DE2326123C3

DE2326123C3 - Non-dispersive infrared photometer for determining the concentration of an analysis gas in a gas mixture

Info

Publication number: DE2326123C3
Application number: DE19732326123
Authority: DE
Inventors: Karl F. Dipl.-Phys. Dr. 4300 Essen Luft; Karl-Heinz Dipl.-Ing. Dr. 2000 Hamburg-Norderstedt Zoerner
Original assignee: Bergwerksverband GmbH
Current assignee: Bergwerksverband GmbH
Priority date: 1973-05-23
Filing date: 1973-05-23
Publication date: 1979-01-04
Also published as: DE2326123A1; DE2326123B2

Description

Die Erfindung betrifft ein nichtdi-.oersives Infrarot-Fotometer zur Konzentrationsbestinimung eines Analylengases in einem Gasgemisch der im Oberbegriff des Patentanspruches angegebenen Gattung.The invention relates to a non-di-.oersive infrared photometer for determining the concentration of an analylene gas in a gas mixture of the type specified in the preamble of the claim.

In Verbindung mit der Analyse von Stoffen bzw. der Konzentrationsbestimmung von Stoffen in Hinblick auf ein besonderes Gas werden als Strahlungsdetektoren Doppelschichtabsorptions-Meßkammern verwendet, die mit modulierter Strahlung: beaufschlagt werden.In connection with the analysis of substances or the determination of the concentration of substances with regard to a special gas are used as radiation detectors, double-layer absorption measuring chambers, which are exposed to modulated radiation:

Hierzu sind Vorrichtungen des sogenannten Zwei-Itrahl- oder Einstrahltyps mit selektiven, gasgefüllten Empfängerkammern bekannt Die meisten dieser nichtdispersiven Analysenvorrichtungen arbeiten nach dem Zweistrahlprinzip, wie dies beispielsweise aus der DE-PS 7 30 478 bekannt ist, um die erforderliche Substraktion des Grundsignals durch Differenzmessung mit einem gleichartigen symmetrischen Referenzstrahlengang zu bewirken. Das System ist optisch so justiert daß ohne Vorabsorption der Analysenküvette die gleichphasige Strahlenmodulation in beiden Emp-Fängerkammern gleich große Signale (Temperatur-/ Druckimpulse) erzeugt die siich am Detektor (Thermotonde/Membrankondensator) aufheben. Enthält das kießgas in der Analysenküvette die Meßkomponente, Io wird ein Teil der Strahlungsleistung konzentrations- »bhängig bereits vorabsorbiert und das Gleichgewicht der Empfängersignale aufgehoben.For this purpose, devices of the so-called two-beam or single-jet type with selective, gas-filled receiver chambers known most of these Non-dispersive analysis devices work according to the two-jet principle, as shown, for example, in the DE-PS 7 30 478 is known to the necessary subtraction of the basic signal by differential measurement to effect with a similar symmetrical reference beam path. The system is optically adjusted in this way that without pre-absorption of the analysis cuvette the in-phase radiation modulation in both receiver chambers signals of the same size (temperature / pressure pulses) generated by the detector (thermal probe / membrane capacitor) lift. If the shot gas in the analysis cuvette contains the measuring component, Io, part of the radiation power is already pre-absorbed, »depending on the concentration, and equilibrium the receiver signals canceled.

Da jedoch alle geringfügigen Änderungen der Symmetrie der Strahlenwege, z.B. durch optische Dejustierung, Strahlenalterung, Küvettenverschmutaung und jede nichtselektive Vorabsorption, das Gleichgewicht der Empfängersignale ebenfalls stören können, ist die Nullpunkt'Stabilität und Selektivität dieser Vorrichtung für hochempfindliche Meßbereiche unzureichend. Da außerdem die Differenz großer thermopneumatischer Empfängersignale zu bilden ist, muß die Amplitude und Phase dieser Signale besonders stabil sein, was sich bei Spurenmeßbereichen nur durch genaue Thermostatisierung solcher Geräte annähernd erreichen läßtHowever, since all minor changes in the symmetry of the beam paths, e.g. due to optical Misalignment, radiation aging, cuvette contamination and any non-selective pre-absorption, also upset the balance of the receiver signals is the zero point 'stability and selectivity this device is insufficient for highly sensitive measuring ranges. Since the difference is also greater Is to form thermopneumatic receiver signals, the amplitude and phase of these signals must be special be stable, which can only be approximated in the case of trace measuring ranges through precise thermostatting of such devices can achieve

Eine Weiterentwicklung der Zweistrahlgeräte verwendet eine gemeinsame Empfängerkammer für die gegenphasig modulierte Meß- und Referenzstrahlung.A further development of the two-beam devices uses a common receiving chamber for the In phase opposition modulated measurement and reference radiation.

ίο Die Signaldifferenz wird dabei unmittelbar in demselben Absorptionsvolumen der Meßkammer gebildet Es besteht jedoch wiederum der bereits beschriebene nachteilige Einfluß von Änderungen der Strahlungssymmetrie auf die Nullpunkt-Stabilitätίο The signal difference is immediately in the same Absorption volume of the measuring chamber formed. However, there is again the one already described adverse influence of changes in the radiation symmetry on the zero point stability

Diese Schwierigkeiten werden mit sogenannten Einstrahl-Doppelschicht-Absorptionsmeßkammern gemäß DE-PS 10 17 385 verringert, die zwei optisch hintereinander liegende, durch ein Fenster pneumatisch getrennte Gasvolumen besitzen. Durch die vordere kürzere Schicht wird vorzugsweise Strahlungsleistung aus den Zentren und durch die dahinter liegende Schicht sus den Flanken jeder Absorpiionsknsc absorbiert Beide Anteile sind durch die Kammer-Geometrie und Füllgas-Konzentration so abgeglichen, daß nahezu gleich große Signalimpulse erzeugt werden, die am Detektor im Gleichgewicht stehen. Durch die selektive Vorabsorption (Meßeffekt) in der Aralysenküvette, deren Schichtstärke dem Meßbereich angepaßt ist, wird vorwiegend nur die Strahlungsleistung für die vordere Absorptionsschicht geschwächt, während die der hinteren weitgehend erhalten bleibt Die daraus resultierende Signaldifferenz ist von der Konzentration der Meßkomponente abhängig. Für einen einwandfreien Nullabgleich müssen die pneumatischen Signalimpulse in Amplitude und Phase übereinstimmen, was infolge der unterschiedlichen Geometrie der Absorptionsvolumina und der somit unterschiedlichen Zeitkonstante von Gaserwärmung und -abkühlung nur schwierig durch pneumatische Nebenschlüsse und Laufzeitglieder aus Kapillaren und Totvolumen odei durch spezielle Formgebung der Kammer abstimmbar istThese difficulties are with so-called single-beam double-layer absorption measuring chambers according to DE-PS 10 17 385 reduces the two optically one behind the other, pneumatically through a window have separate gas volumes. The front, shorter layer preferably produces radiation power absorbed from the centers and through the layer behind them to the flanks of each absorption node Both parts are balanced by the chamber geometry and filling gas concentration so that almost equally large signal pulses are generated that are in equilibrium at the detector. Through the selective Pre-absorption (measuring effect) in the aralysis cuvette, the layer thickness of which is adapted to the measuring range mainly only the radiation power for the front absorption layer is weakened, while that of the rear is largely retained The resulting signal difference is from the concentration dependent on the measuring component. For a correct zero adjustment the pneumatic signal pulses match in amplitude and phase, which is due to the different geometry of the absorption volumes and the thus different time constants of gas heating and cooling are difficult to achieve pneumatic shunts and transit times from capillaries and dead volume or by special Shape of the chamber is tunable

Ein nichtdispersives Infrarot-Fotometer der eingangs bezeichneten Gattung ist beispielsweise aus der DE-AS 13 02 592 bekannt Bei dieser Vorrichtung wird das Auftreten großer Impulssignale dadurch unterdrückt, daß die Strahlung in zwei gegenphasig modulierte Anteile zerlegt wird, von denen einer den Meß- und der andere den Referenzraum einer geteilten Analysenküvette durchläuft Danach fällt in die gemeinsameA non-dispersive infrared photometer from the introduction designated genus is known for example from DE-AS 13 02 592. In this device, the The occurrence of large pulse signals is suppressed by modulating the radiation in two out of phase Parts are broken down, one of which is the measuring chamber and the other is the reference chamber of a divided analysis cuvette then goes through falls into the common

so Meßkammer eine nahezu zeitlich konstante Strahlungsintensität ein, die den Detektor in thermopneumatischem Gleichgewicht hält Nur bei selektiver Vorabsorption im Analysenraum der Küvette erhält die Meßkammer eine selektiv modulierte Strahlungsdifferenz, die zwischen beiden Absorptionsschichten eine Signaldifferenz erzeugt Für das Meßsignal gilt:so measuring chamber a radiation intensity that is almost constant over time, which the detector in thermopneumatic Maintains equilibrium The Measuring chamber a selectively modulated radiation difference between the two absorption layers Signal difference generated The following applies to the measurement signal:

l/ll / l

ΛΗ/·.,ΛΗ / ·.,

K₂).K ₂ ).

Hierbei bedeuten / die Strahlungsintensitäten hinter der Küvette Und £Ί und Ei die je Volumeneinheit und Intensitätseinheit in der ersten bzw. zweiten Schicht des Empfängers absorbierten Strahlungsenergien.Here / the radiation intensities behind the cuvette And £ Ί and Ei mean the radiation energies absorbed per volume unit and intensity unit in the first and second layer of the receiver, respectively.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nullpunkt-Stabilität und den Signalstörabstand bei einem nichtdispersiven Infrarot^Fotometer der eingangs bezeichneten Gattung zu verbessern.The present invention is based on the object of the zero point stability and the signal-to-noise ratio to improve with a non-dispersive infrared photometer of the type mentioned at the beginning.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichenteil des Patentanspruchs angegebenen Merkmale gelöstThis object is achieved by the features specified in the characterizing part of the patent claim

Das Gesamtprinzip des erfindungsgemäßen nichtdispersiven Infrarot-Fotometars ist also dadurch gekennzeichnet, daß auf jeder Seite der Meßkammer je ein Strahler, Reflektor, eine Doppelküvette, eine Blende in symmetrischer Anordnung vorgesehen sind.The overall principle of the non-dispersive according to the invention Infrared Fotometars is characterized in that one on each side of the measuring chamber Emitter, reflector, a double cuvette, a diaphragm are provided in a symmetrical arrangement.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft und unter Bezugnahme auf die Zeichnung weiter ins einzelne gehend erläutert, wobei in der Zeichnung der Aufbau eines einachsigen Fotometers dargestellt istThe invention is described below by way of example and with reference to the drawing individual going explained, the structure of a uniaxial photometer being shown in the drawing

Bei dieser Ausführungsform besitzt das Fotometer nur eine Hauptachse. Die von den beiden diametral gegenüberliegenden Strahlern 1 mit Reflektoren 2 ausgehende Infrarot-Emission wird von den mit einem gemeinsamen Motor Mangetriebenen Blendenscheiben 4 periodisch so unterbrochen, daß jeweils wechselseitig zwei intensitätsgleiche Strahlungsanteile durch Meß- und Referenzraum der gegenüberliegenden Küvetten gleichzeitig in die thermopneumatische Doppelschicht-Absorptions-Meßkammer 8 einfallen. In jeder Absorptionsschichl bildet sich somit gleichsam die Signalsumme der Absorptionsenergien von Strahlung uiraitteibar aus der Küvette und Strahlung aus der Nachbarschaft Infolge der Doppel-Symmetrie der Anordnung werden stets gleich große Strahlungsenergien E in den Kammerschichten absorbiert Da somit in jeder Modulationsphase dynamisches Signalgleichgewicht besteht, bleibt der Detektor 5 im statischen Gleichgewicht Eventuell statische Druckunterschiede oder Konzentrationsdifferenzen der Gasfüllung gleichen sieb über die Verbindungskapillare 6 aus. Um keinen Signalverlust zu erleiden, ist die pneumatische Zeitkonstante hierzu größer als die Modulationsperiode.In this embodiment the photometer has only one main axis. The infrared emission emanating from the two diametrically opposite radiators 1 with reflectors 2 is periodically interrupted by the diaphragm disks 4 driven by a common motor so that two alternating radiation components of equal intensity pass through the measuring and reference space of the opposite cuvettes simultaneously into the thermopneumatic double-layer absorption -Measuring chamber 8 collapse. In each Absorptionsschichl thus it were, the signal sum of the absorption energy of radiation Consequently forms uiraitteibar out of the cuvette and radiation from the vicinity of the double-symmetry of the arrangement are always equal radiation energies E thus absorbed in the chamber layers, since in each modulation phase dynamic signal equilibrium exists remains Detector 5 in static equilibrium Any static pressure differences or concentration differences in the gas filling are compensated for via the connecting capillary 6. In order not to suffer any loss of signal, the pneumatic time constant is greater than the modulation period.

Diese Anordnung ist somit besonders stabil hinsichtlich des Nullpunktabgleichs; sie liefert das räumlich und zeitlich gemittelte Signal:This arrangement is therefore particularly stable with regard to the zero point adjustment; it delivers that spatially and time-averaged signal:

S₃ * (E - aE). (Z₁₁ - I_n) - (Z₂₁ - Z₂₂). (2)S ₃ * (E - aE). (Z ₁₁ - I _n ) - (Z ₂₁ - Z ₂₂ ). (2)

Verglichen mit der Signalgröße nach Gleichung (1) bisher bekannter Fotometer liefert das erfindungsgemäße Fotometer doppelt so große Signale, da gemäß Nullabgleichbedingungen Zn=Za und I\i=h\ ist Das Fotometer ist daher vorteilhaft für die Bestimmung von Spurenkonzentrationen geeignet Darüber hinaus besitzt es den Vorteil, daß infolge der gleichen Dicke der Absorptionsschichten der Meßkamme" 3 Querempfindlichkeiten durch Bandenüberlappung von Störgasen auskompensiert werden und daß das Signal nicht als Differenz großer Werte entsteht sondern sich auf dem statischen Gleichgewicht aufbaut Die Meßkaminer-Konstruktion ist einfach und wegen des symmetrischen Aufbaus hinsichtlich Phasenbeziehungen der Signale stets von selbst abgeglichen.Compared with the signal size according to equation (1) of previously known photometers, the photometer according to the invention provides twice as large signals, since Zn = Za and I \ i = h \ according to zero adjustment conditions the advantage that due to the same thickness of the absorption layers of the measuring chambers "3 cross-sensitivities are compensated by band overlapping of interfering gases and that the signal does not arise as a difference of large values but builds on the static equilibrium. The construction of the measuring chamber is simple and because of the symmetrical structure in terms of Phase relationships of the signals are always automatically adjusted.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Claim:

Non-dispersive infrared photometer for determining the concentration of an analysis gas in a gas mixture, with a first infrared radiator, a first double cuvette arranged downstream of this, comprising a measuring and reference room, a first modulation diaphragm for alternating interruption of the beam paths through the measuring and reference room, one of the first Double-layer receiver arranged downstream of the double cuvette and with devices for measuring the difference between the radiation energies absorbed in the two receiver layers of the double-layer receiver, characterized in that the side of the second receiver layer facing away from the first infrared radiator (1) is designed to be radiation-permeable, that the two receiver layers are equally dimensioned, that a second infrared emitter (1), a second double cuvette (3) and cmc £ Wcilc lYiuuuiauutiauieiiuc yr) ^ £. 115111,11 uw double-layer receiver (8) symmetrically to the first infrared emitter (1) or the first en double cuvette (3) or the first modulation diaphragm (4) are arranged and that the beam paths through the measuring and reference space of the second double cuvette (3) are in phase opposition to the beam paths through the measuring and reference space of the first double cuvette (3) are modulated.