EP0846261A1 - Abstimmung und eichung einer photothermischen gasdetektionsvorrichtung - Google Patents

Abstimmung und eichung einer photothermischen gasdetektionsvorrichtung

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EP0846261A1
EP0846261A1 EP97925808A EP97925808A EP0846261A1 EP 0846261 A1 EP0846261 A1 EP 0846261A1 EP 97925808 A EP97925808 A EP 97925808A EP 97925808 A EP97925808 A EP 97925808A EP 0846261 A1 EP0846261 A1 EP 0846261A1
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photothermal
speed
measurement
resonator
heat source
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Oscar Oehler
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    • G01N2291/02881—Temperature

Definitions

  • the invention lies in the fields of gas sensors, ultrasound technology, photothermal spectroscopy and paramagnetic gas detection. It relates to a method and a device for calibrating and monitoring the tuning of a gas sensor based on an ultrasonic resonator.
  • gases can be selectively detected using an ultrasound resonator.
  • the changes in the speed of sound, which occur during the absorption of IR radiation by the gas in the resonator cavity, respectively. occur in the inhomogeneous magnetic field are small. They are in the range of mm / sec. Such Small deviations can be measured very reliably and exactly at the resonance operating point via the phase difference between the excitation signal at the ultrasound transmitter and the signal at the opposite receiver, since the phase steepness is greatest at the resonance maximum. As such, the resonator detuning can also be detected on the basis of an amplitude change in a resonance flank. However, it has been shown that the phase measurement results in a higher measuring accuracy for changes in sound speed.
  • This operating point can be checked by changing the frequency.
  • this tuning method can create problems - in particular if the tuning range is large (for example with a 300 kHz resonator exceeds 5 kHz) - because the ultrasonic transducers themselves have resonator properties.
  • Another control method is that the resonance is mechanically maintained by regulating the distance between the ultrasound transducers, for example by means of a piezo actuator.
  • the high price for the piezo actuator should be considered.
  • the long re-tuning time plays an important role.
  • the resonator cavity always has the highest sensitivity to sound velocity at the resonance operating point if the latter is determined on the basis of a phase measurement.
  • Sound transmission from the transducers to the gas column in the resonator is consistently low due to the poor acoustic adaptability and, moreover, direct transmission of structure-borne noise from the transmitter to the receiver cannot be completely prevented. It is therefore quite possible that the measured resonance maximum does not correspond to that of the pure gas column, but is overlaid or even dominated by the resonances of the transducers. The maximum amplitude is therefore not necessarily a reliable measure of optimal sensitivity to sound velocity. It is an object of the invention to demonstrate a method and to provide a device which allows constant optimization and monitoring of the resonator tuning in relation to the speed of sound sensitivity of the ultrasound resonator and additionally allows constant calibration of the device.
  • the method for checking and calibrating the speed of sound sensitivity of the ultrasonic resonator consists in that a modulatable heat source is attached in the resonator cavity.
  • a modulatable heat source is attached in the resonator cavity.
  • the same can consist of an electro-thermal element, for example a heating wire, or an opto-thermal element, for example a light guide with an end absorber.
  • 1 shows an example of a photothermal device with a modulatable heat source in the form of a heated wire coil.
  • 2 shows a possible embodiment of a paramagnetic oxygen measuring device in front and side view with an ultrasonic resonator and a modulatable heat source in the form of a light guide with end absorber.
  • Fig. 3 shows the course of the photothermal signal as a function of the ultrasound frequency without and taking thermal calibration into account.
  • Fig. 4 shows the course of the photothermal signal as a function of
  • FIG. 1 shows an example of a photothermal device which is based on an ultrasonic resonator.
  • the latter consists of two ultrasonic transducers arranged opposite one another in a tube 12, one of which is operated as a transmitter 13, the other as a receiver 14.
  • the use of a single ultrasonic transducer 13 is also conceivable if an acoustic reflector is used at the same time to maintain a resonance.
  • the ultrasonic transmitter is operated from the high-frequency oscillator 15.
  • the high-frequency demodulator 16 which preferably compares the phase of the signal at the ultrasound transmitter 13 with that at the ultrasound receiver 14, is used to detect the resonator tuning.
  • the resonator can be tuned electrically via the ultrasound frequency by means of the controllable oscillator 15. There is also the possibility of controlling the resonance via the distance between the ultrasound transducers 13, 14 with the aid of a mechanical displacement unit, for example a piezo actuator.
  • a mechanical displacement unit for example a piezo actuator.
  • One more way is based on the thermal control of the resonator tuning with a Peltier element 18 and a thermal mass 19 or by means of a heating element 35 (as shown in FIG. 2).
  • Temperature changes or larger changes in the speed of sound can occur when the gas composition in the resonator cavity changes.
  • thermal light source 1 - in this case consisting of a radiator 2, an elliptical reflector 3 and a counter reflector 4 - reaches the cavity 11 of the ultrasonic resonator. If necessary, there is an optical filter 5 in the beam path for generating monochromatic radiation.
  • thermal radiation source a laser or an LED element is also conceivable as a light source.
  • the optical filter 5 can be dispensed with.
  • a light interrupter is usually required to generate intensity-modulated radiation.
  • the use of such an element can be avoided if the thermal radiator 2 has a low thermal inertia and a low modulation frequency is selected.
  • the light source 1 is operated by a low-frequency oscillator 6 via the power amplifier 7.
  • a modulatable heat source in the present case in the form of an electro-thermal heat source 20 - for example a wire coil - which works at a very low power (even below 1 mW) is used to measure the speed of sound sensitivity and thus to control it the vote or for sound velocity calibration of the resonator.
  • an electro-thermal heat source is also possible.
  • bar for example an electrical resistance or a semiconductor element.
  • the oscillator 6 can be used via the power amplifier 22 to control the modulatable heat source 20.
  • the electro-thermal heat source 20 can be operated at a higher frequency (for example above 5 Hz) by means of the oscillator 21, since the thermal inertia of the source 20 can be kept low because of the low power requirement of the source 20.
  • the use of different frequencies for the light source 1 and the electro-thermal heat source 20 allows the tuning / calibration measurement and the photothermal measurement in one
  • Double modulation methods can be carried out simultaneously.
  • the periodic detuning of the resonator which occurs in the resonator 11 as a result of the temperature dependence of the speed of sound due to light absorption, provides information about the gas concentration in the cavity of the resonator and thus represents the sought-after photothermal signal.
  • Low frequency demodulation is used to detect the same 8, which takes over the rectified signal of the high-frequency demodulator 16, the signal of the low-frequency oscillator 6 being used as a reference.
  • the Demodulation of the photothermal signal resp. of the calibration signal can be carried out alternately with the same low-frequency demodulator 8.
  • the low-frequency demodulator 8 either a frequency change is required in the low-frequency demodulator 8, or it is necessary, in particular if the two sources 1, 20 are used simultaneously at different frequencies the low-frequency oscillators 6, respectively. 21 be ⁇ operated, in addition to the low-frequency demodulator 8, another low-frequency demodulator 23 in the circuit of the luch source 20 is required.
  • the evaluation of photothermal signals takes place in the evaluation unit 9, the signal from the calibration source preferably being used for calibration.
  • the evaluation unit contains a division element and a buffer, which supplies the latter with the calibrated gas concentration information of an external utilization unit (for example a gas concentration controller, an alarm system or display unit).
  • an external utilization unit for example a gas concentration controller, an alarm system or display unit.
  • the calibration source 20 can also be used to check the tuning with regard to a favorable speed of sound sensitivity of the ultrasound resonator 11. For example, after a major change in temperature or gas concentration, it is advisable to track the operating point of the resonator or even to determine it anew. This process is preferably carried out by optimizing the speed of sound sensitivity on the basis of the signal from the calibration source 20. In this case (in contrast to the optimization of the amplitude at the ultrasound receiver 14) it is ensured that the resonator has a high sensitivity to the speed of sound. That in the low-frequency demodulator 23, respectively. 8 resulting control signal can as already mentioned, for example the controllable oscillator 15, a piezo actuator, or a Peltier element 18, which in turn is connected to a thermal mass 19, or a heating element (as denoted by 35 in FIG. 2).
  • FIG. 2 shows an example of a gas sensor based on the paramagnctism of gases in front and side view.
  • Paramagnetic gases such as oxygen
  • the modulatable magnetic field is by means of an electromagnet 31 consisting of the coil 32, the
  • Power amplifier (7) controls the coil 32 of the electromagnetic 31 instead of the IR source.
  • FIG. 2 shows an optothermal element 25 for the thermal monitoring and calibration of the speed of sound sensitivity of the device.
  • This Element consists of a light guide 26, at one end of which there is a light source, for example a laser diode or an LED element 27.
  • An optical absorber 28 for example a blackened end surface, is attached to the other end of the light guide.
  • the opto-thermal element 25 can of course also be used in the photothermal gas detection device (according to FIG. 1).
  • This calibration device is particularly preferred when there is an explosive or aggressive gas in the resonator cavity 11, which gas must not be exposed to an electro-thermal element (20).
  • the control of the resonator can in turn be carried out with the aid of a controllable oscillator, a piezo actuator, or thermally, for example with a Peltier element or, as shown in FIG. 2, a heating element 35.
  • the magneto-sonar signal is evaluated in analogy to the photothermal signal with the aid of a low-frequency derodulator, where appropriate the signal from the electro-thermal calibration source 20 or. of the electro-optical element 25, 26, 27, 28 can be used for calibration.
  • 3 shows the photothermal signal as a function of the ultrasound frequency, taking thermal calibration into account.
  • the curve of FIG. 3a shows the frequency profile of the ultrasound amplitude at the ultrasound receiver 14 (in x ⁇ .25 in V) when the transmitter 13 is operated at a constant amplitude of 22 V. Since the ultrasonic frequency in the area of the resonance extends over a range of 5 kHz, the resonance character of the amplitude response is at the receiver 14 very pronounced.
  • the working point changes with gas temperature changes and changes in the gas composition at least for a short time. It is therefore advantageous to constantly control the speed of sound sensitivity of the ultrasonic resonator, respectively. to carry out a calibration.
  • a calibration measurement was carried out using a modulatable heat source 20 in the cavity of the resonator in the form of a wire coil
  • FIG. 3c shows the course of the photothermal signal when the values from FIG. 3b have been divided by the calibration values. The signal is largely independent of the operating point of the resonator. Further improvements in the results can be expected when optimizing the electro-thermal element 20 and the resonator cavity 11.
  • FIG. 4b shows the course of the photothermal signal when the values of FIG. 4a have been divided by the corresponding calibration measurements determined at a power of 0.33 mW.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur ständigen Eichung und Überwachung einer photothermischen oder auf dem Paramagnetismus von Gasen beruhenden Gasdetektionsvorrichtung. Die Gasdetektion beruht auf der Messung der periodischen Verstimmung eines Ultraschallresonators (11). Diese Verstimmung kommt durch Absorption der periodischen Einstrahlung einer Lichtquelle (1) oder durch Einwirkung eines Magnetfeldes im Messgas des Ultraschallresonators (11) zustande. Die Eichung und Überwachung der Vorrichtung wird thermisch vorgenommen, entweder durch ein periodisch beheiztes, im Resonatorhohlraum (11) angebrachtes, elektro-thermisches Element (20) in Form eines elektrischen Leiters oder Halbleiters, oder durch ein periodisch betriebenes opto-thermisches Element, vorzugsweise einem Lichtleiter mit einem Endabsorber.

Description

Abstimmung und Eichung einer photothermischen Gesdetektionsvorrichtung
Die Erfindung liegt auf den Gebieten der Gassensorik, der Ultraschalltech¬ nik, der photothermischen Spektroskopie und paramagnetischen Gasdetek- tion. Sie betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Eichung und Ue- berwachung der Abstimmung eines auf einem Ultraschallresonator beruhen- den Gassensors.
Es sind Verfahren zur Detektion von Gasen bekannt, welche auf der peri¬ odischen Verstimmung eines Ultraschallresonators beruhen. Die Verstim¬ mung wird durch eine Aenderung der Schallgeschwindigkeit bewirkt. Diesel- be wird ihrerseits entweder durch periodische Anregung des Gases mit in¬ fraroter Strahlung (IR) (EP-Patent Nr. 0 362 307) via die Temperaturabhän¬ gigkeit der Schallgeschwindigkeit (photothermischer Effekt), oder durch Aenderung der Gasdichte und gegebenenfalls die Ausrichtung der Moleküle in einem inhomogenen Magnetfeld (EP-Patent Nr. 0 456 787) (im folgenden als magneto-sonarer Effekt bezeichnet) hervorgerufen.
Da die meisten Gase selektiv IR-Strahlung absorbieren und Sauerstoff dank seiner paramagnetischen Eigenschaft im inhomogen Magnetfeld eine Anzie¬ hung und damit eine Aufkonzentration erfährt, lassen sich mittels eines Ultraschallresonators Gase selektiv detektieren.
Die Schallgeschwindigkeitsänderungen, welche bei der Absorption von IR- Strahlung durch das Gas im Resonatorhohlraum, resp. im inhomogenen Ma¬ gnetfeld auftreten, sind gering. Sie liegen im Bereich von mm/sec. Solche kleinen Abweichungen können im Resonanz-Arbeitspunkt sehr zuverlässig und genau über die Phasendifferenz zwischen dem Anregungssignal am Ul¬ traschallsender und dem Signal am gegenüberliegenden Empfanger gemes¬ sen werden, da die Phasensteilheit im Resonanzmaximum am grossten ist. An sich lasst sich die Resonatorverstimmung auch aufgrund einer Amplitu- denanderung in einer Resonanzflanke erfassen. Es hat sich allerdings ge¬ zeigt, dass die Phasenmessung eine höhere Messgenauigkeit für Schallge¬ schwindigkeitanderungen ergibt.
Bei Aenderungen der Temperatur oder der Gaszusammensetzung im Reso¬ natorhohlraum können grosse Schallgeschwindigkeits-Variationen bis zu 10 m/sec auftreten. Damit sind grosse Verschiebungen des Arbeitspunktes des Resonators verbunden. Da der Phasengang eines bei typischerweise 300 kHz betriebenen Resonators in der Umgebung des Resonanzmaximums zwar über einen Bereich von ca. 2 kHz weitgehend konstant ist (was bei der vor¬ liegenden Resonatorgeometrie etwa einer Schallgeschwindigkeitsanderung von 0.5 m/sec entspricht), ausserhalb dieses Bereiches aber betrachtliche Abweichungen erfahrt, hangt auch die Schallgeschwindigkeits-Empfindlich¬ keit vom Arbeitspunkt des Resonators ab.
Es muss daher nach Methoden gesucht werden, entweder durch ein Kon¬ trollverfahren den Resonanzarbeitspunkt des Resonators stets aufrecht zu erhalten, stets eine Nacheichung vorzunehmen, oder beide Methoden mit¬ einander zu kombinieren.
Die Kontrolle dieses Arbeitspunktes kann durch Veränderung der Frequenz vorgenommen werden. Es ist allerdings festzuhalten, dass dieses Abstimm¬ verfahren Probleme schaffen kann - insbesondere wenn der Abstimmbereich gross ist (beispielsweise bei einem 300 kHz-Resonator 5 kHz übersteigt) - da die Ultraschallwandler selbst Resonatoreigenschaften besitzen.
Ein weiteres Kontrollverfahren besteht darin, dass die Resonanz mecha¬ nisch aufrechterhalten wird, indem der Abstand der Ultraschallwandler beispielsweise mittels eines Piezo-Aktuators geregelt wird. Bei diesem
Verfahren ist vor allem der hohe Preis für den Piezo-Aktuator in Betracht zu ziehen.
Bei der dritten Möglichkeit der thermischen Abstimmung durch Aenderung der Temperatur des Resonatorgehauses spielt die lange Nachstimmzeit eine wesentliche Rolle.
Im vorliegenden Fall der photothermischen oder Magneto-sonaren Messung ist nicht die Optimierung der Abstimmung in bezug auf Ampl itude und Pha- se massgebend, sondern vielmehr das Auffinden jener Resonatorabstim¬ mung, welche eine gute Schallgeschwindigkeits-Empfindlichkeit aufweist.
An sich besitzt der Resonatorhohlraum, wie bereits erwähnt worden ist, im Resonanz-Arbeitspunkt stets die höchste Schallgeschwindigkeits-Empfind- lichkeit, wenn letztere anhand einer Phasenmessung ermittelt wird. Die
Schallubertragung von den Wandlern auf die Gassaule im Resonator ist wegen der schlechten akustischen Anpassbarke.it durchwegs niedrig und zudem kann eine direkte Korperschallubertragung vom Sender auf den Em¬ pfanger nicht vollständig verhindert werden. Es ist daher durchaus möglich, dass das gemessene Resonanzmaximum nicht demjenigen der reinen Gas¬ säule entspricht, sondern von den Resonanzen der Wandler überlagert oder gar dominiert wird. Das Amplitudenmaximum ist daher nicht notwendiger¬ weise ein zuverlässiges Mass für optimale Schallgeschwindigkeits- Empfindlichkeit. Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren aufzuzeigen und eine Vorrich¬ tung zu schaffen, welche eine standige Optimierung und Ueberwachung der Resonatorabstimmung in bezug auf die Schallgeschwindigkeits-Empfindlich¬ keit des Ultraschallresonators und zusatzlich eine standige Eichung der Vorrichtung erlauben.
Die Aufgabe wird mittels den im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 und 8 aufgeführten Massnahme gelost.
Zusammenfassend sei festgehalten, dass das Verfahren zur Kontrolle und zur Eichung der Schallgeschwindigkeits-Empfindlichkeit des Ultraschall¬ resonators darin besteht, dass im Resonatorhohlraum eine modulierbare Wärmequelle angebracht ist. Dieselbe kann aus einem elektro-thermischen Element, beispielsweise einem Heizdraht, oder einem opto-thermischen Element, beispielsweise einem Lichtleiter mit einem Endabsorber, beste¬ hen.
Obwohl dieses Verfahren zunächst naheliegend scheint, ist es bei näherer Betrachtung keineswegs trivial, da die Wärmequelle auch IR-Strahlung emittiert, welche den IR-absorption-bedingten Effekt konkurriert. Erst aus der Abschätzung der Grosse dieser beiden Effekte ist ersichtlich, dass die Eichmessung mit der modulierbaren Wärmequelle die photothermische Mes¬ sung nur unwesentlich beeinfiusst.
Die Erfindung soll anhand der folgenden Figuren erläutert werden:
Fig. 1 zeigt als Beispiel eine photothermische Vorrichtung mit einer modulierbaren Wärmequelle in Form einer beheizten Drahtwendel. Fig. 2 zeigt eine mögliche Ausführung einer paramagnetischen Sauer¬ stoffmessvorrichtung in Front- und Seitenansicht mit Ultraschallreso¬ nator und einer modulierbaren Wärmequelle in Form eines Lichtleiters mit Endabsorber.
Fig. 3 zeigt den Verlauf des photothermischen Signal in Funktion der Ultraschallfrequenz ohne und mit Berücksichtigung der thermischen Eichung.
Fig. 4 zeigt den Verlauf des photothermischen Signal in Funktion des
Gasflusses ohne und mit Berücksichtigung der thermischen Eichung.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel einer photothermischen Vorrichtung, welche auf einem Ultraschallresonator beruht. Letzerer besteht aus zwei einander gegenüber in einem Rohr 12 angeordnete Ultraschallwandler, von denen der eine als Sender 13, der andere als Empfänger 14 betrieben ist. Nebst dieser Anordnung ist auch die Verwendung eines einzigen Ultraschallwandlers 13 denkbar, wenn gleichzeitig ein akustischer Reflektor zur Aufrechterhaltung einer Resonanz zum Einsatz kommt. Der Ultraschallsender wird vom Hoch- frequenz-Oszillator 15 aus betrieben. Zur Erfassung der Resonatorabstim¬ mung dient der Hochfrequenz-Demodulator 16, der vorzugsweise die Phase des Signals am Ultraschallsender 13 mit demjenigen am Ultraschallempfän¬ ger 14 vergleicht.
Die Abstimmung des Resonators kann elektrisch über die Ultraschallfre¬ quenz mittels des steuerbaren Oszillators 1 5 vorgenommen werden. Es be¬ steht auch die Möglichkeit, die Resonanz über den Abstand der Ultraschall¬ wandler 13, 14 mit Hilfe einer mechanische Verschiebeeinheit, beispiels¬ weise einem Piezo-Aktuator, zu kontrollieren. Eine weitere Möglichkeit beruht auf der thermischen Kontrolle der Resonatorabstimmung mit einem Peltier-Element 18 und einer thermischen Masse 19 oder mittels eines Hei¬ zelementes 35 (wie in Fig. 2 eingezeichnet).
Die Kontrolle der Abstimmung ist, wie bereits erwähnt, angezeigt, da bei
Temperaturänderungen oder bei Aenderung der Gaszusammensetzung im Resonatorhohlraum grössere Aenderungen der Schallgeschwindigkeit auf¬ treten können.
Die Strahlung einer thermischen Lichtquelle 1 - in diesem Falle bestehend aus einem Strahler 2, einem elliptischen Reflektor 3 und einem Gegenre¬ flektor 4 - gelangt in den Hohlraum 1 1 des Ultraschallresonators. Gegebe¬ nenfalls befindet sich im Strahlengang ein optisches Filter 5 zur Erzeugung von monochromatischer Strahlung. Als Lichtquel le ist auch eine andersarti- ge thermische Strahlungsquelle, ein Laser oder ein LED-Element denkbar.
Insbesondere in diesem Fall kann auf das optische Filter 5 verzichtet wer¬ den. Zur Erzeugung von intensitätsmodulierter Strahlung ist in der Regel ein Lichtunterbrecher erforderlich. Die Verwendung eines solchen Elemen¬ tes kann allerdings umgangen werden, wenn der thermische Strahler 2 eine niedrige thermische Trägheit aufweist und eine tiefe Modulationsfrequenz gewählt wird. Die Lichtquelle 1 wird von einem Niederfrequenz-Oszillator 6 aus über den Leistungsverstärker 7 betrieben.
Eine modulierbare Wärmequelle, im vorliegenden Fall in Form einer elek- tro-thermischen Wärmequelle 20 - beispielsweise einer Drahtwendel -, die bei einer sehr kleinen Leistung (selbst unter 1 mW) arbeitet, dient zur Mes¬ sung der Schallgeschwindigkeits-Empfindlichkeit und damit zur Regelung der Abstimmung resp. zur Schallgeschwindigkeits-Eichung des Resonators. Es ist auch eine andere Form einer elektro-thermischen Wärmequelle denk- bar, beispielsweise ein elektrischer Widerstand oder ein Halbleiterelement.
Der Oszillator 6 kann über den Leistungsverstarker 22 zur Ansteuerung der modulierbaren Wärmequelle 20 verwendet werden. Es ist aber auch denk- bar, die Lichtquelle 1 und die modulierbare Wärmequelle 20 über verschie¬ dene Oszillatoren 6, 21 bei verschiedenen Frequenzen zu betreiben. So ist es zum Beispiel sinnvoll, einerseits die Lichtquelle 1 zur Gewährleistung einer hohen Modulationstiefe bei sehr einer niedrigen Frequenz (beispiels¬ weise unter 1 Hz) anzusteuern. Andererseits kann die elektro-thermische Wärmequelle 20 mittels des Oszillators 21 bei einer höheren Frequenz (bei¬ spielsweise über 5 Hz) betrieben werden, denn wegen des niedrigen Lei¬ stungsbedarfs der Quelle 20 kann die thermische Trägheit derselben niedrig gehalten werden. Die Verwendung verschiedener Frequenzen für die Licht¬ quelle 1 und die elektro-thermische Wärmequelle 20 erlaubt es, dass die Abstimmungs-/Eichmessung und die photothermische Messung in einem
Doppelmodulationsverfahren gleichzeitig vorgenommen werden können.
Die periodische Resonatorverstimmung, welche über die Temperaturabhan- gigkeit der Schallgeschwindigkeit lichtabsorptions-bedingten Temperatur¬ änderungen im Resonator 1 1 , auftritt, gibt über die Gaskonzentration im Resonatorhohlraum Auskunft, sie stellt somit das gesuchte photothermische Signal dar. Zur Erfassung desselben dient der Niederfrequenz-Demodulation 8, der das gleichgerichtete Signal des Hochfrequeπz-Demodulators 16 uber- nimmt, wobei das Signal des Niederfrequenz-Oszillators 6 als Referenz verwendet wird.
Falls derselbe Niederfrequenz-Oszillator 6 zur Ansteuerung der Lichtquelle 1 und der elektro-thermischen Wärmequelle 20 eingesetzt ist, kann die Demodulation des photothermischen Signals resp. des Eichsignals mit dem¬ selben Niederfrequenz-Demodulator 8 alternierend vorgenommen werden. Bei Verwendung verschiedener Frequenzen für die Ansteuerung der Licht¬ quelle 1 und der elektro-thermischen Wärmequelle 20 ist entweder beim Niederfrequenz-Demodulator 8 eine Frequenzumstellung erforderlich, oder es sind, insbesondere wenn die beiden Quellen 1 , 20 simultan bei verschie¬ dener Frequenz mit Hilfe der Niederfrequenz-Oszillatoren 6, resp. 21 be¬ trieben werden, nebst dem Niederfrequenz-Demodulator 8 ein weiterer Niederfrequenz-Demodulator 23 im Schaltkreis der luchquelle 20 erforder- lieh.
Die Auswertung photothermischen Signals erfolgt in der Auswerteeinheit 9, wobei vorzugsweise das Signal der Eichquelle zur Kalibrierung herangezo¬ gen wird. In diesem Fall enthalt die Auswerteeinheit ein Divisionsglied und einen Buffer, welcher letzterer die kalibrierte Gaskonzentrationsinforma¬ tion einer externen Verwertungseinheit (beispielsweise einem Gaskonzen¬ trationsregler, einem Alarmsystem oder Λnzeigeeinheit) liefert.
Zusätzlich zur Kalibrierung kann die Eichquelle 20 auch zur Kontrolle der Abstimmung in bezug auf eine gunstige Schallgeschwindigkeits-Empfind¬ lichkeit des Ultraschallresonators 1 1 herangezogen werden. Beispielsweise ist es angezeigt, nach einer grosseren Temperatur- oder Gaskonzentra- tions-Aenderung den Arbeitspunkt des Resonators nachzufuhren oder gar denselben neu zu ermitteln. Dieser Vorgang wird vorzugsweise durch Opti- mierung der Schallgeschwindigkeits-Empfindlichkeit aufgrund des Signales der Eichquelle 20 vorgenommen. In diesem Fall (im Gegensatz zur Optimie¬ rung der Amplitude am Ultraschallempfanger 14) ist gewährleistet, dass der Resonator hohe Schallgeschwindigkeits-Empfindl ichkeit aufweist. Das im Niederfrequenz-Demodulator 23, resp. 8 anfallende Kontrollsignal kann, wie bereits erwähnt, beispielsweise dem steuerbaren Oszillator 1 5, einem Piezo-Aktuator, oder einem Peltier-Elementes 18, das seinerseits mit einer thermischen Masse 19 verbunden ist, oder einem Heizelement, (wie in Fig. 2 mit 35 bezeichet) zugeführt werden.
Fig. 2 zeigt ein Beispiel einer auf dem Paramagnctismus von Gasen beru¬ henden Gassensor in Front- und Seitenansicht. Paramagnetische Gase, wie Sauerstoff, werden von einem inhomogenen Magnetfeld angezogen. Dadurch kommt eine lokale Erhöhung der Gasdichte und zusatzl ich eine Ausrichtung der paramagnetischen Moleküle zustande. Es existieren mehrere Konstruk¬ tionen von selektiven Gassensoren, welche diese Eigenschaft ausnützen. Im vorliegenden Fall ist ein insbesondere inhomogenes Magnetfeld in einem Ultraschallresonoar-Hohlraum 1 1 etabliert. Das modulierbare Magnetfeld wird mittels eines Elektromagneten 31 , bestehend aus der Spule 32, dem
Joch 33 und den Polschuhen 34 erzeugt.
In bezug auf den Ultraschallresonator-Hohlraum 1 1 , dessen Elemente 12, 13, 14, und dessen Ansteuerung 15, 16 sei auf die Beschreibung zu Fig. 1 verwiesen. Mit Hilfe eines Niederfrequenz-Osz illators (6) wird über einen
Leistungsverstärker (7) statt der IR-Quelle die Spule 32 des Elektromagne¬ ten 31 angesteuert.
Zur Kontrolle der Schallgeschwindigkeits-Empfindlichkeit des Resonators, resp. zur Eichung des magneto-sonaren Signals kann in Analogie zur Dar¬ stellung von Fig. 1 ein elektro-thermisches Element 20 in Form einer be¬ heizten Wendel verwendet werden. In Fig. 2 wird als Alternative ein opto- thermisches Element 25 zur thermischen Ueberwachung und Eichung der Schallgeschwindigkeits-Empfindlichkeit der Vorrichtung vorgestellt. Dieses Element besteht aus einem Lichtleiter 26, an dessen einen Ende sich eine Lichtquelle, beispielsweise eine Laserdiode oder ein LED-Element 27 befin¬ det. Am anderen Ende des Lichtleiters ist ein optischer Absorber 28, bei¬ spielsweise eine geschwärzte Endfläche, angebracht. Das opto-thermische Element 25 kann natürlich auch bei der photothermischen Gasdetektions- vorrichtung (nach Fig. 1 ) eingesetzt werden. Bevorzugt wird diese Eichvor¬ richtung insbesondere dann, wenn sich im Resonatorhohlraum 1 1 ein explo¬ sives oder aggressives Gas befindet, das nicht einem elektro-thermischen Element (20) ausgesetzt werden darf.
Die Kontrolle des Resonators kann wiederum mit Hilfe eines steuerbaren Oszillators, einem Piezo-Aktuator, oder thermisch beispielsweise mit ei¬ nem Peltier-Element oder, wie in Fig. 2 eingezeichnet, einem Heizelement 35 vorgenommen werden.
Die Auswertung des magneto-sonaren Signals geschieht in Analogie zum photothermischen Signal mit Hilfe eines Niederfrequenz-Derπodulators, wo¬ bei gegebenenfalls das Signal der elektro-thermischen Eichquelle 20, resp. des elektro-optischen Elementes 25, 26, 27, 28 zur Kalibrierung herange- zogen werden kann.
Fig. 3 zeigt das photothermische Signal in Funktion der Ultraschallfrequenz unter Berücksichtigung der thermischen Eichung.
In der Kurve von Fig. 3a ist der Frequenzverlauf der Ultraschallamplitude am Ultraschallempfänger 14 (in xθ.25 in V) dargest ellt, wenn der Sender 13 bei einer konstanten Amplitude von 22 V betrieben wird. Da sich die Ul¬ traschallfrequenz im Gebiet der Resonanz über einen Bereich von 5 kHz erstreckt, ist der Resonanzcharakter des Amplitudenganges am Empfänger 14 sehr ausgeprägt.
In Fig. 3b ist das photothermische Signal ( x20 in mK) dargestellt, das bei IR-Bestrahlung der 500 ppm C02 enthaltenden Luft im Resonatorhohlraum 1 1 erhalten wurde. Es ist offensichtlich, dass das Signal einen ahnlichen
Verlauf zeigt, wie der Amplitudengang am Empfanger 14. Dieses Resultat ist nicht erstaunlich, denn ausserhalb des Resonanzmaximums ändert sich die Steilheit der Phase wesentlich. Da die Schallgeschwindigkeits-Bestim¬ mung auf der Messung einer Phasenanderung beruht, ist auch das photo- thermische Signal vom Frequenz-Arbeitspunkt abhangig. Bei praktischen
Anwendungen ist es durchaus möglich, dass der Arbeitspunkt bei Gastem- peraturanderungen und Aenderungen der Gaszusammensetzung sich wenig¬ stens kurzzeitig andern. Es ist daher vorteilhaft, die Schallgeschwindig¬ keits-Empfindlichkeit des Ultraschallresonators ständig zu kontroll ieren, resp. eine Eichung vorzunehmen.
Zu diesem Zweck wurde, wie in Fig. 1 dargestellt und im betreffenden Be¬ gleittext beschrieben, zusätzlich zur photothermischen Messung eine Eich¬ messung mit Hilfe einer im Resonatorhohlraum vorhandenen modulierbaren Wärmequelle 20 in Form einer Drahtwendel vorgenommen, die bei einer
Leistung von 0.33 mW betrieben wurde. An sich kann auch eine opto-ther- mischen Wärmequelle 25, 26, 27, 28 verwendet werden, wie sie im Text zu Fig. 2 beschrieben worden ist.
Die Eichung wurde alternierend mit der photothermischen Messung vorge¬ nommen. Wie bereits erwähnt, kann die Eichung auch gleichzeitig mit der photothermischen Messung durchgeführt werden, falls die beiden Messungen bei verschiedenen Frequenzen stattfinden. In Fig. 3c ist der Verlauf des photothermischen Signals dargestellt, wenn die Werte von Fig. 3b durch die Eichwerte, dividiert wurden. Das Signal ist weitgehend vom Arbeitspunkt des Resonators unabhängig. Weitere Verbes¬ serungen der Resultate sind bei Optimierung des elektro-thermischen Ele- mentes 20 und des Resonatorhohlraumes 1 1 zu erwarten. Eine standige
Nachregelung der Abstimmung, also des Arbeitspunktes, ist zusatzlich vor¬ teilhaft.
Fig. 4 zeigt den Verlauf des photothermischen Signal in Funktion des Gas- flusses bei Berücksichtigung der Eichung.
Fig. 4a zeigt das ungeeichte photothermische Signal (xθ.2 in mK) in Funk¬ tion des Gasflusses durch den Resonatorhohlraum 1 1. Es ist naheliegend, dass bei Zunahme der Gasstromung durch den Resonatorhohlraum das pho- tothermische Signal abnimmt, da das durch IR-Bestrahlung erwärmte Gas verdrangt wird. Aus diesem Grunde wurde ebenfalls eine Eichung mit einer thermischen Quelle vorgenommen.
Fig. 4b zeigt den Verlauf des photothermischen Signals, wenn die Werte von Fig. 4a durch die entsprechenden, bei einer Leistung von 0.33 mW ermittel¬ ten, Eichmessungen, dividiert wurden. Obwohl die thermische Quelle noch nicht optimiert ist, zeigte sich ein weitgehend von der Stromungsge¬ schwindigkeit unabhängiger Verlauf des photothermischen Signals.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Verfahren zur Messung der Schallgeschwindigkeits-Empfindlich¬ keit einer photothermischen oder paramagnetischen Gasmess¬ vorrichtung, welche auf einer Schallgeschwindigkeitsmessung über die Verstimmung eines Ultraschallresonators beruht, da- 5 durch gekennzeichnet, dass die Messung der Schallgeschwindig¬ keits-Empfindlichkeit mittels einer im Resonatorhohlraum vor¬ handenen modulierbaren Wärmequelle vorgenommen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die 10 Messung der Schallgeschwindigkeits-Empfindlichkeit mittels der modulierbaren Wärmequelle zur Eichung der photothermischen oder paramagnetischen Gasmessvorrichtung dient.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die 1 5 Messung der Schallgeschwindigkeits-Empfindlichkeit mittels der modulierbaren Wärmequelle elektrisch über die Frequenz, ther¬ misch mittels eines Heiz- oder Peltier-Elementes oder mecha¬ nisch mittels eines Aktuators zur Kontrolle der Abstimmung der photothermischen oder paramagnetischen Gasmessvorrichtung 20 dient.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die modulierbare Wärmequelle elektro-thcrmi- scher Art ist. 25 Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die modulierbare Wärmequelle opto-therrnischer Art ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die Messung der Schallgeschwindigkeits-Empfind¬ lichkeit mittels der modulierbaren Wärmequelle alternierend mit der photothermischen oder magneto-sonaren Messung vorge¬ nommen wird.
10
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die Messung der Schallgeschwindigkeits-Empfind¬ lichkeit mittels der modulierbaren Wärmequel le simultan mit der photothermischen oder magneto-sonaren Messung vorgenom¬ men wird. 15
8. Vorrichtung zur Messung der Schallgeschwindigkeits-Empfind¬ lichkeit einer photothermischen oder paramagnetischen Gas¬ messvorrichtung, bestehend aus einer modulierbaren, gegebe¬ nenfalls monochromatischen Lichtquelle ( 1 ) mit einem Nieder- 20 frequenz-Oszillator (6) und einen Leistungsverstärker (7) , wel¬ che die Strahlung dem Hohlraum eines Ultraschiresonators ( 1 1 ) zuführt, resp. bestehend aus einem Elektromagneten (31 ), dessen moduliertes und gegebenenfalls inhomogenes Magnetfeld im Hohlraum des Ultraschallresonators ( 1 1 ) wirkt, wobei der durch 25 einen Hochfrequenz-Oszillator ( 15) angeregte Ultraschal lresona- tor aus mindestens einem Ultraschallwandler ( 13, 1 4) gebi ldet wird, Mitteln ( 16) zur Demodulation des Hochfrequenz-Signales, Mitteln zur Kontrolle ( 15, 18, 19, 35) der Abstimmung des Reso- nators und Mitteln (8), zur Demodulation des durch den photo¬ thermischen oder magneto-sonaren Effekt bedingte Niederfre¬ quenz-Signales, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung der Schallgeschwindigkeits-Empfindlichkeit des Resonators im Reso¬ natorhohlraum ( 11 ) eine modulierbare Wärmequelle (20, 25) an¬ geordnet ist, welche ihrerseits durch einen Niederfrequenz-Os¬ zillator (6, 21 ) mit Leistungsverstärker (22) angeregt und deren Signal im Niederfrequenz-Demodulator (8, 23) gleichgerichtet wird.
10
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die modulierbaren Wärmequelle (20, 25), die zur Messung der Schallgeschwindigkeits-Empfindlichkeit dient, mit einem Aus¬ werteelement (9) derart in Verbindung steht, dass eine Eichung des photothermischen oder magneto-sonaren Effektes vorge- 15 nommen werden kann.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die modulierbaren Wärmequelle (20, 25), die zur Messung der Schallgeschwindigkeits-Empfindlichkeit dient, über den Nieder- 20 frequenz-Demodulator (8, 23) und den steuerbaren Oszillator (15), oder das Heiz- (35), das Peltier-Element ( 18), oder den mechanischen Aktuator derart in Verbindung steht, dass sie zur Kontrolle der Abstimmung der photothermischen oder parama¬ gnetischen Gasmessvorrichtung dient. 25
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8, 9, 10, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die modulierbaren Wärmequelle (20, 25), die zur Messung der Schallgeschwindigkeits-Empfindlichkeit dient, der- art mit dem Niederfrequenz-Oszillator (6) oder einem zusätzli¬ chen Niederfrequenz-Oszillator (21 ) verbunden ist, dass alter¬ nierend mit der Messung des photothermischen oder magneto- sonaren Effektes die Eichung des photothermischen oder magne¬ to-sonaren Effektes oder Kontrolle der Abstimmung der photo- 5 thermischen oder paramagnetischen Gasmessvorrichtung vor¬ genommen werden kann.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8, 9, 10, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die modulierbaren Wärmequel le (20, 25), die zur 10 Messung der Schallgeschwindigkeits-EmpfindÜchkcit dient, der¬ art mit einem zusätzlichen Niederfrequenz-Oszillator (21 ) ver¬ bunden ist, dass simultan mit der Messung des photothermischen oder des magneto-sonaren Effektes die Eichung des photo¬ thermischen oder magneto-sonaren Effektes oder die Kontrolle 15 der Abstimmung der photothermischen oder paramagnetischen Gasmessvorrichtung vorgenommen werden kann.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass das elektro-thermisches Element (20) ein 20 beheizbarer elektrischer Leiter oder ein Halbleiter ist und über einen Leistungsverstärker (22) mit einem Oszillator (6, 21 ) in Verbindung steht.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch ge- 25 kennzeichnet, dass das elektro-thermische Element (20) ein Lichtleiter (26) mit Lichtquelle (27) und einem optischem Ab¬ sorber (28) ist und über einen Leistungsverstarker (22) mit ei¬ nem Oszillator (6, 21) in Verbindung steht.
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