DE10138508A1

DE10138508A1 - Verfahren und Vorrichtung zur quantitativen Gasanalyse

Info

Publication number: DE10138508A1
Application number: DE10138508A
Authority: DE
Inventors: Frank Eder; Herbert Rosenstiel
Original assignee: Testo SE and Co KGaA
Current assignee: Testo SE and Co KGaA
Priority date: 2001-08-06
Filing date: 2001-08-06
Publication date: 2003-03-06
Also published as: WO2003014712A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur quantitativen Gasanalyse. Dabei ist eine Umschaltvorrichtung vorgesehen, mittels der alternierend die Stromrichtung des der Strahlungsquelle zur Verfügung zugeführten Stroms geändert wird. Dadurch werden die Massetransporte in der Glühwendel der Strahlungsquelle weitestgehend vermieden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur quantitativen Gasanalyse.

Bei vielen Anwendungen besteht die Notwendigkeit, Gase zu messen, sei es im Bereich der Emissionsüberwachung zur Einhaltung bzw. Überprüfung von gesetzlichen Grenzwerten, zur Beurteilung der Raumluftqualität, zur Überprüfung biologischer Aktivitäten, etc. So spielt zum Beispiel die CO₂- Konzentration bei der Beurteilung der Raumluft eine entscheidende Rolle und wird daher als Indikator herangezogen.

Zur Messung von Gasen existieren eine Vielzahl unterschiedlicher Messmethoden und Messanordnungen. Für die Messung der CO₂-Konzentration kommen zum Beispiel Infrarot-optische Gassensoren zum Einsatz, da Kohlendioxid unter Messbedingungen nur bedingt eine chemische Reaktion auslöst. Da bei CO₂ -Messungen mit Infrarot-Gassensoren keine Querempfindlichkeiten auftreten, sind diese Gassensoren für die Konzentrationsmessung von Kohlendioxid besonders gut geeignet. Unter Querempfindlichkeiten versteht man die Einflüsse weiterer, nicht zu untersuchender Gase, die jedoch im Messmedium enthalten sein können.

Infrarot-optische Gassensoren sind dazu ausgelegt, die Konzentration von organischen und anorganischen Gasen in einer Probenatmosphäre mittels Infrarot-Strahlung zu messen. Sie arbeiten typischerweise nach dem Verfahren der Absorptionsspektroskopie. Mehratomige, nicht elementare Gase haben die Eigenschaft, die von den Gassensoren emittierte Infrarot- Strahlung zu absorbieren, wobei dabei ein für das jeweils zu messende Gas charakteristisches Absorptionsspektrum entsteht. Jedes Gas weist bei einer spezifischen Wellenlänge sein Absorptionsmaximum auf, welches im Falle von Kohlendioxid bei etwa 4,27 µm liegt. Bei gegebener Absorptionswellenlänge ist die durch das Messmedium auftretende Abschwächung der emittierten Infrarot-Strahlung ein Maß für die Konzentration des zu untersuchenden Gases. Diese physikalische Eigenschaft der zu messenden Gase wird bei der Infrarot-Gasanalyse ausgenutzt.

Fig. 1 zeigt den Aufbau einer Anordnungen zur quantitativen Gasanalyse. Die Messanordnung 1 weist eine Sensoreinrichtung bestehend aus einer Strahlungsquelle 2, beispielsweise eine Glühlampe, und einer Detektoreinrichtung 3 auf. Ferner ist eine Messkammer 4 vorgesehen, in der das zu analysierende Messmedium 5 enthalten ist. Die Strahlungsquelle 2 und die Detektoreinrichtung 3 sind an der Messkammer 4 in definierter Ausrichtung festgelegt, so dass die von der Strahlungsquelle 2 ausgesandte Messstrahlung 6, 6' zumindest einmal durch die Messkammer verläuft und nach dem Austritt (X = d) aus der Messkammer 4 von der Detektoreinrichtung 3 detektiert werden kann.

Der spektrale Ort der von der Strahlungsquelle 2 ausgehenden Strahlung 6 mit der Intensität Ie ist so gewählt, dass die Strahlung von dem Messmedium 5 in der Messkammer zumindest teilweise absorbiert werden kann. Die Strahlung durchläuft die Messkammer der Dicke d, wobei ein Teil der eingekoppelten Strahlung 6 von dem Messmedium 5 absorbiert wird, was eine Abschwächung der Intensität Ie der eingekoppelten Strahlung 6 bewirkt. Die aus der Messkammer 4 austretende Strahlung 6' der Intensität Ia < Ie trifft dann auf die Detektoreinrichtung 3 und wird dort gemessen. Das Verhältnis von austretender Strahlungsintensität Ia zu eintretender Strahlungsintensität definiert die Durchlässigkeit D = Ia/Ie - oder auch Transmission - des Messmediums 5 in der Messkammer 4. Der im Messmedium absorbierte Strahlungsanteil ist die Absorption A = 1 - D.

Bei den bekannten Messanordnungen zur optischen Gasanalyse wird die für die Messung erforderliche Strahlung meist mittels Glühlampen erzeugt. Für die optische Messung ist dabei wesentlich, dass die von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung eine definierte, stabile Intensität aufweist. Zur Stabilisierung dieser Strahlungsleistung ist eine Regeleinrichtung vorgesehen, mittels der der Strom bzw. die Spannung der Strahlungsquelle geregelt wird. Dies ist jedoch mit schaltungstechnisch vertretbarem Aufwand nur im Gleichspannungsbetrieb möglich. Bei den heute bekannten Messanordnungen wird daher die Strahlungsquelle mit einer Gleichspannung bzw. einem Gleichstrom versorgt.

Im Gleichspannungsbetrieb der Strahlungsquelle treten jedoch unerwünschte Effekte, wie zum Beispiel der bekannte Soret- Effekt und der Elektromigrations-Effekt, in den Vordergrund, die die optischen Eigenschaften der Strahlungsquelle mit zunehmender Strahlungsdauer verändern:

Der Soret-Effekt bzw. die Soret'sche Wirkung basiert auf einem starken Temperaturgefälle in Längsrichtung der Achse der Glühwendel, wodurch es zu einem Massetransport des Materials des Glühwendels kommt. Dies führt zu einer zunehmenden Inhomogenität der Oberfläche der Glühwendel, was sich in einer mehr oder weniger gezahnten bzw. zackigen Oberflächenstruktur äußert. Die daraus resultierende Querschnittsreduzierung kann unter extremen Bedingungen, zum Beispiel bei mechanischen Schocks oder Vibrationen, vorzugsweise in den Bereichen geringeren Querschnitts zu einem Bruch des Glühwendels oder zu einer Veränderung der optischen Eigenschaften führen.

Bei der Elektromigration ist die gleiche Veränderung der Drahtoberfläche zu beobachten wie beim Soret-Effekt. Bedingt wird dieser Effekt allerdings durch einen hohen Gleichstrom durch die Glühwendel, wobei der Massetransport durch das sich in Längsrichtung des Glühwendels befindliche elektrische Feld mit einseitigem Spannungsgradienten unterstützt wird. Auch hier tritt eine Veränderung der Oberfläche auf. Die dadurch hervorgerufene Querschnittsreduzierung des Glühwendels erzeugt an den Stellen geringeren Querschnitts lokal eine Erhöhung des Widerstandes und damit auch eine lokale Temperaturerhöhung des Glühwendels, wodurch der Prozess der Querschnittsreduzierung der Oberfläche noch unterstützt wird. Unter extremen Bedingungen führt dies ebenfalls zum Bruch des Glühwendels oder zu einer Veränderung der optischen Eigenschaften.

Eine Veränderung der optischen Eigenschaften hat automatisch auch eine Veränderung der optischen Abbildungseigenschaften und der spektralen Strahlungsverteilung der Strahlungsquelle zur Folge. Dadurch bedingt weist die von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung nicht mehr die fest vorgegebene, für die Messung erforderliche Strahlungsintensität Ie auf, wodurch das ganze Messsystem unerwünschterweise dejustiert wird. Das Messsystem muss daher regelmäßig nachjustiert werden oder es muss die Strahlungsquelle ausgewechselt werden. Dies ist jedoch, insbesondere bei sehr lang andauernden Messungen, nicht immer möglich. Darüber hinaus ist die ständige Justierung der Messanordnung zeitaufwendig und daher kostenintensiv. Im Falle eine Bruchs des Glühwendels muss die gesamte Strahlungsquelle ausgewechselt werden, was das Messverfahren zudem signifikant verteuert.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Messanordnung zur optischen Gasanalyse bereitzustellen, mittels der die optischen Abbildungseigenschaften der Strahlungsquelle weitestgehend konstant gehalten werden können.

Die verfahrensbezogene Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Messverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, die anordnungsbezogene Aufgabe durch eine Messanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.

Demgemäß ist vorgesehen:

- Ein Verfahren zur quantitativen optischen Gasanalyse mittels einer eine Strahlungsquelle aufweisenden Messanordnung bei dem der Strahlungsquelle ein Strom- und/oder Spannungssignal zugeführt wird, bei dem die Strahlungsquelle in Abhängigkeit von dem zugeführten Strom- und/oder Spannungssignal eine Messstrahlung zur Gasanalyse einer Probenatmosphäre erzeugt, wobei das Vorzeichen des zugeführten Strom- oder Spannungssignal gewechselt wird (Anspruch 1);
- Eine Messanordnung zur quantitativen optischen Gasanalyse mit einer geschlossenen Messkammer, in der eine zu messende Probenatmosphäre eingebracht ist, mit einer eine Strahlungsquelle und eine Detektoreinrichtung aufweisenden Sensoreinrichtung, bei der die Strahlungsquelle in Abhängigkeit eines ihr zugeführten Strom- und/oder Spannungssignals eine Messstrahlung zur Gasanalyse der Probenatmosphäre erzeugt, bei der die von der Strahlungsquelle ausgesandte Messstrahlung nach einem Durchlauf durch die Messkammer von der Detektoreinrichtung detektierbar ist, mit einer Umschaltvorrichtung, die bei dem der Strahlungsquelle zugeführten Strom- und/oder Spannungssignals alternierend das Vorzeichen ändert (Anspruch 7).

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, dass alternierend die Stromrichtung des der Strahlungsquelle zugeführten Stroms geändert wird. Dadurch werden die Massetransporte, die durch die eingangs genannten Effekte hervorgerufen werden und die im Extremfall sogar die Strahlungsquelle funktionsunfähig machen, weitestgehend vermieden. Eine Veränderung der optischen Abbildungseigenschaften und der spektralen Strahlungsverteilung wird dadurch minimiert, wodurch die Funktionalität der Strahlungsquelle und damit auch der gesamten Messanordnung erhalten bleibt. Neben einem geringen Aufwand für die Justage der Strahlungsquelle erhöht sich vorteilhafterweise auch die Lebensdauer der Strahlungsquelle.

Vorteilhafterweise wird das Vorzeichen des der Strahlungsquelle zugeführten Strom- oder Spannungssignal taktgesteuert gewechselt, wobei hierfür eine eigens dafür vorgesehene Taktleitung bereitgestellt werden muss, die mit einer Steuereinrichtung und einem Taktgenerator verbunden ist. Dieses Verfahren ist insbesondere im Dauermessbetrieb von Vorteil. Bei sehr kurzen Messungen ist eine taktgesteuerte Umschaltung häufig nicht erforderlich und darüber hinaus auch zu aufwendig. Hier wird beispielsweise das Vorzeichen des der Strahlungsquelle zugeführten Stroms bei jedem Einschalten der Strahlungsquelle bzw. auch bei jedem neuen Messvorgang gewechselt.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist die Umschaltvorrichtung als Vollbrücke ausgebildet und weist hierfür mindestens vier steuerbare Schalter auf. Die steuerbaren Schalter sind über eine Steuereinrichtung ein- und ausschaltbar. Die steuerbaren Schalter der Vollbrücke sind typischerweise als MOSFETs ausgebildet, jedoch wären hier auch andere Schalter, wie zum Beispiel Bipolartransistoren, JFETs oder auch ein Relais, denkbar.

Im erfindungsgemäßen Betrieb sind jeweils zwei Schalter der Vollbrücke eingeschaltet, während die anderen beiden ausgeschaltet sind. Die jeweils ein- bzw. ausgeschalteten Schalter sind dabei überkreuz angeordnet. In einer vorteilhaften Weiterbildung werden die jeweils überkreuz angeordneten Schalter alternierend ein- bzw. ausgeschaltet. Das Ein- und/oder Ausschalten dieser Schalter erfolgt typischerweise voll synchron.

Die Strahlungsquelle wird über die Vollbrückenschaltung mit einem Strom versorgt, der von einer Stromquelle erzeugt wird.

Die Stromquelle ist typischerweise als Widerstand oder als MOSFET ausgebildet.

Die in der Messkammer enthaltene Probenatmosphäre besteht aus CO₂ oder einen CO₂ enthaltenden Gas. Jedoch ist das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Anordnung selbstverständlich auch für die Gasanälyse anderer Gase geeignet.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung entnehmbar.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand dem in den Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt dabei:
Fig. 1 den Aufbau einer allgemein bekannten Anordnungen zur quantitativen Gasanalyse;
Fig. 2 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, die einen alternierenden Strom für die Strahlungsquelle einer Messanordnung bereitstellt.
In beiden Figuren der Zeichnung sind gleiche beziehungsweise funktionsgleiche Merkmale und Signale mit gleichen Bezugszeichen versehen worden.
In Fig. 2 ist mit Bezugszeichen 10 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung bezeichnet. Die Schaltung 10 ist zwischen einem ersten Anschluss 11 mit einem ersten Versorgungspotential VDD, beispielsweise dem positiven Versorgungspotential, und einem zweiten Anschluss 12 mit einem zweiten Versorgungspotential VSS, beispielsweise dem Potential der Bezugsmasse oder einem negativen Versorgungspotential, angeordnet. Ferner ist eine Stromquelle 13, beispielsweise ein Widerstand oder ein MOSFET, vorgesehen, der zwischen der Schaltung 10 und dem zweiten Anschluss 12 angeordnet ist und der die Schaltung 10 mit einem Gleichstrom 11 versorgt.
Die erfindungsgemäße Schaltung 10 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel vier zu einer Vollbrücke 21 zueinander angeordnete, steuerbare Schalter 14-17 auf. Zwischen den beiden Ausgängen bzw. den Abgriffen 18, 19 der Schalter 14-17 ist die Strahlungsquelle 2 als Last geschaltet. Als steuerbare Schalter 14-17 können beispielsweise herkömmliche Transistoren, z. B. MOSFETs oder Bipolartransistoren, zum Einsatz kommen, jedoch wären auch andere Ausgestaltungen denkbar. Die steuerbaren Schalter 14-17 weisen je einen Steueranschluss auf, über den sie ein- und ausschaltbar sind. Die Ansteuerung der steuerbaren Schalter 14-17 bzw. deren Steueranschlüsse erfolgt über Ansteuersignale VS1-VS4, welche von einer Steuereinrichtung 20 bereit gestellt werden. Als Steuereinrichtung 20 kann beispielsweise ein Mikroprozessor, Mikrokontroller oder alternativ auch eine Logikschaltung Verwendung finden.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand der Schaltung in Fig. 2 näher erläutert. Es sei dabei angenommen, dass in Fig. 2 die Pfeilrichtungen des Stroms I1 einen positiven Strom bezeichnen, während ein negativer Strom durch einen Strom entgegen der Pfeilrichtung bezeichnet ist:
Im ausgeschalteten Zustand sind alle Schalter 14-17 ausgeschaltet; es fließt also kein Strom 11 durch die Strahlungsquelle 2. Im Betriebsmodus werden die jeweils überkreuz angeordneten Schalter 14, 17 und die Schalter 15, 16 abwechselnd ein- und ausgeschaltet. Das Einschalten der beiden Schalter 14, 17 sowie der beiden Schalter 15, 16 erfolgt jeweils möglichst synchron. Zunächst werden die beiden Schalter 14, 17 geschlossen, die Schalter 15, 16 bleiben geöffnet. Es fließt damit ein positiver Strom 11 durch die Strahlungsquelle. Anschließend werden die beiden Schalter 14, 17 geöffnet und parallel dazu die anderen beiden Schalter 15, 16 geschlossen, so dass nunmehr der negative Strom -I1 durch die Strahlungsquelle 2 fliest. Die durch die Strahlungsquelle 2 fliesenden Ströme I1, -I1 sind betragsmäßig gleich, unterscheiden sich jedoch in ihren Vorzeichen. Über die Steuereinrichtung werden die Schalter 14-17 so gesteuert, dass ein möglichst abruptes Umschalten der Schalter 14-17 und somit ein möglichst übergangsloses Wechseln des Vorzeichens des Stromes 11 stattfindet. Da der Strahlungsquelle 2 jeweils betragsmäßig ein identischer Strom I1 zugeführt wird, ist auch die von der Strahlungsquelle 2 emittierte Strahlung 6 identisch. Der Vorzeichenwechsel des Stromes I1 hat auf die emittierte Strahlung 6 somit nahezu keinen Einfuß.
Während das eben beschriebene Verfahren für den Dauermessbetrieb ausgelegt ist, wird das erfindungsgemäße Verfahren bei sehr kurzen Messvorgängen so abgewandelt, dass der Vorzeichenwechsel des Stromes I1 bzw. das Umschalten der Schalter 14-17 im ausgeschalteten Zustand der Messanordnung 1 erfolgt.
Auf welche Weise die Gasanalyse anhand der emittierten Messstrahlung 6 erfolgt ist allgemein bekannt und wird daher nicht weiter erläutert.
Anhand von Fig. 2 wurde eine bevorzugte Schaltung 10 beschrieben, mittels der erfindungsgemäß das Vorzeichen des der Strahlungsquelle 2 zugeführten Stromes I1 umgedreht wird. Jedoch ist das erfindungsgemäße Verfahren selbstverständlich nicht ausschließlich mit einer in Fig. 2 dargestellten Anordnung realisierbar, vielmehr wären hier auch andere vorteilhafte Anordnungen zur Vorzeichenumkehr des der Strahlungsquelle 2 zugeführten Stroms I1 denkbar. Bezugszeichenliste 1 Messanordnung
2 Strahlungsquelle
3 Detektoreinrichtung
4 Messkammer
5 Messmedium
6 eintretende Strahlung
6' austretende Strahlung
10 Schaltungsanordnung
11, 12 Anschlüsse der Versorgungsspannung
13 Stromquelle
14-17 steuerbare Schalter
18, 19 Abgriffe
20 Steuereinrichtung
21 Vollbrücke(nschaltung)
d Dicke der Messkammer
I1 Strom durch die Strahlungsquelle
Ia austretender Strahlungsintensität
Ie eintretender Strahlungsintensität
VS1-VS4 Steuersignale
VS5, VDD Versorgungspotentiale

Claims

1. Verfahren zur quantitativen optischen Gasanalyse mittels einer eine Strahlungsquelle (2) aufweisenden Messanordnung (1),
bei dem der Strahlungsquelle (2) ein Strom- und/oder Spannungssignal (I1) zugeführt wird,
bei dem die Strahlungsquelle (2) in Abhängigkeit von dem zugeführten Strom- und/oder Spannungssignal (I1) eine Messstrahlung (6) zur Gasanalyse einer Probenatmosphäre (5) erzeugt,
wobei das Vorzeichen des zugeführten Strom- oder Spannungssignal (I1) gewechselt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorzeichen des zugeführten Strom- oder Spannungssignals (I1) taktgesteuert gewechselt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorzeichen des zugeführten Strom- oder Spannungssignals (I1) jeweils bei jedem Einschalten der Strahlungsquelle gewechselt wird.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Messanordnung (1) eine Vollbrückenschaltung (21) aufweist, deren steuerbare Schalter (14-17) über eine Steuereinrichtung (20) in eine erste und eine zweite Konfiguration gesteuert werden,
wobei in der ersten Konfiguration zumindest die beiden unmittelbar an eine Stromquelle (13) angeschlossenen Schalter (15, 17) der Vollbrücke (21) ausgeschaltet sind und der Strahlungsquelle (2) somit kein Strom (I1) zugeführt wird,
wobei in der zweiten Konfiguration jeweils zwei erste Schalter (15, 16) der Vollbrücke (21), die überkreuz angeordnet sind, ausgeschaltet werden und wobei jeweils zwei andere, zweite Schalter (14, 17) der Vollbrücke (21), die überkreuz angeordnet sind, eingeschaltet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Konfiguration die ersten und die zweiten Schalter (14, 17; 15, 16) alternierend ein- bzw. ausgeschaltet werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ein- und/oder Ausschalten der ersten und/oder zweiten Schalter (14, 17; 15, 16) synchron erfolgt.

7. Messanordnung zur quantitativen optischen Gasanalyse mit einer geschlossenen Messkammer (4), in der eine zu messende Probenatmosphäre (5) eingebracht ist,
mit einer eine Strahlungsquelle (2) und eine Detektoreinrichtung (3) aufweisenden Sensoreinrichtung, bei der die Strahlungsquelle (2) in Abhängigkeit eines ihr zugeführten Strom- und/oder Spannungssignals (I1) eine Messstrahlung (6) zur Gasanälyse der Probenatmosphäre (5) erzeugt, bei der die von der Strahlungsquelle (2) ausgesandte Messstrahlung (6) nach einem Durchlauf durch die Messkammer (4) von der Detektoreinrichtung (3) detektierbar ist,
mit einer Umschaltvorrichtung (10), die bei dem der Strahlungsquelle (2) zugeführten Strom- und/oder Spannungssignals (I1) alternierend das Vorzeichen ändert.

8. Messanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltvorrichtung (10) eine mindestens vier über eine Steuereinrichtung (20) steuerbare Schalter (14-17) aufweisende Vollbrückenschaltung (21) aufweist, die zwischen den Anschlüssen (11, 12) einer Versorgungsspannungsquelle (VDD, VSS) angeordnet ist und die mit einer Stromquelle (13) zur Erzeugung eines Stromsignals (I1) für die Strahlungsquelle (2) verbunden ist, wobei die Strahlungsquelle (2) zwischen den beiden Ausgängen (18, 19) der Vollbrückenschaltung (21) angeordnet ist.

9. Messanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbaren Schalter (14-17) als MOSFETs ausgebildet sind.

10. Messanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Probenatmosphäre (5) ein CO₂ enthaltendes Gas aufweist.

11. Messanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet dass die Stromquelle als Widerstand oder als MOSFET ausgebildet ist.