DE19608907C1

DE19608907C1 - Nichtdispersiver Gasanalysator

Info

Publication number: DE19608907C1
Application number: DE1996108907
Authority: DE
Inventors: Johann Weinel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1996-03-07
Filing date: 1996-03-07
Publication date: 1997-04-03
Anticipated expiration: 2016-03-08

Description

Die Erfindung betrifft einen nichtdispersiven Gasanalysator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einem derartigen, aus der DE-AS 10 17 385 bekannten Gas analysator wird eine mittels einer Strahlungszerhacker einrichtung modulierte Infrarotstrahlung durch eine mit Meß gas gefüllte Meßküvette in eine aus zwei hintereinander liegenden, gasgefüllten Meßkammern bestehende Zweischicht-Detektoranordnung geleitet. Die Meßkammern sind über eine Leitung mit einem darin angeordneten Druck- oder Strömungs sensor miteinander verbunden. Die in die Meßkammern fallende Strahlung bewirkt dort durch Absorption Druckschwankungen, deren Höhe von der meßgasspezifischen Vorabsorption der Strahlung in der Meßküvette abhängig ist. Dadurch, daß die Meßkammern in Strahlungsrichtung hintereinandergeschaltet sind und die Druckdifferenz zwischen beiden Meßkammern erfaßt wird, wird die Selektivität des Gasanalysators verbessert und damit seine Querempfindlichkeit in bezug auf Störgase verrin gert, deren Absorptionsbanden die des Meßgases am Bandenrand überlappen.

Um Zweideutigkeiten des Meßergebnisses auszuschließen, ist bei dem bekannten Gasanalysator eine weitere Strahlungs zerhackereinrichtung zwischen den beiden Meßkammern angeord net, die einen Teil der in die nachgeordnete, zweite Meß kammer fallenden Strahlung mit einer gegenüber der übrigen modulierten Strahlung unterschiedlichen Frequenz oder Phasen lage moduliert. Das von dem Druck- oder Strömungssensor ge lieferte Sensorsignal wird mittels einer Diskriminatorschal tung entsprechend den beiden unterschiedlichen Modulationen in zwei Signalanteile aufgeteilt, deren Verhältnis das Meß ergebnis des Gasanalysators bildet. Dieses Meßergebnis ent hält keine Zweideutigkeiten mehr und ist darüber hinaus be züglich der Querempfindlichkeit noch weniger störungsbehaf tet. Es besteht jedoch keine Möglichkeit, die Querempfind lichkeit für bestimmte Störgase völlig zu kompensieren. Fer ner ist die Anordnung der weiteren Strahlungszerhacker einrichtung zwischen den beiden Meßkammern konstruktiv sehr aufwendig, zumal beide Meßkammern hierzu voneinander beab standet sein müssen, was zu Justagefehlern und daraus resul tierenden Meßfehlern führen kann.

Aus der EP 0 552 183 B1 ist ein nichtdispersiver Gasanalysa tor mit einer Zweischicht-Detektoranordnung bekannt, der die oben genannten Nachteile vermeidet und die völlige Kompensa tion der Querempfindlichkeit für ein bestimmtes Störgas er möglicht. Hierzu weist der bekannte Gasanalysator außer einem Druck- oder Strömungssensor im Leitungsweg zwischen den hin tereinandergeschalteten Meßkammern der Zweischicht-Detektoranordnung noch einen zweiten Druck- oder Strömungssensor auf, mit dem die Druckschwankungen nur in der der Meßküvette am nächsten liegenden Meßkammer erfaßt werden. Das Sensorsignal dieses zweiten Druck- oder Strömungssensors wird mit einem einstellbaren Wichtungsfaktor gewichtet und anschließend zusammen mit dem Sensorsignal des anderen Druck- oder Strö mungssensors einem Differenzbildner zugeführt, dessen Aus gangssignal das von dem Quereinfluß eines bestimmten Stör gases befreite Meßergebnis darstellt.

Aus der DE 33 46 875 A1 ist ein nichtdispersiver Gasanalysa tor mit einer Zweischicht-Detektoranordnung, bestehend aus zwei hintereinanderliegenden Meßkammern, bekannt, welche auf grund von gas- und strahlungsundurchlässigen Abschirmungen unterschiedliche Querschnittsflächen in bezug auf die ein fallende Meßstrahlung aufweisen.

Aus der eingangs bereits erwähnten DE-AS 10 17 385 ist es bekannt, die Strahlungszerhackereinrichtung wahlweise in Strahlungsrichtung vor der Meßküvette oder zwischen dieser und der Zweischicht -Detektoranordnung anzuordnen.

Aus der DE 26 14 181 B2 ist es bekannt, bei einem nicht dispersiven Gasanalysator zur unterschiedlichen Modulation der Durchstrahlung einer Meßküvette und einer dazu parallelen Vergleichsküvette ein einziges rotierendes Blendenrad vor zusehen, das in einem zur Drehachse näheren inneren Bereich und einem äußeren Bereich unterschiedliche Blendenöffnungen enthält.

Aus der DE 35 29 482 A1 ist ein nichtdispersiver Gasanalysa tor bekannt, der eine von einer Meßstrahlung durchstrahlte Meßküvette, eine von einer Vergleichsstrahlung durchstrahlte Vergleichsküvette sowie eine die Meßstrahlung und die Ver gleichsstrahlung modulierende Strahlungszerhackereinrichtung aufweist. Der Meßküvette und der Vergleichsküvette ist je weils eine Zweischicht-Detektoranordnung mit hintereinander liegenden Meßkammern nachgeordnet, wobei die der Meßküvette bzw. Vergleichsküvette am nächsten liegenden Meßkammern untereinander und über eine Leitung mit einem darin ange ordneten Druck- oder Strömungssensor mit den beiden nach geordneten Meßkammern verbunden sind.

Weitere unterschiedliche nichtdispersive Gasanalysatoren sind aus der DE 44 05 881 A1 und aus "tm - Technisches Messen" 60 (1993) 11, Seiten 444-449 bekannt.

Nachteilig bei diesem bekannten Gasanalysator ist das Er fordernis zweier Druck- oder Strömungssensoren, die unter Um ständen ein unterschiedliches oder sich im Laufe der Zeit un terschiedlich veränderndes Meßverhalten aufweisen können, was schließlich zu Meßfehlern führen kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Gas analysator anzugeben, der eine Kompensation seiner Quer empfindlichkeit für ein vorgegebenes Störgas auf Null ermög licht und dabei lediglich einen Druck- oder Strömungssensor benötigt und im übrigen konstruktiv einfach aufgebaut ist.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch den in Anspruch 1 angegebenen, nichtdispersiven Gasanalysator gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Gasanaly sators sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Bei dem erfindungsgemäßen Gasanalysator wird durch die Ab schirmung zwischen einem Teil der der Meßküvette am nächsten liegenden ersten Detektorschicht und der nachgeordneten zwei ten Detektorschicht ein Einschicht-Detektor geschaffen, wäh rend der übrige Teil der ersten Detektorschicht zusammen mit der davon nicht abgeschirmten zweiten Detektorschicht einen Zweischicht-Detektor bildet. Die zur Modulation des in diesen Einschicht-Detektor fallenden Strahlungsteils dienende weite re Strahlungszerhackereinrichtung ist ebenso wie die zur Mo dulation der übrigen Strahlung durch den Zweischicht-Detektor dienende Strahlungszerhackereinrichtung im Bereich zwischen der Meßküvette und der Zweischicht-Detektoranordnung oder im Bereich vor dem Eintritt der Strahlung in die Meßküvette an geordnet, so daß beide Detektorschichten unmittelbar, also ohne Abstand, aneinander angrenzen können. Das Sensorsignal des Druck- oder Strömungssensors zwischen beiden Detektor schichten wird entsprechend den unterschiedlichen Modula tionen in einen Signalanteil des Einschicht-Detektors und einen Signalanteil des Zweischicht-Detektors aufgeteilt, wo bei einer der beiden Signalanteile durch einen einstellbaren Wichtungsfaktor gewichtet wird und anschließend beide Signal anteile miteinander verglichen werden. Um die Querempfind lichkeit des erfindungsgemäßen Gasanalysators gegenüber einer Störgaskomponente im Meßgas auf Null zu kompensieren, wird die Meßküvette zunächst mit dem Störgas gefüllt und die Wich tung des einen Signalanteils so eingestellt, daß beide Si gnalanteile gleich groß sind. Wird dann eine Gasanalyse mit Meßgas vorgenommen, das dieses Störgas als Komponente ent hält, so ist der Einfluß dieser Störgaskomponente auf das Meßergebnis auf Null reduziert.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im einzelnen zei gen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungs gemäßen Gasanalysators, die

Fig. 2 und 3 unterschiedliche Beispiele für ein Blenden rad zur Strahlungszerhackung,

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungs gemäßen Gasanalysators und

Fig. 5 eine Zweistrahl-Ausführung des erfindungsgemäßen Gasanalysators.

Fig. 1 zeigt einen nichtdispersiven Gasanalysator mit einer Infrarot-Strahlungsquelle 1 zur Erzeugung einer Meßstrahlung 2, die mittels eines Strahlungszerhackers 3 moduliert wird. Der Strahlungszerhacker 3 besteht aus einem Blendenrad 4, das, von einem Motor 5 angetrieben, mit einer vorgegebenen Drehzahl rotiert und da bei die Meßstrahlung 2 mit einer drehzahlabhängigen Frequenz un terbricht. Die modulierte Meßstrahlung 2 gelangt durch ein Eintrittsfenster 6 in eine Meßküvette 7, die über Anschlüsse 8 mit einem zu analysierenden Meßgas bzw. mit einem Kali brier- oder Eichgas füllbar ist. In der Meßküvette 7 findet je nach Art und Konzentration des darin enthaltenen Gases eine Vorabsorption der Meßstrahlung 2 statt. Die Meßstrahlung 2 verläßt die Meßküvette 7 durch ein Austrittsfenster 9 und fällt anschließend in eine Zweischicht-Detektoranordnung 10. Diese besteht aus zwei in Strahlungsrichtung hintereinander liegenden Detektorschichten 11 und 12 mit einer ersten gas gefüllten Meßkammer 13 und einer zweiten gasgefüllten Meß kammer 14. Die erste Meßkammer 13 weist auf ihrer der Meß küvette 7 zugewandten Seite ein Fenster 15 auf und ist gegen über der nachgeschalteten zweiten Meßkammer 14 durch ein wei teres Fenster 16 abgetrennt. Beide Meßkammern 13 und 14 sind über eine Leitung 17 miteinander verbunden, in der ein Druck- oder Strömungssensor 18 angeordnet ist, welcher Druckunter schiede zwischen beiden Meßkammern 13 und 14 in ein elektri sches Sensorsignal S umwandelt.

Zwischen einem Teil der ersten Detektorschicht 11, hier also der ersten Meßkammer 13, und der zweiten Detektorschicht 12 bzw. Meßkammer 14 ist eine strahlungsundurchlässige Abschir mung 19 angeordnet. Eine weitere strahlungsundurchlässige, aber gasdurchlässige Abschirmung 20 trennt den genannten Teil der ersten Detektorschicht 11 von deren übrigen Teil ab, so daß dieser Teil einen Einschicht-Detektor 21 bildet. In ihren nicht gegeneinander abgeschirmten Bereichen bilden die beiden Detektorschichten 11 und 12 bzw. Meßkammern 13 und 14 einen Zweischicht-Detektor 22.

Derjenige Strahlungsteil der Meßstrahlung 2, der in den Ein schicht-Detektor 21 fällt, wird im Vergleich zu dem übrigen, in den Zweischicht-Detektor 22 gelangenden Strahlungsteil un terschiedlich moduliert. Dazu enthält, wie die Fig. 2 und 3 zeigen, das Blendenrad 4 in seinem den Einschicht-Detektor 21 überstreichenden Bereich andere Blendenöffnungen 23 als in dem den Zweischicht-Detektor 22 überstreichenden Bereich. Das Blendenrad 4 bildet also für den in den Zweischicht-Detektor 22 gelangenden Strahlungsteil eine erste Strahlungszerhacker einrichtung 24 und für den in den Einschicht-Detektor 21 ge langenden Strahlungsteil eine zweite Strahlungszerhacker einrichtung 25, wobei je nach Anordnung und Ausbildung der Blendenöffnungen 23 in dem Blendenrad 4 die beiden Strah lungsteile mit unterschiedlicher Frequenz und/oder Phasenlage moduliert werden.

Im Falle des in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiels werden beide Strahlungsteile mit gleicher Frequenz, aber um 90° ver schobener Phasenlage moduliert.

Im Falle des Ausführungsbeispiels nach Fig. 3 wird der Strahlungsteil durch den Einschicht-Detektor 21 mit der dop pelten Frequenz des in den Zweischicht-Detektor 22 gelangen den Strahlungsteils moduliert.

Wie Fig. 1 zeigt, enthält auch die Meßküvette 7 eine strah lungsundurchlässige, aber gasdurchlässige Abschirmung 26, die in Strahlungsrichtung mit der Abschirmung 20 in der Meßkammer 13 fluchtet und so die unterschiedlich modulierten Strah lungsteile auch in der Meßküvette 7 voneinander trennt.

Das von dem Druck- oder Strömungssensor 18 gelieferte Sensor signal S wird in einer Verstärkerstufe 27 verstärkt und an schließend, in einer Diskriminatorschaltung 28 in einen von Druckschwankungen in dem Zweischicht-Detektor 22 verursachten Signalanteil S1 und einen von Druckschwankungen in dem Einschicht-Detektor 21 erzeugten Signalanteil S2 aufgeteilt. Dazu enthält die Diskriminatorschaltung 28 zwei phasengesteu erte Gleichrichter 29 und 30, von denen der Gleichrichter 29 mit einem Steuersignal St1 gesteuert wird, das bezüglich Fre quenz, und Phasenlage mit der Strahlungsmodulation durch die erste Strahlungszerhackereinrichtung 24 übereinstimmt; der Gleichrichter 30 wird mit einem Steuersignal St2 gesteuert, das in seiner Frequenz und Phasenlage mit der Strahlungsmodu lation durch die zweite Strahlungszerhackereinrichtung 25 übereinstimmt. Bei Verwendung des in Fig. 2 gezeigten Blendenrads 4 ergibt sich dabei das Steuersignal St2a und bei Verwendung des in Fig. 3 gezeigten Blendenrads 4 das Steuer signal St2b.

Der Signalanteil S2 wird mittels einer im Signalweg vor oder hinter dem Gleichrichter 30 liegenden Einrichtung 31 mit ei nem einstellbaren Wichtungsfaktor gewichtet. Beide Signal anteile S1 und S2 werden daraufhin in einer aus einem Diffe renzbildner bestehenden Auswerteschaltung 32 unter Bildung eines Ausgangssignals A voneinander subtrahiert.

Um die Querempfindlichkeit des Gasanalysators gegenüber einer in einem zu analysierenden Meßgas enthaltenen Störgaskompo nente zu kompensieren, wird die Meßküvette 7 zunächst mit dem Störgas gefüllt. Anschließend wird in der Einrichtung 31 der Wichtungsfaktor für den Signalanteil S2 so eingestellt, daß sich für das Ausgangssignal A der Wert Null ergibt. Damit ist bei einer nachfolgenden Analyse des Meßgases die Querempfind lichkeit des Gasanalysators gegenüber dem Störgas auf Null reduziert.

Fig. 4 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel des erfin dungsgemäßen Gasanalysators, das sich von dem Beispiel nach Fig. 1 lediglich dadurch unterscheidet, daß das Blendenrad 4 im Bereich zwischen der Meßküvette 7 und der Zweischicht-Detektoranordnung 10 angeordnet ist. Dabei kann die Abschir mung 26 (Fig. 1) in der Meßküvette 7 entfallen.

Bei den gezeigten Ausführungsbeispielen wird auf konstruktiv besonders einfache Weise durch Einbau der Abschirmungen 19 und 20 in die Meßkammer 13 einer herkömmlichen Zweischicht-Detektoranordnung 10 diese in einen Einschicht-Detektor 21 und einen Zweischicht-Detektor 22 aufgeteilt. Es ist auch möglich, den Einschicht-Detektor als separate Meßkammer auszubilden, die über eine Verbindungsleitung mit der - in Strahlungsrichtung ge sehen - ersten Meßkammer eines aus zwei hintereinanderliegen den Meßkammern bestehenden Zweischicht-Detektors verbunden ist.

Fig. 5 zeigt ein nach dem Zweistrahl-Prinzip arbeitendes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gasanalysators. Die von der Infrarot-Strahlungsquelle 1 ausgehende Strahlung wird mittels eines Strahlungsteilers 33 in die in die Meßküvette 7 eingeleitete Meßstrahlung 2 und eine in eine dazu parallel angeordnete Vergleichsküvette 34 eingeleitete Vergleichs strahlung 35 aufgeteilt. Der mit einem Vergleichsgas gefüll ten Vergleichsküvette 34 ist eine weitere Zweischicht-Detektoranordnung 36 nachgeordnet, die ebenso wie die der Meß küvette 7 nachgeordnete Zweischicht-Detektoranordnung 10 aus zwei in Strahlungsrichtung hintereinanderliegenden Detektor schichten 37, 38 mit Meßkammern 39, 40 besteht. Die Meßkam mern 39, 40 sind in der Weise an der Leitung 17 angeschlos sen, daß der Druck- oder Strömungssensor 18 nicht nur zwi schen der ersten und zweiten Meßkammer 13, 14 der Zwei schicht-Detektoranordnung 10, sondern auch zwischen der ersten und zweiten Meßkammer 39, 40 der weiteren Zweischicht-Detektoranordnung 36 liegt. Das Blendenrad 4 ist derart an geordnet, daß es sowohl die Meßstrahlung 2 als auch die Ver gleichsstrahlung 35 moduliert, wobei derjenige Teil der er sten Detektorschicht 37 der weiteren Zweischicht-Detektoranordnung 36, in den der von der weiteren Strahlungs zerhackereinrichtung 25 (vgl. Fig. 2, 3) modulierte Strahlungsteil der Vergleichsstrahlung fällt, in gleicher Weise durch Abschirmungen 41, 42 gegenüber der dahinter liegenden zweiten Detektorschicht 38 bzw. dem übrigen Teil der ersten Detektorschicht 37 abgeschirmt ist, wie dies bei der Zweischicht-Detektoranordnung 10 der Fall ist.

Claims

1. Nichtdispersiver Gasanalysator

- mit einer mit Meßgas füllbaren und von einer Meßstrahlung (2) durchstrahlten Meßküvette (7),
- mit einer der Meßküvette (7) nachgeordneten Zweischicht-Detektoranordnung (10), bestehend aus zwei in Strahlungs richtung hintereinanderliegenden Detektorschichten (11, 12) mit gasgefüllten Meßkammern (13, 14), die über eine Leitung (17) mit einem darin angeordneten Druck- oder Strömungs sensor (18) miteinander verbunden sind,
- mit einer Strahlungszerhackereinrichtung (24) zur Modulie rung der beide Detektorschichten (11, 12) durchdringenden Meßstrahlung (2),
- mit einer weiteren Strahlungszerhackereinrichtung (25) zur Modulierung eines lediglich eine der Detektorschichten (11, 12) durchdringenden Strahlungsteils mit einer im Vergleich zur Modulation der Meßstrahlung (2) durch beide Detektor schichten (11, 12) unterschiedlichen Frequenz und/oder Pha senlage,
- mit einer dem Druck- oder Strömungssensor (18) nachgeordne ten Diskriminatorschaltung (28) zur Aufteilung des Sensor signals (S) in zwei entsprechend den beiden verschiedenen Modulationen unterschiedliche Signalanteile (S1, S2) und
- mit einer der Diskriminatorschaltung (28) nachgeordneten Auswerteschaltung (32) zur Erzeugung eines Ausgangssignals (A) in Abhängigkeit von dem Unterschied der beiden Signal anteile (S1, S2),

dadurch gekennzeichnet,

- daß beide Strahlungszerhackereinrichtungen (24, 25) gemein sam in einem in Strahlungsrichtung vor der Zweischicht-Detektoranordnung (10) liegenden Bereich angeordnet sind,
- daß derjenige Teil der der Meßküvette (7) am nächsten lie genden ersten Detektorschicht (11), in den der von der wei teren Strahlungszerhackereinrichtung (25) modulierte Strah lungsteil fällt, und der entsprechende Teil der dahinterliegenden zweiten Detektor schicht (12) - gegeneinander strahlungsundurchlässig abge schirmt sind und
- daß Mittel (Einrichtung 31) zur einstellbaren Wichtung einer der beiden Signalanteile (S1, S2) vorhanden sind.

2. Nichtdispersiver Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gegenüber der zweiten Detektor schicht (12) abgeschirmte Teil der ersten Detektorschicht (11) zusätzlich gegenüber dem übrigen Teil der ersten Detek torschicht (11) strahlungsundurchlässig abgeschirmt ist.

3. Nichtdispersiver Gasanalysator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teile der ersten Detek torschicht aus zwei über eine Leitung miteinander verbundenen separaten Meßkammern bestehen.

4. Nichtdispersiver Gasanalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß beide Strahlungs zerhackereinrichtungen (24, 25) in einem in Strahlungsrich tung vor der Meßküvette (7) liegenden Bereich angeordnet sind.

5. Nichtdispersiver Gasanalysator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß derjenige Teil der Meßküvette (7), der von dem von der weiteren Strahlungszerhackereinrichtung (25) modulierten Strahlungsteil durchdrungen wird, gegenüber dem übrigen Teil der Meßküvette (7) strahlungsundurchlässig abgeschirmt ist.

6. Nichtdispersiver Gasanalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnete daß beide Strahlungs zerhackereinrichtungen (24, 25) zwischen der Meßküvette (7) und der Zweischicht-Detektoranordnung (10) angeordnet sind.

7. Nichtdispersiver Gasanalysator nach einem der vorangehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Strahlungszerhackereinrichtungen (24, 25) aus einem einzigen rotierenden Blendenrad (4) bestehen, das in einem zur Dreh achse näheren inneren Bereich und einem äußeren Bereich un terschiedliche Blendenöffnungen (23) enthält.

8. Nichtdispersiver Gasanalysator nach einem der vorangehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine von einer Ver gleichsstrahlung (35) durchstrahlte und mit einem Vergleichs gas gefüllte Vergleichsküvette (34) und eine dieser nachge ordnete weitere Zweischicht-Detektoranordnung (36) in einer solchen Anordnung vorgesehen sind, daß die beiden Strahlungszerhackereinrich tungen (24, 25) auch die Vergleichsstrahlung (35) modulieren, wobei die weitere Zweischicht-Detektoranordnung (36) ebenfalls aus zwei in Strahlungsrichtung hintereinanderliegenden Detektorschich ten (37, 38) mit gasgefüllten Meßkammern (39, 40) besteht, die auf unterschiedlichen Seiten des Druck- oder Strömungs sensors (18) an der Leitung (17) angeschlossen sind, und daß derjenige Teil der der Vergleichsküvette (34) am näch sten liegenden ersten Detektorschicht (37) der weiteren Zwei schicht-Detektoranordnung (36), in den der von der weiteren Strahlungszerhackereinrichtung (25) modulierte Strahlungsteil der Vergleichsstrahlung (35) fällt, und der entsprechende Teil der dahinterliegenden zweiten Detektorschicht (38) gegeneinander strahlungsundurch lässig abgeschirmt sind.