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Die Erfindung betrifft eine optische Gasanalysatoreinrichtung, umfassend mindestens eine rohrförmige Messküvette, welche mindestens eine eingangsseitig angeordnete infrarote Strahlungsquelle längs durchleuchtet, deren durch Absorptionsverluste abgeschwächter Lichtstrahl mindestens ein ausgangsseitig angeordneter opto-pneumatischer Mehrkammer-Empfänger zur Gaskonzentrationsanalyse nach dem Prinzip der NDIR-Spektroskopie erfasst, dem eine elektronische Auswerteeinheit zur Ermittlung der Gaskonzentration nachgeschaltet ist.
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Das Einsatzgebiet derartiger Gasanalysatoreinrichtungen, welche nach dem Prinzip der NDIR-Spektroskopie arbeiten, reicht von der Konzentrationsanalyse von Gasen – beispielsweise Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid – zur Luftüberwachung bis hin zur Spurenmessung in komplexen Gasgemischen. Gerade hierfür bietet die NDIR-Spektroskopie gegenüber anderen Analyseverfahren, wie der FTIR-Spektroskopie oder der Gaschromatographie, mit wenig messtechnischem Aufwand eine hohe Nachweisgrenze. Die vorliegende Erfindung widmet sich einer Maximierung des Dynamikbereichs, um sowohl kleine als auch große Gaskonzentrationen messen zu können.
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Der prinzipielle Aufbau einer Gasanalysatoreinrichtung, welche nach dem Prinzip der nicht-dispersiven Infrarotspektroskopie (NDIR) arbeitet, ist stets gleich. Die von der infraroten Strahlungsquelle emittierte Lichtstrahlung durchstrahlt dabei eine das Messgas enthaltene Messküvette und trifft lichtaustrittsseitig auf einen fotoelektrischen Wandler, der meist als ein opto-pneumatischer Empfänger ausgebildet ist. Die Erzeugung eines Messssignals mit ausreichendem Signal/Rausch-Verhältnis erfordert meist eine Modulation der von der Strahlungsquelle ausgehenden Lichtstrahlung. Auf dem Weg durch die Messküvette wird die von der Strahlungsquelle abgestrahlte Anfangsintensität durch Absorptionsprozesse abgeschwächt. Die Abschwächung hängt über das Lambert-Beer'sche Gesetz mit der Konzentration des absorbierten Gases zusammen.
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Bei der hier besonders interessierenden NDIR-Spektroskopie mit einem opto-pneumatischen Empfänger wird gegenüber anderen NDIR-Gasanalysatoreinrichtungen eine besonders hohe Sensitivität und Selektivität erzielt. Diese messtechnisch günstigen Eigenschaften verdankt die Gasanalysatoreinrichtung dem speziellen Empfänger, welcher mit der nachzuweisenden Messgaskomponente gefüllt ist. Bei periodischer Bestrahlung mit infrarotem Licht absorbieren die im Empfänger enthaltenen Moleküle spezifische Energieanteile, welche über eine Schwingungsrelaxation zu einer Temperatur- und Druckerhöhung des Gases führen. Der opto-pneumatische Empfänger ist also nur empfindlich in den Spektralbereichen, die genau den Absorptionsbanden des im Empfänger gespeicherten Gases entsprechen. Zur Erzielung einer hohen Sensitivität kommen als opto-pneumatische Empfänger meist sogenannte Mehrkammerempfänger zum Einsatz, welche mehrere Messkammern aufweisen.
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Aus der
DE 36 50 094 T2 geht eine NDIR-Gasanalysatoreinrichtung hervor, welche dafür ausgelegt ist, sowohl kleine aus auch große Gaskonzentrationen zu erfassen. Um hierfür ein und dieselbe Messküvete mittlerer Länge einsetzen zu können, werden Gasfilter unterschiedlicher Füllkonzentration vor dem opto-pneumatischen Empfänger positioniert. In einer NDIR-Gasanalysatoreinrichtung herkömmlicher Bauart ist jedoch jeweils nur ein Gasfilter mit fester Füllkonzentration verbaut, so dass sich diese technische Lösung nicht auf vorhandene Geräte applizieren lässt.
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Dem gegenüber schlägt die
DE 199 15 018 B4 eine softwaretechnische Lösung vor. Eine höhere Genauigkeit bei der Messung sowohl kleiner als auch großer Konzentrationen mit einer NDIR-Gasanalysatoreinrichtung wird durch die Optimierung der Gewichtungsfunktion für die Anpassung einer Modellfunktion an die Kennlinie einer Gasanalysatoreinrichtung erzielt. Es erfolgt hier also ein signalverarbeitungstechnischer Eingriff bei der Messwertauswertung. In der
DE 10 2008 007 407 A1 wird eine technische Lösung vorgeschlagen, welche sich einer speziellen Messküvette bedient. Die spezielle Messküvette besteht aus mindestens drei Teilküvetten unterschiedlicher Länge. Die Teile der Messküvette können einzeln mit Messgas oder Inertgas beaufschlagt werden, um hierdurch einen sehr weiten Dynamikbereich darzustellen. Allerdings erfordert diese Lösung einen recht hohen gerätetechnischen Aufwand.
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Aus der
DE 10 2009 021 829 A1 sowie aus der
WO 2011/076 614 A1 ist eine diesbezügliche Einrichtung bekannt, wo die Kalibriermatrix aus den Signalen von zwei Empfängern erstellt wird.
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In der
DE 197 35 716 C2 ist eine optische Gasanalysatoreinrichtung mit einem Mehrkammer-Empfänger beschrieben, wobei die mehreren Kammern zur Bestimmung mehrerer Komponenten des Messgases vorgesehen sind.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine optische Gasanalysatoreinrichtung zu schaffen, welche unter geringem gerätetechnischen Aufwand für die Messung kleiner und großer Gaskonzentrationen einen weiten Dynamikbereich abdeckt.
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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.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass ein Mehrkammerempfänger in einer vorderen Messkammer ein erstes Messsignal für die Ermittlung kleiner Gaskonzentrationen und in einer hinteren Messkammer ein zweites Messsignal für die Ermittlung großer Gaskonzentrationen erzeugt, und dass die Auswerteeinheit einen Lock-In-Verstärker zum Demodulieren des zweiten Messsignals bei einem gegenüber dem ersten Messsignal mit einem Phasenwinkel a versetzten Phasenwinkel a + X° umfasst.
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Als kleine Gaskonzentration wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Bereich zwischen 0 bis 50 ppm angenommen, wogegen große Gaskonzentrationen von bis zu 100.000 ppm auswertbar sind. Dies ergibt einen sehr weiten Dynamikbereich für die Gaskonzentrationsmessung mit einem Faktor von ca. 2000. Der gerätetechnische Mehraufwand für die erfindungsgemäße Lösung begrenzt sich auf den speziellen Einsatz des opto-pneumatischen Mehrkammerempfängers. Die signalverarbeitungstechnische Maßnahme für die Realisierung des weiten Dynamikbereichs lässt sich in einfacher Weise softwaretechnisch der elektronischen Auswerteeinheit realisieren. Dank des sehr weiten Dynamikbereichs der erfindungsgemäßen Gasanalysatoreinrichtung brauchen nicht mehr unterschiedliche Messküvetten oder Gasfilter eingesetzt werden, um den Messbereich der Gasanalysatoreinrichtung zu ändern. Dies reduziert die Variantenzahl an Zubehörteilen und es entfällt der Montageaufwand durch den Austausch von Zubehörteilen am Einsatzort.
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Vorzugsweise nimmt der Lock-In-Verstärker zur Ermittlung großer Gaskonzentrationen eine Demodulation des Eingangssignals bei einem um 90° versetzten Phasenwinkel a + 90° vor. Für kleine Gaskonzentrationen erfolgt die Demodulation des Messsignals bei dem hierfür optimalen Phasenwinkel a, während für große Gaskonzentrationen Änderungen der Transmission durch die Messküvette nur in dem Spektralbereich mit dem negativen Beitrag der hinteren Messkammer erfasst werden können. In dem Spektralbereich, der von der vorderen Messkammer erfasst wird, ändert sich die Transmission und somit das Messsignal wegen Sättigung nicht mehr. Hieraus ergibt sich, dass mit steigender Gaskonzentration in der Messküvette die hintere Messkammer immer mehr zum Summensignal des opto-pneumatischen Empfängers beiträgt. Zugleich verändert sich der Phasenwinkel von dem für kleine Gaskonzentrationen optimalen Phasenwinkel a, bei welchem die vordere Messkammer den Hauptbeitrag liefert, immer mehr hin zu dem versetzten Phasenwinkel a + X°, wobei vorzugsweise eine a + 90° bis hin zu a + 180° Versetzung möglich ist.
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Ein Hauptaspekt der erfindungsgemäßen Lösung basiert demnach auf der Erkenntnis, dass das zweite Messsignal der hinteren Messkammer zwar für kleine Gaskonzentrationen des Messgases vernachlässigbar ist, für große Gaskonzentrationen jedoch nutzbar ist, und zwar mit einer Amplitude in der Größenordnung der Amplitude für den normalen Phasenwinkel a, welche typisch für kleine Gaskonzentrationen ist.
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Gemäß einer die Erfindung verbessernde Maßnahme wird vorgeschlagen, dass die elektronische Auswerteeinheit ferner Mittel zur Linearisierung des zweiten Messsignals mit dem Phasenwinkel a + X° umfasst, um im Bereich der großen Gaskonzentrationen genauere Messwerte zu erzielen.
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Die elektronische Auswerteeinheit ist mit Mitteln zum Umschalten zwischen dem ersten Messsignal mit dem Phasenwinkel a und dem zweiten Messsignal mit dem Phasenwinkel a + X° ausgestaltet. Durch eine solche signalverarbeitungstechnische Messwertumschaltung können die unterschiedlichen Messbereiche in einfacher Weise aufgeschaltet werden.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die mindestens eine Messküvette längs neben einer messgasdurchströmten Messkammer eine mit einem Referenzgas gefüllte Referenzkammer aufweist. Die Referenzkammer, welche mit einem Inertgas gefüllt sein kann, dient zur Kalibrierung der Messeinheit. Hierfür lassen sich handelsübliche Kalibrierküvetten einsetzen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung existiert nur eine Messküvette, an deren lichtausgangsseitigem Ende der opto-pneumatische Mehrkammer-Empfänger angeordnet ist. Vorzugsweise umfasst der Mehrkammer-Empfänger mindestens zwei Messkammern; es ist jedoch auch denkbar, den Mehrkammer-Empfänger aus zwei Einkammer-Empfänger zusammenzusetzen. Darüber hinaus kann der Mehrkammer-Empfänger auch mit in Reihe geschalteten foto-akustischen Messzellen, sowie mit Gasfiltern und Breitbandempfängern, wie pyroelektrische Detektoren, Thermopiles oder Halbleiterdetektoren kombiniert werden.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
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1 eine schematische Blockschaltbilddarstellung einer optischen Gasanalysatoreinrichtung mit Mitteln zum Verbessern des Dynamikbereichs der Messung,
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2a eine graphische Darstellung eines exemplarischen Transmissionsspektrums eines Gases bei kleinen und großen Konzentrationswerten des Produkts Gaskonzentration mal Messküvettenlänge,
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2b eine graphische Darstellung der mit 2a korrespondierenden spektralen Empfindlichkeitsfunktion eines opto-pneumatischen Zweikammer-Empfängers, und
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3 eine doppellogarithmische graphische Darstellung der Messwerte am Signalwandler des opto-pneumatischen Zweikammer-Empfängers als Funktion des Produkts Gaskonzentration mal Messküvettenlänge bei dem für kleine Gaskonzentrationen optimalen Phasenwinkel a und dem dazu um 90° verschobenen Phasenwinkel a + 90°.
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Gemäß 1 besteht eine optische Gasanalysatoreinrichtung im Wesentlichen aus einer mechanisch oder elektrisch modulierten Infrarotstrahlungsquelle 1 mit einem Strahlungsspektrum R, welches durch eine Messküvette 2 zu einem opto-pneumatischen Mehrkammer-Empfänger 3 gelangt. Dort wird der durch die Strahlungsenergie hervorgerufene Effekt in ein sinusförmiges elektrisches Messsignal gewandelt, welches in einer nachgeschalteten elektronischen Auswerteeinheit 4 zur Ermittlung der Gaskonzentration signalverarbeitungstechnisch weiter verarbeitet wird.
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Der Mehrkammer-Empfänger 3 erzeugt in einer vorderen Messkammer 5 ein erstes Messsignal für die Ermittlung kleiner Gaskonzentrationen, wogegen in einer hinteren Messkammer 6 ein zweites Messsignal für die Ermittlung großer Gaskonzentrationen erzeugt wird. Die nachgeschaltete elektronische Auswerteeinheit 4 umfasst einen digitalen Lock-In-Verstärker 7, welcher es ermöglicht, das modulierte Messsignal des Mehrkammer-Empfängers 3 bei zwei verschiedenen Phasenwinkeln zu demodulieren. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das zweite Messsignal bei einem gegenüber dem ersten Messsignal mit einem Phasenwinkel a versetzten Phasenwinkel a + X° demoduliert.
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Die 2a zeigt beispielhaft das Transmissionspektrum bei Durchgang der infraroten Strahlung durch eine Messküvette mit einer Länge von 200 mm, in der sich gasförmiges CO in einer kleinen Gaskonzentration von 50 ppm, mittleren Gaskonzentration von C = 5000 ppm und großer Gaskonzentrationen C = 10% befindet. Die Transmission der Strahlung folgt dabei dem Lambert-Beer'schen Gesetz, T = exp(–e·C·L), (1) wobei e der spektrale Extinktionskoeffizient für das absorbierende Gas ist. Für die Amplitude des sinusförmigen Signals am Vorverstärker eines opto-pneumatischen Empfängers, der sich hinter der Messküvette befindet, gilt dann die Gleichung: S ~ R·T·E (2) wobei E die spektrale Empfindlichkeitsfunktion des Strahlungsempfängers ist.
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Die Beziehung der Gleichung (2) zwischen Empfängersignal und Gaskonzentration ist dabei, bedingt durch die vorstehende Gleichung (1) für große Gaskonzentrationen stark nicht-linear. Für große in der Messküvette vorhandene Gaskonzentrationen strebt die Transmission T durch die Messküvette gegen 0, so dass das Empfängersignal üblicherweise in Sättigung geht. Dies ist übrigens der Fall sowohl für Breitbandempfänger als auch für spektral hochselektive Empfänger, wie opto-pneumatische Empfänger, sofern bei letzteren die Messung bei der für kleine Gaskonzentrationen optimalen Signalphase a durchgeführt wird.
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In der vorderen Messkammer des opto-pneumatischen Empfängers wird das Signal hauptsächlich durch Strahlungsabsorption im Zentrum der Spektrallinien des Gases, welches im Empfänger enthalten ist, erzeugt. Bei der gewählten Auswertung, also bei Demodulation des Empfängersignals bei der für kleine Gaskonzentrationen optimalen Signalphase a, erzeugt die Strahlungsabsorption in der vorderen Messkammer ein positives Drucksignal am sensitiven Element des opto-pneumatischen Empfängers.
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Wegen der Vorabsorption der vorderen Messkammer erreicht die hintere Messkammer keine Strahlung mehr, die mit den Zentren der Spektrallinien des in den Empfänger eingeschlossenen Gases korrespondiert. Strahlungabsorption findet dort in den Flügeln der Spektrallinien statt. Das Drucksignal, welches durch Strahlungsabsorption in der hinteren Messkammer entsteht, wirkt am sensitiven Element des opto-pneumatischen Empfängers in entgegengesetzter Richtung zu dem der vorderen Messkammer. Entsprechend der gewählten Konvention ist dieses negativ, also phasenverschoben.
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Die Summe der Drucksignale führt zu einer charakteristischen spektralen Empfindlichkeitsfunktion des opto-pneumatischen Mehrkammer-Empfängers, welche in der 2b dargestellt ist.
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Durch die gleichzeitige Betrachtung der 2a und der 2b kann nachvollzogen werden, dass für sehr große Konzentrationen des Messgases Änderungen der Transmission durch die Messküvette nur in dem Spektralbereich mit dem negativen Beitrag der hinteren Messkammer erfasst werden können. In dem Spektralbereich, der von der vorderen Messkammer erfasst wird, ändert sich die Transmission und somit das Messsignal wegen Sättigung dagegen nicht mehr.
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Somit leistet bei steigender Gaskonzentration in der Messküvette die hintere Messkammer immer mehr Beitrag zum Summensignal des opto-pneumatischen Empfängers und zugleich verändert sich die Signalphase von dem für kleine Gaskonzentrationen optimalen Phasenwinkel a zu dem versetzten Phasenwinkel a + 90° hin.
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In der doppellogarithmischen Darstellung der Messwerte gemäß 3 ist die Funktion des Produkts aus Gaskonzentration mal Küvettenlänge C·L bei dem für kleine Gaskonzentrationen optimalen Phasenwinkel a und dem dazu um 90° verschobenen Phasenwinkel a + 90°. Während das zweite Messsignal (Strichlinie) für kleine Gaskonzentrationen des Messgases vernachlässigbar ist, wird dieses für große Gaskonzentrationen nutzbar gemacht, und zwar mit einer Amplitude des Empfängersignals S die typisch für kleine Konzentrationen des Messgases ist. Hierdurch ergibt sich die erfindungsgemäß enorme Messbereichserweiterung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- infrarote Strahlungsquelle
- 2
- Messküvette
- 3
- Mehrkammer-Empfänger
- 4
- Auswerteeinheit
- 5
- vordere Messkammer
- 6
- hintere Messkammer
- 7
- Lock-In-Verstärker
- R
- Strahlungsspektrum
- T
- Transmission
- Wz
- Wellenzahl
- E
- Empfindlichkeit
- a
- Phasenwinkel (für kleine Gaskonzentrationen)
- a + X°
- Phasenwinkel, versetzt
- C
- Gaskonzentration
- e
- spektraler Extinktkoeffizient
- L
- Messküvettenlänge
- S
- Empfängersignal
- E
- spektrale Empfindlichkeitsfunktion
