DE10112579A1 - Infrarot-Gasanalysator - Google Patents
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Abstract
Um bei einem nichtdispersiven Infrarot-(NDIR)-Gasanalysator mit opto-pneumatischem Detektor eine hochselektive Gasanalyse bei sicherer und, insbesondere im Hinblick auf unterschiedliche zu bestimmende Messkomponenten, aufwandsarmer Beherrschung von Querempfindlichkeiten zu ermöglichen, erfolgt die Modulation und Vorselektivierung der Infrarot-Strahlung mittels eines akusto-optisch durchstimmbaren Filters (AOTF) (5).
Description
Die Erfindung betrifft einen Infrarot-Gasanalysator zur Be
stimmung der Konzentration mindestens einer Messkomponente in
einem Messgas, mit einer Infrarot-Strahlungsquelle zur Erzeu
gung einer breitbandigen Infrarot-Strahlung, mit einer Modu
lationseinrichtung zur Modulation der Infrarot-Strahlung, mit
einem das Messgas enthaltenden und von der modulierten Infra
rot-Strahlung durchstrahlten Messvolumen und mit einem in
Strahlungsrichtung hinter dem Messvolumen angeordneten und
die mindestens eine Messkomponente enthaltenden opto-pneuma
tischen Detektor.
Ein solcher nichtdispersiver Infrarot-(NDIR-)Gasanalysator
ist beispielsweise aus J. Staab: "Industrielle Gasanalyse",
R. Oldenbourg Verlag, 1994, ISBN 3-486-22808-0, Seite 71,
Bild 2.56 bekannt. Im Unterschied zu anderen Analysengeräten,
die mit selektiven Strahlungsquellen und nichtselektiven De
tektoren arbeiten, wie z. B. das auf Seite 76 in Bild 2.62
gezeigte photoakustische Spektrometer, sind hier die Strah
lungsquelle nichtselektiv und der Detektor hochselektiv. Es
ist gemäß Seite 56, linke Spalte, bekannt, in vielen nicht
dispersiven Analysengeräten zusätzliche Filter, z. B. Inter
ferenzfilter, vorzusehen, die aber in keinem Falle die primä
re Selektivierung übernehmen, sondern einzig und allein als
zusätzliche Elemente beispielsweise zur Abgrenzung oder Ein
schränkung von Wellenlängenbereichen (Messintervallen) die
nen. Wie auf Seite 217, linke Spalte erläutert ist, wirkt
z. B. ein opto-pneumatischer Detektor nicht anders als ein
nichtselektiver Detektor, wenn sich die spektralen Absorp
tionslinien der Messkomponente und die von Störkomponenten in
dem Messgas überlappen; dann wird beispielsweise durch Einfü
gen eines Interferenzfilters in den Strahlengang ein geeigne
tes Messintervall ausgewählt, innerhalb dessen der opto-pneu
matische Detektor selektiv misst. Wie aus der DE 44 03 763 A1
bekannt ist, können auf diese Weise auch mehrere unterschied
liche Messkomponenten in dem Messgas nachgewiesen werden, in
dem der opto-pneumatische Detektor mit den nachzuweisenden
Messkomponenten gefüllt ist und zyklisch nacheinander Filter
zur Auswahl geeigneter Messintervalle für die Messkomponenten
in den Strahlengang geschaltet werden.
Aus der US 4 622 845 A ist ein Gasanalysator bekannt, der
sich von dem oben erwähnten bekannten photo-akustischen Spek
trometer lediglich dadurch unterscheidet, dass anstelle des
selektiven Strahlers mit einem Chopperrad als Modulator ein
breitbandiger Strahler mit einem nachgeordneten akusto-op
tisch durchstimmbaren Filter (acousto-optic tunable filter
= AOTF) vorgesehen ist. Auf diese Weise wird eine modulierte
hochselektive Infrarot-Strahlung erzeugt, die nur von der je
weils nachzuweisenden Messgaskomponente absorbiert wird, wo
bei daraus resultierende Druckschwankungen durch einen nicht
selektiven Detektor, z. B. ein Mikrophon, erfasst werden. Das
das Messgas enthaltende Messvolumen und der Detektor sind in
einem Bauteil zusammengefasst, welches hier als "photo-acous
tic detektor" bezeichnet ist; dieses ist aber als nichtselek
tiver Detektor von dem selektiven opto-pneumatischen Detektor
zu unterscheiden, auch wenn letzterer im Englischen ebenfalls
oft als "photo-acoustic detektor" bezeichnet wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hochselektive
Gasanalyse bei sicherer und, insbesondere im Hinblick auf un
terschiedliche zu bestimmende Messkomponenten, aufwandsarmer
Beherrschung von Querempfindlichkeiten zu ermöglichen.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass bei
dem Infrarot-Gasanalysator der eingangs angegebenen Art die
Modulationseinrichtung aus einem akusto-optisch durchstimm
baren Filter (AOTF) besteht, das von einer Steuereinrichtung
zur Modulation der Infrarot-Strahlung angesteuert wird. Das
AOTF ersetzt dabei den bei den bisherigen nichtdispersiven
Gasanalysatoren vorhandenen mechanischen Chopper und das ggf.
zur Einstellung eines geeigneten Messintervalls dienende In
terferenzfilter. Durch die mittels des AOTFs besonders ein
fach steuerbare Vorselektivierung der Infrarot-Strahlung
lassen sich in Verbindung mit der hohen Selektivität des op
tisch-pneumatischen Detektors Querempfindlichkeiten sicher
beherrschen. Soweit bei bestimmten Applikationen bisher un
terschiedliche Filter nacheinander in den Strahlengang ge
bracht werden mussten, können deren Funktionen bei dem erfin
dungsgemäßen Gasanalysator durch entsprechende Ansteuerung
des AOTFs realisiert werden.
Im weiteren wird der erfindungsgemäße Gasanalysator anhand
eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
Der Gasanalysator weist eine Infrarot-Strahlungsquelle 1 zur
Erzeugung einer breitbandigen Infrarot-Strahlung 2 auf, die
mittels eines Parabolreflektors 3 als Strahlenbündel 4 in ein
akusto-optisch durchstimmbares Filter (AOTF) 5 eingestrahlt
wird. Dieses besteht im Wesentlichen aus einem nichtlinearen
optischen Medium 6, in das auf einer Seite mittels eines
Schallwandlers 7 fortlaufende akustische Wellen eingekoppelt
werden. Das Strahlenbündel 4 trifft unter einem geringen Nei
gungswinkel auf die Schallwellenfronten, wobei durch Wechsel
wirkung der Infrarot-Strahlung 2 mit den Schallwellen von dem
breitbandigen Strahlenbündel 4 ein schmalbandiges Strahlen
bündel 8 unter einem filtertypischen Diffraktionswinkel abge
lenkt wird. Der Schallwandler 7 wird von einer Steuereinrich
tung 9 mit einstellbarer Frequenz angesteuert, wobei durch
die Veränderungen der Schallwellen die Wellenlänge des
schmalbandigen Strahlenbündels 8 durchgestimmt werden kann.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt die Durchstim
mung der Wellenlängen im mittleren Infrarot-(MTR-)Bereich,
wozu als geeignetes optisches Medium 6 ein Thalliumarsen
selenid-(Tl3AsSe3)-Kristall verwendet wird.
Das diffraktierte schmalbandige Strahlenbündel 8 wird mittels
eines Filters 10, z. B. ein Polarisationsfilter oder eine
Blendeneinrichtung, von dem nichtdiffraktierten breitbandigen
Strahlenbündel 2 getrennt und in ein Messvolumen 11 eingelei
tet, welches ein Messgas 12 mit einer Messkomponente in zu
bestimmender Konzentration enthält. Bei dem gezeigten Ausfüh
rungsbeispiel ist das Messvolumen 11 als Messküvette ausge
bildet; für In-situ-Messungen kann es sich bei dem Messvolu
men 11 aber beispielsweise auch um eine das Messgas 12 füh
rende Leitung (Rohr oder Kamin) handeln. Nach Durchlaufen des
Messvolumens 11 fällt das Strahlenbündel 8 in einen opto-
pneumatischen Detektor 13. Dieser besteht aus zwei hinterein
anderliegenden Detektorkammern 14 und 15, die jeweils mit der
nachzuweisenden Messkomponente gefüllt sind und miteinander
über eine Leitung 16 mit einem darin angeordneten strömungs-
oder druckempfindlichen Sensor 17 verbunden sind. Aus dem von
dem Sensor 17 erzeugten Sensorsignal 18 wird in einer Auswer
teeinrichtung 19 ein die Konzentration der nachzuweisenden
Messkomponente in dem Messgas 12 angebender Messwert 20
gebildet.
Mittels der Steuereinrichtung 9 wird das AOTF 5 im Sinne
einer Modulation und Vorselektivierung der Infrarot-Strahlung
angesteuert, was unten noch näher erläutert wird. In dem
Messvolumen 11 findet je nach Art und Konzentration der in
dem Messgas 12 enthaltenen und nachzuweisenden Messkomponente
eine wellenlängenabhängige Vorabsorption der vorselektivier
ten Infrarotstrahlung 8 statt. Die in die Detektorkammern 14
und 15 fallende modulierte Infrarotstrahlung 8 bewirkt dort
Druckschwankungen, deren Höhe von der Vorabsorption der In
frarotstrahlung 8 in dem Messvolumen 11 abhängig ist. Während
in der ersten Detektorkammer 14 die Strahlung der Mitte und
der Flanken der Absorptionslinie bzw. der Absorptionslinien
der zu bestimmenden Messkomponente absorbiert wird, wird in
der dahinterliegenden Detektorkammer 15 im Wesentlichen die
Strahlung der Linienflanken absorbiert, so dass zwischen den
beiden Detektorkammern 14 und 15 Druckdifferenzen entstehen,
die von dem Sensor 17 erfasst und in das Sensorsignal 18 um
gesetzt werden. Aufgrund seiner Füllung mit der nachzuweisen
den Messkomponente arbeitet der opto-pneumatische Detektor 13
hochselektiv. Da sich jedoch die Absorptionslinien der Mess
komponente und die von Störkomponenten in dem Messgas in Tei
len des Absorptionsspektrums überlappen können, entsteht das
Problem der Störgasinterferenz oder Querempfindlichkeit. Zur
Verringerung der Querempfindlichkeit wird mittels des AOTFs 5
der Wellenlängenbereich des Strahlenbündels 8 so vorselekti
viert, dass in ihm nur die nachzuweisende Messkomponente,
nicht aber die Störkomponenten absorbieren. Der vorselekti
vierte Wellenlängenbereich kann dabei zusammenhängend sein
oder aber auch aus unterschiedlichen voneinander getrennten
Teilbereichen bestehen.
In diesem Zusammenhang können auch die Konzentrationen mehre
rer unterschiedlicher Messkomponenten in dem Messgas 12 er
mittelt werden, indem der opto-pneumatische Detektor 13 diese
Messkomponenten enthält und mittels des AOTFs 5 zyklisch
nacheinander für jede der nachzuweisenden Messkomponenten
geeignete Wellenlängenbereiche des Strahlenbündels 8 vorse
lektiviert werden. Die Steuereinrichtung 9 teilt dabei die
jeweils eingestellten Wellenlängenbereiche der Auswerteein
richtung 19 mit, die in Abhängigkeit davon die nacheinander
erzeugten Sensorsignale 18 den einzelnen Messkomponenten zu
ordnet und die zugehörigen Messwerte 20 bildet. Wie gestri
chelt angedeutet ist, können zum Nachweis der unterschiedli
chen Messkomponenten auch zwei oder mehrere opto-pneumatische
Detektoren 13 und 21 vorgesehen sein, von denen jeder eine,
ggf. auch mehrere der Messkomponenten enthält.
Die Modulation der Infrarot-Strahlung erfolgt dadurch, dass
mittels des AOTFs 5 zyklisch nacheinander zunächst der Wel
lenlängenbereich eingestellt wird, in dem die jeweils nach
zuweisende Messkomponente absorbiert wird und anschließend
ein anderer Wellenlängenbereich eingestellt wird, in dem die
Messkomponente nicht bzw. geringstmöglich absorbiert. Zur
Normierung des sich aus den Druckschwankungen in den Detek
torkammern 14 und 15 ergebenden Sensorsignals 18 kann bei
spielsweise das Messvolumen 11 mit einem nichtabsorbierenden
Gas gefüllt werden, wobei die dabei erhaltenen modulationsbe
dingten Druckschwankungen bzw. das sich daraus ergebende Sen
sorsignal als Normierungsgrundlage dienen. Es ist aber auch
möglich, die sich im Rahmen der Modulation zyklisch abwech
selnden Wellenlängenbereiche der Infrarot-Strahlung so einzu
stellen, dass sich bei mit nichtabsorbierendem Gas gefülltem
Messvolumen 11 das Sensorsignal zu Null ergibt. In beiden
Fällen werden durch nichtselektive Absorption, d. h. nicht
durch dem Messeffekt hervorgerufene Änderungen der Strah
lungsintensität, wie z. B. Emissionsschwankungen der Strah
lungsquelle 1, kompensiert. Wo für herkömmliche Gasanalysa
toren bisher eine Zweistrahl-Ausführung erforderlich war,
kann der erfindungsgemäße Gasanalysator, wie gezeigt, als
Einstrahl-Gerät ausgebildet sein. Dies schließt allerdings
nicht die Möglichkeit aus, auch den erfindungsgemäßen Gasana
lysator bei Bedarf als Zweistrahl-Gerät auszubilden.
Claims (4)
1. Infrarot-Gasanalysator zur Bestimmung der Konzentration
mindestens einer Messkomponente in einem Messgas (12) mit
einer Infrarot-Strahlungsquelle (1) zur Erzeugung einer
breitbandigen Infrarot-Strahlung (2), mit einer Modulations
einrichtung zur Modulation der Infrarot-Strahlung (2), mit
einem das Messgas (12) enthaltenden und von der modulierten
Infrarot-Strahlung (Strahlenbündel 8) durchstrahlten Mess
volumen (11) und mit einem in Strahlungsrichtung hinter dem
Messvolumen (11) angeordneten und die mindestens eine Mess
komponente enthaltenden optisch-pneumatischen Detektor (13),
dadurch gekennzeichnet, dass die Modula
toreinrichtung aus einem akusto-optisch durchstimmbaren Fil
ter (5) besteht, das von einer Steuereinrichtung (9) zur Mo
dulation der Infrarot-Strahlung (2) angesteuert wird.
2. Infrarot-Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass zur Modulation der Infrarot-
Strahlung (2) durch Ansteuerung des akusto-optisch durch
stimmbaren Filters (5) zyklisch nacheinander zwei unter
schiedliche Wellenlängenbereiche der Infrarot-Strahlung ein
stellbar sind, wobei einer der Wellenlängenbereiche in dem
Absorptionsbereich der Messkomponente liegt und der andere
Wellenlängenbereich in einem Bereich geringstmöglicher Ab
sorption durch die Messkomponente liegt.
3. Infrarot-Gasanalysator nach Anspruch 1 oder 2, da
durch gekennzeichnet, dass in dem opto-pneu
matischen Detektor (13) mindestens zwei in dem Messgas (12)
nachzuweisende Messkomponenten enthalten sind und dass durch
Ansteuerung des akusto-optisch durchstimmbaren Filters (5)
zyklisch nacheinander ausgewählte Wellenlängenbereiche der
Infrarot-Strahlung (Strahlenbündel 8) für die unterschiedli
chen nachzuweisenden Messkomponenten einstellbar sind.
4. Infrarot-Gasanalysator nach Anspruch 1 oder 2, da
durch gekennzeichnet, dass mindestens eine
weitere in dem Messgas (12) nachzuweisende Messkomponente in
mindestens einem weiteren opto-pneumatischen Detektor (21)
enthalten ist und dass durch Ansteuerung des akusto-optisch
durchstimmbaren Filters (5) zyklisch nacheinander ausgewählte
Wellenlängenbereiche der Infrarot-Strahlung (Strahlenbün
del 8) für die unterschiedlichen nachzuweisenden Messkompo
nenten einstellbar sind.
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