DE19518322C1

DE19518322C1 - Absorptionsphotometer

Info

Publication number: DE19518322C1
Application number: DE1995118322
Authority: DE
Inventors: Johann Weinel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1995-05-18
Filing date: 1995-05-18
Publication date: 1996-07-25
Anticipated expiration: 2015-05-19

Description

Die Erfindung betrifft ein Absorptionsphotometer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Photometer werden, wie aus EP 0 552 183 B1 bekannt, als nichtdispersive Infrarot(NDIR-)Gasanalysatoren einge setzt, bei denen eine im allgemeinen modulierte Infrarot- Strahlung durch eine mit einem Meßgas gefüllte Meßküvette in einen pneumatischen Detektor fällt. Das Meßgas ist im allge meinen ein Gasgemisch, von dem eine oder mehrere Komponenten zu bestimmen sind.

Häufig sind die Absorptionsbande dieser Meßkomponenten von Absorptionsbanden anderer Komponenten überlagert, so daß diese als Störkomponenten je nach Selektivität des Detektors zu dessen Ausgangssignal beitragen. Zum Herabsetzen dieser als Querempfindlichkeit bezeichneten Erscheinung werden soge nannte Zweischicht-Detektoren eingesetzt, die zwei bezüglich der Strahlungsrichtung hintereinander und koaxial angeordnete Kammern aufweisen, die mit der zu bestimmenden Meßgaskompo nente oder einem Gas mit für die Absorption von Infrarot- Strahlung gleichartigem Gas gefüllt sind. Die beiden Kammern sind über einen Druck- oder einen Stromungsfühler gegenein andergeschaltet, dessen Ausgangssignal ein Maß für die Dif ferenz der Strahlungsabsorption in den beiden Kammern ist. Derartige Zweischicht-Detektoren sind im Vergleich zu Ein schicht-Detektoren schmalbandig, ihre Empfindlichkeit gegen Störkomponenten ist daher herabgesetzt.

Man unterscheidet zwischen Ein- und Zweistrahl-Photometern. Letztere weisen einen zweiten Strahlengang auf, der mit dem ersten im wesentlichen übereinstimmt. Der Unterschied besteht lediglich darin, daß anstelle der Meßküvette eine Vergleichs küvette vorhanden ist, die nicht mit Meßgas, sondern mit einem Vergleichsgas gefüllt ist, das im allgemeinen in dem für die Absorption durch das Meßgas interessierenden Wellen längenbereich die Strahlung nicht absorbiert. Einander ent sprechende Detektorkammern der beiden Strahlengänge werden gegeneinandergeschaltet, so daß mit zunehmender Konzentration der Meßgaskomponente die Druckdifferenzen zwischen den entsprechenden Kammern bzw. die Strömung in den die entspre chenden Kammern verbindenden Leitungen zunehmen. Auch in Zweistrahl-Analysatoren werden Zweischicht-Detektoren ein gesetzt, die gegenüber den Einschicht-Detektoren den Vorteil der höheren Selektivität, aber auch den Nachteil der gerin geren Empfindlichkeit haben. Sowohl von Ein- wie von Zwei strahl-Photometern ist es bekannt, Totvolumen einzusetzen, mit denen das Signal der ersten Schicht zugunsten des Signals der zweiten Schicht abgeschwächt wird. Damit kann zwar die Empfindlichkeit gegen alle Störkomponenten vermindert werden, eine völlige Kompensation ist jedoch nur für eine Stör komponente möglich. In der EP 0 552 183 B1 ist daher vor geschlagen, außer einem Druck- oder Strömungsfühler in der Verbindungsleitung zwischen den beiden Schichten eines Zwei schicht-Detektors einen Druck- oder Strömungsfühler in der Leitung zum Totvolumen anzuordnen und die Signale der beiden Druck- oder Strömungsfühlern so zu gewichten, daß durch Dif ferenzbildung der durch eine Störgaskomponente bedingte Si gnalanteil völlig kompensiert wird. Eine solche Anordnung hat aber den Nachteil, daß zwei Druck- oder Strömungsfühlern er forderlich sind, die unterschiedliche Kennwerte, z. B. bezüg lich der Langzeitdrift oder des Temperaturverhaltens, haben können. Außerdem erfordert die zweifache Signalaufbereitung einen erhöhten Aufwand.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Absorptionsphotometer der im Anspruch l angegebenen Art zu schaffen, das sich bei geringem Aufwand durch eine hohe Sta bilität der Meßgenauigkeit auszeichnet.

Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des An spruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Durch das Umschalten des Ventils wirkt der Detektor abwech selnd als Einschicht- oder als Zweischicht-Detektor, so daß er einerseits die hohe Empfindlichkeit des Einschicht-Detek tors und andererseits die hohe Selektivität eines Zwei schicht-Detektors aufweist.

Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Anhand der Zeichnung, in der zwei Ausführungsbeispiele ver anschaulicht sind, werden im folgenden die Erfindung sowie Weiterbildungen und Ergänzungen näher beschrieben und erläu tert.

Es zeigen

Fig. 1 einen Zweistrahl-(NDIR-)Gasanalysator und

Fig. 2 einen Einstrahl-Analysator.

In Fig. 1 ist mit LQ1 eine Infrarot-Strahlungsquelle be zeichnet, deren Strahlung von einem Strahlenteiler ST in zwei parallele Strahlengänge aufgeteilt wird. In diesen befindet sich zunächst ein Lichtzerhacker LZ1, der aus einer durch brochenen Scheibe besteht, bei deren Drehen das Licht in den beiden Strahlengängen im Gegentakt moduliert wird. Eine Gleichtaktmodulation ist aber auch möglich. Nach dem Licht zerhacker LZ1 ist im einen Strahlengang eine Meßküvette MK1 angeordnet, die mit dem zu analysierenden Gas beströmt bzw. gefüllt ist. Im zweiten Strahlengang befindet sich eine Ver gleichsküvette VK, die ein Inertgas enthält, das in dem in teressierenden Wellenlängenbereich Infrarot-Strahlung nicht absorbiert. Auf die Küvetten folgt ein Zweischicht-Detektor mit vier Kammern K11, K12, K21, K22, von denen die Kammern K11, K12 im Vergleichsstrahlengang und die Kammern K21, K22 im Meßstrahlengang liegen. Sie sind mit der oder den zu be stimmenden Meßkomponenten entsprechenden Gaskomponenten ge füllt. Die Kammern K11, K21 der ersten Schicht sind über eine Leitung VL1, die Kammern K12, K22 der zweiten Schicht über eine Leitung VL2 miteinander verbunden. Eine dritte Leitung VL3 verbindet die Kammern der ersten mit denen der zweiten Schicht. In dieser Leitung sind ein Strömungsfühler SF1 und ein Ventil VT1 angeordnet. Anstatt des Strömungsfühlers kann aber auch ein Drucksensor, z. B. ein Kondensator, verwendet werden. Zwischen dem Strömungsfühler SF1 und dem Ventil VT1 ist an die Leitung VL3 ein Totvolumen TV1 angeschlossen. Das Ausgangssignal des Strömungsfühlers SF1 wird nach Verstärkung in einem phasenabhängigen Gleichrichter GL gleichgerichtet, der in Abhängigkeit der Modulation durch den Lichtzerhacker LZ gesteuert ist. An seinen Ausgang ist ein Analog-Digital- Umsetzer AD angeschlossen, dessen Ausgangssignal einem Rech ner CPU zugeführt wird. Das Ventil VT1 wird, von einem Takt geber TG gesteuert, zyklisch geöffnet und geschlossen, wobei die Schaltfrequenz wesentlich kleiner als die Modulations frequenz des Lichtes ist. Bei geöffnetem Ventil arbeitet der Detektor als Zweischicht-Detektor, bei geschlossenem Ventil als Einschicht-Detektor. Demgemäß ist das Ausgangssignal des Strömungsfühlers SF1 mit den beiden Schaltzuständen des Ven tils VT1 unterschiedlich, und zwar nicht nur der durch die Meßkomponente bedingte Signalanteil, sondern auch der durch die Störsignale bedingte.

Unter der vom Strömungsfühler SF1 zum Gleichrichter GL füh renden Leitung ist der zeitliche Verlauf des Störsignal anteils schematisch dargestellt. In den Phasen I ist das Ven til geöffnet, in den Phasen II geschlossen. Durch die Gleich richtung ergibt sich in etwa eine Rechteckfunktion, wieder mit den Phasen I und II, die über der vom Gleichrichter GL zum Analog-Digital-Umsetzer AD führenden Leitung veranschau licht ist. Da der Rechner CPU das Signal des Taktgebers TG erhält, kann er die Meßsignale in den Phasen I und II ge trennt erfassen. Beim Abgleich des Analysators kann als Meß gas mit Inertgas verdünntes Störgas in die Meßküvette ge leitet werden und die Signale in den beiden Phasen I, II so gewichtet werden, daß sie gleich sind. Ihre Differenz wird daher Null. Wird bei dieser Einstellung das zu analysierende Meßgas in die Meßküvette eingeleitet, wird ein etwa vorhan dener Störsignalanteil kompensiert. Es läßt sich so minde stens eine Störgaskomponente vollständig kompensieren.

In dem Einstrahl-Photometer nach Fig. 2 fällt das Licht einer Strahlungsquelle LQ2 nach Modulation mit einem Licht zerhacker in eine Meßküvette MK2. Ihr folgt, in Strahlungs richtung gesehen, ein Zweischicht-Detektor mit zwei Kammern DK1, DK2, die über eine Leitung VL4 miteinander verbunden sind. In dieser liegen, ähnlich wie beim Zweischicht-Detektor nach Fig. 1, ein Strömungsfühler SF2 und ein periodisch geschaltetes Ventil VT2. Dazwischen ist ein Totvolumen TV2 an die Verbindungsleitung VL4 angeschlossen. Das Ventil VT2 ist entsprechend dem Photometer nach Fig. 1 von einem Taktgeber gesteuert. Auch wird das Ausgangssignal des Strömungsfüh lers SF2 phasenabhängig gleichgerichtet, und es werden die Signale bei geschlossenem und geöffnetem Ventil getrennt erfaßt. Einstrahl-Absorptionsphotometer werden häufig mit größeren Meßbereichen betrieben, wobei die Störgasempfind lichkeit nur noch eine untergeordnete Rolle spielt. Der Detektor gibt die größten Signale ab, wenn die Meßküvette mit Inertgas bespült wird. In diesem Falle sind die Meßsigna le u_0a, wenn das Ventil auf, und u_0g, wenn es geschlossen ist. Durch Instabilitäten, wie Veränderungen des Strahlers, Küvettenverschmutzung, geometrische Veränderungen oder Tem peratureinflüsse und allgemeine Drift, auch im Detektor, verändern sich beide Signale in gleichem Verhältnis. Es wird dann u_0a zu u′_0a und u′_0g zu. Werden diese beiden Werte bei Bespülung mit Inertgas gleich groß gemacht, entweder indem die beiden Signale ungleich verstärkt werden oder indem sie im Rechner mit entsprechenden Faktoren multipliziert werden, und wird Meßgas in die Meßküvette geleitet, so daß die Ausgangssignale bei offenem und geschlossenem Ventil kleiner werden, dann errechnet sich der Meßwert

mit
u_g = Meßwert bei Bespülen mit Meßgas und geschlossenem Ventil,
u_a = Meßwert bei Bespülen mit Meßgas und offenem Ventil,
K = Apparatekonstante.

Alle Faktoren dieser Gleichung ändern sich gleichartig, so daß der Meßwert auch während der laufenden Messung stabil bleibt, wenn die oben angegebenen Instabilitäten auftreten.

Claims

1. Absorptionsphotometer

- mit einer Lichtquelle (LQ1)
- mit einer Meßküvette zur Aufnahme des zu analysierenden Gases mit für das Licht der Lichtquelle durchlässigen Stirnseiten,
- mit einer ersten und einer zweiten gasgefüllten Detektor kammer (K11, K12; K21, K22) mit lichtdurchlässigen Stirn seiten, wobei die Meßküvette (MK1) und die erste und die zweite Detektorkammer (K21, K22) bezüglich der Strahlrich tung der Lichtquelle hintereinanderliegen,
- mit einer die Detektorkammern (K21, K22) verbindenden Meß leitung (VL3), in der ein Druck- oder Strömungsfühler (SF1) angeordnet ist,
- mit einem mit der ersten Detektorkammer (K21) verbundenen Totvolumen (TV1),
dadurch gekennzeichnet,
- daß in der die Detektorkammern (K21, K22) verbindenden Leitung (VL3) ein Ventil (VT1) liegt, das periodisch ge öffnet und geschlossen wird,
- daß das Totvolumen (TV1) zwischen dem Ventil (VT1) und dem Druck- oder Strömungsfühler (SF1) an die Meßleitung (VL3) angeschlossen ist und
- daß die Ausgangssignale des Druck- oder Strömungsfühlers (SF1) bei geöffnetem und geschlossenem Ventil (VT1) ge trennt erfaßt werden und deren Differenz als Meßsignal ge bildet wird.

2. Photometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net,

- daß ein Meß- und ein Vergleichsstrahlengang mit je einer ersten und einer zweiten Detektorkammer (K11, K21 bzw. K12, K22) vorhanden sind,
- daß die ersten Detektorkammern (K11, K21) über eine erste Leitung (VL1) und die zweiten Detektorkammern (K12, K22) über eine zweite Leitung (VL2) miteinander gasleitend ver bunden sind und
- daß die Leitung (VL3) mit dem Druck- oder Strömungsfühler (SF1) zwischen der ersten Leitung (VL1) und der zweiten Leitung (VL2) liegt und
- daß das Totvolumen (TV1) zwischen dem Druck- oder Strö mungsfühler (SF1) und dem Ventil (VT1) an die erste Meß leitung (VL3) angeschlossen ist.

3. Photometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, daß die Verstärkung der Ausgangssignale des Druck- oder Strömungsfühlers (SF1) bei geöffnetem und geschlossenem Ventil so abgeglichen ist, daß die durch eine Störgaskompo nente bedingten Signalanteile gleich sind.

4. Photometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß im Falle eines Einstrahl-Photometers die Verstär kung der Ausgangssignale bei geöffnetem und geschlossenem Ventil bei Füllung der Meßzelle mit Inertgas so abgeglichen sind, daß die verstärkten Signale gleich sind.

5. Photometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich net, daß der Meßwert nach der Formel mit
u_g = Meßwert bei Bespülen mit Meßgas und geschlossenem Ventil,
u_a = Meßwert bei Bespülen mit Meßgas und offenem Ventil,
K = Apparatekonstante
ermittelt wird.

6. Photometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht der Lichtquelle (LQ1) moduliert ist und die Frequenz, mit der das Ventil (VT1) ge öffnet und geschlossen wird, größer als die Modulationsfre quenz ist.