DE1948193A1 - Anordnung zur Bestimmung einer Komponente eines Gasgemisches - Google Patents

Description

• Anordnung zur Bestimmung einer Komponente eines Gasgemisches Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Bestimmung einer Komponente eines Gasgemisches, insbesondere des Wasserdampfgehaltes der Luft, mittels eines Strahlungsempfängers durch Differenzbildung zwischen der Strahlungsabsorption des Meßgasgemisches und eines die zu bestimmende Komponente nicht oder in bekannter Konzentration enthaltenden Vergleichsgases oder -gasgemisches.
• Es ist bekannt, daß eine gasförmige Komponente eines Gasgemisches, beispielsweise der Wasserdampfgehalt-der Luft, gemessen werden kann, beispielsweise durch die Messung der Taupunkttemperatur mittels eines Taupunkthygrometers. Es kann auch als Ersatz für den Taupunkt die Umwandlungstemperatur gemessen werden, beispielsweise mittels eines Lithiumchlorid-Taupunkthygrometers. Das Lithiumchlorid-Taupunkthygrometer beruht auf den Eigenschaften des Lithiumchlorid LiOl durch Absorption Wasser aufzunehmen und dann seine elektrische Leitfähigkeit entsprechend zu erhöhen. Der erhöhte Stromwiederum trocknet die Lithiumchloridschicht und es stellt sich zwischen der Trocknung und der Wasseraufnahme eine Gleichgewichtstemperatur ein, die ein Maß für den Wasserdamp£-druck und damit für die absolute Feuchtigkeit darstellt. Die Toleranz dieses Meßverfahrens ist Jedoch verhältnismäßig groß, sie beträgt einige Prozent. Außerdem ist eine laufende Wartung erforderlich, weil Kondens- und Tropfwasser auf dem Lithiumchlorid-Fuhler die Messung fän n und leitende Staubablagerungen den Fühler unbrauchbar machen. Ferner ist die Meßeinrichtung verhältnismäßig träge, die Zeitkonstante beträgt mehrere Sekunden. Der Anwendungsbereich dieses Verfahrens ist dadurch begrenzt Es ist ferner bekannt, die physikalischen Eigenschaften der zu bestimmenden Gaskomponente zur Messung ihres Anteils am Gasgemisch heranzuziehen. Mit einem Ultrarot-Spektrographen kann beispielsweise die Lage und Intensität der als Absorptionsbanden meßbaren Molekülresonanzen verwendet werden,-um unbekannte Stoffgemische zu analysieren. Es lassen solch beispielsweise schon kleine Wassergehalte durch Absorption an den für das Hp0-Molekül typischen Resonanzstellen erkennen. Die Intensität der Absorptior dieser Banden läßt auf die Konzentration des Wassers schließen.
• Nach der sogenannten Differenzmethode kann ein Infrarotstrahler zwei Meßküvetten, die vom Gasgemisch durchströmt werden, durchstrahlen. Die beiden Strahlenbündel werden jeweils durch den absorbierten Anteil geschwächt und fallen auf je einen Meßempfänger. Diese MeXempfänger sind in der Form getrennter Meßkammern angeordnet, deren Gasfüllung den eigentlichen Strahlungsempfänger darstellt. Nur eine der beiden Meßkammern enthält das nachzuweisende Gas, z.B. Wasserdampf. Hierdurch wird eine selektive Absorption der Absorptionsbanden nur in dieser Kammer erreicht.
• Die Anzeige erfolgt beispielsweise über Platin-Widerstandsthermometer, welche durch die von der absorbierten Strahlungsleistung beeinflußten Gastemperaturen in ihrem Widerstand bestimmt werden.
• Zusammen mit den Meßkammern hat diese Einrichtung jedoch eine so große Ausdehnung, daß damit beispielsweise eine direkte Messung der Feuchtigkeit in einer Klimakammer nicht möglich ist.
• Man kann auch mit Strahlungsempfängern die am Boden der Meßküvetten austretenden Strahlung erfassen. Die Differenz der austretenden Strahlungsleistungen ist ein Maß für die Durchlässigkeit und damit für den Anteil der zu bestimmenden Gaskomponente im Gasgemisch, wenn eine der Küvetten die zu bestimmende Gaskomponente in bekannter Konzentration enthält. Bei Verwendung dex bekannten Strablungsdetektoren muß jedoch ein erheblicher Störpegel in Kauf genommen werden.
• In einem bekannten Infrarot-Gasanalysator wird zur Bestimmung de Wasserampfgehaltes eines Gaegemisches das Vergleichsgas getrocknet. Dann steht die Strahlungsdifferenz in einem festen Ver hältnis zum Anteil des Wasserdampfes im Gasgemisch.
• Mit der Erfindung sollen die bekannten Anordnungen zur Bestimmer einer gasförmigen Komponente eines Gasgemisches verbessert und zugleich der bisher erforderliche Aufwand vermindert werden.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Strahlungsempfänger ein in einem Magnetfeld angeordneter Strahlungsdetetor verwendet wird, dessen kristalliner Halbleiterkörper im wesentlichen senkrecht zur Richtung des erzeugten Stromes ausgerichtete, elektrisch besser leitende Bereiche einer zweiten kristallinen Phase enthält, und dem abwechselnd eine das Meßgasgemisch durchsetzende Strahlung und eine das Vergleichsgas oder -gasgemisch durchsetzende Strahlung zugeführt wird. Ein derartiger Strahlungsempfänger ist beispielsweise aus der deutschen Patentschrift 1 214 807 bekannt. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Zeitkonstante des bekannten Strahlungsempfängers ausreichend klein ist, so daß durch die jeweils abwechselnde Bestrahlung vom Detektor Stromimpulse gebildet werden.
• Der Unterschied in den aufeinanderfolgenden Spannungszeitflächen ist ein direktes Maß für den Anteil der zu bestimmenden Gaskompnente im Gasgemisch. Es wurde nämlich erkannt, daß diese bisher vorzugsweise zur Temperaturstrahlungsmessung verwendeten Strahlungsempfänger ihre maximale Empfindlichkeit in einem Bereich infraroter Strahlung haben, in dem bestimmte Gase, insbesondere Wasserdampf, ihre beste Absorption aufweisen.
• Winde besonders vorteilhafte weitere Ausgestaltung einer Eizlr -*X«-tung nach der Erfindung zur Bestimmung des Wasserdampfgehaltes ler Luft ergibt sich dadurch, daß im Strahlungsweg hintereinanler Filter angeordnet werden, die vorzugsweise für den Wellenlängenbereich der Wasserdampfbanden durchlässig sind, das ist etwa ter Bereich zwischen 5 und 8 Zum.
• Der Halbleiterkörper des Strahlungsdetektors kann beispielsweise 3us einer AIIIBV-Verbindung, insbesondere Indiumantimonid InSb, ind die Einschlüsse können aus Nickelantimonid NiSb bestehen Es sdnd jedoch auch noch weitere Stoffe geeignet. Die optische Absorption in diesem Material wird bei Wellenlängen unterhalb der ~ndiumantimonid-Absorptionskante, d.h. bei Zimmertemperatur -unterh h 7 /um im wesentlichen durch die Eigenleitungs-Anregung des ndiumantimonid bestimmt. Jenseits der Indlumantimonid-Absorpti-,nskante liefern die Einschlüsse der zweiten Phase den maßgeblichen Absorptionsantei. Er ist unabhängig von der Polarisation der Infrarotstrahlung, wenn die Einschlüsse als Nadeln oder Flächen senkrecht auf der bestrahlten Kristalloberfläche stehen.
• Die absorbierte Strahlungsleistung hat unabhängig von der Art des elementaren Absorptionsprozesses die Wirkung einer inneren Wärmequelle, deren Quelldichte in Bestrahlungsrichtung ins Kristallinnere hinein oxponentiell abnimmt.
• Unter dem gleichzeitigen Einfluß eines vorzugsweise homogenen Magnetfeldes und eines senkrecht zum Magnetfeld im Kristall erzeugten Wärmeflusses entsteht eine elektrische Spannung senkrecht zu diesen genannten Richtungen. Da der Wärmefluß durch den von der absorbierten Infrarötstrahlung erzeugten Temperaturgradienten, also auf optischem Wege erzeugt wird, beruht die Wirkung dieses Detektors auf einem optisch induzierten'Ettingshausen-Nernst-Effekt. Dieser Detektor hat eine sehr geringe Zeitkonstante von etwa 100 /us. Durch die abwechselnde Bestrahlung des gleichen Detektors mit einer verhältnismäßig hohen Frequenz kann somit ein einziger Detektor für die Messung der Strahlung in beiden Küvetten verwendet werden.
• Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen. Pig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der.Erfindung. In Fig. 2 ist die -Wirkungsweise der Anordnung nach der Erfindung in einem Diagramm veranschaulicht.
• Nach Fig. 1 wird an Gasgemisch, beispielsweise luft, dessen Komponente, beispielsweise Wasserdampf, gemessen werden soll, über-eine gemeinsame Gaszuleitung 2 und eine Zweigleitung 4 einer Meßküvette 6 zugeführt. Ein weiterer Teil des Gasgemisches wird über ein Reduzierventil 8 und einem Lufttrockner 10 sowie eine weitere Zweigleitung 12 einer zweiten Meßküvette 14 zugeführt. Die getrocknete Luftmenge kann vorzu-gsweise wesentlich geringer sein als die Menge des über die Zweigleitung 4 der Meßküvette 6 zugeführten Gasgemisches. Ein Infrarotstrahler 18 durchstrahlt mit Hilfe zweier Spiegel 20 und 22 die beiden Meßküevtten 6'und- 14. Die beiden Strahlenbündel treten durch jeweils ein oberes-Fenster 24 bzw. 26 in die Meßküvetten ein und jeweils durch ein unteres Fenster 28 bzw. 30 wieder aus und werden in den Meßküvetten um den von Gas absorbierten Anteil geschwächt. Die Fenster 24 bis 30 können vorzugsweise Filter enthalten, die jeweils einzelne Spektralbanden zur Bestimmung der Gaskomponente durchlassen.
• Die aus den Fenstern 28 und 30 auftretenden Strahlenbündel, die in der Figur lediglieh als Pfeile angedeutet sind, werden jeweils mittels eines Spiegels 32 bzw. 33 einer rotierenden Spiegelscheibe 35 zugeführt, deren Antrieb durch einen Motor 37 auf der Scheibenachse angedeutet ist. Der Drehspiegel 35 wird jeweils abwechselnd, z.B. während einer halben Umdrehung das vom Spiegel 32 zugefihrte Strahlenbündel reflektieren und während der nächsten halben Umdrehung das vom Spiegel 33 reflektierte Strahlenbündel durchlassen. Diese beiden Strahlenbündel treffen jeweils abwechselnd mit einer Frequenz, welche durch die Drehzahl des Antriebs 37 bestimmt wird, durch eine Sammellinse 39 auf einen Strahlungsdetektor 40 nach der Erfindung, der von einem Magnetfeld durchsetzt ist, das beispielsweise-von einem Permanentmagneten 42 geliefert werden kann. Die vom Strahlungsdetektor 40 gelieferten Stromimpulse werden über einen Verstärker 44 sowie einen phasenrichtig gesteuerten Gleichrichter, einen sogenannten Diskriminator, 46 einem Integrierglied 48 zugeführt, das beispielsweise aus einer RC-Kombination bestehen soll. An einer Ausgangsklemme 50 kann somit ein Signal abgenommen werden, das proportional ist dem Unterschied der vom Detektor 40 gelieferten Spannungszeitflächen und das ein direktes Maß für den Anteil der zu bestimmenden Gaskomponente des die Meßküvette 6 durchströmenden Meßgases ist.
• Zur Bestimmung des Wasserdampfgehaltes der Luft können beispielsweise in den Meßküvetten 6 und 14 jeweils ein Filter aus Indiumarsenid InAs und ein weiteres Filter aus Flußspat CaF2 hintereinandergeschaltet werden. In dem Diagramm nach Fig. 2 ist die Durchlässigkeit D dieser Filter über der Wellenlänge A dargestellt.
• Das mit einer Siliziumoxidschicht vergütete Indiumarsenidfilter mit einer Dicke von beispielsweise 0,35 mm ist für Strahlen mit einer Wellenlänge kleiner als etwa 3,7 /um undurchlässig. Bei Wellenlängen größer als 8 /um ist die Durchlässigkeit unterschiedlich. Wird zu diesem Filter noch ein weiteres Filter aus Flußspat mit einer Dicke von z.B. 5 mm in den Strahlengang gebracht, das für Strahlen mit einer Wellenlänge kleiner als 8 /um nahzu vollständig durchlässig ist, jedoch für Strahlen mit einer Wellenlänge größer als 10 /um nahezu völlig undurchlässig ist, so tritt aus den Küvetten lediglich Strahlung mit einer Wellenlänge aus, welche im Bereich der Absorptionsbanden des Wasserdampfes liegt. Solche Filter werden von den Jenaer-Glaswerken Schott & Gen. in Mainz hergestellt.
• In gleicher Weise können auch andere Filter verwendet werden zur Bestimmung anderer Gaskomponenten, deren Absorptionsbanden im Bereich anderer Wellenlängen liegen.
• Im Auführungsbeispiel ist eine Anordnung zur Bestimmung des Feuc tigkeitsgehalts der Luft erläutert. Das Verfahren nach der Erfindung kann jedoch auch zur Bestimmung anderer Komponenten eines Gasgemisches vorteilhaft verwendet werden, beispielsweise zur Bestimmung des Gehalts an Kohlendioxid C02 von Industriegasen. Absorptionsbanden von C02 liegen beispielsweise bei Wellenlängen von 4,26 /um und 13,9 /um.
• In der Anordnung zur Durchführung des-Verfahrens nach dem Ausführungsbeispiel sind Meßkammern unter den Meßküvetten nicht erforderlich. Auch der weitere Aufwand an Geräten ist so gering, daß die Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung beispielsweise zur Feuchtemessung der luft direkt innerhalb einer. Klimakammer angeordnet werden kann.
• Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind die Fenster der Küvetten 6 und 14 als Filter ausgebildet. Diese Filter können aber auch aljeder anderen Stelle außerhalb der Küvetten, insbesondere unmittelbar vor dem Detektor 40, angeordnet sein. Falls andere Komponenten eines Gasgemisches bestimmt werden sollen,-so könne auch andere Filter vorgesehen sein, beispielsweise schmalbandige Interferenzfilter, deren Durchlaßbereich mit einer für die zu messende Gaskomponente charakteristischen Absorptionsbande zusammenfällt.
• Anstelle der beiden Spiegel 32 und 33 kann aü'ch ein einziger Spiegel unter der einen Küvette verwendet werden und die aus der anderen Küvette austretende Strahlung vom Drehspiegel direkt dem Strahlungsdetektor 1 zugeführt werden. Zum Bestrahlungswechsel des Detektors sind außer dem dargestellten Drehspiegel noch andere Einrichtungen, beispielsweise Schwingspiegel und Drehprismen, geeignet.
• 7 Patentansprüche 2 Figuren

Claims (7)

1. Patentansprüche fii Verfahren zur Bestimmung einer Komponente eines Gasgemisches mittels eines Strahlungsempfängers durch Differenzbildung zwischen der Strahlungsabsorption-des Meßgasgemisches und eines die zu erfassende Komponente nicht oder in bekannter Konzentration enthaltenden Vergleichsgases oder -gasgemisches, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlungsempfänger ein in einem Magnetfeld angeordneter Strahlungsdetektor verwendet wird, dessen kristallieiner Halbtleiterkörper mit im wesentlichen senkrecht zur Richtung des erzeugten Stromes ausgerichteten, elektrisch besser leitenden Bereichen einer zweiten kristallinen Phase versehen ist, und dem abwechselnd eine das Meßgasgemisch durchsetzende Strahlung und eine das Vergleichsgas oder -gasgemisch durchsetzende Strahlung zugeführt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung gefiltert wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2 zur Bestimmung deslWasserdampfgehaltes der Luft, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung mittels eines Filters aus Calziumfluorid (CaF2) und eines weiteren Filters aus Indiumarsenid (InAs) gefiltert wird.
4. 4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder den Ansprüchen 1 bis 3 mit einem Gasanalysator, der eine Strahlungsquelle enthält, deren Strahlen zwei Analysenkiivetten durchsetzen, von denen eine das Meßgasgemisch und die andere das Vergleichegas oder das -gasgemisch enthält, dadurch gekennzeichnet, daß von den aus den Analysenküvetten (6, 14) austretenden und direkt oder indirekt dem Strahlungsdetektor (40) zugeführten -Strahlen abwechselnd jeweils einer unterbrochen ist.
5. 5..Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ablenkung mindestens eines der Strahlen ein Spiegel vorgesehen ist,' dessen reflektierter Strahl mittels eines Drehspiegels unterbrechbar ist.
6. 6. Anordnung nach den Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Reflektion der Strahlen jeweils ein Spiegel (32, 33) vorgesehen ist, von deren reflektierten Strahlen abwechselnd jeweils einer mittels eines Drehspiegels (35) dem Strahlungsdetektor (40) zugeführt ist.
7. 7. Anordnung nach den Ansprüchen oder einem der Ansprüche S bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom des Strahlungsdetektors (40) über einen Verstärker (44) und einen Wechselrichter (46) einem Integrierglied (48) zugeführt ist.

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