DE19841491A1 - Opto-pneumatischer Detektor für ein nichtdispersives Infrarot-Gasanalysegerät - Google Patents

Abstract

Um in einem nichtdispersiven Infrarot-Gasanalysegerät unterschiedliche Gaskomponenten mit einem opto-pneumatischen Detektor bestimmen zu können, ohne daß dieser hierzu unterschiedliche Gasfüllungen aufweisen muß, enthält der gasgefüllte Detektor (1) als strahlungsabsorbierende Substanz ein Fasermaterial, beispielsweise in Form eines Vlieses (14). Die durch die Strahlungsabsorption erwärmten Fasern geben die Wärme an das umgebende Gas ab, ohne daß dieses ein bestimmtes Strahlungsabsorptionsvermögen aufweisen muß. Zur Selektion eines für die zu bestimmende Gaskomponente spezifischen Wellenlängenbereichs der Strahlung ist vor dem Fasermaterial ein optisches Filter (13) angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft einen opto-pneumatischen Detektor für ein nichtdispersives Infrarot-Gasanalysegerät mit einer gas­ gefüllten Detektorkammer, in die Infrarot-Strahlung ein­ strahlbar ist und die über eine Leitung mit einem darin ange­ ordneten druck- oder strömungsempfindlichen Sensor mit einem Gasvolumen verbunden ist.

Ein derartiger, aus der DE 35 29 482 A1 bekannter opto-pneu­ matischer Detektor ist Bestandteil eines nichtdispersiven In­ frarot-Gasanalysators, bei dem eine mittels einer Strahlungs­ zerhackereinrichtung modulierte Infrarot-Strahlung durch eine Meßküvette, die mit einem aus unterschiedlichen Gaskomponen­ ten bestehenden, zu analysierenden Meßgas gefüllt ist, in den Detektor geleitet wird. Dieser besteht aus einer strahlungs­ durchlässigen Detektorkammer, die mit der zu bestimmenden Gaskomponente oder einem Ersatzgas gefüllt ist und über eine Leitung mit einem darin befindlichen druck- oder strömungs­ empfindlichen Sensor mit einem Gasvolumen verbunden ist. Bei dem bekannten Infrarot-Gasanalysegerät besteht das Gasvolumen aus einer weiteren Detektorkammer, die hinter einer mit Inertgas gefüllten und gegenüber der Meßküvette gleichphasig durchstrahlten Vergleichsküvette angeordnet ist. Die in die Detektorkammern fallende modulierte Strahlung wird von dem darin enthaltenen Gas wellenlängenspezifisch teilweise absorbiert, wobei sich das Gas entsprechend der Modulation erwärmt bzw. abkühlt und dadurch Druckschwankungen erzeugt, die mittels des druck- oder strömungsempfindlichen Sensors erfaßt werden. Die in der Meßküvette enthaltene, zu bestim­ mende Gaskomponente mit gleicher wellenlängenspezifischer Charakteristik wie das Gas in dem Detektor verringert durch Vorabsorption die in diesem Wellenlängenbereich in die Detektorkammer hinter der Meßküvette fallende Strahlung. Aus der Differenz zwischen den Druckschwankungen, die entweder bei nicht vorhandener Vergleichsküvette einmal bei mit Inert­ gas gefüllter Meßküvette und ein anderes Mal bei mit dem Meß­ gas gefüllten Meßküvette erfaßt werden können oder zwischen der Detektorkammer hinter der mit Meßgas gefüllten Meßküvette und der Detektorkammer hinter der mit dem Inertgas gefüllten Vergleichsküvette erfaßt werden, kann die Konzentration der zu bestimmenden Gaskomponente ermittelt werden.

Gelegentlich müssen Gase analysiert werden, die aufgrund ihrer Giftigkeit, Aggressivität oder sonstigen Beschaffenheit nicht als Füllgas in der Detektorkammer verwendet werden kön­ nen. In diesem Fall muß zur Füllung des Detektors ein Ersatz­ gas gefunden werden, welches ein ähnliches wellenlängenspezi­ fisches Absorptionsverhalten wie die zu bestimmende Gaskompo­ nente aufweist. Die Suche nach einem geeigneten Ersatzgas be­ reitet jedoch in den meisten Fällen erhebliche Schwierigkei­ ten und bleibt gelegentlich auch erfolglos.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Bestim­ mung unterschiedlicher Gaskomponenten mit einem opto-pneuma­ tischen Detektor zu ermöglichen, ohne daß dieser hierzu un­ terschiedliche Gasfüllungen aufweisen muß.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß bei dem opto-pneumatischen Detektor der eingangs angegebenen Art die Detektorkammer zumindest bereichsweise mit einem Faser­ material gefüllt ist und daß in Strahlungsrichtung vor dem Fasermaterial ein optisches Filter angeordnet ist. Dabei absorbieren die Fasern die in die Detektorkammer einfallende Strahlung und erwärmen sich. Die Wärme wird unabhängig vom Strahlungsabsorptionsvermögen des umgebenden Gases auf dieses übertragen, wobei es eine Druckerhöhung erfährt, die in der bekannten Weise detektiert wird. Mit dem optischen Filter kann der für die jeweils zu bestimmende Gaskomponente spezi­ fische Wellenlängenbereich selektiert werden. Um eine geringe Wärmekapazität des Fasermaterials und eine schnelle Wärme­ übertragung zwischen dem Fasermaterial und dem umgebenden Gas zu erzielen, ist die Faserdicke vorzugsweise kleiner als 50 µm. Dabei haben sich Natur- oder Kunststoffasern, bei­ spielsweise aus Seide, als geeignetes Fasermaterial erwiesen. Das Fasermaterial ist in Form eines lockeren Vlieses ausge­ bildet, das die Detektorkammer ganz oder bereichsweise aus­ füllt, oder es besteht aus zwei oder mehreren in Strahlungs­ richtung hintereinanderliegenden feinen Geweben.

Bei einem nach dem Zweistrahl-Prinzip arbeitenden Infrarot- Gasanalysegerät ist das oben erwähnte Gasvolumen vorzugsweise baugleich zu der Detektorkammer ausgebildet, so daß es als weitere Detektorkammer hinter einer Vergleichsküvette ange­ ordnet werden kann.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im folgenden auf die Zeichnung Bezug genommen, die in

Fig. 1 ein Infrarot-Gasanalysegerät mit einem ersten Ausfüh­ rungsbeispiel des erfindungsgemäßen opto-pneumati­ schen Detektors und in

Fig. 2 einen nach dem Zweistrahl-Prinzip arbeitenden weite­ ren nichtdispersiven Infrarot-Gasanalysator mit einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Detektors zeigt.

Fig. 1 zeigt einen opto-pneumatischen Detektor 1 als Be­ standteil eines nichtdispersiven Infrarot (NDIR)-Gasanalyse­ geräts 2. Das Gasanalysegerät 2 enthält einen Infrarot-Strah­ ler 3, dessen Strahlung 4 mittels einer Strahlungszerhacker­ einrichtung 5 in Form eines rotierenden Blendenrads moduliert wird und nach Durchstrahlung einer mit einem zu analysieren­ den Meßgas gefüllten Meßküvette 6 in den Detektor 1 eintritt. Der Detektor 1 besteht aus einer Detektorkammer 7, die zur Meßküvette 6 hin mit einem strahlungsdurchlässigen Fenster 8 abgeschlossen ist und über eine Leitung 9 mit einem Gasvolu­ men 10 verbunden ist. In der Leitung 9 ist ein druck- oder strömungsempfindlicher Sensor 11 angeordnet, dem eine Auswer­ teeinrichtung 12 nachgeordnet ist. Zwischen der Meßküvette 6 und der Detektorkammer 7 ist ein austauschbares optisches Filter 13 angeordnet, dessen wellenlängenabhängiger Durchlaß­ bereich dem Absorptionsbereich der jeweils in dem Meßgas zu bestimmenden Gaskomponente entspricht. Das Filter 13 kann auch an anderer Stelle im Verlauf der Strahlung 4, z. B. vor der Meßküvette 6, angeordnet sein. Die Detektorkammer 7 ist mit einem Gas gefüllt, auf dessen Strahlungsabsorptionsver­ mögen es nicht ankommt. Als strahlungsabsorbierende Substanz enthält die Detektorkammer 7 ein lockeres Vlies 14 aus fein­ sten Natur- oder Kunststoffasern, die nur eine geringe Wärme­ kapazität besitzen und deren Durchmesser kleiner als 50 µm ist. Das hier aus Rohseide bestehende Vlies 14 füllt das Innere der Detektorkammer 7 weitgehend aus.

Die von dem optischen Filter 13 in einem bestimmten Wellen­ längenbereich in die Detektorkammer 7 durchgelassene Strah­ lung 4 wird von den Fasern des Vlieses 14 absorbiert, wobei sie sich erwärmen. Dabei wird die Wärme aufgrund der geringen Wärmekapazität der Fasern und der guten Wärmeanbindung unab­ hängig vom Strahlungsabsorptionsvermögen des umgebenden Gases auf dieses übertragen, wobei es zu einer Druckerhöhung in der Detektorkammer 7 kommt. Wegen der Modulation der Strahlung 4 durch die Strahlungszerhackereinrichtung 5 wechseln sich Erwärmung und Abkühlung ab, so daß in der Detektorkammer 7 Druckschwankungen auftreten, die von dem druck- oder strö­ mungsempfindlichen Sensor 11 erfaßt werden. Zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in dem Meßgas ist die Meßküvette 6 einmal mit dem Meßgas und ein anderes Mal mit einem nichtabsorbierenden Inertgas gefüllt. Wenn die Meßkü­ vette 2 mit dem Meßgas gefüllt ist, findet dort eine meßgas­ spezifische Vorabsorption der Strahlung 4 statt, während dies bei der mit dem nichtabsorbierenden Inertgas gefüllten Meß­ küvette 2 nicht der Fall ist. Aus der Differenz der bei dem einen Mal und bei dem anderen Mal erfaßten Druckschwankungen bestimmt die Auswerteeinrichtung 12 die Konzentration der zu bestimmenden Gaskomponente.

Fig. 2 zeigt ein nichtdispersives Infrarot-Gasanalysegerät 15, das nach dem Zweistrahl-Prinzip arbeitet und zusätzlich zu einer Meßküvette 16 eine mit nichtabsorbierendem Inertgas gefüllte Vergleichsküvette 17 aufweist. Die von einem Infra­ rot-Strahler 18 ausgehende Strahlung 27 durchläuft zunächst ein austauschbares optisches Filter 28, dessen wellenlängen­ abhängiger Durchflußbereich dem Absorptionsbereich der je­ weils in dem Meßgas zu bestimmenden Gaskomponente entspricht. Danach wird die Strahlung 27 mit Hilfe eines Strahlungstei­ lers 19 in zwei parallele Strahlengänge 20 und 21 aufgespal­ ten, die mittels einer Strahlungszerhackereinrichtung 22 gleichphasig moduliert und anschließend getrennt in die Meß­ küvette 16 bzw. die Vergleichsküvette 17 eingeleitet werden.

Ein opto-pneumatischer Detektor 23 besteht aus einer gasge­ füllten Detektorkammer 24, die in Strahlungsrichtung hinter der Meßküvette 16 angeordnet ist und über eine Verbindungs­ leitung 25 mit einer weiteren Detektorkammer 26 verbunden ist, die hinter der Vergleichsküvette 17 angeordnet ist. In der Leitung 25 ist ein druck- oder strömungsempfindlicher Sensor 29 angeordnet, dem eine Auswerteeinrichtung 30 nach­ geordnet ist. Die beiden Detektorkammern 24 und 26 enthalten jeweils mehrere quer zur Strahlungsrichtung ausgerichtete und in Strahlungsrichtung hintereinanderliegende Gewebe 31 bzw. 32 aus feinen Fasern, hier z. B. aus Seide, die in gleicher Weise, wie anhand von Fig. 1 für das dortige Vlies 14 be­ schrieben, zur Strahlungsabsorption dienen. In der Meßküvette 16 findet eine meßgasspezifische Vorabsorption der Strahlung 20 statt, während die Strahlung 21 in der Vergleichsküvette 17 keine Absorption erfährt, so daß in den beiden Detektor­ kammern 24 und 26 unterschiedliche Druckschwankungen auftre­ ten, deren Differenz von dem Sensor 29 erfaßt und in der nachgeordneten Auswerteeinrichtung 30 zur Ermittlung der Kon­ zentration der zu bestimmenden Gaskomponente in dem Meßgas herangezogen wird.

Claims (8)

1. Opto-pneumatischer Detektor für ein nichtdispersives Infrarot-Gasanalysegerät (2, 15) mit einer gasgefüllten Detektorkammer (7, 24), in die Infrarot-Strahlung (4, 20) einstrahlbar ist und die über eine Leitung (9, 25) mit einem darin angeordneten druck- oder strömungsempfindlichen Sensor (11, 29) mit einem Gasvolumen (10, 26) verbunden ist, da­ durch gekennzeichnet, daß die Detektorkammer (7, 24) zumindest bereichsweise mit einem Fasermaterial (14, 31) gefüllt ist und daß in Strahlungsrichtung vor dem Fasermate­ rial (14, 31) ein optisches Filter (13, 28) angeordnet ist.

2. Opto-pneumatischer Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserdicke kleiner als 50 µm ist.

3. Opto-pneumatischer Detektor nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß das Fasermaterial (14, 31) aus Naturstoffasern besteht.

4. Opto-pneumatischer Detektor nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß das Fasermaterial (14, 31) aus Kunststoffasern besteht.

5. Opto-pneumatischer Detektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Faser­ material (14, 31) aus Seide besteht.

6. Opto-pneumatischer Detektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Faser­ material in Form eines Vlieses (14) ausgebildet ist.

7. Opto-pneumatischer Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Fasermaterial in Form von zwei oder mehreren in Strahlungsrichtung hinterein­ anderliegenden Geweben (31) ausgebildet ist.

8. Opto-pneumatischer Detektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für ein nach dem Zweistrahl-Prinzip arbeitendes Infrarot-Gasanalysegerät (15) das Gasvolumen in Form einer zu der Detektorkammer (24) baugleichen weiteren Detektorkammer (26) ausgebildet ist.