DE102010023453B3 - Gas analyzer for measuring e.g. nitrogen oxide, concentration based on e.g. UV resonance absorption spectroscopy measurement principle, has light-proof measuring tube arranged at inner wall side of highly reflective transparent glass tubes - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasanalysatoreinrichtung zur Messung von Gaskonzentrationen, umfassend mindestens eine in einer rohrförmigen Messküvette ausgebildeten messgasdurchströmten Messkammer, welche eine eingangsseitig angeordnete Strahlungsquelle längs parallel durchleuchtet, deren jeweils durch Absorptionsverluste abgeschwächter Lichtstrahl mindestens ein ausgangsseitig angeordneter Detektor zur Gaskonzentrationsermittlung erfasst, wobei zum Längenausgleich verschieden großer aktiver Messlängen von Messküvetten mindestens ein eine zusätzliche passive Messlänge erzeugendes koaxiales Strahlleitrohr vorgesetzt ist, um eine einheitliche Gesamtlänge von Messküvetten zu erzielen.The present invention relates to a gas analyzer device for measuring gas concentrations, comprising at least one measuring gas flowed through in a tubular measuring cell, which illuminates a light source which is attenuated longitudinally along its input side and whose light beam attenuated by absorption losses captures at least one detector for gas concentration determination arranged on the output side, different for length compensation at least one coaxial Strahlleitrohr generating an additional passive measuring length is set to large active measuring lengths of cuvettes in order to achieve a uniform total length of cuvettes.
Mit Gasanalysatoreinrichtungen der vorgenannten Art werden Gaskonzentrationen mittels Absorption von elektromagnetischer Strahlung vermessen. Die hier interessierende Gasanalysatoreinrichtung arbeitet vorzugsweise nach dem Messprinzip der Ultravioletten Resonanz-Absorptions-Spektroskopie für Stickoxidanalyse, kann jedoch auch nach dem Messprinzip der nicht dispersiven Ultraviolettabsorption für die Gaskonzentrationsermittlung von Schwefeldioxid oder Stickstoffdioxid im bevorzugten ultravioletten Spektralbereich von 200–600 nm zum Einsatz kommen. Daneben ist es auch denkbar, die vorliegende Erfindung auf Infrarot-Fotometer anzuwenden, welche nach dem Messprinzip der nicht dispersiven Infrarotabsorption im Wellenbereich von 2,5–8 μm arbeiten.With gas analyzer devices of the aforementioned type, gas concentrations are measured by means of absorption of electromagnetic radiation. The gas analyzer of interest here preferably operates on the measuring principle of ultraviolet resonance absorption spectroscopy for nitrogen oxide analysis, but can also be used according to the measurement principle of non-dispersive ultraviolet absorption for gas concentration determination of sulfur dioxide or nitrogen dioxide in the preferred ultraviolet spectral range of 200-600 nm. In addition, it is also conceivable to apply the present invention to infrared photometers, which operate on the measurement principle of non-dispersive infrared absorption in the wave range of 2.5-8 microns.
Aus der
Diese Gasanalysatoreinrichtung arbeitet auf Basis der Absorptionsspektroskopie, bei der charakteristische Strahlungsbanden, die energetisch im Licht der Strahlungsquelle enthalten sind, innerhalb des zu messenden Mediums von den entsprechenden Molekülen der zu messenden Medienkomponente absorbiert werden. Je nach dem charakteristischen Selektierungsverfahren oder dem verwendeten Wellenlängenbereich unterscheidet man beispielsweise das nicht-dispersive Verfahren für den infraroten (NDIR) oder UV (NDUV) Strahlungsbereich. Die Strahlungsabsorption als solche ist dabei ein Maß für die Konzentration des die Absorption bewerkstelligenden Mediums oder einer Komponente hiervon. Hierzu durchströmt das zu messende Medium die Messküvette der Länge nach, wobei stirnseitig des die aktive Messlänge der Messküvette bildenden Messrohres optische Fensteröffnungen für den fotometrischen Strahlendurchgang vorgesehen sind.This gas analyzer operates on the basis of absorption spectroscopy in which characteristic radiation bands energetically contained in the light of the radiation source are absorbed within the medium to be measured by the corresponding molecules of the media component to be measured. Depending on the characteristic selection method or the wavelength range used, a distinction is made, for example, between the non-dispersive method for the infrared (NDIR) or UV (NDUV) radiation range. As such, the radiation absorption is a measure of the concentration of the absorption-effecting medium or a component thereof. For this purpose, the medium to be measured flows through the measuring cuvette lengthwise, with optical window openings being provided for the photometric beam passage at the end face of the measuring tube forming the active measuring length of the measuring cuvette.
Aus der
Bei den bekannten Gasanalysatoreinrichtungen der vorstehend angegebenen Art lässt sich die rohrförmige Messküvette in der Regel austauschen, um den Messaufbau für eine andere Gasart umzurüsten oder eine Reparatur durchzuführen. Gebräuchliche Messküvetten können dabei aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Um sowohl niedrige als auch hohe Gaskonzentrationen mit entsprechender Genauigkeit vermessen zu können, ist die Länge des aktiven Messbereichs variabel. Der aktive Messbereich wird dabei durch den Abstand der stirnseitigen optischen Fensteröffnungen der Messküvette bestimmt. Um trotz unterschiedlich langer aktiver Messbereiche eine einheitlich definierte Gesamtlänge der Messküvetten verschiedener Art realisieren zu können, werden gewöhnlich zwecks Längenausgleich so genannte passive Messlängen hinzugefügt, welche nicht vom Messgas durchströmt sind. Diese passiven Messlängen werden dabei durch vorgesetzte koaxiale Strahlleitrohre erzeugt und bilden eine Art optischen Tabus.In the known gas analyzer devices of the type indicated above, the tubular measuring cuvette can usually be exchanged in order to convert the measuring setup for a different type of gas or to carry out a repair. Common cuvettes can consist of different materials. In order to be able to measure both low and high gas concentrations with appropriate accuracy, the length of the active measuring range is variable. The active measuring range is determined by the distance between the frontal optical window openings of the measuring cuvette. In order to be able to realize a uniformly defined total length of the measuring cuvettes of different types in spite of different lengths of active measuring ranges, so-called passive measuring lengths are usually added for the purpose of length compensation, which are not flowed through by the measuring gas. These passive measuring lengths are generated by superior coaxial beam guidance tubes and form a sort of optical taboo.
Ein Nachteil solcher dem eigentlichen Messrohr vorgesetzter koaxialer Strahlleitrohre besteht darin, dass diese Oberflächen- und materialbedingt eine recht geringe optische Qualität in Bezug auf die innenwandseitige Reflektion gegenüber der Messrohrinnenwandung besitzen. Dies führt unerwarteter Weise gemäß durchgeführter Versuche dazu, dass überproportional große Intensitätsverluste der Lichtstrahlung innerhalb der passiven Messstrecke der Messküvette entstehen.A disadvantage of such coaxial Strahlleitrohre the actual measuring tube is that these surface and material have a very low optical quality with respect to the inner wall side reflection relative to the Messrohrinneninnenwandung. Unexpectedly, according to experiments carried out, this leads to disproportionately large intensity losses of the light radiation within the passive measuring path of the measuring cuvette.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gasanalysatoreinrichtung der vorgenannten Art dahingehend weiter zu verbessern, dass mit einfachen technischen Maßnahmen die optischen Eigenschaften der passiven Messlänge von Messküvetten verbessert werden, welche unterschiedlich lange aktive Messlängen besitzen können.It is therefore the object of the present invention to further improve a gas analyzer device of the aforementioned type in such a way that the optical properties of the passive measuring length of measuring cuvettes, which can have different lengths of active measuring lengths, are improved with simple technical measures.
Die Aufgabe wird ausgehend von einer Gasanalysatoreinrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder. The object is achieved on the basis of a gas analyzer device according to the preamble of
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass das mindestens eine die passive Messlänge bildende, dem Messrohr vorgesetzte Strahlleitrohr zumindest innenwandseitig aus einem die Reflektivität erhöhenden transparenten Glasrohr besteht.The invention includes the technical teaching that the at least one beam measuring tube which forms the passive measuring length and which precedes the measuring tube, at least on the inner wall side, consists of a transparent glass tube increasing the reflectivity.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht dann, dass Streuverluste durch die innenwandseitige Glasoberfläche minimiert werden, so dass eine entsprechend erhöhte Reflektivität im passiven Messbereich hervorgerufen wird. Je höher die Transparenzqualität des Glasrohres ist, desto höher wird die Reflektivität.The advantage of the solution according to the invention is then that leakage losses are minimized by the inner wall-side glass surface, so that a correspondingly increased reflectivity in the passive measuring range is caused. The higher the transparency quality of the glass tube, the higher the reflectivity becomes.
Vorzugsweise sollte beidseits eines die aktive Messlänge der Messküvette bildenden mittleren Messrohres je ein koaxiales Strahlleitrohr gleicher Länge vorgesehen sein, welches somit jeweils die gleiche passive Messlänge verkörpert. Hierdurch wird ein in Längsrichtung symmetrischer Aufbau der Messküvette erzielt und die aktive Messlänge liegt bei allen derartig ausgeführten symmetrischen Messküvetten stets im Mittelbereich, was der Messgenauigkeit zu Gute kommt. Daneben ist es jedoch auch denkbar, je ein Strahlleitrohr, welches die passive Messlänge der Messküvette bildet, mit einem einzigen benachbarten und die aktive Messlänge bildenden Messrohr zu kombinieren. In diesem Falle ist der fertigungstechnische Aufwand geringer.Preferably, a coaxial Strahlleitrohr equal length should be provided on both sides of the active measuring length of the measuring cell forming the middle measuring tube, which thus each embodies the same passive measuring length. As a result, a longitudinally symmetrical construction of the measuring cuvette is achieved and the active measuring length is always in the middle range for all symmetrical measuring cuvettes designed in this way, which benefits the measuring accuracy. In addition, however, it is also conceivable to combine one beam guiding tube, which forms the passive measuring length of the measuring cuvette, with a single adjacent measuring tube which forms the active measuring length. In this case, the production engineering effort is lower.
Gemäß eine die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass die Reflektivität des mindestens einen vorgesetzten Strahlleitrohres auf die Reflektivität des die aktive Messlänge bildenden Messrohres derart abgestimmt ist, dass eine maximale Homogenität besteht. Insbesondere bei gleicher Reflektivität von Strahlleitrohr und benachbartem Messrohr können hochqualitative Messergebisse erzielt werden. Je höher der Unterschied der Reflektivität von Messrohren und Strahlleitrohr ist, desto größere Intensitätsverluste sind zu beobachten.According to a measure improving the invention, it is proposed that the reflectivity of the at least one superior beam guiding tube is matched to the reflectivity of the measuring tube forming the active measuring length such that maximum homogeneity exists. In particular, with the same reflectivity of Strahlleitrohr and adjacent measuring tube high quality measurement results can be achieved. The higher the difference in the reflectivity of measuring tubes and Strahlleitrohr, the greater intensity losses are observed.
Die erfindungsgemäße Lösung kann nach zwei bevorzugten Ausführungsformen ausgeführt sein, bei denen das erfindungsgemäß ausgebildete Strahlleitrohr einteilig oder mehrteilig aufgebaut werden kann.The solution according to the invention can be embodied according to two preferred embodiments, in which the beam guide tube designed according to the invention can be constructed in one piece or in several parts.
Bei der mehrteiligen Ausführungsform weist das Strahlleitrohr ein in ein lichtdichtes Hüllrohr eingesetztes Glasrohr auf. Dabei braucht das Hüllrohr nicht absolut lichtdicht zu sein, sondern lediglich eingeschränkt durchlässig, um den gewünschten Effekt zu erzielen. Bei einer derartigen Ineinanderanordnung von Hüllrohr und Glasrohr sollte der Innendurchmesser des Glasrohres dem Innendurchmesser der benachbarten Messküvette im Bereich der durch ein ebenfalls zumindest überwiegend lichtdichtes Messrohr gebildeten aktiven Messlänge entsprechen. Diese Ausführungsform eignet sich besonders für Messküvetten, deren Messrohr per se nicht lichtdurchlässig ist, also beispielsweise aus einem Kunststoff oder Metall besteht.In the multi-part embodiment, the Strahlleitrohr on a inserted into a light-tight cladding glass tube. In this case, the cladding tube does not need to be absolutely light-tight, but only partially permeable to achieve the desired effect. In such an arrangement of cladding tube and glass tube, the inner diameter of the glass tube should correspond to the inner diameter of the adjacent measuring cuvette in the region of the active measuring length formed by a likewise at least predominantly light-tight measuring tube. This embodiment is particularly suitable for measuring cuvettes whose measuring tube per se is not transparent, so for example, consists of a plastic or metal.
Für eine einteilige Ausführungsform kann das Strahlleitrohr auch vollständig als Glasrohr ausgebildet sein. In diesem Fall empfiehlt es sich, dass auch das die aktive Messlänge bildende Messrohr ein Glasrohr gleicher Qualität ist. Die Innen- und Außendurchmesser von Messrohr und Strahlleitrohr sollten hierbei gleich sein, um eine in Längsrichtung einheitlich zylindrische Messküvette mit definierten optische Reflektionseigenschaften zu bilden.For a one-piece embodiment, the Strahlleitrohr can also be completely formed as a glass tube. In this case, it is recommended that the measuring tube forming the active measuring length is also a glass tube of the same quality. The inner and outer diameters of the measuring tube and the Strahlleitrohr should here be the same to form a longitudinally uniformly cylindrical cuvette with defined optical reflection properties.
Um das mindestens eine einteilige oder mehrteilige Strahlleitrohr koaxial am benachbarten Messrohr zu befestigen, wird vorgeschlagen, vorzugsweise eine feste Verbindung durch Kleben vorzusehen. Eine Klebung lässt sich fertigungstechnisch einfach durchführen und gewährleistet einen festen Verbund der miteinander zusammenzufügenden Bauteile. Alternativ dazu ist es jedoch auch möglich, ein Strahlleitrohr über eine Schraubverbindung lösbar mit dem Messrohr zu vereinen, um beispielsweise ein gewöhnlich dazwischen angeordnetes optisches Fenster für den Strahlendurchgang zu Montagzwecken oder dergleichen zugänglich zu machen.In order to fix the at least one one-part or multi-part Strahlleitrohr coaxially on the adjacent measuring tube, it is proposed to provide preferably a fixed connection by gluing. Bonding can be carried out easily in terms of manufacturing technology and ensures a firm bond between the components to be assembled together. Alternatively, however, it is also possible to unite a Strahlleitrohr via a screw detachably connected to the measuring tube, for example, to make an ordinarily arranged therebetween optical window for the beam passage for mounting purposes or the like.
Die vorstehend beschriebe erfindungsgegenständliche Messküvette kann – je nach verwendetem Messprinzip – zusätzlich zu der messgasdurchströmten Messkammer eine längs hierzu benachbart angeordnete und mit einem Kalibriergas gefüllte Vergleichskammer aufweisen. Eine solche zu Kalibrierzwecken eventuell erforderliche Vergleichskammer lässt sich somit in einfacher Weise kompaktbauend realisieren.Depending on the measuring principle used, the measuring cuvette according to the invention described above may have, in addition to the measuring gas flow through the measuring chamber, a comparison chamber arranged longitudinally adjacent thereto and filled with a calibration gas. Such possibly required for calibration purposes comparison chamber can thus be realized in a compact manner compact design.
Ebenfalls in Abhängigkeit vom verwendeten Messprinzip kann die Strahlungsquelle als eine Ultraviolett- oder Infrarotstrahlungsquelle ausgebildet sein. Vorzugsweise wird die erfindungsgemäße Lösung in Verbindung mit einer Utraviolett-Strahlungsquelle eingesetzt und arbeitet nach dem Messprinzip einer Ultravioletten Resonanzabsorptions-Spektroskopie für die Stickoxidanalyse.Also depending on the measuring principle used, the radiation source can be designed as an ultraviolet or infrared radiation source. The solution according to the invention is preferably used in conjunction with an ultraviolet radiation source and works according to the measuring principle of an ultraviolet resonance absorption spectroscopy for the nitrogen oxide analysis.
Der mit der Strahlungsquelle korrespondierende Detektor ist vorzugsweise als ein auf die Wellenlänge des emittierten Lichtes abgestimmter optischer Sensor ausgebildet, der das einfallende Lichtsignal in ein hierzu korrespondierendes elektrisches Signal für eine nachgeschaltete elektronische Auswerteeinheit umwandelt. Die elektronische Auswerteeinheit bereitet das Messsignal in an sich bekannter Weise zur Ergebnisverwertung auf.The detector corresponding to the radiation source is preferably designed as an optical sensor which is tuned to the wavelength of the emitted light and converts the incident light signal into a corresponding electrical signal Converts signal for a downstream electronic evaluation unit. The electronic evaluation unit prepares the measurement signal in a manner known per se for exploiting the result.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:Further, measures improving the invention will be described in more detail below together with the description of preferred embodiments of the invention with reference to FIGS. It shows:
Gemäß
Mit einem gegenüber der maximal möglichen Gesamtlänge der Messküvette
Zur Erzielung der einheitlichen Gesamtlänge für die Messküvette
Der Innendurchmesser des Strahlleitrohres
Gemäß
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die vorstehend beschriebenen beiden Ausführungsformen. Es sind vielmehr auch Abwandlungen denkbar, die vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich, mit der erfindungsgegenständlichen Gasanalysatoreinrichtung Gaskonzentrationsmessungen auf Basis anderer Messprinzip unter Verwendung von ultraviolettem oder infrarotem Licht, je nach Messmedium, zu verwenden. Daneben können auch mehrere Strahlungsquellen und insbesondere mehrere Detektoren und zusätzliche Filtereinrichtungen, welche den Strahlengang beeinflussen, zusätzlich zum Einsatz gebracht werden.The invention is not limited to the two embodiments described above. On the contrary, modifications are also conceivable which are included in the scope of protection of the following claims. Thus, it is also possible, for example, to use gas concentration measurements on the basis of another measuring principle using ultraviolet or infrared light, depending on the measuring medium, with the gas analyzer device according to the invention. In addition, a plurality of radiation sources and in particular a plurality of detectors and additional filter devices, which influence the beam path, can additionally be used.
Um niedrige als auch hohe Gaskonzentrationen vermessen zu können, ist es mit der erfindungsgemäßen Lösung möglich, verschieden lange aktive Messbereich umzusetzen, ohne dass sich die Gesamtlänge der Messküvette ändert, so dass diese in eine Gasanalysatoreinrichtung mit definiertem Abstand zwischen Strahlungsquelle und Detektor austauschbar eingesetzt werden kann. Trotz dieser Flexibilität macht es die erfindungsgemäße Lösung möglich, eine gleichbleibende optische Qualität, insbesondere in Bezug auf Reflektionen innerhalb der mehr oder weniger langen vorgesetzten Strahlleitrohren zu erzielen. Konkret unterdrückt die erfindungsgemäße Lösung Streuverluste an der Innenoberfläche der Messküvette und stellt zusätzlich optionale Maßnahmen bereit, die Reflektivität an der Innenoberfläche entlang der Gesamtlänge der Messküvette zu homogenisieren.In order to be able to measure low as well as high gas concentrations, it is possible with the solution according to the invention to implement different active measuring ranges without changing the overall length of the measuring cuvette, so that these can be used interchangeably in a gas analyzer device with a defined distance between the radiation source and the detector , Despite this flexibility, the solution according to the invention makes it possible to achieve a consistent optical quality, in particular with respect to reflections within the more or less long superior beam guiding tubes. Specifically, the solution according to the invention suppresses scattering losses on the inner surface of the measuring cuvette and additionally provides optional measures to homogenize the reflectivity on the inner surface along the entire length of the measuring cuvette.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Strahlungsquelleradiation source
- 22
- Detektordetector
- 33
- Messküvettecuvette
- 44
- Messrohrmeasuring tube
- 55
- aktive Messlängeactive measuring length
- 66
- Messkammermeasuring chamber
- 77
- Fensterwindow
- 88th
- StrahlleitrohrStrahlleitrohr
- 99
- passive Messlängepassive measuring length
- 1010
- Glasrohrglass tube
- 1111
- Hüllrohrcladding tube
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|---|---|---|---|
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Effective date: 20120309 |