DE19732470C2

DE19732470C2 - Nichtdispersiver Infrarot-Gasanalysator

Info

Publication number: DE19732470C2
Application number: DE19732470A
Authority: DE
Inventors: Ludwig Kimmig; Peter Krause; Michael Ludwig; Karlheinz Schmidt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1997-07-28
Filing date: 1997-07-28
Publication date: 1999-11-18
Anticipated expiration: 2017-07-29
Also published as: US6166383A; DE19732470A1

Description

Aus der DE-PS 967 633 ist ein nichtdispersiver Infrarot-Gas analysator zur Bestimmung der Konzentrationen von Kohlen dioxid und Kohlenmonoxid in einem Meßgas bekannt. Der nach dem Zweistrahl-Prinzip arbeitende Gasanalysator weist in jedem Strahlengang jeweils eine mit dem Meßgas gefüllte und von einer Infrarotstrahlung durchstrahlte, erste Meßküvette auf, auf die in Strahlungsrichtung nacheinander ein Kohlen monoxid enthaltender, optopneumatischer Detektor, eine mit dem Meßgas gefüllte, zweite Meßküvette und ein Kohlendioxid enthaltender, optopneumatischer Detektor folgen.

Bei einem aus der DE 39 37 141 A1 bekannten, nichtdispersiven Infrarot-Gasanalysator zur Bestimmung von Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Methan sind im Strahlengang hinter der Meßküvette nacheinander optopneumatische Detektoren mit dazwischenliegenden Strahlungsfiltern angeordnet, wobei der unmittelbar hinter der Meßküvette liegende Detektor mit Kohlenmonoxid, der nächste Detektor mit Kohlendioxid und der letzte Detektor mit Methan gefüllt ist.

Ein gleichermaßen aus der DE 25 05 006 C3 und der US 3,898,642 bekannter, nichtdispersiver Infrarot-Gas analysator weist in Strahlungsrichtung hinter der Meßküvette optopneumatische Detektoren auf, die nacheinander mit Kohlen monoxid, Kohlenwasserstoff, Stickoxid und Wasserdampf gefüllt sind.

Aus der DE 44 41 023 A1 ist es bekannt, bei einem nicht dispersiven Infrarot-Gasanalysator die aus der Meßküvette austretende Strahlung mit Hilfe eines Strahlungsteilers in einen reflektierten und einen transmittierten Teilstrahl auf zuteilen, wobei der reflektierte Teilstrahl einem Detektor für eine bestimmte Gaskomponente und der transmittierte Teil strahl einem anderen Detektor für eine andere Gaskomponente oder einem weiteren Strahlungsteiler zugeführt wird. Der Strahlungsteiler kann als optisches Filter für den trans mittierten Teilstrahl ausgebildet sein. Außerdem kann der Strahlungsteiler in einer Gasfilterzelle angeordnet sein, die mit einem Störgas gefüllt ist.

Bei einem ähnlichen, aus der DE 196 01 873 A1 bekannten Infrarot-Gasanalysator wird ein Infrarotstrahl mittels eines Strahlungsteilers in zwei Teilstrahlen aufgeteilt, die durch zwei unterschiedliche, mit dem Meßgas gefüllte Meßküvetten geleitet werden und nach Austritt aus den Meßküvetten über weitere Strahlungsteiler unterschiedlichen Detektoren für unterschiedliche Gaskomponenten zugeführt werden. Die Strah lungsteiler sind dabei als optische Filter für den jeweils transmittierten Teilstrahl ausgebildet.

Ein aus der DE 44 03 763 A1 bekannter Infrarot-Gasanalysator weist zum Bestimmen der Konzentrationen mehrerer Komponenten, wie Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe, in einem Meßgas einen einzigen optopneumatischen Detektor auf, der mit allen zu analysierenden Komponenten gefüllt ist. In den Strahlengang der das Meßgas enthaltenden Meßküvette wer den zyklisch Filter geschaltet, in deren Durchlaßbereichen jeweils ein Absorptionsbereich einer Komponente liegt. Aus dem sich zeitlich ändernden Ausgangssignal des Detektors werden im Rahmen einer Signalauswertung die den einzelnen Komponenten zuzuordnenden Signalanteile in Abhängigkeit von der Reihenfolge, in der die Filter in den Strahlengang ge schaltet werden, ermittelt.

Bei den oben erwähnten, bekannten Gasanalysatoren wird die Signalauswertung dadurch erschwert, daß die einzelnen Kompo nenten in dem Meßgas die Infrarot-Meßstrahlung nicht nur in unterschiedlichen Absorptionsbereichen, sondern darin auch unterschiedlich stark absorbieren. Dem wird bei einem aus der DE 44 29 010 A1 bekannten, nichtdispersiven Infrarot-Gasanaly sator insoweit Rechnung getragen, als das Meßgas durch unter schiedlich lange Meßküvetten geleitet wird, denen jeweils ein optopneumatischer Detektor nachgeordnet ist. Jeder Detektor enthält jeweils eine der zu analysierenden Komponenten, wobei die Länge der zugeordneten Meßküvette in bezug auf die Detek tion dieser Komponente in dem Meßgas optimal ausgelegt ist. Zur Durchstrahlung der parallelen Meßküvetten wird ein Infra rot-Strahler nacheinander an jeder Meßküvette vorbeigeführt, so daß der Aufbau des Gasanalysators vergleichsweise auf wendig ist. Eine gleichzeitige Durchstrahlung aller Meß küvetten kommt deswegen nicht in Betracht, weil dann jede Meßküvette nur noch einen für die Detektion nicht mehr aus reichenden Bruchteil der Gesamtstrahlung erhalten würde.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Infrarot- Gasanalysator zum Bestimmen der Konzentrationen von Kohlen dioxid, Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffen und Stickoxiden in einem Meßgas die Detektionseigenschaften in bezug auf das unterschiedliche Absorptionsvermögen der einzelnen Komponen ten zu optimieren, wobei der Aufbau des Gasanalysators so einfach wie möglich sein soll.

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

Vorteilhafte Weiterbildungen des nichtdispersiven Infrarot- Gasanalysators sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

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

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gas analysators zur Bestimmung von Kohlendioxid, Kohlen monoxid, Kohlenwasserstoffen und Stickoxiden in einem Meßgas und

Fig. 2 eine alternative Anordnung von Detektoren zum Be stimmen der Kohlenwasserstoffe und Stickoxide.

Fig. 1 zeigt einen nichtdispersiven Infrarot-Gasanalysator mit einer Infrarot-Strahlungsquelle 1, deren Strahlung mit tels eines Blendenrades 2 moduliert wird. Die modulierte Infrarot-Meßstrahlung 3 gelangt durch eine erste Meßküvette 4 in zwei hintereinanderliegende optopneumatische Detektoren 22 und 23. Die optopneumatischen Detektoren 22 und 23 sind strahlungs durchlässig ausgebildet, so daß die modulierte Infrarot-Meßstrahlung 3 nach Durchstrahlung einer hinter dem Detektor 23 liegenden zweiten Meßküvette 6 zu zwei weiteren Detektoren 7 und 8 gelangt, die an der zweiten Meßküvette 6, hier in ihrem End bereich, angeordnet sind.

Durch die beiden Meßküvetten 4 und 6 wird ein zu analysieren des Meßgas 9 geleitet, bei dem es sich hier um ein Abgas mit den zu analysierenden Komponenten Kohlendioxid, Kohlen monoxid, Stickoxide und Kohlenwasserstoffe handelt. Die bei den Meßküvetten 4 und 6 sind hierzu ein- und auslaßseitig entweder parallel oder in Reihe geschaltet. Der optopneuma tische Detektor 22 dient zur Detektion der Kohlendioxid anteile in dem Meßgas 9 und ist dementsprechend mit Kohlen dioxid gefüllt. Der nachfolgende optopneumatische Detektor 23 dient zur Detektion der Kohlenmonoxidanteile und ist daher mit Kohlenmonoxid gefüllt. Die beiden Detektoren 7 und 8, die hier ebenfalls als optopneumatische Detektoren aufgebaut sind, dienen zur Detektion der Kohlenwasserstoff- bzw. Stick oxidanteile in dem Meßgas 9 und sind dementsprechend mit Kohlenwasserstoff bzw. Stickoxid oder geeigneten Ersatzgasen gefüllt. Die Detektoren 7 und 8 können auch mit Gasgemischen, im Falle der Kohlenwasserstoffe beispielsweise mit Methan und Hexan, gefüllt sein, so daß je nach Anwendungsfall mit ein und demselben Detektor unter Zugrundelegung zuvor ermittelter unterschiedlicher Kennlinien entweder der Methan- oder der Hexananteil im Meßgas 9 ermittelt werden kann. Für die gleichzeitige Detektion unterschiedlicher Kohlenwasserstoffe, z. B. Methan und Hexan, bzw. unterschiedlicher Stickoxide, z. B. Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid, können weitere, hier gestrichelt angedeutete Detektoren 10, 11 an der zweiten Meßküvette 6 vorgesehen werden. Anstelle der optopneumati schen Detektoren 7, 8, 10 und 11 können auch nach anderen Meßprinzipien arbeitende Detektoren verwendet werden.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel enthält die zweite Meß küvette 6 in ihrem Endbereich ein quer zur Strahlungsrichtung liegendes Fenster 12, hinter dem der Detektor 7 angeordnet ist, und ein längs zur Strahlungsrichtung liegendes Fenster 13, hinter dem der Detektor 8 angeordnet ist. Die in den Detektor 8 einfallende Strahlungsmenge ist überraschend hoch und liegt etwa in der gleichen Größenordnung wie die in den Detektor 7 einfallende Strahlungsmenge. Als Grund hierfür kann die hohe Strahlungsreflexion an der Innenwand der zwei ten Meßküvette 6 angenommen werden. Die weiteren Detektoren 10 und 11 sind hier ebenfalls hinter längs zur Strahlungs richtung liegenden Fenstern 14 und 15 der zweiten Meßküvette 6 angeordnet, wobei der Abstand der Detektoren 8, 10 und 11 zu der Stelle, an der die modulierte Infrarot-Meßstrahlung 3 in die zweite Meß küvette 6 eintritt, im Hinblick auf die jeweils zu analysie rende Komponente indem Meßgas 9 und ihr Absorptionsvermögen unterschiedlich gewählt werden kann. Da sich die Absorptions bereiche einzelner zu detektierender Komponenten in dem Meß gas 9 teilweise überlappen können, können die einzelnen Fen ster 12 bis 15 sowie das Austrittsfenster 16 der ersten Meß küvette 4 bzw. das Eintrittsfenster 17 der zweiten Meßküvette 6 je nach Anforderung als optische Strahlungsfilter ausge bildet werden, um so die Selektivität des Gasanalysators zu erhöhen.

Jeder der Detektoren 22, 23, 7, 8, 10 und 11 besteht in be kannter Weise aus zwei hintereinanderliegenden strahlungs durchlässigen Detektorkammern, z. B. Detektorkammern 18 und 19, die über eine Leitung 20 mit einem darin angeordneten und ein Detektorsignal abge benden druck- oder strömungsempfindlichen Sensor 21 verbunden sind. Wegen des hohen Absorptionsvermögens von Kohlendioxid bzw. Kohlenmonoxid ist die erste Meßküvette 4 mit größen ordnungsmäßig 5 mm relativ kurz, während die dahinterliegende zweite Meßküvette 6 ein Vielfaches dieser Länge, z. B. 60 mm, aufweist. Durch die gewählte Anordnung der mit den unter schiedlichen Komponenten gefüllten Detektoren 22, 23, 7, 8, 10 und 11 wird verhindert, daß sich diese mit ihren Absorp tionsbereichen gegenseitig beeinflussen.

Die jeweils in die Detektoren, z. B. Detektor 22, fallende modulierte Infrarot-Meßstrahlung 3 bewirkt dort durch Absorption Druckschwankungen, deren Höhe von der meßgasspezifischen Vorabsorption der modulierten Infrarot-Meßstrahlung 3 in den jeweils vorgeordneten Meßküvetten 4 und 6 abhängig ist. Während in der Gasschicht der jeweils ersten Detektorkammer 18 die Strahlung der Mitte und der Flanken der Absorptions linie der jeweils zu bestimmenden Gaskomponente absorbiert wird, wird in der dahinterliegenden Gasschicht der zweiten Detektorkammer 19 im wesentlichen die Strahlung der Linien flanken absorbiert, so daß zwischen beiden Detektorkammern 18 und 19 Druckdifferenzen entstehen, die von dem Sensor 21 er faßt werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 weist der Endbereich der zweiten Meßküvette 6 zwei schräg zur Strahlungsrichtung liegende Fenster 24 und 25 auf, hinter denen die Detektoren 7 und 8 angeordnet sind.

Claims

1. Nichtdispersiver Infrarot-Gasanalysator zur Bestimmung der Konzentrationen von Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Kohlen wasserstoffen und Stickoxiden in einem Meßgas (9)

1. mit einer mit dem Meßgas (9) füllbaren und von einer modulierten Infrarot-Meßstrahlung (3) durchstrahlten, ersten Meß küvette (4),
2. mit einem in Strahlungsrichtung hinter der ersten Meß küvette (4) angeordneten, strahlungsdurchlässigen und Kohlendioxid enthaltenden, optopneumatischen Detektor (22),
3. mit einem in Strahlungsrichtung hinter dem das Kohlen dioxid enthaltenden Detektor (22) angeordneten, strah lungsdurchlässigen und Kohlenmonoxid enthaltenden, opto pneumatischen Detektor (23),
4. mit einer in Strahlungsrichtung hinter dem das Kohlen monoxid enthaltenden Detektor (23) angeordneten und mit dem Meßgas (9) füllbaren, zweiten Meßküvette (6) und
5. mit an der zweiten Meßküvette (6) angeordneten Detektoren (7, 8, 10, 11) für die Kohlenwasserstoffe und die Stick oxide.

2. Nichtdispersiver Infrarot-Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren (7, 8, 10, 11) für die Kohlenwasserstoffe und die Stickoxide opto pneumatische Detektoren sind.

3. Nichtdispersiver Infrarot-Gasanalysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Meßküvette (6) um ein Vielfaches, vorzugsweise über Zehn faches, länger als die erste Meßküvette (4) ist.

4. Nichtdispersiver Infrarot-Gasanalysator nach einem der An sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Meßküvette (6) mindestens zwei Fenster (12 bis 15) enthält, hinter denen jeweils einer der Detektoren (7, 8, 10, 11) für die Kohlenwasserstoffe und die Stickoxide angeordnet ist, und daß zumindest eines der Fenster (13, 14, 15) längs zur Strahlungsrichtung liegt.

5. Nichtdispersiver Infrarot-Gasanalysator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Fenster (12) quer zur Strahlungsrichtung liegt.

6. Nichtdispersiver Infrarot-Gasanalysator nach einem der An sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Meßküvette (6) mindestens zwei Fenster (24, 25) ent hält, hinter denen jeweils einer der beiden Detektoren (7, 8) für die Kohlenwasserstoffe und die Stickoxide angeordnet ist, und daß zumindest eines der Fenster (24, 25) schräg zur Strahlungsrichtung liegt.