DE19540489A1 - Nichtdispersives Infrarot-Absorptionsverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In der Prozeß- und Umwelttechnik, aber auch in der Medizin und anderen Bereichen ist die empfindliche und selektive Messung von Gasen eine wichtige Meßaufgabe. Häufig werden hier photometrische Meßgeräte eingesetzt, die auf dem nichtdispersi­ ven Infrarot-Absorptions-Verfahren basieren. Photometer dieser Art enthalten eine modulierte Spannungsquelle, eine Küvette mit dem zu untersuchenden Gasgemisch sowie einen optopneumatischen Empfänger, der mit der Meßkomponente oder einem Gemisch aus Meßkomponente und anderen Gasen gefüllt ist. Die Signalauswertung erfolgt dabei üblicherweise durch eine phasenempfindliche Gleichrichtung des modu­ lierten Empfängersignals.

Höchste Selektivität wird im allgemeinen mit Hilfe eines Zweischichtempfängers er­ reicht, bei dem hinter der eigentlichen Meßkammer noch eine zweite Kammer ange­ ordnet ist. Mit einem Druck- oder Durchflußsensor wird die unterschiedliche Erwär­ mung der beiden Kammern gemessen. Während in der ersten Kammer vornehmlich Strahlungsenergie im Zentrum der Absorptionslinien absorbiert wird, erfolgt die Ab­ sorption in der zweiten Kammer vor allem in den Linienflanken. Bei entsprechender Dimensionierung der beiden Kammern lassen sich bestimmte im Meßgas anwesende Störkomponenten unterdrücken. Es hat sich jedoch gezeigt, daß beispielsweise bei der Messung von SO₂ eine merkliche Querempfindlichkeit durch anwesenden Wasser­ dampf verbleibt, die sich durch Variation der Kammerlängen nicht vollständig kompen­ sieren läßt. Aus der EP 03 40 519 ist eine Anordnung bekannt, bei der vorgeschlagen wird, dem Empfänger Füllgas als zusätzliche Gaskomponente zur Kompensation der Querempfindlichkeit beizumischen. Die Befüllung des Empfängers ist jedoch sehr auf­ wendig und die Kompensation außerdem von der Langzeit-Konstanz des Mischungs­ verhältnisses abhängig.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren der gattungs­ gemäßen Art es zu ermöglichen, die Störkomponente unabhängig von dem Mi­ schungsverhältnis von Meßkomponente und Störkomponente zu eliminieren.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Die Erfindung macht von der Erkenntnis Gebrauch, daß die Phasenlage des modulier­ ten Empfängersignals für Meßkomponente und Störkomponente nicht gleich ist. Die Erklärung hierfür ist physikalischer Natur. Die Absorption von Meß- und Störkompo­ nente erfolgt mit unterschiedlicher Feinstruktur des Spektrums. Deshalb reagieren die beiden, mit der Meßkomponente gefüllten, Detektorkammern sehr unterschiedlich auf Meß- und Störkomponente. Während die Absorption der für die Meßkomponente spezifischen Strahlung in erster Linie in der ersten Kammer erfolgt, wird die für die Störkomponente spezifische Strahlung sowohl in der ersten als auch in der zweiten Kammer absorbiert. Damit unterscheiden sich aber auch die Phasenlagen des Detek­ torsignals für die Meßkomponente und des Detektorsignals für die Störkomponente.

Das insgesamt erhaltene Meßsignal kann mit Hilfe der komplexen Zahlenebene ver­ standen werden. Die Meßkomponente enthält zunächst durch die Nutzsignaloptimierung nur einen Realteil, der Imaginärteil ist Null. Die Störkomponente hingegen besteht aus einem Realteil und einem Imaginärteil, da sie zur Meßkomponente phasenverschoben ist. Der Realteil der Störkomponente addiert sich auf die Meßkomponente, so daß sich ein Meßsignal, bestehend aus Stör- und Meßkomponente insgesamt in Summe ergibt. Die Störkomponente selbst besitzt zunächst wie oben ausgeführt einen von Null verschiedenen Imaginärteil. Demzufolge entsteht in der komplexen Zahlenebene ein Vektor SK, der die Störkomponente mit einem Real- und einem Imaginärteil repräsentiert. Der auf den Realteil der Meßkomponente aufaddierte Realteil der komplexen Größe Störkomponente ergibt sich aus der senkrechten Projektion des Störkomponentenvektors SK auf die Realteilachse. Dieser projizierte Realanteil addiert sich somit fälschlicherweise als Störkomponente auf das eigentliche Signal der Meßkomponente und erzeugt das insgesamt gemessene Signal. Mit der Erfindung wird nun eine Kompensation dieser querempfindlichen Störkomponente dadurch durchgeführt, daß kurzweilig die Störkom­ ponente des Substanzgemisches alleine in die Meßküvette aufgegeben wird. In diesem Fall ist die senkrechte Projektion des komplexen Wertes der Störgröße auf die Realteilachse der Zahlenebene maximal. Nunmehr wird elektronisch die Phasenlage zwischen dem gemessenen Nutzsignal der mit Störgas gefüllten Meßküvette und dem beispielsweise am Chopper abgegriffenen Referenzsignal verändert, solange, bis der gemessene und somit definierte Realteil der Störkomponente gleich Null wird. Somit ist anschaulich gesehen die mathematisch komplexe Zahlenebene um einen definierten Phasenwinkel um den Ursprung herum gedreht. Danach wird wieder das zu ermit­ telnde Substanzgemisch in die Meßküvette aufgegeben und das Nutzsignal gemes­ sen. Das Nutzsignal besteht somit nur noch aus dem durch die Meßkomponente ge­ bildeten Signal. Die Störkomponente ist noch vorhanden, jedoch nur als reiner Imagi­ närteil, der in den Realteil des Nutzsignales nicht eingeht. Das durch die Meßkompo­ nente gebildete und von der Störkomponente bereinigte Nutzsignal ist zwar damit ab­ solut gesehen etwas kleiner, jedoch um den Realteil der Störkomponente vollkommen bereinigt. Im Effekt bedeutet dies, daß mit dieser verarbeitungstechnischen Maßnahme das Meßsignal bzw. das Integral des Meßsignales nur über ein entsprechend verschobenes Zeitfenster betrachtet wird.

Die Erfindung wird anhand des Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hierzu zeigt Fig. 1 eine Apparatur, die alle wichtigen apparativen Komponenten zeigt, mit deren Hilfe die Erfindung verfahrensmäßig umgesetzt werden kann. Fig. 2 zeigt das Kom­ pensationsverfahren in einer mathematischen Darstellung in der komplexen Zahlenebene.

Fig. 1 zeigt die schematische Anordnung eines üblichen NDIR-Photometers mit Zweischicht-Detektor. Die von der Strahlungsquelle S kommende Strahlung wird vom Chopper CH gegenphasig moduliert, so daß die Strahlung einmal die Meßküvette MC und zum anderen die Referenzküvette RC durchdringt. Die Meßküvette enthält das zu untersuchende Gasgemisch. Es folgt der Zweischichtdetektor ZD mit der ersten Kam­ mer der Dicke D1 und mit der zweiten Kammer der Dicke D2. Die Kammern sind mit der Meßkomponente oder einem Gemisch aus der Meßkomponente und anderen Ga­ sen gefüllt und durch eine dünne Membran voneinander getrennt. Der Membrankon­ densator M erfaßt die im Takt der Modulation auftretende Druckänderung.

Nach entsprechender Signalvorverstärkung gelangt das modulierte Empfängersignal ES zur phasenempfindlichen Gleichrichtung G. Vom Chopper CH wird ein Referenzsignal RS abgegriffen, welches zur Steuerung der phasenempfindlichen Gleichrichtung dient. Zur Einstellung der gewünschten Phasenlage zwischen Refe­ renz- und Empfängersignal dient der Phasenschieber PH.

Üblicherweise wird die Phasenlage so justiert, daß das Nutzsignal für die Meßkompo­ nente und das Referenzsignal phasensynchron sind, sich also ein maximales gleich­ gerichtetes Meßsignal ergibt. Das erfindungsgemäße Verfahren berücksichtigt dage­ gen einen völlig neuartigen Aspekt der Phasenlage, wie oben bereits dargestellt. Hierzu zeigt Fig. 2 das Verhältnis aus der Empfindlichkeit für eine Störkomponente und der Empfindlichkeit für die Meßkomponente, die durch definierte Einstellung der Phasenlage gezielt variiert werden kann. Diese Einstellung erfolgt vorzugsweise durch einen elektronischen Phasenschieber. Insbesondere wird die Phasenlage derart ein­ gestellt, daß sich für die Störkomponente das Nutzsignal Null ergibt. Dieser Fall, wie in der erfindungsgemäßen Lehre nach Anspruch 1 ausgeführt, ist in Fig. 2 in der kom­ plexen Zahlenebene dargestellt. Bei normaler Phasenlage im Koordinatensystem x-Y ergibt sich für die Meßkomponente die maximale Empfindlichkeit, die der Länge des Vektors MK entspricht. Die Empfindlichkeit der Störkomponente folgt aus der senk­ rechten Projektion des Vektors SK auf die X-Achse. Es resultiert der Vektor ,"SK senk­ recht". MK liegt per Definition in diesem Ausgangszustand zu 100% auf der Realteil- Achse der Zahlenebene und der Imaginärteil ist im Koordinatensystem X/Y gleich Null. Dagegen ist die Störkomponente SK als Vektor in der Ebene liegend, da sie bezogen auf MK eine andere Phasenlage hat, und besteht aus einem Realteil und aus einem Imaginärteil. Die Projektion auf die X-Achse stellt dabei den Realteil des Vektors SK dar und dieser Realteil wird mit der Komponente "SK senkrecht" bezeichnet. Das Koordinatensystem wird nun durch Phasenverstellung so gedreht, daß die neue Y′-Achse mit dem Vektor SK zusammenfällt. Die Projektion des Vektors SK auf die X′-Achse ist jetzt Null, d. h. die Querempfindlichkeit ist kompensiert. Mathematisch gesehen bedeutet dies, daß durch die Drehung des Koordinatensystems d. h. durch die Drehung der Phasenlage zwischen Nutz- und Referenzsignal der Vektor SK nunmehr nur noch aus einem Imaginärteil besteht und der Realteil im neuen Koordina­ tensystem Null ist. Dagegen ist das Nutzsignal MK′ nunmehr komplex, das bedeutet es besitzt einen Real- und einen Imaginärteil. Der Realteil ist jedoch der eigentlich gemessene Wert, und dieser entsteht konsequenter Weise durch die Projektion des Vektors MK auf die X′-Achse. Somit ist das zur Nutzung gelangte Signal der Realteil des Vektors MK, also der Meßkomponente. Das Nutzsignal wird sich somit also ge­ genüber seinem Maximalwert im ursprünglichen Koordinatensystem, d. h. bei ur­ sprünglicher Phasenlage um einen bestimmten Betrag verringern. Dieser Betrag ist jedoch in der Größenordnung des herauskompensierten Störkomponenten-Anteiles. Somit ist das zur Nutzung gelangte Signal um die Störkomponente bereinigt, wenn auch absolut gesehen ein wenig kleiner.

Claims (2)

1. Nichtdispersives Infrarot-Absorptionsverfahren zur Bestimmung des Anteiles einer Meßkomponente in einem Substanz-Gemisch, bei welchem mit Hilfe einer modulierten Strahlungsquelle gegenphasig eine Meßküvette und eine Refe­ renzküvette durchstrahlt und die transmittierte Strahlung als Nutzsignal von ei­ nem Zweischicht-Detektor aufgenommen und von einer phasenempfindlichen Auswerteeinheit ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation von querempfindlichen Störkomponenten im Substanz­ gemisch kurzweilig die jeweilige Störkomponente in die Meßküvette aufgegeben und währenddessen die Phasenlage zwischen Nutzsignal und einem an den Modulationstakt gebundenen Referenzsignal soweit verändert wird, bis das über die Störkomponente erzeugte Signal minimal oder Null ist.

2. Nichtdispersives Infrarot-Absorptionsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzsignal von dem den Modulationstakt der Strahlungsquelle an­ gebenden Takt repräsentiert ist.