DE1068485B - Anordnung zur Mehrfach - Gasanalyse mittels infraroter Strahlung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

PATENTSCHRIFT 1 068

ANMELDETAG:

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT:

AUSGABE DER
PATENTSCHRIFT:

kl. 421 4/13

INTERNAT. KL. G 01 H 7.MÄRZ 1955

5. NOVEMBER 1959 21. APRIL 1960

STIMMT ÜBEREIN MIT AUSLEGESCHRIFT 1 068 485 (H 23213 IX/42 1)

Es sind Anordnungen bekannt, mit denen man den Gehalt einer Gasmischung an einem infrarote Strahlung absorbierenden Bestandteil bestimmen kann, indem man die Stärke dieser Absorption mißt. Man läßt zu diesem Zweck die durch einen Infrarotstrahler erzeugte Strahlung durch eine mit dem zu untersuchenden Gasgemisch beschickte Kammer (Analysenkammer) hindurch auf einen Empfänger fallen, in dem sie mit einer Strahlung verglichen wird, die eine mit einem Vergleichsgas beschickte Kammer (Vergleichskammer) durchlaufen hat. Der Empfänger ist dabei so gestaltet, daß er für die von dem jeweils zu bestimmenden Gas absorbierte Strahlung selektiv empfindlich ist. Man kann den Empfänger auf Temperatur-, Volumen- oder Druckänderungen ansprechen lassen. Häufig wird ein Empfänger verwandt, der aus zwei Kammern besteht, deren jede mit dem Gas gefüllt ist, dessen Konzentration in der zu untersuchenden Mischung bestimmt werden soll. In die eine dieser Kammern läßt man die durch die Analysenkammer hindurchgegangene Strahlung fallen, in die andere die durch die Vergleichskammer gegangene. Da in der Analysenkammer eine je nach der Konzentration des zu bestimmenden Gases in dem Gemisch verschieden starke Absorption stattfindet, in der Vergleichskammer, die das zu bestimmende Gas nicht enthält, jedoch die Strahlung dieses Gebietes nicht absorbiert wird, erwärmt sich das gerade diese, Strahlung absorbierende Gas in den beiden Empfängerkammern verschieden stark. Trennt man die beiden Kammern durch die Membran eines an Spannung liegenden Membrankondensators, dann erhält man, wenn man die Strahlung intermittierend auf die Empfängerkammern 'fallen läßt, eine Wechselspannung, die der Konzentration des zu bestimmenden Gases in der Mischung entspricht. Eine derartige Anordnung ist wegen der Selektivität des Empfängers nur zur Bestimmung eines einzigen Gases geeignet, sofern man nicht die Füllung der Empfängerkammern ändert. Da es jedoch oft erwünscht ist, mehrere Komponenten messen zu können, sind auch Anordnungen geschaffen worden, die zur Mehrfach-Gasanalyse geeignet sind.

Bei einer dieser bekannten Anordnungen sind die beiden Empfängerkammern mit einem Gemisch aller derjenigen Komponenten gefüllt, die mit'der Anordnung gemessen werden sollen. Vor den Empfängerkammern befinden sich in einem rotierenden Halter mehrere Paare von Analysen- und. Vergleichskammern. Jeweils eines dieser Paare wird vor die Empfängerkammern bewegt. Das spezifische Ansprechen des Empfängers auf die Komponente, die gerade gemessen werden soll, wird dadurch erreicht, daß gleichzeitig mit den Analysen- und Vergleichskammern sogenannte Filterkammern in den Strahlengang gedreht Anordnung zur Mehrfach-Gasanalyse
mittels infraroter Strahlung

Patentiert für:

Hartmann & Braun Aktiengesellschaft,
Frankfurt/M.

Alexander Kowert, Kelsterbach,
ist als Erfinder genannt worden

werden, und zwar je eine in den Meß- und, Vergleichs-/ strahlengang. Diese Filterkammern enthalten alle die Komponenten, die in der Empfängerkammer enthalten sind, mit Ausnahme derjenigen, die bestimmt werden soll. Dadurch ist eine spezifische Anzeige erreicht. Nachteilig bei dieser Anordnung ist, daß zusätzlich zu den Analysen- und Vergleichskammern noch Filterkammern benötigt werden. Da ferner alle diese Kammern rotierend angebracht sind, hat man mit Justierungsschwierigkeiten zu kämpfen. Ein weiterer sehr wesentlicher Nachteil ist die geringere Empfindlichkeit der Empfängerkammer, da nun nur noch ein Bruchteil des in ihnen enthaltenen Gases auf die jeweils einfallende Strahlung anspricht und durch sie erwärmt wird.

Bei einer anderen bekannten Anordnung, die nach dem gleichen Prinzip arbeitet, sind die Analysen- und Vergleichskammern fest angeordnet, während die Filterkammern auch bei ihr drehbar sind. Es ist also keine ins Gewicht fallende Verbesserung erreicht, zumal die feste Anordnung der Analysen- und. Vergleichskammer wieder den Nachteil bringt, daß die Analysen- und Vergleichskammern oft ausgewechselt werden müssen, um verschiedenen Meßbereichen gerecht zu werden.

Es sind auch bereits Anordnungen zur Messung bzw. Fernmessung einer größeren Anzahl von Meßwerten bekannt, bei welchem durch zwei synchron zueinander laufenden Meßstellenümschaltern, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines für alle Meßstellen gemeinsamen Verstärkers, die einzelnen Meßwertgeber zyklisch abgetastet und auf das dazugehörige Registriergerät geschaltet werden.

Durch die Erfindung wird eine Anordnung zur Mehrfach-Gasanalyse mittels infraroter Strahlung angegeben, welche die oben geschilderten Nachteile der bekannten Anordnungen vermeidet.

909'76€/7&

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Die Anordnung zur Mehrfach-Gasanalyse nach der geordnet, nämlich drei Analysenkammern und drei' Erfindung geht von den bekannten Anordnungen zur Vergleichskammern, zusammengehörige Analysen-Bestimmung einer einzigen Komponente aus, bei denen und Vergleichskammern jeweils einander diametral die Strahlung nach Durchsetzen einer mit dem zu gegenüberliegend. Die Gesamtheit der drei Kammeruntersuchenden Gasgemisch beschickten Analyse- 5 paare ist in Abb. 1 mit 10 bezeichnet. Durch ein von kammer auf einen Empfänger fällt und in diesem mit einem Motor 8 angetriebenes Blendenrad 9 wird jeder Strahlung verglichen wird, die eine mit einem weils eines der Kammerpaare für die Durchstrahlung Vergleichsgas beschickte Vergleichskammer durch- freigegeben. Der Empfänger 11 enthält sechs Emplaufen hat und, der Empfänger nur für die von dem fangskammern, jede einer Filter- oder Analysenjeweils zu bestimmenden Gas absorbierte Strahlung io kammer . gegenüberliegend, sowie drei Membranselektiv empfindlich ist. Die Erfindung besteht darin, kondensatorkammern, jede für ein zusammengehöridaß für jede zu bestimmende Gaskomponente eine ges Paar von Empfangskammern. Die von den drei derartige Anordnung vorgesehen ist und alle Meß- Membrankondensatoren abgegebenen Wechselspan- und Vergleichskammern derart ringförmig zu einem nungen sind über die Leitungen 5 an einen Meßeinheitlichen Ganzen zusammengefügt sind, daß je- 15 Stellenschalter 6 gelegt; dieser wird synchron mit dem weils zusammengehörige Meß-und Vergleichskammern Blendenrad 9 so geschaltet, daß jeweils derjenige auf einem Durchmesser des Ringes liegen und durch Membrankondensator mit einem nachgeschalteten ein rotierendes Blendenrad in schneller Folge jeweils Verstärker 7 verbunden ist, der zu dem gerade durcheine Meßkammer und die dazugehörige Vergleichs- strahlten Analysen- und Vergleichskammerpaar gekammer für die Durchstrahlung freigegeben werden, 20 hört. Ein weiterer, ebenfalls von dem Motor 8 betätigwobei die Meßwerte der einzelnen Anordnungen durch ter Umschalter 12, der. bei der praktischen Ausfüheinen mit dem Blendenrad fest gekuppelten Meß- rung mit dem Meßstellenschalter 6 zu einem einzigen Stellenumschalter in an sich bekannter Weise über Meßstellenumschalter vereinigt ist, sorgt dafür, daß einen für alle Meßstellen ausgenutzten Verstärker auf der von dem jeweils angeschlossenen Membrangesonderte Meß- bzw. Registrier- oder Regelgeräte 25 kondensator gelieferte Meßwert dem zu diesem Memgegeben werden. brankondensator gehörenden Anzeigegerät zugeführt

Diese Anordnung weist die Nachteile der bekannten wird. Entsprechend den drei Membrankondensatoren

Mehrfach-Gasanalysatoren nicht auf. Keines der sind drei Anzeigeinstrumente 13 vorhanden. Die

Teile, die im Strahlengang liegen müssen, ist drehbar Dämpfung der Anzeigeinstrumente ist derart, daß sie

oder beweglich angeordnet. Die Justierung ist daher 30 trotz der intermittierenden Beaufschlagung durch den

stets gewährleistet und durch später zu besprechende Meßwert eine kontinuierliche Anzeige bzw. Registrie-

Mittel noch besonders gesichert. Die Empfindlichkeit rung oder Regelung liefern.

ist erheblich verbessert, da für jede zu bestimmende Der in Abb. 2 dargestellte Schnitt entsprechend der Komponente ein besonderer Empfänger vorgesehen Linie 2-2 in Abb. 1 zeigt die Analysen- bzw. Verist, der nur für die von dieser Komponente absorbierte 35 gleichskammern 15, die an ihrem Ende in einem Bund Strahlung empfindlich ist. Filterkammern werden 16 gefaßt sind. 11 bezeichnet den Empfänger, in den nicht benötigt. Durch besondere, später noch näher der Bund 16 herausnehmbar eingepaßt ist. Auch an erläuterte Ausgestaltung der Analysen- und Ver- der anderen Stirnseite sind die Analysen- und Vergleichskammern ist ein Übergang zu anderen Meß- gleichskammern in einem Bund gefaßt, der in den bereichen ohne Auswechselung der Kammern ermög- 40 Strahler 1 herausnehmbar eingepaßt und in Abb. 3 licht. Außerdem zeichnet sich die erfindungsgemäße und 5 mit 19 bezeichnet ist.

Anordnung gegenüber den bekannten durch besondere Um eine gleichmäßige Temperatur aller Analysenkonstruktive Einfachheit aus, da keine rotierenden und Vergleichskammern zu gewährleisten, kann über Kammern vorhanden sind und Filterkammern über- die gesamte Kammeranordnung noch ein zylindrisches haupt ganz wegfallen. Der teuerste Teil des Gerätes, 45 Rohr geschoben werden, durch das ein Ventilator der Verstärker, wird für a'Ie Komponenten aus- einen Luftstrom bläst,
genutzt. · Das Blendenrad 9 ist bei der praktischen Ausfüh-

Zur näheren Erläuterung sei an Hand der Abb. 1 rung des Gerätes mit dem Strahler 1 zu einem einheit-

bis 5 ein Ausführungsbeispiel beschrieben. - liehen Bauteil vereinigt, in dem auch der Motor 8 ein-

Abb.-1 gibt eine schematische Darstellung einer er- 50 geschlossen ist sowie der eben erwähnte — hier nicht

findungsgemäßen Anordnung zur Mehrfach-Gas- gezeichnete — Ventilator. Es kann auch noch ein

analyse wieder; weiteres Blendenrad vorgesehen werden, welches eine

Abb. 2 zeigt eine Ansicht entsprechend dem größere Umdrehungszahl als das erste hat und das je-

Schnitt 2-2, weils mit dem Verstärker verbundene Kammerpaar

Abb. 3 entsprechend dem Schnitt 3-3 und · 55 während der Dauer dieser Verbindung in schneller

Abb. 4 entsprechend dem Schnitt 4-4 in Abb. 1; Folge abdeckt und wieder freigibt.

Abb. 5 gibt eine Analysen- bzw. Vergleichskammer Bei der in Abb. 1 gegebenen Darstellung ist das

im Schnitt wieder. .Blendenrad 9 von. dem Strahler 1 getrennt. Abb. 3

Die dargestellte Anordnung arbeitet mit Empfän- gibt eine Ansicht entsprechend dem. Schnitt 3-3 in gern, die aus je zwei Empfangskammern bestehen, die 60 Abb. 1. Aus Abb. 3 ist die Gestalt des Blendenrads9 mit dem Gas gefüllt sind, das mittels des betreffenden zu ersehen. Analysen- und Vergleichskammern sind Empfängers bestimmt werden soll. Als Meßfühler wieder mit 15 bezeichnet. Wie die Darstellung zeigt, dient ein Membrankondensator, der wie eingangs be- gibt das rotierende Blendenrad 9 jeweils zwei einschrieben arbeitet, ander . diametral gegenüberliegende Kammern, zur

Mit 1 ist der Infrarotstrahler bezeichnet. Er enthält 65 Durchstrahlung frei. Die eine der Kammern ist eine z. B. sechs symmetrisch auf einem Kreis angeordnete Analysenkammer, die andere eine Vergleichskammer. Infrarotstrahler, deren Strahlung — durch Spiegel Die Abstände zwischen den Kammern sind so ,geparallel gerichtet — den Strahler 1 in waagerechter wählt, daß nie zwei verschiedene Kammerpaare gleich-Richtung, nach links, verläßt. In dem Weg dieser zeitig, wenn auch nur teilweise, durchstrahlt werden sechs Parallelstrahlenbündel sind sechs Kammern an- 70 können. Das Blendenrad kann auch in Form eines

Doppelflügels ausgebildet sein, der jeweils zwei einander diametral gegenüberliegende Kammern abdeckt, alle anderen aber zur Durchstrahlung freigibt.

Abb. 4 zeigt einen Schnitt entsprechend der Linie 4-4 in Abb. 1. 11 ist ein massiver Metallblock, in dem die sechs Empfangskammern 17 liegen. Je zwei einander gegenüberliegende Empfangskammern sind durch Kanäle mit einer Membrankondensatorkammer 18 verbunden. Diese Kanäle sind nur für das eine Empfangskammerpaar eingezeichnet; auch sind die Empfangs- und Kondensatorkammern nur schematisch als Kreise wiedergegeben.

Abb. 5 zeigt im Schnitt eine Analysen- bzw. Vergleichskammer. Die Kammer besteht in dem gezeichneten Beispiel aus zwei Teilen 15 a und 15 b, die verschieden lang sind und in der aus der Zeichnung ersichtlichen Weise aneinandergesteckt sind. Anstatt die Kammerteile 15 a und 15 b mechanisch voneinander trennbar auszuführen, kann man auch eine durchgehende Kammer verwenden, die durch ein infrarotdurchlässiges Fenster in zwei Abteile getrennt ist. Jedes der beiden Kammerabteile ist an den Stirnseiten durch infrarotdurchlässige Fenster 20 gasdicht verschlossen. Stutzen 21, 23 dienen zum Anschluß der Gaszuführungsleitungen, Stutzen 22, 24 zum Anschluß der Gasableitungen. An den Enden sind die Kammern durch Einstecken bzw. Aufstecken in je einem Bund 16 bzw. 19, wie schon erwähnt, gefaßt, die ihrerseits in dem Empfänger 11 bzw. dem Strahler 1 durch Einstecken gehaltert sind. Durch diese Art der Halterung mittels Steckfassungen ist eine genaue Justierung in Strahlungsrichtung gewährleistet. Eine optische Bank zur Lagerung und Führung der Kammern ist nicht notwendig. Die Festlegung des gesamten, in Abb. 1 mit 10 bezeichneten Kammerteils derart, daß die Kammern jeweils den Strahlern und Empfängerkammern gegenüberliegen, wird durch eine (nicht gezeichnete) Nase in dem Bund 16 gewährleistet, die in eine entsprechende Ausnehmung am Empfänger 11 eingreift. In Abb. 5 ist noch eine der konisch gestalteten Empfangskammern 17 dargestellt sowie das — hier in den Strahler 1 eingebaute — Blendenrad 9.

Die Aufteilung der Analysen- und Vergleichskammern in zwei — gegebenenfalls auch mehr _:— Abteile dient dazu, verschiedene Meßbereiche erfassen zu können, ohne dazu Kammern auswechseln zu müssen. Soll z. B. eine Komponente gemessen werden, die in hohem Prozentgehalt in der zu untersuchenden Mischung vorhanden ist, dann wird die zu untersuchende Gasmischung in das Kammerabteil 15 α gefüllt bzw. durch dieses hindurchgeleitet, während das Abteil 15 b mit einem nicht absorbierenden Gas gefüllt wird. Die Schichtdicke des absorbierenden Gases ist also gering. Hat man mit einem weniger großen Gehalt zu rechnen, dann wird die zu untersuchende Gasmischung in das Kammerabteil 15 b gefüllt, während das Abteil 15 a mit einem nicht absorbierenden Gas beschickt wird. Ist schließlich der Gehalt nur gering, dann werden beide Kammerteile mit dem zu untersuchenden Gas beschickt. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß man auf diese Art den verschiedensten Meßbereichen und Absorptionsstärken Rechnung tragen kann. Zweckmäßig werden die anderen Kammerpaare wieder in anderen Verhältnissen geteilt, um die Variationsmöglichkeiten noch weiter zu erhöhen.

Ein weiterer Vorteil der unterteilten Kammern ist darin zu erblicken, daß man bei Bedarf jeweils eines der Kammerabteile als Filterkammer benutzen kann, wenn Überschneidungen von Absorptionsbereichen unschädlich gemacht werden sollen. In manchen Fällen kann auch eine Unterteilung in mehr als' zwei Abteile zweckmäßig sein.

Mit der als Ausführungsbeispiel beschriebenen Anordnung, die drei Kammerpaare enthält, lassen sich somit gleichzeitig entweder drei Gaskomponenten bestimmen oder aber eine Komponente in drei verschiedenen Konzentrationen, eine Aufgabe die ebenfalls häufig auftritt. Ferner sind auch Kombinationen möglich z. B. derart, daß zwei Komponenten bestimmt werden, davon die eine in zwei verschiedenen Konzentrationen. Durch die auswechselbare Ausführung der Kammern und Kammerabteile sind die Variationsmöglichkeiten noch weiter vergrößert, so daß das Gerät praktisch allen Anforderungen gerecht wird.

Läßt man schließlich noch zu, daß auch die Gasfüllung der Empfängerkammern geändert werden kann — diese Arbeit kann in jedem Betrieb, der über eine Evakuierungsanlage verfügt, leicht ausgeführt werden —, dann ist das erfindungsgemäße Gerät für alle gäsanalytischen Bestimmungen, die unter Ausnutzung der Infrarotstrahlungsabsorption überhaupt durchgeführt werden können, verwendbar, wobei — wie schon geschildert — ohne Vornahme von Änderungen jeweils drei (bei mehr Kammerpaaren entsprechend mehr) verschiedene Messungen gleichzeitig durchgeführt werden können.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Mehrfach-Gasanalyse mittels infraroter Strahlung, bei welcher die Strahlung nach Durchsetzen einer mit dem zu untersuchenden Gasgemisch beschickten Analysenkammer auf einen Empfänger fällt und in diesem mit der Strahlung verglichen wird, die eine mit einem Vergleichsgas beschickte Vergleichskammer durchlaufen hat und der Empfänger nur für die von dem jeweils zu bestimmenden Gas absorbierte Strahlung selektiv empfindlich ist, dadurch gekennzeichnet, daß für jede zu bestimmende Gaskomponente eine derartige Anordnung .vorgesehen ist und alle Meß- und Vergleichskammern derart ringförmig zu einem einheitlichen Ganzen zusammengefügt sind; daß jeweils zusammengehörige Meß- und Vergleichskammern auf einem Durchmesser des Ringes liegen und durch ein rotierendes Blendenrad in schneller Folge jeweils eine Meßkammer und die dazugehörige Vergleichskaimmer für die Durchstrahlung freigegeben werden, wobei die Meßwerte der einzelnen Anordnungen durch einen mit dem Blendenrad fest gekuppelten Meßstellenumschalter in an sich bekannter Weise über einen für alle Meßstellen ausgenutzten Verstärker auf gesonderte Meß- bzw. Registrier- oder Regelgeräte gegeben werden.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß noch ein weiteres Blendenrad vorgesehen ist, welches eine größere Umdrehungszahl als das erste hat und das jeweils mit dem Verstärker verbundene Kammerpaar während der Dauer dieser Verbindung in schneller Folge abdeckt und wieder freigibt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine derartige Dämpfung der für die Anzeige oder Registrierung vorgesehenen Meßwerke, daß sie trotz intermittierender Beaufschlagung durch den Meßwert eine kontinuierliche Anzeige bzw. Registrierung oder Regelung liefern.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Analysen- und Vergleichskammern durch ein oder mehrere.

zur Strahlungsrichtung senkrechte, infrarot durchlässige Fenster in zwei oder mehr Abteile geteilt sind.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Kammerabteile auch mechanisch voneinander trennbar sind.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalmmerabteile. an ihren Enden derart gestaltet sind, daß sie aneinandergesteckt werden können.

7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Analysen- und Vergleichskammern als Gesamtheit an beiden Enden in einem Bund gefaßt sind, der in Strahler bzw. Empfänger einsteckbar gehalten ist.

8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachsen aller Kammern einander parallel und in horizontaler Richtung verlaufen.

9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Analysen- und Vergleichskammern von einer gemeinsamen zylindrischen Hülle umschlossen sind und ein Ventilator einen Luftstrom durch diese Hülle saugt.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 802 104, 859 964,
654.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen