DE19601873C2

DE19601873C2 - Gasanalysator

Info

Publication number: DE19601873C2
Application number: DE19601873A
Authority: DE
Inventors: Shigeyuki Akiyama; Masahiko Fujiwara; Takuji Oida; Naohito Shimizu; Aritoshi Yoneda; Toshikazu Ohnishi
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 1995-03-04
Filing date: 1996-01-19
Publication date: 1999-02-11
Anticipated expiration: 2016-01-20
Also published as: US5773828A; DE19601873A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gasanalysator und insbesondere auf ei nen nicht-dispersiven Infrarotanalysator, der nachfolgend als NDIR-Analysator bezeichnet wird gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie aus tm - Technisches Messen, 60, 1993, S. 398-401, bekannt. Bei Durchführung einer Messung mit einem NDIR-Analysator kommt das Lambert-Beer'sche Gesetz zur Anwendung. Dieses Gesetz läßt sich durch die nachfolgende Gleichung (1) ausdrücken, nach der bei konstanter Zellenlänge bei größer werdendem Absorptionskoeffizienten einer Komponente oder bei größerer Konzentration einer zu messenden Komponente eine Kalibrierungskurve ebenfalls größer wird. Ist die Konzentration der zu messenden Komponente konstant, wird bei größer werdender Zellenlänge die Kalibrierungskurve ebenfalls größer. Die Gleichung (1) hat folgenden Aufbau:

I = I₀ . exp(-µ . c . L) (1)

Hierin sind I₀ die Intensität des einfallenden Lichtes, c die Konzentration der zu messenden Komponente (Menge der in der Zelle absorbierten Infrarot strahlung), µ der Absorptionskoeffizient der zu messenden Komponente, I die hindurchgetretene Lichtintensität und L die Zellenlänge.

Beim NDIR-Analysator ergibt sich somit eine linearisierte Kurve bei Verwen dung einer Näherungsgleichung, jedoch weist die Linearisierung Grenzen auf, die z. B. durch die Berechnungsgenauigkeit gegeben sind.

Wird andererseits die Zellenlänge L vergrößert, wird eine höhere Empfindlich keit erhalten. Das bedeutet, daß sich im Hinblick auf die Empfindlichkeit und den Kurvenverlauf die Zellenlänge L bestimmen läßt. Ein Problem liegt aller dings darin, daß die anpaßbare Zellenlänge L in Abhängigkeit der zu messen den Komponente oder ihrer Konzentration schwankt. Obwohl die o. g. Lineari sierung hierauf zum Teil Rücksicht nimmt, muß die Zellenlänge L dennoch geändert werden, wenn die Schwankung nicht mehr korrigiert werden kann.

Zum Beispiel muß bei ölbefeuerten Kesseln in elektrischen Kraftwerken nach gesetzlicher Vorschrift eine Regulierung von NO_X erfolgen. Es handelt sich hier also um eine zu messende Komponente. Eine Denitrierungseinrichtung hat somit die Aufgabe, die NO_X-Komponente auf einer bestimmten Konzentration oder darunter zu halten. Wird die Abgaskonzentration von NO_X zum Beispiel auf etwa 20 bis 30 ppm gesteuert, so ist ein NO_X-Meßbereich von 0 bis 50 ppm erforderlich. Andererseits variiert die CO₂-Konzentration in Abhängigkeit des Verbrennungszustands und liegt bei etwa 14% während des Kesselbetriebs. Üblicherweise ist daher ein CO₂-Meßbereich von 0 bis 20% erforderlich.

Ein NO_X-Meßgerät zur Messung von NO_X, dessen Abgaskonzentration bei etwa 20 bis 30 ppm liegen soll, unterscheidet sich daher wesentlich in der Zellen länge von der entsprechenden Zellenlänge eines CO₂-Meßgeräts zur Messung von CO₂ bei einer üblichen Konzentration von etwa 14%. Bei einem Abgas analysator beträgt z. B. die Zellenlänge 60 mm zur Messung von NO_X mit einer Abgaskonzentration von etwa 20 bis 30 ppm, während die Zellenlänge nur 1 mm zur Messung von CO₂ mit einer Konzentration von etwa 14% beträgt.

Sind also zwei Komponenten mit voneinander unterschiedlichen Konzentra tionen vorhanden, so erfordern sie zur Messung unterschiedliche Zellenlängen. Das bedeutet, daß mit einer einzelnen Zelle die Differenzen nicht ausgeglichen werden können, wenn die zu messenden Komponenten stark voneinander abweichende Absorptionsvermögen oder Konzentrationen aufweisen oder unterschiedliche Detektormethoden zum Einsatz kommen müssen. Zur Lösung des genannten Problems wurden bereits zwei Komponenten mit unterschiedli chen Einrichtungen gemessen. Für jede Einrichtung war daher eine Zelle mit einer an die zu messenden Komponente angepaßten Zellenlänge L erforderlich. Somit mußten mehrere Meßzellen zum Einsatz kommen und es waren mehrere Gaszufuhrstrecken bzw. Gaswege erforderlich, was den Gesamtaufbau erheb lich verkomplizierte.

Der eingangs genannte Artikel von J. Staab in tm - Technisches Messen, 60, 1993, Seiten 398-401, zeigt in Bild 7.56 einen Gasanalysator mit den Merk malen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1. Ein weiterer Gasanalysator ist aus der DD 159 367 B3 bekannt, die eine Modulationseinrichtung in einem nichtdispersiven Analysengerät beschreibt, welches zur Messung eines gasför migen oder flüssigen Bestandteils in einem Gasgemisch auf Grundlage der Absorption infraroter Strahlung dient.

Die US 5,331,409 A1 beschreibt ebenfalls ein Korrelationsverfahren, bei welchem ein Gasanalysator mit einem abstimmbaren Laser die Konzentration eines Gases im Vergleich zu einem Referenzgas bekannter Konzentration bestimmt.

In der GB 698 023 ist ebenfalls eine Anordnung offenbart, bei der zwei Infra rotstrahlen einen Meßstrahl und einen Referenzstrahl bilden und der Meß strahl mehrere Kammern durchsetzt, die jeweils unterschiedliche Kompo nenten des zu analysierenden Gasgemisches enthalten.

Die DD 205 531 betrifft einen Infrarotanalysator mit Schichtdickenmodulation, wobei das Gerät zur Messung eines gasförmigen oder flüssigen Bestandteils in einem Gemisch auf Grundlage der Absorption infraroter Strahlung dient.

Die JP 52-42171 A beschreibt ein Gerät zur Konzentrationsbestimmung, bei welchem ein erster Infrarotstrahl die Meßzelle und ein zweiter Infrarotstrahl eine Kompensationszelle einstellbarer Länge durchstrahlt.

In der JP 53-98889 A ist ein Gasanalysator geringer Baugröße beschrieben, bei dem mehrere Komponenten eines Meßgases mit stark unterschiedlichen Kon zentrationen durch Bildung von optischen Pfaden unterschiedlicher Längen aufgrund von Vielfachreflexionen in der Meßzelle bestimmt werden können.

Die JP 5-72130 A betrifft einen Zweikomponenten-Gasanalysator zur Messung der Konzentration einer Gaskomponente, wobei das Meßverfahren darauf beruht, daß zwei Lichtquellen mit unterschiedlichen Frequenzen moduliert werden und jeweils sowohl die Meßzelle als auch die Referenzzelle durch strahlen und von Detektoren registriert werden.

In der US 4,914,719 ist ein Mehrfachkomponenten-Gasanalysator beschrieben, bei welchem die Konzentration von N Gaskomponenten mit überlappenden Absorptionsspektren durch Erzeugung von N Meßsignalen bestimmt werden kann.

Die DE 29 00 624 B2 beschreibt schließlich einen Zweistrahl-Gasanalysator zum Vergleich des Absorptionsvermögens eines Meßgases mit dem Absorp tionsvermögen eines Referenzgases, wobei Gaszuführeinrichtungen zur periodisch wechselseitigen und gegenphasischen Beaufschlagung von jeweils der Meß- und der Referenzkammer mit dem Meß- und dem Referenzgas vorge sehen sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gasanalysator zu schaffen, der bei einfachem Aufbau die Messung mehrerer Komponenten mit hoher Genauigkeit durchführen kann.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentan spruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Entsprechend der Erfindung, wie sie in den Fig. 1 oder 2 dargestellt ist, wird ein Gasanalysator vorgeschlagen, der eine Mehrzahl von Meßzellen ent hält, wobei die Meßzellen u. a. auch unterschiedliche Längen voneinander auf weisen können. Diese Meßzellen sind der Reihe nach durch entsprechende Kanäle miteinander verbunden, um untereinander zu kommunizieren, so daß sie einen einzigen Gasweg bilden. Ferner ist eine Infrarotdurchdringungs-/ Reflexionseinrichtung in der Nähe einer Lichtquelle vorgesehen. Wenigstens ein Satz von Meßzellen, die über die Verbindungseinrichtung miteinander kom munizieren, sowie an der jeweiligen Lichtaustrittsseite angeordnete Infrarot detektoren befinden sich darüber hinaus jeweils an der Infrarotdurch dringungsseite bzw. der Infrarotreflexionsseite der genannten Infrarotdurch dringungs-/Reflexionseinrichtung. Auf diese Weise lassen sich unterschied liche Gaskomponenten mit voneinander verschiedener Konzentration bzw. unterschiedlichen Absorptionsvermögen in einfacher Weise unter Verwendung nur eines Gasströmungsweges messen. Die genannte Infrarotdurchdringungs-/ Reflexionseinrichtung kann auch als Einrichtung zur Transmission bzw. Refle xion von Infrarotstrahlung bezeichnet werden.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung gemäß Fig. 3 weist ein Gasanaly sator mehrere Meßzellen auf, die sich auch in ihrer Länge voneinander unter scheiden können. Sie sind sequentiell miteinander verbunden, um über einen einzigen Gasweg miteinander zu kommunizieren. Eine erste Infrarotdurch dringungs-/Reflexionseinrlchtung befindet sich benachbart zu einer Licht quelle, wobei eine erste Meßzelle und eine zweite Meßzelle über ein Verbin dungsteil miteinander kommunizieren und jeweils an der Infrarotdurch dringungsseite bzw. Infrarotreflexionsseite der ersten Infrarotdurch dringungs-/Reflexionseinrichtung angeordnet sind.

Eine zweite Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung liegt zwischen der ersten Meßzelle und einem ersten Infrarotstrahlungsdetektor, welcher sich seinerseits an der Infrarotdurchdringungsseite der zweiten Infrarotdurch dringungs-/Reflexionseinrichtung befindet. Ein dritter Infrarotstrahlungs detektor befindet sich an der Infrarotreflexionsseite der zweiten Infrarotdurch dringungs-/Reflexionseinrichtung. Ein zweiter Infrarotstrahlungsdetektor für die zweite Meßzelle befindet sich an der Infrarotreflexionsseite der ersten Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung und hinter der zweiten Meß zelle, in Strahlungsrichtung gesehen.

Alternativ kann gemäß Fig. 4 eine dritte Meßzelle zwischen der Infrarotrefle xionsseite der zweiten Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung und dem dritten Infrarotstrahlungsdetektor vorhanden sein.

Nach einer Weiterbildung (Fig. 5) betrifft die Erfindung einen Gasanalysator mit einer Mehrzahl von Meßzellen, wobei auch Zellen unterschiedlicher Länge vorhanden sein können, die sequentiell über Verbindungsteile miteinander kommunizieren, um einen einzigen Gasweg zu bilden. Dabei liegt eine erste Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung benachbart zu einer Licht quelle, während eine zweite Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung an der Infrarotdurchdringungsseite der ersten Infrarotdurchdringungs-/Refle xionseinrichtung liegt. Eine erste Meßzelle und ein für diese vorgesehener erster Infrarotstrahlungsdetektor befinden sich an der Infrarotdurch dringungsseite der zweiten Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung, während sich eine zweite Meßzelle und ein für sie vorgesehener Infrarotstrah lungsdetektor an der Infrarotreflexionsseite der ersten Infrarotdurchdrin gungs-/Reflexionseinrichtung befinden. Eine dritte Meßzelle und ein für sie vorgesehener dritter Infrarotstrahlungsdetektor befinden sich an der Infra rotreflexionsseite der o. e. zweiten Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrich tung. Sämtliche Meßzellen bilden einen einzigen Strömungsweg.

Nach einer noch anderen Ausgestaltung der Erfindung gemäß Fig. 6 enthält ein Gasanalysator wiederum eine Mehrzahl von Meßzellen, die auch unter schiedliche Längen voneinander aufweisen können und die zur Bildung eines einzigen Gasweges miteinander kommunizieren. Dabei liegt eine erste Meß zelle zwischen einer Lichtquelle und einer ersten Infrarotdurchdringungs-/ Reflexionseinrichtung. Eine zweite Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrich tung befindet sich an der Infrarotdurchdringungsseite der ersten Infrarot durchdringungs-/Reflexionseinrichtung. Darüber hinaus liegt ein erster Infra rotstrahlungsdetektor an der Infrarotdurchdringungsseite der zweiten Infrarot durchdringungs-/Reflexionseinrichtung. Eine zweite Meßzelle mit zugehörigem zweiten Infrarotstrahlungsdetektor befindet sich an der Infrarotreflexionsseite der o. g. ersten Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung, während sich eine dritte Meßzelle mit zugehörigem dritten Infrarotstrahlungsdetektor an der Infrarotreflexionsseite der o. e. zweiten Infrarotdurchdringungs-/Reflexionsein richtung befindet.

Nach einer noch anderen Weiterbildung der Erfindung gemäß Fig. 7 besitzt ein Gasanalysator ebenfalls eine Mehrzahl von Meßzellen, die unterschiedliche Zellenlängen aufweisen können und sequentiell zur Bildung eines einzigen Gasweges miteinander verbunden sind. Eine erste Infrarotdurchdringungs-/ Reflexionseinrichtung befindet sich in der Nähe einer Lichtquelle, während sich an der Infrarotdurchdringungsseite der ersten Infrarotdurchdringungs-/ Reflexionseinrichtung eine erste Meßzelle befindet, an die sich eine zweite Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung anschließt. Ein erster Infrarot strahlungsdetektor liegt an der Infrarotdurchdringungsseite der zweiten Infra rotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung, während ein dritter Infrarotstrah lungsdetektor an der Infrarotreflexionsseite der zweiten Infrarotdurchdrin gungs-/Reflexionseinrichtung liegt. An der Infrarotreflexionsseite der o. e. ersten Infrarotdurchdringungs-/Reflexionselnrlchtung befindet sich eine zweite Meßzelle und dahinter eine dritte Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrich tung. An ihrer Infrarotdurchdringungsseite liegt ein zweiter Infrarotstrah lungsdetektor, während an ihrer Infrarotreflexionsseite ein vierter Infrarot strahlungsdetektor liegt.

Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung gemäß Fig. 11 enthält ein Gasanalysator vom Lichtunterbrechungstyp eine Mehrzahl von Meßzellen, die auch unterschiedliche Zellenlängen aufweisen können. Sie kommunizieren sequentiell miteinander über entsprechende Verbindungskanäle zwecks Bildung eines einzigen Gasweges. Dieser Gasanalysator enthält u. a. eine Referenzzelle. Diese Referenzzelle bildet zusammen mit einer ersten Infrarot durchdringungs-/Reflexionseinrichtung B₁ einen ersten Zweig, während eine erste Meßzelle zusammen mit einer zweiten Infrarotdurchdringungs-/Refle xionseinrichtung B₂ einen zweiten Zweig bildet, die parallel zueinander liegen sowie zwischen einem Lichtunterbrecher benachbart zu einer Lichtquelle einer seits und einem Infrarotstrahlungsdetektor vom Zweikammer-Licht empfangstyp andererseits. Ein erster Infrarotstrahlungsdetektor befindet sich an der Infrarotreflexionsseite der o. e. zweiten Infrarotdurchdringungs-/Refle xionseinrichtung B₂, während sich ein zweiter Infrarotstrahlungsdetektor an der Infrarotreflexionsseite der o. e. ersten Infrarotdurchdringungs-/Reflexions einrichtung B₁ befindet. Zwischen ihr und dem zweiten Infrarotstrahlungs detektor liegt eine zweite Meßzelle, die über einen Kanal mit der ersten Meßzel le verbunden ist.

Nach einer noch weiteren Ausgestaltung der Erfindung gemäß Fig. 12 ist in Abwandlung zum vorhergehenden Ausführungsbeispiel eine dritte Infrarot durchdringungs-/Reflexionseinrichtung B₃ zwischen der zweiten Infrarot durchdringungs-/Reflexionseinrichtung B₂ und der ersten Meßzelle vorhan den. Eine dritte Meßzelle steht mit der genannten ersten Meßzelle in Verbin dung und befindet sich an der Infrarotreflexionsseite der dritten Infrarotdurch dringungs-/Reflexionseinrichtung B₃. Dabei liegt an der Lichtaustrittsseite der dritten Meßzelle ein dritter Infrarotstrahlungsdetektor.

In einer noch weiteren Ausgestaltung des letzten Ausführungsbeispiels und gemäß Fig. 13 befindet sich ein Paar von Infrarotdurchdringungs-/Refle xionseinrichtungen B₄, B₅ zwischen dem Lichtunterbrecher und der Referenz zelle. Ferner ist eine zweite Referenzzelle R₁ an der Infrarotreflexionsseite der Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung B₄ angeordnet. Die o. e. erste Meßzelle und die dritte Meßzelle kommunizieren mit der zweiten Meßzelle, wobei die dritte Meßzelle an der Infrarotreflexionsseite der Infrarotdurch dringungs-/Reflexionseinrichtung B₅ liegt. Es existiert ein weiterer Infrarot strahlungsdetektor vom Zweikammer-Lichtempfangstyp für die zweite Refe renzzelle und die dritte Meßzelle. Ferner befindet sich eine vierte Meßzelle an der Infrarotreflexionsseite der zweiten Infrarotdurchdringungs-/Reflexions einrichtung B₂ mit strahlausgangsseitig liegendem Infrarotstrahlungsdetek tor 32. Eine fünfte Meßzelle befindet sich an der Infrarotreflexionsseite der dritten Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung B₃ mit strahlausgangs seitig liegendem Infrarotstrahlungsdetektor. Auch hier stehen sämtliche Meß zellen untereinander in Verbindung zwecks Bildung eines einzigen Gasweges.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung gemäß Fig. 14 enthält ein Gasanalysator vom Lichtunterbrechungstyp eine Mehrzahl von Meßzellen, die auch unterschiedliche Zellenlängen aufweisen können und die sequentiell mit einander verbunden sind, um einen einzigen Gasweg zu bilden. Auch hier ist eine Referenzzelle vorhanden. Eine erste Infrarotdurchdringungs-/Reflexions einrichtung B₁, eine Referenzzelle und eine zweite Infrarotdurchdringungs-/ Reflexionseinrichtung B₂ liegen der Reihe nach hintereinander und bilden einen ersten Zweig. Dazu parallel liegt ein zweiter Zweig mit einer dritten Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung B₃, einer ersten Meßzelle und einer vierten Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung B₄. Auch diese Elemente im zweiten Zweig liegen seriell hintereinander. Beide Zweige liegen zwischen einem Lichtunterbrecher in der Nähe einer Lichtquelle einerseits und einem Infrarotstrahlungsdetektor vom Zweikammer-Lichtempfangstyp anderer seits. Eine zweite Meßzelle, eine dritte Meßzelle und eine vierte Meßzelle, die miteinander kommunizieren sowie auch mit der ersten Meßzelle, und ein jeweils zugehöriger zweiter Infrarotstrahlungsdetektor, ein dritter Infrarot strahlungsdetektor und ein vierter Infrarotstrahlungsdetektor befinden sich jeweils an der Infrarotreflexionsseite der ersten Infrarotdurchdringungs-/Refle xionseinrichtung B₁, der zweiten Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrich tung B₂ und der dritten Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung B₃.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung gemäß Fig. 15 kommuniziert eine fünfte Meßzelle mit der o. e. ersten Meßzelle, während ein fünfter Infrarot strahlungsdetektor sowie die zugehörige fünfte Meßzelle an der Infrarotrefle xionsseite der vierten Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung B₄ ange ordnet sind. Diese vierte Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseiririchtung B₄ liegt benachbart zur ersten Meßzelle.

In Übereinstimmung mit der Fig. 15 kann eine Weiterbildung der Erfindung darin bestehen, daß eine oder mehrere Infrarotdurchdringungs-/Reflexions einrichtungen B₅ zwischen der vierten Infrarotdurchdringungs-/Reflexions einrichtung B₄ und der ersten Meßzelle liegen. Eine weitere bzw. sechste Meß zelle, die mit der fünften und der ersten Meßzelle kommuniziert, befindet sich an der Infrarotreflexionsseite der fünften Infrarotdurchdringungs-/Reflexions einrichtung B₅, wobei strahlausgangsseitig zur sechsten Meßzelle ein weiterer Infrarotstrahlungsdetektor vorhanden ist.

Gemäß der Erfindung wird ein Gasanalysator angegeben mit einer Mehrzahl von Meßzellen, bei denen auch der Fall umfaßt ist, daß die Zellen voneinander unterschiedliche Zellenlängen aufweisen. Die Zellen sind der Reihe nach hintereinander geschaltet und bilden einen einzigen Gasweg. Durch die Kombi nation der Meßzellen, der Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtungen und der Infrarotstrahlungsdetektoren wird es möglich, mehrere Gaskompo nenten mit hoher Genauigkeit zu messen, auch gleichzeitig, wobei auch eine Strömungsmodulation bzw. Gasmodulation durchgeführt werden kann. Darüber hinaus kann auch ein Lichtunterbrechungssystem zum Einsatz kommen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 den Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 2 den Aufbau eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 3 den Aufbau eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 4 den Aufbau eines vierten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 5 den Aufbau eines fünften Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 6 den Aufbau eines sechsten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 7 den Aufbau eines siebten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 8 die graphische Darstellung spektraler Wellenlängencharakteristi ka einer Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung;

Fig. 9 eine weitere graphische Darstellung spektraler Wellenlängen charakteristika einer Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrich tung;

Fig. 10 eine noch weitere graphische Darstellung spektraler Wellenlängen charakteristika einer Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrich tung;

Fig. 11 den Aufbau eines achten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 12 den Aufbau eines neunten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 13 den Aufbau eines zehnten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 14 den Aufbau eines elften Ausführungsbeispiels der Erfindung; und

Fig. 15 den Aufbau eines zwölften Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen werden nun die Ausführungsbeispiele näher beschrieben.

Die Fig. 1 zeigt einen Gasanalysator (NDIR) zur Messung zweier Kompo nenten, bei dem eine NO_X-Meßzelle eine Zellenlänge (L₂) von 60 mm und eine CO₂-Meßzelle eine Zellenlänge (L₁) von 1 mm aufweist. Beide Meßzellen kom munizieren über einen einzigen Gasweg bzw. Gaskanal miteinander, stehen also über diesen Gaskanal miteinander in Verbindung. Die Fig. 1 zeigt also mehrere Meßzellen, nämlich eine Meßzelle 7 (zweite Meßzelle) sowie eine Meßzelle 3 (erste Meß zelle), deren Zellenlängen L₁, L₂ voneinander verschieden sind, und die über eine Verbindungsleitung 21 miteinander kommunizieren, die einen einzigen Gasweg bzw. Gaskanal bildet. Ein schräggestellter optischer Filter dient als Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung 100 zur spektralen Ablenkung von Infrarotstrahlen und ist in der Nähe einer Lichtquelle 1 angeordnet. Die NO_X-Meßzelle 3 mit der Zellenlänge L₂ sowie die CO₂-Meßzelle 7 mit der Zellen länge L₁ sind über die Verbindungsleitung 21 miteinander verbunden. Ein Kondensatormikrophon (Infrarotstrahlungsdetektor 5 für NO_X) befindet sich an der Infrarotdurchdringungsseite des optischen Filters (100) hinter der ersten Meßzelle 3, während sich ein pyroelektrischer Detektor (Infrarotstrahlungs detektor 9 für CO₂) an der Infrarotreflexionsseite des optischen Filters (100) hinter der zweiten Meßzelle 7 befindet. Bei diesem Gasanalysator kommt ein Fluid-Modulationssystem (Gasmodulationssystem) zum Einsatz, derart, daß ein Probengas 30 und ein nicht dargestelltes Referenzgas abwechselnd zu den Meßzellen 3, 7 geleitet wird.

Der schräggestellte optische Filter (100) steht bei diesem Ausführungsbeispiel innerhalb einer Gasfilterzelle 22, die mit einem Störkomponentengas gefüllt ist. Allerdings muß dieses Störkomponentengas nicht in jedem Fall vorhanden sein, sondern kann wahlweise verwendet werden.

Nachfolgend wird der Meßbetrieb näher beschrieben. Das Probengas 30 (oder das Referenzgas) strömt zunächst in die Meßzelle 7 und von dort weiter durch die Verbindungsleitung 21 hindurch in die Meßzelle 3. Dort tritt es am anderen Ende der Meßzelle 3 wieder aus dieser heraus. Alternativ dazu kann die Strömungsrichtung des Probengases auch umgekehrt werden.

Andererseits werden von der Lichtquelle 1 ausgesandte Infrarotstrahlen A zum einen am optischen Filter (100) reflektiert, so daß ein reflektierter Strahl (re flektiertes Licht A₁ (λ₁)) erhalten wird. Ein anderer Teil des von der Lichtquelle 1 ausgesandten Lichts durchdringt den optischen Filter (100), so daß auf diese Weise ein Durchdringungsstrahl (durchdringendes Licht A2 (λ₂)) erhalten wird. Die Absorptionscharakteristik des optischen Filters (100) ist durch die Kurve P in Fig. 8 angegeben. Das bedeutet, daß das reflektierte Licht A₁ (λ₁) eine kur ze Wellenlänge λ₁ (≦ a) aufweist, die kürzer ist als die CO₂-Absorptionswellen länge a (= 4,3 µm). Das den optischen Filter (100) durchdringende Licht A₂ (λ₂) weist dagegen eine andere Wellenlänge λ₂ (≧ a) auf.

Für das durchdringende Licht A₂ gilt folgendes: Während der Periode, in der dieses Licht durch ein CaF₂-Fenster 2 an einem Ende der Meßzelle 3 und anschließend durch die NO_X-Meßzelle 3 mit einer Zellenlänge L₂ = 60 mm hindurchläuft, absorbiert die zu messende Gaskomponente in der Meßzelle Infrarotstrahlung. Nachdem dann dieses Licht ein am anderen Ende der Meß zelle 3 befindliches CaF₂-Fenster 4 durchlaufen hat, durchläuft nur noch Licht entsprechend der Absorptionswellenlänge b (= 5,3 µm) im NO_X-Gas einen NO-Bandpaßfilter 400 am anderen Ende der Meßzelle 3, der eine Absorptions charakteristik gemäß der Kurve Q in Fig. 8 aufweist, bevor es schließlich den NO_X-Infrarotstrahlungsdetektor (5) erreicht.

Andererseits durchläuft das reflektierte Licht A₁ ein CaF₂-Fenster 6 am Ein gang der zweiten Meßzelle 7 und anschließend die CO₂-Meßzelle 7 mit einer Länge L₁ = 1 mm, wobei die zu messende Gaskomponente wiederum Infrarot strahlen absorbiert. Sodann durchläuft das Licht ein CaF₂-Fenster 8 am ande ren Ende der Meßzelle 7. Anschließend gelangt nur Licht entsprechend der Absorptionswellenlänge a (= 4,3 µm) im CO₂-Gas durch einen CO₂-Bandpaß filter 200 hindurch, der eine Absorptionscharakteristik gemäß der Kurve R in Fig. 9 aufweist, bevor es den CO₂-Infrarotstrahlungsdetektor 9 erreicht.

Wie oben beschrieben, umfaßt das vorliegende Ausführungsbeispiel zwei Meß zellen 3, 7 mit Zellenlängen L₂, L₁, die an die jeweiligen Komponenten (NO und CO₂) angepaßt werden können. Diese Meßzellen stehen über einen einzigen Gaskanal miteinander in Verbindung und können daher untereinander kommunizieren. Ein schräggestelltes Filter (100), z. B. ein Kantenfilter, befin det sich vor der Lichtquelle 1, während die o. e. und über die Verbindungs leitung 21 miteinander kommunizierenden Meßzellen 3, 7 jeweils an der Infra rotdurchdringungsseite bzw. Infrarotreflexionsseite des Kantenfilters (100) angeordnet sind. Für die jeweiligen Meßzellen 3, 7 sind Infrarotstrahlungs detektoren 5, 9 vorgesehen, so daß sich im Hinblick auf die anpaßbaren Zellenlängen L₂, L₁ zwei unterschiedliche Komponenten bei Vorsehen nur eines einzigen Strömungsweges mit hoher Genauigkeit messen lassen.

Die Fig. 2 zeigt einen NDIR-Analysator 20 vom Lichtunterbrechungstyp mit drehendem Lichtunterbrecher C zur Unterbrechung der Infrarotstrahlung von der Lichtquelle 1, wobei der Lichtunterbrecher C zwischen der Lichtquelle 1 und einer Gasfilterzelle 22 angeordnet ist, so daß es möglich ist, wie beim ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 zwei Komponenten zu messen. Es handelt sich hier um ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Bezugszeichen 33 bezeichnet eine Referenzzelle, die mit einem Inertgas gefüllt ist, z. B. N₂. Innerhalb der Referenzzelle 33 wird die von der Lichtquelle 1 kommende Infrarotstrahlung nicht absorbiert, so daß eine bestimmte Menge an Licht ständig einen Infrarotstrahlungsdetektor 5 vom Zweikammertyp erreicht. Es ergibt sich somit eine Differenz bezüglich der Menge des einfallen den Infrarotlichtes zwischen der Meßzelle 3 und der Referenzzelle 33, wobei beide Bündel an Infrarotstrahlen durch den drehenden Lichtunterbrecher C periodisch unterbrochen werden, so daß das Kondensatormikrophon des Infra rotstrahlungsdetektors 5 vibriert. Ergibt sich eine Änderung der elektrostati schen Kapazität infolge der Vibration, so wird diese Änderung erfaßt und als NO₂-Gaskonzentrationssignal verarbeitet. Auch in diesem Fall ist der optische Filter (100) ein Kantenfilter bzw. Cut-on-Filter.

Die Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem ein Kantenfilter (100) als erste Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung 100 zur spektralen Ablenkung von Infrarotstrahlen dient und vor einer Lichtquelle 1 liegt. Eine NO_X-Meßzelle 3 mit einer Zellenlänge L₂ = 60 mm und eine CO₂- Meßzelle 7 mit einer Zellenlänge L₁ = 1 mm kommunizieren miteinander über eine Verbindungsleitung 21. Ein Infrarotstrahlungsdetektor 5 für NO_X sowie ein Infrarotstrahlungsdetektor 9 für CO₂ befinden sich jeweils an der Infrarot durchdringungsseite und der Infrarotreflexionsseite des ersten optischen Filters (100). Ein NO_X-Bandpaßfilter dient als zweite Infrarotdurchdringungs-/ Reflexionseinrichtung 300 und liegt zwischen der NO_X-Meßzelle 3 und dem Infrarotstrahlungsdetektor 5 für NO_X. Der Infrarotstrahlungsdetektor 5 für NO_X befindet sich an der Infrarotdurchdringungsseite des NO_X-Bandfilters (300), während ein Infrarotstrahlungsdetektor 12 für SO₂ an der Infrarot reflexionsseite des NO_X-Bandpaßfilters (300) angeordnet ist. Auf diese Weise lassen sich drei Komponenten (NO, CO₂ und SO₂) messen. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel liegt der NO_X-Bandpaßfilter (300) in einer Gasfilterzelle 24, die mit einer Störgaskomponente gefüllt ist. Allerdings muß die Gasfilter zelle 24 nicht unbedingt eine Störgaskomponente enthalten. Das zweite bis siebte Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet einen NDIR-Analysator 20 vom Strömungsmodulationstyp, wie auch der Analysator nach dem ersten Ausführungsbeispiel.

Nachfolgend wird der Betrieb des Analysators gemäß Fig. 3 zur Messung von drei Komponenten (NO, CO₂ und SO₂) näher beschrieben. Dieses Ausführungs beispiel zeichnet sich dadurch aus, daß der NO_X-Bandpaßfilter (300) bezüglich des Reflexionsspektrums eine Absorptionscharakteristik aufweist, die der Kurve T in Fig. 10 entspricht. Das bedeutet, daß das durchdringende Licht A₂ (λ₂), kommend vom Kantenfilter (100), in reflektiertes Licht A₃ (λ3) und in durchdringendes Licht A₄ (λ₄) aufgeteilt wird. Das reflektierte Licht A₃ (λ3) trifft später auf den Infrarotstrahlungsdetektor 12 für SO₂ auf, während das durchdringende Licht A₄ (λ₄) später auf den Infrarotstrahlungsdetektor 5 für NO_X auftrifft. Auch hier strömen wiederum ein Probengas 30 oder ein nicht dargestelltes Referenzgas von der Meßzelle 7 durch die Verbindungsleitung 21 hindurch in die Meßzelle 3 hinein. Die Strömungsrichtung des Probengases 30 kann auch umgekehrt werden.

Wie bereits oben erwähnt, wird das den Filter (100) durchdringende Licht A₂ (λ2) in reflektiertes Licht A₃ (λ₃) und durchdringendes Licht A₄ (λ₄) aufgeteilt, und zwar durch den NO_X-Bandpaßfilter (300) (Reflexionsspektrum). Das bedeutet, daß das durchdringende Licht A₄ (λ₄) eine Wellenlänge λ₄ (b - Δb ≦ λ4 ≦ b + Δb) in einem Bereich aufweist, der dem Bereich F in Fig. 10 entspricht. Dagegen hat das am NO_X-Bandpaßfilter (300) reflektierte Licht A₃ (λ3) andere Wellenlängen, nämlich λ₃ (a < λ₃ < b - Δb, b + Δb < λ3). Das durch dringende Licht A₄ durchläuft ein CaF₂-Fenster 10 an einem Ende des NO_X- Bandpaßfilters (300), so daß dann nur noch Licht entsprechend der NO-Gas absorptionswellenlänge b (= 5,3 µm) durch den NO-Bandpaßfilter 400 hin durchläuft, dessen Absorptionscharakteristik der Kurve Q in Fig. 8 ent spricht, bevor es den Infrarotstrahlungsdetektor 5 erreicht. Andererseits durch läuft das reflektierte Licht A₃ ein CaF₂-Fenster 11 und anschließend einen SO₂-Bandpaßfilter 500 mit einer Absorptionscharakteristik entsprechend der Kurve V in Fig. 10, so daß dann nur noch Licht entsprechend der Absorp tionswellenlänge b (= 7,3 µm) des SO₂-Gases weiterläuft und schließlich auf den SO₂-Detektor 12 auftrifft.

Die Fig. 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel mit einer dritten Meßzelle 23 an der Infrarotreflexionsseite eines zweiten optischen Filters (300) zwecks Ver besserung der Empfindlichkeit des SO₂-Detektors 12. Die dritte Meßzelle 23 steht über eine Verbindungsleitung 25 mit der Meßzelle 3 in Verbindung. Dies führt zu einer Verlängerung der Zellenlänge vom Wert L₂ beim obigen Ausfüh rungsbeispiel auf einen Wert L₂ + L₃ beim vorliegenden Ausführungsbeispiel und somit zu einer Steigerung der Empfindlichkeit des Infrarotstrahlungs detektors 12 (SO₂-Detektor).

Die Fig. 5 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hier befindet sich ein NO_X-Bandpaßfilter als zweite Infrarotdurchdringungs-/Reflexions einrichtung 300 nach der Infrarotdurchdringungsseite einer ersten Infrarot durchdringungs-/Reflexionseinrichtung 100, welche ihrerseits kurz nach einer Lichtquelle 1 angeordnet ist. Eine Meßzelle 7 und ein Infrarotstrahlungs detektor 9 befinden sich an der Infrarotreflexionsseite der ersten Infrarot durchdringungs-/Reflexionseinrichtung 100. Eine dritte Meßzelle 47 mit einer Zellenlänge L₅ steht über eine Verbindungsleitung 26 mit der Meßzelle 7 in Verbindung und befindet sich an der Infrarotreflexionsseite der zweiten Infra rotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung 300, wobei am Ende dieser dritten Meßzelle 47 ein Infrarotstrahlungsdetektor 12 vorhanden ist. Dagegen liegt eine Meßzelle 3 an der Infrarotdurchdringungsseite der zweiten Infrarotdurch dringungs-/Reflexionseinrichtung 300, wobei die Meßzelle 3 über eine Verbin dungsleitung 27 mit der dritten Meßzelle 47 in Verbindung steht und darüber hinaus an ihrem freien Ende einen Infrarotstrahlungsdetektor 5 aufweist. Somit lassen sich also drei Komponenten messen. Beim vorliegenden Ausfüh rungsbeispiel dient eine Seite der ersten Infrarotdurchdringungs-/Reflexions einrichtung 100 als Infrarotdurchdringungsseite, während die eine Seite der zweiten Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung 300 als Infrarot reflexionsseite dient. Möglich ist aber auch, die eine Seite der ersten Infrarot durchdringungs-/Reflexionseinrichtung 100 als Infrarotreflexionsseite zu defi nieren, während die eine Seite der zweiten Infrarotdurchdringungs-/Refle xionseinrichtung 300 als Infrarotdurchdringungsseite definiert wird.

Die Fig. 6 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hier befin den sich eine Meßzelle 3 und ein Infrarotstrahlungsdetektor 5 nach der Licht quelle. Ein Kantenfilter als erste Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrich tung 100 und ein NO_X-Bandpaßfilter als zweite Infrarotdurchdringungs-/Refle xionseinrichtung 300 liegen zwischen der Meßzelle 3 und dem Infrarot strahlungsdetektor 5, und zwar hintereinander. Die zweite Infrarotdurchdrin gungs-/Reflexionseinrichtung 300 liegt genauer gesagt an der Infrarotdurch dringungsseite der ersten Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung 100, während sich der Infrarotstrahlungsdetektor 5 an der Infrarotdurchdringungs seite der zweiten Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung 300 befindet. Eine Meßzelle 7 steht über eine Verbindungsleitung 28 mit der Meßzelle 3 in Verbindung, wobei ein Infrarotstrahlungsdetektor 9 an der Infrarotreflexions seite der ersten Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung 100 vor gesehen ist, und zwar hinter der Meßzelle 7. Eine weitere Meßzelle 47 mit einer Zellenlänge L₅ steht in Verbindung mit der Meßzelle 7, und zwar über eine Verbindungsleitung 29, wobei sich die weitere Meßzelle 47 an der Infrarotrefle xionsseite der zweiten Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung 300 befindet. Hinter der Meßzelle 47 ist ein Infrarotstrahlungsdetektor 12 angeord net. Auf diese Weise lassen sich drei Komponenten messen. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die eine Seite der ersten Infrarotdurchdringungs-/ Reflexionseinrichtung 100 die Infrarotdurchdringungsseite, während die eine Seite der zweiten Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung 300 ebenfalls die Infrarotdurchdringungsseite ist. Natürlich kann auch eine andere Zusam menstellung gewählt werden, weil ja die eine Seite der ersten Infrarotdurch dringungs-/Reflexionseinrichtung 100 die Infrarotreflexionsseite ist, während die eine Seite der zweiten Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung 300 ebenfalls die Infrarotreflexionsseite ist.

Die Fig. 7 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Hier wird zusätzlich zum NDIR-Analysator 20 des dritten Ausführungsbeispiels nach Fig. 3 ein weiterer CO₂-Bandpaßfilter als dritte Infrarotdurch dringungs-/Reflexionseinrichtung 200 verwendet, um vier Komponenten (NO, CO₂, SO₂ und CO) zu messen. Der Analysator ist ebenfalls vom Fluid-Modula tionstyp.

Beim vorliegenden siebten Ausführungsbeispiel ist ein Kantenfilter als erste Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung 100 zur spektralen Ablenkung von Infrarotstrahlung an einer Seite einer Lichtquelle 1 vorgesehen. Eine NO_X- Meßzelle 3 mit einer Zellenlänge L₂ = 60 mm und eine CO₂-Meßzelle 77 mit einer Zellenlänge L₁ = 1 mm, die miteinander über eine Verbindungsleitung 21 in Verbindung stehen, befinden sich jeweils an einer Infrarotdurchdringungs seite bzw. Infrarotreflexionsseite des Kantenfilters (100), wobei sich hinter der Meßzelle 3 ein Infrarotstrahlungsdetektor 5 für NO_X befindet, während hinter der Meßzelle 77 ein Infrarotstrahlungsdetektor 9 für CO₂ angeordnet ist. Ein NO_X-Bandpaßfilter als zweite Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung 300 liegt zwischen der NO_X-Meßzelle 3 und dem Infrarotstrahlungsdetektor 5 für NO_X. Dabei befindet sich der Infrarotstrahlungsdetektor 5 für NO_X an der Infrarotdurchdringungsseite des NO_X-Bandpaßfilters (300). Ferner befindet sich ein Infrarotstrahlungsdetektor 12 für SO₂ an der Infrarotreflexionsseite des NO_X-Bandpaßfilters. Ein CO₂-Bandpaßfilter (200) mit einer Charakteristik gemäß der Kurve R in Fig. 9 liegt zwischen dem Infrarotstrahlungsdetektor 9 für CO₂ und der CO₂-Meßzelle 77. Der Infrarotstrahlungsdetektor 9 für CO₂ befindet sich an der Infrarotdurchdringungsseite des CO₂-Bandpaßfilters (200). Darüber hinaus ist ein Infrarotstrahlungsdetektor 41 für CO über einen CO-Bandpaßfilter 600 an der Infrarotreflexionsseite des CO₂-Bandpaßfilters (200) vorgesehen.

Die Fig. 11 bis 15 zeigen weitere Beispiele lichtintermittierender NDIR- Analysatoren 20.

In der Fig. 11 ist ein achtes Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Eine Referenzzelle R zusammen mit einer ersten Infrarotdurchdringungs-/Refle xionseinrichtung B₁ und eine erste Meßzelle 3 zusammen mit einer zweiten Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung B₂ liegen parallel zueinander sowie zwischen einem Lichtunterbrecher C benachbart zu einer Lichtquelle 1 einerseits und einem Infrarotstrahlungsdetektor M vom Zweikammertyp ande rerseits. Ein erster Infrarotstrahlungsdetektor 5 befindet sich an der Infra rotreflexionsseite der o. e. zweiten Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrich tung B₂, während sich ein zweiter Infrarotstrahlungsdetektor 9 an der Infra rotreflexionsseite der o. e. ersten Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrich tung B₁ befindet. Dabei liegt zwischen der ersten Infrarotdurchdringungs-/ Reflexionseinrichtung B₁ und dem zweiten Infrarotstrahlungsdetektor 9 eine zweite Meßzelle 7, die mit der o. g. ersten Meßzelle 3 kommuniziert.

Die Fig. 12 zeigt ein neuntes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem eine dritte Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung B₃ zwischen einer zweiten Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung B₂ und einer ersten Meßzelle 3 liegt. Eine dritte Meßzelle 23 steht mit der zuvor erwähnten ersten Meßzelle 3 in kommunizierender Verbindung und befindet sich an der Infra rotreflexionsseite der dritten Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung- B₃. An dieser Seite befindet sich auch hinter der Meßzelle 23 ein dritter Infra rotstrahlungsdetektor 12. Die Meßzellen 23 und 3 sind über einen kurzen Kanal miteinander verbunden, während die Meßzelle 3 über die Verbindungs leitung 21 mit der Meßzelle 7 verbunden ist.

Die Fig. 13 zeigt ein zehntes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Zwei Infra rotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtungen B₄ und B₃ liegen hintereinander zwischen einem Lichtunterbrecher C und einer Referenzzelle R. Eine zweite Re ferenzzelle R₁ befindet sich an der Infrarotreflexionsseite der Infrarotdurch dringungs-/Reflexionseinrichtung B₄. Die o. e. erste Meßzelle 3 und eine dritte Meßzelle 23 kommunizieren mit einer zweiten Meßzelle 7. Dabei liegt die dritte Meßzelle 23 an der Infrarotreflexionsseite der Infrarotdurchdringungs-/Refle xionseinrichturig B₅. Ein Infrarotstrahlungsdetektor M₁ vom Zweikammer- Lichtempfangstyp befindet sich in Strahlrichtung gesehen hinter der zweiten Referenzzelle R₁ und der dritten Meßzelle 23. Ferner sind zwei Infrarotdurch dringungs-/Reflexionseinrichtungen B₂, B₃ hintereinanderliegend zwischen der ersten Meßzelle 3 und einer Kammer eines weiteren Infrarotstrahlungs detektors M vom Zweikammer-Lichtempfangstyp angeordnet. Eine vierte Meß zelle 37 und eine fünfte Meßzelle 47 befinden sich jeweils an der Infrarotrefle xionsseite der beiden Einrichtungen B₂ bzw. B₃. In Strahlrichtung dahinter liegen Infrarotstrahlungsdetektoren 32 bzw. 34. Sämtlich Meßzellen 7, 23, 3, 47 und 37 kommunizieren untereinander bzw. sind hintereinandergeschaltet und weisen jeweils in Strahlrichtung gesehen unterschiedliche Längen auf. Im vor liegenden Fall strömt ein Probengas ausgehend von der vierten Meßzelle 37 zur fünften Meßzelle 47, zur ersten Meßzelle 3, zur dritten Meßzelle 23 sowie weiter zur zweiten Meßzelle 7. Die Strömungsrichtung kann auch umgekehrt werden.

Die Fig. 14 zeigt ein elftes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Eine erste Infrarotdurchdringungs-/Reflexlonseinrichtung B₁, eine Referenzzelle R und eine zweite Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung B₂ liegen in Strahl richtung gesehen hintereinander in relativ engem Abstand zueinander, während parallel dazu der Reihe nach eine dritte Infrarotdurchdringungs-/ Reflexionseinrichtung B₃, eine erste Meßzelle 3 und eine vierte Infrarotdurch dringungs-/Reflexionseinrichtung B₄ angeordnet sind. Auch die Einrichtungen mit den Bezugszeichen B₃, 3 und B₄ liegen hintereinander, gesehen in Strahlrichtung. Beide Bau elementgruppen mit den Bezugzeichen B₁, R, B₂ bzw. B₃, 3 und B₄ befinden sich zwischen einem Lichtunterbrecher C benachbart zu einer Lichtquelle 1 einerseits und einem Infrarotstrahlungsdetektor M vom Zweikammer-Lichtempfangstyp. Eine zweite Meßzelle 7, eine dritte Meßzelle 23 und eine vierte Meßzelle 37 sind unterein ander und mit der ersten Meßzelle 3 verbunden. Dabei liegen sie jeweils der Infrarotreflexionsseite der ersten Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrich tung B₁, der zweiten Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung B₂ und der dritten Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung B₃ gegenüber. In Strahlrichtung hinter der jeweiligen Meßzelle gesehen, liegen ein zweiter Infra rotstrahlungsdetektor 9, ein dritter Infrarotstrahlungsdetektor 12 und ein vier ter Infrarotstrahlungsdetektor 32.

In der Fig. 15 ist ein zwölftes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Zusätzlich zum elften Ausführungsbeispiel nach Fig. 14 befindet sich eine fünfte Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung B₅ zwischen der vierten Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung B₄ und der ersten Meßzelle 3. Dabei liegt an der Infrarotreflexionsseite der fünften Infrarotdurchdringungs-/ Reflexionseinrichtung B₅ eine weitere Meßzelle 57 mit der Länge L₆. Die Meß zellen 47 und 57 sind untereinander verbunden bzw. kommunizieren miteinan der, während ein weiterer Kanal zwischen der Meßzelle 57 und der ersten Meß zelle 3 vorhanden ist. Die Meßzelle 3 ist über eine Verbindungsleitung 21 mit der vierten Meßzelle 37 verbunden, diese über eine Verbindungsleitung 25 mit der zweiten Meßzelle 7 und diese über eine Verbindungsleitung 26 mit der dritten Meßzelle 3. Am strahlausgangsseitigen Ende der Meßzellen 47 und 57 befinden sich jeweils die Infrarotstrahlungsdetektoren 34 und 44.

Betrieb und Wirkung der Ausführungsbeispiele nach den Fig. 11 bis 15 gleichen im wesentlichen Betrieb und Wirkung der Ausführungsbeispiele nach den Fig. 1 bis 7, so daß auf eine nochmalige Erläuterung verzichtet wird. Die Bezugszeichen der jeweiligen Zellenlängen sollen kein Indiz für deren tat sächliche Längenverhältnisse untereinander sein. Durch sie soll lediglich angegeben werden, daß die Meßzellen voneinander unterschiedliche Längen aufweisen.

Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen sind Meßzellen mit Zellen längen vorhanden, die an die jeweiligen Komponenten angepaßt sind. Diese Meßzellen kommunizieren untereinander, um einen einzigen Gasströmungsweg zu bilden. Eine oder mehrere Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtungen befinden sich an der Lichtquellenseite. Die o. e. Meßzellen kommunizieren über Verbindungsteile bzw. Verbindungsleitungen untereinander und sind an den jeweiligen Infrarotdurchdringungs- bzw. -reflexionsseiten der Infrarotdurch dringungs-/Reflexionseinrichtungen angeordnet. Die Infrarotstrahlungsdetek toren sind für die jeweiligen Meßzellen vorgesehen, so daß mehrere zu messen de Komponenten, die unterschiedliche Konzentrationen aufweisen, entlang nur eines einzelnen Strömungweges gemessen werden können.

Obwohl bei den o. e. Ausführungsbeispielen als Infrarotdurchdringungs-/ Reflexionseinrichtung ein optischer Filter zur spektralen Ablenkung von Infra rotstrahlung zum Einsatz kommt, können stattdessen auch ein halbdurch lässiger Spiegel oder ein Strahlteiler zur Aufspaltung der Menge an Infrarot strahlung verwendet werden. In diesem Fall liegen die Durchdringungs-/Refle xionsebenen unter einem Winkel von vorzugsweise 45° zur optischen Achse der jeweiligen Zelle sowie innerhalb von Gasfilterzellen.

Das Verhältnis der Aufteilung der Lichtmenge zu den Detektoren mit Hilfe des Strahlteilers ist üblicherweise 1 : 1. Gibt es allerdings zwischen den Detek toren Empfindlichkeitsunterschiede, so können auch Strahlteiler mit anderen Strahlaufteilungsverhältnissen zum Einsatz kommen, beispielsweise mit Strahlaufteilungsverhältnissen im Verhältnis von 1 : 2 oder mehr. Mit anderen Worten kann jetzt die Menge an zu verteilendem Licht in Übereinstimmung mit der Detektorempfindlichkeit der jeweiligen Strahlungsdetektoren erfolgen.

Nach der Erfindung kommen Meßzellen mit Zellenlängen zum Einsatz, die je weils in Übereinstimmung mit den zu messenden Komponenten und deren Konzentrationen gewählt werden. Diese Meßzellen kommunizieren unter einander, um einen einzigen Strömungsweg für das Gas zu bilden. Infrarot durchdringungs-/Reflexionseinrichtungen befinden sich an einer Lichtquellen seite. Die o. e. Meßzellen kommunizieren über Kommunikationsteile bzw. Verbindungsleitungen miteinander und sind an Infrarotdurchdringungs- bzw. -reflexions seiten von Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtungen angeordnet. Für die jeweiligen Meßzellen sind entsprechende Infrarotstrahlungsdetektoren vorgesehen, so daß mehrere auszumessende Komponenten, die unterschiedli che und entsprechend angepaßte Meßlängen erfordern, durch einfachen Aufbau eines einzelnen Gasströmungsweges mit hoher Genauigkeit bestimmt werden können.

Wie oben erwähnt, weist jede Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung eine Infrarotdurchdringungsseite und eine Infrarotreflexionsseite auf. Die Infrarotdurchdringungsseite ist diejenige Seite, an der das Licht austritt, nachdem es die genannte Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung durchsetzt hat. Dagegen ist die Infrarotreflexionsseite diejenige Seite, aus der das Licht austritt, nachdem es an der Infrarotdurchdringungs-/Reflexionsein richtung reflektiert worden ist.

Claims

1. Gasanalysator mit einer Lichtquelle zur Erzeugung einer Lichtstrahlung, mehreren Meßzellen mit gleichen und/oder verschiedenen Zellenlängen, die miteinander sequentiell über je eine Verbindungsleitung verbunden sind und so einen einzigen zusammenhängenden Weg für das Gasgemisch bilden, einer jeden Meßzelle zugeordneten Detektoreinrichtung, die sich an dem, dem Ein tritt der Lichtstrahlung gegenüberliegenden Ende der jeweiligen Meßzelle be findet, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung (100, 200, 300) mit einer Infrarotdurchdringungsseite und einer Infrarotreflexionsseite zur Aufteilung der von der Lichtquelle (1) ausgesandten Lichtstrahlung in zwei zueinander senkrechte Strahlengänge vorgesehen ist, und wenigstens eine Meßzelle (3, 7, 23, 47, 57, 77) in jedem Strahlengang angeordnet ist, wobei die Durchstrahlungsrichtungen jeder der mindestens einen Meßzelle (3, 7, 23, 47, 57, 77) senkrecht aufeinander stehen.

2. Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine er ste Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung (100) benachbart zur Licht quelle (1) liegt, eine erste Meßzelle (3) und eine zweite Meßzelle (7) jeweils an der Infrarotdurchdringungsseite und der Infrarotreflexionsseite der ersten In frarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung (100) liegen, eine zweite Infrarot durchdringungs-/Reflexionseinrichtung (300) zwischen der ersten Meßzelle (3) und einem ersten Infrarotstrahlungsdetektor (5) vorhanden ist, der der ersten Meßzelle (3) zugeordnet ist, ein dritter Infrarotstrahlungsdetektor (12) an der Infrarotreflexionsseite der zweiten Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrich tung (300) liegt, und daß ein zweiter Infrarotstrahlungsdetektor (9) hinter der zweiten Meßzelle (7) angeordnet ist.

3. Gasanalysator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Meßzelle (23) zwischen der Infrarotreflexionsseite der zweiten Infrarot durchdringungs-/Reflexionseinrichtung (300) und dem dritten Infrarotstrah lungsdetektor (12) angeordnet ist.

4. Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine er ste Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung (100) benachbart zur Licht quelle (1) und eine zweite Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung (300) an der Infrarotdurchdringungsseite der ersten Infrarotdurchdringungs-/Refle xionseinrichtung (100) liegen, daß eine erste Meßzelle (3) und ein ihr zugeord neter erster Infrarotstrahlungsdetektor (5) an der Infrarotdurchdringungsseite der zweiten Infrarotdurchdringungs-/Reflexionselnrichtung (300) angeordnet sind, daß eine zweite Meßzelle (7) und ein ihr zugeordneter zweiter Infrarot strahlungsdetektor (9) an der Infrarotreflexionsseite der ersten Infrarotdurch dringungs-/Reflexionseinrichtung (100) angeordnet sind, und daß eine dritte Meßzelle (47) und ein ihr zugeordneter dritter Infrarotstrahlungsdetektor (12) an der Infrarotreflexionsseite der genannten zweiten Infrarotdurchdringungs-/ Reflexionseinrichtung (300) angeordnet sind.

5. Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine er ste Meßzelle (3) zwischen der Lichtquelle (1) und einer ersten Infrarotdurch dringungs-/Reflexionseinrichtung (100) liegt, daß eine zweite Infrarotdurch dringungs-/Reflexionseinrichtung (300) an der Infrarotdurchdringungsseite der ersten Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung (100) liegt, daß ein erster Infrarotstrahlungsdetektor (5) an der Infrarotdurchdringungsseite der zweiten Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung (300) liegt, daß eine zweite Meßzelle (7) und ein ihr zugeordneter zweiter Infrarotstrahlungsdetektor (9) an der Infrarotreflexionsseite der ersten Infrarotdurchdringungs-/Refle xionseinrichtung (100) liegen, und daß eine dritte Meßzelle (47) und ein ihr zu geordneter dritter Infrarotstrahlungsdetektor (12) an der Infrarotreflexionsseite der genannten zweiten Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung (300) liegen.

6. Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine er ste Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung (100) benachbart zur Licht quelle (1) angeordnet ist, daß eine zweite Infrarotdurchdringungs-/Reflexions einrichtung (300) nach einer ersten Meßzelle (3) an der Infrarotdurchdrin gungsseite der ersten Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung (100) an geordnet ist, daß ein erster Infrarotstrahlungsdetektor (5) und ein dritter In frarotstrahlungsdetektor (12) jeweils an der Infrarotdurchdringungsseite und der Infrarotreflexionsseite der zweiten Infrarotdurchdringungs-/Reflexionsein richtung (300) liegen, daß eine dritte Infrarotdurchdringungs-/Reflexionsein richtung (200) nach einer zweiten Meßzelle (77) an der Infrarotreflexionsseite der ersten Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung (100) angeordnet ist, und daß ein zweiter Infrarotstrahlungsdetektor (9) und ein vierter Infrarot strahlungsdetektor (41) jeweils an der Infrarotdurchdringungsseite und der In frarotreflexionsseite der dritten Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung (200) liegen.

7. Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Referenzzelle (R) zusammen mit einer ersten Infrarotdurchdringungs-/Refle xionseinrichtung (B₁) einerseits sowie eine erste Meßzelle (3) zusammen mit ei ner zweiten Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung (B₂) andererseits in Parallellage zwischen einem Lichtunterbrecher (C) nach der Lichtquelle (1) und einem Infrarotstrahlungsdetektor (M) vom Zweikammer-Lichtempfangstyp angeordnet sind, daß ein erster Infrarotstrahlungsdetektor (5) an der Infra rotreflexionsseite der zweiten Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung (B₂) liegt, und daß ein zweiter Infrarotstrahlungsdetektor (9) nach einer zwei ten Meßzelle (7) an der Infrarotreflexionsseite der ersten Infrarotdurchdrin gungs-/Reflexionseinrichtung (B₁) liegt.

8. Gasanalysator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung (B₃) zwischen der zwei ten Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung (B₂) und der ersten Meß zelle (3) liegt, daß eine dritte Meßzelle (23) an der Infrarotreflexionsseite der dritten Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung (B₃) liegt, und daß ein dritter Infrarotstrahlungsdetektor (12) nach der dritten Meßzelle (23) angeord net ist.

9. Gasanalysator nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Paar von Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtungen (B₄, B₅) zwischen dem Lichtunterbrecher (C) und der Referenzzelle (R) angeordnet ist, daß eine zweite Referenzzelle (R₁) an der Infrarotreflexionsseite der einen Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung (B₄) des wenigstens einen Paa res von Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtungen (B₄, B₅) angeordnet ist, daß die dritte Meßzelle (23) an der Infrarotreflexionsseite der anderen In frarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung (B₅) des wenigstens einen Paares von Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtungen (B₄, B₅) angeordnet ist, und daß ferner ein weiterer Infrarotstrahlungsdetektor (M₁) vom Zweikammer- Lichtempfangstyp für die zweite Referenzzelle (R₁) und die dritte Meßzelle (23) vorgesehen ist.

10. Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine er ste Gruppe, bestehend aus einer ersten Infrarotdurchdringungs-/Reflexions einrichtung (B₁), einer Referenzzelle (R) und einer zweiten Infrarotdurchdrin gungs-/Reflexionseinrichtung (B₂) in Serie und benachbart zueinander ange ordnet sind, daß eine zweite Gruppe, bestehend aus einer dritten Infrarot durchdringungs-/Reflexionseinrichtung (B₃), einer ersten Meßzelle (3) und ei ner vierten Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung (B₄) in Serie und benachbart zueinander angeordnet sind, wobei die zweite Gruppe parallel zur ersten Gruppe liegt und beide Gruppen zwischen einem Lichtunterbrecher (C) nach der Lichtquelle (1) und einem Infrarotstrahlungsdetektor (M) vom Zwei kammer-Lichtempfangstyp angeordnet sind, und daß eine zweite Meßzelle (7), eine dritte Meßzelle (23) und eine vierte Meßzelle (37), denen jeweils ein zwei ter Infrarotstrahlungsdetektor (9), ein dritter Infrarotstrahlungsdetektor (12) und ein vierter Infrarotstrahlungsdetektor (32) zugeordnet sind, die jeweils an der entsprechenden Infrarotreflexionsseite der ersten Infrarotdurch dringungs-/Reflexionseinrichtung (B₁), der zweiten Infrarotdurchdringungs-/ Reflexionseinrichtung (B₂) und der dritten Infrarotdurchdringungs-/Refle xionseinrichtung (B₃) angeordnet sind, vorgesehen sind.

11. Gasanalysator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine fünfte Meßzelle (47) und ein dieser fünften Meßzelle (47) zugeordneter fünfter Infrarotstrahlungsdetektor (34) an der Infrarotreflexionsseite der vierten Infra rotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtung (B₄) angeordnet sind, die nach der ersten Meßzelle (3) liegt.

12. Gasanalysator nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtungen (B₅) benachbart zueinander und zwischen der vierten Infrarotdurchdringungs-/ Reflexionseinrichtung (B₄) und der ersten Meßzelle (3) liegen, daß eine weitere Meßzelle (57) an der Infrarotreflexionsseite der vorgenannten einen oder mehreren Infrarotdurchdringungs-/Reflexionseinrichtungen (B₅) angeordnet ist, und daß dieser weiteren Meßzelle (57) ein weiterer Infrarotstrahlungsde tektor (44) zugeordnet ist.