DE102005002106B3

DE102005002106B3 - Vorrichtung zur Analyse der qualitativen Zusammensetzung von Gasen

Info

Publication number: DE102005002106B3
Application number: DE102005002106A
Authority: DE
Inventors: Hans Matthiessen; Gerd Dr. Peter; Axel Dr. Lamprecht
Original assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Current assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Priority date: 2005-01-14
Filing date: 2005-01-14
Publication date: 2006-04-13
Anticipated expiration: 2025-01-15
Also published as: FR2880949B1; FR2880949A1; US20060158648A1; US7339669B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Analyse der qualitativen, gegebenenfalls auch quantitativen Zusammensetzung von Gasen, bei der das zu analysierende Gas von Messlicht bekannter spektraler Zusammensetzung durchstrahlt und zur Wechselwirkung gebracht werden kann und bei der eine Detektoranordnung vorhanden ist, die von Orten der Wechselwirkung zwischen dem Messlicht und dem zu analysierenden Gas ausgehendes Licht detektieren kann, wobei sich im Strahlengang zwischen dem Bereich, in dem die Wechselwirkung zwischen dem zu analysierenden Gas und dem Messlicht erfolgt, und der Detektoranordnung mindestens ein refraktiv-diffraktives optisches Element angeordnet ist, welches vollflächig transparent ist und transmittierend zu einer wellenlängenabhängigen Abbildung des zu detektierenden Lichts auf die Detektoranordnung beiträgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Analyse der qualitativen Zusammensetzung von Gasen mit spektroskopischen Mitteln.
Zur Gasanalyse können eine Vielzahl von unterschiedlichen Verfahren herangezogen werden. Es haben sich unter anderem infrarotoptische Sensoren etabliert, die relativ geringe Querempfindlichkeiten besitzen und sich durch hohe Zuverlässigkeit auszeichnen. Deshalb wird dieser Sensortyp sowohl in der Medizintechnik, beispielsweise für die Analyse von Anästhesiegasen, CO₂ oder Distickstoffmonoxid, als auch in der Sicherheitstechnik für die Detektion von Kohlenwasserstoffen, Kohlendioxid usw. eingesetzt.
Infrarotoptische Sensoren basieren auf der Auswertung spektraler Veränderungen, die durch Wechselwirkungen zu analysierender Gase mit einem Messlicht hervorgerufen werden. Dabei kann sich das Spektrum des Messlichts durch Absorptionsprozesse verändern oder nach erfolgter Wechselwirkung spontane Emission auftreten. In den meisten Anwendungsfällen steht die Anforderung, aus einem relativ breitbandigem Spektrum im infraroten Bereich Veränderungen in deutlich schmaleren Wellenlängenintervallen nachzuweisen und/oder auszuwerten. In diesen Fällen ist eine spektrale Selektion erforderlich.

Aus der DE 196 47 632 C1 und der DE 44 34 814 A1 gehen Infrarot-Gasanalysatoren mit reflektiven und mit reflektiv-diffraktiven optischen Elementen hervor. Eine weitere bekannte infrarotoptische Gasmessvorrichtung gemäß DE 103 15 864 A1 weist mindestens zwei als Thermosäulen ausgebildete Detektoren sowie mehrere fokussierende Linsen im Strahlengang einer infrarotoptischen Strahlungsquelle auf.

Bei den infrarotoptischen Sensoren unterscheidet man zwischen dispergierenden und nicht-dispergierenden Systemen. Dispergierende Systeme enthalten oftmals klassische Gitterstrukturen und haben den Vorteil, eine größere spektrale Informationsmenge durch eine wellenlängenabhängige Aufspaltung zu nutzen, auf der anderen Seite sind Geräte mit derartigen Anordnungen meist sehr teuer, relativ groß und umständlich in der Handhabung.

Nichtdispergierende Systeme sind zwar meist robuster und kompakter, durch die Verwendung verhältnismäßig teurer Interferenzfilter kann jedoch häufig ein gewisses Kostenlimit nicht unterschritten werden, gerade wenn eine größere Detektoranzahl (>2) eingesetzt wird.

Bei beiden Verfahren werden zudem häufig zusätzliche Linsensysteme zur Fokussierung eingesetzt, die solche Sensoren teurer und weniger kompakt machen.

Auf eine Fokussierung kann jedoch häufig nicht verzichtet werden. Um zusätzliche Fokussierelemente entbehrlich zu machen, sind Ansätze bekannt, dispergierende Elemente makroskopisch so auszugestalten, dass sie fokussierende bzw. abbildende Eigenschaften aufweisen. Als Beispiel können hierfür sphärische Konkavstrukturen genannt werden, deren Oberfläche periodisch mikrostrukturiert wird. Dadurch erhält man ein optisches Element, das die abbildenden Eigenschaften eines Hohlspiegels mit der dispergierenden Wirkung eines Reflexionsgitters verbindet. Solche Elemente sind jedoch materialintensiv, schwer und teuer in der Herstellung. Außerdem ist mit dem Einsatz solcher reflektiv betriebener Elemente häufig ein deutlich verlängerter Strahlengang bis zu Ort der Detektion verbunden, wodurch die Wahrscheinlichkeit steigt, dass das auszuwertende Signal durch analytfremde Einflüsse verfälscht wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur vorzugsweise infrarotoptischen Gasanalyse anzugeben, die preiswert herstellbar ist, eine hohe Empfindlichkeit und eine kompakte und leichte Bauform aufweist und sich durch eine hohe Sicherheit gegenüber Verfälschungen des Messsignals auszeichnet.

Gelöst wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1. Die Ansprüche 2 bis 12 geben vorteilhafte Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung an.

Die Erfindung geht davon aus, dass es möglich ist, zumindest für eine qualitative Analyse von Gasen ein refraktiv-diffraktives optisches Element (RDOE) zu verwenden, welches transmittierend verwendet wird und eine abbildende Wirkung erzielt, ohne makroskopisch wie eine klassische Linse geformt zu sein.

Die Erfindung besteht aus einer Vorrichtung zur Analyse zumindest der qualitativen Zusammensetzung von Gasen, bei der das zu analysierende Gas von Messlicht bekannter spektraler Zusammensetzung durchstrahlt und zur Wechselwirkung gebracht werden kann, und bei der eine Detektoranordnung vorhanden ist, die von Orten der Wechselwirkung zwischen dem Messlicht und dem zu analysierenden Gas ausgehendes Licht detektieren kann, wobei sich im Strahlengang zwischen dem Bereich, in dem die Wechselwirkung zwischen dem zu analysierenden Gas und dem Messlicht erfolgt, und der Detektoranordnung mindestens ein refraktiv-diffraktives optisches Element angeordnet ist, welches vollflächig transparent ist und transmittierend zu einer wellenlängenabhängigen Abbildung des zu detektierenden Lichts auf die Detektoranordnung beiträgt.

Ein RDOE im Sinne der Erfindung ist ein im Wesentlichen aus einem transparenten Material bestehender, vorzugsweise planarer Körper, der zumindest auf einer Seite eine strukturierte Oberfläche aufweist. Die Strukturierung ist so vorgenommen, dass sich über die strukturierte Fläche verteilt Dickensprünge des transparenten Materials ergeben, die ähnlich einem Phasengitter für eine dispergierende Wirkung sorgen. Zusätzlich ist die Oberfläche zumindest in einzelnen Bereichen in einer Weise mikrostrukturiert, die für eine abbildende Wirkung der einzelnen Flächenbereiche oder der Gesamtstruktur sorgt. Diese Mikrostrukturierung kann eine Krümmung der einzelnen Flächenbereiche und/oder eine Ausformung mikroskopisch kleiner optisch wirksamer Substrukturen in der Größenordnung der verwendeten Wellenlängen, beispielsweise Prismen, beinhalten.

Auf jeden Fall ist von Vorteil, dass das optische Element sowohl dispergierend als auch fokussierend wirkt, makroskopisch keine nennenswerten Dickenunterschiede aufweisen muss und in Transmission arbeitet. Dadurch können eine kompakte Bauform sowie kurze Abstände zwischen dem Ort des zu analysierenden Gases, dem RDOE und der Detektoranordnung realisiert werden, was wiederum die Störanfälligkeit der Vorrichtung vermindert. Eine planare Grundform des RDOE erlaubt zudem eine flache und damit ausgesprochen leichte Ausführung.

Wird das RDOE aus einem direkt strukturierbaren Rohling gefertigt, ergibt sich eine sehr preiswerte Herstellung.

Indem die dispergierende Wirkung ausschließlich über die Dickenunterschiede des Materials des Grundkörpers erzielt wird, ist es nicht erforderlich, die Transparenz einzelner Flächenbereich zu reduzieren, wie das etwa bei Amplitudengittern der Fall ist. Somit steht der Gesamtquerschnitt des RDOE für eine Sammlung des auf die Detektoranordnung zu leitenden Lichts zur Verfügung. Das maximiert die Messempfindlichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Das RDOE besitzt dispergierenden Charakter und ist gleichzeitig in der Lage, wie eine klassische refraktive Linse einen Fokus zu erzeugen. Die Lage der Fokuspunkte ist wellenlängenabhängig. Entlang welcher Figur sich der Fokus bei einer Veränderung der Wellenlänge verschiebt, lässt sich durch die Struktur der Oberfläche des RDOE festlegen. Dadurch ist es möglich, die Abbildungsgeometrie an bevorzugte oder konstruktiv bedingte Detektoranordnungen anzupassen. So kann die erfindungsgemäße Vorrichtung vorteilhafterweise so ausgestaltet werden, dass mehrere Detektorelemente in einer Ebene oder auch dreidimensional angeordnet sind. Je nach Ausführung kann anstelle einzelner Detektorelemente Doppeldetektoren, Detektorzeilen oder 2D-Chips eingesetzt werden, wodurch eine Vielzahl von Wellenlängen gleichzeitig untersucht werden kann.

Von der weiteren Verarbeitung der von den einzelnen Detektorelementen gelieferten Signale hängt ab, ob die erfindungsgemäße Vorrichtung lediglich für eine qualitative Gasanalyse verwendet werden kann oder auch quantitative Auswertungen ermöglicht. Die Signalverarbeitung kann weitgehend an bekannte Algorithmen zur Spektralanalyse angelehnt werden, was sowohl für die Auswertung der Emission angeregter Gase als auch für eine Analyse der Absorption des zu analysierenden Gases gilt.

Mit Vorteil können mehrere refraktiv-diffraktive optische Elemente enthalten sein, die jeweils für eine Abbildung unterschiedlicher Wellenlängenbereiche geeignet sind.

Besonders leichte Bauformen lassen sich realisieren, wenn ein oder mehrere refraktiv-diffraktive optische Elemente aus einem Kunststoff bestehen. Die meisten Kunststoffe scheiden jedoch auf Grund ihrer Absorptionseigenschaften für eine Herstellung infrarotdurchlässiger optischer Elemente aus. Es hat jedoch gezeigt, dass durch geeignete Materialwahl refraktiv-diffraktives optisches Elemente aus einem Kunststoff bestehen können, der im Wellenlängenbereich von 3μm bis 12μm bei der verwendeten Dicke des RDOE, die in der Größenordnung weniger Millimeter liegt, eine Transmission von T > 50% aufweist. Das ist für erfindungsgemäße Vorrichtungen in den meisten Fällen ausreichend.

Besonders vorteilhaft ist es, erfindungsgemäße Vorrichtungen mit RDOEs aus Polyethylen auszustatten. Dieses Material erschließt gleichzeitig vorteilhafte Methoden der Oberflächenstrukturierung, die gegenüber anderen Materialien eine deutlich preiswertere Strukturierung und Herstellung der RDOEs durch entsprechende Replikationsverfahren (Heißprägeverfahren, Spritzguss etc..) in Verbindung mit geringen Kosten des Rohmaterials ermöglichen.

Weiterhin zeigen Kunststoffe eine relativ große Temperaturausdehnung. So zeigt PE eine Ausdehnung, die bei gegebener Temperaturänderung rund 14 mal so groß ist wie die von Gold. Da die Ausdehnung isotrop erfolgt, lässt sich diese Eigenschaft bei als Flächenelementen ausgeprägten RDOE's in einem gewissen Rahmen durch eine gezielte Temperaturänderung zum Abstimmen ihrer optischen Eigenschaften ausnutzen, etwa um Fertigungstoleranzen aufzufangen. Es kann daher vorteilhaft sein, wenn Mittel vorhanden sind, die es ermöglichen, die Temperatur mindestens eines refraktiv-diffraktiven optischen Elements einzustellen oder auf vorgebbaren Werten zu halten. Diese Mittel können beispielsweise beheizbare Haltestrukturen und/oder vorteilhafte Kapselungen der RDOEs umfassen.

Es kann aus konstruktiven Gründen vorteilhaft sein, wenn die Detektoranordnung zumindest einen beweglich angeordneten Detektor umfasst, der kontrolliert im Abbildungsbereich bewegt werden kann oder andere Mittel vorhanden sind, die die Realisierung einer Relativbewegung zwischen der Detektoranordnung und dem refraktiv-diffraktiven optischen Element erlauben. Die zu durchlaufende Figur wird dabei vorteilhafterweise an die Lage der wellenlängenabhängigen Fokuspunkte angepasst.

Eine alternative Umsetzung des ertindungsgemäßen Konzepts kann darin bestehen, mehrere RDOEs auf einem Träger, beispielsweise auf einem Kunststoffträger, in Form eines segmentierten Linsen-Arrays anzuordnen, das ein entsprechendes Detektorarray ausleuchtet.

An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen
1 eine schematische Darstellung eines IR-Sensors nach dem Stand der Technik,
2 eine schematische Darstellung eines IR-Sensors mit einem refraktiv-diffraktiven optischen Element.
1 Eine Lichtquelle 1 sendet Messlicht im infraroten Spektralbereich aus. Das Messlicht passiert eine Blende 2 und eine Absorptionskammer 3, bevor es auf einen Strahlteiler 4 trifft. Durch die Absorptionskammer 3 wird das zu analysierende Gas geleitet. Dadurch kommt es zu Wechselwirkungen zwischen dem zu analysierenden Gas und dem Messlicht, was zu Absorptions- und/oder Emissionseffekten führen kann. Anteile des aus der Absorptionskammer 3 austretenden Lichts werden durch den Strahlteiler 4 zu Detektoren 5, 5' gelenkt, vor denen Interferenzfilter 6, 6' angeordnet sind, die dafür sorgen, dass jeweils nur Licht des Wellenlängenbereiches, der durch den jeweiligen Detektor 5, 5' erfasst werden soll, tatsächlich ein Signal erzeugt.
2 zeigt die schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, eines IR-Sensors mit einem refraktiv-diffraktiven optischen Element (RDOE). Diese weist ebenfalls eine Anordnung aus Lichtquelle 1, Blende 2 und Absorptionskammer 3 auf. Das aus der Absorptionskammer 3 austretende Licht wird jedoch nicht auf einen Strahlteiler, sondern durch ein transparentes refraktiv-diffraktives optisches Element 7 aus Polyethylen geleitet. Das führt zu einer wellenlängenabhängigen Abbildung auf Detektoren 5, 5', die in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse angeordnet sind. Es ist nicht erforderlich, die Detektoren mit Filtern zu versehen, da die Wellenlängenabhängigkeit der Abbildung bereits für eine „geometrische Filterung" sorgt. Ein Vorteil besteht darin, das durch den Wegfall eines Strahlteilers stets die gesamte bei einer interessierenden Wellenlänge verfügbare Energie in einem dieser Wellenlänge zuzuordnenden Fokuspunkt versammelt wird und für die Detektion zu Verfügung steht.
Durch den dispergierenden Charakter des RDOE wird aus der Absorptionskammer 3 austretendes Licht wellenlängenabhängig aufgespalten und durch die zusätzlich fokussierenden Eigenschaften auf die Detektorelemente 5, 5' fokussiert.

Claims

Vorrichtung zur Analyse der qualitativen Zusammensetzung von Gasen, bei der das zu analysierende Gas von Messlicht bekannter spektraler Zusammensetzung durchstrahlt und zur Wechselwirkung gebracht werden kann, und bei der eine Detektoranordnung vorhanden ist, die von Orten der Wechselwirkung zwischen dem Messlicht und dem zu analysierenden Gas ausgehendes Licht detektieren kann, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang zwischen dem Bereich, in dem die Wechselwirkung zwischen dem zu analysierenden Gas und dem Messlicht erfolgt, und der Detektoranordnung mindestens ein refraktiv-diffraktives optisches Element angeordnet ist, welches vollflächig transparent ist und transmittierend zu einer wellenlängenabhängigen Abbildung des zu detektierenden Lichts auf die Detektoranordnung beiträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorhanden sind, die eine quantitative Auswertung der detektierten Signale ermöglichen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel für eine Auswertung spontaner Emission vorhanden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel für eine Auswertung der Absorption des zu analysierenden Gases vorhanden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Detektorelemente in einer Ebene angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Detektorelemente dreidimensional angeordnet sind.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere refraktiv-diffraktive optische Elemente enthalten sind, die jeweils für eine Abbildung unterschiedlicher Wellenlängenbereiche geeignet sind.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein refraktiv-diffraktives optisches Element aus einem Kunststoff besteht.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein refraktiv-diffraktives optisches Element aus einem Kunststoff besteht, der im Wellenlängenbereich von 3μm bis 12μm bei der verwendeten Dicke des RDOE eine Transmission von T > 50% aufweist.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein refraktiv-diffraktives optisches Element aus Polyethylen besteht.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoranordnung mindestens einen beweglich angeordneten Detektor umfasst, der kontrolliert im Abbildungsbereich bewegt werden kann oder andere Mittel vorhanden sind, die die Realisierung einer Relativbewegung zwischen der Detektoranordnung und dem refraktiv-diffraktiven optischen Element erlauben.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorhanden sind, die es ermöglichen, die Temperatur mindestens eines refraktiv-diffraktiven optischen Elements einzustellen oder auf vorgebbaren Werten zu halten.