DE1084050B

DE1084050B - Non-dispersive infrared double beam gas analyzer

Info

Publication number: DE1084050B
Application number: DEU4677A
Authority: DE
Inventors: Stanford Bruce Spracklen; Sterling Talmadge Martin; Louis John Rogers; Charles Walter Capehart; Raymond Baines Fertig; Charles George Fellows
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1957-07-26
Filing date: 1957-07-26
Publication date: 1960-06-23

Description

Niditdispersives Infrarot-Doppelstrahl-Gasanalysengerät Vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes Gerät zur Analyse einer Gasprobe und zur Anzeige des Prozentgehaltes einer bestimmten Komponente der Gasprobe, die Infrarotstrahlung absorbiert.Nidit-dispersive infrared double-beam gas analyzer The invention relates to an improved apparatus for analyzing a gas sample and to display the percentage of a certain component of the gas sample, the infrared radiation absorbed.

Bei der industriellen Herstellung von Gasen bestand lange Zeit die Schwierigkeit, ein Gasanalysiergerät von genügender Leistungsfähigkeit, Empfindlichkeit, Einfachheit und Robustheit zu erstellen, das den prozentualen Gehalt einer bestimmten Komponente oder Mischungen von Komponenten in einer gasförmigen Mischung anzeigt, die veränderliche Prozentsätze der bestimmten Komponente wie auch veränderliche Mengen unerwünschter Komponenten oder Verunreinigungen enthält. For a long time, the industrial production of gases existed Difficulty finding a gas analyzer of sufficient performance, sensitivity, Simplicity and robustness to create the percentage of a given Indicates component or mixtures of components in a gaseous mixture, the changing percentages of the particular component as well as changing ones Contains amounts of undesirable components or impurities.

Es ist schon lange bekannt, daß viele Gase die Eigenschaft haben, Anteile an Infrarotenergie zu absorbieren und dadurch eine Druckänderung erfahren; und viele Gasanalysiergeräte, die auf diesem Prinzip der Infrarotenergieabsorption und der dabei entstehenden Druckänderungen beruhen, wurden bereits vorgeschlagen. It has long been known that many gases have the property To absorb portions of infrared energy and thereby experience a change in pressure; and many gas analyzers that rely on this principle of infrared energy absorption and the resulting pressure changes have already been proposed.

Da jedes Gas, das Infrarot absorbiert, ein ganz besti mmtes Infrarotabsofptionsspektrum besitzt und viele dieser Spektren sich überlappen, ist es eine schwierige Aufgabe, ein Gasanalysiergerät herzustellen, das nur auf das Infrarotabsorptionsspektrum einer oder mehrerer bestimmter Komponenten anspricht, für die die Analyse erwünscht ist. Im folgenden wird dieser Anteil bzw. werden diese Anteile »spezifisches Gas« genannt. Since every gas that absorbs infrared has a very specific infrared absorption spectrum and many of these spectra overlap, it is a difficult task to to manufacture a gas analyzer that only focuses on the infrared absorption spectrum one or more specific components for which the analysis is desired is. In the following, this portion or these portions are referred to as "specific gas" called.

Es ist ein verbessertes Verfahren und Gerät zur Infrarotanalyse beschrieben worden, bei dem zwei Filterzellen verwendet werden, von denen eine Sauerstoff enthält, die andere 100°/o des spezifischen Gases, für das die Bestimmung erfolgen soll. Diese Anordnung enthält eine Art selektives negatives Filtersystem, wobei ein Strahlungsweg die ursprüngliche Energie, vermindert um die Energieabsorption des selektiven Gases in der Filterzelle und vermindert um die Absorption aller absorbierenden Gase (spezifisches Gas und unerwünschte Gase) der Probegasmischung, einer Thermosäule zuführt, der andere Strahlungsweg einer anderen Thermosäule die ursprüngliche Energie, vermindert um den Betrag, der von allen absorbierenden Gasanteilen der Probegasmischung absorbiert wird. An improved method and apparatus for infrared analysis is described using two filter cells, one of which contains oxygen, the other 100% of the specific gas for which the determination is to be made. This arrangement contains a kind of selective negative filter system, whereby a radiation path the original energy, reduced by the energy absorption of the selective gas in the filter cell and reduced by the absorption of all absorbing gases (specific Gas and unwanted gases) of the sample gas mixture, a thermopile, the Another radiation path from another thermopile reduces the original energy by the amount that is absorbed by all of the absorbing gas components of the sample gas mixture will.

Somit kann jede Änderung der spezifischen Gaskomponente im Probegas wegen der negativen Filterwirkung der großen Menge des spezifischen Gases, das sich im ersten Strahlengang befindet, auf dieser Seite nicht erkannt werden, vielmehr wird sie am anderen Strahlengang, der kein selbstfilterndes spezifisches Gas enthält, angezeigt. Also wird der Meßwertunterschied, der über diese Thermosäulen erzeugt wird, die derart verbunden sind, daß sie entgegengesetzte Meßwerte liefern, verstärkt und als die Konzentration der spezifischen Gaskomponente im Probegas registriert. So eine Anordnung weist einige, ihr eigene Schwierigkeiten auf, obgleich sie eine der besten, bisher bekannten Infrarotanalysierancrdnungen darstellt Zu den Schwierigkeiten, die sich bei der Anwendung einer solchen Anordnung ergeben, sind folgende von kritischer Bedeutung: sobald Veränderungen in der Konzentration der unerwünschten, infrarotabsorbierenden Gase im Probegas auftreten und diese schädlichen Gase Absorptionsspektren haben, die sich mit dem des spezifischen Gases überlappen, ergibt sich ein Fehler bei der Anzeige der Konzentration des spezifischen Gases. Zusätzlich ist die Anordnung empfindlich für sehr kleine Temperaturunterschiede einer Differentialthermosäule, wobei das gesamte Temperaturgefälle zwischen den Thermosäulen, das von äußeren Bedingungen herrührt, diesen Wert überschreiten kann.This means that any change in the specific gas component in the sample gas because of the negative filter effect of the large amount of the specific gas that is located in the first beam path, are not recognized on this side, rather if it is on the other beam path that does not contain any self-filtering specific gas, displayed. So is the difference in measured values that are generated across these thermopiles becomes that way are connected to provide opposite readings, amplified and registered as the concentration of the specific gas component in the sample gas. Such an arrangement presents some difficulties of its own, although it does of the best infrared analysis methods known to date To the difficulties resulting from the use of such an arrangement, the following are more critical Meaning: as soon as changes in the concentration of the undesirable, infrared absorbing Gases occur in the sample gas and these harmful gases have absorption spectra, which overlap with that of the specific gas, there is an error in the Display of the concentration of the specific gas. In addition, the arrangement is delicate for very small temperature differences of a differential thermal column, whereby the total temperature gradient between the thermopiles caused by external conditions may exceed this value.

Demzufolge ist es Gegenstand vorliegender Erfindung, ein verbessertes Gerät zu erstellen, das mit Infrarotenergie die Messung der Konzentration eines bestimmten Gasbestandteils in einer Probegasmischung erlaubt, die infrarotabsorbierende, unerwünschte Be standteile enthält, dererl~Absorptionsspektren das Absorptionsspektrum der zu bestimmenden spezifischen Gaskomponente überlappen können. Accordingly, it is an object of the present invention to provide an improved one To create a device that uses infrared energy to measure the concentration of a certain gas constituents in a sample gas mixture, the infrared absorbing, unwanted Be contains components whose absorption spectra Can overlap absorption spectrum of the specific gas component to be determined.

Derartige nichtdispersive Infrarot - Doppelstrahl-Gasanalysengeräte enthalten Grundelemente zur Erbeugung zweier, im wesentlichen gleicher Infrarotenergiestrahlen, eine Probezelle im Weg jeder der erwähnten Energiestrahlen zum kontinuierlichen Durchfluß der besagten Gasmisrshung, eine Bezugszelle in einem der erwähnten Energiewege, die eine empfindlich machende Menge desspezifischen Gases enthält, eine Kompensationszelle in- dem anderen der erwähnten Energiewege, die eine filtrierende Menge der infrarotabsorbierenden verunreinigenden Gase enthält, und miteinander verbundene Meßzellen, eine in jedem Weg, die eine derartige Me-nge des erwähnten spezifischen Gases enthalten, die ausreicht, um eine veränderliche Druckdifferenz zwischen ihnen zu erzeugen, die dem Unterschied an Infrarotabsorption auf den beiden Wegen entspricht, einen Wandler, der mit den besagten Meßzellen verbunden ist, um die erwähnte Druckdifferenz in ein veränderliches elektrisches Merkmal zu übersetzen und Verschluß anordnungen, die in den Infrarotenergieweg eingeschaltet und dazu bestimmt sind, die beiden Strahlen synchron zu unterbrechen. Such non-dispersive infrared double-beam gas analyzers contain basic elements for the diffraction of two essentially identical infrared energy beams, a sample cell in the path of each of the mentioned energy rays to the continuous Flow of said gas mixture, a reference cell in one of the mentioned energy paths, which contains a sensitizing amount of the specific gas, a compensation cell in the other of the energy paths mentioned, which have a filtering amount of the infrared absorbing Contains contaminating gases, and interconnected measuring cells, one in each Way that contain such an amount of the mentioned specific gas that is sufficient to create a variable pressure difference between them that is the difference of infrared absorption on the two paths, a transducer that works with the said measuring cells is connected to the mentioned pressure difference in a variable translate electrical feature and shutter arrangements that are in the infrared energy path switched on and intended to interrupt the two beams synchronously.

Die Erfindung ist nun dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlenunterbrecher zwei gemeinsam angetriebene Umlaufverschlüsse vorhanden sind, die derart auf einer gemeinsamen Antriebswelle angeordnet sind, daß ihre Umlaufstellung in Bezug zueinander während der Rotation der Welle geändert werden kann Eine genügende Menge nicht absorbierenden Gases, wie - Stickstoff, Argon u. ä., wird jeder Gasmenge in den Zellen (mit Ausnahme des Probegases) zugesetzt, um den Druck jeder Gasmenge gleichmäßig auf einen Wert von ungefähr einer Atmosphäre zu bringen. Die ses Verfahren ist ratsam, um den Gesamtdruck in jeder Zelle zur Erleichterung des Verfahrens auf den Atmosphärendruck zu bringen. The invention is now characterized in that as a beam interrupter two jointly driven rotary closures are available, which are so on one common drive shaft are arranged that their rotational position in relation to each other A sufficient amount of non-absorbent can be changed during the rotation of the shaft Gas, such as nitrogen, argon and the like, is used in every amount of gas in the cells (with the exception of of the sample gas) added to the pressure of each gas quantity evenly to a value of about one atmosphere to bring. This procedure is advisable to reduce the total pressure to be brought to atmospheric pressure in each cell to facilitate the procedure.

Theoretisch entspricht die Größe des Druckunter schiedes, der zwischen den- beiden Meßgasmengen, von denen sich eine in jedem Strahlengang befindet, der Menge der spezifischen Gaskomponente im Probegas. Es haben jedoch nicht alle infrarotabsorbierenden Gase die gleiche Infrarotenergieabsorptionszeit. In der Bezugszelle R im einen Strahlengang und in der Kompensationszelle C im anderen Strahlengang werden verschiedene Gasarten verwendet, so daß Phasendifferenzen in der Absorptionszeit auftreten, die durch die Tatsache kompliziert werden, daß die Infrarotenergiestrahlen in beiden Strahlengängen zur Erzeugung eines pulsierenden Differentialdruckwerts, der leichter verstärkt werden kann als ein gleichgerichteter Ausgangswert, periodisch unterbrochen werden. Theoretically, the size of the pressure difference corresponds to that between the two quantities of gas to be measured, one of which is in each beam path, the Amount of the specific gas component in the sample gas. However, not all have infrared absorbing ones Gases the same infrared energy absorption time. In the reference cell R in a beam path and in the compensation cell C in the other beam path are different types of gas used, so that phase differences occur in the absorption time, which by complicated the fact that the infrared energy rays are in both optical paths to generate a pulsating differential pressure value that amplifies more easily can be periodically interrupted as a rectified output value.

Wie sich ergeben hat, kann durch eine geeignete Bemessung der Phasenlage der Unterbrechungen des Infrarotenergiestrahls in den entsprechenden optischen Wegen die Einbuße an Empfindlichkeit ausgeglichen werden, die durch die Phasendifferenz der Infrarotenergieabsorptionszeit der verschiedenen Gase in dem System herbeigeführt wird, und damit ergibt sich ein genaues Verfahren zur Analyse, wobei jede Veränderung der unerwünschten Gaskomponente des Probegases die Messung der spezifischen Gaskomponente nicht beeinflußt. As has been shown, by suitable dimensioning of the phase position the interruptions of the infrared energy beam in the corresponding optical paths the loss of sensitivity can be compensated for by the phase difference the infrared energy absorption time of the various gases in the system becomes, and this gives an accurate method of analyzing, taking any change of the undesired gas component of the sample gas, the measurement of the specific gas component unaffected.

Entsprechend der Erfindung wird dies durch die dynamische Justierung der Phasenlage der Unterbrechungen in den entsprechenden Strahlengängen erreicht, um jeden Zeitgewinn oder Zeitverlust bei der Infrarotabsorption der Gase in den entsprechenden Strahlengängen auszugleichen. Sollte z. B. eine Gasart in dem einen System eine zusätzliche verlängerte Zeit benötigen, um Infrarotenergie zu absorbieren, wird die Unterbrechung der Energie beim Zuwachs an Zeit früher gelegt als die Unterbrechung der Infrarotenergie, die durch das andere parallele Strahlensystem läuft, das Gase enthält, die eine kleinere Absorptionszeit haben. According to the invention, this is achieved by dynamic adjustment the phase position of the interruptions achieved in the corresponding beam paths, any time gain or loss in the Infrared absorption of the gases in the corresponding Compensate beam paths. Should z. B. one type of gas in one system will need additional extended time to absorb infrared energy the interruption of the energy with the increase in time placed earlier than the interruption the infrared energy passing through the other parallel beam system, the gases which have a shorter absorption time.

Wenn auf diese Weise abgeglichen, sind die Energiestrahlen in beiden Strahlsystemen zeitmäßig in gleicher Phase, wenn sie die Meßzellen erreichen, um den Differentialdruck zu erzeugen, da sie schon durch die Gase mit unterschiedlicher Infrarotabsorptionszeit gelaufen sind. Dadurch entspricht die Differentialausgangsgröße, die zwischen den beiden Meßgasmengen erzeugt wird, tatsächlich der spezifischen Gaskomponente des Probegases. When balanced in this way, the energy beams are in both Beam systems in terms of time in the same phase when they reach the measuring cells to generate the differential pressure as it has been through the gases with different Infrared absorption time has elapsed. This corresponds to the differential output quantity, which is generated between the two measuring gas quantities, actually the specific one Gas component of the sample gas.

Zu den Zeichnungen: Fig. 1 ist ein Vertikalschniftbild der Zellblockanordnung eines Infrarotanalysiergeräts entsprechend der Erfindung; Fig. 2 ist eine Draufsicht auf den Verschlußblock, teilweise geschnitten, wie er im Analysiergerät nach Fig. 1 verwendet wird, und Fig. 3 ist eine schefflatische Darstellung des Infrarotgasanalysiersystems der Erfindung. In the drawings: Figure 1 is a vertical cross-sectional view of the cell block arrangement an infrared analyzer according to the invention; Fig. 2 is a plan view on the breech block, partially cut, as it is in the analyzer according to Fig. 1 is used, and FIG. 3 is a schematic representation of the infrared gas analyzer system the invention.

Wie in Fig. 1 durch die Zeichnung gezeigt wird, ist ein Gasanalysierzellblock erstellt worden, der zwei Strahlungswege hat und mehrere Zellen in jedem Weg enthält. As shown in Fig. 1 by the drawing, there is a gas analyzer cell block that has two radiation paths and contains multiple cells in each path.

Oben an der Zellblockanordnung ist ein IReizfadenblock 10 vorgesehen, der die Heizfäden für die beiden parallelen Strahlengänge enthält. Isolatoren 12 für Wärme und Elektrizität aus keramischem oder ähnlichem Material sind zur Isolation von Block 10 gegen die übrige Zellblockanordnung angebracht. Eine Infrarotenergiequelle 14 ist in jedem der Einsätze 16 des Heizfadenblocks 10 angebracht und besteht aus einem konisch spiralig gewundenen Heizfaden. At the top of the cell block arrangement, an I-filament block 10 is provided, which contains the filaments for the two parallel beam paths. Isolators 12 for heat and electricity made of ceramic or similar material are for insulation attached by block 10 against the remainder of the cell block assembly. A source of infrared energy 14 is mounted in each of the inserts 16 of the filament block 10 and consists of a conical spiral wound filament.

Die Energie, die von den inneren Oberflächen 20 von jedem der konischen Heizfäden 14 ausgesandt wird und in die beiden parallelen Strahlenwege hinunterstrahlt, wird so eingestellt, daß sie gleich ist. Die ersten Zellen, die durch die Infrarotenergie der Strahlungsquellen erreicht werden, sind die Probegaszellen S, die parallel geschaltet sind, um sicherzustellen, daß gleiche Proben des Gases, das fortlaufend zu analysieren ist, in beiden Strahlengängen sind. Jede Probegaszelle S stellt eine zylindrische Glasröhre 21 mit Probegaszuführungen 23 und Probegasabführungen 24 dar. Die inneren Wände 22 der Röhre 21 werden vorzugsweise mit Blattgold oder aufgedampftem Gold belegt. Die hohe Reflexionsfähigkeit undWärmeleitfähigkeit des Goldes und das große Wärmeisoliervermögen des Glases führen zur Sammlung der durchgehenden Streustrahlung und erhöhen somit den Betrag an Infrarotenergie, der zur Messung zur Verfügung steht; dies verhindert die Ausbildung von Temperaturgefällen an der inneren Zelloberfläche, die zu unerwünschter Unruhe führen; und es setzt die Verluste an Infrarotenergie durch Wärmeleitung und Brechung an den Zellwänden auf ein Mindestmaß herab. The energy dissipated by the inner surfaces 20 of each of the conical Filament 14 is sent out and radiates down into the two parallel beam paths, is set to be the same. The first cells to be affected by the infrared energy the radiation sources are reached, the sample gas cells S, which are connected in parallel are to ensure that equal samples of the gas are analyzed continuously is, are in both beam paths. Each sample gas cell S represents a cylindrical one Glass tube 21 with sample gas feeds 23 and sample gas outlets 24. The inner Walls 22 of tube 21 are preferably made of gold leaf or vapor-deposited gold proven. The high reflectivity and thermal conductivity of gold and the great The thermal insulation properties of the glass lead to the collection of the scattered radiation passing through thus increasing the amount of infrared energy available for measurement; this prevents the development of temperature gradients on the inner cell surface, which lead to undesirable restlessness; and it continues the losses in infrared energy due to thermal conduction and refraction on the cell walls to a minimum.

Die Probegaszellenendblocks 25 und 26 sind zur Abriegelung der Probegaszellen 21 vorgesehen, und abdichtende ringförmige O-Ringe 27 sind angebracht, um gasdichte Abschlüsse zwischen jedem Ende der Zellrohre 21 und der Blöcke 25 und 26 zu gewährleisten. An jedem Ende der Probegaszellrohre 21 sind Endgläser oder Fenster 28 aus Kalziumfluorid, Natriumchlorid oder ähnlichem angebracht, um die Rohre 21 zu verschließen und Verlust an Probegas zu verhindern und der Infrarotenergie doch den Weg durch die Zellrohre 21 zu ermöglichen. The sample gas cell end blocks 25 and 26 are for locking off the sample gas cells 21 is provided, and sealing annular O-rings 27 are attached to make gas-tight Ensure seals between each end of the cell tubes 21 and the blocks 25 and 26. At each end of the sample gas cell tubes 21 are End glasses or windows 28 made of calcium fluoride, sodium chloride or the like attached to the tubes 21 to seal and to prevent loss of sample gas and the infrared energy nevertheless to enable the way through the cell tubes 21.

In der Zeilblockanordnung unterhalb des Probegasendblocks 26 ist der Nullabgleichheizfadenblock 29 angebracht, der den Rückkopplungsheizfaden 30 zur Aussendung von Energie in einem Strahlengang im Verhältnis zum rückgeführten Signal enthält, um das Analysiergerät wieder auf die Nullage abzugleichen. In the cell block arrangement below the sample gas end block 26 is the zero balance filament block 29 is attached, which the feedback filament 30 to emit energy in a beam path in relation to the returned Contains signal in order to adjust the analyzer to the zero position again.

Ein zweiter nicht erregter Heizfaden 31 oder ein einstellbarer Schirm ist im anderen Strahlengang vorne sehen, um gleiche optische Beeinflussung in beiden Strahlenwegen herzustellen.A second non-excited filament 31 or an adjustable screen can be seen in the other beam path in front, in order to have the same optical influence in both Establish beam paths.

Unterhalb des Nullabgleichhei zfadenblocks 26 in der Zellblockanordnung befindet sich der Verschlußblock 32, der einen halbkreisförmigen Umlaufverschluß 33 in jedem Strahlengang besitzt, damit die Infrarotenergie, die durch die beiden Strahlenwege geht, zeitweise unterbrochen wird und ein pulsierender Ausgangswert von der Anordnung geliefert wird, der leichter verstärkt werden kann. Ein Synchronmotor 34 dient zum Antrieb der Umlaufverschlüsse 33 über die Welle 35 und Schneckengetriebe 36. Wie in Fig. 2 im einzelnen gezeigt wird, sind Maßnahmen zur dynamischen Einstellung der relativen Umlaufstellung der zwei halbkreisförmigen Platten 33 vorgesehen. Below the Nullabgleichhei zfadenblocks 26 in the cell block arrangement there is the breech block 32, which is a semicircular rotary breech 33 in each beam path so that the infrared energy passing through the two Beam paths goes, is temporarily interrupted and a pulsating output value supplied by the assembly which is easier to reinforce. A synchronous motor 34 is used to drive the rotary locks 33 via the shaft 35 and worm gear 36. As shown in detail in FIG. 2, there are measures for dynamic adjustment the relative position of rotation of the two semicircular plates 33 is provided.

Eine Nockenwelle 37 betätigt eine geflauschte Muffe 38, die mit Welle 35 verbunden ist und in Teil 39 des Blocks 32 untergebracht ist und die die dynamische Einstellung der Platten 33 während des Umlaufens der Platten gewährleistet. Angenommen, daß die Platten z. B. auf die relative Lage E'-E" eingestellt sind, so bewirkt die Drehung des Nockens 37 eine Verschiebung in der Längsrichtung der Welle 35 nach rechts, während die Verschlüsse35 umlaufen; dadurch wird eine Änderung der relativen Einstellung der Platten 33 bewirkt, und es ergibt sich eine Lage wie F'-F" in Fig. 2. A camshaft 37 actuates a fluffed sleeve 38, which with shaft 35 is connected and housed in part 39 of block 32 and which is the dynamic Adjustment of the plates 33 ensured during the rotation of the plates. Accepted, that the plates z. B. are set to the relative position E'-E ", then causes the Rotation of the cam 37 a displacement in the longitudinal direction of the shaft 35 after on the right, while the closures35 are rotating; this will change the relative Adjustment of the plates 33 causes a position like F'-F "in Fig. 2.

Unterhalb des Verschlußblocks 32 befindet sich die Kompensations- und Bezugszellenanordnung. Endblock 41, der an den Verschlußblock 32 anschließt, enthält Endgläser oder Fenster 42 und O-Ringe 43 zur Abdichtung der oberen Enden der Bezugszellröhre 44 und der Kompensationszellröhre 45, die im wesentlichen mit den oben beschriebenen Probegaszellen übereinstimmen. Gaszuführungen 46 und 47 und Gasabführungen 48 und 49 sind zum Einbringen und Ablassen des Gases zu Dichtzwecken aus der Bezugszelle R und der Kompensationszelle angebracht. Below the breech block 32 is the compensation and reference cell arrangement. End block 41, which connects to the breech block 32, includes end glasses or windows 42 and O-rings 43 to seal the top ends the reference cell tube 44 and the compensation cell tube 45, which are substantially with match the sample gas cells described above. Gas inlets 46 and 47 and Gas outlets 48 and 49 are used to introduce and discharge the gas for sealing purposes from the reference cell R and the compensation cell attached.

Die unteren Enden der Bezugs- und der Kompensationszellröhren 44 und 45 sind auf dem Meßzellenblock M aufgebaut, der zwei Meßzellen 51 und 52 enthält, die mit Gaszuführungen 53 versehen und durch die Membran eines Kondensatormikrophons 54 getrennt sind. Eine Kapillare 55 verbindet die Meßzellen 51 und 52, um den statischen Gasdruck in beiden Zellen gleich zu halten. Das Kondensatormikrophon 54 besteht aus zwei Elektroden (eine feststehende 56 und die andere eine Metallmembran 57, die an der Zellblockanordnung geerdet ist), die Kapazität zwischen diesen Elektroden ist abhängig von der Druckdifferenz der Gase in den beiden Meßzellen. Auf diese Weise werden Druckdifferenzen zwischen den beiden Gasen in den Meßzellen 51 und 52 in eine entsprechende Kapazitätsänderung zwischen den Elektroden 56 und 57 übergeführt, die über das Bauteil 58 und Masse (dem metallischen Meßzellenblock selbst) zu einem äußeren Kreis abgenommen werden, wie in Fig. 3 der Zeichnungen gezeigt wird. The lower ends of the reference and compensation cell tubes 44 and 45 are built on the measuring cell block M, which contains two measuring cells 51 and 52, which are provided with gas supply lines 53 and through the membrane of a condenser microphone 54 are separated. A capillary 55 connects the measuring cells 51 and 52 to the static Maintain the same gas pressure in both cells. The condenser microphone 54 consists of two electrodes (one fixed 56 and the other a metal membrane 57, which is grounded to the cell block assembly), the capacitance between these electrodes depends on the pressure difference between the gases in the two measuring cells. To this Way, pressure differences between the two gases in the measuring cells 51 and 52 converted into a corresponding change in capacitance between electrodes 56 and 57, over the component 58 and ground (the metal measuring cell block itself) one outer circle as shown in Figure 3 of the drawings.

Der äußere elektrische Stromkreis über das Kondensatormikrophon 54 enthält eine Induktivität 60, die einen Schwingkreis 61 bildet, dessen einer Anschluß durch Verbindung 62 geerdet ist. Eine abge schirmte Leitung 63 ist an eine Anzapfung der In-Induktivität 60 angeschlossen und bildet eine »induktive Kopplung« zwischen dem entfernt liegenden Schwingkreis 61 und der Induktivität 64 des Schwingkreises 65, der den Kondensator 66 enthält. Dieses »induktive Kopplungsglied« ist zwischen Punkten gleicher Impedanz an beiden Schwingungskreisen angeschlossen. The external electrical circuit across the condenser microphone 54 contains an inductance 60 which forms an oscillating circuit 61, one terminal of which is grounded by connection 62. A shielded abge line 63 is at a tap connected to the In inductance 60 and forms an "inductive coupling" between the remote resonant circuit 61 and the inductance 64 of the resonant circuit 65, which contains the capacitor 66. This "inductive coupling link" is between Points of the same impedance connected to both oscillation circuits.

Wie in Fig. 3 der Zeichnungen schematisch gezeigt wird, befindet sich zwischen dem Kondensatormikrophon 54 und dem Rückkopplungsheizfaden 30 der Analysierblockanordnung ein Rückkopplungsweg. As shown schematically in Figure 3 of the drawings between the condenser microphone 54 and the feedback filament 30 of FIG Analyzer block arrangement a feedback path.

Dieser Rückkopplungsweg stellt ein elektromechanisches System dar und enthält einen elektronengekoppelten Oszillatorkreis 67, den zweiten Schwingkreis 65, einen Detektorkreis 68, Gleichrichterkreis 69, Verstärkerkreis 70, den umsteuerbaren Motor 71, Reduziergetriebe 72 und den regelbaren Transformator 73. This feedback path represents an electromechanical system and contains an electron-coupled oscillator circuit 67, the second resonant circuit 65, a detector circuit 68, rectifier circuit 69, amplifier circuit 70, the reversible Motor 71, reduction gear 72 and the controllable transformer 73.

Die Ausgangsspannung des elektronengekoppelten Oszillators enthält Grundwelle und Anteile der Oberwellen, und diese Spannung erscheint am Schwingkreis 65 über Verbindung 103 und Masse. Alle Spannungskomponenten, die nicht durch den Schwingkreis an Masse kurzgeschlossen werden, beaufschlagen den Detektorkreis 68. Contains the output voltage of the electron-coupled oscillator Fundamental wave and components of the harmonics, and this voltage appears on the resonant circuit 65 via connection 103 and ground. All tension components not caused by the The resonant circuit are short-circuited to ground, act on the detector circuit 68.

Der Schwingkreis 65 besteht aus einer Parallelschaltung des veränderlichen Kondensators 65 und der Induktivität 64 mit den Verbindungen 102 bzw. 103, wobei die veränderlichen Größen derart gewählt und eingestellt werden, daß die Resonanzbedingung für eine Frequenz, die entweder der Grundwelle oder einer Harmonischen der Oszillatorfrequenz entspricht, erfüllt ist. The resonant circuit 65 consists of a parallel connection of the variable Capacitor 65 and inductor 64 to connections 102 and 103, respectively the variable quantities are selected and adjusted in such a way that the resonance condition for a frequency that is either the fundamental or a harmonic of the oscillator frequency corresponds to is fulfilled.

Es hat sich jedoch ergeben, daß durch Abstimmung dieses Kreises auf Resonanz mit einer höheren Harmonischen der Kristallfrequenz sich ein beträchtlicher Zuwachs an Empfindlichkeit des gesamten Systems einstellt. However, it has been found that by voting this circle on Resonance with a higher harmonic of the crystal frequency becomes a considerable one Increase in sensitivity of the entire system.

In dem Umwandlungskopfschwingkreis 61, der die Parallelschaltung der Induktivität 60 und das veränderliche Kondensatormikrophon 64 enthält, sind die veränderlichen Größen so gewählt, daß sich eine leichte Verstimmung einstellt. Die veränderlichen Größen sind im wesentlichen gleich denen des Schwingkreises 65. In the conversion head oscillating circuit 61, which is the parallel connection of inductor 60 and variable condenser microphone 64 the variable sizes are chosen so that a slight detuning occurs. The variable quantities are essentially the same as those of the resonant circuit 65.

Schwingkreis 61 ist mit Schwingkreis 65 durch das abgeschirmte Kabel 63 über entsprechende Anzapfungen der Induktivität 60 und der Induktivität 64 gekoppelt. Die Abschirmung 104 des Kabels 63 ist über die Verbindung 105 und 106 geerdet. Demzufolge bewirkt jede Abstimmungsänderung im Schwingkreis 61 des entfernten Umwandlungskopfes eine Verstimmung im Kreis 65 und ändert den Anteil der Ausgangsleistung des elektronengekoppelten Oszillatorkreises, der den Detektorkreis 68 erreichen kann. Resonant circuit 61 is connected to resonant circuit 65 through the shielded cable 63 coupled via corresponding taps of the inductance 60 and the inductance 64. The shield 104 of the cable 63 is grounded via connections 105 and 106. As a result causes any tuning change in resonant circuit 61 of the remote conversion head a detuning in circle 65 and changes the proportion of the output power of the electron-coupled Oscillator circuit that can reach the detector circuit 68.

Beim Betrieb wird die Ausgangsleistung des kristallgestenerten elektronengekoppelten Oszillators, die Anteile der Grundwelle und deren Oberwellen enthält, dem Schwingkreis 65 aufgedrückt. Die Schwingkreiszusammenfassung, die aus Schwingkreis 65 und dem - reflektierten Scheinwiderstand des Schwingkreises 61 besteht, der mit Schwingkreis 65 induktiv gekoppelt ist, ist leicht gegen die Resonanz mit dem Grundweilenanteil oder vorzugsweise dem Anteil einer höheren Harmonischen des Oszillatorausgangs verstimmt. Somit werden bei z. B. auf die dritte Oberwelle abgeglichenem Schwingkreis der Grundwellenanteil und alle anderen Oberweilenanteile durch den Schwingkreis 65 geerdet, und der Schwingkreis 65 wirkt nur für den Anteil der dritten Oberwelle als Scheinwiderstand. Also wird nur die Spannung der dritten Oberwelle, die gemäß den Abstimmungsänderungen durch das Kondensatormikrophon 54 im Schwingkreis 61 moduliert ist, dem Detektorkreis 68 zugeführt. Nach der Demodulation besteht die Ausgangsspannung, die zwischen Ausgangsleitung 118 und Erde auftritt, aus der Modulationsspannung und gibt die Änderungen der Kapazität des Kondensatormikrophons 54 wieder. In operation, the output power of the crystal is starved electron-coupled Oscillator, which contains components of the fundamental wave and its harmonics, the resonant circuit 65 pressed. The resonant circuit summary, which consists of resonant circuit 65 and the - Reflected impedance of the resonant circuit 61 consists of the resonant circuit 65 is inductively coupled, is slightly against the resonance with the fundamental part or preferably detuned to the component of a higher harmonic of the oscillator output. Consequently are at z. B. on the third harmonic balanced resonant circuit of the fundamental wave component and all of the other upper part of the circuit is grounded through resonant circuit 65, and the resonant circuit 65 only acts as an impedance for the third harmonic component. So will only the voltage of the third harmonic, which is carried out according to the tuning changes the condenser microphone 54 is modulated in the resonant circuit 61, the detector circuit 68 supplied. After the demodulation, the output voltage exists between the output line 118 and earth occurs from the modulation voltage and gives the changes in capacitance of the condenser microphone 54 again.

Durch die Verwendung des kristallkontrollierten elektronengekoppelten Oszillators ergibt sich für die Anordnung eine hochgradige Frequenzstabilität. Zusätzlich steht durch die Verwendung eines elektronengekoppelten Oszillatorkreises im Aufbau der Erfindung eine verhältnismäßig große Ausgangsleistung bei hoher Frequenzstabilität zur Verfügung. Die Kreisstabilität wird weiterhin dadurch erhöht, daß die Abstimmungsänderung von der hochfrequenzerzeugenden Energiequelle (Kristalloszillato,r) durch Mittel der elektronischen Kopplungsanordnung ferngehalten werden. Auf diese Weise wird der Kristalloszillator durch Abstimmungsänderung im Schwingkreis 65 fast nicht beeinflußt, aber durch die Anordnung zur induktiven Kopplung zwischen den beiden Schwingkreisen gestattet die entfernt stehende empfindlich machende Einheit 61 auf den Meßkreis anzusprechen, als ob sie ein Teil und nicht von ihm entfernt wäre. Die Anordnung zur induktiven Kopplung, die selber gegen Verstimmungen unempfindlich ist, bildet ein zuverlässiges und störungsfreies Mittel, um den entfernt angekoppelten hochempfindlichen Kreis des Hauptteils der elektronischen Anordnung mit wenig oder keinem Empfindlichkeitsverlust ohne Vergrößerung der Störungen zu verbinden. By using the crystal-controlled electron-coupled Oscillator results in a high level of frequency stability for the arrangement. Additionally is under construction through the use of an electron-coupled oscillator circuit the invention a relatively large output power with high frequency stability to disposal. The circular stability is further increased by the fact that the tuning change from the high frequency generating energy source (crystal oscillato, r) by means be kept away from the electronic coupling arrangement. That way will the crystal oscillator is almost unaffected by a change in tuning in the oscillating circuit 65, but due to the arrangement for inductive coupling between the two oscillating circuits allows the remote sensitizing unit 61 to be on the measuring circuit address as if she were a part and not removed from him. The order for inductive coupling, which is itself insensitive to detuning, forms a reliable and interference-free means of keeping the remotely docked highly sensitive Circle the bulk of the electronic assembly with little or no loss of sensitivity to connect without enlarging the disturbances.

Der Detektor 101 ist vorzugsweise ein Kathodengleichrichter, denn dadurch wird die Empfindlichkeit der Messung nicht durch Aufladungseffekte vernichtet. The detector 101 is preferably a cathode rectifier because as a result, the sensitivity of the measurement is not destroyed by charging effects.

Es hat sich herausgestellt, daß die Kurve, die sich beim Durchstimmen der Anordnung ergibt, so geartet ist, daß eine lineare Funktion der Ausgangsspannung von der Abstimmung, die entweder moduliert oder nicht moduliert erfolgen kann, entsteht. Die Meßempfindlichkeit, z. B. für Kapazitäten, liegt in der Größenordnung von 10-17 Farad in modulierten und bei tF14 Farad in nicht modulierten Systemen, mit einer Umsetzungsfähigkeit in der Größenordnung von 250 Volt pro Picofarad Änderung bei einer Gesamtkapazität von S0Picofarad in der empfindlich machenden Einheit. It has been found that the curve that changes when tuning the arrangement is such that a linear function of the output voltage from the vote, which can be either modulated or unmodulated, arises. The measurement sensitivity, e.g. B. for capacities, is on the order of 10-17 Farad in modulated and at tF14 Farad in non-modulated systems, with one Implementation capability on the order of 250 volts per picofarad change a total capacity of 50 picofarads in the sensitizing unit.

Die demodulierte Ausgangsspannung, die am De tektcrkreis 68 auftritt, wird einem erfindungsgemäßen Gleichrichterkreis 69 gegeben. Der mechanische Gleichrichter besteht, wie in Fig. 1 der Zeichnungen gezeigt wird, aus magnetisch betriebenen Quecksilberschaltern 119. Der benötigte abwechselnde Kontakt wird durch eine umlaufende Eisenklinge 120 dargestellt, die auf der synchron angetriebenen Umlaufwelle 35 des Strahlzerhackers 32 sitzt und das magnetische Feld zwischen den Magneten 121 und den Schaltern 119 unterbricht. Auf diese Weise wird die Gleichrichtung des Rückkopplungswerts synchron mit der Infrarotenergiezerhackung gewährleistet. Die durch die beiden Schalter 119 getrennten Signale werden dann in geeigneter Weise, z. B. mittels hintereinandergeschal teter Potentiometer, verglichen und der Signalunterschied dem Verstärker 70 zugeführt. The demodulated output voltage appearing at detector circuit 68 is given to a rectifier circuit 69 according to the invention. The mechanical rectifier consists, as shown in Fig. 1 of the drawings, of magnetically operated Mercury switches 119. The required alternating contact is provided by a circumferential Iron blade 120 shown, which is on the synchronously driven rotating shaft 35 of the Beam chopper 32 sits and the magnetic field between the magnets 121 and switches 119 interrupts. This will rectify the feedback value synchronized with the infrared energy chopping guaranteed. The through the two switches 119 separate signals are then transmitted in a suitable manner, e.g. B. by means of one behind the other teter Potentiometer, compared and the signal difference fed to the amplifier 70.

Der Ausgang des Verstärkers 70 ist mit einem Zweiphasenmotor 71 verbunden und treibt ihn in der jeweiligen Richtung, die von der Polarität der Ausgangsspannung abhängt, an. Der Motor 71 ist über die Untersetzung 72 mit einem Drehautotransformator 73 mechanisch verbunden, dessen Ausgang über den Rückkopplungsheizfaden 30 des Infrarotanalysiergeräts verbunden ist, womit der Energieweg der Rückkopplung zum Nullabgleich vollständig ist. The output of the amplifier 70 is connected to a two-phase motor 71 and drives it in the respective direction that depends on the polarity of the output voltage depends on. The motor 71 is via the reduction gear 72 with a rotary autotransformer 73 mechanically connected, the output of which is via the feedback filament 30 of the infrared analyzer is connected, with which the energy path of the feedback to the zero adjustment is complete is.

Daraus ist ersichtlich, daß bei nicht vorhandener spezifischer Gaskomponente in den Probegaszellen das Analysiergerät auf Null ahgeglichen werden kann, indem die Erregung des Rückkopplungsheizfadens 30 so eingestellt wird, daß auf der Bezugszellenseite des Analysiergeräts die Gesamtmenge an Infrarotstrahlung so groß wird, daß sich gleicher Druck in beiden Meßzellen einstellt und somit kein Signal im Kondensatormikrophon erzeugt wird. Wenn sich jedoch die spezifische Gaskomponente in den Probezellen vergrößert, ergibt sich eine Druckdifferenz, die auch die Schwingkreise verstimmt und sich in einer Spannungsrückkopplung am Rückkopplungsheizfaden auswirkt, die das Analysiergerät für diesen Prozentsatz der spezifischen Gaskomponente im Probegas wieder abgleicht. It can be seen from this that in the absence of a specific gas component the analyzer can be adjusted to zero in the sample gas cells by the excitation of the feedback filament 30 is adjusted so that on the reference cell side of the analyzer, the total amount of infrared radiation is so great that sets the same pressure in both measuring cells and therefore no signal in the condenser microphone is produced. However, if the specific gas component is in the sample cells increases, there is a pressure difference that also detuned the oscillating circuits and results in voltage feedback on the feedback filament which the analyzer for this percentage of the specific gas component in the sample gas aligns again.

Da der Drehautotransformator 73 in Übereinstimmung mit dem zurückgespeisten Wert gedreht wird und dabei den Nullabgleich der Anordnung wiederherstellt, gibt ein Drehwinkelanzeiger, der daran angeschlossen ist und sich mitdreht, eine Anzeige, die leicht im Prozentsatz an spezifischer Gaskomponente im Probegas geeicht werden kann. Somit ist die Drehwinkelanzeige eine stetige Anzeige des Anteils an spezifischem Gas des Probegases.As the rotary auto-transformer 73 in accordance with the fed back Value is rotated and thereby restores the zero balance of the arrangement a rotation angle indicator that is connected to it and rotates with it, a display, which are easily calibrated in the percentage of specific gas components in the sample gas can. Thus, the angle of rotation display is a continuous display of the proportion of specific Gas of the sample gas.

Ein Gerät gemäß der Erfindung wurde erfolgreich angewandt zur Analyse bestimmter Anteile einer großen Vielzahl infrarotabsorbierender Gase in vielen Gasmischungen, die andere infrarotabsorbierende Anteile enthielten. Beispielsweise ergaben sich bei der Anwendung folgende Ergebnisse: Eine verdampfte Flüssigkeitsprobe, die die folgenden Volumprozentschwankungsbreiten aufwies, wurde in die Probezellen eines Analysiergeräts geschickt, das auf einen Methanbereich von 0 bis 5 °/o eingestellt war: Bestandteil Volumprozent- sdlwankungsbreite C H4 (Methan) 0,4 bis 8,2 C2H6 (äthan) .................. 51,1 bis 66,6 Ci H8 (Propan) ................. 26,1 bis 34 Iso-C4 Hlo (Isobutan) ........... 1,5 bis 4,0 n-C4HtO (Normalbutan) ........ 1,9 bis 5,1 n-C5H12 (Normalpentan) ....... 0,3 bis 1,1 Die beiden Probezellen waren parallel geschaltet und enthielten die obigen sechs Bestandteile des Probegases, das ununterbrochen durchfluß. Die Bezugszelle enthielt 60 Q/o C H4-f 40 °/o Stickstoff, die Kompensationszelle enthielt 30°/o C3H8t70eI0 Stickstoff, und beide Meßzellen enthielten 50°lo CH4+500/o Argon.Apparatus in accordance with the invention has been used successfully to analyze certain proportions of a wide variety of infrared absorbing gases in many gas mixtures containing other infrared absorbing proportions. For example, the following results were obtained during use: A vaporized liquid sample, which had the following volume percent fluctuation ranges, was sent into the sample cells of an analyzer that was set to a methane range of 0 to 5%: Component volume percentage fluctuation range C H4 (methane) 0.4 to 8.2 C2H6 (ethane) .................. 51.1 to 66.6 Ci H8 (propane) ................. 26.1 to 34 Iso-C4 Hlo (isobutane) ........... 1.5 to 4.0 n-C4HtO (normal butane) ........ 1.9 to 5.1 n-C5H12 (normal pentane) ....... 0.3 to 1.1 The two sample cells were connected in parallel and contained the above six components of the sample gas, which flowed through continuously. The reference cell contained 60% C H4-40% nitrogen, the compensation cell contained 30% C3H8t70e10 nitrogen, and both measuring cells contained 50% CH4 + 500% argon.

Als einziges Kompensatiousgas wurde Propan verwendet, weil es sich ergab, daß die Absorption durch das Propan so stark war und die Absorptionsbanden von Äthan, Butan und Pentan derart überlappte, daß völlige Kompensation für alle diese unerwünschten Gase erreicht war, sobald die Kompensation für Propan erlangt war. Bei der oben beschriebenen Anwendung wurde die Phasenlage der Strahlen der unterbrochenen Infrarotenergie durch die Bezugs- und die Kompensationszelle eingestellt, und es ergab sich eine hochempfindliche Anzeige des Anteils an Methan.Propane was used as the only compensatory gas because it was showed that the absorption by the propane was so strong and so were the absorption bands of ethane, butane and pentane overlapped in such a way that complete compensation for all this undesirable gas was reached once the compensation for propane was obtained was. In the application described above became the phasing the rays of interrupted infrared energy through the reference and compensation cells set, and there was a highly sensitive reading of the proportion of methane.

Claims

PATENT CLAIMS 1. Double jet gas analyzer with condenser microphone and with beam interrupters that switched into the energy paths of the two beams are, characterized in that two jointly driven as a beam interrupter Revolving closures (33) are present, which are mounted on a common drive shaft (35) are arranged that their orbital position in relation to each other during rotation the shaft can be changed.

2. Apparatus according to claim 1 with a condenser microphone, which due to the pressure difference in the measuring cells according to its respective capacity an impulse via an amplifier to one equipped with an angle of rotation indicator Motor there, the motor with regulating organs to regulate the to the reference cell emitted intensity of the infrared radiation is characterized, that the common shaft (35) of the beam interrupter (33) with a mechanical Rectifier (69) is coupled, which serves to the demodulated pulse of a To feed the oscillator (67) in rectified form to the amplifier (70), wherein the impulse via oscillation circuits (61, 65) belonging to the condenser microphone, is directed.

3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the mechanical Rectifier (69) includes a pair of magnetically operated mercury switches (119), of which one or the other depending on the intervening an iron blade (120) is operated on the common shaft (35) of the rotating Beam interrupter (33) between the switch and an associated magnet (121) is attached.

Documents considered: German Auslegeschrift No. 1 008 026; Gas-Wärme, 1957, pp. 148 to 159; Journal of Applied Physics (1954), Pp. 563 to 576.