DE2130331B2

DE2130331B2 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der konzentrationen der komponenten eines aus zwei gasen und rauch bestehenden gemisches

Info

Publication number: DE2130331B2
Application number: DE19712130331
Authority: DE
Inventors: Joachim Dipl.-Geophys. 8000 München Müller
Original assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Current assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Priority date: 1971-06-18
Filing date: 1971-06-18
Publication date: 1977-03-17
Also published as: FR2142525A5; GB1390227A; IT956679B; DE2130331A1; CH551622A; DE2130331C3

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Konzentrationen der Komponenten eines aus zwei Gasen und Rauch bestehenden Gemisches, bei dem die Extinktionswerte des Gemisches bei einer der Anzahl der Komponenten entsprechenden Anzahl von optischen Wellenlängen gemessen und die einzelnen Konzentrationen mittels eines auf dem Lambert-Beerschen Gesetz beruhenden Gleichungssystem berechnet werden.

Zur Analyse von Stoffgemischen ist es bekannt (DT-PS 8 28604), die selektive Strahlungsabsorption der Stoffe zu verwenden. Beim Vorhandensein mehrerer absorbierender Bestandteile in einem Gemisch kann eine selektive Analyse in der Weise durchgeführt werden, daß man entweder einen selektiven Strahler oder einen selektiven Empfänger oder beides verwendet, damit nur die Wellenlängengebiete zur Messung gelangen, die für den zu bestimmenden Stoff charakteristisch sind. Des weiteren ist bereits ein Verfahren zur gleichzeitigen Bestimmung des Vorhandenseins mehrerer Elemente in einer dampfförmigen analytischen Probe mit Hilfe der atomaren Absorptionsspe^troskopie bekannt (DT-OS 15 98 832), bei dem den verschiedenen Elementen entsprechende Strahlungsbündel zu einem gemeinsamen Bündel kombiniert werden, das durch die dampfförmige Probe hindurchgeschickt wird. Dadurch absorbiert jedes Element in der Probe einen Teil der entsprechenden Strahlung im kombinierten Bündel. Nachdem das kombinierte Bündel durch die analytische Probe hindurchgegangen ist, wird es wieder in gesonderte Strahlungsbündel zerlegt, die je einem Element in der Probe entsprechen. Jedes dieser getrennten Strahlungsbündel wird dann gesondert erfaßt, so daß jedes der Elemente in der ana'ytischen Probe bestimmt werden kann. Gemeinsam ist diesen bekannten Verfahren, daß Absorptionswellenlängen herausgesucht werden müssen, bei denen jeweils nur eine der zu bestimmenden Komponenten absorbiert, die anderen nicht Dies bedeutet eine für die Praxis häufig zu starke Beschränkung der in Frage kommenden

Wellenlängen.

Es ist aber auch schon bekannt die Konzentrationen der Komponenten eines Gasgemisches zu bestimmen, wenn die Absorptionsbereiche der Komponenten sich überschneiden (US-PS 30 04 664 und »The Encyclopedia of Spectroscopy«, Reinhold Publishing Corp, N. Y. I960, Seiten 11,12). Hierbei werden die Extinktionswerte des Gemisches bei einer der Zahl der Komponenten entsprechenden Anzahl von optischen Wellenlängen gemessen und die einzelnen Konzentrationen mittels eines auf dem Lambert-Beerschen Gesetz beruhenden Gleichungssystems berechnet

Die Erfindung befaßt sich mit dem speziellen Problem, die Konzentrationen der Komponenten eines aus zwei Gasen und Rauch bestehenden Gemisches zu bestimmen. Anwendungen bestehen z. B. bei Feuerungsanlagen in Kraftwerken, Heizwerken, Abfallverbrennungsanlagen usw., wo neben Rauch auch gasförmige Luftverunreinigungen wie SO2 und NO₂ anfallen. Das Ziel der Erfindung besteht somit darin, ein Verfahren der eingangs genannten Gattung zu schaffen, mit dem auf einfache Weise die gleichzeitige Messung der Konzentrationen von zwei Gaskomponenten und einer Rauchkomponente möglich ist

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Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor daß

a) die Wellenlängen so nah benachbart gewählt werden, daß die Abhängigkeit der Extinktion des Rauches von der Wellenlänge vernachlässigt werden kann,

b) eine der Wellenlängen in einen Spektralbereich außerhalb der Absorptionsbanden eines der beiden Gase gelegt wird und

c) für ein «rstes Wellenlängenpaar die Absorptionskoeffizienten des einen Gases und für ein zweites Wellenlängenpaar die Absorptionskoeffizienten des anderen Gases gleich sind.

Diese spezielle Verfahrensführung ermöglicht es einerseits, insbesondere bei den hauptsächlich in Frage kommenden Gasen SO₂ und NO₂ ohne weiteres geeignete Wellenlängen für die Messung zu finden, die zudem auch noch durch übliche optische Filter leicht getrennt werden können. Andererseits wird die Auswertung der Meßergebnisse wesentlich vereinfacht

Die Erfindung betrifft weiter eine Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentrationen der Komponenten eines aus zwei Gasen und Rauch bestehenden Gemisches mit einer Lichtquelle, Wellenlängenselektionseinrichtungen und Detektoreinrichtungen umfassenden Einrichtungen zur Messung der Extinktionswerte des Gemisches bei drei verschiedenen Wellenlängen sowie an die Detektoreinrichtungen angeschlossenen Auswerteschaltungen zur Berechnung der ein: einen Konzentrationen aus einem auf dem Lambert-Beersehen Gesetz beruhenden Gleichungssystem.

Erfindungsgemäß kennzeichnet sich eine derartige Vorrichtung dadurch, daß die Wellenlängenselektionseinrichtungen drei getrennte, jeweils gleichzeitig von dem durch das Gemisch hindurchgegangenen Licht beaufschlagte optische Elemente zur räumlichen Abtrennung jeweils einer der drei Wellenlängen umfassen und daß die Detektoreinrichtungen aus drei den Elementen jeweils zugeordneten Photodetektoren bestehea Die Erfindung schlägt also trotz des Erfordernisses, drei Wellenlängenbereiche auf drei unterschiedliche Photodetektoren zu bringen, eine rein statisch arbeitende Strahlenteilungseinrichtung vor, was durch die spezielle Wahl der Wellenlängenbereiche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wesentlich begünstigt wird.

Vorteilhafterweise sind die optischen Elemente, welche bevorzugt Strahlenteiler und Spektralfilter enthalten, auch von Referenzlicht beaufschlagt. Ein besonders einfacher und kompakter Aufbau kann erzielt werden, wenn die Strahlenteiler aus dichroitischen Spiegeln bestehen.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung mit eingezeichneten Strahlengängen und

F i g. 2 einen Ausschnitt der Schaltung eines Analogrechners zur Auswertung der mit der Vorrichtrng nach Fig. 1 erzeugten elektrischen Signale.

Bei der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform handelt es sich um ein Dreikanal-Transmissometer, in dem in an sich bekannter Weise mittels einer umlaufenden Lochscheibe 26, eines Kösterprismas 12 und geeigneter Optiken ein Meßlichtbündel 31 und ein Vergleichsstrahlenbündel 14 erzeugt werden. Eine Lichtquelle 11 sendet weißes Licht aus. Das Meßstrahlenbündel 31 wird durch Lochringe 27, das Vergleichs-

strahlenbündel 14 durch Lochringe 28 in der Lochscheibe 26 moduliert Die Modulationsfrequenzen beider Teillichtbündel sind unterschiedlich, um in der nicht dargestellten Elektronik getrennt werden zu können.

Das Meßlichtbündel 31 tritt durch einen Teilerspiegel 29 hindurch und wird durch eine Sende-Empf angsoptik 32 in die Meßstrecke (z. B. ein Kamin) geleitet Am Ende der Meßstrecke ist ein Reflektor 33 vorgesehen, der z. B. ein mit einer Optik ausgestatteter Tripelspiegel sein kann und das Meßlichtbündel in sich zurückwirft Die Meßstrecke ist mit 13 bezeichnet

Der durch die Meßstrecke 13 zurückgelangende Teil des Meßstrahlenbündels wird an dem Teilerspiegel 29 teilweise um 90° nach unten abgelenkt und gelangt auf drei hintereinander angeordnete Spiegel 15,16,30, von denen die Spiegel 15,16 halbdurchlässig sind, während es sich bei dem Spiegel 30 um einen Planspiegel handelt An jedem der drei Spiegel 15,16,30 wird wenigstens ein Teil des Meßstrahlenbündels um 90° nach rechts abgelenkt, so daß das Bündel insgesamt in drei Teilbündel 17, IS, 19 aufgespalten wird. Diese Teillichtbündel 17,18,19 fallen durch Spektralfilter 23, 24,25 auf Photodetektoren 20,21,22.

Das durch die Lochringe 28 hindurchtretende Vergleichslichtbündel 14 fällt ebenfalls auf den teildurchlässigen Spiegel 15, und zwar in der Weise, daß es mit dem zurückgeworfenen Teil des Meßstrahlenbündels in den verschiedenen Strahlenwegen vereinigt wird und somit ebenfalls zu den Detektoren 20, 21, 22 gelangt

Statt der Spektralfilter 23,24,25 oder zusätzlich dazu können die Strahlenteiler 15, 16 auch als dichroitische Spiegel ausgebildet sein, um zu gewährleisten, daß zu den einzelnen Photoempfängern nur die gewünschten Wellenlängenbereiche oder Wellenlängen gelangen.

Die in der Zeichnung dargestellte Ausführungsform ist aufgrund der dargestellten geometrischen Anordnung der Strahlenlänge und Bauteile besonders bevorzugt, weil sie sehr kompakt ist und sich dadurch auch für die Unterbringung auf kleinem Raum eignet.

An jedem Detektor 20, 21, 22 entstehen also zwei Signale unterschiedlicher Frequenz, aus denen in an sich bekannter Weise auf elektronischem Wege der Koeffizient gebildet wird. Somit werden Änderungen der Lampenemission und der Empfängerempfindlichkeit automatisch kompensiert, und das Gerät arbeitet auch über lange Zeiträume sehr genau. Die Signale werden anschließend logarithmiert und in der Extinktion geeicht

Es werden also drei Extinktionswerte £Ί, E₂, £i für drei Wellenlängenbereiche Δλ\, Al₂ und Al₃ gemessen, aus denen sich auf die folgende Weise die verschiedenen Gaskonzentrationen messen lassen.

Die Konzentrationen der Gase b?w. des Rauches hängen mit den Extinktionen wie folgt zusammen, wenn man voraussetzt, daß die drei für die Messung verwendeten Wellenlängenbereiche so eng benachbart sind, daß die Extinktion Er des Rauches bei allen drei Wellenlängen als gleich angenommen werden kann:

£1 = / · (Ew ■ Ο + £21 ■ C2) + Er Ei = I- (En ■ C\ + E22 ■ Ci) + Er Ei = / · (Eu ■ O + En ■ C2) + Er

Darin bedeuten:

/ die optische Länge der Meßstr ecke,
E_Xy den spezifischen Extinktionskoeffizient des Gases χ bei der Wellenlänge bzw. im Wellenlängenbereich y,

C_x die Konzentration des Gases x, Ey die Gesamtextinktion bei der Wellenlänge bzw. im

Wellenlängenbereich y\md
Er die Extinktion der Rauchkomponente.

Nach der Determinanten-Methode ergibt sich als Lösung für Q, C₂ und Er folgendes:

C -^Dl

C₂ =

E„ =

5l

D '

D, Di, D₂ und D3 sind bekanntlich Determinanten, wobei D nur aus Produkten und Differenzen der Koeffizienten E_xy besteht und somit einen konstanten Wert besitzt Durch Wahl von En — 0,£Ή = Zfoundisb = E₂₃ ergibt sich folgende einfache Lösung:

C₁ =

Q =

■3 ·

E₂-E.

IE_n '

1(E₂₂-E₂₁)'

E₂₂-E

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Diese Gleichungen können unter Verwendung einer s Schaltung gemäß Fig.2 auf einfache Weise gelöst werden. Die Schaltung zeigt einen sogenannten gewichteten Addierer/Subtrahierer mit einem Operationsverstärker 34, an dessen + — Eingang Ober einen Widerstand R/Ku das Extinktionssignal £1 und an

dessen Eingang über Widerstände RZKi₂ bzw.

R/K\3 die Extinktionssignale E₂ und £3 angelegt sind. Die Gegenkopplung zum Eingang erfolgt über einen

Widerstand R'. Zuir Normierung ist der + - Eingang des Operationsverstärkers 34 über einen Widerstand R und einen Regelwidenstand R/Ka geerdet

Bei dieser Schaltung ist angenommen, daß Kw positiv und Km, Km negativ sind. Außerdem ist die Beziehung Ku + Ka = Kn + Kt₃ einzuhalten.
Die Konstanten Ku, K_n und K_i3 sind die Koeffizienten der Extinktionen Eu E₂ und Er in den Ausdrücken für die Determinanten Di, D₂ und D₃. Mit drei derartigen Rechnern der in IF i g. 2 dargestellten Art werden also die den Determinanten Di, D₂ und D₃ proportionalen Spannungen erhalten. Diese werden dann durch entsprechend gewählte Verstärkungsfaktoret. auf die Werte Di/D, Di/Dund D₃ID normiert und am Ausgang in den oben angegebenen Gaskonzentrationen Ci bzw. C₂ und als Rauchextinktion Er geeicht

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Bestimmung der Konzentrationen der Komponenten eines aus zwei Gasen und Rauch bestehenden Gemisches, bei dem die Extinktionswerte des Gemisches bei einer der Anzahl der Komponenten entsprechenden Anzahl von optischen Wellenlängen gemessen und die einzelnen Konzentrationen mittels eines auf dem Lambert-Reerschen Gesetz beruhenden Gleichungssystem berechnet werden, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Wellenlängen so nahe benachbart gewählt werden, daß die Abhängigkeit der Extinktion des Rauches von der Wellenlänge vernachlässigt werden kann,

c) für ein erstes Wellenlängenpaar die Absorptionskoeffizienten des einen Gases und für ein zweites Wellenlängenpaar die Absorptionskoeffizienten des anderen Gases gleich sind.

2. Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentrat»- nen der Komponenten eines aus zwei Gasen und Rauch bestehenden Gemisches mit eine Lichtquelle, Wellenlängenselektionseinrichtungen und Detektoreinrichtungen umfassenden Einrichtungen zur Messung der Extinktionswerte des Gemisches bei drei verschiedenen Wellenlängen sowie an die Detektoreinrichtungen angeschlossenen Auswerteschaltungen zur Berechnung der einzelnen Konzentrationen aus einem auf dem Lambert-Beerschen Gesetz beruhenden Gleichungssystem, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlängenselektionseinrichtungen drei getrennte, jeweils gleichzeitig von dem durch das Gemisch hindurchgegangenen Licht beaufschlagte optische Elemente (15,23; 16,24; 30, 25) zur räumlichen Abtrennung jeweils einer der drei Wellenlängen umfassen und daß die Detektoreinrichtungen aus drei den Elementen jeweils zugeordneten Photodetektoren (20,21> 22) bestehen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente (15,23; 16,24; 30 25/ auch von Referenzlicht beaufschlagt sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente Strahlenteiler (15, 16) und Spektralfilter (23, 24, 25) enthahen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlenteiler aus dichroitischen Spiegehi (15,16) bestehen.