DE102005016320A1

DE102005016320A1 - Infrarot-Gassensor

Info

Publication number: DE102005016320A1
Application number: DE200510016320
Authority: DE
Inventors: Dieter Dr. Baschant; Heinz Dr. Gatzmanga
Original assignee: M & R Mes und Regelungstechnik; M+r Mess- und Regelungstechnik -An-Institut An Der Fh Anhalt GmbH
Current assignee: M & R Mes und Regelungstechnik; M+r Mess- und Regelungstechnik -An-Institut An Der Fh Anhalt GmbH
Priority date: 2005-04-09
Filing date: 2005-04-09
Publication date: 2006-10-12

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Infrarot-Gassensor, der eine optische Konzentrationsmesseinrichtung, bestehend aus einer Messkammer, einer Strahlungsquelle, mindestens einem Strahlungsdetektor mit Interferenzfilter und Signalverarbeitungsmitteln zur Berechnung des Messergebnisses sowie Steuereinrichtungen umfasst, die eine automatische Bestimmung des Nullpunktes der optischen Konzentrationsmesseinrichtung durchführen können. Dabei wird erfindungsgemäß mit Hilfe eines andersartigen Konzentrationssensors die Konzentration der Messgaskomponente in einem zur Nullpunktsbestimmung verwendeten Spülgas bestimmt, über die inverse Kalibrierfunktion der aktuelle Nullpunkt der optischen Konzentrationsmesseinrichtung berechnet und der so aktualisierte Nullpunkt in mindestens einem Messzyklus verwendet wird, um die Konzentration des Infrarotstrahlung absorbierenden Messgases in dem zu analysierenden Gasgemisch zu ermitteln. Des Weiteren kann erfindungsgemäß ein Kalibrierzyklus durchgeführt werden, währenddessen der Nullpunkt der optischen Konzentrationsmesseinrichtung mittels echtem Nullgas bestimmt und ein Korrekturwert für den andersartigen Konzentrationssensor ermittelt werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Infrarot-Gassensor zur Messung der Konzentration eines Infrarotstrahlung absorbierenden Messgases, umfassend eine optische Konzentrationsmesseinrichtung sowie Steuerungs-, Schaltungs- und Signalverarbeitungsmittel zur Befüllung und zur automatischen Bestimmung des Nullpunktes der optischen Konzentrationsmesseinrichtung, wobei die optische Konzentrationsmesseinrichtung, eine optische Messstrecke zur Erfassung der vom Messgas verursachten Strahlungsabsorption, bestehend aus einer Messkammer, durch die das zu analysierende Gasgemisch oder ein Spülgas geleitet werden kann, einer Strahlungsquelle und mindestens einem Strahlungsdetektor mit Interferenzfilter, der als Messdetektor verwendet wird, und Schaltungs- und Signalverarbeitungsmittel zur Steuerung der Strahlungsquelle, zur Messung der auf den Detektor auftreffenden Strahlungsleistung und zur Berechnung der Konzentration des Messgases umfasst.

Das Prinzip der Konzentrationsmessung von Gas durch Infrarot-Absorption ist grundsätzlich bekannt. Auch der Aufbau von optischen Gasanalysatoren und die Anwendung der Messverfahren auf kompakte IR-Gassensoren sind in der Literatur vielfach beschrieben. Als Beispiele seien hier erwähnt: Staab, J.: Industrielle Gasanalyse, Oldenbourg Verlag München, Wien 1994; Wiegleb u.a.: Industrielle Gassensorik, expert verlag, Renningen-Malmsheim 2001, sowie die Druckschriften DE 296 02 282 U1 , DE 39 18 994 C1 , EP 0 762 107 A1 , DE 42 25 996 A1 , EP 0 192 013 A3 , US 35 62 522 , DE 197 13 928 C1 , EP 0 253 872 B1 , EP 0 400 342 A1 , DE 198 40 570 A1 .

Die bekannten Messverfahren beruhen auf dem Prinzip, dass die Absorption von Infrarotstrahlung durch ein Gas für bestimmte Wellenlängen der Anzahl der Gasmoleküle innerhalb eines durchstrahlten Volumens proportional ist. Die gerätetechnischen Realisierungen umfassen eine optische Messstrecke bestehend aus einer dem Gas, dessen Konzentration zu bestimmen ist, zugänglichen Mess kammer, in die eine Infrarot-Strahlungsquelle Strahlung einstrahlt, wobei die aus der Messkammer wieder austretende Strahlung mit mindestens einen Strahlungsdetektor gemessen wird, der die Strahlung auf einer Wellenlänge detektiert, welche durch das Gas absorbiert wird. Die nachfolgende Signalverarbeitung bildet im Messzustand das Signal x_m. Um die gasabhängige Absorption zu bestimmen, muss der Messaufbau so abgeglichen sein, dass in dem Zustand, in dem die Messgaskonzentration null in der Messkammer vorhanden ist, die Signalverarbeitung ein stabiles, reproduzierbares und konstantes Ausgangssignal liefert oder es muss im Gassensor ein Vergleichswert gespeichert werden, der der vom Strahlungsdetektor gemessenen Strahlungsleistung in dem Zustand entspricht, in dem die Messgaskonzentration null in der Messkammer vorhanden ist und der bei Bedarf neu ermittelt werden kann. Dieses Signal wird als Nullpunkt x_m0 bezeichnet. Zur Stabilisierung des Übertragungsverhaltens wird häufig mit einem zweiten Strahlungsdetektor eine zusätzliche Strahlungsmessung auf einer Referenzwellenlänge durchgeführt, auf der das zu messende Gas keine Absorption zeigt. Die Signalverarbeitung bildet im Messzustand aus dem Signal des Referenzdetektors das Signal x_r und im Nullpunkt das Signal x_r0. Beim Betrieb eines Gassensors muss gewährleistet werden, dass bei der Messung einer unbekannten Gaskonzentration der im Messverfahren verwendete Nullpunkt dem tatsächlichen Nullpunkt der optischen Messstrecke entspricht. Die aus der Literatur bekannten Gassensoren sind dadurch gekennzeichnet, das spezielle Lösungen für die Bildung und Stabilisierung des Nullpunktsignals in Abhängigkeit von Alterungseffekten der Strahlungsquellen, Verschmutzungseffekten und stofflichen Störungen angegeben werden, die sowohl konstruktive Details als auch Algorithmen der Signalverarbeitung betreffen. Es wird jedoch immer vorausgesetzt, dass sich zum Zeitpunkt der Nullpunkteinstellung in der Messkammer ein im wesentlichen nicht absorbierendes Gas befindet, das auch als Nullgas bezeichnet wird. Ein solches Nullgas für den infraroten Spektralbereich ist beispielsweise Stickstoff, wobei in vielen Fällen auch gefilterte Umgebungsluft verwendet werden kann.

Wenn die Anforderungen an die Auflösung der Absorptionsmessung hoch sind, was bei kleinen Messbereichen und/oder schwach absorbierenden Gaskompo nenten der Fall ist, und/oder die Gassensoren portabel sein und diskontinuierlich betrieben werden sollen, werden häufige Nullpunkteinstellungen erforderlich. In diesem Zusammenhang wird die Bereitstellung von Nullgas zu einem Problem, wenn die Messkomponente in der Umgebungsluft in variierender Konzentration vorhanden sein kann. Sowohl bei der Verwendung von Druckgasen als auch beim Einsatz chemischer Reagenzien zur Luftreinigung werden Bedienerfreundlichkeit und Kostenstruktur verschlechtert. Diese Situation tritt u.a. bei der Entwicklung von tragbaren Wasserdampfmessgeräten für Taupunkttemperaturen im Bereich von 20°C bis 60°C auf.

Dementsprechend ist es Aufgabe der Erfindung einen Infrarot-Gassensor anzugeben, bei dem zur Nullpunkteinstellung der optischen Messstrecke ein Gas verwendet werden kann, das variierende Konzentrationen der Messkomponente enthalten kann. Zusätzlich ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung der Konzentration eines Infrarotstrahlung absorbierenden Gases mit einem solchen Infrarot-Gassensor anzugeben.

Die Aufgabe wird durch die Erfindung gemäß dem unabhängigen Sachanspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Verfahrensanspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Verfahrensvarianten der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen ausgeführt.

Ein erfindungsgemäßer Infrarot-Gassensor zur Bestimmung der Konzentration eines Infrarotstrahlung absorbierenden Gases umfasst eine optische Konzentrationsmesseinrichtung sowie Steuerungs-, Schaltungs- und Signalverarbeitungsmittel zur Befüllung und zur automatischen Bestimmung des Nullpunktes der optischen Konzentrationsmesseinrichtung, wobei die optische Konzentrationsmesseinrichtung, eine optische Messstrecke, bestehend aus einer Messkammer, durch die das zu analysierende Gasgemisch oder ein Spülgas geleitet werden kann, einer Strahlungsquelle, einem Strahlungsdetektor mit Interferenzfilter, der als Messdetektor verwendet wird und optional einem Strahlungsdetektor mit Interferenzfilter, der als Referenzdetektor verwendet wird, zur Erfassung der vom Messgas verursachten Strahlungsabsorption und Schaltungs- und Signalverar beitungsmittel zur Steuerung der Strahlungsquelle, zur Messung der auf den Detektor auftreffenden Strahlungsleistung und zur Berechnung der Konzentration des Messgases umfasst, und ist dadurch gekennzeichnet, dass zur automatischen zyklischen Nullpunktkorrektur der optischen Konzentrationsmesseinrichtung im normalen Messbetrieb des Infrarot-Gassensors ein andersartiger Konzentrationssensor vorhanden ist, der mit dem zu analysierenden Gasgemisch nicht in Berührung kommt mit dem aber eine in einem Spülgas enthaltene variierende und relativ geringe Messgaskonzentration ermittelt wird und dass zur Korrektur des andersartigen Konzentrationssensors auf Benutzeranforderung Mittel zur Bereitstellung von echtem Nullgas vorhanden sind.

Bei der Messung der Konzentration Infrarotstrahlung absorbierenden Gase kann die Signalverarbeitung im Gassensor in drei Hauptabschnitte unterteilt werden.

In einem ersten Abschnitt werden aus den zeitabhängigen Signalen der Strahlungsdetektoren amplitudenabhängige Signale generiert, die die auf die Detektoren auftreffende Strahlungsleistung abbilden. Die hier zum Einsatz kommenden Baugruppen und Methoden, Verstärkerstufen mit einstellbaren Verstärkungsfaktoren, analoge und/oder digitale Filter, phasenempfindliche Gleichrichter, AD-Wandler, sind dem Fachmann wohl bekannt und müssen hier nicht weiter erläutert werden.

In einem zweiten Abschnitt wird durch Normierung der Strahlungsleistungssignale mit den Nullpunktsignalen und anschließende Differenzbildung vorteilhafter Weise ein Absorptionsgrad a berechnet, wobei Gleichung (1) die Verhältnisse beschreibt, wenn nur eine Messwellenlänge verwendet wird und Gleichung (2) die Verhältnisse beschreibt, wenn Mess- und Referenzwellenlänge verwendet werden.

Im dritten Abschnitt erfolgt die Berechnung der Messgaskonzentration c_m aus dem Absorptionsgrad mittels eines Satzes Kalibrierfunktionen f_ki die z.B. die Temperaturkorrektur, die Linearisierung der Kennlinie, die Druckkorrektur und die Messbereichsanpassung beschreiben. Durch Wahl entsprechender Funktionsstrukturen wird sichergestellt, dass über die inversen Kalibrierfunktionen f_ki ^–1 aus einer bekannten Messgaskonzentration c_soll ein Absorptionsgrad a_soll berechnet werden kann.

Sind die Parameter der einzelnen Signalverarbeitungsschritte konstant kann aus dem Messsignal bzw. aus Mess- und Referenzsignal die Messgaskonzentration korrekt berechnet werden. Sind Driften einzelner Parameter zu berücksichtigen muss der Messprozess unterbrochen werden und eine Nachkalibrierung durchgeführt werden. Die Erfahrungen zeigen, dass insbesondere bei portablen, einfach aufgebauten und diskontinuierlich betriebenen Gassensoren für niedrige Messbereiche oder für schwach absorbierende Messgaskomponenten, wie beispielsweise Wasserdampf, nicht mit der Konstanz der Signalverarbeitungsparameter gerechnet werden kann. Eine Analyse der Drifteffekte zeigt jedoch, dass die Drift nahezu vollständig eine Nullpunktdrift ist.

Die Nullpunkteinstellung kann aber gerade für Wasserdampf nicht einfach mit Umgebungsluft erfolgen, da in der Umgebungsluft immer Wasserdampf in veränderlicher Konzentration vorhanden ist. Die Verwendung von Stickstoff als Druckgas oder der Einsatz von Trockenmitteln stellt für Nullpunktnachstellungen, die alle 6 bis zwölf Wochen erforderlich sind kein Problem dar, ist jedoch bei häufig benötigten Nullpunktkorrekturen teuer und unbefriedigend in der Handhabung.

Da bei der selektiven Wasserdampfmessung mit einer Messwellenlänge von 1.85 μm, einer Messkammerlänge von 20 cm und einer geforderten Genauigkeit von 2 %rF im Bereich von 70 %rF bis 100 %rF bei Temperaturen von 30 °C bis 50 °C die vom Wasserdampf verursachte Strahlungsabsorption mit einer Reproduzierbarkeit von ca. 0.5‰ gemessen werden muss und bei portablen, diskontinuierlich arbeitenden Geräten Driften von 5‰/min in der Strahlungsleistungsmessung auf einzelnen Wellenlängen bzw. von 0.3‰/min bei der Messung des Verhältnisses von Mess- und Referenzwellenlänge beobachtet werden, wird deutlich, dass für eine korrekte Messung vorzugsweise eine Quotientenbildung von Mess- und Referenzwellenlänge erfolgen sollte und häufige Nullpunktkorrekturen erforderlich sind.

Dazu besitzt ein erfindungsgemäßer Infrarot-Gassensor in einer bevorzugten Ausführungsform eine Messkammer an deren einem Ende eine vorzugsweise direkt modulierbare Infrarot-Strahlungsquelle und anderen anderem Ende die Mess- und Referenzdetektoren angeordnet sind. Wie für den Fachmann ersichtlich ist, können IR-Fenster als gasdichter Abschluss der Messkammer entfallen, wenn Strahlungsquelle und Strahlungsdetektoren gasdicht mit der Messkammer verbunden sind. Die Infrarot-Strahlungsquelle ist vorzugsweise eine in einem elliptischen Reflektor angeordnete Miniaturglühlampe, deren emittierte Strahlungsleistung durch Beeinflussung der elektrischen Ansteuerleistung moduliert werden kann. Als Strahlungsdetektoren können beispielsweise Mehrkanal-Pyrodetektoren mit in das Gehäuse integrierten Schmalbandinterferenzfiltern verwendet werden. Strahlungsquelle, Messkammer und Strahlungsdetektoren bilden eine optische Messstrecke zur Messung der gasabhängigen Strahlungsabsorption die zusammen mit Schaltungs- und Signalverarbeitungsmitteln die optische Konzentrationsmesseinrichtung des Infrarot-Gassensors bildet, wobei die Schaltungsund Signalverarbeitungsmittel die Steuerung der Strahlungsquelle, die Messung der auf die Detektoren auftreffenden Strahlungsleistung, die Berechnung der zu bestimmenden Messgaskonzentration gemäß den oben beschriebenen Signalverarbeitungsschritten und die Speicherung der notwendigen Sensorparameter übernehmen.

Zur automatischen zyklischen Nullpunktkorrektur der optischen Konzentrationsmesseinrichtung im normalen Messbetrieb besitzt der erfindungsgemäße Infrarot-Gassensor Steuerungs-, Schaltungs- und Signalverarbeitungsmittel, die beispielsweise eine Gasförderpumpe, ein 3-2-Wegeventil sowie Ansteuerschaltungen für diese Komponenten umfassen, so dass die Messkammer der optischen Konzentrationsmesseinrichtung automatisch mit dem zu analysierenden Gasgemisch oder mit einem Spülgas befüllt werden kann, wobei die Füllung der Messkammer mit Spülgas erfindungsgemäß verwendet wird, um den Nullpunkt der optischen Konzentrationsmesseinrichtung nachzustellen obwohl sich im Spülgas eine geringe veränderliche Konzentration des Messgases befinden kann und dies dadurch ermöglicht wird, dass mittels eines andersartigen Konzentrationssensors die Konzentration des im Spülgas enthaltenen Messgases bestimmt wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Infrarot-Gassensors sind des weiteren Mittel vorhanden, die ein im wesentlichen nicht absorbierendes Gas für die optische Konzentrationsmesseinrichtung bereitstellen, so dass im Zusammenhang mit dem exakten Nullpunktabgleich der optischen Konzentrationsmesseinrichtung ein Korrekturwert für die Bestimmung der Messgaskonzentration mittels des andersartigen Konzentrationssensors ermittelt werden kann.

Die Lösung der Aufgabe gelingt auch mit einem Verfahren zur Messung der Konzentration eines Infrarotstrahlung absorbierenden Messgases mit einem erfindungsgemäßen Infrarot-Gassensor, der über eine optische Konzentrationsmesseinrichtung und Steuerungs-, Schaltungs- und Signalverarbeitungsmittel zur Befüllung und zur automatischen Bestimmung des Nullpunktes der optischen Konzentrationsmesseinrichtung verfügt, wobei der Nullpunkt der optischen Konzentrationsmesseinrichtung im normalen Messbetrieb bestimmt wird, indem ein Spülgas in die Messkammer geleitet wird, das verglichen mit der in dem zu analysierenden Gasgemisch enthaltenen Konzentration eine geringere Konzentration des Messgases enthält, indem diese geringere Konzentration des Messgases mittels eines in seinem optimalen Arbeitsbereich betriebenen andersartigen Konzentrationssensors gemessen wird und indem mit der so ermittelten geringen Konzentration des Messgases über die inverse Kalibrierfunktion der optischen Konzentrationsmesseinrichtung deren aktueller Nullpunkt berechnet wird und wobei der aktualisierte Nullpunkt der optischen Konzentrationsmesseinrichtung in mindestens einem Messzyklus verwendet wird, um die Konzentration des Infrarotstrahlung absorbierenden Messgases in dem zu analysierenden Gasgemisch zu ermitteln.

Vorzugsweise wird das Verfahren so ausgestaltet, dass der Messprozess in mindestens zwei Abschnitte unterteilt wird, einen Abschnitt, während dessen die Aktualisierung des Nullpunktes der optischen Konzentrationsmesseinrichtung erfolgt und ein zweiter Abschnitt, während dessen die Messung der Konzentration des Infrarotstrahlung absorbierenden Messgases in dem zu analysierenden Gasgemisch erfolgt, wobei zur Aktualisierung des Nullpunktes der optischen Konzentrationsmesseinrichtung aus der Umgebung des Infrarot-Gassensors Spülgas in die Messkammer des Infrarot-Gassensor gesaugt wird, wogegen zur Messung der Konzentration des Infrarotstrahlung absorbierenden Messgases in dem zu analysierenden Gasgemisch das Gasgemisch aus einem gegen Umgebung zumindest teilweise abgeschlossenem Messraum in die Messkammer des Infrarot-Gassensor gesaugt wird.

In einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Wasserdampfmessung bedeutet dies, dass als Spülgas Umgebungsluft verwendet wird und während des Abschnittes der Aktualisierung des Nullpunktes der optischen Konzentrationsmesseinrichtung in die Messkammer geleitet wird, dass der Wasserdampfgehalt der Umgebungsluft mittels eines kombinierten Feuchte-Temperatursensors gemessen wird, dass der derart ermittelte Wasserdampfgehalt verwendet wird, um über die inversen Kalibrierfunktionen den aktuellen Nullpunktes der optischen Konzentrationsmesseinrichtung zu berechnen und dass der so aktualisierte Nullpunkt im Abschnitt der Messung der Konzentration des Infrarotstrahlung absorbierenden Messgases in dem zu analysierenden Gasgemisch zur Berechnung des Messergebnisses verwendet wird. Dabei ist es unerheblich ob im Messprozess zuerst die Aktualisierung des Nullpunktes oder die Messung des zu analysierenden Gasgemisches vorgenommen wird, im zweiten Fall muss lediglich Zwischenergebnisse abgelegt und die Ergebnisberechnung so lange verzögert werden, bis der aktualisierte Nullpunkt der optischen Konzentrationsmesseinrichtung ermittelt worden ist.

In einer weiteren Verfahrensvariante kann auf Benutzeranforderung ein Kalibrierzyklus für den Infrarot-Gassensor durchgeführt werden, bei dem gleichzeitig eine Nullpunktkorrektur der optischen Konzentrationsmesseinrichtung und eine Korrektur des andersartigen Konzentrationssensors bezüglich der Messung der geringen Konzentration des Infrarotstrahlung absorbierenden Messgases im Spülgas erfolgt, indem der auf Benutzeranforderung durchgeführte Kalibrierzyklus für den Infrarot-Gassensor in zwei Abschnitte unterteilt wird, einen Abschnitt, während dessen mit echtem Nullgas eine Nullpunktkorrektur der optischen Messstrecke erfolgt und ein zweiter Abschnitt, während dessen die Messung der geringen Konzentration des Infrarotstrahlung absorbierenden Messgases in dem Spülgas sowohl mittels des andersartigen Konzentrationssensors als auch mittels der optischen Konzentrationsmesseinrichtung mit dem korrigiertem Nullpunkt erfolgt, und indem aus der Abweichung der Messergebnisse der Messung der geringen Konzentration des Infrarotstrahlung absorbierenden Messgases in dem Spülgas zwischen dem andersartigen Konzentrationssensor und der optischen Konzentrationsmesseinrichtung ein Korrekturwert für den andersartigen Konzentrationssensor ermittelt wird.

In einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Wasserdampfmessung bedeutet dies, das während des auf Benutzeranforderung durchgeführten Kalibrierzyklus in einem Abschnitt getrocknete Umgebungsluft oder trockenes Druckgas in die Messkammer der optischen Konzentrationsmesseinrichtung eingeleitet wird, wobei der Nullpunkt der optischen Konzentrationsmesseinrichtung unmittelbar aus den Mess- und Referenzsignalen ermittelt werden kann und in einem zweiten Abschnitt über den kombinierten Feuchte-Temperatursensor Umgebungsluft in die Messkammer der optischen Konzentrationsmesseinrichtung eingeleitet wird, wobei in dem zweiten Abschnitt der Wasserdampfgehalt der Umgebungsluft zum einen aus dem Messsignal des kombinierten Feuchte-Temperatursensors und zum anderen mittels der optischen Konzentrationsmesseinrichtung über den unmittelbar bestimmten Nullpunkt berechnet wird und wobei aus der Differenz der Messergebnisse ein Korrekturterm für die Wasserdampfmessung mit dem kombinierten Feuchte-Temperatursensor ermittelt wird.

Ein solcher Kalibrierzyklus muss nur selten durchgeführt werden, so dass beispielsweise bei Verwendung einer Trockenmittelpatrone als Mittel zur Bereitstellung trockenen Nullgases bei sorgfältigem Umgang eine Standzeit von einem Jahr gewährleistet werden kann. Gleichzeitig wird durch die Korrektur des Feuchtesensors eine hohe Genauigkeit der Messungen gewährleistet.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figur näher erläutert.

1 zeigt den schematischen Aufbau einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Infrarot-Gassensors. Die Strahlungsquelle 1 wird von den Schaltungs- und Signalverarbeitungsmitteln 5 angesteuert und strahlt durch eine Messkammer 2, in die mit Hilfe der Steuerungs-, Schaltungs- und Signalverarbeitungsmittel 6 das zu analysierende Gasgemisch oder ein Spülgas eingeleitet werden kann, auf den Messdetektor 3 und den Referenzdetektor 4. Deren Ausgangssignale x_m zw. x_r werden von den Schaltungs- und Signalverarbeitungsmitteln 5 weiterverarbeitet, um die Konzentration des Infrarotstrahlung absorbierenden Messgases zu ermitteln. In dem dazu erforderlichen Algorithmus wird als Normierungsgröße das Signal x_m0 bzw. das Signalverhältnis x_m0/x_r0 benötigt. Diese Signale repräsentieren die von den Strahlungsdetektoren 3, 4 empfangenen Strahlungsleistungen, wenn sich kein Infrarotstrahlung absorbierenden Messgas in der Messkammer befindet. Wenn durch die Betriebsbedingungen des Gassensors eine hohe Konstanz der Normierungsgröße über die geplante Messdauer nicht gegeben ist, müssen zwischenzeitlich Nullpunkteinstellungen vorgenommen werden. Für diese häufig erforderlichen Nullpunkteinstellungen wird erfindungsgemäß mittels der Steuerungs-, Schaltungs- und Signalverarbeitungsmittel 6 ein Spülgas in die Messkammer geleitet, wobei das Spülgas ein veränderliche aber im Verhältnis zu dem zu analysierenden Gasgemisch geringere Konzentration an Messgas enthalten kann. Dieses Spülgas wird über einen separaten Spülgaseingang angesaugt und mittels eines andersartigen Konzentrationssensors 7 wird die Konzentration des Messgases im Spülgas ermittelt. Nachfolgend wird mit der so ermittelte Messgaskonzentration im Spülgas über die inverse Kalibrierfunktion der optischen Konzentrationsmesseinrichtung das aktuelle Normierungssignal, d.h. deren aktueller Nullpunkt berechnet.
Im Fall der praktisch bedeutsamen Wasserdampfmessung, ist der andersartige Konzentrationssensor 7 ein kombinierter Feuchte-Temperatursensor, der, da er nie mit dem zu analysierenden hohen Wasserdampfgehalt in Berührung kommt, immer im optimalen Arbeitsbereich mit minimalem Fehler arbeitet.
Auf diese Art und Weise kann auch bei stark driftenden Signalen, z.B. nach kurzen Anwärmzeiten portabler IR-Feuchtesensoren, ein Messverfahren realisiert werden, das eine hohe Genauigkeit der IR-Feuchtemessung gewährleistet, da in jedem Messprozess zur Bestimmung der Konzentration des Infrarotstrahlung absorbierenden Messgases in dem zu analysierenden Gasgemisch ein automatischer Nullpunktabgleich der optischen Konzentrationsmesseinrichtung erfolgen kann.
Zusätzlich werden erfindungsgemäß zu Kalibrierzwecken Mittel 8 zur Bereitstellung von echtem Nullgas eingesetzt, mit denen ein periodischer Abgleich des Gassensors in Zeitabschnitten von vier bis zwölf Wochen erfolgen kann. Zur Durchführung dieses Abgleichs werden die Mittel 8 mit dem Analysegaseingang des Gassensors verbunden. Im Fall des Wasserdampfsensors können dies eine Druckgasflasche mit Stickstofffüllung oder eine Trockenmittelpatrone sein. Der Kalibrierzyklus läuft dann ebenfalls in zwei Abschnitten ab, wobei während eines ersten Abschnitts das trockene Gas über den Analysegaseingang in die Messkammer 2 eingeleitet und der Nullpunkt der optischen Messstrecke unmittelbar aus den Mess- und Referenzsignalen abgeleitet wird und wobei während eines zweiten Abschnitts Spülgas über den Spülgaseingang in die Messkammer 2 eingeleitet wird, die Messung des Wasserdampfgehaltes im Spülgas sowohl mittels des kombinierten Feuchte-Temperatursensors als auch mittels der optischen Konzentrationsmesseinrichtung mit dem aktuell korrigiertem Nullpunkt erfolgt und aus der Differenz der Messergebnisse des kombinierten Feuchte-Temperatursensors und der optischen Konzentrationsmesseinrichtung ein Korrekturwert für den kombinierten Feuchte-Temperatursensors ermittelt wird.
Die in Block 6 zusammengefassten Steuerungs-, Schaltungs- und Signalverarbeitungsmittel zur Befüllung und zur automatischen Bestimmung des Nullpunktes der optischen Konzentrationsmesseinrichtung enthalten eine Pumpe und ein 3-2-Wegeventil mit der zugehörigen Steuerelektronik, wobei die Gasförderpumpe hinter dem 3-2-Wegeventil angeordnet ist. Wie für den Fachmann ersichtlich ist, kann die Pumpe aber auch zwischen Messkammer und Gasauslass angeordnet werden.
Auch wenn die vorliegende Erfindung weitgehend am Beispiel eines IR-Feuchtesensors erläutert worden ist, sind auch andere Messkomponenten denkbar, für die in der optischen Konzentrationsmesseinrichtung lediglich andere Wellenlängen verwendet werden müssen und für die als andersartige Konzentrationssensoren Halbleitergassensoren, Quarz-Mikrobalance oder weitere Festkörper-Gassensoren zur Anwendung kommen können.

Claims

Infrarot-Gassensor zur Bestimmung der Konzentration eines Infrarotstrahlung absorbierenden Messgases, umfassend eine optische Konzentrationsmesseinrichtung sowie Steuerungs-, Schaltungs- und Signalverarbeitungsmittel 6 zur automatischen Bestimmung des Nullpunktes der optischen Konzentrationsmesseinrichtung, wobei die optische Konzentrationsmesseinrichtung, eine optische Messstrecke zur Erfassung der vom Messgas verursachten Strahlungsabsorption, bestehend aus einer Messkammer 2, durch die das zu analysierende Gasgemisch oder ein Spülgas geleitet werden kann, einer Strahlungsquelle 1 und mindestens einem Strahlungsdetektor mit Interferenzfilter, der als Messdetektor 3 verwendet wird, und Schaltungs- und Signalverarbeitungsmittel 5 zur Steuerung der Strahlungsquelle, zur Messung der auf den Detektor auftreffenden Strahlungsleistung und zur Berechnung der Konzentration des Messgases umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zur automatischen zyklischen Nullpunktkorrektur der optischen Konzentrationsmesseinrichtung im normalen Messbetrieb des Infrarot-Gassensors ein andersartiger Konzentrationssensor 7 vorhanden ist, der mit dem zu analysierenden Gasgemisch nicht in Berührung kommt, und mit dem eine in einem Spülgas enthaltene variierende und relativ geringe Messgaskonzentration ermittelt wird und dass zur Korrektur des andersartigen Konzentrationssensors 7 auf Benutzeranforderung Mittel 8 zur Bereitstellung von echtem Nullgas vorhanden sind.
Infrarot-Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Messstrecke zur Erfassung der vom Messgas verursachten Strahlungsabsorption einen weiteren Strahlungsdetektor mit Interferenzfilter umfasst, der als Referenzdetektor 4 verwendet wird.
Infrarot-Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich Strahlungsquelle 1 und Strahlungsdetektoren 3,4 an gegenüberliegenden Seiten der Messkammer 2 befinden.
Infrarot-Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich Strahlungsquelle 1 und Strahlungsdetektoren 3,4 an der gleichen Seite der Messkammer 2 befinden und dass an der gegenüberliegenden Seite der Messkammer eine Reflexionseinrichtung angeordnet ist, die die Strahlung der Strahlungsquelle 1 auf die Strahlungsdetektoren 3,4 reflektiert.
Infrarot-Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Infrarotstrahlung absorbierenden Messgas Wasserdampf ist und dass der andersartige Konzentrationssensor ein kombinierter Feuchte- und Temperatursensor ist.
Verfahren zur Messung der Konzentration eines Infrarotstrahlung absorbierenden Messgases mit einem Infrarot-Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nullpunkt der optischen Konzentrationsmesseinrichtung im normalen Messbetrieb bestimmt wird, – indem die Steuerungs-, Schaltungs- und Signalverarbeitungsmittel 6 zur automatischen Bestimmung des Nullpunktes der optischen Strahlungsmessanordnung ein Spülgas durch die Messkammer 2 leiten, das verglichen mit der in dem zu analysierenden Gasgemisch enthaltenen Konzentration eine geringere Konzentration des Messgases enthält, – indem diese geringere Konzentration des Messgases mittels eines in seinem optimalen Arbeitsbereich betriebenen andersartigen Konzentrationssensors 7 gemessen wird und – indem mit der so ermittelten geringen Konzentration des Messgases über die inverse Kalibrierfunktion der optischen Konzentrationsmesseinrichtung deren aktueller Nullpunkt berechnet wird, und dass der aktualisierte Nullpunkt der optischen Konzentrationsmesseinrichtung in mindestens einem Messzyklus verwendet wird, um die Konzentration des Infrarotstrahlung absorbierenden Messgases in dem zu analysierenden Gasgemisch zu ermitteln.
Verfahren zur Gaskonzentrationsmessung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Messprozess in mindestens zwei Abschnitte unterteilt wird, einen Abschnitt, während dessen die Aktualisierung des Nullpunktes der optischen Konzentrationsmesseinrichtung erfolgt und ein zweiter Abschnitt, während dessen die Messung der Konzentration des Infrarotstrahlung absorbierenden Messgases in dem zu analysierenden Gasgemisch erfolgt, wobei zur Aktualisierung des Nullpunktes der optischen Konzentrationsmesseinrichtung aus der Umgebung des Infrarot-Gassensors Spülgas in die Messkammer des Infrarot-Gassensor gesaugt wird, wogegen zur Messung der Konzentration des Infrarotstrahlung absorbierenden Messgases in dem zu analysierenden Gasgemisch das Gasgemisch aus einem gegen Umgebung zumindest teilweise abgeschlossenem Messraum in die Messkammer des Infrarot-Gassensor gesaugt wird.
Verfahren zur Messung der Konzentration eines Infrarotstrahlung absorbierenden Messgases mit einem Infrarot-Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf Benutzeranforderung ein Kalibrierzyklus für den Infrarot-Gassensor durchgeführt werden kann, bei dem gleichzeitig eine Nullpunktkorrektur der optischen Konzentrationsmesseinrichtung und eine Korrektur des andersartigen Konzentrationssensors 7 bezüglich der Messung der geringen Konzentration des Infrarotstrahlung absorbierenden Messgases im Spülgas erfolgt, indem der auf Benutzeranforderung durchgeführte Kalibrierzyklus für den Infrarot-Gassensor in zwei Abschnitte unterteilt wird, einen Abschnitt, während dessen mit echtem Nullgas eine Nullpunktkorrektur der optischen Messstrecke erfolgt und ein zweiter Abschnitt, während dessen die Messung der geringen Konzentration des Infrarotstrahlung absorbierenden Messgases in dem Spülgas sowohl mittels des andersartigen Konzentrationssensors 7 als auch mittels der optischen Konzentrationsmesseinrichtung mit dem korrigiertem Nullpunkt erfolgt, und indem aus der Abweichung der Messergebnisse der Messung der geringen Konzentration des Infrarotstrahlung absorbierenden Messgases in dem Spülgas zwischen dem andersartigen Konzentrationssensor 7 und der optischen Konzentrationsmesseinrichtung ein Korrekturwert für den andersartigen Konzentrationssensor 7 ermittelt wird.
Verfahren zur Gaskonzentrationsmessung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktualisierung des Nullpunktes im Zusammenhang mit jeder Messung der Konzentration des Infrarotstrahlung absorbierenden Messgases in dem zu analysierenden Gasgemisch erfolgt.
Verfahren zur Gaskonzentrationsmessung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Messprozess der Abschnitt der Aktualisierung des Nullpunktes vor dem Abschnitt der Messung der Konzentration des Infrarotstrahlung absorbierenden Messgases in dem zu analysierenden Gasgemisch erfolgt.
Verfahren zur Gaskonzentrationsmessung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Messprozess der Abschnitt der Aktualisierung des Nullpunktes nach dem Abschnitt der Messung der Konzentration des Infrarotstrahlung absorbierenden Messgases in dem zu analysierenden Gasgemisch erfolgt.
Verfahren zur Gaskonzentrationsmessung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Messprozess einen dritten Abschnitt der Spülung der Optik mit Spülgas umfasst, der zum Freispülen der Optik zur Vermeidung von Absorptionseffekten im Anschluss an den Abschnitt der Messung der Konzentration des Infrarotstrahlung absorbierenden Messgases in dem zu analysierenden Gasgemisch durchgeführt wird.