DE19540489A1 - Nichtdispersives Infrarot-Absorptionsverfahren - Google Patents
Nichtdispersives Infrarot-AbsorptionsverfahrenInfo
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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.
Priority Applications (1)
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Applications Claiming Priority (1)
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DE (1) | DE19540489C2 (de) |
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DE102009021829A1 (de) * | 2009-05-19 | 2010-11-25 | Siemens Aktiengesellschaft | NDIR-Zweistrahl-Gasanalysator und Verfahren zur Bestimmung der Konzentration einer Messgaskomponente in einem Gasgemisch mittels eines solchen Gasanalysators |
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1995
- 1995-10-23 DE DE19540489A patent/DE19540489C2/de not_active Expired - Lifetime
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DE102012216210A1 (de) * | 2012-09-12 | 2014-01-30 | Siemens Aktiengesellschaft | Nichtdispersiver Infrarot-Gasanalysator nach dem Zweistrahlverfahren |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE19540489C2 (de) | 1999-02-25 |
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