter. The second filter device also has scanning devices to the
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übertragungspeaks für benachbarte n-te Ordnungen zu veranlassen, im wesentlichen mit den Spektrallinien eines solchen Absorptionsspektrums zusammenzufallen. Einrichtungen sind vorgesehen für die Übertragung bzw. zum Durchlassen des erfaßbaren Signals durch das Gas, wobei sich die Intensität des erfaßbaren Signals im Verhältnis zur Konzentration der Molekülart ändert. Die Intensitätsveränderung des erfaßbaren Signals wird in eine meßbare Form durch eine Signalkonditioniereinrichtung umgewandelt, und deren Größe wird durch eine Detektoreinrichtung aufgezeigt.to cause transmission peaks for neighboring n-th orders, essentially with the spectral lines of such an absorption spectrum to collapse. Means are provided for the transmission or for the passage of the detectable Signal through the gas, the intensity of the detectable signal changing in relation to the concentration of the type of molecule. The change in intensity of the detectable signal is converted into a measurable form by a signal conditioning device, and their size is determined by a detector device shown.
Ferner liefert die Erfindung ein Verfahren zur Erfassung und quantitativen Messung einer Molekülart eines gasförmigen Materials in einer zu analysierenden Probe, und dieses Verfahren besteht darin, daß Licht in der Form inkohärenter Infrarotstrahlung erzeugt, das Licht gesammelt, kollimiert und übertragen wird, das Licht derart gefilter wird, daß selektiv Licht mit einem Frequenzbereich im Bereich einer Absorptionsbande für die zu erfassende Molekülart übertragen wird, dieses gefilterte Licht interferometrisch gefiltert und Licht mit einer Vielzahl diskreter Frequenzen übertragen wird, wobei sich mehrere Strei-The invention also provides a method for detecting and quantitatively measuring a type of molecule of a gaseous material in a sample to be analyzed, and this method consists in emitting light in the form of incoherent infrared radiation generated, the light is collected, collimated and transmitted, the light is filtered in such a way that selectively light with a frequency range in the range of an absorption band for the type of molecule to be detected is transmitted, this filtered Light is filtered interferometrically and light is transmitted at a multitude of discrete frequencies, with several stripes
erfen bilden, die ein faßbares Signal liefern, indem das Licht durch mehrere Ubertraungsfenster geschickt wird, die bezüglich der Frequenz in regelmäßigem Abstand angeordnet sind, wobei der Frequenzabstand zwischen einander benachbarten Fenstern im wesentlichen gleich dem Produkt der Frequenzdifferenz zwischen benachbarten Spektrallinien des Absorptionsspekrums für die zu erfassende Molekülart und des Faktors -^- ist, worin η und n' ganze Zahlen sind und η nicht gleich n1 ist, und daserfen which provide a tangible signal by sending the light through a plurality of transmission windows which are regularly spaced with respect to frequency, the frequency spacing between adjacent windows being essentially equal to the product of the frequency difference between adjacent spectral lines of the absorption spectrum for the to Molecular type and the factor - ^ - is, where η and n 'are integers and η is not equal to n 1 , and that
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Licht derart abgetastet wird, daß man die Ubertragungspeaks benachbarter n-ter Ordnungen veranlaßt, im wesentlichen mit den Spektrallinien dieses Absorptionsspektrums zusammenzufallen, wobei dieses erfaßbare Signal eine Intensität im wesentlichen gleich der Summe dieser Streifen hat, das erfaßbare Signal durch das gasförmige Material geschickt wird, wobei die Intensität des erfaßbaren Signals sich in Proportion zu der Konzentration der Molekülart ändert, und die Intensitätsveränderung des Signals erfaßt und aufgezeichnet wird.Light is scanned in such a way that the transmission peaks of neighboring nth orders causes them to essentially coincide with the spectral lines of this absorption spectrum, this detectable signal having an intensity substantially equal to the sum of these fringes, the detectable signal is sent through the gaseous material, the intensity of the detectable signal being in proportion to the concentration the type of molecule changes, and the change in intensity of the signal is detected and recorded.
Verschiedene bekannte Filtereinrichtungen können zur Verwendung mit der oben beschriebenen Vorrichtung angepaßt werden. Vorzugsweise ist die zweite Filtereinrichtung ein Fabry-Perot-Interferometer (FPI) mit einer Spiegeltrennung d, die so eingestellt ist, daß gefiltertes Licht bei einer Vielzahl diskreter Frequenzen übertragen bzw. durchgelassen wird, die mit dem Abhen. Diese Bedingung erhält man, wenn gilt d — , wo d dieVarious known filter devices can be adapted for use with the apparatus described above. Preferably the second filter device is a Fabry-Perot interferometer (FPI) with a mirror separation d that is so set is that filtered light is transmitted at a variety of discrete frequencies that coincide with echoing. This condition is obtained when d -, where d is the
sorptionsspektrum einer Molekülart des Gases in Beziehung ste sorption spectrum of a type of molecule of the gas
Spiegeltrennung bzw. Separation des FPI ist, ,u der Brechungsindex des Mediums zwischen den Spiegeln ist, B die molekulare Drehkonstante der Art ist, η und n1 ganze Zahlen sind und η nicht gleich n' ist. Für eine gegebene Molekülart ist die Drehkonstante B eine einzigartige Größe. Somit ist die Identifikation der Art mit einem besonderen Absorptionsspektrum dadurch gut, daß man die Spiegeltrennung des FPI derart einstellt, daß die übertragenen bzw. durchgelassenen diskreten Frequenzen im wesentlichen mit den Absorptionslinien der zu erfassenden Molekülart zusammenfallen. In vorteilhafter Weise wird die Intensität des erfaßbaren Signals nicht durch andere Molekülarten alsMirror separation or separation of the FPI is, u is the refractive index of the medium between the mirrors, B is the molecular rotation constant of the type, η and n 1 are integers and η is not equal to n '. For a given type of molecule, the rotation constant B is a unique quantity. Thus, the identification of the species with a particular absorption spectrum is good by setting the mirror separation of the FPI in such a way that the transmitted or transmitted discrete frequencies essentially coincide with the absorption lines of the molecular species to be detected. In an advantageous manner, the intensity of the detectable signal is not due to other types of molecules than
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die für die Erfassung und Darstellung ausgesuchten Arten beeinflußt oder gestört, und das Intensitätsdifferential stellt eine relativ große Änderung in einem kleinen Signal dar. Spektralinterferenz ist minimal gehalten, und kein Bezugsgas ist notwendig. Die Empfindlichkeit der Vorrichtung ist erhöht, und sehr empfindliche Formen und Kombinationen von Detektoren, Quellen, Filtern und Steuersystemen sind nicht notwendig. Folglich gestatten das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung eine genauere Erfassung gasförmiger Bestandteile bei geringerem Aufwand als Systeme, bei denen das Emissionsspektrum von durch die Probe durchgehendem Licht Frequenzen kontinuierlich enthält.influences the species selected for recording and presentation or disturbed, and the intensity differential represents represents a relatively large change in a small signal. Spectral interference is kept to a minimum and no reference gas is required. The sensitivity of the device is increased, and very sensitive forms and combinations of detectors, sources, filters and control systems are not necessary. Consequently allow the method and the device according to the invention a more precise detection of gaseous components with less Effort as systems in which the emission spectrum of light passing through the sample contains frequencies continuously.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der vorliegenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Es zeigen Fig. 1 ein Blockdiagramm unter Darstellung der Vorrichtung zurOther advantages, features and uses of the present Invention emerge from the present description in conjunction with the drawings. Show it Fig. 1 is a block diagram showing the device for
Erfassung und quantitativen Messung einer Gasmolekülart, Fig. 2 ein schematisches Diagramm der Vorrichtung der Fig. 1, Fig. 3 eine Seitenansicht, die teilweise abgeschnitten ist, unter Darstellung einer Einrichtung zum Modulieren des Sekundärfilters der Fig. 1 und 2,Detection and quantitative measurement of a type of gas molecule, FIG. 2 a schematic diagram of the device of FIG. 1, Figure 3 is a side view, partially cut away, showing means for modulating the secondary filter of Figs. 1 and 2,
Fig. 4 ein schematisches Diagramm unter Darstellung einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung der Fig. 1 und Fig. 5 das Absorptionsspektrum einer speziellen Molekülart.Fig. 4 is a schematic diagram showing another embodiment of the device of Figs Fig. 5 shows the absorption spectrum of a particular type of molecule.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. In Fig. 1 ist eine bevorzugte Vorrichtung für die Erfassung und quantitative Messung einer Gasmolekülart gezeigt. Die allgemein bei 10 gezeigte Vorrichtung hat eine Lichtquelle 12 zur Erzeugung von Licht 15 mit inkohärenter Infrarotstrahlung. Eine Lichtkonditioniereinrichtung 14 sammelt, kollimiert undThe following are preferred embodiments of the invention described. In Fig. 1, a preferred device for the detection and quantitative measurement of a gas molecule type is shown. The device shown generally at 10 has a light source 12 for generating light 15 with incoherent infrared radiation. A light conditioning device 14 collects, collimates and
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überträgt das Licht 15 zu einer ersten Filtereinrichtung 16. Diese ist so eingerichtet, daß sie Licht 15 empfängt und selektiv Licht 17 mit einem Frequenzbereich im Bereich einer Absorptionsbande für die zu erfassende Molekülart überträgt bzw. durchläßt. Eine sekundäre Filtereinrichtung 18 ist zur Aufnahme des gefilteren Lichts 17 einger-ichtet und läßt Licht bei einer Vielzahl diskreter Frequenzen durch, welche eine Vielzahl von Streifen bilden, die für ein erfaßbares Signal 30 sorgen. Letzteres wird durch ein Gas in der Probe 20 durchgelassen. Eine Sxgnalkonditxoniereinrichtung 22 wandelt Intensitätsveränderungen in meßbare Form um, die in dem Signal 3O durch die Molekülart in der Probe 20 hervorgerufen sind. Die Größe der Intensitätsveränderung wird durch die Detektoreinrichtung 24 aufgezeigt.transmits the light 15 to a first filter device 16. This is set up in such a way that it receives light 15 and selectively transmits or transmits light 17 with a frequency range in the region of an absorption band for the type of molecule to be detected. A secondary filter device 18 is set up to receive the filtered light 17 and allows light to pass through at a large number of discrete frequencies, which form a large number of strips which provide a detectable signal 30. The latter is transmitted through a gas in the sample 20. A signal conditioning device 22 converts changes in intensity into measurable form which are caused in the signal 30 by the type of molecule in the sample 20. The size of the change in intensity is indicated by the detector device 24.
Insbesondere ist gemäß der Darstellung in Fig. 2 die primäre Filtereinrichtung 16 ein schmaler Bandpaßfilter, der aus einer Vielzahl von Schichten dielektrischer dünner Filme besteht, und die zweite Filtereinrichtung 18 hat eine interferenzerzeugende Einrichtung zur Schaffung mehrerer Übertragungsfenster, die in der Frequenz in regelmäßigen Abständen angeordnet sind. Außerdem hat die zweite Filtereinrichtung 18 eine Abtasteinrichtung zur veränderlichen Steuerung der Frequenz jeder Ordnung. Die interferenzerzeugende Einrichtung wird so eingestellt, daß der Frequenzabstand zwischen benachbarten Fenstern im wesentlichen gleich dem Produkt der Frequenzdifferenz zwischen benachbarten Spektrallinien des Absorptionsspektrums der zu erfassenden Molekülart und des Faktors -^V ist, worin η und n1 ganze Zahlen sind und η nicht gleich n1 ist. Unter diesen Umständen hat das erfaßbare Signal 30, welches von der zweiten FiltereinrichtungIn particular, as shown in Fig. 2, the primary filter means 16 is a narrow band pass filter composed of a plurality of layers of dielectric thin films, and the second filter means 18 has interference generating means for providing a plurality of transmission windows which are regularly spaced in frequency are. In addition, the second filter device 18 has a sampling device for variably controlling the frequency of each order. The interference-generating device is set so that the frequency spacing between adjacent windows is essentially equal to the product of the frequency difference between adjacent spectral lines of the absorption spectrum of the molecular species to be detected and the factor - ^ V, where η and n 1 are integers and η is not equal to n 1 is. Under these circumstances, the detectable signal 30, which is from the second filter means
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18 durchgelassen wurde, eine Intensität, die im wesentlichen gleich der Summe der Streifen ist. Ferner wird die Intensität des Signals 30 nicht durch eine andere Molekülart als die speziell für die Erfassung ausgesuchte beeinflußt oder gestört, die im Folgenden als die vorgewählte Art bezeichnet wird.18 was transmitted, an intensity that was essentially is equal to the sum of the strips. Further, the intensity of the signal 30 is not determined by any kind of molecule other than that specific selected affected or disturbed for the detection, hereinafter referred to as the selected type.
Nach Durchlaß des erfaßbaren Signals 30 durch das Gas in der Probe 20 verändert sich die Intensität proportional zur Konzentration der vorgewählten Art. Dieser Intensitätswechsel wird durch die Signalkonditioniereinrichtung 22 in meßbare Form umgewandelt. Die Konditioniereinrichtung 22 weist eine Einrichtung 26 zum Modulieren der Phasendifferenz zwischen interferierenden Strahlen des Lichts auf, welches von der zweiten Filtereinrichtung 18 durchgelassen ist, um die Frequenz jedes dadurch durchgelassenen Streifens zu wechseln. Die Signalkonditioniereinrichtung 22 hat auch eine synchrone (d.h. phasenempfindliche) Detektoreinrichtung 28 zur Erfassung der Intensitätsveränderung des Signals 30, wodurch die Größe der Intensitätsveränderung durch die Detektoreinrichtung 24 identifiziert werden kann.After the detectable signal 30 has passed through the gas in the sample 20, the intensity changes proportionally to the concentration of the preselected type. This change in intensity is converted into a measurable form by the signal conditioning device 22. The conditioning device 22 has a device 26 for modulating the phase difference between interfering Rays of the light transmitted by the second filter means 18 to the frequency of each thereby the strip that has passed through. The signal conditioner 22 also has a synchronous (i.e. phase sensitive) Detector device 28 for detecting the change in intensity of the signal 30, whereby the size of the change in intensity can be identified by the detector device 24.
Verschiedene bekannte Filtereinrichtungen können als zweite Filtereinrichtung bei der Vorrichtung 10 verwendet werden. Vorzugsweise ist die zweite Filtereinrichtung ein Fabry-Perot-Interferometer mit einer Spiegelseparation bzw. -trennung d, die zum übertragen bzw. Durchlassen gefilterten Lichtes von der primären Filtereinrichtung 16 bei mehreren diskreten Frequenzen eingestellt ist, welche mit dem Absorptionsspektrum der vorgewählten Art in Beziehung stehen. Die übertragungsfunktion eines FPI (I.) kann gegeben werden durch die Airy-Formel:Various known filter devices can be used as the second filter device in the device 10. Preferably the second filter device is a Fabry-Perot interferometer with a mirror separation or separation d, the to transmit or let through filtered light from the primary Filter device 16 is set at several discrete frequencies, which match the absorption spectrum of the preselected Kind of related. The transfer function of a FPI (I.) can be given by the Airy formula:
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" * ' 27Π0422" * '27-0422
I = Τ2/ΐ + R2 - 2COS0/"1 · IQ, wo T + R + A = 1, IQ die Intensität des einfallenden Lichtes und die Phasendifferenz 0 ist, ausgedrückt als 0 = 4 1TuWd für Strahlen, die normal zu den FPI-Spiegeln liegen. Die Symbole A, R bzw. T stellen den Absorptionsgrad, Reflektionsgrad und die Durchlässigkeit der FPI-Spiegel dar, ,u ist die Brechzahl des Mediums zwischen den FPI-Spiegeln, d ist die FPI-Spiegeltrennung und LO ist die Frequenz des einfallenden Lichtes, ausgedrückt in Wellenzahlen. Wenn cos0 = 1 ist, treten für I Durchlaßmaxima auf. Folglich gilt 0 = 2ifm, wo m ganze Größen annimmt und die Interferenzordnung darstellt. Die Durchlässigkeits- bzw. Übertragungsmaxima für I, werden in der Beschreibung und in den Ansprüchen als Durchlässigkeitsfenster bezeichnet. Für einen speziellen Wert der Spiegeltrennung d sorgt das FPI für mehrere Ubertragungsfenster, die in der Frequenz gleichmäßig im Abstand angeordnet sind. Der Frequenzabstand Af zwischen benachbarten Fenstern (oder Spektralbereich) des FPI ist Δί = (2,ud) . Für ein einfaches zweiatomiges Molekül, wie Kohlenmonoxid, ist der Frequenzabstand zwischen benachbarten Absorptionslinien des Infrarot-Rotations-Vibrationsabsorptionsspektrums etwa gleich 2B. Durch Veränderung des Spiegelabstandes d des FPI kann Af so eingestellt werden, daß es im wesentlichen gleich der Frequenzdifferenz zwischen benachbarten Spektrallinien des Teils oder des ganzen Absorptionsspektrums für die ausgewählte Art ist. Das heißt, die kontinuierliche Abtastung des FPI in der Nachbarschaft von d — -:—~ erzeugt ein Absorptionsinterf erogramm mit mehreren Streifen, welches einer überlagerung von im wesentlichen allen Absorptionslinien der vorausgewäshlten Art enspricht.I = Τ 2 / ΐ + R 2 - 2COS0 / " 1 * I Q , where T + R + A = 1, I Q is the intensity of the incident light and the phase difference is 0, expressed as 0 = 4 1TuWd for rays that The symbols A, R and T represent the degree of absorption, reflection and transmittance of the FPI mirrors,, u is the refractive index of the medium between the FPI mirrors, d is the FPI mirror separation and LO is the frequency of the incident light, expressed in wave numbers. If cos0 = 1, transmission maxima occur for I. Consequently, 0 = 2ifm, where m assumes whole sizes and represents the order of interference In the description and in the claims referred to as the transmission window. For a special value of the mirror separation d, the FPI provides several transmission windows that are evenly spaced in frequency range) of the FPI is Δί = (2, ud). For a simple diatomic molecule such as carbon monoxide, the frequency spacing between adjacent absorption lines of the infrared rotational vibration absorption spectrum is approximately equal to 2B. By changing the mirror spacing d of the FPI, Af can be adjusted so that it is essentially equal to the frequency difference between adjacent spectral lines of the part or the entire absorption spectrum for the selected species. That is, the continuous scanning of the FPI in the vicinity of d - -: - ~ produces an absorption interf erogram with several stripes, which corresponds to a superposition of essentially all absorption lines of the preselected type.
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Wenn Af = 2B ist, fallen die Übertragungs- bzw. Durchlaßpeaks benachbarter Ordnungen im wesentlichen mit benachbarten Spektrallinien des Absorptionsspektrums zusammen, um eine 1 : 1-übereinstimmung mit diesem zu erzeugen, und die Amplitude des Signals von der Gasprobe 20 ist ein Minimum. Für Werte von Δί, die etwas anders als 2B sind, fallen die Durchlaßpeaks benachbarter Ordnungen nicht genau mit den Absorptionslinien zusammen, und die Amplitude des Signals von der Gasprobe 20 wird erhöht. When Af = 2B, the transmission peaks of adjacent orders substantially coincide with adjacent spectral lines of the absorption spectrum to produce a one-to-one correspondence therewith, and the amplitude of the signal from gas sample 20 is a minimum. For values of Δί slightly different from 2B, the transmission peaks of adjacent orders do not exactly coincide with the absorption lines and the amplitude of the signal from the gas sample 20 is increased.
Andere Absorptionsinterferogramme werden für Werte des Interfe-Other absorption interferograms are used for values of the interfer-
n'
rometerspiegelabstandes d - -.—5— produziert, worin η und n1
ganze Zahlen sind und η nicht gleich n' ist. Diese Absorptionsinterferogramme
werden erzeugt, wenn Δί = bestimmten Vielfachen der Rotationskonstanten B ist. Die Hauptinterferogramme werden
erzeugt, wenn jede Absorptionslinie mit einem anderen Übertragungsfenster des FPI zusammenfällt. Solche Hauptinterferogramme
erhält man für Werte einer Interferometerspiegeltrennung ■w η'n '
rometer mirror distance d - -. —5—, where η and n 1 are integers and η is not equal to n '. These absorption interferograms are generated when Δί = certain multiples of the rotation constant B. The main interferograms are generated when each absorption line coincides with a different transmission window of the FPI. Such main interferograms are obtained for values of an interferometer mirror separation ■ w η '
1 worin η = 1 ist und n' eine ganze Zahl größer als 1 1 where η = 1 and n 'is an integer greater than 1
ist. Spezieller für Werte des Interferometerspiegelabstandes d = n'/(4,uB), worin n1 eine ganze Zahl größer als 1 ist, werden die Hauptinterferogramme erhalten. Beispielsweise mit n' = 3 wird Strahlung durch das Interferometer nicht nur bei Frequenzen entsprechend jener benachbarter Absorptionslinien der zu erfassenden Molekülart, sondern auch bei zwei diskreten Frequenzen jeweils zwischen einem Paar der Absorptionslinien übertragen. Sekundärinterferogramme erhält man, wenn jede weitere Absorptionslinie oder jede dritte Absorptionslinie (usw.) mit den Ubertragungspeaks des FPI zusammenfällt. Solche sekundärenis. More specifically, for values of the interferometer mirror spacing d = n '/ (4, µB), where n 1 is an integer greater than 1, the main interferograms are obtained. For example, with n '= 3, radiation is transmitted through the interferometer not only at frequencies corresponding to those of the neighboring absorption lines of the type of molecule to be detected, but also at two discrete frequencies in each case between a pair of the absorption lines. Secondary interferograms are obtained when every further absorption line or every third absorption line (etc.) coincides with the transmission peaks of the FPI. Such secondary
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270ΠΛ22270-22
Interferogranune erhält man für Werte des Interferometerspiegelabstandes d ^ (worin η eine ganze Zahl größer als 1 und η1 = 1 ist. Spezieller für Werte des Interferometerspiegelab-—=- Interferogranune is obtained for values of the interferometer mirror distance d ^ ( where η is an integer greater than 1 and η 1 = 1. More specifically for values of the interferometer mirror from -— = -
standes d = -j—=- , worin η eine ganze Zahl größer als 1 ist.Standes d = -j - = - , where η is an integer greater than 1.
erhält man die sekundären Interferogramme. Beispielsweise mit η = 3 wird von dem Interferometer Strahlung bei Frequenzen entsprechend jenen jeder dritten Absorptionslinie der zu erfassenden Molekülart übertragen.the secondary interferograms are obtained. For example with η = 3 is radiation from the interferometer at frequencies accordingly that of every third absorption line of the type of molecule to be detected.
Die Verwendung der Vorrichtung 10 für die Infrarotgasanalyse kann in Verbindung mit der Erfassung eines zweiatomigen Moleküls erläutert werden, wie z.B. Kohlenmonoxid. Kohlenmonoxid (CO) hat eine Vibrations-Rotations-Absorptionsbande im Wellenlängenbereich von etwa 4,5 bis 4,9 ,u, wobei die Bandenmitte etwa bei 4,66 ,u liegt. Diese Absorptionsbande entspricht Übergängen von dem Grundschwingungszustand (v = 0) zum ersten Schwingungszustand (v = 1). Wie in Fig. 5 gezeigt ist, besteht die Absorptionsbande aus zwei Zweigen: Einem "R-Zweig" entsprechend den Drehschwingungsübergängen, für welche die Drehquantenzahl J sich um +1 ändert, und einem "P-Zweig", welcher Drehschwingungsübergängen entspricht, für die die Drehquantenzahl J sich um -1 ändert. Die Frequenzen, in Einheiten von Wellenzahlen, der Rotationsübergänge für die R- und P-Zweige werden durch folgende Formeln gegeben: <*>R = UQ + 2B1 + (3B1 - BQ)J + (B1 - BQ)J2, wobei J = O, 1, 2... und ίθρ = CJQ - (B1 + BQ)J + (B1 -BQ)J2, wobei J = 1, 2, 3... Die Größenordnung «J , BQ und B1 stellen die Absorptionsbandmittelfrequenz, die Grundzustandsdrehkonstante bzw. die Drehkonstante für den ersten Schwingungszustand dar. Die Drehkonstanten B_ und B1 stehen durch folgende Glei-The use of the device 10 for infrared gas analysis can be explained in connection with the detection of a diatomic molecule, such as carbon monoxide. Carbon monoxide (CO) has a vibration-rotation absorption band in the wavelength range from about 4.5 to 4.9, u, with the center of the band being about 4.66, u. This absorption band corresponds to transitions from the basic oscillation state (v = 0) to the first oscillation state (v = 1). As shown in FIG. 5, the absorption band consists of two branches: an "R-branch" corresponding to the torsional vibration transitions for which the rotational quantum number J changes by +1, and a "P-branch" which corresponds to torsional vibration transitions for the the rotational quantum number J changes by -1. The frequencies, in units of wave numbers, of the rotational transitions for the R and P branches are given by the following formulas: <*> R = U Q + 2B 1 + (3B 1 - B Q ) J + (B 1 - B Q ) J 2 , where J = O, 1, 2 ... and ίθ ρ = CJ Q - (B 1 + B Q ) J + (B 1 -B Q ) J 2 , where J = 1, 2, 3. .. The order of magnitude «J, B Q and B 1 represent the absorption band center frequency, the ground state rotation constant or the rotation constant for the first oscillation state. The rotation constants B_ and B 1 are represented by the following equations
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chung in Beziehung: B = B1 + 0^ / wo ^e die Drehschwingwechselwirkungskonstante ist. Die Werte für die Drehkonstanten des Kohlenmonoxids, die in der Liste in dem American Institute of Physics Handbook, 3. Ausgabe, Seiten 7 bis 173 angegeben sind, sind:in relation: B = B 1 + 0 ^ / where ^ e is the torsional vibration interaction constant. The values for the rotational constants of carbon monoxide given in the list in the American Institute of Physics Handbook, 3rd Edition, pages 7-173 are:
Γ1 Γ1 Γ 1 Γ 1
-1-1
B0 = 1 ,9225145 cm
B1 = 1,9050015 cm"B 0 = 1.9225 145 cm
B 1 = 1.9050015 cm "
= 0,017513 cm= 0.017513 cm
Die Intensitätsverteilung für die R- und P-Zweige wird gegebenThe intensity distribution for the R and P branches is given
2C , U .2C, U.
durch die Gleichung: I , = —Is=- ST exp/-B^J(J + 1)£§ /. Hier-by the equation: I, = —I s = - S T exp / -B ^ J (J + 1) £ § /. Here-
aos **p — —aos ** p - -
in ist C , ein konstanter Faktor, Q_ die Drehverteilungsfunk-in is C, a constant factor, Q_ is the rotation distribution function
dDS KdDS K
tion (- kT/hcB), U die Frequenz (in Wellenzahlen) der einzel-tion (- kT / hcB), U is the frequency (in wave numbers) of the individual
diethe
nen Rotations-Schwing-Absorptionslinien, h Planck'sehe Konstante, c die Lichtgeschwindigkeit, k die Boltzmannkonstante, T die absolute Temperatur, und die Linienstärken ST sind:nen rotation-oscillation absorption lines, h Planck's constant, c the speed of light, k the Boltzmann constant, T the absolute temperature, and the line widths S T are:
ST = J + 1 für den R-Zweig jS T = J + 1 for the R branch j
ST = J für den P-Zweig jS T = J for the P branch j
Unter Verwendung dieser Gleichungen für die Linienstellungen und -Intensitäten wurde eine schematische Darstellung für das in Fig. 5 gezeigt CO-Absorptionsspektrum errichtet. Die Darstellung ist schematisiert; denn tatsächlich hat jede Drehabsorptionslinie des Spektrums eine kleine, aber endliche Breite.Using these equations for the line positions and intensities, a schematic representation for the CO absorption spectrum shown in Fig. 5 is established. The representation is schematic; because in fact every rotary absorption line has of the spectrum has a small but finite breadth.
Um ein Fabry-Perot-Interferometer zu verwenden und diskrete Lichtfrequenzen bei den Frequenzen der Absorptionslinien der Bande vorzusehen, ist es notwendig, die Wirkung des nichtperiodischen Abstandes der Drehabsorptionslinien beim Betrieb der Vorrichtung 10 zu bestimmen. Zu diesem Zweck wird das Fabry-To use a Fabry-Perot interferometer and discrete To provide light frequencies at the frequencies of the absorption lines of the band, it is necessary to have the effect of the non-periodic To determine the distance between the rotary absorption lines during operation of the device 10. For this purpose the Fabry
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- yf - - yf -
Perot-Interferometer so eingestellt, daß die Drehabsorptionslinien des J = 6 und J = 7 R-Zweiges genau mit zwei benachbarten diskreten Frequenzen aus dem Fabry-Perot-Interferometer zusammenfallen. Diese zwei Drehabsorptionslinien sind die stärksten Linien im Band. Ihre Frequenzen sind:Perot interferometer adjusted so that the rotational absorption lines of the J = 6 and J = 7 R-branches exactly with two adjacent discrete frequencies from the Fabry-Perot interferometer coincide. These two lines of rotational absorption are the strongest lines in the band. Their frequencies are:
CJn (J = 6) = 2169,169975 cm"1 RCJ n (J = 6) = 2169.169975 cm " 1 row
(a)d(J = 7) = 2172,734796 cm"1 (a) d (J = 7) = 2172.734796 cm " 1
Die Wellenzahldifferenz zwischen diesen Linien ist 3,564821 cm . Der freie Spektralbereich des Interferometers ist so eingestellt, daß er gleich dieser Wellenzahldifferenz zwischen den benachbarten Linien ist. Um die Art und Weise zu bestimmen, in welcher die Fehlanpassung der Lichtfrequenzen von dem Interferometer und die einzelnen Drehabsorptionslinien auftreten, wird die Größe ßR-wR(J+l)~ωρ(3) berechnet. Die Größe Q. _ kann wie folgt berechnet werden:The wavenumber difference between these lines is 3.564821 cm. The free spectral range of the interferometer is set so that it is equal to this wavenumber difference between the adjacent lines. In order to determine the manner in which the mismatch of the light frequencies from the interferometer and the individual rotational absorption lines occur, the quantity β R -w R (J + 1) ω ρ (3) is calculated. The size Q. _ can be calculated as follows:
%=ωκ (J+I) -(J11(J) = (3B1-B0) -ae [ (J+l) 2~J2] = (3B1-B0) -ae (2J+1) .% = ω κ (J + I) - (J 11 (J) = (3B 1 -B 0 ) -a e [(J + l) 2 ~ J 2 ] = (3B 1 -B 0 ) -a e ( 2Y + 1).
Deshalb verändert sich die Frequenzdifferenz zwischen benachbarten Drehabsorptionslinien im R-Zweig direkt proportional zur Drehquantenzahl J und der DrehschwingwechselwirkungskonstantenC^ . Die Halbwertsbreite A der Fabry-Perot-Übertragungsfenster wird durch folgende Gleichung gegeben;Therefore, the frequency difference between neighboring ones changes Rotational absorption lines in the R branch directly proportional to the rotational quantum number J and the torsional vibration interaction constant C ^ . The half-width A of the Fabry-Perot transmission window is given by the following equation;
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wo R das Reflektionsvermögen der Fabry-Perot-Spiegel ist und /ud die optische Weglänge zwischen den Spiegeln ist. Unter der Annahme, daß das Reflektionsvermögen R "^ 0,85, dann ist A = 0,185 cm . Die Frequenzfehlanpassung bei der ψο (J=5) Linie beträgt 0,035 cm" , die gut in der ubertragungshalbwertsbreite des Fabry-Perot-Interferometers liegt. Die Frequenzfehlanpassung bei der VR(J=3)-Linie beträgt 0,210 cm" , die nur etwas größer als die FPI-Halbwertsbreite ist. Die Frequenzfehlanpassung bei der Wn(J=IO)-Linie beträgt 0,210 cm , die auch nur etwas größer als die FPI-Halbwertsbreite ist. Deshalb fallen die R-Zweiglinien von J=3 bis J=IO im wesentlichen mit den diskreten Frequenzen von dem FPI zusammen und sind deshalb äußerst wirksam beim Betrieb der Vorrichtung 10. Die Absorptionslinienstellungen können relativ zu den FPI-Ubertragungsfenstern bestimmt werden. Aus der Gleichung füri}_ wird die Michtperiodizität der Absorptionslinienstellungen gegeben durch den Ausdruck ζ4 (2J+1) . Setzt man dies der FPI-Ubertragungshalbwertsbreite gleich, ergibt sichwhere R is the reflectivity of the Fabry-Perot mirrors and / ud is the optical path length between the mirrors. Assuming that the reflectivity R "^ 0.85, then A = 0.185 cm. The frequency mismatch at the ψ ο (J = 5) line is 0.035 cm", which is well within the transmission half-width of the Fabry-Perot interferometer . The frequency mismatch in the V R (J = 3) line is 0.210 cm ", which is only slightly larger than the FPI half- width. The frequency mismatch in the W n (J = IO) line is 0.210 cm, which is also only slightly Therefore, the R-branch lines from J = 3 to J = IO substantially coincide with the discrete frequencies from the FPI and are therefore extremely effective in operating the device 10. The absorption line positions can be relative to the FPI The non-periodicity of the absorption line positions is given by the expression ζ4 (2J + 1) from the equation for i} _
A = ae(2JR+l) l-P. ΛA = a e (2J R + l) lP. Λ
Da 2—3" = der freie Spektralbereich ist, wird dies gleichgesetzt dem Produkt des periodischen Beitrags in der Gleichung für -QR, nämlich 3B1 - BQ und der Faktor ~, -^(3B-, -B) = de(2j +1). Löst man dies nach JR auf, so ergibt sich.Since 2-3 " = the free spectral range, this is set equal to the product of the periodic contribution in the equation for -Q R , namely 3B 1 - B Q and the factor ~, - ^ (3B-, -B) = d e (2j +1). If we solve this for J R , we get.
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~ 27Π0Α22~ 27Π0Α22
A3A3
η(3Β - B) , R η (3Β - B), R
j = ' P-H-(I-^) - 1/2. Der Endwert der Drehkonstante Bj = 'P-H- (I- ^) - 1/2. The final value of the rotation constant B
R ^e "*R e R ^ e "* R e
wird gegeben als B =B + ^ (v + 1/2), wo B die Drehkonstanteis given as B = B + ^ (v + 1/2), where B is the constant of rotation
Schwingin dem v-ten zustand ist. Deshalb gilt 3B., - B_ = 2B - 4<<Schwing is in the vth state. Therefore 3B., - B_ = 2B - 4 <<
B 1 O e e B 1 O ee
und JD = Λ(^ - 2J(I^S) - 1/2. Für CO ist B, - 1,931271 cm"1, R ^e ^***and J D = Λ (^ - 2J (I ^ S) - 1/2. For CO is B, - 1.931271 cm " 1 , R ^ e ^ ***
und unter der Annahme eines FPI-Spiegelreflektionsvermögens von 0,85 ergibt sich JR = 5,6 n/n' - 0,5. Ähnlich gilt für den P-Zweig Λ = W (J + 1) - Wn(J) = - (B1 + BQ) - <*e(2j + 1), und mit der gleichen Begründung ergibt sich Jp = -τ-(:τ— ~ 1) (^7=:) ~ 1/2. Da BQ/dL sehr viel größer ist als 1, ist Jn - Jn. Die Werte von J_ und J können mit J bezeichnet werden. Deshalb dürfte die optimale Bandenbreite für die erste Filtereinrichtung 16 gleich etwa 2BJ . und nicht größer als 4BJ . sein.and assuming an FPI specular reflectance of 0.85, J R = 5.6 n / n '- 0.5. Similarly, for the P-branch Λ = W (J + 1) - W n (J) = - (B 1 + B Q ) - <* e (2j + 1), and with the same reasoning we get J p = -τ - (: τ— ~ 1) (^ 7 = :) ~ 1/2. Since B Q / dL is much larger than 1, J n - J n . The values of J_ and J can be denoted by J. Therefore, the optimal band width for the first filter device 16 should be approximately 2BJ. and no greater than 4BJ. be.
e opt e opte opt e opt
Der Wert von J für die Hauptinterferogramme beispielsweise mit n1 = 3 ist 1,4. So ist es immer möglich, die Ubertragungsfenster des Interferometers mit wenigstens zwei Absorptionslinien der zu erfassenden Molekülart zusammenpassen zu lassen. The value of J for the main interferograms, for example with n 1 = 3, is 1.4. It is always possible to have the transmission window of the interferometer match with at least two absorption lines of the type of molecule to be detected.
Für das Hauptinterferogramm von CO mit n' = 3 überträgt das Interferometer Strahlung durch Ubertragungsfenster entsprechend den Frequenzen von wenigstens zwei für die Analyse herangezogenen Absorptionslinien und außerdem durch zwei weitere Ubertragungsfenster, die in gleichen Frequenzabständen von und zwischen den für die Analyse bestimmten Absorptionslinien beabstandet sind. In Situationen, wo die Absorptionslinien des zu analysierenden Gases relativ schmal sind und in einem Frequenzbereich vorliegen, der keine störenden Absorptionslinien von anderen Gasen enthält, liefert die Verwendung von Hauptinterferogrammen des Typs, worin n1 = 3 ist, erhöhte Empfindlichkeit. Die Erhöhung der Empfindlichkeit wird durch das bessere Zusam-For the main interferogram of CO with n '= 3, the interferometer transmits radiation through transmission windows corresponding to the frequencies of at least two absorption lines used for the analysis and also through two further transmission windows that are spaced at equal frequency intervals from and between the absorption lines intended for the analysis. In situations where the absorption lines of the gas to be analyzed are relatively narrow and in a frequency range that does not contain interfering absorption lines from other gases, the use of main interferograms of the type where n 1 = 3 provides increased sensitivity. The increase in sensitivity is due to the better combination
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aoao
menpassen zwischen der Absorptionslinienbreite und den Breiten der Ubertragungsfenster des Interferometers hervorgerufen. Die Abnahme der Empfindlichkeit, die sonst aus dem Vorhandensein zusätzlicher FPI-übertragungsfenster resultiert, wird durch die Steigerung der Empfindlichkeit kompensiert, die man durch Verminderung der Breite der FPI-übertragungsfenster erreicht. Die Steigerung der Empfindlichkeit, die in einer speziellen Situation erreicht wird, hängt von dem ausgewählten Wert für n1 ab, welcher seinerseits von den experimentellen Bedingungen bestimmt wird, die mit der zu untersuchenden Gasprobe verbunden sind. Sie ist wesentlich größer als jene, die durch Steigerung des Reflexionsvermögens der FPI-Spiegel erzeugt wird. Der letztere Weg gestattet eine Verengung der Breite der FPI-übertragungsf enster ohne Einführung zusätzlicher, nicht von dem Gas absorbierter Strahlung und scheint auf den ersten Blick ein besserer Weg zu sein, das Zusammenpassen zwischen der Absorptionslinienbreite und der FPI-übertragungslinienbreite zu ver-men fit between the absorption line width and the widths of the transmission window of the interferometer caused. The decrease in sensitivity, which otherwise results from the presence of additional FPI transmission windows, is compensated for by the increase in sensitivity which is achieved by reducing the width of the FPI transmission window. The increase in sensitivity that is achieved in a particular situation depends on the selected value for n 1 , which in turn is determined by the experimental conditions associated with the gas sample to be examined. It is much larger than that created by increasing the reflectivity of the FPI mirrors. The latter approach allows the width of the FPI transmission window to be narrowed without introducing additional radiation not absorbed by the gas and appears at first glance to be a better way of reducing the match between the absorption line width and the FPI transmission line width.
mitwith
bessern. In der Praxis jedoch nimmt hohem Spiegelreflexionsvermögen die übertragbarkeit des FPI durch kleine Absorption und/oder Streuungsverluste in den verspiegelten Oberflächen des FPI ab. Diese Verminderung der Übertragbarkeit führt zu einer Abnahme der Empfindlichkeit, die größer als der Empfindlichkeitsverlust ist, den man durch die oben diskutierte Einführung zusätzlicher Übertragungsfenster erzeugt. Außerdem führt die Verwendung von FPI-Spiegeln niedrigeren Reflexionsvermögens mit hoher Übertragungsfähigkeit zu einer Einrichtung, die für eine größere Zahl von experimentellen Anwendungen verwendet werden kann.improve. In practice, however, mirror reflectivity increases the transferability of the FPI due to small absorption and / or scattering losses in the mirrored surfaces of the FPI. This decrease in portability leads to a Decrease in sensitivity greater than the loss of sensitivity is generated by the introduction of additional transmission windows discussed above. It also leads the use of lower reflectivity FPI mirrors with high transferability to a facility used for a greater number of experimental applications can be.
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27Π0Α22 U 27-022 U
Für die sekundären Interferogranune von CO mit η = 3 bekommt man einen Wert von 16 für die Größe J .. Dieser Wert fürFor the secondary interferogranune of CO with η = 3 gets you get a value of 16 for size J .. This value for
optopt
J zeigt, daß Absorption von durch das FPI übertragener Strahlung über einen Frequenzbereich auftritt, der etwa 16 Absorptionslinien enthält. Bei der Verwendung eines sekundären Interferogrammes mit η = 3 treten FPI-Ubertragungsfenster bei jeder dritten Absorptionslinie auf, so daß Absorption bei nur 5 Absorptionslinien stattfindet. Die Brauchbarkeit dieser sekundären Interferogramme wird in den Fällen beeinträchtigt, wo Gasgemische zu analysieren sind. In solchen Fällen können starke Absorptionslinien von einem anderen Gas als dem zu analysierenden die Messung für das zu analysierende Gas stören. Diese Störung kann vermindert oder ausgeschaltet werden, indem man ein sekundäres Interferomgramm auswählt, das keine Strahlung bei den Absorptionsfrequenzen des störenden Gases liefert.J shows that absorption of radiation transmitted by the FPI occurs over a range of frequencies comprising about 16 absorption lines contains. When using a secondary interferogram with η = 3, FPI transmission windows are added every third absorption line, so that absorption takes place at only 5 absorption lines. The usefulness of this secondary interferograms is impaired in cases where gas mixtures are to be analyzed. In such cases strong absorption lines from a gas other than the one to be analyzed can be observed interfere with the measurement for the gas to be analyzed. This disturbance can be reduced or eliminated by one selects a secondary interferomgram that does not contain radiation supplies at the absorption frequencies of the interfering gas.
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" **' 2700A22" ** ' 2700A22
Wie oben bemerkt, moduliert die Moduliereinrichtung 26 die Phasendifferenz 0, uir die Intensität des durchgelassenen Signals 30 zu verändern. Um das maximal modulierte Signal zu erhalten, wird der Modulierbereich auf etwa 1/2 des Frequenzabstandes zwischen benachbarten Streifen eingestellt. Der Modulierbereich kann andererseits auch auf vorgewählte Teile des Absorptionsspektrums der vorgewählten Art beschränkt werden, um die Intensität des modulierten Signals zu steigern. Allgemein gesagt, sollte der Modulierbereich nicht größer als der Frequenzabstand zwischen benachbarten Absorptionslinien der vorgewählten Art sein.As noted above, the modulating device 26 modulates the phase difference 0, uir the intensity of the transmitted Signal 30 to change. In order to obtain the maximum modulated signal, the modulation range is set to about 1/2 of the frequency spacing set between adjacent strips. On the other hand, the modulating range can also be set to preselected Parts of the absorption spectrum of the preselected type can be restricted in order to increase the intensity of the modulated signal. Generally speaking, the modulation range should not be greater than the frequency spacing between adjacent absorption lines be of the selected type.
Das sich ergebende Signal 30 aus der zweiten Filtereinrichtung 18 und der Gasprobe 20 wird in der Ebene der Lochblende 32 durch die Linse 34 fokussiert. Die Linse 34 wird so eingestellt, daß die Mitte des Signals auf dem Loch 36 angeordnet wird. Die Intensität des durch das Loch 36 gehenden Teils des Lichtes 30 wird durch einen Infrarotdetektor 38 erfaßt. Die phasenempfindliche Einrichtung 28, wie z.B. ein Synchrondetektor, ist zum Empfang des Signals von dem Infrarotdetektor 38 und zur Erfassung seiner Intenritätsveränderung eingestellt. Das Ausgangssignal der phasenempfindlichen Detektoreinrichtung 28, welches die Signalintensitätsveränderung darstellt, wird durch eine Anzeige- und Aufzeichnungseinrichtung 40 dargestellt, die ein Oszilloskop und einen Kartenschreiber aufweisen kann.The resulting signal 30 from the second filter device 18 and the gas sample 20 is in the plane of the perforated diaphragm 32 focused through lens 34. The lens 34 is adjusted so that the center of the signal is located on the hole 36 will. The intensity of the part of the light 30 passing through the hole 36 is detected by an infrared detector 38. the phase sensitive device 28, such as a synchronous detector, is for receiving the signal from infrared detector 38 and set to record its change in intensity. The output signal of the phase-sensitive detector device 28, which represents the change in signal intensity, is represented by a display and recording device 40, which may include an oscilloscope and a card writer.
In Fig.3 sind die zweite Filtereinrichtung 18 und die Modulier-In Figure 3, the second filter device 18 and the modulating
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einrichtung 26 in größerer Einzelheit gezeigt. Die gezeigte zweite Filtereinrichtung ist ein Fabry-Perot-Interferometer (FPI), das durch Veränderung der Phasendifferenz 0 zwischen interferierenden Lichtstrahlen in konventioneller Weise abgetastet wird. Abtastverfahren, wie z.B. jene, bei welchen der Gasdruck zwischen den Spiegeln des FPI verändert wird, um den optischen Weg dazwischen zu verändern, können auch verwendet werden. Folglich sollte die in Fig.3 gezeigte zweite Filtereinrichtung 18 als erläuternd und nicht im Sinne der Begrenzung interpretiert werden. Eine solche Einrichtung hat zylindrische Luftlager 56 und 58, die mormalerweise beidevice 26 shown in greater detail. The second filter device shown is a Fabry-Perot interferometer (FPI), which is achieved by changing the phase difference 0 between interfering light beams is scanned in a conventional manner. Scanning methods, such as those in which the Gas pressure being changed between the mirrors of the FPI to change the optical path between them can also be used will. Consequently, the second filter device 18 shown in Figure 3 should be illustrative and not in the sense of Limitation to be interpreted. Such a device has cylindrical air bearings 56 and 58, usually at
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etwa 2,11 kg/cm (30 psi) arbeiten und gemeinsam einen hohlen Metallzylinder 60 von etwa 35 cm Länge unterstützen, der aus
nichtrostendem Stahl oder dergleichen hergestellt ist. Der Außendurchmesser des Zylinders 60 ist spitzenlos geschliffen
auf etwa 4 cm. Der Innendurchmesser des Zylinders 60 beträgt etwa 3,5 cm. Jedes Luftlager 56 und 58 ist etwa 8 cm lang
und hat einen Außen- und Innendurchmesser von etwa 5 cm bzw. etwa 4 cm. Die Trennung zwischen den Mitten der Luftzylinder
beträgt etwa 20 cm. Ein Spiegel 62 der zweiten Filtereinrichtung 18 ist fest an einem Ende 64 des Zylinders 60 angebracht,
z.B. durch einen geeigneten Klebstoff oder dergleichen. Die ebene Fläche des Spiegels 62 ist im wesentlichen senkrecht
zur translatorischen Achse des Zylinders. Der andere Spiegel 66 ist fest an der Moduliereinrichtung 42 angebracht, wie
nachstehend beschrieben wird. Jedes Luftlager 56 und 58 ruht in genauen V-Blocks einer nicht dargestellten Platte, die
so behandelt ist, daß sie äußere Schwingungen dämpft. Gefil-2
operate about 2.11 kg / cm (30 psi) and collectively support a hollow metal cylinder 60 about 35 cm in length made of stainless steel or the like. The outside diameter of the cylinder 60 is ground to be centerless to about 4 cm. The inside diameter of the cylinder 60 is about 3.5 cm. Each air bearing 56 and 58 is about 8 cm long and has an outside and inside diameter of about 5 cm and about 4 cm, respectively. The separation between the centers of the air cylinders is about 20 cm. A mirror 62 of the second filter device 18 is fixedly attached to one end 64 of the cylinder 60, for example by means of a suitable adhesive or the like. The flat surface of the mirror 62 is substantially perpendicular to the translational axis of the cylinder. The other mirror 66 is fixedly attached to the modulator 42, as will be described below. Each air bearing 56 and 58 rests in precise V-blocks of a plate, not shown, which is treated to dampen external vibrations. Gefil-
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tertes Licht 17 aus der ersten Filtereinrichtung 16 tritt in die zweite Filtereinrichtung 18 am Ende 68 des Zylinders 60 ein. Ein Wagen 70, der zur horizontalen Bewegung mittels einer Prazisionsschraube 72 veranlaßt wird und einen festen Kupplungsarm 82 aufweist, der durch mechanische Befestigungseinrichtungen, wie z.B. Schrauben 88, angebracht ist, sowie am Zylinder 60, wie nachstehend beschrieben wird, sorgt dafür, daß der Zylinder 60 mit der notwendigen Linearbewegung die zweite Filtereinrichtung 18 abtastet. Die Prazisionsschraube 72 ist über ein Getriebe 76 an einem digitalen Schrittmotor 74 angekoppelt. Die Abtastrate bzw. -geschwindigkeit des Interferometers wird entweder dadurch gesteuert, daß man das Getriebeverhältnis der Anordnung 76 verändert, z.B. mittels magnetischer Kupplungen oder dergleichen, oder durch Veränderung des Impulsrateneingangs zu dem digitalen Schrittmotor 74. Bei der beschriebenen Vorrichtung kann die Abtastrate über einen Bereich von etwa 10 bis 1 oder mehr variiert werden.Third light 17 from the first filter device 16 enters the second filter device 18 at the end 68 of the cylinder 60 a. A carriage 70 made to move horizontally by means of a precision screw 72 and a fixed one Coupling arm 82 attached by mechanical fasteners such as screws 88, as well as on the cylinder 60, as will be described below, ensures that the cylinder 60 with the necessary linear movement second filter device 18 scans. The precision screw 72 is via a gear 76 on a digital stepper motor 74 coupled. The sampling rate or speed of the interferometer is controlled either by the The gear ratio of the assembly 76 is changed, e.g., by means of magnetic clutches or the like, or by change of the pulse rate input to the digital stepper motor 74. In the apparatus described, the sampling rate can be varied over a range of about 10 to 1 or more.
Um die lineare Bewegung präzise auf den Zylinder 60 zu übertragen, ist ein Bund oder eine Manschette 78 fest am Zylinder 60 angebracht, wobei eine Glasplatte 80 an der Manschette angeklebt ist. Der Kopplungsarm 82 weist eine Kugel 86 aus nichtrostendem Stahl oder dergleichen auf, die einem. Ende 84 des Armes zugeordnet ist. Ein Permanentmagnet 90 ist am Ende 84 des Kopplungsarmes 82 in der Nähe der Kugel 86 angebracht. Infolge der magnetischen Anziehungskraft zwischen der ManschetteIn order to precisely transfer the linear movement to the cylinder 60, For example, a collar or collar 78 is fixedly attached to the cylinder 60 with a glass plate 80 attached to the collar is glued on. The coupling arm 82 has a ball 86 made of stainless steel or the like, the one. Late 84 of the arm is assigned. A permanent magnet 90 is attached to the end 84 of the coupling arm 82 near the ball 86. Due to the magnetic attraction between the cuff
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78 und dem Magnet 90 wird die Kugel in Berührung mit der Glasplatte 80 gehalten. Dadurch ist ein Berührungspunkt mit niedriger Reibung geschaffen. Die Berührungskraft, die an diesem Berührungspunkt durch die lineare Bewegung des Wagens 70 hervorgerufen wird, kann entweder dadurch eingestellt werden, daß man die Trennung oder Separation zwischen dem Magnet 90 und der Manschette 78 verändert, oder die Stärke des Magneten 90 vermindert.78 and the magnet 90, the ball is in contact with the Glass plate 80 held. This creates a low friction point of contact. The touch that caused at this point of contact by the linear movement of the carriage 70 can either be adjusted thereby be that one changes the separation or separation between the magnet 90 and the sleeve 78, or the Magnet 90 strength decreased.
Eine Schnittansicht einer Ausführungsform der Moduliereinrichtung 26 ist in Fig.3 gezeigt. Andere Ausfuhrungsformen von Moduliereinrichtungen 26 können auch verwendet werden. Vorzugsweise hat die Moduliereinrichtung 26 einen hohlzylindrischen Körper 92 aus piezoelektrischer Keramik. Die innere und äußere Wand 9 4 und 96 des zylindrischen Körpers 92 sind mit einem elektrisch leitenden Material,wie z.B. Silber oder dergleichen, beschichtet. Aus einem isolierenden Material, wie z.B. Keramik oder dergleichen, bestehende Isolierkörper 98 und 100 sind an dem zylindrischen Körper 92 an seinem Ende 102 bzw. 104 durch ein geeignetes Klebmittel, wie z.B. Epoxyharz, befestigt. Ein Spiegel 66 ist fest am Isolierkörper 98 mittels des benutzten Klebstoffes angebracht, um den Spiegel 62 am Ende 64 des Zylinders 60 zu befestigen. Damit jener Spiegel 66 parallel zum Spiegel 62 gehalten werden kann, ist der Isolierkörper 100 an der Fläche 106 des Haltekörpers 108 angeklebt. Die äußere Fläche 100 des Haltekörpers 1O8 weist mehrere differentielleMikrometerschrauben 112 auf, die mit der Fläche verbunden sind undA sectional view of an embodiment of the modulating device 26 is shown in FIG. Other embodiments of modulators 26 can also be used. The modulating device 26 preferably has a hollow cylindrical body 92 made of piezoelectric ceramic. the inner and outer walls 94 and 96 of the cylindrical body 92 are coated with an electrically conductive material such as e.g. Silver or the like coated. Insulating bodies made of an insulating material such as ceramic or the like 98 and 100 are attached to the cylindrical body 92 at its ends 102 and 104, respectively, by a suitable adhesive, such as epoxy resin. A mirror 66 is firmly attached to the insulating body 98 by means of the adhesive used, to secure the mirror 62 to the end 64 of the cylinder 60. So that that mirror 66 is parallel to mirror 62 can be held, the insulating body 100 is glued to the surface 106 of the holding body 108. The outer surface 100 of the holding body 108 has a plurality of differential micrometer screws 112, which are connected to the surface and
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in herkömmlicher Weise eingestellt werden können, um eine präzise Winkelflucht des Spiegels 66 vorzusehen. An der inneren Wand 94 bzw. der äußeren Wand 96 sind Elektroden 114 und 116 angebracht. Eine Spannung mit einer Wellenform, wie z.B. einer Sinuswelle oder einer quadratischen oder Rechteckwelle, wird von einer Hochspannungs- Niederstromleistungsquelle 101 an die Elektroden 114 und 116 gelegt. Nach Anlegen der Spannung wird der zylindrische Körper 92 ν eranlaßt, in einer linearen Richtung zu modulieren, Wodirch die Intensität des Signals 30 verändert wird. Wenn die von dem Leistungsnetzgerät 101 an die Elektroden 114 und 116 angelegte Spannung die Form einer Rechteckwelle hat, können die Spannungsgrenzen der Wellenform so eingestellt werden, daß die Intensität des Signals 30 zwischen seinen maximalen und minimalen Werten abwechselt. Eine synchrone Detektoreinrichtung ist zur Bestimmung der Amplitudendifferenz zwischen den maximalen und minimalen Werten des Signals 30 für jede Periode der Rechteckwelle vorgesehen, um ein elektrisches Ausgangssignal zu erzeugen, welches proportional den maximalen und minimalen Werten des Signals 30 ist. Folglich ist die Genauigkeit der Detektqreinrichtung und damit die Empfindlichkeit der Vorrichtung 10 um einen Faktor in der Größenordnung von 100 oder mehr vergrößert.can be adjusted in a conventional manner to a to provide precise angular alignment of the mirror 66. Electrodes are attached to the inner wall 94 and the outer wall 96, respectively 114 and 116 attached. A voltage with a waveform, such as a sine wave or a square or Square wave, is applied to electrodes 114 and 116 from a high voltage, low current power source 101. After the voltage is applied, the cylindrical body 92 ν is made to modulate in a linear direction, Wodirch the intensity of the signal 30 is changed. When the from the power supply unit 101 to the electrodes 114 and 116 applied voltage has the shape of a square wave, the voltage limits of the waveform can be adjusted be that the intensity of the signal 30 alternates between its maximum and minimum values. A synchronous one Detector device is used to determine the amplitude difference between the maximum and minimum values of the signal 30 is provided for each period of the square wave to produce an electrical output signal which is proportional is the maximum and minimum values of signal 30. Consequently, the accuracy of the detection device and hence the sensitivity of the device 10 is increased by a factor of the order of 100 or more.
Die Vorrichtung 10, die hier beschrieben ist, kann selbstverständlich auf zahlreiche Arten modifiziert werden, ohne daß man den Erfindungsgedanken verläßt. Beispielsweise kann die zweite Filtereinrichtung 18 ein festes Etalon (etalon)The device 10 described here can of course can be modified in numerous ways without departing from the spirit of the invention. For example, can the second filter device 18 is a fixed etalon (etalon)
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sein, welches durch Steuerung seiner Temperatur abgestimmt wird. Eine Art von festem Etalon, welches geeignet ist, besteht aus optisch transparentem Material, wie z.B. Kaliumbromid, Kaliumchlorid, Lithiumfluorid, Magnesiumfluorid, Calciumfluorid, Caesiumbromid, Natriumbromid, Caesiumjodid, Bariumfluorid. Natriumchlorid und dergleichen, die übertragungs- bzw. Durchlaßeigenschaften im Frequenzbereich des Absorptionsbandes der vorgewählten Art haben. Außerdem weist ein solches Etalon gegenüberliegende Oberflächen auf, die poliert, flach, parallel und mit Silber, dielektrischem Material oder dergleichen für ein hohes Reflexionsvermögen in einem vorgewählten Frequenzbereich beschichtet sind. Für eine vorgewählte Art, wie z.B. Kohlenmonoxid, mit einem Absorptionsspektrum im Frequenzbereich von etwa 2050 bis 2250 Wellenzahlen weisen bevorzugte optische transparente Materialien Kaliumbromid, Lithiumfluorid und Magnesiumfluor id auf. Die Dicke des festen Etalons kann ausgewählt werden, so daß der freie Spektralbereich des Etalons etwa der Frequenzdifferenz zwischen Spektralkomponenten des gegebenen Absorptionsspektrums entspricht. Die Feinabstimmung des festen Etalons wird bewirkt durch Schaffung einer Einrichtung für die Steuerung der Temperatur und folglich der optischen Weglänge desselben, um die Durchlaßpeaks benachbarter Ordnungen mit den Komponenten des gegebenen Absorptionsspektrums zusammenfallen zu lassen. Linsen 14 und 34 können durch nicht gezeigte Parabolspiegel mit versetzten Achsen ersetzt werden, um die optische Durchlässigkeit der Vorrichtung 10 zu verbessern. Wie in Fig. 4 gezeigt ist, kann der Signalintensitätswechsel ohne Modulieren der Phasendifferenz der zweiten Filtereinrichtung 18which is tuned by controlling its temperature. One type of solid etalon which is suitable consists of optically transparent material, such as potassium bromide, potassium chloride, lithium fluoride, magnesium fluoride, calcium fluoride, Cesium bromide, sodium bromide, cesium iodide, barium fluoride. Sodium chloride and the like, the transmission properties in the frequency range of the absorption band of the selected type. In addition, such an etalon has opposite Surfaces that are polished, flat, parallel and covered with silver, dielectric material or the like for a high reflectivity in a preselected frequency range are coated. For a pre-selected type, such as carbon monoxide, with an absorption spectrum in the frequency range from about 2050 to 2250 wave numbers have preferred optical transparent Materials potassium bromide, lithium fluoride and magnesium fluoride id on. The thickness of the solid etalon can be selected so that the free spectral range of the etalon is approximately the frequency difference between spectral components of the given absorption spectrum. Fine-tuning the solid Etalons are effected by providing a means for controlling temperature and, consequently, the optical path length the same, around the transmission peaks of adjacent orders coincide with the components of the given absorption spectrum allow. Lenses 14 and 34 can be replaced by parabolic mirrors (not shown) with offset axes in order to achieve the optical To improve the permeability of the device 10. As shown in FIG. 4, the signal intensity can change without modulating the phase difference of the second filter device 18
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dadurch bestimmt werden, daß man einen zweiten Lichtstrahl von der Quelle 12' über die Konditioniereinrichtung 14', primäre und sekundäre Filtereinrichtungen 16' und 18', Probe 20, Linse 34', Loch 36* der Lochblende 32' zum Infrarotdetektor 38' durchläßt bzw. überträgt und zur Aufzeige- und Aufzeichnungseinrichtung 40· führt. Bei der letztgenannten Ausführungsform nimmt jeweils die zweite Filtereinrichtung 18 und 18· Licht mit demselben Frequenzbereich auf, und sie sind so eingestellt, daß sie das Licht in zwei verschiedenen Gruppen diskreter Frequenzen durchlassen, wobei die erste Frequenzgruppe aus der zweiten Frequenzgruppe um einen Betrag geschoben ist, der nicht größer ist als der Frequenzabstand zwischen benachbarten Absorptionslinien der vorgewählten Art und vorzugsweise etwa 1/2 dieses Frequenzabstandes. Andere ähnliche Modifikationen können vorgenommen werden, die in den Rahmen dieser Erfindung fallen.be determined by taking a second beam of light from source 12 'via conditioning device 14', primary and secondary filters 16 'and 18', sample 20, lens 34 ', hole 36 * of the aperture plate 32' to the infrared detector 38 ' passes or transmits and leads to the display and recording device 40 ·. In the latter embodiment takes the second filter means 18 and 18 · light with the same frequency range, and they are set so that They let the light through in two different groups of discrete frequencies, the first group of frequencies out of the second Frequency group is shifted by an amount that is not greater than the frequency spacing between adjacent absorption lines of the preselected type and preferably about 1/2 this frequency spacing. Other similar modifications can be made which fall within the scope of this invention.
Im Betrieb wird Licht 15 mit inkohärenter, infraroter StrahlungDuring operation, light 15 is emitted with incoherent infrared radiation
-elt, von der Lichtkonditioniereinrichtung 14 gesamm kollimiert und zur ersten Filtereinrichtung 16 übertragen bzw. durchgelassen. Die erste Filtereinrichtung 16 empfängt das Licht 15, trennt selektiv davon das Licht 17 mit einem Frequenzbereich im Bereich einer Absorptionsbande für die vorgewählte Molekülart und sendet das separierte Licht 17 zu der zweiten Filtereinrichtung 18. Diese nimmt das Licht 17 auf und läßt Licht mit mehreren diskreten Frequenzen durch, wodurch ein erfaßbares Signal 30 vorgesehen ist. Dieses wird durch die Gasprobe 20 geführt, wodurch die Intensität des Lichtes sich proportional zur Konzentration der vorgewählten Art ändert. Eine Moduliereinrichtung 26 moduliert die Phasendifferenz der zweiten Filter- -elt, collectively collimated by the light conditioning device 14 and transmitted to or transmitted to the first filter device 16. The first filter device 16 receives the light 15, selectively separates therefrom the light 17 with a frequency range in the range of an absorption band for the preselected type of molecule and sends the separated light 17 to the second filter device 18 Frequencies through, whereby a detectable signal 30 is provided. This is passed through the gas sample 20, whereby the intensity of the light changes proportionally to the concentration of the preselected type. A modulating device 26 modulates the phase difference of the second filter
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einrichtung, um die Intensität des Signals 30 zu variieren. Die Intensitätsveränderung des Signals 30 wird von einer phasenempfindlichen Detektoreinrichtung 28 erfaßt. Das sich erge bende Signal aus der phasenempfindlichen Detektoreinrichtung 28 wird durch die Darstellungs- und Aufzeichnungseinrichtung 40 dargestellt.means to vary the intensity of the signal 30. The change in the intensity of the signal 30 is determined by a phase-sensitive Detector device 28 detected. The resulting signal from the phase-sensitive detector device 28 is by the display and recording device 40 shown.
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