DE19840570A1 - Verfahren zur Signalverarbeitung eines Gasanalysators mit Interferenzfiltern und elektronischen Strahlungsdetektoren - Google Patents

Verfahren zur Signalverarbeitung eines Gasanalysators mit Interferenzfiltern und elektronischen Strahlungsdetektoren

Info

Publication number
DE19840570A1
DE19840570A1 DE19840570A DE19840570A DE19840570A1 DE 19840570 A1 DE19840570 A1 DE 19840570A1 DE 19840570 A DE19840570 A DE 19840570A DE 19840570 A DE19840570 A DE 19840570A DE 19840570 A1 DE19840570 A1 DE 19840570A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
channel
optical
measuring
difference
comparison
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE19840570A
Other languages
English (en)
Inventor
Dieter Baschant
Heinz Gatzmanga
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
M & R Mes und Regelungstechnik
Original Assignee
M & R Mes und Regelungstechnik
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by M & R Mes und Regelungstechnik filed Critical M & R Mes und Regelungstechnik
Priority to DE19840570A priority Critical patent/DE19840570A1/de
Publication of DE19840570A1 publication Critical patent/DE19840570A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/27—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands using photo-electric detection ; circuits for computing concentration
    • G01N21/274—Calibration, base line adjustment, drift correction
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
    • G01N33/0062—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the measuring method or the display, e.g. intermittent measurement or digital display

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

Der offenbarte Gasanalysator arbeitet zur automatischen Korrektur von Empfindlichkeitsdriften nach dem Quotientenverfahren, wobei zur Bestimmung der Konzentration einer Meßkomponente die aus der Meßzelle austretende Strahlung auf mindestens drei Wellenlängen (optischer Meß-, Vergleichs- und Korrekturkanal) ausgewertet wird. Es werden die Differenzen zwischen den Ausgangssignalen des Vergleichs- und Meßkanals sowie zwischen den Ausgangssignalen des Vergleichs- und Korrekturkanals gebildet, wobei der Nenner des Quotientenverfahrens einen Faktor enthält, der die relative Änderung des Vergleichskanals durch den Einfluß einer Störkomponente über die Bewertung der Differenz zwischen Vergleichs- und Korrekturkanal sowie der während der Nullpunkteinstellung ermittelten Differenz zwischen Vergleichs- und Meßkanal korrigiert, sowie als zweiter Faktor die Differenz zwischen Meßkanal und der während der Nullpunkteinstellung ermittelten Differenz zwischen Vergleichs- und Meßkanal; und wobei der Zähler des Quotientenverfahrens zumindest die Differenz der Differenzen zwischen Meß- und Vergleichskanal sowie der während der Nullpunkteinstellung ermittelten Differenz zwischen Vergleichs- und Meßkanal enthält.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verfahren für die Signalverarbeitung eines Gasanalysa­ tors zur Messung von mindestens einer Gaskomponente eines Gasgemisches, bei dem Strahlung des interessierenden Wellenlängenbereiches von einer Strahlungs­ quelle emittiert und durch eine Meßzelle geleitet wird, in der sich das zu analysieren­ de Gas oder ein nicht absorbierendes Gas (Nullgas) befindet, wobei zur Messung der aus der Meßzelle austretenden Strahlung mindestens ein elektronischer Strah­ lungsdetektor eingesetzt wird.
Im besonderen betrifft die Erfindung einen Verfahren für die Signalverarbeitung eines Gasanalysators bei dem zur Ermittlung der Konzentration einer zu messenden Gaskomponente die Messung der aus der Küvette austretenden Strahlungsleistung auf einer Meßwellenlänge, auf der primär die zu messende Gaskomponente Strah­ lung absorbiert und auf einer Referenzwellenlänge, die so gewählt wird, daß auf dieser Referenzwellenlänge die im Gasgemisch enthaltenen Gaskomponenten nur eine sehr geringe oder vernachlässigbare Absorption zeigen, erfolgt, bei dem die Festlegung der Referenzwellenlänge mittels eines Interferenzfilters erfolgt und bei dem in der Signalverarbeitung eine Quotientenbildung vorgenommen wird.
Analysatoren, in den Verfahren zur Signalverarbeitung der vorstehend beschriebe­ nen Art implementiert sind, werden zur Messung von UV- (z. B. SO2) oder IR-Strah­ lung (z. B. CO, CO2, C3H8, C6H14) absorbierenden Gasen eingesetzt. Der grundle­ gende Zusammenhang zwischen dem Abbildungssignal eines absorptionsphotome­ trisch arbeitenden Analysators und der Gaskonzentration basiert auf dem Lambert- Beerschen-Gesetz (Gleichung (1))
Um ein Signal null bei der Konzentration null zu erhalten, muß der absorbierte Strah­ lungsabteil A gemessen werden (Gleichung (2)), wobei 10 die in die Meßzelle einge­ strahlte Strahlungsintensität und I die aus der Meßzelle austretende Strah­ lungsintensität bezeichnen.
Das Ziel der Analysatorentwicklung besteht im Aufbau eines langzeitstabilen Meß­ systems mit geringem Kalibrieraufwand. In diesem Zusammenhang sind verschiede­ ne Meß- und Kalibrierverfahren bekannt geworden, die allgemein gesagt das Ziel haben Gleichung (1) bzw. Gleichung (2) gerätetechnisch umzusetzen.
Der Stand der Technik wird beispielsweise in den nachfolgend aufgeführten Doku­ menten sichtbar:
/1/ Hengstenberg, Sturm, Winkler
Messen, Steuern, Regeln in der chemischen Technik, 3. neub. Auflage, Band II, Springer Verlag Berlin-Heidelberg-New York 1980
/2/ Müller, G., Verfahren und Vorrichtung zur Molekülspektroskopie, DE 29 34 190, 23. 8. 1979;
/3/ Prozess-Photometer Spectran 677, Bodenseewerk Perkin Eimer GmbH,1990
/4/ Radas 1 G, Betriebsphotometer im Aufbaugehäuse, Gebrauchsanweisung 42/20-22-0, Hartmann & Braun Meß- und Regeltechnik, 1979;
/5/ IFC/GFC Gasanalysator DEFOR, Betriebsanleitung, 21.010/87.12; Maihak AG, 1987
/6/ Passaro, R. E. et al., Infrared gas analyzer with automatic zero adjustment, EP 0 253 872, 9. 1. 1987;
/7/ Asano, I. et al., Infrared analyzer, EP 0 400 342, 30. 4. 1990;
/8/ Apperson et al., Calibrators for infrared type analyzers, US 5 206 511, 18. 10. 1990.
Die genannten Dokumente beschreiben Verfahren und Vorrichtungen zur Gasmes­ sung, die zur Erreichung einfacher und robuster Stabilitätskorrekturen bzw. Kalibrier­ möglichkeiten Gleichung (1) bzw. (2) gerätetechnisch umsetzen.
Das Verfahren der gleichzeitigen bzw. unmittelbar aufeinanderfolgenden Strah­ lungsleistungsmessung auf einer Meß- und einer Referenzwellenlänge und die Ver­ wendung des auf der Referenzwellenlänge gemessenen Strahlungsanteils anstatt der Größe I0 entsprechende Gleichung (1) und (2) zur Bestimmung der absorbierten Strahlung ist seit langem bekannt und wird bsw. in /21 beschrieben. Im Abschnitt "Ausführung von Industriegeräten" des Kapitels "1. Optische Betriebsanalysegeräte" von /1/ werden Geräteausführungen vorgestellt die Gleichung (1) - Photometric Ana­ lyzer 400 von DuPont- bzw. den Zähler von Gleichung (2) - Durchflußphotometer der Firma Lange - umsetzen. Ein weiteres Beispiel für die Realisierung von Glei­ chung (1) ist das Prozess-Photometer Spectran 677 /3/.
Bei diesen Verfahren wird vorausgesetzt, daß als Meßwert für die in die Küvette eingestrahlte Strahlungsleistung auf der Meßwellenlänge das auf einer Referenzwel­ lenlänge gewonnen Signal verwendet werden kann. Da weiterhin ein Signal null für die Meßkonzentration null wünschenswert ist, ist der Schritt von Gleichung (1) zu Gleichung (3) bzw. (4) zwingend auszuführen, und zwar durch eine Differenzbildung u. U. in Verbindung mit einer Multiplikation. Durch diese Kombination der Differenz- und Quotientenbildung wird offensichtlich ein Verfahren realisiert, bei dem die Emp­ findlichkeit der Signalwandlung automatisch nachgestellt wird, wenn gilt, daß die Nullpunkteinstellung, bsw. durch Nachstellen der Verstärkung des Meßkanals die Differenz zu null macht. Die Verfahren realisieren damit Gleichung (3) bzw. (4)
Der von Pasaro et al. in der EP 0 253 872 beschriebene Analysator verwendet zur Messung einer Gaskomponente nur eine Wellenlänge, wobei für die Nullpunktein­ stellung die Verstärkung im Meßkanal nachgeregelt wird, so daß die Differenz zwi­ schen dem Meßsignal und einem vorgegebenen elektronisch erzeugten Referenz­ signal zu null gemacht wird (Gleichung (5)), weil während der Nullpunkteinstellung I = I0 gilt.
XA = XRef - Kvariabel.(λmeß) (5)
Schließlich wird von Asano et al. in der EP 0 400 342 ein Analysator offenbart, bei dem zur Meßsignalbildung die Differenzbildung zwischen einem optischen Referenz­ kanal und einem optischen Meßkanal analog der Vorgehensweise bei dem in /1/ vorgestellten Durchflußphotometer der Firma Lange gebildet wird (Zähler von Glei­ chung (2)), wobei zur Realisierung des Quotientenverfahrens dort während der Null­ punkteinstellung das Signal des optischen Meßkanals zusätzlich separat gespei­ chert wird, um im Meßprozeß als Divisor (Nenner von Gleichung (2)) eingesetzt zu werden, woraus sich Gleichung (6) ergibt.
Wie nachfolgend erläutert wird, sind alle oben beschriebenen Analysatoren, bei denen eine Quotientenbildung durchgeführt wird, bezüglich des Zusammenhangs Nullpunkteinstellung - Empfindlichkeitsnachstellung insofern identisch, daß die Em­ pfindlichkeit (Änderung des Abbildungssignals dividiert durch Änderung der verursa­ chenden Meßgröße) der Analysatoren durch die Quotientenbildung extrem stabil ist, wodurch bsw. Verschmutzungseffekte nahezu vollständig kompensiert werden.
Die Analysatoren, bei denen zur Realisierung der Gleichung (3) und (4) direkt durch das Meßsignal des optischen Vergleichskanals dividiert wird, weisen den Nachteil auf, daß durch Störgase während der Messung der optische Vergleichskanal beein­ flußt werden kann, so daß der Divisor des derart realisierten Verfahrens nicht mehr dem Nenner von Gleichung (2) entspricht. Bei Gleichung (4) können desweiteren durch Temperatur- und Alterungseffekte geringfügige Verschiebungen des Signal­ verhältnisses auftreten, so daß im Rahmen der Nullpunktnachstellung keine korrekte Empfindlichkeitsnachstellung erfolgt.
Die in der EP 0 253 872 und der EP 0 400 342 beschriebenen Analysatoren sind bezüglich der Nachstellung der Empfindlichkeit im Verlauf der Nullpunkteinstellung untereinander und mit dem Verfahren nach Gleichung (3) insofern identisch, daß die Nullpunkteinstellung gleichzeitig immer eine korrekte Empfindlichkeitsnachstellung bewirkt. Die in der EP 0 253 872 und der EP 0 400 342 beschriebenen Analysatoren unterscheiden sich von dem Verfahren nach Gleichung (3) /3/ jedoch dadurch, daß vorteihafterweise die im Ergebnis der Nullpunkteinstellung nachgestellte Empfind­ lichkeit während der Messung durch Störgase nicht beeinflußt wird, was nachteilhaf­ terweise dadurch erkauft wird, daß durch die Festschreibung des Divisors von Glei­ chung (6) bzw. durch die Festlegung der Verstärkung Kvariabel von Gleichung (5) wäh­ rend der Nullpunkteinstellung Verschmutzungseffekte und unspezifische Elektronik­ driften während der Messung nicht automatisch korrigierend auf die Empfindlichkeit des Analysators einwirken, was wiederum jedoch bei Gleichung (3) und (4) gegeben ist, so daß die zuletzt beschriebene Vorgehensweise nur für Geräte geeignet ist, bei denen der Nullpunkt häufig nachgestellt werden kann, wogegen die Driften der Signalwandlung unzureichend kompensiert werden. Bei dem Analysator der EP 0 253 872 besteht der zusätzliche Nachteil, daß auch Kurzzeitschwankungen der Elektronik nicht kompensiert werden, was die Auflösung der Signalwandlung bzw. den Signal-Rausschabstand negativ beeinflußt.
Aus den aufgeführten Dokumenten wird ersichtlich, daß auf Grund der beschriebe­ nen Nachteile der bekannt gewordenen Meßanordnungen und Verfahrensspezifika­ tionen ein Bedarf nach einer Verbesserung des allgemein bekannten und seit Jahr­ zehnten angewandten Quotientenverfahrens besteht.
Dementsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Analysator be­ reitzustellen, der sich dadurch auszeichnet, daß während der Nullpunkteinstellung automatisch auch die Empfindlichkeit der Signalwandlung nachgestellt wird, daß keine Beeinflussung der Empfindlichkeit der Signalwandlung durch stoffliche Störun­ gen während der Messung zu verzeichnen ist, daß während des Meßzeitraumes auftretende Signal- und/oder Elektronikdriften und Verschmutzungseffekte weitge­ hend automatisch kompensiert werden und daß eine maximale Auflösung der Si­ gnalwandlung gewährleistet wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Signalverarbeitung eines Gasanalysa­ tors gemäß Anspruch 1 gelöst, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Konzentration der zu messenden Gaskomponente (Meßkomponente) die Strah­ lungsleistung der aus der Meßzelle austretenden Strahlung auf mindestens drei Wellenlängen ausgewertet wird, und zwar einer Meßwellenlänge (optischer Meß­ kanal), auf der primär die zu messende Gaskomponente Strahlung absorbiert; einer Vergleichswellenlänge (optischer Vergleichskanal), die so gewählt wird, daß auf dieser Vergleichswellenlänge alle im Gasgemisch enthaltenen Gaskomponenten nur eine sehr geringe oder vernachlässigbare Absorption aufweisen; sowie auf minde­ stens einer Korrekturwellenlänge (optischer Korrekturkanal), bei der eine im Meßgas auftretende Gaskomponente, deren Absorption auf der Referenzwellenlänge nicht vernachlässigt werden kann, (Störkomponente) eine signifikante Absorption auf­ weist; daß die Differenzen zwischen den Ausgangssignalen des optischen Ver­ gleichskanals und des optischen Meßkanals sowie zwischen den Ausgangssignalen des optischen Vergleichskanals und des optischen Korrekturkanals gebildet werden; daß die Differenz zwischen den Ausgangssignalen des optischen Vergleichskanals und des optischen Korrekturkanals mit einem Faktor bewertet wird, der während der Kalibrierung des Meßsystems durch Aufgabe einer hohen Konzentration des Störga­ ses auf das Meßsystem bestimmt wird und der dabei auftretenden negativen relati­ ven Änderung des optischen Vergleichskanals in Abhängigkeit von der Differenz zwischen den Ausgangssignalen des optischen Vergleichskanals und des optischen Korrekturkanals entspricht; daß der Nenner des erfindungsgemäßen Quotienten­ verfahrens einen Faktor enthält, der die relativen Änderung des optischen Ver­ gleichskanals durch den Einfluß der Störkomponente über die Bewertung der Diffe­ renz zwischen den Ausgangssignalen des optischen Vergleichskanals und des opti­ schen Korrekturkanals sowie der während der Nullpunkteinstellung ermittelten Diffe­ renz zwischen den Ausgangssignalen des optischen Vergleichskanals und des opti­ schen Meßkanals korrigiert; daß der Nenner des erfindungsgemäßen Quotienten­ verfahrens als zweiten Faktor die Differenz zwischen dem aktuellen Ausgangssignal des optischen Meßkanals und der während der Nullpunkteinstellung ermittelten Differenz zwischen den Ausgangssignalen des optischen Vergleichskanals und des optischen Meßkanals aufweist; und daß der Zähler des erfindungsgemäßen Quo­ tientenverfahrens mindestens die Differenz zwischen den Differenzen zwischen den aktuellen Ausgangssignalen des optischen Meßkanals und des optischen Ver­ gleichskanals sowie der während der Nullpunkteinstellung ermittelten Differenz zwi­ schen den Ausgangssignalen des optischen Vergleichskanals und des optischen Meßkanals aufweist.
Die abhängigen Ansprüche beschreiben weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung. Insbesondere ist die Erfindung nicht auf die Anwendung eines einzelnen optischen Korrekturkanals beschränkt, und die Korrekturwellenlänge für die Meß­ komponente 1 kann vorteilhafterweise die Meßwellenlänge für eine Meßkomponente 2 eines Mehrkomponenten-Analysators sein kann.
Die Vorteile und Merkmale der Erfindung werden anhand der anhängenden Patent­ zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen im einzelnen
Fig. 1 das Blockschaltbild einer dem Stand der Technik entsprechenden Vor­ richtung und Verfahrens, das ein modifiziertes Quotientenverfahren realisiert,
Fig. 2 das Blockschaltbild eines anderen dem Stand der Technik ent­ sprechenden Verfahrens, das ein Quotientenverfahren gemäß Glei­ chung (4) realisiert,
Fig. 3 das Blockschaltbild eines dem Stand der Technik entsprechenden Ver­ fahrens, das ein einem Quotientenverfahren gleichwertiges Verfahren gemäß Gleichung (5) realisiert,
Fig. 4 das Blockschaltbild eines anderen dem Stand der Technik ent­ sprechenden Verfahrens, das ein Quotientenverfahren gemäß Glei­ chung (6) realisiert,
Fig. 5 das Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Verfahrens bei Verwen­ dung jeweils eines optischen Meß-, Vergleichs- und Korrekturkanals.
Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild einer dem Stand der Technik entsprechenden Vorrichtung und Verfahrens (Radas, Hartmann & Braun), das ein modifiziertes Quo­ tientenverfahren realisiert, das mit einer analogen Elektronik weitgehend automa­ tisch arbeitet und in /4/ beschrieben wird, wobei zur SO2-Messung im UV-Bereich aus dem Spektrum einer UV-Strahlungsquelle 10 mittels auf einem Blendenrad 11 montierten Schmalbandinterferenzfiltern 12, 13 zwei Wellenlängen(bereiche) (SO2- Meß- und Vergleichswellenlänge) ausgewählt werden, wobei zusätzlich zwei Strah­ lengänge mit separaten Detektoren (Meßdetektor 14 hinter Strahlteiler 16 und Kü­ vette 17 und Korrekturdetektor 15) eingesetzt werden. Die Interferenzfilter werden nacheinander in den Strahlengang eingeblendet, wobei die beiden Detektoren je­ weils gleichzeitig mit Strahlung der SO2-Wellenlänge bzw. der Vergleichswellenlänge bestrahlt werden. Die Signalverarbeitung erzeugt mittels gesteuerter Sample-and- hold-Schaltungen ein Abbildungssignal xA entsprechend Gleichung (7),
womit eine weitgehende automatische Korrektur von Empfänger- und Strahlerdriften sowie Verschmutzungen erreicht wird, wobei zum Ausschalten stofflicher Störungen ein aufwendiger Abgleich mittels kippbarer Interferenzfilter erforderlich ist. Auch ist zu beachten, daß falls mehrere Störkomponenten mit unterschiedlichen Spektren auftreten ein derartiger Abgleich nicht länger möglich ist.
In /5/ (Defor, Maihak) wird ein Verfahren beschrieben, bei dem durch spektrale Zer­ legung des Empfängersignals, in dessen Strahlengang mittels Blendenrad abwech­ selnd ein Meßwellenlängen-Interferenzfilter und ein Vergleichswellenlängen-Interfe­ renzfilter eingebracht werden, zwei Signale gewonnen werden, deren Quotient ge­ bildet und damit ein Meßsignal S erzeugt wird, das Gleichung (4) entspricht.
T1 entspricht hierin dem Detektorsignal für den vom Vergleichsfilter ausgewählten Wellenlängenbreich und T2 entspricht dem Detektorsignal für den vom Meßfilter ausgewählten Wellenlängenbreich. Auch bei diesem Verfahren führen, wie Glei­ chung (9) zeigt, stoffliche Störungen, die eine Änderung von T1 bewirken, zu einer Empfindlichkeitsänderung.
Bei Verwendung von mehreren preiswerten Strahlungsdetektoren mit unmittelbar im Detektorgehäuse montierten Interferenzfiltern bsw. für IR-Gasanalysatoren für die Autoabgasanalyse erfolgt im allgemeinen eine Auswertung der gleichzeitig (bei ge­ pulsten Strahlern) bzw. quasi gleichzeitig (bei Blendenradmodulation) erfaßten Si­ gnale auf Meß- und Referenzwellenlänge. Damit liegt ein Verfahren nach Gleichung (4) bzw. Fig. 2 nahe, wobei für die in den Gleichung (4) verwendeten Strah­ lungsintensitäten I die Empfängersignale E eingesetzt werden, woraus sich Glei­ chung (10) ergibt.
Die modulierte Strahlungsquelle 20 kann ein direkt modulierbarer Strahler (z. B. eine geeignete Glühlampe, ein Karbonfaserstrahler von der Heraeus Noblelight GmbH Hanau, ein Dünnschichtstrahler SIE von Laser Components oder eine andere ge­ eignete direkt modulierbare Strahlungsquelle) oder ein statisch betriebener Strahler mit Chopper sein. Durch Anpassung der Verstärkung der Signale des Meßdetektors m (Halbleiterdetektor + Interferenzfilter) 22 und des Vergleichsdetektors v 23 in 24 (Kmeß) bzw. 25 (Kvergleich) wird bei Inbetriebnahme das Ausgangssignal des Differenz­ verstärkers 26 auf null abgeglichen, wenn in der Meßzelle 21 Nullgas vorhanden ist. Während Nullpunktkorrekturen im Betrieb kann dann das jeweils aktuelle Differenz­ signal in 27 gespeichert werden, womit am Ausgang von 28 ein echtes Nullsignal entsteht und durch Quotientenbildung in 29 wird eine Vorgehensweise entsprechend /3/ und vergleichbar mit /2, 4, 5, 8/ Gleichung (2) realisiert, wodurch unspezifische Elektronikdriften und Verschmutzungen der Meßkammern, die sich auf Meß- und Vergleichskanal gleichermaßen auswirken, kompensiert werden. Tritt jedoch wäh­ rend der Messung eine Gaskomponente auf, die sich auf den Vergleichskanal aus­ wirkt, dann ist ein Meßfehler zu verzeichnen, der in Abhängigkeit von der Streuung der Durchlaßbereiche der verwendeten Intereferenzfilter zur Wellenlängenselektie­ rung und der Gaszusammensetzung mehrere Prozent des Meßsignals betragen kann, auch dann, wenn die im Zähler stehende Differenz bei einer von null verschie­ denen Konzentration der Meßkomponente durch einen additiven Term vollständig korrekt korrigiert wird.
Ein anderer Ansatz wird von Passaro et al. in /6/ beschrieben. Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild der Signalwandlung. Strahlungsquelle 30 und Meßzelle 31 entspre­ chen Fig. 2. Bei dem in Fig. 3 (Gleichung (5)) dargestellten Verfahren wird jedoch nur mit einem Meßdetetektor m 32 gearbeitet, und statt eines optischen Vergleichs­ kanals wird ein elektronisches Referenzsignal 33 gebildet. Während der Nullpunkt­ einstellung wird über die Schalteinrichtung 34 ein Regelkreis (Verstärker mit ver­ änderlicher Verstärkung Kvariabel 35, Differenzverstärker 36) geschlossen, über den die Verstärkung Kvariabell des Verstärkers 35 so nachgestellt wird, daß das Ausgangs­ signals des Differenzverstärkers 36 zu null wird. Wie der Fachmann erkennt, ist diese Vorgehensweise der Arbeit des Quotientenverfahrens identisch, da das beschriebe­ ne Verfahren die Verstärkung des Meßkanals während der Nullpunkteinstellung so nachregelt, daß zu Beginn einer nachfolgenden Messung immer von einer konstan­ ten Signalgröße ausgegangen werden kann. Die Auflösung der Messung wird hier­ bei dadurch nachteilig beeinflußt, daß Schwankungen der optischen Kanäle nicht kompensiert werden können, was durch eine bei jeder Messung stattfindende Diffe­ renzbildung prinzipiell möglich ist.
Der von Asano et al. in /7/ beschriebene Ansatz (Fig. 4) zeigt eine Modifikation des in Fig. 2 dargestellten Verfahrens. Die Elemente 400 bis 409 entsprechen dabei in ihrer Funktion den Elementen 20 bis 29 von Fig. 2. Im Unterschied dazu ist jedoch ein weiteres Speicherglied 410 vorhanden, so daß während der Nullpunkteinstellung nicht nur die Meßdifferenz in 407 gespeichert wird, sondern zusätzlich das Signal des Meßkanals in 409. Das derart realisierte Verfahren entspricht Gleichung 11.
Da bei diesem Verfahren einerseits während der Nullpunkteinstellung das Signal des Meßkanals gespeichert wird und andererseits eine Differenzbildung erfolgt zeigt dieses Verfahren gegenüber dem Verfahren von Fig. 3 eine verbesserte Auflösung, da sich Schwankungen der optischen Kanäle zumindest teilweise aufheben.
Im Unterschied zu dem Verfahren von Fig. 2 führen Auswirkungen stofflicher Stö­ rungen auf den optischen Vergleichskanal bei den beiden Verfahren nach Fig. 3 und Fig. 4 nicht mehr zu Änderungen der Quotientenbildung, über die eine auto­ matische Nachstellung der Empfindlichkeit im Rahmen der Nullpunkteinstellung erfolgt. Jedoch ist diese Vorgehensweise nur dann erfolgreich, wenn während der Meßzeiträume keine unspezifischen Driften zu verzeichnen sind, die bsw. durch Ver­ schmutzungen und/oder Temperaturänderungen hervorgerufen werden, da in sol­ chen Fällen der Quotient weiterhin mit einem konstanten Divisor gebildet wird, der nur die während der Nullpunkteinstellung vorhandenen Verhältnisse korrekt wider­ spiegelt. Diese zuletzt genannten Driften werden im Gegensatz dazu bei einem Ver­ fahren entsprechend Fig. 2 kompensiert.
Die vorstehenden Darstellungen machen deutlich, daß obwohl seit langem bekannt ist, daß mit Hilfe des Quotientenverfahrens langzeitstabile Messungen möglich sind, der Stand der Technik dadurch gekennzeichnet ist, daß die bekannt gewordenen Geräte und Verfahren bezüglich der Kompensation von Kurzzeitschwankungen, Langzeitdriften und stofflichen Einflüssen keine umfassenden Kompensationsmög­ lichkeiten bieten, insbesondere dann, wenn aus preislichen und/oder zeitlichen Gründen keine zeitaufwendige Einstellung und/oder Spezifikation der Durchlaßberei­ che der zu verwendenden Interferenzfilter möglich ist, was ein unterschiedliches Verhalten ansonsten gleichartiger Geräte beim Auftreten stofflicher Störungen be­ dingt.
Das erfindungsgemäße Verfahren, mit dem die oben beschriebenen Nachteile des Standes er Technik überwunden werden, ist in Fig. 5 dargestellt. Gleichung (12) verdeutlicht die Arbeitsweise des Verfahrens.
Die Umsetzung der Aufgaben der Erfindung wird dabei dadurch möglich, daß der bestimmende Term im Divisor des Quotientenverfahrens das optisch gewonnene Vergleichssignal bleibt. Dieses wird jedoch korrigiert, so daß Auswirkungen stoff­ licher Störungen über einen zusätzlichen optischen Meßkanal erfaßt und zur Korrek­ tur des Divisors eingesetzt werden können, wobei diese Korrektur so zu erfolgen hat, daß die relative Änderung des optischen Vergleichskanals korrigiert wird. Durch die Struktur des Verfahrens wird außerdem gewährleistet, daß nicht nur der Einfluß einer Störkomponente korrigiert werden kann, sondern daß beliebig viele optische Korrekturkanäle eingerichtet werden können, wozu der aus einer Summe bestehen­ de Korrekturfaktor im Nenner von Gleichung (12) lediglich um weitere Summanden erweitert werden muß.
Die Elemente 501 bis 509 entsprechen den Elementen 20 bis 29 von Fig. 2. Wie aus Fig. 5 ersichtlich wird, werden Kurzzeitschwankungen des optischen und/­ oder elektronischen Systems dadurch kompensiert, daß eine permanente Differenz­ bildung durchgeführt wird. Während einer Nullpunkteinstellung werden in 507 die aktuelle Differenz zwischen optischem Vergleichs- und Meßkanal und in 514 zwi­ schen optischem Vergleichs- und Korrekturkanal gespeichert. Die Quotientenbildung erfolgt in 509 zwischen dem Ausgangssignal des Addierers 517 und einem vorver­ arbeiteten Signal des optischen Vergleichskanals 510. Das von dem Addierer 517 gelieferte Signal ist das um die Nullpunktdifferenz korrigiert Differenzsignal zwi­ schen optischem Vergleichs- und Meßkanal 508 dem zusätzlich eine Störgaskorrek­ tur aufgeschaltet werden kann, was erforderlich wird, wenn bei vorhandener Stör­ gaskomponente und nicht vorhandener Meßgaskomponente ein von null verschie­ denes Signal beobachtet wird. Diese Korrektur ist üblich und dem Fachmann ver­ traut. Die Wirkung der Erfindung beruht nun darauf, daß der Quotient mit einem aktuellen vorverarbeitetem Meßsignal erfolgt. Durch Verrechnung mit der gespei­ cherten Nullpunktdifferenz ergibt sich für das Quotientenverfahren nach einer Null­ punkteinstellung auch dann der korrekte Divisor, wenn bspw. Driften der Strahlungs­ quelle 500 während der Nullpunktnachstellung zu einem von null verschiedenen Differenzsignal 506 geführt haben. Wenn stoffliche Störungen auftreten, die Einfluß auf den optischen Vergleichskanal haben, werden diese nachfolgend durch eine multiplikative Korrektur kompensiert, die in ihrer Struktur die einfache Möglichkeit bietet, falls erforderlich, nicht nur eine einzelen sondern mehrere stoffliche Störun­ gen zu kompensieren. Die Ermittlung des Einflußfaktors K518 kann in einfacher Wei­ se durch Ermittlung der relativen Änderung des Vergleichskanals bei Aufgabe einer der Anwendung entsprechenden Störgaskonzentration ermittelt werden. Damit er­ höht sich der Kalibrieraufwand eines Systems nur unwesentlich.
Relevant ist eine solche Vorgehensweise bsw. bei Abgasanalysatoren, wenn hohe Auflösungen und geringe Fehler in Mehrkomponentengemischen gefordert werden. Wenn hier bsw. mit Mischgasen kalibriert wird (ca. 3%vol CO, 16%vol CO2 und 8000 ppm C3H8), sind bei einer Vorgehensweise nach Fig. 2 bsw. systematische Fehler in der Größenordnung von 2% des angezeigten CO-Wertes zu erwarten. Weiterhin gewährleistet das erfindungsgemäße Verfahren die hervorragende Null­ punktstabilität durch permanente Differenzbildung (analog Fig. 2 und Fig. 4) in Verbindung mit einer hohen Temperatur- und Langzeitstabilität der Empfindlichkeit (im Gegensatz zu Fig. 4), da Temperatur- und Langzeitdriften, die häufig unspezi­ fisch auf alle optischen Kanäle wirken, durch Verwendung des optischen Ver­ gleichskanals im Divisor automatisch kompensiert werden. Schließlich wird durch das Verfahren wie in Gleichung (1) und (2) gefordert, durch ein Signal dividiert, das auch bei auftretenden Driften dem Meßsignal des optischen Meßkanals für die Kon­ zentration null nachgefüht wird und nicht nur bei Driftfreiheit diesem Signal entspricht.

Claims (7)

1. Verfahren zur Signalverarbeitung eines Gasanalysators zur Messung der Konzentration mindestens einer Gaskomponente innerhalb eines Gasgemi­ sches mit Hilfe eines Quotientenverfahrens, dadurch gekennzeichnet, daß
  • 1. zur Bestimmung der Konzentration der zu messenden Gaskomponente (Meßkomponente) die Strahlungsleistung der aus der Meßzelle austretenden Strahlung auf mindestens drei Wellenlängen ausgewertet wird; und zwar ei­ ner Meßwellenlänge (optischer Meßkanal), auf der primär die zu messende Gaskomponente Strahlung absorbiert; einer Vergleichswellenlänge (optischer Vergleichskanal), die so gewählt wird, daß auf dieser Vergleichswellenlänge alle im Gasgemisch enthaltenen Gaskomponenten nur eine sehr geringe oder vernachlässigbare Absorption aufweisen, sowie auf mindestens einer Korrek­ turwellenlänge (optischer Korrekturkanal), bei der eine im Meßgas auftreten­ de Gaskomponente, deren Absorption auf der Referenzwellenlänge nicht vernachlässigt werden kann, (Störkomponente) eine signifikante Absorption aufweist,
  • 2. die Differenzen zwischen den Ausgangssignalen des optischen Ver­ gleichskanals und des optischen Meßkanals sowie zwischen den Ausgangs­ signalen des optischen Vergleichskanals und des optischen Korrekturkanals gebildet werden,
  • 3. die Differenz zwischen den Ausgangssignalen des optischen Vergleichs­ kanals und des optischen Korrekturkanals mit einem Faktor bewertet wird, der während der Kalibrierung des Meßsystems durch Aufgabe einer hohen Konzentration des Störgases auf das Meßsystem bestimmt wird und der da­ bei auftretenden negativen relativen Änderung des optischen Vergleichska­ nals in Abhängigkeit von der Differenz zwischen den Ausgangssignalen des optischen Vergleichskanals und des optischen Korrekturkanals entspricht,
  • 4. der Nenner des im Analysator realisierten Quotientenverfahrens einen Fak­ tor enthält, der die relativen Änderung des optischen Vergleichskanals durch den Einfluß der Störkomponente über die Bewertung der Differenz zwischen den Ausgangssignalen des optischen Vergleichskanals und des optischen Korrekturkanals sowie der während der Nullpunkteinstellung ermittelten Diffe­ renz zwischen den Ausgangssignalen des optischen Vergleichskanals und des optischen Korrekturkanals korrigiert,
  • 5. der Nenner des im Analysator realisierten Quotientenverfahrens Quotienten­ verfahrens als zweiten Faktor die Differenz zwischen dem aktuellen Aus­ gangssignal des optischen Meßkanals und der während der Nullpunktein­ stellung ermittelten Differenz zwischen den Ausgangssignalen des optischen Vergleichskanals und des optischen Meßkanals enthält, und daß
  • 6. der Zähler des im Analysator realisierten Quotientenverfahrens Quotienten­ verfahrens mindestens die Differenz zwischen den Differenzen zwischen den aktuellen Ausgangssignalen des optischen Meßkanals und des optischen Vergleichskanals sowie der während der Nullpunkteinstellung ermittelten Dif­ ferenz zwischen den Ausgangssignalen des optischen Vergleichskanals und des optischen Meßkanals enthält.
2. Analysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der im Nenner des Quotientenverfahrens auftretende Faktor zur Korrektur der relativen Än­ derung des optischen Vergleichskanals durch den Einfluß der Störkomponen­ te einen weiteren Summanden enthält, der die relative Änderung des opti­ schen Meßkanals durch den Einfluß der Meßkomponente über die Bewertung der Differenz zwischen den Ausgangssignalen des optischen Vergleichska­ nals und des optischen Meßkanals sowie der während der Null­ punkteinstellung ermittelten Differenz zwischen den Ausgangssignalen des optischen Vergleichskanals und des optischen Meßkanals korrigiert.
3. Analysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzglie­ der 506, 508, 510, 513, 515, der Addierer 517, der Teiler 509, der Multiplizie­ rer 519, die Speicher 507, 514 sowie die Verstärker 516, 518 in einem Mikro­ rechner realisiert werden.
4. Analysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzglie­ der 506, 513 als analog als Differenzverstärker mit der Verstärkung eins und die Differenzglieder 506, 508, 510, 513, 515, der Addierer 517, der Teiler 509, der Multiplizierer 519, die Speicher 507, 514 sowie die Verstärker 516, 518 digital in einem Mikrorechner realisiert werden.
5. Analysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Korrek­ turwellenlängen für mehrere Störkomponenten eingesetzt werden.
6. Analysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturwel­ lenlänge für die Meßkomponente 1 die Meßwellenlänge für die Meßkompo­ nenten 2 eines Mehrkomponentenanalysators ist.
7. Analysator nach Anspruch 1, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß inner­ halb eines Mehrkomponenten, für jede einzelne Meßkomponente eine Mehr­ fachkorrektur des Divisors des Quotientenverfahrens erfolgt.
DE19840570A 1998-09-05 1998-09-05 Verfahren zur Signalverarbeitung eines Gasanalysators mit Interferenzfiltern und elektronischen Strahlungsdetektoren Withdrawn DE19840570A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19840570A DE19840570A1 (de) 1998-09-05 1998-09-05 Verfahren zur Signalverarbeitung eines Gasanalysators mit Interferenzfiltern und elektronischen Strahlungsdetektoren

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19840570A DE19840570A1 (de) 1998-09-05 1998-09-05 Verfahren zur Signalverarbeitung eines Gasanalysators mit Interferenzfiltern und elektronischen Strahlungsdetektoren

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE19840570A1 true DE19840570A1 (de) 2000-03-16

Family

ID=7879932

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE19840570A Withdrawn DE19840570A1 (de) 1998-09-05 1998-09-05 Verfahren zur Signalverarbeitung eines Gasanalysators mit Interferenzfiltern und elektronischen Strahlungsdetektoren

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE19840570A1 (de)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003083456A1 (en) * 2002-03-29 2003-10-09 Otsuka Electronics Co., Ltd. Multipoint measurement system and method
DE10228929A1 (de) * 2002-06-28 2004-01-15 Endress + Hauser Conducta Gesellschaft für Mess- und Regeltechnik mbH + Co. KG Anordnung zur Messung des Nitratgehaltes in Flüssigkeiten
DE102007015611A1 (de) * 2007-03-30 2008-10-09 Siemens Ag Verfahren zur nichtdispersiven Infrarot-Gasanalyse

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003083456A1 (en) * 2002-03-29 2003-10-09 Otsuka Electronics Co., Ltd. Multipoint measurement system and method
DE10228929A1 (de) * 2002-06-28 2004-01-15 Endress + Hauser Conducta Gesellschaft für Mess- und Regeltechnik mbH + Co. KG Anordnung zur Messung des Nitratgehaltes in Flüssigkeiten
DE102007015611A1 (de) * 2007-03-30 2008-10-09 Siemens Ag Verfahren zur nichtdispersiven Infrarot-Gasanalyse

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE2727976C3 (de) Vorrichtung zur Messung der Konzentration mindestens einer Komponente eines Gasgemisches und Verfahren zum Eichen derselben
DE2553565C3 (de) Vorrichtung zur Bestimmung der Stickoxidkonzentration in einem Gasgemisch
DE2365605C3 (de) Spektralphotometer
DE3524368A1 (de) Infrarot-gasanalysator mit kalibriereinrichtung
EP1564545A1 (de) Infrarot-Gassensor
EP0254879A2 (de) Multikomponenten-Prozessanalysensystem
EP0196993A2 (de) Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung der Konzentration eines Gases
DE19509822C2 (de) Ölkonzentrations-Meßgerät
DE4111187C2 (de) Verfahren zur Messung des optischen Absorptionsvermögens von Proben unter Eliminierung des Anzeigefehlers hinsichtlich gas-physikalischer Eigenschaften und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
DE2838498C2 (de) Photoelektrisches Meßgerät
DE19840570A1 (de) Verfahren zur Signalverarbeitung eines Gasanalysators mit Interferenzfiltern und elektronischen Strahlungsdetektoren
DE3238179C2 (de)
Kawaguchi et al. Computer-controlled programmable monochromator with repetitive optical scanner for accurate peak detection and background correction
DE4240301A1 (de)
EP1063518B1 (de) Vorrichtung zur Analyse einer Gasprobe mittels Infrarot-Absorption
DE3623345A1 (de) Verfahren zur selektiven messung der konzentrationen von ir- bis uv-strahlung absorbierenden gasfoermigen und/oder fluessigen komponenten in gasen und/oder fluessigen substanzen und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens
DE19735599A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur gleichzeitigen Messung von Konzentrationen verschiedener Gaskomponenten insbesondere zur Messung von Isotopenverhältnissen in Gasen
DE4422580C1 (de) Verfahren zur Kalibration der Lichtempfindlichkeit eines optischen Meßempfängers in einem Analysegerät
DE19714903A1 (de) Verfahren zur Kalibrierung von NDIR-Spektrometern
EP3575759B1 (de) Spektrometer und verfahren zum betrieb
EP0222993A2 (de) Schaltkreis zur Empfindlichkeitskalibrierung von Absorptionsanalysegeräten
DE2537494A1 (de) Photometer
DE2056232C3 (de)
WO1997035178A1 (de) Analysensystem
Nicol A Double Beam Spectrophotometer for the Direct Measurement of Integrated Absorption Lines

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
8122 Nonbinding interest in granting licenses declared
8139 Disposal/non-payment of the annual fee