DE1648921A1 - Selektiver Zweistrahl-Infrarot-Gasanalysator zur UEberwachung einer Grenzkonzentration - Google Patents

Description

HARTMANN & BRAUN 6 Frankfurt (Main), 2.Aug.1967

Aktiengesellschaft Gräfstraße 97 Lo/kü

"Selektiver Zweistrahl-Infrarot-Gasanalysator zur Überwachung einer Grenzkonzentration"

Die Erfindung betrifft einen selektiven Zweistrahl-Infrarot-Gasanalysator mit Meß- und Vergleichsstrahlengang, Strahlungsmodulation und phasenunabhängiger Gleichrichtung der Ausgangsspannung des dem elektrisch arbeitenden Strahlungsdetektor nachgeschalteten Verstärkers. Das Prinzip derartiger Gasanalysatoren ist beispielsweise in der Zeitschrift »ATM«, Blatt V 723-22 (März 1965) auf Seite 60 beschrieben. Bei diesen Geräten wird für die Anzeige der Meßgaskonzentration eine möglichst . lineare Skalenteilung des angeschlossenen .Meßinstrumentes angestrebt. Die Linearität erreicht man weitgehend dadurch, daß man die Länge der Meßküvette so wählt, daß in ihr die selektive Strahlungsabsorption durch die Meßkomponente relativ gering ist und auf keinen Fall größer als 40 i» wird· Bis zu diesem Abeorptionsgrad ist

-2-209812/0239

ein annähernd linearer Zusammenhang zwischen der Heßgaskonzentration in Vol. i» und dem Auegangssignal des Detektors bzw. dem Strom Über das elektrische Anzeigeinstrument gegeben.

Hinsichtlich der Meßeigenschaften des Gerätes ist zu bemerken» daß eine gerätetechnisch bedingte, durch optische UnSymmetrien hervorgerufene Instabilität des Nullpunktes und der Empfindlichkeit vorhanden ist. Erfahrungsgemäß beträgt z.B. die Unsymmetrie, die durch den Quotienten Δ I ausgedrückt werden kann, +0,1 #/Woche, wobei ΔI die die Nullpunktschwankung hervorrufende Intensitätsdifferenz der beiden Strahlenbündel ist und I die bei Abwesenheit des Meßgases und vollkommenen Nullabgleich vorhandene Strahlungsintensität. Die durch die Nullpunktdrift hervorgerufenen Meßfehler können im Laufe der Zeit erhebliches Ausmaß annehmen. Bei der Wartung des Gerätes ist es deshalb unbedingt nötig, Nullpunkt und Endpunkt des Meßbereiches täglich bis wöchentlich zu kontrollieren und mittels Einstellvorrichtungen neu abzugleichen, wozu im allgemeinen Prüfgase benutzt werden. Dieser erhebliche Bedienungsaufwand läßt sieh bei der vorbeschriebenen Geräteausführung nicht vermeiden, wenn die garantierte Meßgenauigkeit über den gesamten Meßbereich eingehalten werden soll·

209812/0239

Es gibt nun besondere Anwendungsfälle eines Infrarot-Gasanalysators, bei .denen das Gerät vorzugsweise ambulant eingesetzt werden muß und nicht das Äußerste an Heßgenauigkeit verlangt wird. Beispielsweise die Fälle, bei denen eine bestimmte, relativ niedrige Grenzkonzentration zu überwachen ist. Besonders herausgegriffen sei die Aufgabe, den Gehalt an CO im Auspuffgas von Brennkraftmaschinen zu überwachen, wobei eine zulässige Grenzkonzentration von 4,5 Vol.# CO festgelegt ist. Dabei brauchen Konzentrationswerte in unmittelbarer Nähe des Nullpunktes <C1 Vol.# CO und im weiteren Abstand oberhalb der Grenzkonzentration ^·6 - 8 Vol.# CO nicht ermittelt zu werden, da diese nicht mehr von Interesse sind. Hier und in ähnlichen Fällen ist eine Meßgenauigkeit von + 5 #.bezogen auf den mit 10 Vol.# CO festgelegten Meßbereichendwert völlig ausreichend.

Die Erfindung bezweckt die Ausbildung des vorgenannten Typs eines Zweistrahl-Infrarot-Gasanalysators für diese speziellen Anwendungsfälle. Dabei besteht die Aufgabe, dem Gerät einen möglichst einfachen Aufbau zu geben, insbesondere möglichst einfache Mittel zur Funktionskontrolle und Nachjustierung vorzusehen, im Hinblick darauf, daß für die Bedienung kein fachkundiges Personal zur Verfügung steht.

209812/0239

Erfindungsgemäß ist der selektive Zweistrahl-Infrarot-Gasanalysator zur Überwachung einer Grenzkonzentration mit Meß- und Vergleichsstrahlengang,. Strahlungsmodulation und phasenunabhängiger Gleichrichtung der Ausgangsspannung des dem elektrisch arbeitenden Strahlungsdetektor nachge-Bchalteten Verstärkers durch die Kombination folgender Merkmale gekennzeichnet:

a) Die Küvettenlänge ist so gewählt, daß für die zu überwachende Grenzkonzentration die selektive Absorption in der Meßküvette 40 bis 60 $> beträgt.

b) Die phasenunabhängige Gleichrichtung der Ausgangsspannung des Verstärkers erfolgt durch eine Gleichrichteranordnung mit einem Schwellwert, der größer ist, als der Ausgangswert des Verstärkers infolge der Nullpunktdrift des Analysators.

c) Für die Konzentration Null sind Meß- und Vergleichsstrahlengang nach Amplitude und Phase so abgeglichen, daß der Ausgangsstrom des Verstärkers Null ist.

Pur die Überwachung von CO im Abgas von Brennkraftmaschinen beträgt die Länge der Meßküvette für die Grenzkonzentration 4,5 $> CO 10 mm, für andere Grenzkonzentrationen von CO ergibt sich die Küvettenlänge in Millimeter aus dem Quotienten

45
Grenzkonzentration.

-5-

209812/0239

Zur Funktionskontrolle wird bei Geräten mit je einem Strahler für Meß- und Vergleichsstrahlengang bei der Meßgaskonzentration Null parallel zur Strahlerwendel im Meßstrahlengang ein festwiderstand geschaltet, der so bemessen ist, daß die dadurch hervorgerufene Strahlerschwächung dem Wert der Schwächung durch die Grenzkonzentration entspricht, und der Verstärker regelbar ausgeführt. Die Einstellung des Verstärkungsgrades erfolgt durch einen am Gerät befindlichen Einstellknopf. Gleichzeitig mit der Parallelschaltung des FestwiderStandes zur Strahlerwendel im Meßstrahlengang wird dem Anzeigekreis ein im Gerät eingebauter temperaturabhängiger Widerstand parallel geschaltet, zur Berücksichtigung des von der Umgebungstemperatur abhängigen Absorptionsgrades der Meßstrahlung in der Meßküvette.

Die Vorteile dieser Merkmale und Maßnahmen beim Erfindungsgegenstand werden anhand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel für die erwähnte CO-Abgasmessung bei Brennkraftmaschinen erläutert. " ·

Es zeigt:

Mg. 1 schematisch den optischen und den elektrischen !Teil

des Analysators,
Fig. 2 grafisch den Zusammenhang zwischen dem durch das Meßgas absorbierten Anteil der Strahlung in der

-6-209812/0239

Meßküvette und der Konzentration des Meßgases, einmal für den Fall des Erfindungsgegenstandes mit hohem Absorptionsgrad bei der Grenzkonzentration» zum anderen mit einem Absorptionsgrad» der nur ein zehntel davon beträgt,

Fig. 3 grafisch den Zusammenhang zwischen der Konzentration des Meßgases und dem Ausgangssignal des Analysators,

Fig. 4 die Skalenteilung des Anzeigeinstrumentes des Analysators.

Gemäß Fig. 1 werden die Strahlungsquellen 1 und 2 des Analysators, welche elektrisch geheizte Drahtwendeln sind, über eine Stromkonstanthalteeinrichtung 3 aus dem Netz gespeist. Nach periodischer Unterbrechung durch das motorgetriebene Blendenrad 4 gelangen die durch die Meßküvette 5 und die Vergleichsküvette 6 hindurchtretenden Strahlenbündel in die mit dem Meßgas gefüllten Kammern des Empfängers 7. Der Membrankondensator 8 des Empfängers, dessen Spannungsversorgung durch die Batterie 9 angedeutet ist, erzeugt in bekannter Weise das Meßsignal, das vom regelbaren Verstärker 10 verstärkt und über den Gleichrichter 11 dem Aazeigeinstrument zugeführt wird. Die Vergleichsküvette 6 enthält ein die Infrarotstrahlung nicht absorbierendes Gas. Das zu analysierende Abgas strömt durch die Meßküvette 5. Die Länge der Meßküvette ist so gewählt, daß bei der Grenzkonzentration

209812/0239

4,5 Vol.# CO die selektive Strahlungsabsorption 50 # beträgt. Dies ist der Fall bei einer Küvettenlänge von 10 mm. Unter dieser Voraussetzung wird die Absorption in der Meßküvette für den Meßbereich 0 bis 10 Vol.# CO durch die Kurve 16 in Pig. 2 wiedergegeben. Der Kurvenverlauf ist stark nichtlinear. Zum Vergleich ist eine Kurve 17 eingezeichnet, die der üblichen Kalibrierung eines Infrarot-Gasanalysators zur Erzielung einer möglichst linearen Skalencharakteristik entspricht. Die Linearität wird dadurch erreicht, daß die selektive Strahlungsabsorption bei der Grenzkonzentration 4»5 Vol.?£ CO in der Meßküvette nur 5 $> beträgt. Die dargestellten Verhältnisse ergeben sich aufgrund des Lambert-Beerschen-Absorptionsgesetzes.

Der Zusammenhang zwischen Absorption und Ausgangssignal des Analysators ist linear. Es ergibt sich somit die KurVe 18 in Fig. 3 für das Ausgangssignal S in Abhängigkeit von der Meßgaskonzentration. Infolge des Schwellwertes des Gleichrichters beginnt die Kurve nicht im Nullpunkt. Die Schwelle entspricht etwa 4 $> des Meßbereichumfangs und ist größer als die Nullpunktdrift des Analysators. Aus Pig. 3 folgt die in Pig. 4 dargestellte Skalenteilung des Anzeigeinstrumentes.

Durch die Wahl des bei Infrarot-Gasanalysatoren nicht üblichen hohen Absorptionsgrades von 50 # bei einem mittleren Meßwert wird die Nullpunktstabilität entscheidend verbessert.

-8-2098 1 2/0239

Im Vergleich zu den durch Kurve 17 der Mg. 2 wiedergegebenen A"bsorptionsverhältnissen mit geringem Absorptionsgrad, die zu einer linearen Eichkurve führen, ist die Drift des Nullpunktes um eine Größenordnung kleiner. Dadurch ergibt sich in Zusammenwirken mit dem Schwellwert des Gleichrichters der Vorteil, daß der Nullpunkt des Analysators auch über gro.ße Zeiträume hinweg unverändert bestehen bleibt, wenn bei der erstmaligen Kalibrierung des Gerätes für die Konzentration Null Meß- und Vergleichsstrahlengang nach Amplitude und Phase so abgeglichen werden, daß der Ausgangsstrom des Verstärkers Null ist. Der Abgleich erfolgt mit den für diesen Zweck bekannten Mitteln, z.B. Blenden, die in die Strahlengange eingeschoben werden. Damit ist der optische Nullpunkt grundsätzlich festgelegt. Eine von außen zugängliche Einstellvorrichtung zum Nachstellen des Nullpunktes entfällt. Sollte bei der Meßgaskonzentration Null doch eine Nullpunktdrift beobachtet werden, so würde dies auf ein fehlerhaftes Gerät hindeuten.

Die nichtlineare Skala kann in Kauf genommen werden, es ist trotzdem eine Meßgenauigkeit von + 5 ^ des«.Skalenendwertes garantiert bis herab zu einem Meßwert von 1 Vol.# CO.

Durch den hohen Absorptionsgrad in der Meßküvette liefert der Strahlungsdetektor ein vergleichsweise großes Signal. Entgegen den sonst benutzten Verstärkern hohen Veretärkungs-

209812/0239

grades kann deshalb der beim Erfindungsgegenstand benutzte Verstärker von geringerer Verstärkungsleistung und damit einfacherem Aufbau sein. Wie aus .den nachstehenden Erläuterungen hervorgeht, ist er regelbar.

Zur Funktionskontrolle und zum Ausgleich von Empfindlichkeitsänderungendes Analysators dient eine besondere Schaltung. Sie enthält nach Fig. 1 einen Festwiderstand 13 und einen temperaturempfindlichen Widerstand 14· Mit Hilfe eines von Hand zu betätigenden Schalters 15 kann der Widerstand 13 parallel zur Strahlerwendel der Strahlungsquelle 2 und gleichzeitig der Widerstand 14 parallel zum Anzeigekreis dee Anzeigeinstrumentes 12 geschaltet werden. Der Widerstand 13 ist so bemessen, daß durch die Parallelschaltung eine StrahlerSchwächung simuliert wird« die dem Wert der Schwächung durch di· Grenzkonzentration entspricht· Hach Einschaltung beider Widerstände ist die Anseige su kon trollleren. Sofern der Zeiger des Anselgeinstruasntee nicht genau auf des richtigen Wert 4»5 Tol.fi 00 steht, ist er durch Ändern des Verstärkungsgrades des Verstärkers 10 mit Hilfe des Einstellknopfes 19 auf dieseiv zurückzuführen. Bei diesem einfachen Kontroll- und Abgleichvorgang» der rasch und beliebig oft wiederholt werden kann, dient der temperaturempfindliche Widerstand 14 dem Zweck_s die Temperatur abhängigkeit des Absorptionsvermögens ®inea Saass ia der MeBküvette, das 4,5 VoI.# .00 enthält_f nachzubilden. Hach

209812/0239

-10-BAD ORIGINAL

Vornahme der Funktionskontrolle wird der Schalter 15 wieder geöffnet und das Gerät ist meßbereit. Die Verwendung des temperaturempfindlichen Kompensationswiderstandes 14 bedeutet nicht, daß der Analysator eine Temperaturkompensation benötigt. Im Meßzustand" ist keine Abhängigkeit der Anzeige von der Umgebungstemperatur vorhanden, da die temperaturbedingten Änderungen der verschiedenen temperaturempfindlichen ' Teile des Gerätes sich im Endeffekt gegenseitig kompensieren.

Der Infrarot-Gasanalysator der Erfindung weist somit nur zwei Bedienungselemente auf, einen*Schalter zur Funktionskontrolle und einen Einstellknopf zur Empfindlichkeitseinstellung.

Was die Wahl eines Absorptionsgrades von 40 bis 60 i» bei der Grenzkonzentration betrifft, so ist festzuhalten, daß bei geringerem Abaorptionsgrad die Hullpunktetabilltat über einen fröSeren Z ei trau» nicht su erreichen ist, wenn eine eicher· Metaüglichkeit bis in die Iahe de· lull punk tee bestehen soll und bei höheres Abeorptionsgrad die Mefgenaulgkeit zu gering wird.

»AD ORIGINAL

208812/0239 '

Claims (3)

Patentansprüche

1. Selektiver Zweistrahl-Infrarot-Gasanalysator zur überwachung einer Grenzkonzentration mit Meß- und Vergleichsstrahlengang, Strahlungsmodulation und phasenunabhängiger Gleichrichtung der Ausgangsspannung des dem elektrisch arbeitenden Strahlungsdetektor nachgeschalteten Verstärkers, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) Die Küvettenlänge ist so gewählt, daß für die zu überwachende Grenzkonzentration die selektive Absorption in der Meßküv.ette 40 bis 60 $> beträgt.

b) Die phasenunabhängige Gleichrichtung der Ausgangsspannung des Verstärkers erfolgt durch eine Gleichrichteranordnung mit einem Schwellwert, der größer ist als der Ausgangswert des Verstärkers vor der Gleichrichtung infolge der Nullpunktdrift des Verstärkers.

c) Für die Konzentration Null sind Meß- und Vergleichsstrahlengang nach Amplitude und Phase so abgeglichen, daß der Ausgangsstrom des Verstärkers Null ist.

-12-

20981 2/0239 '

- 12 - 1648321

2. Gasanalysator nach Anspruch 1 für die Überwachung von CO im Abgas von Brennkraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Meßküvette für die Grenzkonzentration 4»5 i» CO 10 mm beträgt und für andere Grenzkonzentrationen von CO sich in Millimeter aus dem

Quotienten 45 · ergibt.

Grenzkonzentration

3. Gasanalysator nach Anspruch 2 mit je einem Strahler für Meß- und Vergleichsstrahlengang, dadurch"gekennzeichnet, daß zur Funktionskontrolle des Gerätes bei der Meßgaskonzentration Null parallel zur Strahlerwendel im Meßstrahlengang ein Festwiderstand anschaltbar ist, der so bemessen ist, daß die dadurch hervorgerufene Strahlerschwächung dem Wert der Schwächung durch die Grenzkonzentration entspricht und der Verstärkungsgrad des Verstärkers einstellbar ist.

4* Gasanalysator nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig mit der Parallelschaltung des Festwiderstandes zur Strahlerwendel im Meßstrahlengang dem Anzeigekreis ein im Gerät eingebauter temperaturabhängiger Widerstand parallel geschaltet wird zur Berücksichtigung des von der Umgebungstemperatur abhängigen Absorptionsgrades der Meßstrahlung der Meßküvette.

2098 12/0239