DE102007020596A1 - Detektoranordnung für einen nichtdispersiven Infrarot-Gasanalysator - Google Patents
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Abstract
Die Detektoranordnung (7) weist zum Nachweis einer Messgaskomponente in einem Gasgemisch (5) einen ersten Einschichtempfänger (8) und mindestens einen weiteren Einschichtempfänger (9) auf, die hintereinander im Strahlengang (3) des Gasanalysators (1) liegen, wobei der erste Einschichtempfänger (8) die Messgaskomponente und der mindestens eine weitere Einschichtempfänger (9) ein Quergas oder die Messgaskomponente enthält. Die Konzentration der Messgaskomponente in dem Gasgemisch (5) wird aus den druck- oder strömungsempfindlichen Sensoren (16, 17) der Einschichtempfänger (8, 9) gelieferten Signalen (S1, S2) ermittelt. Erfindungsgemäß enthält die Auswerteeinrichtung (18) eine entsprechend der Anzahl n der Einschichtempfänger (8, 9) n-dimensionale Kalibrationsmatrix (22), in der bei unterschiedlichen bekannten Konzentrationen der Messgaskomponente in Anwesenheit von unterschiedlichen bekannten Quergaskonzentrationen erhaltene Signalwerte (S1, S2) als n-Tupel abgespeichert sind. Beim Messen von unbekannten Konzentrationen der Messgaskomponente in Anwesenheit von unbekannten Quergaskonzentrationen wird durch Vergleich der dabei erhaltenen n-Tupel von Signalwerten (S1, S2) mit den in der Kalibrationsmatrix (22) abgespeicherten n-Tupeln von Signalwerten (S1, S2) die Konzentration der Messgaskomponente ermittelt.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Detektoranordnung für einen nichtdispersiven Infrarot-(NDIR-)Gasanalysator zum Nachweis einer Messgaskomponente in einem Gasgemisch, mit einem ersten Einschichtempfänger und mindestens einem weiteren Einschichtempfänger, die hintereinander im Strahlengang des Gasanalysators liegen, wobei der erste Einschichtempfänger die Messgaskomponente und der mindestens eine weitere Einschichtempfänger ein Quergas oder die Messgaskomponente – auch in einer anderen Konzentration als der erste Einschichtempfänger – enthält, und mit einer Auswerteeinrichtung zur Ermittlung der Konzentration der Messgaskomponente in dem Gasgemisch aus von druck- oder strömungsempfindlichen Sensoren der Einschichtempfänger gelieferten Signalen.
- Eine derartige, aus der
DE-AS 1 109 418 bekannte Detektoranordnung weist zwei hintereinander liegende Einschichtempfänger auf, die beide mit der Messgaskomponente gefüllt sind, wobei der Partialdruck der Messgaskomponente in dem ersten Einschichtempfänger niedriger als in dem zweiten Einschichtempfänger gewählt ist. Alternativ enthalten die beiden Einschichtempfänger unterschiedliche Gasfüllungen, wobei z. B. zur Messung von Methan in Gegenwart von Wasserdampf der erste Einschichtempfänger mit der Messgaskomponente Methan und der weitere Einschichtempfänger mit Ammoniak als Ersatz für das Quergas Wasserdampf gefüllt ist. Die Einschichtempfänger weisen jeweils eine im Strahlengang des Gasanalysators liegende aktive Detektorkammer und eine mit ihr über eine Verbindungsleitung verbundene passive Ausgleichskammer außerhalb des Strahlengangs auf, die einen Membrankondensator als druckempfindlichen Sensor enthält. Alternativ kann ein strömungsempfindlicher Sensor in der Verbindungsleitung angeordnet werden, so wie es z. B. aus J. Staab: "Industrielle Gasanalyse", Oldenbourg, 1994, Seiten 167f und 172f bekannt ist. - Bei der aus der
DE-AS 1 109 418 bekannten Detektoranordnung werden die von den Sensoren der beiden Einschichtempfänger gelieferten Signale einer Auswerteschaltung zugeführt, die als Kompensationsschaltung ausgebildet ist und das Verhältnis beider Signale bildet. Unter der Voraussetzung, dass die Gasfüllung des zweiten Einschichtempfängers in Bezug auf Zusammensetzung und/oder Druck derart gewählt ist, dass das Absorptionsgebiet dieses zweiten Einschichtempfängers das schmalere Absorptionsgebiet des ersten Einschichtempfängers breit überdeckt, wird erreicht, dass das Sensorsignal des zweiten Einschichtempfängers, welches nur auf dem Einfluss der in dem ersten Einschichtempfänger nicht absorbierten Strahlung beruht und daher auf die Komponente des breiten Absorptionsbereichs zurückgeht, denjenigen Anteil in dem Sensorsignal des ersten Einschichtempfängers kompensiert, der gerade von dieser überdeckenden Komponente des breiten Absorptionsbereichs in dem ersten Einschichtempfänger herrührt. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kompensation des Einflusses von Quergasen auf das Messergebnis zu ermöglichen, ohne dass die oben genannte Voraussetzung erfüllt sein muss.
- Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass bei der Detektoranordnung der eingangs angegebenen Art die Auswerteeinrichtung eine entsprechend der Anzahl n der Einschichtempfänger n-dimensionale Kalibrationsmatrix enthält, in der bei unterschiedlichen bekannten Konzentrationen der Messgaskomponente in Anwesenheit von unterschiedlichen bekannten Quergaskonzentrationen erhaltene Signalwerte der Sensoren als n-Tupel abgespeichert sind, und dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, beim Messen von unbekannten Konzentrationen der Messgaskomponente in Anwesenheit von unbekannten Quergaskonzentrationen durch Vergleich der dabei erhaltenen n-Tupel von Signalwerten mit den in der Kalibrationsmatrix abgespeicherten n-Tupeln von Signalwerten die Konzentration der Messgaskomponente zu ermitteln.
- Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Detektoranordnung sind in den Unteransprüchen angegeben.
- Das Sensorsignal eines jeden Einschichtempfängers enthält neben dem durch die Strahlungsabsorption in dem eigenen Einschichtempfänger erzeugten hauptsächlichen Signalanteil auch geringere Signalanteile aus den jeweils anderen Einschichtempfängern. Die Sensorsignale von n Einschichtempfängern bilden daher eine n-dimensionale Ergebnismatrix. Enthält der erste Einschichtempfänger die Messgaskomponente und sind die nachgeordneten n – 1 Einschichtempfänger mit unterschiedlichen Quergasen gefüllt, so lässt sich die Konzentration einer Messgaskomponente auch in Anwesenheit der Quergase in unterschiedlichen Konzentrationen ermitteln. Dazu werden entsprechend der Erfindung zunächst die bei verschiedenen bekannten Konzentrationen der Messgaskomponente in Anwesenheit von verschiedenen bekannten Konzentrationen der n – 1 unterschiedlichen Quergase erhaltenen Signalwerte als n-Tupel zusammen mit dem jeweiligen bekannten Konzentrationswert der Messgaskomponente in einer Kalibrationsmatrix abgespeichert. Soll dann später eine unbekannte Konzentration der Messgaskomponente in Anwesenheit der Quergase, deren Konzentrationen ebenfalls unbekannt sind, ermittelt werden, so werden die dabei erhaltenen n-Tupel von Signalwerten mit den in der Kalibrationsmatrix abgespeicherten n-Tupeln von Signalwerten verglichen und der entsprechende Konzentrationswert der Messgaskomponente aus der Kalibrationsmatrix ermittelt.
- Für die Erstellung der Kalibrationsmatrix reicht eine begrenzte Anzahl von Messungen mit bekannten Konzentrationen der Messgaskomponente in Anwesenheit von bekannten Konzentrationen der Quergase aus, um eine Reihe von Stützwerten zu erhalten, von denen ausgehend die Kalibrationsmatrix mittels eines Simulationsprogramms beispielsweise durch Interpolation der Stützwerte bzw. Extrapolation komplettiert wird. Der Begriff Kalibrationsmatrix umfasst hier auch die sie beschreibende mathematische Funktionen und ihre Parameter.
- Die allgemeine Anwendbarkeit der Erfindung wird nur durch die Dynamikbereiche der jeweiligen Gase eingeschränkt. In der Praxis müssen daher sowohl der Dynamikbereich der Messgaskomponente als auch die Dynamikbereiche der Quergase durch die entsprechende Auslegung des Gasanalysators (Strahler, Länge der verwendeten Küvetten und Detektorkammern) an die Anforderungen angepasst werden.
- Alternativ zur Füllung der weiteren Einschichtempfänger mit Quergasen können diese auch mit der Messgaskomponente gefüllt werden. Dies kann mit unterschiedlichen Konzentrationen geschehen, wobei die Konzentration in dem ersten Einschichtempfänger vorzugsweise am geringsten ist. Dabei werden, nicht wie oben, die Quergase direkt, sondern lediglich ihr Einfluss auf die Messung der Konzentration der Messgaskomponente bestimmt. Dadurch sind Quergaseinflüsse direkt mit der notwendigen Genauigkeit der Messgaskomponente kompensierbar, ohne dass die Dynamikbereiche der Quergase berücksichtigt werden müssen. Durch die Absorption in dem ersten Einschichtempfänger, wird ein Signal erzeugt, das sowohl Informationen über die Messgaskomponente als auch über die anwesenden Quergase enthält. Ein Effekt der Absorption in dem ersten Einschichtempfänger ist aber auch, dass die verschiedenen Wellenlängenanteile der Strahlung unterschiedlich gewichtet werden, wobei die wellenlängenabhängige Wichtung dem Transmissionsverhalten der Messgaskomponente entspricht. In dem folgenden Einschichtempfänger wird diese wellenlängengewichtete Strahlung nun erneut integral erfasst, so dass es möglich ist, zwischen unterschiedlichen spektralen Formen, und damit unterschiedlichen Konzentrationen von Quergasen, zu unterscheiden. Es entsteht also auch hier eine n-dimensionale Ergebnismatrix, die über die jeweils n erhaltenen Signalwerte zur genauen Messgaskonzentration führt und den Quergaseinfluss kompensiert.
- Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im Einzelnen zeigen:
-
1 ein Ausführungsbeispiel eines NDIR-Gasanalysators in Einkanal-Ausführung, -
2 ein Beispiel eines NDIR-Gasanalysators in Zweikanal-Ausführung, -
3 ein Beispiel für die Kalibrationsmatrix und -
4 ein Beispiel für die erfindungsgemäße Detektoranordnung. -
1 zeigt einen NDIR-Gasanalysator1 in Einkanal-Ausführung mit einem Infrarot-Strahler2 , der eine Messstrahlung3 erzeugt. Die Messstrahlung3 durchstrahlt eine Messküvette4 , die ein Gasgemisch5 mit einer Messgaskomponente enthält, deren Konzentration zu bestimmen ist. Dabei wird die Messstrahlung3 mittels eines zwischen dem Infrarot-Strahler2 und der Messküvette4 angeordneten rotierenden Modulatorrads (Chopper, Zerhacker)6 moduliert. Nach Durchstrahlen der Messküvette4 fällt die Messstrahlung3 auf eine Detektoranordnung7 bestehend aus einem ersten Einschichtempfänger8 und einem nachgeordneten weiteren Einschichtempfänger9 . Jeder der beiden Einschichtempfänger8 ,9 weist jeweils eine im Strahlengang3 des Gasanalysators1 liegende aktive Detektorkammer10 bzw.11 und außerhalb des Strahlengangs3 eine passive Ausgleichskammer12 bzw.13 auf, die über eine Verbindungsleitung14 bzw.15 mit einem darin angeordneten druck- oder strömungsempfindlichen Sensor16 bzw.17 miteinander verbunden sind. Die Sensoren16 und17 erzeugen Signale S1 und S2, aus denen in einer Auswerteeinrichtung18 als Messergebnis M die Konzentration der Messgaskomponente in dem Gasgemisch5 ermittelt wird. - Der in
2 gezeigte NDIR-Gasanalysator1' unterscheidet sich von dem nach1 durch einen Zweistrahl-Aufbau. Mittels eines Strahlteilers20 (sog. Hosenkammer) wird die von dem Infrarot-Strahler2 erzeugte Messstrahlung3 auf einen Messstrahlengang durch die das Gasgemisch5 mit der Messgaskomponente enthaltende Messküvette4 und einen Vergleichsstrahlengang durch eine mit einem Vergleichsgas20 gefüllte Vergleichsküvette21 aufgeteilt. Hinter der Messküvette4 und der Vergleichsküvette21 werden der Messstrahlengang und der Vergleichsstrahlengang mittels eines Strahlungssammlers22 wieder zusammengeführt und gelangen anschließend in die unter Bezug auf1 bereits beschriebene Detektoranordnung7 . - Die Auswerteeinrichtung
18 enthält eine Kalibrationsmatrix22 , die in3 im Detail dargestellt ist und an Hand derer im Folgenden die Funktionsweise der Detektoranordnung7 näher erläutert wird. - In die Messküvette
4 werden nacheinander verschiedene Quergaskonzentrationen mit verschiedenen Konzentrationen der Messgaskomponente eingeführt. Für jede zur Verfügung stehende Konzentration wird ein Wertepaar (2-Tupel) der Signale S1 und S2 gemessen, so wie dies beispielhaft in der nachfolgenden Tabelle dargestellt ist. Aus den aufgenommenen Wertepaaren der Signale51 und S2 und den zugehörigen bekannten Konzentrationswerten der Messgaskomponente wird die Kalibrationsmatrix22 erstellt, wobei Zwischenwerte durch Interpolation der aufgenommenen bzw. bekannten Stützwerte gebildet werden. Die Kalibrationsmatrix22 kann auch in Form einer sie beschreibende mathematische Funktion und der zugehörigen Funktionsparameter in der Auswerteeinrichtung18 hinterlegt sein.Messgaskomponente in ppm Quergaskomponente in ppm S1 S2 0 0 ... ... 0 5000 ... ... 0 10000 ... ... 0 15000 ... ... 0 20000 ... ... 500 0 ... ... 500 5000 ... ... 500 10000 ... ... 500 15000 ... ... 500 20000 ... ... 1000 0 ... ... 1000 5000 ... ... 1000 10000 ... ... 1000 15000 ... ... 1000 20000 ... ... -
4 zeigt schließlich ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Detektoranordnung7 , das deren alternative Verwendung als Zweischichtempfänger ermöglicht, so dass für unterschiedliche Anwendungen nicht unterschiedliche Typen von Detektoranordnungen produziert werden müssen. Die Ausgleichskammern12 ,13 des ersten und des zweiten Einschichtempfängers8 ,9 sind über eine verschließbare Kapillare23 miteinander verbunden. Die Kapillare23 ist derart bemessen, dass sie als pneumatischer Tiefpass wirkt und die durch die Modulation der Strahlung3 in den Einschichtempfängern8 ,9 hervorgerufenen Druckänderungen nicht zwischen den Ausgleichskammern12 ,13 überträgt. - Beim erfindungsgemäßen Gebrauch der Detektoranordnung
7 ist die Kapillare23 verschlossen und die Einschichtempfänger8 ,9 werden getrennt über Gasanschlüsse24 ,25 ,26 ,27 mit unterschiedlichen Gasen bzw. unterschiedlichen Gaskonzentrationen gefüllt. Der Verschluss28 der Kapillare23 kann über ein stellbares Ventil oder bei der Herstellung der Detektoranordnung durch Klebstoff oder Verschmelzen der Kapillare23 erfolgen. - Bei Verwendung der Detektoranordnung
7 als Zweischichtdetektor ist die Kapillare23 geöffnet, so dass beiden Hälften8 ,9 des Zweischichtdetektors in einem einzigen Füllschritt mit dem Gas gefüllt werden können. Wenn aufgrund unterschiedlicher Leckraten der Gasaustritt über längere Zeit aus beiden Hälften8 ,9 des Zweischichtdetektors unterschiedlich ist, kommt es über die Kapillare23 zu einem Druck- und Konzentrationsausgleich zwischen beiden Hälften8 ,9 des Zweischichtdetektors, wodurch der Messfehler minimiert wird. Da die Kapillare23 als pneumatischer Tiefpass wirkt, werden die messtechnischen periodischen Druckänderungen nicht zwischen den beiden Hälften8 ,9 des Zweischichtdetektors übertragen. - Wie
4 weiter zeigt, weisen die aktiven Detektorkammern10 ,11 Fenster zum Einlass der Strahlung3 auf. Anstelle eines Austrittsfensters kann zum Abschluss der letzten Detektorkammer11 ein Spiegel31 vorgesehen werden, um so die optisch wirksame Länge der letzten Detektorkammer11 zu vergrößern. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 1109418 [0002, 0003]
- Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - J. Staab: "Industrielle Gasanalyse", Oldenbourg, 1994, Seiten 167f und 172f [0002]
Claims (3)
- Detektoranordnung (
7 ) für einen nichtdispersiven Infrarot-(NDIR-)Gasanalysator (1 ,1' ) zum Nachweis einer Messgaskomponente in einem Gasgemisch (5 ), mit einem ersten Einschichtempfänger (8 ) und mindestens einem weiteren Einschichtempfänger (9 ), die hintereinander im Strahlengang (3 ) des Gasanalysators (1 ,1' ) liegen, wobei der erste Einschichtempfänger (8 ) die Messgaskomponente und der mindestens eine weitere Einschichtempfänger (9 ) ein Quergas oder die Messgaskomponente enthält, und mit einer Auswerteeinrichtung (18 ) zur Ermittlung der Konzentration der Messgaskomponente in dem Gasgemisch (5 ) aus von druck- oder strömungsempfindlichen Sensoren (16 ,17 ) der Einschichtempfänger (8 ,9 ) gelieferten Signalen (S1, S2), dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (18 ) eine entsprechend der Anzahl n der Einschichtempfänger (8 ,9 ) n-dimensionale Kalibrationsmatrix (22 ) enthält, in der bei unterschiedlichen bekannten Konzentrationen der Messgaskomponente in Anwesenheit von unterschiedlichen bekannten Quergaskonzentrationen erhaltene Signalwerte (S1, S2) der Sensoren (16 ,17 ) als n-Tupel abgespeichert sind, und dass die Auswerteeinrichtung (18 ) dazu ausgebildet ist, beim Messen von unbekannten Konzentrationen der Messgaskomponente in Anwesenheit von unbekannten Quergaskonzentrationen durch Vergleich der dabei erhaltenen n-Tupel von Signalwerten (S1, S2) mit den in der Kalibrationsmatrix (22 ) abgespeicherten n-Tupeln von Signalwerten (S1, S2) die Konzentration der Messgaskomponente zu ermitteln. - Detektoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschichtempfänger (
8 ,9 ) jeweils eine im Strahlengang (3 ) des Gasanalysators (1 ,1' ) liegende aktive Detektorkammer (10 ,11 ) und außerhalb des Strahlengangs (3 ) eine passive Ausgleichskammer (12 ,13 ) aufweisen, die über eine Verbindungsleitung (14 ,15 ) mit dem darin angeordneten druck- oder strömungsempfindlichen Sensor (16 ,17 ) miteinander verbunden sind. - Detektoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zu ihrer alternativen Verwendung als Zweischichtempfänger die Ausgleichskammern (
12 ,13 ) des ersten und des weiteren Einschichtempfängers (8 ,9 ) über eine verschließbare Kapillare (23 ) miteinander verbunden sind.
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