DE10141632A1

DE10141632A1 - Gasanalytische Vorrichtung in Infrarotoptischen Küvetten mit quergestellten Strahlern und Detektoren

Info

Publication number: DE10141632A1
Application number: DE2001141632
Authority: DE
Original assignee: Wissenschaftliche Werkstatt fur Umweltmesstechnik GmbH
Current assignee: Wissenschaftliche Werkstatt fur Umweltmesstechnik GmbH
Priority date: 2001-08-24
Filing date: 2001-08-24
Publication date: 2003-11-27

Abstract

In der Gasanalysentechnik auf Basis der infraroten Absorption ist ein nicht gelöstes Problem die Querempfindlichkeit zu anderen Gasen wie z. B.: Wasserdampf (H¶2¶O) und Kohlendioxid (CO¶2¶). DOLLAR A Dieses Problem wird durch die Anordnung mehrerer Strahler und Sensoren in nur einer Küvette behoben, s. Fig. 4: Die Küvette hat zusätzlich zu den an den Enden montierten Strahlern und Sensoren jeweils noch ein oder zwei Strahler oder Sensoren quergestellt. Die Sensoren können dabei sowohl Mono- oder Doppelmesszellen sein. Durch die auf der Küvette anzuordnenden Messkomponenten kann nach der Lambert-Behrschen Gleichung die jeweilige, auf die Gase abgestimmte, optische Weglänge eingestellt werden. Durch die Differenzbildung der gemessenen Gase kann die Querempfindlichkeit eliminiert werden.

Description

Einleitung

Die Gasanalyse mittels infraroter Absorption ist ein weit verbreitetes Verfahren in der Messtechnik. Ein nicht eindeutig gelöstes Problem ist dabei die Querempfindlichkeit zu störenden Gasen. In der vorliegenden Beschreibung wird eine Vorrichtung empfohlen, mit der die Querempfindlichkeit durch eine Differenzbildung im gleichen optischen System eliminiert werden kann.

Stand der Technik

Infrarote Gasabsorptionsgeräte bestehen aus einem Strahler, einer optischen Küvette und aus einem Detektor, siehe Fig. 1. Vor dem Strahler oder vor dem Detektor befindet sich ein optischer Filter, der aus dem Spektrum des Strahlengangs eine für das zu messende Gas zutreffende Bande offen hält, sonst blockiert er sowohl die kürzeren als auch die längeren Wellen. Es treten Probleme dann auf, wenn ein weiteres Gas, das sich ebenfalls im zu untersuchenden Gas befindet, im gleichen Wellenlängenbereich absorbiert, wie das zu messende Gas. In diesem Fall erfolgt eine Absorption in der Küvette von beiden Molekülen und am Detektor kann eine überlagerte Absorption gemessen werden. Ohne weitere Hilfsmittel ist die proportionale Zuordnung der einzelnen Absorptionsanteile zu den zugehörigen Gassorten nicht möglich.

Zahlreiche Quellen beschäftigen sich mit der Eliminierung der Querempfindlichkeit. Bekannt sind solche Verfahren, die mit Hilfe der Gasfilterkorrelation funktionieren. In der Quelle: "Maihak Prozess und Umwelt-Meßtechnik IFC/GFC Gasanalysator Defor 21.010/85.03 " (Bedienungsanleitung für ein Korrelations-Fotometer) wird eine Methode beschrieben, bei der sich in einem rotierenden Karussell eine kurze, gasgefüllte Vergleichsküvette befindet. Das Karussell rotiert und die Vergleichsküvette, die mit dem Querempfindlichkeit verursachenden Gas in einer hochprozentigen Mischung gefüllt ist, wird in den Strahlengang hineingedreht. In diesem Zeitintervall absorbiert die Vergleichsküvette die störende Strahlung und eine Differenzbildung zum mit Querempfindlichkeit belasteten Zustand wird möglich.

Ein weiteres Verfahren wird in Quelle: "Iris infrared & intelligent sensors pyroelektronischer Infrarotempfänger M80" beschrieben. Hier werden pyroelektrische Messzellen als Detektorelemente mit Multigasmodul dargestellt. Die Anordnung mehrerer Detektorelemente auf einer Grundplatte führt zur gleichzeitigen, parallelen Bestimmung mehrerer infrarotaktiver Gase.

Ein Problem tritt bei beiden Methoden auf. Die Gasfilterkorrelation ist durch die Drehbewegung ein sehr empfindliches Verfahren. Für mobile Anwendungen ist es z. B. nicht oder nur beschränkt geeignet. Bei dem Multikanalsensor ergeben sich häufig unlösbare Schwierigkeiten, weil die Konzentration und die Absorption der einzelnen, zu bestimmenden Gasbestandteile, so des Mess- und des Störgases, derart unterschiedlich ist, dass man ganz verschiedene Küvettenlängen benutzen sollte.

Von der Quelle: "Laser Components, Pyroelektrische Detektoren in Theorie und Praxis" nach einem Text und Informationen von Dr. S. Möhling, Infra Tec ist bekannt, dass durch zwei pyroelektrische Elemente, die umgekehrt zueinander in Reihe geschaltet werden, die unerwünschten elektrischen Signale die durch Temperaturveränderungen oder von sonstigen Umwelteinflüssen herrühren unterdrückt werden. Eine weitere Quelle: Industrieelle Gasanalyse von J. Staab/R. Oldenbourg Verlag München Wien 1994 das ein typisches Beispiel die Störung von Wasserdampf (H₂O) und Kohlendioxid (CO₂) in der infraroten Gasanalyse ist. Beide Substanzen sind in der Luft von Natur aus vorhanden und stören durch sehr starke Absorptionseigenschaften fast bei jeder Analyse.

Lösungsweg

Um die Querempfindlichkeit stark absorbierender Gase effektiv zu beheben, wird ein Verfahren entwickelt, mit dem man einzelne Messzellen am optischen Küvettenrohr so platziert, dass die optischen Weglängen durch die Lambert-Behrsche Gleichung für die einzelnen, sich im System befindlichen Gase beliebig angepasst werden können.

Fig. 1 zeigt ein einfaches infrarotoptisches System. Als zentrales Instrument dient dabei das optische Küvettenrohr (3), das vom Gas durchströmt wird (2 und 4). An einem Ende befindet sich ein Strahler (1), am anderen Ende ein Detektor (5). Als besonders vorteilhaft erwiesen sich die zum Strahlengang quergestellten Detektoreinheiten, die die stark absorbierenden Störsubstanzen erfassen sollten, siehe Fig. 2. Der dargestellte Aufbau eignet sich besonders für die Bestimmung der stark absorbierenden atmosphärischen Gase H₂O und CO₂ durch den sog. Stördetektor (6).

Die Einkopplung mehrerer Detektoren in ein einziges optisches System ist möglich, siehe Fig. 3. In diesem Falle bestimmt man nicht nur z. B. CO₂, sondern auch H₂O. Solche Messungen sind z. B. für abgasspezifische Aufgaben (Messung von NO in feuchten Abgasen), für die Medizintechnik (Erfassung von Narkotika in der Luft) und in der chemischen Industrie von besonderer Bedeutung. Der Einbau von mehreren Strahlern ist ebenfalls möglich, siehe Fig. 4. Eine zeitlich verschobene Taktung beider Strahler ist für die Vermeidung von Überlappungseffekten im optischen Bereich beider Strahler zu empfehlen.

Die Methode bietet über die Erfassung der Querempfindlichkeit hinaus den besonderen Vorteil der gekoppelten Auswertung der Messsignale. Wenn in dem einen oder anderen Detektor Störeffekte auftreten, die z. B. auf elektromagnetische, thermische oder pneumatische Unregelmäßigkeiten zurückzuführen sind, so zeigen die Signalverläufe (9, 10) ein ähnliches Verhalten, siehe Fig. 5. An der Einbuchtung des Referenzsignals (11, 12) an der Stelle (13) kann z. B. auf eine Störung durch Kondensatbildung geschlossen werden. Vermutlich rollte in diesem Zeitbereich ein kleines Tröpfchen durch die Küvette und verursachte eine Störung in den Referenzsignalen.

Das Einfügen fehlender Informationen durch ergänzende Messpunkte, die aus dem einen Detektor in den anderen Detektor übertragen werden können, ergänzt häufig die Auswertung schwer bestimmbarer Gase. Das Signal/Rausch-Verhältnis kann durch die gemeinsame Auswertung der Messwertverläufe aus beiden Detektoren günstig verbessert werden. Eine besonders günstige Methode dabei ist die Wavelet- Transformation, die es erlaubt, Sprungfunktionen ohne zeitliche Verzögerung unverändert darzustellen. Die Funktionsbereiche ohne Sprungfunktion werden dabei ab einem eingestellten Schwellwert gemittelt, siehe Fig. 6. Die Glättung der sehr stark verrauschten Referenz- (16) und Messwertverläufe (17) erfolgt durch die Übertragung von Informationen (22 und 23) aus dem gut erfassbaren Detektor in den schlechter auswertbaren Detektor.

Der Bau von Detektoren mit unterschiedlich großen aktiven Flächen ist möglich, siehe Fig. 7. Durch diese Maßnahme ist die optimale Erfassung unterschiedlicher Absorptionen durch die jeweils angepasste Empfindlichkeit möglich, s. Fig. 8. Die gemischte Anwendung von Mono- und Doppel, - bzw. Mehrfachmesszellen ist ebenfalls möglich. Figurenverzeichnis Fig. 1: Aufbau einer einfachen infrarotoptischen Bank mit pyrolektrischem Detektor
1 Strahler mit schmalbandigem optischen Filter an der Front
2 Gaseintritt
3 optische Küvette, innen reflektierend
4 Gasaustritt
5 pyroelektrischer Detektor mit Doppelsensor (für die Mess- und Referenzbande)
Fig. 2: Optische Küvette mit quergestelltem Stördetektor
6 Stördetektor
Fig. 3: Bestimmung von zwei verschiedenen Störgasen
7 Zweiter Stördetektor
Fig. 4: Einbau eines zweiten Strahlers im optischen System
8 Zweiter Strahler mit abweichender spektralen Verteilung der Emission
Fig. 5: Signalverläufe aus zwei pyroelektrischen Detektoren im Abgasstrom
9 Messwertverlauf aus Detektor 5 für HC (λ = 3,4 µm)
10 Messwertverlauf aus Detektor 6 für CO₂ (λ = 4,2 µm)
11 Referenzwert aus Detektor 5 (λ = 4,0 µm)
12 Referenzwert aus Detektor 6 (λ = 4,0 µm)
13 Störung
Fig. 6: Technik der kombinierten Wavelel-Korrektur
14 verrauschter Referenzwertverlauf in Detektor 5
15 verrauschter Messwertverlauf (HC) in Detektor 5
16 sehr stark verrauschter Referenzwertverlauf bei Detektor 6
17 sehr stark verrauschter Messwertverlauf (CO₂) bei Detektor 6
18 korrigierter Referenzwertverlauf in Detektor 5
19 korrigierter Messwertverlauf (HC) in Detektor 5
20 durch Kombination aus 18 übernommene Korrektur für den Referenzwertverlauf bei Detektor 6
21 durch Kombination aus 19 übernommene Korrektur für den Messwertverlauf (CO₂) bei Detektor 6
22 Richtung des Übertragungsflusses
23 Richtung des Übertragungsflusses
Fig. 7: Kombinierte pyroelektrische Zelle für unterschiedliche spektrale Empfindlichkeiten innerhalb eines Gehäuses
24 Gehäuse
25 Lithiumthantalat-Wafer für CO₂ im Detektor 6
26 Lithiumthantalat-Wafer für Referenz in Detektor 6
Fig. 8: Einsatz von Mono- und Doppelmesszellen in einer optischen Küvette
27 Monomesszelle nur für die Signalbande für Störgas 2
28 Monomesszelle nur für die Signalbande für Störgas 1

Claims

1. Vorrichtung für die Berücksichtigung störender Absorptionseffekte durch infrarotaktive Gase in einer optischen Bank dadurch gekennzeichnet, dass die als Küvette ausgebildete Bank einen Strahler und zwei oder mehrere Detektoren aufweist, von denen der eine dem Strahler gegenüber, die anderen um 90°, d. h. quer zum Strahlengang untergebracht werden, wobei der Abstand des Detektors zum Strahler nach dem Lambert-Behrschen Gesetz entsprechend ausgewählt wird und die Querempfindlichkeit beider Signalverläufe mit Hilfe der Differenzbildung bestimmt wird.

2. Verfahren für die Berücksichtigung störender Absorptionseffekte durch infrarotaktive Gase in einer optischen Bank nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einbau mehrerer Strahler und Detektoren mit gleichen oder unterschiedlichen spektralen Strahlungs- und Empfangseigenschaften in die Küvette und so die Erfassung mehrere Gase mit unterschiedlicher Konzentration und Absorption in einer einzigen Küvette möglich ist.

3. Verfahren für die Berücksichtigung störender Absorptionseffekte durch infrarotaktive Gase in einer optischen Bank nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine hochreflektierende Küvette für die Reflexion des infraroten Strahlengangs benutzt wird.

4. Verfahren für die Berücksichtigung störender Absorptionseffekte durch infrarotaktive Gase in einer optischen Bank nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aktiven Flächen der pyroelektrischen Halbleiter- oder Thermophyle-Messzellen der jeweils vorliegenden Absorption unterschiedlich groß ausgelegt werden können.

5. Verfahren für die Berücksichtigung störender Absorptionseffekte durch infrarotaktive Gase in einer optischen Bank nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der aktiven Flächen in einer Messzelle unterschiedlich sein können, wobei die Ergebnisse aus den einzelnen aktiven Sensoren miteinander gekoppelt werden.

6. Verfahren für die Berücksichtigung störender Absorptionseffekte durch infrarotaktive Gase in einer optischen Bank nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine unterschiedliche und zeitlich verschobenen Taktrate der Strahler eingestellt werden kann.

7. Verfahren für die Berücksichtigung störender Absorptionseffekte durch infrarotaktive Gase in einer optischen Bank nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel der Strahler und der Detektoren beim Einbau in die Küvette unterschiedlich, der jeweiligen Aufgabe entsprechend ausgewählt werden.

8. Verfahren für die Berücksichtigung störender Absorptionseffekte durch infrarotaktive Gase in einer optischen Bank nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kombination für die Korrektur fehlender oder verschwommener Informationen möglich ist.

9. Verfahren für die Berücksichtigung störender Absorptionseffekte durch infrarotaktive Gase in einer optischen Bank nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kombinierte Korrektur durch Wavelet-Transformation der einzelnen Signal- und Referenzverläufe möglich ist.