DE3738179A1 - Gasanalysator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Gasanalysator und insbesondere einen dispersionsfreien optischen Gasanalysator, der mehrere Thermosäulen als optische Energiedetektoren verwendet.

Im Laufe der Jahre wurde bereits eine große Vielfalt von dispersionsfreien Infrarot-Gasanalysatoren zur Messung der Gaskonzentration bei Anwendungsfällen wie der medizini­ schen Kontrolle, der Verschmutzungskontrolle und der industriellen Prozeßkontrolle entwickelt. Beispiele solcher Analysatoren offenbaren die US-PSen 39 32 754, 40 69 420 und 44 20 687.

Ein gemeinsames Merkmal der bekannten Gasanalysatoren dieses zuvor angesprochenen Typs ist die Verwendung eines einzigen Infrarotdetektors, der Infrarotstrahlung in Form einer Folge von Impulsen optischer Energie erfaßt. Diese Impulse stellen abwechselnd ein Maß der Infrarotenergie dar, die von einem bestimmten Gas in einer Gasgemischprobe absorbiert wird, und der Infrorotenergie, die von einem Bezugsgas absorbiert wird. Eine geeignete elektronische Schaltungsanordnung verarbeitet die Detektorsignale, die ebenfalls in Form einer Impulsfolge vorliegen, um ein Signal proportional der Konzentration des bestimmten Gases in der Probe zu erzeugen.

Die abwechselnden Impulse optischer Energie werden im allgemeinen von einem motorbetriebenen Zerhackerrad erzeugt, das Öffnungen hat. Die Drehung des Rades in Verbindung mit der Öffnungsanordnung relativ zu einer Strahlungsquelle ergibt die gewünschten abwechselnden Impulse.

Ein Hauptgrund für die Verwendung des abwechselnden Impulsbetriebes liegt darin, einen einzigen Detektor ver­ wenden zu können, um die Proben- und die Bezugsgase messen zu können. Bekannte Konstruktionen sind auf die Verwendung eines einzigen Infrarotdetektors beschränkt, da es bisher nicht möglich war, mehrere Detektoren zu verwenden, die ausreichend genau aufeinander angepaßte Leitungskennlinien haben, um einen Analysator zu schaffen, der die erforderliche Genauigkeit hat.

Zum Beispiel sind Infrarotsensoren sehr empfindlich für geringe Änderungen der Umgebungstemperatur, und die Ansprechkennlinien zweier gesonderter Detektoren auf solche Änderungen sind nicht notwendigerweise gleich. Daher hat es sich als extrem schwierig herausgestellt, einen Gasanaly­ sator mit mehreren Detektoren zu schaffen, der in der Lage ist, genaue Messungen unter Bedingungen sich ändernder Umgebungstemperatur durchzuführen, ohne daß es erforderlich ist, teure, komplizierte und häufig nicht zuverlässige Temperaturausgleichsgeräte und -schaltungen zu verwenden.

Die Notwendigkeit eines motorgetriebenen Zerhackerrades bei bekannten Analysatoren führte zu Analysatorkonstruktionen, die notwendigerweise groß sind, zum Betrieb erhebliche Energiemengen erfordern, und die hohe Stoß- und Vibrations­ pegel nicht aushalten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen neuen und verbesserten dispersionsfreien optischen Gasanalysator zu schaffen.

Der Analysator soll eine geringe Größe und einen niedrigen Energieverbrauch haben und kein motorgetriebenes Zerhacker­ rad zu seinem Betrieb benötigen.

Weiterhin soll der Analysator tragbar sein, geringe Kosten erfordern und eine hohe Genauigkeit bei gleichzeitiger Verwendung von mehreren optischen Detektoren haben; weiterhin soll er in einem breiten Wellenlängenspektrum von IR bis UV betreibbar sein.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Zweckmäßige Ausge­ staltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der dispersionsfreie optische Gasanalysator gemäß der Erfindung hat demgemäß eine Strahlungsquelle zur Erzeugung eines gerichteten Strahls optischer Energie und eine etwa zylindrische Zelle zur Aufnahme der Gasprobe, von der eine oder mehrere Komponenten zu analysieren sind, um ihre Konzentration im Gemisch zu bestimmen. Um eine einzige Gas­ komponente im Gemisch zu erfassen, verwendet der Analysator zwei optische Detektoren, von denen einer ein Bezugsdetektor und der andere ein Probendetektor ist, um die optische Energie zu erfassen, nachdem sie die Probengaszelle durch­ laufen hat.

Jeder Detektor hat die Form einer Thermosäule, bestehend aus mehreren Thermoelementverbindungen, von denen jede eine thermische EMK proportional der Verbindungstemperatur erzeugt. Die Thermosäulen bestehen aus Reihen von Dünnfilmen ungleicher Metalle, die auf einem wärmeleitenden Substrat aufgebracht sind. Ein Teil jeder Thermosäule ist gegen die die Zelle erregende optische Energie abgeschirmt. Der abgeschirmte Teil jeder Thermosäule wird verwendet, um das Thermosäulenausgangssignal gegen Änderungen der Umgebungs­ temperatur zu kompensieren.

Ein erstes Filter ist zwischen der Zelle und dem nicht abge­ schirmten Teil der Probenthermosäule angeordnet, um die Wellenlänge der optischen Energie, die auf diesen Teil der Thermosäule auftrifft, auf einen Bereich zu begrenzen, in dem die optische Energie von einer Gaskomponente im Probengemisch absorbiert wird.

Ein zweites Filter ist zwischen der Zelle und dem nicht abgeschirmten Teil der Bezugsthermosäule angeordnet, um die Wellenlänge der optischen Energie, die auf diesen Teil der Thermosäule trifft, auf einen Bezugswellenlängenbereich zu begrenzen.

Eine Steuerschaltung wird verwendet, um das Bezugsthermo­ säulensignal von dem Probenthermosäulensignal zu subtrahieren, und das Subtraktionsergebnis durch das Bezugsthermosäulen­ signal zu teilen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Fig. 1 bis 4 beispielsweise erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Gasanalysa­ tors gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen Querschnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1, aus dem der innere Aufbau von Bauelementen des Analysators der Fig. 1 hervorgeht,

Fig. 3 eine Seitenansicht eines wärmeleitenden Substrats mit mehreren Thermosäulen, die als optische Energiedetektoren beim Gasanalysator der Fig. 1 verwendet werden,

Fig. 3A eine vergrößerte Detaildarstellung des oberen rechten Quadranten des Substrats der Fig. 3, und

Fig. 4 schematisch ein Blockschaltbild der Steuerkreise, die zur Verarbeitung der Spannungen verwendet werden, die von den Thermosäulen erzeugt werden, um die Gaskonzentration anzuzeigen.

Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung eines Gasanalysators 10 gemäß der Erfindung. Der Analysator 10 besteht aus etwa zylindrischen Abschnitten 12, 14, 16, 18, die durch Bolzen zusammengehalten sind, die durch Öffnungen in den Abschnitten geführt sind und sie in engem Kontakt halten.

Fig. 2 ist ein Querschnitt des Analysators 10 längs der Linie 2-2 in Fig. 1. Der Abschnitt 2, der aus Aluminium oder dergl. hergestellt sein kann, wird verwendet, um eine Strahlungsquelle 24 aufzunehmen, die in Form eines Platindrahttropfens oder dergl. vorliegen kann. Eine Leitung 26 verbindet den Drahttropfen 24 mit einer externen Energiequelle wie einer Batterie. Bei dieser Schaltung liefert der Tropfen eine Quelle optischer Energie. Der Teil des Abschnittes 12, der den Tropfen 24 umgibt, ist als Parabolreflektor geformt, um die optische Energie auf das benachbarte Ende des Abschnittes 14 zu richten.

Der Abschnitt 14, der aus Kunststoff oder dergl. bestehen kann, hat eine etwa zylindrische Zelle 28, um eine zu analysierende Gasgemischprobe aufzunehmen. Fenster 30, 32 sind am Eintritts- und Austrittsende der Zelle 28 vorge­ sehen und werden durch O-Ringe 34 gehalten, um ein gasdichtes Gehäuse zu bilden. Die Fenster können aus einem Material wie Saphir hergestellt sein, das im wesentlichen für die optische Energie der Quelle 24 über den Bereich von Wellenlängen, der zur Analyse des Gasgemisches verwendet wird, transparent ist. Ein Einlaß 36 und ein Auslaß 38 sind in der Zelle 28 vorgesehen, damit die Gasprobe in die Zelle 28 eintreten und sie verlassen kann.

Der Abschnitt 16, der aus einem wärmeleitenden Material wie Aluminium, Messing, rostreiem Stahl oder dergl. besteht, ist nahe dem Auslaßende der Zelle 28 angebracht. Der Abschnitt 16 dient dazu, eine optische Detektoran­ ordnung 40 zu befestigen, die zur Messung der optischen Energie verwendet wird, die aus der Zelle 28 austritt.

Die Detektoranordnung 14 ist in einem etwa zylindrischen Metallgehäuse 42 ähnlich solchen wie sie zur Aufnahme von Transistoren verwendet werden, aufgenommen. Das Gehäuse 42 ist mit einem transparenten Fenster versehen, das aus Saphir oder dergl. bestehen kann. Im Gehäuse 42 befindet sich ein ebenes Substrat 46 mit einem Durchmesser von etwa 10 mm, das aus einem wärmeleitenden Isolator wie Beryllium oder Aluminiumoxid besteht. Auf einer Seite des Substats 46 ist eine Anordnung 48 von vier Thermosäulen angebracht, die aus sich schneidenden Linien ungleicher Dünnfilmmetalle gebildet sind, die auf die Substratoberfläche aufgebracht sind.

Auf der anderen Seite des Substrats 46, die dem Fenster 32 der Zelle 28 zugewandt ist, befinden sich vier Filter 50, 52, 54, 56, die so angeordnet sind, daß nur bestimmte Wellen optischer Energie, die die Zelle 28 erregt, das wärmeleitende Substrat 46 zu bestimmten Bereichen der Thermosäulenanordnung 48 durchlaufen. Der restliche Teil dieser Seite des Substrats ist mit einem optischen Maskenmaterial 58 wie Aluminium bedeckt, das die optische Energie, die die Zelle 28 verläßt, daran hindert, das Substrat 46 in den Bereichen zu durchlaufen, wo sich das Material 58 befindet.

Das Substrat 46 wird von Leitungen 60 getragen, die teilweise in einen Halter 62 eingebettet sind und diesen durchlaufen. Der Halter 62 besteht aus Epoxyharz oder einem anderen geeigneten Material und dient dazu, den Boden des Gehäuses 42 zu verschließen, um die Anordnung 40 gasdicht zu machen. Der Raum zwischen dem Substrat 46 und dem Halter 62 kann mit einem wärmeleitenden Material wie Epoxyharz oder dergl. gefüllt sein, um die Wärmeleitfähigkeit zwischen den beiden Elementen zu erhöhen. Die Leitungen 60 bilden elektrische Anschlüsse für die Thermosäulenanordnung 48. Das Metallgehäuse 42 ist an dem wärmeleitenden Abschnitt 16 fest angebracht, der eine thermische Masse hat, die wesentlich größer als die des Gehäuses 42 ist, so daß er wie eine großflächige Wärmesenke bzw. ein großflächiges Kühlblech wirkt, um die Temperaturänderungsgeschwindigkeit der Anordnung 40 in Abhängigkeit von einer schnellen Änderung der Analysatorumgebungstemperatur zu verringern.

Die Leitungen 60 durchlaufen Öffnungen im Abschnitt 16 und sind mit Anschlüssen im Abschnitt 18 verbunden, der als Leiterplatte ausgebildet ist. Die Platte 18 hat elektroni­ sche Bauelemente 64, die die Spannungen verarbeiten, die von der Thermosäulenanordnung 48 erzeugt werden, um Signale die die Konzentration eines oder mehrerer Gaskomponenten in der Gasgemischprobe darstellen, zu bilden. Eine Leitung 66 führt den Kreisen Energie zu und leitet die Schaltungs­ ausgangssignale zu einem geeigneten Anzeigegerät.

Fig. 3 ist eine Seitenansicht des Substrats 46, aus dem die Konstruktion der Thermosäulenanordnung 48 im einzelnen hervorgeht. Die Anordnung 48 hat vier Thermosäulen 68 bis 74. Jeder Thermosäule besteht aus mehreren Wärmeelementverbindungen, von denen jede eine thermische EMK proportional der Tempera­ tur der Verbindung erzeugt. Jede Verbindung ist durch Zusammenschalten dünner Linien ungleicher Metalle gebildet. Die Metallinien sind auf die Oberfläche des Substrats mittels der bekannten Dünnfilmabscheidtechnik aufgebracht. Ein Vorteil der Verwendung von Thermoelementen als optische Energiedetek­ toren liegt darin, daß sie auf Dauerstrahlungspegel über einen großen Bereich von Wellenlängen ansprechen, die sich von IR bis UV erstrecken. Zur Erläuterung des Aufbaus jeder Thermosäule wird die Thermosäule 68 im einzelnen beschrieben.

Wie die Fig. 3 und 3A zeigen, hat die Thermosäule 68 mehrere Metallinien, die mit benachbarten Linien an ihren Enden (z.B. durch Verwendung eines Tropfens Edelmetall wie Gold) meanderförmig verbunden sind, um eine lange Serienschaltung zu bilden, die in Anschlüssen 76 und 78 endet. Die Metalle an benachbarten Linien sind größtenteils ungleich. Z.B. können Wismutmetallinien mit Antimonmetallinien abwechseln. Wo sich diese Linien an ihren Enden treffen, werden Wärmelementverbindungen geschaffen. Für die Polarität der thermischen EMK, die von jedem Thermoelement erzeugt wird, wird der Anschluß 76 als Positives Bezugsmaß bezüglich des Anschlusses 78 gewählt. Die an jeder Verbindung erzeugte Polarität wird durch die Anordnung der Linien der beiden Metalle bestimmt, die diese Verbindung bewirkt. Daher wird die Polarität einer bestimmten Verbindung durch die Art des in jeder der Linien in der Thermosäule aufgebrachten Metalls bestimmt.

Die Anordnung der Metallinien in der Thermosäule 68 ist so gewählt, daß Thermoelementverbindungen die durch die Symbole "+" und "-", die in Fig. 3 neben jeder Verbindung gezeigt sind, angegebene Polarität haben. Die Verbindungen sind als mehrere Reihen in vier Spalten angeordnet. Beginnend mit der Spalte 80 links außen ist eine erste Gruppe 82 von vier Thermoelementverbindungen mit positiver Polarität vorgesehen, die abwechselnd mit einer ersten Gruppe 84 von drei Verbindungen mit negativer Polarität in einer Spalte 86 in Reihe geschaltet sind, um eine erste Reihenschaltung zu bilden, die zwischen den Anschluß 76 und einen leitenden Verbindungspunkt 88 geschaltet ist, der aus Gold, Silber oder dergl. gebildet sein kann. Die Spalte 86 ist seitlich etwa 0,6 mm zur Spalte 80 beabstandet.

Eine Gruppe 90 von acht Verbindungen mit negativer Pola­ rität, die sich an die Gruppe 82 in der Spalte 80 anschließt, ist mit einer Gruppe 92 von sieben Verbindungen positiver Polarität, die sich der Gruppe 84 in der Spalte 86 anschließt, in Reihe geschaltet, um eine zweite Reihenschaltung zu bilden, die zwischen die Verbindungsstelle 88 und eine Verbindungstelle 94 ähnlicher Konstruktion geschaltet ist. Eine Gruppe von vier Verbindungen positiver Polarität, die der Gruppe 90 in der Spalte 80 folgt, ist mit einer Gruppe 98 von drei Verbindungen negativer Polarität, die der Gruppe 92 in der Spalte 86 folgt, in Reihe geschaltet, um eine dritte Reihenschaltung zu bilden, die zwischen die Verbindungsstelle 94 und die letzte Metallisierungsreihe in der Spalte 80 geschaltet ist.

Eine Gruppe 100 von drei Thermoelementverbindungen negativer Polarität ist in einer Spalte 102 vorgesehen, die seitlich nahe der Spalte 86 angeordnet ist. Die Gruppe 100 ist mit einer Gruppe 104 von vier Verbindungen positiver Polarität in einer Spalte 106 in Reihe geschaltet, die etwa 0,6 mm seitlich zur Spalte 102 beabstandet ist, um eine vierte Reihenschaltung zu bilden, die zwischen den Anschluß 78 und eine Verbindungsstelle 108 ähnlich der Verbindungsstelle 88 geschaltet ist.

Eine Gruppe 110 von sieben Verbindungen positiver Polarität, die sich an die Gruppe 100 in der Spalte 102 anschließt, ist zu einer Gruppe 112 in Reihe geschaltet, die sich der Gruppe 104 in der Spalte 106 anschließt, um eine fünfte Reihenschaltung zu bilden, die zwischen die Verbindungsstelle 108 und eine Verbindungsstelle 114 ähnlich der Verbindungs­ stelle 88 geschaltet ist. Eine Gruppe 116 von drei Verbindungen negativer Polarität, die der Gruppe 110 in der Spalte 102 folgt, ist zu einer Gruppe 118 von vier Verbindungen positiver Polarität in Reihe geschaltet, die sich an die Gruppe 112 der der Spalte 106 anschließt, um eine sechste Reihenschaltung zu bilden, die zwischen die Verbindungsstelle 114 und die untere Metallisierungs­ reihe geschaltet ist, die von der Gruppe 96 in der dritten Reihenschaltung ausgeht.

Aus der obigen Beschreibung ist ersichtlich, daß die erste bis sechste Reihenschaltung in der Thermosäule 68 ebenfalls in Reihe geschaltet sind, um eine lange Thermosäulenschaltung zwischen den Anschlüssen 76 und 78 zu bilden. Der Aufbau der Thermosäulen 70, 72 und 74 ist ähnlich dem der Thermosäule 68. So hat die Thermosäule 70 die Form einer Reihenschaltung von Thermoelementverbin­ dungen, die als vierspaltige Anordnung ausgebildet ist, die an Anschlüssen 120 und 122 endet. In ähnlicher Weise endet die Reihenschaltung mit der Thermosäule 72 an Anschlüssen 124 und 126 und die Reihenschaltung mit der Thermosäule 74 an Anschlüssen 128 und 130. Die Polaritäts­ symbole in Fig. 3 geben die verschiedenen Thermoelement­ verbindungspolaritäten in den Thermosäulen 70, 72, 74 in einer Weise analog der für die Thermosäule 68 wieder.

Der aktive Teil jeder Thermosäule 68, 70, 72, 74, der auf die zu messende optische Energie anspricht, ist durch unterbrochene Linien 132, 134, 136, 138 in Fig. 3 gezeigt. Dieser aktive Bereich ist auf die Thermoelementverbindungen positiver Polarität in den beiden mittleren Spalten jeder Thermosäule beschränkt. Für die Thermosäule 68 ist somit der aktive Bereich auf die Verbindungsgruppen 92 und 110 beschränkt.

Die aktiven Thermosäulenbereiche werden unter Verwendung des zuvor beschriebenen Maskenmaterials 58 gebildet. Dieses Maskenmaterial ist eine Schicht auf der Seite des Substrats 46 gegenüber der Thermosäulenseite. Die Schicht bedeckt im wesentlichen die gesamte Seite des Substrats hinter der Thermosäulenanordnung 48 mit Ausnahme der Bereiche unmittelbar hinter den durch die unter­ brochenen Linien 132 bis 138 angegebenen Bereiche. Das Maskenmaterial 58 verhindert, daß die optische Energie, die die Zelle 28 verläßt, durch diejenigen Teile des wärmeleitenden Substrats 46, die mit dem Material 58 bedeckt sind, zu den Teilen der Anordnung 48 durchdringt, die direkt hinter dem Material 58 auf der gegenüberliegenden Seite des Substrats 46 liegen.

Bei der Thermosäule 68 als Beispiel (Fig. 3A) sind die Thermoelementverbindungsgruppen 82, 86, 90, 96, 98, 100, 104, 112, 116 und 118 durch Maskenmaterial abgeschirmt, so daß nur die Gruppen 92 und 110 optische Energie erfassen können, die durch das Substrat 46 von der Zelle 28 her durchtritt. Die zehn Gruppen von Verbindungen, die durch die Maskenschicht abgeschirmt sind, werden dazu ver­ wendet, das Signal, das von der Thermosäule 68 erzeugt wird, einer Temperaturkompensation bezüglich Änderungen der Temperatur des Substrats 46 zu unterwerfen, die durch Änderungen der Umgebungstemperatur des Analysators 10 verursacht werden.

Da die Thermosäulen 68 bis 74 dazu verwendet werden, Spannungssignale zu erzeugen, die ein Maß der Menge optischer Energie bestimmter Wellenlange sind, die von der Probengaszelle 28 ausgeht, ist es wichtig, daß die Spannungssignale durch Änderungen der Umgebungstemperatur nicht wesentlich beeinflußt werden, da diese Änderungen zu einem Meßfehler führen. Es wurde festgestellt, daß Änderungen der Umgebungstemperatur einen nichtlinearen Temperaturgradienten über die Oberfläche des Substrats 46 erzeugen. Solch ein Gradient kann einen wesentlichen Fehler in der Spannung hervorrufen, die von den aktiven Thermoelementgruppen erzeugt wird, die im Idealfall nur auf die optische Energie ansprechen sollte, die aus der Zelle 28 austritt.

Es wurde auch festgestellt, daß durch Umgeben der aktiven Thermoelementverbindungsgruppe in jeder Thermosäule mit temperaturkompensierenden Gruppen der Anordnung der Fig. 3 der nichtlineare Temperatureffekt, der durch die Umgebungstemperaturänderungen hervorgerufen wird, durch die Spannungen kompensiert werden kann, die von diesen Kompensationsgruppen erzeugt wird.

Außerdem kann die tatsächliche Anzahl von Thermoelementver­ bindungen in jeder der zwölf Gruppen in einer Thermosäule als Ergebnis einer empirischen oder experimentellen Analyse des nichtlinearen Temperaturgradienten über das Substrat 46 bestimmt werden, um Temperaturänderungen genauer zu kompensieren. Demgemäß kann die Anzahl der Verbindungen in einer bestimmten Gruppe in jeder Thermo­ säule in Abhängigkeit von der Lage der Thermosäule auf dem Substrat 46 unterschiedlich sein. Obwohl daher jede der Thermosäulen 68 bis 74 in Fig. 3 als die gleiche Anzahl von Verbindungen in den entsprechenden Gruppen aufweisend gezeigt ist, ist die Erfindung nicht auf diese Ausbildung beschränkt.

Jede der Thermosäulen 68 bis 74 dient dazu, optische Energie in einem bestimmten Bereich von Wellenlängen zu erfassen, wenn sie die Zelle 28 verläßt. Der von jeder Thermosäule zu erfassende jeweilige Wellenlängenbereich hängt von der speziellen zu analysierenden Gaskomponente im Gemisch ab. Eine der vier Thermosäulen, z.B. die Thermosäule 70, hängt von einem Wellenlängenbereich ab, der mit den Wellenlängen nicht übereinstimmt, bei denen optische Energie von irgendeiner der zu analysierenden Gaskomponenten im Gemisch absorbiert wird. Wie später angegeben, wird diese spezielle Thermosäule 70 als die Bezugsthermosäule bezeichnet.

Die übrigen drei Thermosäulen 68, 72, 74, die als Probenthermosäulen bezeichnet werden, dienen dazu, Strahlung bei einer Wellenlänge zu erfassen, bei der eine bestimmte Gaskomponente im Gemisch absorbiert wird. Somit sind die drei Thermosäulen in der Lage, Signale zur Analyse von drei Gaskomponenten zu erzeugen. Wenn nur eine Gaskom­ ponente im Gemisch analysiert werden soll, ist offensicht­ lich nur eine einzige Probenthermosäule zusätzlich zur Bezugsthermosäule erforderlich.

Die Wellenlänge der optischen Energie, die jede Thermo­ säule erreicht, wird dadurch auf den gewünschten Bereich begrenzt, daß die vier zuvor beschriebenen optischen Bandpaßfilter 50 bis 56 auf einer Seite des Substrats 46 gegenüber der befestigt werden, auf der die Anordnung 48 angebracht wird, wobei jedes Filter 50, 52, 54, 56 einen Bereich entsprechend den unterbrochenen Linien 132, 134, 136 und 138 in Fig. 3 bedeckt.

Wenn der Analysator 10 z.B. dazu verwendet werden soll, die drei Komponenten von Kraftfahrzeugabgasen wie CO₂, CO und NO zu analysieren, indem man die Thermosäulen 68, 72 und 74 verwendet, wird das Filter 50, das den Bereich 132 bedeckt, so gewählt, das es eine mittlere Wellenlänge von etwa 4,27 Mikron und eine Bandbreite von etwa 110 Nanometer hat, entsprechend der CO₂ Absorption, das Filter 54, das den Bereich 136 bedeckt, wird so gewählt, das es eine mittlere Wellenlänge von 4,77 Mikron und eine Bandbreite von etwa 100 Nanometer hat, entsprechend der CO Absorption, und das Filter 46, das den Bereich 138 bedeckt, wird so gewählt, daß es eine mittlere Wellenlänge von 2,85 Mikron und eine Bandbreite von etwa 170 Nanometer hat, entsprechend der NO Absorption. Das Filter 52, das den Bereich 132 der Bezugsthermosäule 68 bedeckt, kann so gewählt werden, daß es eine mittlere Wellenlänge von 4,0 Mikron und eine Bandbreite von etwa 240 Nanometer hat, entsPrechend einem Wellenlängenbereich, der sich nicht in die Absorptionsspektra irgendeiner der anderen zu analysierenden Komponenten im Gemisch erstreckt.

Obwohl die Filter 50 bis 56 nur die aktiven Bereiche 132 bis 138 zu bedecken brauchen, sind diese Filter, die aus Dünnfilmmaterial wie Germanium oder Kaliumbromid bestehen, typischerweise größer als der aktive Bereich. Die umfangreiche Größe erleichtert die Herstellung dieser Filter, die üblicherweise aus großen Folien ausgeschnitten werden. Die umfangreichere Größe ermöglicht es auch, die Kanten der Filter, die rauh sein können, so anzuordnen, daß sie außerhalb des aktiven Bereichs liegen.

Die Arbeitsweise des insoweit beschriebenen Analysators ist wie folgt: Bezugnehmend auf Fig. 1 wird der Strahlungsquelle 24 Energie zugeführt, so daß optische Energie vom Reflektor 12 durch die Zelle 28 gerichtet wird, die zuvor mit der Probengasmischung gefüllt wird. Die optische Energie, die die Zelle 28 durch das Fenster 32 verläßt, trifft auf die Seite des Substrats 46, die die Maskenschicht 58 und die Filter 50 bis 56 aufweist.

Die Maskenschicht 58 bewirkt, daß die optische Energie nur die aktiven Bereiche 132 bis 138 der Thermosäulenanordnung 48 erreicht, die auf der gegenüberliegenden Seite des Substrats 46 liegt. Die Filter 50 bis 56 dagegen lassen nur selektive Wellenlängen der optischen Energie zu den jeweiligen aktiven Bereichen 132 bis 138 durch.

Die Thermosäulen 68 bis 74 erzeugen jeweils eine Spannung, die zu der Menge optischer Energie in Beziehung steht, die von dem jeweiligen aktiven Bereich erfaßt wird, während die anderen Bereiche jeder Thermosäule die Thermosäulen­ spannung bezüglich Umgebungstemperaturänderungen kompen­ sieren. Die temperaturkompensierten Thermosäulenspannungen, die an den Anschlußpaaren 76 bis 78, 120 bis 122, 124 bis 126 und 128 bis 130 auftreten, dienen als Eingangssignale zur Steuerung der Schaltung, die in der folgenden Weise arbeitet:

Bezugnehmend auf Fig. 4 werden die Signale der Thermosäulen 68, 72 und 74 über die Leitungen 60 von der Detektoran­ ordnung 40 zu den positiven Eingängen von Differentialver­ stärkern 140, 142 und 144 geleitet. Diese Verstärker liegen auf der Leiterplatte 18, werden über die Leitung 66 mit Energie versorgt und messen die Signale bezüglich der gezeigten Masseanschlüsse. Das Signal der Bezugsthermosäule 70 wird über einen Bemessungsverstärker 145 auf die negativen Eingänge sämtlicher drei Verstärker 140, 142, 144 gegeben, und ebenso auf die Teilereingänge dreier arithme­ tischer Teiler 146, 148, 150. Die Teiler 146 bis 150 werden ebenfalls über die Leitung 66 gespeist, sind auf der Leiterplatte 18 montiert und messen Signale bezüglich der gezeigten Masseanschlüsse.

Die Ausgänge der Teiler 140, 142 und 144 sind jeweils mit den Teilereingängen der Teiler 146, 148 und 150 verbunden. Aus der obigen Beschreibung der Kreise der Fig. 4 ist ersichtlich, daß von jedem Signal der Probenthermosäulen 68, 72, 74 das Signal der Bezugsthermosäule 70 subtrahiert wurde. Das Ergebnis jeder Subtraktion wiederum wird durch das Signal der Bezugsthermosäule 70 geteilt. Das Ergebnis jeder Teilung erscheint als Ausgangssignal an den Ausgängen 152, 154 und 156 der Teiler 146, 148 und 150. Es kann gezeigt werden, daß die an diesen Ausgängen auftretenden Signale direkt zu der Konzentration der Gaskomponenten entsprechend den Absorptionsspektra der jeweiligen, oben beschriebenen Filter 50, 54, 56 in Beziehung stehen.

Die Signale auf den Leitungen 152, 154 und 156 können Anzeige- und Aufzeichnungsgeräten nach entsprechender Filterung und Linearisierung zugeführt werden. Es können auch zahlreiche andere Schaltungen verwendet werden, um die zuvor beschriebenen Funktionen durchzuführen. Es kann z.B. ein Mikroprozessor verwendet werden, um die arithmetischen Funktionen durchzuführen.

Claims (4)

1. Gasanalysator, gekennzeichnet durch eine Strahlungsquelle zur Erzeugung eines gerichteten Strahls optischer Energie,

• - eine etwa zylindrische, an beiden Enden für die optische Energie transparente Zelle zur Aufnahme eines Gasge­ misches, von dem wenigstens eine Komponente zu analy­ sieren ist, um seine Konzentration im Gemisch zu bestim­ men,
• - eine erste Thermosäule, bestehend aus mehreren Thermo­ elementverbindungen, von denen jede eine thermische EMK proportional der Temperatur der Verbindung erzeugt, sowie aus
• - ersten Thermoelementverbindungen, die in Reihen in einer ersten Spalte angeordnet sind,
• - zweiten Thermoelementverbindungen, die in Reihen in einer zweiten Spalte angeordnet sind, die neben der ersten Spalte liegt,
• - dritten Thermoelementverbindungen, die in Reihen in einer dritten Spalte angeordnet sind, die neben der zweiten Spalte liegt,
• - vierten Thermoelementverbindungen, die in Reihen in einer vierten Spalte angeordnet sind, die neben der dritten Spalte liegt,
• - einer ersten Verbindungseinrichtung zur Reihenschaltung einer ersten Gruppe von A Reihen von Thermoelementver­ bindungen in der ersten Spalte mit einer ersten Gruppe von B Reihen von Thermoelementverbindungen in der zweiten Spalte, zur Bildung einer ersten Reihenschaltung, so daß die thermische EMK, die von jeder der ersten A Reihen der Verbindungen erzeugt wird, eine gemeinsame Polarität hat, die zu der Polarität der thermischen EMK entgegengesetzt ist, die von jeder der ersten B Reihen von Verbindungen erzeugt wird,
• - einer zweiten Verbindungseinrichtung zur Reihenschaltung einer zweiten Gruppe von C Reihen, die sich an die A Reihen von Thermoelementverbindungen in der ersten Spalte anschließt, mit einer zweiten Gruppe von D Reihen, die sich an die B Reihen der Thermoelementverbindungen in der zweiten Spalte anschließt, um eine zweite Reihen­ schaltung zu bilden, so daß die thermische EMK, die von jeder der C Reihen von Verbindungen erzeugt wird, eine gemeinsame Polarität hat, die zur Polarität der thermischen EMK entgegengesetzt ist, die von jeder der A und D Reihen von Verbindungen erzeugt wird,
• - einer dritten Verbindungseinrichtung zur Reihenschaltung einer dritten Gruppe von E Reihen, die sich an die C Reihen der Thermoelementverbindungen in der ersten Spalte anschließt, mit einer dritten Gruppe von F Reihen, die sich an die D Reihen von Verbindungen in der zweiten Spalte anschließt, um eine dritte Reihenschaltung zu bilden, so daß die EMK, die von jeder der E Reihen von Verbindungen erzeugt wird, eine gemeinsame Polarität hat, die zur Polarität der EMK entgegengesetzt ist, die von jeder der C und F Reihen von Verbindungen erzeugt wird,
• - einer vierten Verbindungseinrichtung zur Reihenschaltung einer ersten Gruppe von G Reihen von Thermoelementverbin­ dungen in der dritten Spalte mit einer ersten Gruppe von H Reihen von Thermoelementverbindungen der vierten Spalte, um eine vierte Reihenschaltung zu bilden, so daß die thermische EMK, die von jeder der G Reihen von Verbin­ dungen erzeugt wird, eine gemeinsame Polarität hat, die zur Polarität der thermischen EMK entgegengesetzt ist, die von jeder der ersten A und H Reihen von Verbindungen erzeugt wird,
• - einer fünften Verbindungseinrichtung zur Reihenschaltung einer zweiten Gruppe von I Reihen, die sich an die G Reihen von Thermoelementverbindungen in der dritten Spalte anschließt, mit einer zweiten Gruppe von J Reihen, die sich an die H Reihen von Thermoelementverbindungen in der vierten Spalte anschließt, um eine fünfte Reihenschaltung zu bilden, so daß die thermische EMK, die von jeder der I Reihen von Verbindungen erzeugt wird, eine gemeinsame Polarität hat, die zur Polarität der thermischen EMK entgegengesetzt ist, die von jeder der C und J Reihen von Verbindungen erzeugt wird,
• - einer sechsten Verbindungseinrichtung zur Reihenschaltung einer dritten Gruppe von K Reihen, die sich an die I Reihen von Thermoelementverbindungen in der dritten Spalte anschließt, mit einer dritten Gruppe von L Reihen, die sich an die J Reihen von Verbindungen in der vierten Gruppe anschließt, um eine sechste Reihenschaltung zu bilden, so daß die EMK, die von jeder der K Reihen von Verbindungen erzeugt wird, eine gemeinsame Polarität hat, die zur Polarität der EMK entgegengesetzt ist, die von jeder der E und L Reihen von Verbindungen erzeugt wird,
• - einer siebten Verbindungseinrichtung zur Reihenschaltung der ersten bis sechsten Reihenschaltungen, um eine erste Thermosäulenreihenschaltung zu bilden, so daß die A, D. E. H. I und L Reihen von Verbindungen gleich­ sinnig in Reihe geschaltet sind,
• - einer zweiten Thermosäule, bestehend aus Thermoelement­ verbindungen, von denen jede eine thermische EMK propor­ tional der Temperatur der Verbindung erzeugt, sowie aus
• - fünften Thermoelementverbindungen, die in Reihen in einer fünften Spalte angeordnet sind,
• - sechsten Thermoelementverbindungen, die in Reihen in einer sechsten Spalte angeordnet sind, die neben der fünften Spalte liegt,
• - siebten Thermoelementverbindungen, die in Reihen in einer siebten Spalte angeordnet sind, die neben der sechsten Spalte liegt,
• - achten Thermoelementverbindungen, die in Reihen in einer achten Spalte angeordnet sind, die neben der siebten Spalte liegt,
• - einer achten Verbindungseinrichtung zur Reihenschaltung einer ersten Gruppe von M Reihen von Thermoelementver­ bindungen in der fünften Spalte mit einer ersten Gruppe von N Reihen von Thermoelementverbindungen in der sechsten Spalte, um eine siebte Reihenschaltung zu bilden, so daß die thermische EMK, die von jeder der ersten M Reihen von Verbindungen erzeugt wird, eine gemeinsame Polarität hat, die zur Polarität der thermi­ schen EMK entgegengesetzt ist, die von jeder der ersten N Reihen von Verbindungen erzeugt wird,
• - einer neunten Verbindungseinrichtung zur Reihenschaltung einer zweiten Gruppe von O Reihen, die sich an die M Reihen von Thermoelementverbindungen in der fünften Spalte anschließt, mit einer zweiten Gruppe von P Reihen, die sich an die N Reihen von Thermoelementverbindungen in der sechsten Spalte anschließt, um eine achte Reihen­ schaltung zu bilden, so daß die thermische EMK, die von jeder der O Reihen von Verbindungen erzeugt wird, eine gemeinsame Polarität hat, die zur Polarität der thermi­ schen EMK entgegengesetzt ist, die von jeder der M und P Reihen von Verbindungen erzeugt wird,
• - einer zehnten Verbindungeinrichtung zur Reihenschaltung einer dritten Gruppe von Q Reihen, die sich an die O Reihen der Thermoelementverbindungen in der fünften Spalte anschließen, mit einer dritten Gruppe von R Reihen, die sich an die P Reihen von Verbindungen in der sechsten Spalte anschließt, um eine neunte Reihenschaltung zu bilden, so daß die EMK, die von jeder der Q Reihen von Verbindungen erzeugt wird, eine gemeinsame Polarität hat, die zur Polarität der EMK entgegengesetzt ist, die von jeder der O und R Reihen von Verbindungen erzeugt wird,
• - einer elften Verbindungseinrichtung zur Reihenschaltung einer ersten Gruppe von S Reihen von Termoelementver­ bindungen in der siebten Spalte mit einer ersten Gruppe von T Reihen von Thermoelementverbindungen in der achten Spalte, um eine zehnte Reihenschaltung zu bilden, so daß die thermische EMK, die von jeder der S Reihen von Verbindungen erzeugt wird, eine gemeinsame Polarität hat, die zur Polarität der thermischen EMK entgegenge­ setzt ist, die von jeder der M und T Reihen von Ver­ bindungen erzeugt wird,
• - einer zwölften Verbindungseinrichtung zur Reihenschaltung einer zweiten Gruppe von U Reihen, die sich an die S Reihen von Thermoelementverbindungen in der siebten Spalte anschließt, mit einer zweiten Gruppe von V Reihen, die sich an die T Reihen von Thermoelementverbindungen in der achten Spalte anschließt, um eine elfte Reihen­ schaltung zu bilden, so daß die thermische EMK, die von jeder der U Reihen von Verbindungen erzeugt wird, eine gemeinsame Polarität hat, die zur Polarität der thermi­ schen EMK entgegengesetzt ist, die von jeder der O und V Reihen von Verbindungen erzeugt wird,
• - einer dreizehnten Verbindungseinrichtung zur Reihenschal­ tung einer dritten Gruppe von W Reihen, die sich an die U Reihen von Thermoelementverbindungen in der siebten Spalte anschließt, mit einer dritten Gruppe von X Reihen, die sich an die V Reihen von Verbindungen in der achten Spalte anschließt, um eine zwölfte Reihenschaltung zu bilden, so daß die EMK, die von jeder der W Reihen von Verbindungen erzeugt wird, eine gemeinsame Polarität hat, die zur Polarität der EMK entgegengesetzt ist, die von jeder der Q und X Reihen von Verbindungen erzeugt wird,
• - einer vierzehnten Verbindungseinrichtung zur Reihen­ schaltung der siebten bis zwölften Reihenschaltungen, um eine zweite Thermosäulenreihenschaltung zu bilden, so daß die M, P, Q, T, U und X Reihen von Verbindungen gleichsinnig in Reihe geschaltet sind,
• - einer Thermosäulenhalterung zur Anordnung der ersten und zweiten Thermosäulen auf einem gemeinsamen wärme­ leitenden Substrat,
• - einer Positioniereinrichtung zur Positionierung der Strahlungsquelle, der Zelle und des Thermosäulensub­ strats, so daß der Strahl optischer Energie axial durch die Zelle zu der ersten und zweiten Thermosäule gerichtet wird,
• - einer Maske zur Abschirmung der A, B, C. E. F. G. H, J, K und L Reihen von Thermoelementverbindungen in der ersten Thermosäule und der M, N, O. Q, R, S, T, V, W und X Reihen von Thermoelementverbindungen in der zweiten Thermosäule gegen den Strahl der aus der Zelle austretenden optischen Energie,
• - einem ersten Filter, das zwischen der Zelle und den D und I Reihen von Thermoelementverbindungen in der ersten Thermosäule angeordnet ist, um die Wellenlänge der optischen Energie, die auf die D und I Reihen von Verbindungen trifft, auf einen Bereich zu begrenzen, in dem die optische Energie von der einen Gaskomponente im Gasgemisch absorbiert wird,
• - einem zweiten Filter, das zwischen der Zelle und den P und U Reihen von Thermoelementverbindungen in der zweiten Thermosäule angeordnet ist, um die Wellenlänge der optischen Energie, die auf die P und U Reihen von Verbindungen trifft, auf einen Bezugswellenlängenbereich zu begrenzen, und
• - einer Steuereinrichtung zur Messung der EMK, die von der ersten Thermosäulenreihenschaltung erzeugt wird und die ein erstes Signal darstellt, das zur Menge der optischen Energie in Beziehung steht, die auf die D und I Reihen von Verbindungen trifft, zur Messung der EMK, die von der zweiten Thermosäulenreihenschaltung erzeugt wird und ein zweites Signal darstellt, das zur Menge der optischen Energie in Beziehung steht, die auf die P und U Reihen von Verbindungen auftrifft, zur Subtraktion des ersten Signals vom zweiten Signal, zur Erzeugung eines dritten Signals und zur Teilung des dritten Signals durch das zweite Signal.

2. Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl A, H, E und L einander gleich sind, daß die Anzahl C und J einander gleich sind, daß die Anzahl D und I einander gleich sind und daß die Anzahl B, G. F und K einander gleich sind.

3. Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl M, T, Q und X einander gleich sind, daß die Anzahl O und V einander gleich sind, daß die Anzahl P und U einander gleich sind, und daß die Anzahl N, S. R und W einander gleich sind.

4. Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelementverbindungen durch Abscheiden und Zusammenschalten von Dünnfilmen ungleicher Metalle auf dem Substrat gebildet sind.