DE19735716A1 - Mehrkomponentenmessung mit einem nichtdispersiven Infrarotspektrometer - Google Patents
Mehrkomponentenmessung mit einem nichtdispersiven InfrarotspektrometerInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur
Mehrkomponentenmessung mit einem nichtdispersiven Infrarotspektrometer gemäß
Oberbegriff der Patentanspruches 1.
Zur Zweikomponentenmessung nach dem nichtdispersiven fotometrischen Verfahren
wird üblicherweise für jede zu messende Komponente ein eigener Detektor eingesetzt.
Jeder Detektor wird hierbei mit der spezifisch zu messenden Gaskomponente gefüllt.
Nachteilig ist bei diesen Verfahren, daß jede Komponente einen eigenen Detektor
erfordert, der in der Herstellung relativ aufwendig ist. Bei der Realisierung einer
Mehrkomponentenmessung mit einer Anordnung aus dem Stand der Technik müßte
man ein Spektrometer vorsehen, welches entsprechend der Anzahl zu messender
Komponenten auch eine entsprechende Anzahl von Detektoren aufweist.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, mehrere Gase in einen Detektor zu
füllen und ihn so für mehrere Komponenten gleichzeitig zu selektivieren.
Auch hier ist die Herstellung relativ aufwendig. Hinzu kommt, daß sich nur
Gase einfüllen lassen, die nicht miteinander chemisch reagieren. Die
allgemeine Anwendbarkeit wird hierdurch beschränkt.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein NDIR-
Fotometerbetriebsverfahren zur Zwei- oder Mehr-Komponentenmessung
zu entwickeln, das die genannten Nachteile nicht aufweist und das
Fotometer nur einen Detektor mit möglichst nur einer Füllgaskomponente
aufweist.
Die gestellte Aufgabe wird bei einem Verfahren der gattungsgemäßen Art
erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1
gelöst. Eine weitere Ausgestaltungsform der Erfindung ist in den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruches 2 angegeben. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der
erfindungsgemäßen Verfahren sind in den abhängigen Ansprüchen 3 bis 6
angegeben.
Zur Lösung der Aufgabe wird die Tatsache genutzt, daß ein NDIR-
Empfänger, der mit der Komponente A gefüllt ist, nicht nur für die
Komponente A sensitiv sein kann, sondern auch für eine Komponente B,
deren Absorptionsspektrum das Spektrum von A überlappt. Bei der
üblichen Anwendung des NDIR-Verfahrens wird der Empfänger durch
geeignete Dimensionierung des Kammerverhältnisses und der
Füllkonzentration so optimiert, daß die Komponente B möglichst
vollständig unterdrückt wird. Der für die Komponente A sensitive
Empfänger hat dann keine "Querempfindlichkeit" gegenüber der
Komponente B.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird dagegen die potentielle
Empfindlichkeit für die Komponente B gezielt genutzt. Es ist dann möglich,
sowohl die Komponente A als auch die Komponente B zu messen. Man
kann quasi zwischen Komponente A und B "hin- und herschalten". Beide
Komponenten können somit unabhängig voneinander und gleichberechtigt
gemessen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren soll im folgenden näher erläutert
werden. Wesentlich ist hierbei zunächst der Verlauf der sogenannten
Selektivitätsfunktion. Fig. 1 zeigt als Beispiel den Verlauf für eine einzige
Rotationslinie des feinstrukturierten Absorptionsspektrums der Modell-
Komponente A. Im Linienzentrum dominiert die Absorption der vorderen
Empfänger-Kammer (positives Signal), in den Flanken die Absorption der
hinteren Kammer (negatives Signal). Der Kammer- bzw Detektoraufbau ist
in Fig. 4 dargestellt.; verwendet wird ein aus vorderer und hinterer
Kammer bestehender Zwei-Schicht-Detektor.
Der Empfänger sei mit der Komponente A gefüllt. Befindet sich die
Komponente A in der vor dem Empfänger angeordneten Meßküvette MG,
so koinzidieren die Absorptions-Feinstrukturen des Füllgases und des
Meßküvettengases vollständig. Somit ist im wesentlichen nur die vordere
Empfängerkammer aktiv. Für die Komponente B, deren Spektrum i. a.
erheblich vom Spektrum der Komponente A abweicht, ergeben sich ganz
andere Verhältnisse. Mit einer Koinzidenz der Feinstrukturen ist hier
überhaupt nicht zu rechnen. Im allgemeinen wird deshalb sowohl die
vordere als auch die hintere Kammer je nach Absorptionsspektrum der
Komponente B beteiligt sein.
Bei der Umsetzung der im Empfänger absorbierten Energie in die vom
Membrankondensator gemessenen Druckänderung spielt die
Wärmeleitung des Empfängerfüllgases eine wichtige Rolle. Da die
Strahlungsabsorption für Komponente A und B an verschiedenen
Kammer-Orten geschieht, ergeben sich für Komponente A und B etwas
unterschiedliche Phasenbeziehungen bei der Umsetzung in das
Drucksignal.
Diese Phasenverschiebung ist der Schlüssel zum Verständnis der
Erfindung. In Fig. 2 sind die elektrischen Ausgangssignale des
Empfängers für die Komponente A und für eine ausgewählte Komponente
B schematisch dargestellt. Die zeitlichen Maxima der beiden Signale
treten zu verschiedenen Zeiten auf. Der Empfänger ist so optimiert, daß
die Maxima um etwa 90° gegeneinander verschoben sind.
In der phasenempfindlichen Gleichrichtung G der Signalverarbeitung
gemäß Fig. 4 wird die Fläche innerhalb des eingezeichneten Zeitfensters
in Fig. 2 aufintegriert. Für die Komponente A erhält man so maximale
Empfindlichkeit. Das Signal der Komponente B verschwindet aber
andererseits, da sich die positiven und negativen Anteile gerade aufheben.
Verschiebt man das Phasenfenster um 90° nach links, so kehren sich die
Verhältnisse um (Fenster mit gestrichelten Linien). Jetzt wird Komponente
B optimal erfaßt und Komponente A verschwindet. Durch entsprechende
Wahl des Phasenfensters kann also einmal nur A und zum anderen nur B
gemessen werden.
Ist die Phasenverschiebung des Empfängers zwischen A und B nicht exakt
90°, so kann durch leichte Verschiebung des Phasenfensters immer der
Punkt gefunden werden, wo jeweils der Meßbetrag einer Komponente
verschwindet.
Die Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist auch in der
imaginären Zahlenebene der Empfindlichkeit vektoriell darstellbar (gemäß
Fig. 3 ; x-Achse=Realteil der Empfindlichkeit; y-Achse=Imaginärteil der
Empfindlichkeit). Im Diagramm sind die Vektoren A und B eingezeichnet,
die etwa einen Winkel von 70° einschließen. Die Länge des Vektors
entspricht der Signalamplitude. Zur Kompensation der Komp. B wird die x-
Achse solange gedreht, bis B senkrecht auf ihr steht. Die neue Lage der x-
Achse ist mit x' gekennzeichnet. Das Phasenfenster steht jetzt so, daß B
gerade kompensiert wird. Für die Komponente A erhält man eine
Empfindlichkeit, die der Projektion des Vektors A auf die x'-Achse
entspricht.
Für die Messung der Komponente B drehen wir das Koordinatensystem
so, daß der Vektor A senkrecht auf der x-Achse steht (x''-Achse). A wird
also vollständig kompensiert. Die Empfindlichkeit für die Komponente B
entspricht jetzt der Projektion des Vektors B auf die x''-Achse.
Das Verfahren ist auch dann anwendbar, wenn die Phasenverschiebung
von 90° abweicht und auch dann, wenn mehr als 2 Komponenten zu
messen sind. Mit Hilfe chemometrischer Methoden kann auch ein n
komponentiges Problem gelöst werden, indem die Phase nacheinander
auf n verschiedene Werte eingestellt wird.
Insbesondere ist es mit dem chemometrischen Ansatz auch möglich,
Nullpunktdriften zu kompensieren, die durch "graue" Absorption (z. B.
Verschmutzung und Alterung) entstehen. Je nach Empfängerfüllung hat
die graue Absorption eine ganz bestimmte Vektorlage und kann so über
die Phasenbeziehung erfaßt werden.
Je nach gewünschter Anwendung kann es vorteilhaft sein, eine zweite
Gaskomponente in den Empfänger einzubringen, mit der sich die
gewünschte 90°-Phasendrehung für die Komponente B realisieren läßt.
Mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens ist es nunmehr außerdem möglich
auch zur Mehrkomponentenmessung den Detektor lediglich nur mit einer
Gaskomponete füllen zu müssen. Die Sensitivität auf die zweite oder
weitere Komponenten ensteht beispielsweise durch sogenannte
Querempfindlichkeit, die in diesem Falle zweckmäßig ausgenutzt wird. Der
Detektor wird also bei einer n-Komponenten-Messung nur mit maximal n-1
Gaskomponenten gefüllt. Für eine Zwei-Komponentenmessung wird
beispielsweise der Detektor nur mit einer Gaskomponente gefüllt.
Claims (6)
1. Verfahren zum Betrieb eines nichtdispersiven Infrarotspektrometers, bei welchem
aus mehreren Gaskomponenten bestehendes Meßgas durch eine oder mehrere
Küvetten durchgeleitet werden und ausgehend von einer Strahlungsquelle mit
einem modulierten Lichtstrahl durchlaufen und von einem nach optopneumatischen
Effekt arbeitenden Detektor erfaßt werden, dessen Signalerzeugung von den
Absorptionsverhältnissen des Meßgases abhängt
dadurch gekennzeichnet,
daß die Anordnung auf die Erfassung mindestens zwei verschiedener
Gaskomponenten (A,B,. . .) sensitiv eingestellt wird, indem die Kammerverhältnisse
und die Füllkonzentration des Detektors derart gewählt bzw. eingestellt werden, daß
zwischen den Signalen der einzelnen Gaskomponenten (A,B,. . .) eine
Phasenverschiebung entsteht, die so bemessen wird, daß in einem verwendeten
Zeitfenster der Signalauswertung das Integral des Wechselsignals bezüglich der
jeweils einen zu messenden Gaskomponente maximal ist und das Integral der
anderen Gaskomponente Null oder nahe Null ist.
2. Verfahren zum Betrieb eines nichtdispersiven Infrarotspektrometers
dadurch gekennzeichnet,
daß die Anordnung auf die Erfassung mindestens zwei verschiedener
Gaskomponenten (A,B,. . .) sensitiv eingestellt wird, indem die Kammerverhältnisse
und die Füllkonzentration eines vor dem Detektor angeordneten Gasfilters derart
gewählt bzw. eingestellt werden, daß zwischen den Signalen der einzelnen
Gaskomponenten (A,B,. . .) eine Phasenverschiebung entsteht, die so bemessen
wird, daß in einem verwendeten Zeitfenster der Signalauswertung das Integral des
Wechselsignals bezüglich der jeweils einen zu messenden Gaskomponente
maximal ist und das Integral der anderen Gaskomponente Null oder nahe Null ist.
3. Verfahren zum Betrieb eines nichtdispersiven Infrarotspektrometers, nach Anspruch
1 oder 2
dadurch gekennzeichnet,
daß die zwischen beispielsweise 2 Gaskomponenten gewählte bzw. eingestellte
Phasenverschiebung gleich oder nahe 90° ist.
4. Verfahren zum Betrieb eines nichtdispersiven Infrarotspektrometers, nach einem
der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Zeitfenster in welchem das gewählte Signal erfaßt wird durch eine
elektronische Filterung in Form einer phasenempfindlichen Gleichrichtung
eingestellt bzw. verschoben wird.
5. Verfahren zum Betrieb eines nichtdispersiven Infrarotspektrometers,
nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Messung der Konzentration zweier oder mehrerer
Gaskomponenten temporär gemessen wird, indem zwischen den
einzelnen zur Messung der jeweiligen Komponente wesentlichen
Phasenlagen hin- und hergeschaltet wird.
6. Verfahren zum Betrieb eines nichtdispersiven Infrarotspektrometers,
nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Detektor mit maximal n-1 Gaskomponenten gefüllt wird, wobei
n die Anzahl der Gaskomponenten ist auf denen der Detektor sensitiv
einstellbar ist.
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