DE19723941C2 - Optisch-pneumatischer Detektor für nichtdispersive Gasanalysatoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen optisch-pneumatischen Detektor für nichtdispersive Gasanalysatoren.

Aus der DE 33 21 360 A1 ist ein optisch- pneumatischer Detektor als Bestandteil eines nichtdispersiven Gasanalysators bekannt bei dem eine mittels einer Strahlungs­ zerhackereinrichtung modulierte Infrarotstrahlung durch eine Meßküvette, die mit einem aus unterschiedlichen Gaskomponen­ ten bestehenden, zu analysierenden Meßgas gefüllt ist, in den Detektor geleitet wird. Dieser besteht aus zwei in Strah­ lungsrichtung hintereinanderliegenden, strahlungsdurchlässi­ gen Detektorkammern, die über eine Leitung mit einem darin befindlichen druck- oder strömungsempfindlichen Sensor ver­ bunden sind und mit der zu bestimmenden Gaskomponente oder einem Ersatzgas, in reiner Form oder mit einem nichtabsorbie­ renden Inertgas gemischt, gefüllt sind. Die in die Detektor­ kammern fallende modulierte Strahlung bewirkt dort durch Absorption Druckschwankungen, deren Höhe von der meßgas­ spezifischen Vorabsorption der Strahlung in der Meßküvette abhängig ist. Während in der Gasschicht der ersten Detektor­ kammer die Strahlung der Mitte und der Flanken der Absorp­ tionslinie der zu bestimmenden Gaskomponente absorbiert wird, wird in der dahinterliegenden Gasschicht der zweiten De­ tektorkammer im wesentlichen die Strahlung der Linienflanken absorbiert, so daß zwischen den beiden Detektorkammern Druck­ differenzen entstehen, die von dem Sensor erfaßt werden.

Außer der Meßküvette kann zwischen der Strahlungszerhacker­ einrichtung und dem Detektor zusätzlich eine mit Inertgas ge­ füllte Vergleichsküvette vorgesehen sein, die gegenüber der Meßküvette gegenphasig durchstrahlt wird.

Ferner können die jeweils im Strahlengang unmittelbar hinter der Meßküvette liegenden Bereiche der beiden Detektorkammern und die jeweils im Strahlengang hinter der Vergleichsküvette liegenden Bereiche als voneinander getrennte Gasräume aus­ gebildet sein.

Um bei dem bekannten Detektor die Querempfindlichkeit gegen­ über Störgasen in dem Meßgas minimieren zu können, weist die zweite, hintere Detektorkammer ein rückwärtiges Fenster auf, hinter dem ein verschiebbarer Graukeil und eine Reflexions­ einrichtung angeordnet sind. Dadurch wird ein durch den Grau­ keil einstellbarer Anteil der die hintere Detektorkammer ver­ lassenden Strahlung in diese Detektorkammer zurückgestrahlt, so daß auf diese Weise die Strahlungsabsorption in der zwei­ ten Detektorkammer einstellbar und damit der Detektor im Sinne einer Verringerung der Querempfindlichkeit gegenüber bestimmten Störgasen abgleichbar ist.

Der gleiche Effekt wird bei einem aus der EP 0 213 304 A1 bekannten optisch-pneumatischen Detektor dadurch erreicht, daß der zweiten Detektorkammer mit dem rückwärtigen Fenster eine dritte strahlungsdurchlässige Kammer nachgeordnet ist, die mit der zweiten Detektorkammer gasleitend verbunden ist; zwischen der zweiten Detektorkammer und der dritten Kammer ist eine verstellbare Blende zur Einstellung des in die dritte Kammer gelangenden Strahlungsanteils angeordnet.

Bei einem aus der DE-AS 15 98 893 bekannten Gasanalysator mit opto-pneumatischem Detektor wird mittels einer steuerbaren Energiequelle in Form einer Strahlungsquelle eine Hilfsstrah­ lung in die hintere der beiden Detektorkammern eingeleitet, wobei die Hilfsstrahlung mit derselben Frequenz moduliert ist, wie die eigentliche Infrarot-Meßstrahlung. Damit wird die gleiche Wirkung erzielt, wie bei dem vorstehend angegebe­ nen bekannten Detektor.

Auch bei einem aus der JP-59-114441 A bekannten Gasanalysator wird eine synchron zur Meßstrahlung modulierte Hilfsstrahlung in die hintere der beiden Detektorkammern eingeleitet.

Bei einem aus der DE 24 00 221 B2 kannten Gasanalysator mit opto-pneumatischem Detektor werden zum Nullpunkt-Abgleich dienende Druckimpulse unmittelbar in einer oder beiden Detek­ torkammern durch elektro-pneumatische Druckgeber erzeugt, wo­ bei die Erzeugung der zusätzlichen Druckimpulse wiederum syn­ chron zu der Modulation der Meßstrahlung erfolgt.

Aus der DE-OS 17 73 843 und der DE-OS 21 31 863 ist jeweils ein Gasanalysator bekannt, bei dem der Detektor einen strö­ mungsempfindlichen Sensor enthält und die damit erfaßte Strö­ mung durch einen Heizwiderstand im Sinne eines Abgleichs des Detektors beeinflußbar ist.

Schließlich ist aus der DE 43 02 385 A1 ein Kalibrierungsver­ fahren für einen Gasanalysator mit einem Meßkanal und einem nachgeordneten Detektor bekannt, bei dem der Meßkanal durch ein außen anliegendes Widerstandsheizelement erwärmt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Absorptionsvermögen der von dem Infrarotstrahler des Gasanalysators entfernteren Detektorkammer zu verringern.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Während bei den bekannten Detektoren ein Abgleich dadurch erfolgt, daß der Anteil der in der zweiten Detektorkammer absorbierten Strahlung einstellbar ist, wird bei dem erfin­ dungsgemäßen Detektor das Absorptionsvermögen der Detektor­ kammern über die darin jeweils herrschende Gasdichte ein­ gestellt. Dies erfolgt durch Einleitung zusätzlicher Energie in die hintere der beiden Detektorkammern, so daß sich darin die mittlere Temperatur erhöht und dementsprechend die Gas­ dichte verringert. Auf diese Weise wird das Absorptionsver­ mögen der betreffenden Detektorkammer in bezug auf in sie einfallende Strahlung verringert.

Die Energiequelle kann eine außerhalb der Detektorkammern angeordnete Strahlungsquelle sein, wobei die zur Energie­ einleitung vorgesehene hintere Detektorkammer ein der Strah­ lungsquelle gegenüberliegendes Fenster aufweist. Um zu errei­ chen, daß die von der Strahlungsquelle abgegebene Energie bei den hintereinanderliegenden Detektorkammern weitestgehend in der zur Energieeinleitung vorgesehenen hinteren Detektorkammer absorbiert wird und nicht in die andere Detektorkammer gelangt, ist vor­ zugsweise zwischen dem Fenster der betreffenden Detektor­ kammer und der Strahlungsquelle ein Diffusor angeordnet, der die Strahlungsenergie diffus in diese Kammer einleitet.

Ein besonders einfacher Aufbau des erfindungsgemäßen Detek­ tors ergibt sich durch die Verwendung eines Heizelements als Energiequelle, das entweder in der zur Energieeinleitung vor­ gesehenen hinteren Detektorkammer angeordnet ist oder außen mit der betreffenden Detektorkammer wärmeleitend verbunden ist.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im folgenden auf die Zeichnung Bezug genommen, die in den Fig. 1 bis 4 unterschiedliche Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Detektors zeigt.

Fig. 1 zeigt einen optisch-pneumatischen Detektor 1 als Be­ standteil eines nichtdispersiven Infrarot-(NDIR-)Gasanalysa­ tors 2. Der Gasanalysator 2 enthält einen Infrarotstrahler 3, dessen Strahlung mittels einer Strahlungszerhackereinrich­ tung 4 in Form eines rotierenden Blendenrads moduliert wird und nach Durchstrahlung einer mit einem zu analysierenden Meßgas gefüllten Meßküvette 5 in den Detektor 1 eintritt. Der Detektor 1 besteht aus zwei in Strahlungsrichtung hinter­ einanderliegenden Detektorkammern 6 und 7, die ein der je­ weils nachzuweisenden Gaskomponente in dem Meßgas entspre­ chendes Füllgas in reiner Form oder zusammen mit einem nicht­ absorbierenden Inertgas enthalten. Die Detektorkammern 6 und 7 sind über eine Leitung 8 miteinander verbunden, in der ein strömungsempfindlicher Sensor 9 angeordnet ist. Die quer zur Strahlungsrichtung liegenden Stirnseiten der Detektorkammern 6 und 7 sind als strahlungsdurchlässige Fenster 10 und 11 ausgebildet, wobei die hintere, zweite Detektorkammer 7 auch ein rückwärtiges Fenster 12 aufweist. Gegenüber dem rückwärtigen Fenster 12 liegt außerhalb der Detektorkammer 7 eine Energiequelle in Form einer Strahlungs­ quelle 13, deren Energieabgabe durch eine Steuereinrichtung 14 einstellbar ist. Zwischen der Strahlungsquelle 13 und dem Fenster 12 ist ein als Reflexions-Element ausgebildeter Dif­ fusor 15 angeordnet, der die von der Strahlungsquelle 13 abgegebene Energie als diffuse Strahlung in die zweite De­ tektorkammer 7 einleitet.

Die in die Detektorkammern 6 und 7 fallende modulierte Strah­ lung des Infrarotstrahlers 3 bewirkt dort durch Absorption Druckschwankungen, deren Höhe von der meßgasspezifischen Vorabsorption der Strahlung in der Meßküvette 5 abhängig ist. Während in der Gasschicht der ersten Detektorkammer 6 die Strahlung der Mitte und der Flanken der Absorptionslinie der zu bestimmenden Gaskomponente absorbiert wird, wird in der dahinterliegenden Gasschicht der zweiten Detektorkammer 7 im wesentlichen die Strahlung der Linienflanken absorbiert, so daß zwischen den beiden Detektorkammern 6 und 7 Druckdiffe­ renzen entstehen, deren Auswirkungen von dem Sensor 9 als Gasströmungen erfaßt werden. Die von der Strahlungsquelle 13 abgegebene und in die zweite Detek­ torkammer 7 eingeleitete Energie bewirkt dort durch Absorp­ tion eine Erhöhung der mittleren Temperatur des Füllgases, wodurch die Gasdichte und damit das Absorptionsvermögen der zweiten Detektorkammer 7 in bezug auf die von dem Infrarot­ strahler 3 kommende Strahlung verringert wird. Durch die Steuerung des Energieeintrags in die zweite Detektorkammer 7 mittels der Steuereinrichtung 14 läßt sich somit der Detek­ tor 1 im Sinne einer Minimierung seiner Querempfindlichkeit gegenüber Störgasen in dem Meßgas abgleichen.

Der durch die Verringerung des Absorptionsvermögens der zweiten Detektorkammer 7 hervorgerufene Abgleicheffekt wird noch dadurch unterstützt, daß aufgrund der strö­ mungsleitenden Verbindung (Leitung 8) zwischen den beiden Detektorkammern 6 und 7 die Gasdichte und damit das Absorptions­ vermögen in der ersten Detektorkammer 6 in dem Maße gestei­ gert wird, wie sie in der zweiten Detektorkammer 7 ver­ ringert wird. Durch die diffuse Einleitung der Energie der Strahlungsquelle 13 in die zweite Detektorkammer 7 wird er­ reicht, daß diese Energie vorwiegend in der zweiten Detektor­ kammer 7 absorbiert wird und möglichst wenig davon bis in die erste Detektorkammer 6 gelangt. Hierzu kann das Fenster 12 beispielsweise auch in einer Seitenwand der Detektorkammer 7 angeordnet werden.

Das in Fig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel des Detektors unterscheidet sich von dem Beispiel nach Fig. 1 durch das Fehlen des rückwärtigen Fensters 12 der Detektorkammer 7 und dadurch, daß anstelle der Strahlungs­ quelle 13 ein Heizelement 16 vorgesehen ist, das an der Außenwand der zweiten Detektorkammer 7 anliegt. Um die Energieeinleitung in die zweite Detektorkammer 7 zu ver­ bessern und eine Aufheizung des gesamten Detektors zu ver­ hindern, ist die Außenwand der zweiten Detektorkammer 7 an der Stelle, an der das Heizelement 16 anliegt, dünner aus­ gebildet. In diesem Zusammenhang ist es auch möglich, das Heizelement 16 innerhalb der Außenwand der zweiten Detektor­ kammer 7 anzuordnen und/oder Wärmeleitelemente 17 vorzusehen, die im Inneren der zweiten Detektorkammer 7 angeordnet sind und mit deren Wand im Bereich des Heizelements 16 wärme­ leitend verbunden sind.

Bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Heizelement 16 direkt im Inneren der zweiten Detektorkammer 7 angeordnet, wozu allerdings elektrische Durchführungen in der Wand der Detektorkammer 7 erforderlich sind.

Entscheidend für den Abgleich des optisch-pneumatischen Detektors ist die Einstellung einer Differenz zwischen dem Absorptionsvermögen der Detektorkammern. Es ist daher mög­ lich, das Absorptionsvermögen nicht nur - wie in den Fig. 1 bis 3 gezeigt - einer Detektorkammer, sondern beider Detektorkammern, dann aber unterschiedlich, zu beeinflussen.

Fig. 4 zeigt eine für einen nach dem Zweistrahl-Prinzip arbeitenden Gasanalysator vorgesehene Detektoranordnung mit zwei in einem Meßstrahlengang 20 hintereinander angeordneten Detektorkammern 21 und 22 und zwei in einem Vergleichs­ strahlengang 23 hintereinander angeordneten Detektorkammern 24 und 25. Die Detektorkammern 21 und 24 sind über eine Lei­ tung 26 und die Detektorkammern 22 und 25 über eine Leitung 27 miteinander verbunden. In einer zwischen den Leitungen 26 und 27 liegenden Querverbindung 28 ist ein strö­ mungsempfindlicher Sensor 29 angeordnet. Die beiden hinteren Detektorkammern 22 und 25 weisen jeweils ein rückwärtiges Fenster 30 bzw. 31 auf, durch die über einen Diffusor 32 die Energie einer Strahlungsquelle 33 bzw. einer weiteren Strah­ lungsquelle 34 diffus eingeleitet wird. Das Verhältnis der von den beiden Strahlungsquellen 33 und 34 jeweils abgegebe­ nen Energien wird mittels einer Steuereinrichtung 35 ein­ gestellt.

Claims (5)

1. Optisch-pneumatischer Detektor für nichtdispersive Gas­ analysatoren mit zwei hintereinanderliegenden gasgefüllten Detektorkammern, die über eine Leitung mit einem darin ange­ ordneten strömungsempfindlichen Sensor verbunden sind, und mit einer steuerbaren Energiequelle, deren Energie in die von dem Infrarotstrahler des Gasanalysators entferntere Detektor­ kammer einleitbar ist, wobei die steuerbare Energiequelle (Strahlungsquelle 13, Heizelement 16) zur Einstellung einer geringeren Gasdichte in der von dem Infrarotstrahler (3) des Gasanalysators (2) entfernteren Detektorkammer (7; 22, 25) durch Erhöhung der mittleren Temperatur in dieser Detektor­ kammer (7; 22, 25) ausgebildet ist.

2. Optisch-pneumatischer Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiequelle eine außerhalb der von dem Infrarotstrahler (3) des Gasanalysators (2) entfern­ teren Detektorkammer (7; 22, 25) angeordnete Strahlungsquelle (13) ist und daß diese Detektorkammer (7; 22, 25) ein der Strahlungsquelle (13) gegenüberliegendes Fenster (12; 30, 31) aufweist.

3. Optisch-pneumatischer Detektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Strahlungsquelle (13) und dem Fenster (12; 30, 31) ein Diffusor (15; 32) angeordnet ist.

4. Optisch-pneumatischer Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiequelle ein Heizelement (16) ist, das in der von dem Infrarotstrahler (3) des Gas­ analysators (2) entfernteren Detektorkammer (7) angeordnet ist.

5. Optisch-pneumatischer Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiequelle ein Heizelement (16) ist, das außen mit der von dem Infrarotstrahler (3) des Gasanalysators (2) entfernteren Detektorkammer (7) wärme­ leitend verbunden ist.