DE2400221C3

DE2400221C3 - Nichtd'ispers'ives Infrarot-Gasanalysengerät

Info

Publication number: DE2400221C3
Application number: DE2400221A
Authority: DE
Inventors: Karl-Friedrich Dr. 4300 Essen Luft
Original assignee: Bergwerksverband GmbH
Current assignee: Bergwerksverband GmbH
Priority date: 1974-01-03
Filing date: 1974-01-03
Publication date: 1978-06-01
Also published as: JPS50102379A; GB1472319A; DE2400221A1; DE2400221B2; US3968370A; JPS5243114B2

Description

Die Erfindung betrifft ·:ίη nichtdispersives Infrarot-Gasanalysegerät mit einer Strahlereinheit zur Erzeugung modulierter Infrarotstrahlung, einem Einstrahl-Zweischichtempfänger, der zwei hintereinander im Strahlengang angeordnete, mit dem nachzuweisenden Gas gefüllte Kammern aufweist, mit einer zwischen Strahler und Empfänger angeordneten Probenzelle sowie mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines pneumatischen Hilfssignals mit einer der Modulations frequenz der Infrarotstrahlung entsprechenden Fre-,.— .4 _n; — .~*_n|IL,„__A..

wenigstens einer der Kammern.

Bei derartigen Geräten wird in der vorderen Empfängerkammer vorwiegend Energie aus dem für die Strahlungsabsorption des Empfängergases wirksamsten Welienlängenbereich, z. B. dem Zentrum einer Absorptionslinie und in der hinteren, i. a. längeren Empiängerkammer, infolge der Vorabsorption der vorderen Kammer, vorwiegend Energie aus den weniger wirksamen, z. B. an den Flanken einer Absorptionslinie gelegenen Wellenlängenbereichen absorbiert Die Dif-

10' ferenz der in Hen beiden Empfängerkammern absorbierten Strahlungsenergien bzw. die Differenz der durch diese Absorption in den beiden Kammern erzeugten thermischen oder pneumatischen Signale ist ein Maß für die Konzentration des zu bestimmenden Gases in dem Gasgemisch. Im Null-Punkt der Messung, d. h., wenn die Konzentration des zu bestimmenden Gases gleich Null ist, soll i. a. auch diese Signaldifferenz gleich Null sein. Dies bedingt, daß die Signale der Empfängerkammern nicht nur gleiche Amplitude, sondern auch gleiche Phase besitzen müssen. Diese Bedingungen lassen sich bei einer reinen, nur aus einem Strahler, einer Analysenküvette und dem Empfänger bestehenden Einstrahlanordnung nach DE-PS 10 17 385 infolge der unterschiedlichen Geometrie und Absorptionsverteilung der Kammern nicht ohne weiteres erfüllen. Andererseits bietet diese Anordnung den Vorteil des einfachen Aufbaus und einer optimalen Ausnutzung der Strahlung, so daß sich mit ihr insbesondere kleine tragbare Geräte mit geringem Verbrauch an elektrischer Leistung realisieren lassen.

Es ist zur Lösung des Signalabgleichsproblems bereits vorgeschlagen worden, durch spezielle Formgebung der hinteren Empfängerkammer die thermischen Zeitkonstanten der beiden Kammern einander anzugleichen, vergleiche z. B. russisches Patent 1 78 158. Nach einem anderen Vorschlag soll der pneumatische Abgleich mit Hilfe von zusätzlichen Kapillaren und Totvolumina erreicht werden, vergleiche DE-AS 11 83 280. Da jedoch diese Abgleichvorrichtungen infolge der unvermeidlichen, durch Herstellungstoleranzen bedingten Unterschiede und der möglichen zeitlichen ^veränderung der Kammern von außen, ohne Beeinträchtigung der Vakuumdichtigkeit einstellbar sein müssen, führen diese Vorrichtunger zu erheblichen Mehrkosten und erhöhen die Gefahr der Störanfälligkeit der Apparate.

Es ist weiterhin aus der DE-AS 15 98 893 bekannt, das im Null-Punkt der Messung vom Empfänger abgegebene Signal durch ein Hilfssignal mit einstellbarer Amplitude und Phase zu kompensieren. Dabei soll das Hilfssignal mit Hilfe eines zweiten, mit der gleichen Frequenz wie der Hauptstrahler modulierten Strahlers erzeugt bzw. als elektrisches Signal einer anderen Stelle der aus Empfänger und Verstärker gebildeten Meßkette zugeführt werden.

Die Verwendung eines Hilfsstrahlen hat zwar den Vorteil, daß die Kompensation am Anfang der Meßkette erfolgt und infolgedessen das Hilfssignal weitgehend den gleichen Einfluß und Störgrößen unterworfen ist, wie das Hauptsignal. Dieser Vorteil muß allerdings mit einem höheren Aufwand für den mechanisch-optischen Aufbau sowie an elektrischer Leistung für die Heizung des Hilfsstrahlen erkauft werden.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, das Hilfssignal

ft.s zur Kompensation des in optisch-pneumatischen Empfängern durch Strahlungsabsorption entstehenden Diffaromciirnilc 01»( omp Kc>crtnr1*-i>rc amfoprtp WI f*ict* mit

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geringem zusätzlichen Aufwand und mit kleiner, kaum

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nennenswerter elektrischer Leistung zu erzeugen und damit den Bau kleiner, tragbarer und im Bereich der elektrischen Eigensicherheit arbeitenden IR-Gasanalysegeräte zu erleichtern, wie sie insbesondere im Steinkohlenbergbau für die betriebliche und sicherheitliche Überwachung der Grubenatmosphäre benötigt werden.

Das nichtdispersive Infrarot-Gasanalysegerät der eingangs genannten Art ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung des Hilfssignals mindestens einen elektropneumatischen Druckgeber umfaßt, der in pneumatischen Kontakt mit einer der Kammern angeordnet ist.

Die Kompensation des Differenzsignals läßt sich bereits mit einem einzigen, mit einer der beiden Empfängerkammern verbundenen Druckgeber durchführen, erfordert jedoch dann einen nicht immer erwünschten elektronischen Aufwand füraie Erzeugung und Stabilisierung des elektrischen Steuersignals.

Besonders einfach und vorteilhaft läßt sich die Kompensation des Differenzsignals dadurch durchführen, daß zwei elektro-pneumatische Druckgeber vorgesehen sind, von denen der eine mit der vorderen und der andere mit der hinteren Kammer des Einstrahl-Zweischichtempfängers in pneumatischem Kontakt steht, und daß der eine Druckgeber über eine einstellbare elektrische Verzögerungsschaltung und der andere Druckgeber über einen einstellbaren Widerstand vom Ausgangssignal einer Modulationsschaltung für die Strahlereinheit beaufschlagt ist. Zweckmäßigerweise dient als Spannungsquelle ein Generator, der eine pulsierende Spannung von vorzugsweise Rechteckform liefert.

Für eine gute Kompensation ist es zweckmäßig, dafür Sorge zu tragen, daß die Kurvenform der pneumatischen Hilfssignale derjenigen der durch Strahlungsabsorpiion entstehenden Empfängerkammersignale möglichst ähnlich ist.

Obwohl sich eine derartige Anpassung auch mit Hilfe von elektrischen Filtern erreichen läßt, ist es für das erfindungsgemäße Gerät zweckmäßiger und einfacher, Druckgeber zu verwenden, deren Signalcharakteristik an diejenige des Strahlers angepaßt ist, z. B. thermische Druckgeber bei Verwendung elektrisch gepulster thermischer Strahler.

Bei den gegenwärtig für die Verwendung in Infrarot-Gasanalysengeräten der genannten Art besonders infrage kommenden, elektrisch gepulsten thermischen Strahlern sind als Druckgeber Heizwiderstandselemente vorgesehen, die mit gepulster elektrischer Leistung beaufschlagt sind.

Mit Hilfe der Druckgeber läßt sich nicht nur das Differenz-Null-Signal, sondern auch das durch das Auftreten der zu messenden Gaskomponenten im Gasgemisch entstehende Differenz-Gassignal kompensieren. Hierzu ist erfindungsgemäß der Ausgang des Einstrahl-Zweischichtempfängers mit mindestens einem der Druckgeber oder einem zusätzlichen, ebenfalls mit einer der Kammern in pneumatischem Kontakt stehenden Druckgeber über Amplituden- und Phaseneinstellglieder verbunden.

Bei Erzeugung der modulierten Strahlung mit anderen Mitteln, wie z. B. mit Hilfe von gepulsten Lasern oder Laserdioden oder mittels rotierender Blenden, wird es u. U. vorteilhafter sein, andere Druckgeber, wie z. B. piezoelektrische Geber zu

Aio nioht mit 1 hcrmicrhftp TVäcrhisit

Auf einfache Weise läßt sich die erfindungsgemäße Anordnung so erweitern, daß durch Umwelteinflüsse bedingte Fehler ausgeschaltet werden. Erfindungsgemäß lassen sich diese durch Temperatur- und Druckänderungen bedingte Null-Punkts- und Anzeigefehler dadurch beheben, daß die Druckgeber zur Kompensation von durch äußere Temperatur- oder Druckschwankungen bedingten Meßfehler mit temperatur- oder druckabhängigen Widerständen beschaltet sind.

ίο Desgleichen läßt sich die Abhängigkeit des Meßsignals von Druck und Temperatur des zu untersuchenden Gasgemisches durch den Einbau von druck- und temperaturabhängigen Widerständen in den Gegenkopplungskreis beheben.

Anhand der Fig. 1 und 2 der Zeichnung soll die mit elektrisch gepulsten, thermischen Strahlern und thermischen Druckgebern arbeitende Ausführung der Erfindung näher erläutert werden.

Mit Hilfe einer vom Generator 1 gelieferten Rechteckspannung wird der aus einem dünnen Heizleiterband bestehende Strahler 2 periodisch mit einer Frequenz von wenigen Hz erwärmt. Ein Teil der vom Strahler 2 abgegebenen, modulierten IR-Strahlung gelangt nach Durchgang durch die das zu analysierende Gasgemisch enthaltende Küvette 3 in die hintereinander im Strahlengang liegenden Kammern 4 und 5 des Zweischichtempfängers 6 und erzeugt dort in bekannter Weise durch Strahlungsabsorption im Empfängergas Druckimpulse, deren Differenz vom Membrankondensator 7, in Verbindung mit dem nachgeschalteten Verstärker 8 und dem Meßinstrument 9, gemessen wird.

Da die Vorabsorption in Küvette 3 im wesentlichen

nur das Signal der vorderen Kammer 4 schwächt, hat das dabei entstehende Meßsignal praktisch die entgegengesetzte Richtung wie dieses Kammersignal. Dagegen kann das im Null-Punkt der Messung, d. h. ohne Vorabsoprtion in Küvette 3 durch den unvollkommenen Amplituden- und Phasenabgleich der Empfängerkammersignale entstehende Differenz-Null-Signal, je nach Größe der Amplituden- und Phasenunterschiede, ganz unterschiedliche Richtung und Amplitude besitzen. Man kann es jedoch immer in zwei Komponente zerlegen, von denen die eine in Richtung des Meßsignals verläuft und sich diesem addiert oder subtrahiert und die andere um 90° gegen die Meßsignalrichtung gedreht ist. Bei dem der F i g. 1 zugrunde gelegten Anwendungsbeispiel wird außerdem angenommen, daß im Null-Punkt das durch Strahlungsabsorption in der hinteren Empfängerkammer 5 erzeugte Signa) gegenüber dem Signal der vorderen Kammer 4 eine geringere Amplitude und infolge der größeren thermischen Zeitkonstanten der i. a. längeren Kammer 5 eine nacheilende Phase besitzt. Dieses sind Annahmen, die keinerlei Beschränkung des Anwendungsbereiches des Erfindungsgedankens beinhalten.

Diesem Sachverhalt paßt sich die in F i g. I wiedergegebene Kompensationsanordnung in vollkommener Weise an. Sie besteht aus den Heizspiralen 10 und 11, die in mit den Empfängerkammern verbundenen Nebenkammern angeordnet sind. Die Heizwendel 10 wird ^on der Strahlerspannung über einen aus den Widerständen 12, 13 und dem Kondensator 14 bestehenden Verzögerungskreis so angesteuert, daß sich dem Signal in Empfängerkammer 4 ein um etwa 90° nacheilendes Hilfssignal überlagert, dessen Amplitude so bemessen ist, daß es die durch die Nacheilun.g des Signals der kl in t arar\ W η mm αν ^ onlptakanfjo Qi 1° V^- nmnnr.,ini η Anr· "■'HV1VI. I\UIIII1ILI -» VIHJ^IICIIUt JW " I W ■ I t pW I 1 \_ I I I \_ VlVJ Differenz-Null-Sienjls komDensiert. Das noch verblei-

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bende, in Phase mit der Meßrichtung liegende, durch die Amplitudendifferenz der Kammersignale bedingte Signal wird mit Hilfe des zweiten, von der Heizwendel 11 an die Kammer 5 abgegebene Hilfssignal ausgeglichen, wobei die Ansteuerung über die Widerstände 15 und 16 unverzögert erfolgt.

Dabei ist vorausgesetzt, daß die Phasen der unverzögerten Hilfssignale mit denjenigen der durch Strahlungsabsorption entstehenden Kammersignale weitgehend übereinstimmen. Dies läßt sich durch entsprechende Dimensionierung der Heizdrähte ohne besondere Schwierigkeiten erreichen. Falls jedoch noch Phasendifferenzen auftreten, wie dies z. B. bei Verwendung von besonders einfach herzustellenden Druckgebern in Gestalt aer Wendeln von Klcin-Glühbirncn der Fall sein kann, dann lassen sich diese Differenzen leicht mit Hilfe von zusätzlichen RC-Gliedern in den Steuerleitungen der Geber oder auch des Strahlers ausgleichen. Ist z. B. die Zeitkonstante des durch eine solche Wendel bewirkten Erwärmungsverlaufes kleiner als bei Strahlungsabsorption, dann wird man auch in der Steuerleitung der Heizwendel 11 ein RC-Glied anordnen, so daß durch die damit erreichte Verzögerung des Hilfssignals die Phasen in Übereinstimmung gebracht werden.

Anstelle von inaktiven RC-Kreisen lassen sich in an sich bekannter Weise zur Erzeugung der phasenverschobenen Hilfssignale auch aktive elektronische Schaltkreise verwenden. Infolge deren besserer Flexibilität lassen sich mit ihrer Hilfe nicht nur Unterschiede der Phasen, sondern auch Unterschiede der Kurvenform der Kammersignale ausgleichen, wodurch auch etwa vorhandene Oberwellen des Differenz-Nullsignals eliminiert werden.

Eine weitere Ausführungsform zeigt die Fig. 2. Wie vorher, dient das von der Heizwendel 10 abgegebene Signal zur Kompensation der 90°-Komponenten des Differenz-Nullsignals, während das voi der Wendel 11 die Amplitudendifferenz der Empfängt, rkammersignale ausgleicht.

Ensteht jedoch durch Vorabsoprtion in Küvette 3 ein Meßsignal, so wird dieses im Verstärker 8 verstärkt und über die Widerstände 17 und 18 und die Diode 19 ebenfalls der Heizwendel 11 zugeführt. Dabei sind die Vorwiderstände 15 und 16 bzw. 17 und 18 groß gegen den Widerstand der Heizwendel, so daß sich von der Strahlerspannungsquelle bzw. vom Verstärker geliefer ten Spannungen weitgehend unabhängig voneinandei vektoriell addieren. Selbstverständlich läßt sich aucl· zwecks völliger Entkopplung der beiden Steuerspan nungen ein weilerer, mit dem Meßsignal beaufschlagtei Druckgeber verwenden.

Richtet man es durch verstärkertechnische Maßnah men und die Polung der Diode 19 so ein, daß die Phast des von der Heizwendel 11 bzw. einer weiteren, mit dei

ίο Kammer 5 verbundenen Heizwendel mittels de; Meßsignals erzeugten Hilfssignale um 180° gegenübei dem Differenz-Meßsignal im Empfänger verschoben ist dann wird die aus Membrankondensator und Verstärkei bestehende Meßkette durch die damit gegebene, mi

ι. Hilfe der Vorwiderstände 17 und 18 einstellbarer Gegenkopplung weitgehend stabilisiert.

Dabei ist die der Heizwendel zugeführte, mit Hilfe einer Spannungs- oder Strommessung ermittelte elek Irische Leistung ein Maß für die Konzentration der zi bestimmenden Gaskomponenten. Die Widerstände K und 18 sind temperatur- bzw. druckabhängige Wider stände und dienen zur Beseitigung von Temperaturein flüssen auf den Null-Punkt bzw. von Temperatur- unc Druckeinflüssen auf das Meßsignal.

Auch andere meßtechnische Probleme, wie ζ. Β Null-Punktsunterdrückung und Funktionskontroll« durch Meßwertsimulation, lassen sich bei der Anord nung durch entsprechende Änderung der Vorwiderstän de in einfacher Weise lösen.

Zu diesem Vorteil der Anpassungsfähigkeit komm vor allem noch derjenige des bei Verwendunf thermischer Druckgeber vernachläßigbar kleinen zu sätzlichen Leistungsbedarfs. Der Grund hierfür liegt π der Kleinheit der durch Strahlungsabsorption in dei Empfängern auftretenden Differenzsignale, die von de Größenordnung 10-'⁰C bzw. 10-² mmWs sind. So win für die Ansteuerung eines thermischen Druckgebers nu eine elektrische Leistung der Größenordnunj I0-" Watt benötigt.

Die eingangs gestellte Aufgabe des Baues kleiner um eigensicherer IR-Gasanalysengeräte läßt sich mit Hilfi der Erfindung in besonders einfacher und zweckent sprechender Weise lösen.

Darüber hinaus wird sie sich auch auf andere:

Anwendungsgebieten der nicht-dispersiven IR-Analysi als nutzbringend erweisen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Nichtdispersives Infrarot-Gasanalysegerät mit einer Strahlereinheit zur Erzeugung modulierter Infrarotstrahlung, einem Einstrahl-Zweischichtempfänger, der zwei hintereinander im Strahlengang angeordnete, mit dem nachzuweisenden Gas gefüllte Kammern aufweist, mit einer zwischen Strahler und Empfänger angeordneten Probenzelle sowie mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines pneumatischen Hilfssignals mit einer der Modulationsfrequenz der Infrarotstrahlung entsprechenden Frequenz und einstellbarer Amplitude und Phase in wenigstens einer der Kammern, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung des Hilfssignals mindestens einen elektropneumatischen Druckgeber (10, U) umfaßt, der in pneumatischem Kontakt mit einer der Kammern (4, 5) angeordnet ist.

2. Nichtdispersives Infrarot-Gasanalysegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei elektromagnetische Druckgeber (10,11) vorgesehen sind, von denen der eine mit der vorderen und der andere mit der hinteren Kammer (4 bzw. 5) des Einstrahl-Zweischichtempfängers (6) in pneumatischem Kontakt steht, und daß der eine Druckgeber

(10) über eine einstellbare elektrische Verzögerungsschaltung (12, 13, 14) und der andere Druckgeber

(11) über einen einstellbaren Widerstand (15) vom Ausgangssignal einer Modulationsschaltung (1) für die Strahlereinheit (2) beaufschlagt ist.

3. Nichtdispersives Infrarot-Gasanalysegerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von elektrisch gepulsten thermischen Strahlern als Druckgeber Heizwiderstandselemente vorgesehen sind, die mit gepulster elektrischer Leistung beaufschlagt sind.

4. Nichtdispersives Infrarot-Gasanalysegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Einstrahl-Zweischichtempfängers (6) mit mindestens einem der Druckgeber (10, 11) oder einem zusätzlichen, ebenfalls mit einer der Kammern (4, 5) in pneumatischem Kontakt stehenden Druckgeber über Amplituden- und Phaseneinstellglieder verbunden ist.

5. Nichtdispersives Infrarot-Gasanalysegerät nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckgeber (10, 11) zur Kompensation "on durch äußere Temperatur- oder Druckschwankungen bedingten Meßfehler mit temperatur- oder druckabhängigen Widerständen (16) beschaltet sind.