-
Verfahren zur Messung der Summe der Sonzentrationen mehrerer Gaskomponenten
in einem Gasgemisch Die :E:rSindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Summe
der Konzentrationen mehrerer, vorzugsweise zweier, infrarotabsorbierender Gase in
einem Gasgemisch mit rille von nichtdispersiven Infrarot-Analysatoren mit pneumatischen
Strahlungsempfängern.
-
Rs ist bekannt, daß verschiedene nichtdispersive Infrarot-Analysatoren
nach dem Enstrahl- oder Mehrstrahlverfahren mit Gleich- oder Wechsellicht arbeiten
und Strahlungsempfänger der verschiedensten Art enthalten.
-
Der Erfindung liegen Infrarot an alysatoren mit pneumatischen Strahlungsempfängern
zugrunde, d.h. mit Strahlungsempfängern, in denen fest eingeschlossene Volumina
des nachzuweisenden Gases oder eines Gases, das mit dem nachzuweisenden Gas gemeinsame
Infrarotbanden aufweist, zum Nachweis der Infrarotstrahlung verwendet werden.
-
Insbesondere liegen der Erfindung Infrarot-Analysatoren mit pneumatischen
Strahlungsempfängern zugrunde, die nach dem Zweistrahl-Wechsellichtverfahren arbeiten,
jedoch ist die Erfindung auch auf alle anderen Infrarot-Analysatoren mit pneumatischen
Strahlungsempfängern anwendbar.
-
Die Messung beruht auf dem bekannten Prinzip der Infra rotabsorption,
wonach viele Stoffe für sie charakteristitschen Bereiche des Infrarotspektrums,
sog. Infrarot-Banden absorbieren.
-
In einem Zweistrahl-Infrarot-Analysator gelangen ae ein Infrarotstrahlenbündel
durch eine Proben- und eine Vergleichszelle in zwei Kammern des Strahlungsempfängers,
in denen ein bestimmtes Volumen es zu messenden Gases eingeschlossen ist.
-
Das Empfängergas absorbiert aus den in den Empfänger eintretenden
Strahlenbündeln bestimmte Anteile und erwärmt sich dadurch. Durch geeignete Mittel,
z. B. eine mechanische Blende, werden die Strahlenbündel so abgeglichen, daß in
beide Empfängerkammern gleiche Strahlungsmengen eintreten. Infolgedessen ist auch
die Erwärmung des Empfängergases in beiden Empfängerkammern gleich. Bringt man nun
ein Proben gas, das die zu messende Gaskomponente enthält, in die Probenzelle, dann
wird ein Teil der sonst ia der zur Proben zelle gehörenden Empfängerkammer absorbierten
Strahlung bereits in der Probenzelle absorbiert. Infolgedessen wird in der zur Probenzelle
gehörenden Empfängerkammer weniger Strahlung absorbiert als in der zur Vergleichszelle
gehörenden Empfängerkammer und es entsteht ein Unterschied in der Erwärntung der
in den beiden Empfängerkammern eingeschlossenen Gasvolumina. Dieser Unterschied
in der Erwärmung der Kammerfüllungen ist ein Maß für die Konzentration der zu messenden
Gaskomponente im Probengas.
-
Für die Erfindung ist es ohne Bedeutung, ob der Temperaturunterschied
zwischen Empfängerkammern direkt z. B. mit Wiederstandsthermometern gemessen wird
oder ob der infolge des Temperaturunterschiedes auftretende Druckunterschied gemessen
wird oder ob die infolge des Druckunterschiedes auftretende Gasströmung in einem
Verbindungskanal zwischen den Empfängerkammern gemessen wird. Ebenso ist es für
die Erfindung ohne Bedeutung, ob aus meßtechnischen Gründen die Infrarot-Strahlenbündel
moduliert werden.
-
Es ist ein charakteristische. Merkmal der Infrarot lysatoren mit pneumatischen
Empfängern, , daß sie eine relativ hohe Selektivität besitzen. Sie sprechen nur
auf die Komponenten des Probengases an, die die gleichen
Infrarot-Banden
besitzen wie das Empfängerfüllgas oder deren Infrarot-Banden sich mit denen des
Empfängerfüllgases wenigstens teilweise überdecken. Auf Gaskomponenten, deren Äbsorptionsbanden
an anderen Stellen des Infrarotspektrums liegen als die des Empfängergases, spricht
der Analysator nicht an.
-
Im allgemeinen ist diese Selektivität erwünscht und : es sind verschiedene
Verfahren bekannt, bei denen durch optische Filterung, durch Anordnung der Empfängerkammern
hintereinander oder durch verschiedenartige wellung der Empfängerkammern die Selektivität
erhöht wird.
-
Es gibt jedoch Fälle, in denen es erwünscht ist, die Summe der Konzentrationen
mehrerer infrarotabsorbierender Gase in einem Gasgemisch zu messen. Wegen der Selektivität
des Strahlungsempfängers ist das jedoch nicht möglich. Selbst wenn die Absorptionsbanden
der zu messenden Gaskomponenten sich mit denen des Empfängerfüllgases weitgehend
überlappen, ist eine Summenmessung nicht möglich, da der Strahlungsempfänger auf
Grund der unterschiedlichen Bandenüberdeckungen für die einzelnen Gaskomponenten,
deren Summezu messen ist, unterschiedliche Nachweisempfindlichkeiten besitzt.
-
Es ist ein Verfahren bekannt, nach dem zur Messung der Summe zweier
infrarotabsorbierender Gase in einem Gasgemisch zwei getrennte Infrarot-Analysatoren
verwendet werden, von denen weder eines der beide Gase mißt, und deren elektrische
Ausgangssignale so miteinander verknüpft sind, daß das resultierende Ausgangssignal
der Summe der Konzentrationen beider Gase proportional ist.
-
Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß Anschaffung und Instanthaltung
der Meßanlage teuer sind, da zwei komplette Einzelgeräte verwendet werden müssen.
-
Weiterhin ist ein Verfahren zur Messung der Summe zweier infrarotabsorbierender
Gase bekannt, bei dem in den Strahlungsempfänger ein Gemisch der beiden nachzuweisenden
Gase eingefüllt wird. Die gleiche Meßempfindlichkeit für beide Gase wird hierbei
dadurch erreicht, daß der Strahlungsempfänger das Gas mit der höheren Nachweisempfindlichkeit
in geringerer Konzentration enthält als das Gas mit der niedrigeren Nachweisempfindlichkeit.
Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß das Konzentrationsverhältnis der
beiden Füllgase für jeden Strahlungsempfänger gesondert bestimmt werden muß. Dazu
muß der Strahlungsempfänger solange mit wechselnden Gaskonzentrationen gefüllt werden,
bis für beide Füllgase die Meßempfindlichkeit gleich ist. Da der Strahlungsempfänger
ein mechanisch sehr empfindliches Bauteil ist, besteht die Gafahr, daß er dabei
defekt wird. Hinzu kommt, daß sich die Empfindlichkeit des Strahlungsempfängers
nach der Füllung infolge von Atlerungsvorgängen noch im Laufe einer längeren Zeit
(bis zu einigen Wochen) ändert. Dadurch wird die Bestimmung des Konzentrationsverhältnisses
der Füllgase außerordentlich kompliziert und langwierig. Die Messung der Summe von
mehr als zwei infrarotabsorbierenden Gasen ist nach diesem Verfahren praktisch nicht
möglich.
-
Die Erfindung hat den Zweck, die beschriebenen Nachteile der bekannten
Verfahren zu beseitigen.
-
Der Erfindung liegt die Rufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Messung
der Summe mehrerer, vorzugsweise zweier, infrarotabsorbierender Gase in einem Gasgemisch
mit Hilfe eines nichtdispersiven Infrarot-Gasanalysators mit pneumatische Strahlungsempfänger,
bei dem mit einfachen mitteln die Meßempfindlichkeiten aller zu messenden Gase auf
den gleichen Wert oder auf Werte, die in einem bestimmten, von 1 verschiedenen Verhältnis
zueinander stehen, gebracht werden kann, zu finden.
-
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Strahlungsempfänger
mit vorher festgelegten vorzugsweise gleichen Konzentrationen der zu messenden Gase
gefüllt wird und die unterschiedlichen Meßempfindlichkeiten der Füllgase dadurch
ausgeglichen werden, daß in den Meß-und den Vergle ichsstrahlen gang Korrekturküvetten
ein g 6-schaltet werden, die alle in den Strahlungsempfänger eingefüllten Gase auBer
dem mit der geringsten Meßempfindlichkeit enthalten, wobei die Konzentration jedes
der in dieser Küvette enthaltenen Gase so gewählt ist, daß dadurch die Meßempfindlichkeit
des entsprechenden %Empfängerfüllgases auf den Wert des Gases mit der geringsten
Meßempfindlichkeit oder auf einen Wert, der in einem bestimmten, von 1 verschiedenen
Verhältnis dazu steht, herabgesetzt wird.
-
Es ist bereits ein Gerät bekannt, dessen Strahlungsempfänger mit einem
vorher festgelegten Gemisch zweier infrarotabsorbierender Gase gefüllt ist. Von
diesen zwei Füllgasen dient jedoch nur eines zur messung dieses Gases in einem Meßgasgemisch,
während das andere zur Nacheichung des Gerätes mit einer anderen, im Meßgasgemisch
nicht enthaltenen Gaskomponente dient, die eine besondere Eichküvette durchströmt.
Voraussetzung für die Anwendung dieses Gerätes ist, daß die beiden Empfängersfüllgase
keine gefleinsamen Infrarot-Äbsorptionsbanden besitzen und aß das zur Nacheichung
verwendete Gas nicht im Meßgasgemisch enthalten ist. Das erfindungsgemäße Verfahren
erfüllt
dagegen einen völlig anderen Zweck und ist an diese Voraussetzungen nicht gebunden.
-
Weiterhin ist die Verwendung gas gefüllt er Küvetten im Strahlengang
nichtdispersiver Infrarot-Analysatoren zum Zwecke der optischen Filterung bereits
seit langem bekanne. Diese IEavetten dienen jedoch zur Erhöhung der Selektivität
durch Ausschaltung störender Querempfindlichkeiten. Dieser Aufgabe entsprechend,
sind die Küvetten relativ lang () 50 mm) und mit dem reinen Störgas oder bei mehreren
Störgasen mit einem Gemisch oieser Störgase gefüllt. Demgegenüber dienen die erfindungsgemäßen
Korrekturküvetten zur relativ geringfügigen Herabsetzung einer an sich erwünschten
Meßempfindlichkeit. Sie sind deshalb mit einem oder mehreren der zu messenden Gase
gefüllt und können wesentlich kürzer sein als die herkömmlichen Filterküvetten.
Im allgemeinen werden Küvetten bis zu einer optischen Lange von etwa 19 mm für einen
Infrarot-Analysator als Blockküvetten mit einheitlicher Baulänge gefertigt.
-
Für das erfindungsgemäße Verfahren wird zweckmäßigerweise von diesen
Küvetten mit einheitlicher Baulänge diejenige mit der größten optischen Länge verwendet.
Es können jedoch auch kürzere oder längere Küvetten verwendet werden.
-
Die Verwendung von Küvetten mit größerer Baulänge ist jedoch unzweckmäßig,
da dadurch die für die Meßküvette zur Verfügung stehende Länge verringert wird,
so daß nicht mehr so kleine Meßbereiche realisiert werden können.
-
Für die Korrekturküvette ist im allgemeinen eine optische Länge von
10 mm völlig ausreichend. Erfahrungsgemäß genügt bereits eine Füllkonzentration
von wenigen Volumenprozent des entsprechenden Gases in einer Korrekturküvette von
10 mm optischer Länge, um die gewünschte Korrektur der Meßempfindlichkeit zu erreichen.
Soll die Summe von mehr als zwei infrarotabsorbierenden Gasen gemessen werden, dann
können alle Gase, die zur Korrektur erforderlich sind, gemeinsam in eine Korrekturküvette
gefüllt werden. ren Rest der Füllung bildet in jedem Fall ein Inertgas, z. B. Stickstoff.
-
Im folgenden soll das Verfahren anhand des in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
-
Aufgabe sei die Messug der Summe von CO und CO2 in einem Gasgemisch.
In einem nichtdispersiven Infrarot-Analysator mit den Infrarotstrahlern 1, dem zur
Unterbrechung der Infrarotstrahlen dienenden Blendenrand 2, der Meßküvette 3, der
Vergleichsküvette 4 und dem Membrankondensator 5 sind die Empfängerkammern 6 und
7 mit einem Gasgemisch gefüllt, das gleiche Konzentrationen an CO und CO2, beispielsweise
10 % CO und 10 % CO2, in einem Inertgas, beispielsweise Argen, enthält. Infolgedessen
gibt der Membrankondensator in bekannter Weise ein Signal ab, wenn das die Meßküvette
3 durchströmende Gasgemisch CO und/oder CO2 enthält. Da CO2 wegen seines höheren
Absorptionsvermögens für infrarote Strahlung gegenüber CO einen höheren Meßeffet
ergibt, entspricht das vom Membrankondensator abgegebene Meßsignal nicht der Summe
der Konzentrationen CO und CO2 im Meßgas. Um gleiche Meßeffekte für CO und CO2 zu
erhalten, muß die Meßempfindlichekt das CO2 so weit herabgesetzt werden, daß sie
der von CO entspricht. Das wird dadurch erreicht, daß in den Meß- und Vergleichsstrahlengang
die Korrekturküvetten 8 und 9 eingesetzt w@@@@, die eine bestimmte CO2-Konzentration
in einem Inertgas, beispielsweise Stickstoff, enthalten. In den Korrekturküvetten
wird aus der in die Empfängerkammern 6 und 7 einfallenden Infrarotstrahlung ein
Teil der Strahlung in dem Spektralbereich herausgenommen, in dem CO2 absorbiert.
Dadurch sinkt die Meßempfindlichkeit des Membrankondensators für CO2. Um zu erreichen,
daß das vom Membrankondensator abgegebene Signal der Summe der Konzentrationen CO
un CO2 im Meßgas entspricht, wird die CO2 - Konzentration in den Korrekturküvetten
so
wegählt, daß dadurch die Meßempfindlichkeit des Membrankondensators für CO2 so weit
herabgesetzt wird, daß sie der für CO entspricht.
-
Für bestimmte Meßaufgaben, beispielsweise für die direkte Messung
des an Kohlenstoff gebundenen Sauerstoffs, ist es erforderlich, daß die Nachweisempfindlichkeiten
des Membrankondensators für die zu messenden Gase in einem bestimmten Verhältnis
zueinander stehen, da beispielsweise nicht die Summe CO2 + CO, sondern CO2 + 0,5
CO gemessen werden soll. Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel kann das dadurch
erreicht werden, daß die CO2-Konzentration in den Korrekturküvetten so gewählt wird,
daß die Meßempfindlichkeit des Membrankondensators für CO2 doppelt so groß ist wie
die für 00. s iQt möglich, da ohne Korrekturküvetten die Meßempfindlichkeit für
CO2 mehr als doppelt so groß ist wie die für Co.
-
In anderen Fällen, in denen die Meßempfindlichkeiten der zu messenden
Gase in einem von 1 verschiedenen Verhältnis zueinander stehen müssen, kann es erforderlich
sein, eine bestimmte Konzentration des Gases mit der geringeren Nachweisempfindlichkeit
in die Korrekturküvetten zu fällen um dessen Nachweisempfindlichkeit auf einen Bruchteil
der Nachweisempfindlichkeit des anderen Gases herabzusetzen.
-
Sinngemäß kann das Verfahren auch für die Messung der Summe von mehr
als zwei Gasen angewendet werden. In diesem Fall enthalten die Meßkammern 6 und
7 des Membrankondensators 5 vorzugsweise gleiche Konzentrationen aller zu messenden
Gase und die Korrekturküvetten 8 und 9 bestimmte Konzentrationen aller zu messenden
Gase außer demJenigen mit der geringsten Nachweisempfindlichkeit bzw. aller Gase,
deren Nachweisempfindlichkeit auf einen gewünschten Wert herabgesetzt werden soll.