DE2414229A1 - DEVICE FOR ANALYZING GASEOUS MIXTURES - Google Patents
DEVICE FOR ANALYZING GASEOUS MIXTURESInfo
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- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/314—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry with comparison of measurements at specific and non-specific wavelengths
Description
PHB „ 3-? .32 3-Dr. Herbert Schol« . Va/EVH. PHB "3 -? .32 3-Dr. Herbert Schol «. Va / EVH.
An.e'dar: N. V. Philips' Glo«lamp«rfobriek«, ' ί'? 'J?]? o An.e'dar: NV Philips' Glo «lamp« rfobriek «, 'ί'?'J?]? O
Akte No.j ί riß ^ *2 5 2 4 I A Z Z aFile No.j ί tore ^ * 2 5 2 4 I A Z Z a
Anmeldung vom: 2.2..:? ig f >f Registration from: 2.2 ..:? ig f > f
Vorriclitiing zum Analysieren gasförmiger GemischePriming for analyzing gaseous mixtures
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Detektieren und „Messen von Bestandteilen eines gasförmigen Gemisches mit Hilfe optischer Strahlung, wie z.B. infraroter Strahlung.The invention relates to a device for detecting and “measuring components of a gaseous mixture with the aid of optical radiation, such as infrared radiation.
Die Tatsache, dass sich Bestimmungen in bezug auf das Prüfen der Auspuffgase von Innenverbrennungsmotoren, v:ie sie z.B. für Kraftwagen verwendet werden, erwarten lassen, hat den Bedarf an einfachen und festen Vorrichtungen hervorgerufen, mit deren Hilfe das Vorhandensein bestimmter gasförmiger Bestandteile, wie Kohlenmonoxid, Stickstoffoxide und unverbrannte Kohlenwasserstoffe, in den Auspuffgasen derartiger Motoren unter verschiedenen Belastungsbedingungen detektiert und die Menge an diesen Bestandteilen gemessen werden kann,The fact that there are provisions relating to the testing of exhaust gases from internal combustion engines, v: ie them e.g. used for motor vehicles, has the There has been a need for simple and solid devices by means of which the presence of certain gaseous Ingredients such as carbon monoxide, nitrogen oxides and unburned Hydrocarbons, such in the exhaust gases Motors can be detected under different load conditions and the amount of these components can be measured,
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Eine derartige Vorrichtung muss konsequente Ergebnisse zeitigen, man muss sie leicht anordnen und mit ihr arbeiten können und ihre Herstellung und Wartung sollen nicht zu kostspielig sein, v/eil sie in verhaltnisinKssig grossem Umfang benutzt werden können müssen. Bekannte Vorrichtungen zum Messen von Stickstoffoxiden gründen sich gewöhnlich auf das Chenilumeneszenzprinzip und sind daher "teuer.Such a device must have consistent results it is easy to arrange and work with can and their manufacture and maintenance are not supposed to be too costly because they are relatively large must be able to be used. Known devices for measuring nitrogen oxides are usually based on this Chenilumenescence principle and are therefore "expensive.
Die Erfindung bezweckt, eine verbesserte Vorrichtung zum Detektieren und Messen von Bestandteilen eines gasförmigen Gemisches, z.B. von Auspuffgasen von Innenverbrennungsmotoren, mit Hilfe von Messungen optischer Absorption zu schaffen.The invention aims to provide an improved device for detecting and measuring components of a gaseous To create mixtures, e.g. of exhaust gases from internal combustion engines, with the help of measurements of optical absorption.
Ein Gasanalysator zum Detektieren des Vorhandenseins und der Konzentration von Bestandteilen, eines gasförmigen Mediums, der eine Quelle optischer Strahlung und optische Mittel enthält, mit deren Hilfe die von dieser Quelle herrührende optische Strahlung durch das zru analysierende gasförmige Medium hin auf einen Strahlungsdetektor gerichtet werden kann, ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass optische Filtermittel im Wege der optischen Strahlung angeordnet sind, um aufeinanderfolgende, sich nahezu nicht überlappende schmale Strahlungsfreciiienzbänder zu dem Detektor durchzulassen, so dass entsprechende Detektorausgangssignale auftreten, wobei diese Strahiungsfrequenzbiinder aus einem Referenzdurchlassband, in dem nahezu keine Strahlung selektiv von einem der Bestandteile des gasförmigen Mediums absorbiert wird, und aus einer Anzahl anderer Durchlassbänder bestehen,A gas analyzer to detect the presence and the concentration of constituents, a gaseous one Medium containing a source of optical radiation and optical means by means of which that emanating from that source optical radiation directed through the zru analyzing gaseous medium towards a radiation detector can be, is characterized according to the invention in that optical filter means by way of the optical radiation are arranged to be consecutive, almost not overlapping narrow radiation frequency bands to the detector let through, so that appropriate detector output signals occur, this Radiation frequency binder from one Reference pass band in which almost no radiation is selective is absorbed by one of the constituents of the gaseous medium, and consists of a number of other passbands,
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die in je einem selektiven Absorptionεband liegen, das Tür einen bestimmten Bestandteil des gasförmigen Mediums charakteristisch ist. Nach einem weiteren Merkmal sind Signalverarbeitung-smittel vorgesehen, unter denen Mittel zur Speicherung des Detektionsausgangssignr.ls, das dem Referenzdurchlassband entspricht, Mittel zum Subtrahieren des jedem der weiteren Durchlassbänder entsprechenden Detektorausgangssignals von dem zuerst genannten Signal , damit entsprechende von der Absorption abhängige Ausgangssignale erhalten werden, die die r-elative Absorption der in jedem dieser weiteren Durchlassbänder liegenden Strahlung darstellen, wobei ein erstes dieser weiteren Durchlassbänder, das in einem selektiven Absorptionsband liegt, das für einen ersten Bestandteil des gasförmigen Mediums charakteristisch i?.;t, auch in einem überlappenden Gebiet eines selektiven Absorptionsbandes eines zweiten Bestandteiles des gasförmigen Mediums liegt, während ein zweites der weiteren Durchlassbänder in einem Teil eines selektiven Absorptionsbandes des zweiten Bestandteiles liegt, das die selektiven Absorptionsbänder aller anderen Bestandteile dos gasförmigen Gemisches nahezu nicht überlappt, sowie Mittel, mit deren Hilfe ein vorher bestimmter Teil des von der Absorption abhängigen Ausgangssignals, das die relative Absorption in dem zweiten der weiteren Durchlassbänder darstellt, von dem von der Absorption abhängigen Ausgangssignal subtrahiert wird, das die rela.tive Absorption in dem ersten der weiteren Durchlassbänder darstellt, so dass ein korrigiert»;which are each in a selective Absorptionεband, the door a certain component of the gaseous medium is characteristic. Another feature is signal processing means provided, among which means for storing the detection output signal corresponding to the reference passband means for subtracting the detector output signal corresponding to each of the further passbands from the first-mentioned signal so that corresponding output signals dependent on the absorption are obtained, which is the r-elative absorption of in each of these further Passbands represent radiation lying, with a first of these further passbands, which in a selective Absorption band is, which is characteristic of a first component of the gaseous medium i?.; T, also in an overlapping Area of a selective absorption band of a second component of the gaseous medium lies while a second of the further passbands lies in a part of a selective absorption band of the second component, that the selective absorption bands of all other components of the gaseous mixture almost not overlap, and Means with the help of which a predetermined part of the output signal dependent on the absorption, which is the relative Represents absorption in the second of the further passbands, on the output signal dependent on the absorption is subtracted, which represents the relative absorption in the first of the further passbands, so that a corrected »;
U 0 CJ 8 k 1 / 0 7 6 0 U 0 C J 8 k 1/0 7 6 0
PUB.32323. - k - 16.3.7^.PUB.32323. - k - 16.3.7 ^.
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Auscangssignal erhalten wire-, das die Konzentration nahezu nur des ersten Bestandteiles des gasförnigen Gemisches darstellt.Output signal received wire - that the concentration almost represents only the first component of the gaseous mixture.
Nach der Erfindung liegt weiter ein drittes der weiteren DurchlassbSnder in einem selektiven Absorptionsband, das für einen dritten Bestandteil des gasförmigen Gemisches charakteristisch ist und auch in einem Oberlappenden Gebiet eines Absorptionsbandes des ersten Bestandteiles des gasförmigen Mediums liegt, während eine Schaltung vorgesehen ist, mit deren Hilfe ein vorher bestimmter Teil des korrigierten Ausgangssignals, das die Konzentration des ersten Bestandteiles darstellt, von dem von der Absorption abhängigen Ausgangssignal subtrahiert wird, das die relative Absorption von Strahlung in dem dritten der weiteren Durchlassbänder darstellt, wodurch ein korrigiertes Ausgangssignal erhalten wird, das die Konzentration nahezu nur des dritten Bestandteiles des gasförmigen Mediums darstellt.According to the invention, a third of the further transmission bands lies in a selective absorption band which is suitable for a third component of the gaseous mixture is characteristic is and also in an overlapping area of an absorption band of the first component of the gaseous Medium lies while a circuit is provided with whose help a previously determined part of the corrected output signal, which represents the concentration of the first component, from the output signal dependent on the absorption is subtracted, which represents the relative absorption of radiation in the third of the further passbands, whereby a corrected output signal is obtained which shows the concentration of almost only the third component of the represents gaseous medium.
Das optische Filter kann aus einer durchsichtigen Scheibe bestehen, die sich um ihren Mittelpunkt drehen kann und auf deren Oberfläche ein aus einer Anzahl Schichten bestellendes Interferenzfilter angebracht ist, das ein schmales Frequenzdurchlassband aufweist, dessen mittlere Frequenz in radialer Richtung nahezu konstant ist, aber sich über die Scheibe in der Drehrichtung nahezu linear ändert. Die Filterscheibe ist derart angeordnet, dass die Strahlung durch ein segmentförmiges Gebiet dieser Scheibe hin auf den Strahlungsdetektor auffällt. Die Scheibe wird gedreht, so dass aufein-The optical filter can consist of a transparent disk that can rotate around its center and on the surface of it one made up of a number of layers Interference filter is attached, which has a narrow frequency passband, the mean frequency of which is in radial direction is almost constant, but changes almost linearly over the disk in the direction of rotation. The filter disc is arranged in such a way that the radiation passes through a segment-shaped area of this disk towards the radiation detector notices. The disc is rotated so that
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PIIB. 323-?3· - 5 -. 16.3.72WPIIB. 323-? 3 - 5 -. 16.3.7 2 W
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anderfolgende schmale Frequenzbänder zu dem Strahlendstektor durchgelassen werden. Detektoratisgcuigssignale, die vorher bestimmten aufeinanderfolgenden schmalen Frequenzbändern entsprechen, können durch Zeitmultiplexgatterwirkung, vorzugsweise in Zusammenarbeit mit einer sepientförmigeii Maske, erhalten werden, welche Maske derart auf der Filterscheibe angeordnet ist, dass sie während der Drehung des Filters nur die gewünschten schmalen Frequenzbänder durchlässt. Die keine Strahlung durchlassenden Segmente der Maske können auch ein geeignetes Schwarzpegelsignal zur Verarbeitung in der Verstärkungsschaltung liefern.other narrow frequency bands to the beam end detector be let through. Detection signals that were previously certain successive narrow frequency bands can be achieved by time-division multiplexing gates, preferably in cooperation with a sepient-shaped mask, be obtained, which mask is arranged on the filter disc that it only during the rotation of the filter passes the desired narrow frequency bands. The segments of the mask that do not transmit any radiation can also be a provide a suitable black level signal for processing in the amplification circuit.
Die Erfindung kann sich in einem Auspuffanalysator zum Analysieren von Bestandteilen der Auspuffgase eines Innenverbrennungsmotors verwirklichen. Der Einfachheit halber ist es erwünscht, alle Bestandteile, für die Interesse besteht, zu gleicher Zeit und mit derselben Vorrichtung messen zu können, und die Länge des Strahlungsabsorptionsweges durch die Auspuffgase wird notwendigerweise für alle gemessenen Bestandteile gleich sein. Die Bestandteile der Auspuffgase eines Innenverbrennungsmotors, die gemessen werden sollen, sind Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid, Um diese Bestandteile gleichzeitig messen zu können, müssen die Länge des Absorptions· weges und die Absorptionsbänder mit grösster Sorgfalt gewählt werden. So würde z.B. ein Absorptionsweg, dessen Länge genügend ist, um ein brauchbares Messignal für StickstoffmonoxidThe invention can be used in an exhaust analyzer for analyzing components of the exhaust gases of an internal combustion engine realize. For the sake of simplicity, it is desirable to include all of the components of interest at the same time and with the same device, and the length of the radiation absorption path through the exhaust gases will necessarily be the same for all measured components. The components of the exhaust gases of an internal combustion engine, to be measured are carbon monoxide, carbon dioxide, unburned hydrocarbons, nitrogen monoxide and nitrogen dioxide. In order to be able to measure these components at the same time, the length of the absorption weges and the absorption bands are chosen with the greatest care. For example, an absorption path would be long enough is to provide a useful measurement signal for nitric oxide
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PHB.32323. ■ ό - 16.3.7^.PHB.32323. ■ ό - 3/16/7 ^.
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in dem geeigneten Absorptionsband, dessen Mitte bei 5,2 ,um liegt, zu liefern, eine viel zu hohe Absorption herbeiführen, um unter Verwendung des Absorptionsbandes, dessen Mitte nahezu bei 4,3/un' liegt, ein brauchbares Mass der Konzentration an Kohlendioxid über das gev/ünschte Gebiet zu ergeben. Daher muss die Konzentration von Kohlendioxid unter Verwendung des Absorptionsbandes gemessen v/erden, dessen Mitte bei 2,7/ura liegt und das eine geringere Absorption gibt und ein lineares Messignal der Kohlendioxidkonzentration liefern kann, vorausgesetzt, dass eine elektrische nichtlirieare Amplitudenkorrekturschaltung verwendet wird. Das 2,7/um Absorptionsband von Kohlendioxid liegt aber in einem Absorptionsband, das für Wasserdampf charakteristisch ist, der auch in sich ändernden Mengen in den Auspuffgasen vorhanden ist. Bei dieser Ausführungform wird ein Signal, das den Wert der selektiven Absorption die nur durch den vorhandenen Wasserdampf herbeigeführt wird, und somit die Konzentration von Wasserdampf darstellt, dadurch erhalten, dass die Absorption des Wasserdampfes in einem Gebiet gemessen wird, in dem Wasserdampf* selektiv absorbiert wird und das etwaige selektive Absorptionsbänder, die für einen der anderen Bestandteile der Auspuffgase charakteristisch sind, nicht in erheblichem Masse überlappt. Dieses Signal der Vasserdampfkonzentration wird dann von dem von der Absorption abhängigen Ausgangssignal subtrahiert, das die relative Absorption von Strahlung in dem 2,7/Uin-3and darstellt, so dass ein Signal erhalten wird, das die relative Konzentration von Kohlendioxid in den Auspuffgasen darstellt.in the appropriate absorption band, the center of which is 5.2 µm, cause much too high an absorption to produce a useful level of concentration using the absorption band, the center of which is close to 4.3 / u n ' To yield carbon dioxide over the desired area. Therefore, the concentration of carbon dioxide must be measured using the absorption band, the center of which is 2.7 / ura, which gives lower absorption and can provide a linear measurement signal of the carbon dioxide concentration, provided that an electrical non-linear amplitude correction circuit is used. The 2.7 / um absorption band of carbon dioxide but is in an absorption band which is characteristic of water vapor that is also present in varying amounts in the exhaust gases. In this embodiment, a signal that represents the value of the selective absorption caused only by the water vapor present, and thus the concentration of water vapor, is obtained by measuring the absorption of the water vapor in an area in which water vapor * is selectively absorbed and which does not significantly overlap any selective absorption bands characteristic of any of the other components of the exhaust gases. This water vapor concentration signal is then subtracted from the absorption dependent output representing the relative absorption of radiation in the 2.7 / Uin-3and to give a signal representing the relative concentration of carbon dioxide in the exhaust gases.
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PUB.32323. - 7 - 16.3.7;UPUB.32323. - 7 - 16.3.7 ; U
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Die relative Konzentration von Kohlenmonoxid in den Auspuffgasen kann auf vorteilhafte l,'eis& unter Verwendung des für diesen Stoff charakteristischen Absorptionsbandes von 4,6/um gemessen werden, aber dieses Eand liegt sehr nahe bei dem Absorptionsband, dessen Mitte bei 4,3/um liegt und das für Kohlendioxid charakteristisch i&t, so dass eine erhebliche Ueberla.ppung auftreten wird. Bei dieser Ausführungsform wird das von der Absorption abhängige Ausgangssignal, das die relative Strahlungsabsorption in dem Absorptionsband von k,6/um darstellt, dadurch korrigiert, dass von diesem Signal ein geeigneter Teil des korrigierten Signals für die Kohlendioxidkonzentration subtrahiert wird.The relative concentration of carbon monoxide in the exhaust gases can be measured to an advantageous extent using the absorption band of 4.6 µm which is characteristic of this substance, but this end is very close to the absorption band, the center of which is 4.3 µm and that is characteristic of carbon dioxide, so that a considerable overlap will occur. In this embodiment, the absorption-dependent output signal, which represents the relative radiation absorption in the absorption band of k.6 / µm, is corrected by subtracting a suitable part of the corrected signal for the carbon dioxide concentration from this signal.
Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:The invention is described below using an exemplary embodiment explained in more detail with reference to the drawing. Show it:
Fig. 1 die Optik einer Vorrichtung zum Analysieren von Auspuffgasen von Kraftwagenrnotoren, nach der Erfindung,1 shows the optics of a device for analyzing of exhaust gases from motor vehicle engines, according to the invention,
Fig. 2 das bei der .Optik nach Fi1-J. 1 verwendete Filter und die verwendete Maske, undFig. 2 the .Optics according to Fi 1 -J. 1 filter and mask used, and
Fig. 3 schematisch die bei dieser· Ausführungsform verwendete Schaltung zur Verarbeitung der von der Optik nach Fig. 1 herrührenden Signale.3 schematically shows that in this embodiment circuit used for processing the signals originating from the optics according to FIG.
In Fig. 1, die den optischen Teil einer Vorrichtung nach der Erfindung zum Analysieren der Auspuffgase eines Kraftwagenmotors zeigt, wird von einer Infrarotstrahlungsquelle 1 herrührende Infrarotstrahlung durch ein für Infrarotstrahlung durchlässiges Fenster 2 in eine Probezelle 3 geführt, In Fig. 1, the optical part of a device according to the invention for analyzing the exhaust gases of a Motor vehicle engine shows, infrared radiation originating from an infrared radiation source 1 is guided through a window 2 permeable to infrared radiation into a test cell 3,
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PUB.32323. - 8 - 16.3.lh. PUB.32323. - 8 - 16.3. lh.
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durch die zu analysierende Auspuffgase über ein Eingangskanal· system k und ein Ausgangskanalsystem 5 strömen. Hohlspiegel 6 und 7 sind beidseitig der Probezelle 3 angebracht und ein Infrarotstrahlungsdetektor 10 ist einem zweiten für Infrarotstrahlung durchlässigen Fenster 8 in der am weitesten von der Infrarotstrahlungsquelle entfernten Wand der Probezelle 3 gegenüber angeordnet. Die Spiegel 6 und 7 weisen beide in der Mitte eine Oeffnung auf, durch die Strahlung Über die Fenster 2 und 8 in die Zelle 3 eintreten bzw. diese Zelle verlassen kann. Der Brennpunkt des Hohlspiegels 7 liegt in der Quölle 1 und von der Quelle 1 herrührende Strahlung wird vom Spiegel 7 in. Form eines parallelen Strahles durch die Zelle 3 hindurch zu dem Spiegel 6 reflektiert. Der Brennpunkt des Spiegels 6 liegt auf der strahlungsempfindlichen Oberfläche des Detektors 10, so dass die von dem Spiegel 7 herrührende Strahlung vom Spiegel 6 über das Fenster 8 auf den Detektor 10 gerichtet wird.through which the exhaust gases to be analyzed flow via an inlet duct system k and an outlet duct system 5. Concave mirrors 6 and 7 are attached to both sides of the sample cell 3 and an infrared radiation detector 10 is arranged opposite a second window 8 permeable to infrared radiation in the wall of the sample cell 3 furthest from the infrared radiation source. The mirrors 6 and 7 both have an opening in the middle through which radiation can enter the cell 3 via the windows 2 and 8 or leave this cell. The focal point of the concave mirror 7 lies in the source 1 and radiation originating from the source 1 is reflected by the mirror 7 in the form of a parallel beam through the cell 3 to the mirror 6. The focal point of the mirror 6 lies on the radiation-sensitive surface of the detector 10, so that the radiation originating from the mirror 7 is directed from the mirror 6 via the window 8 onto the detector 10.
Zwischen dem Ausgangsfenster 8 der Zelle und dem Strahlungsdetektor 10 ist ein Filterrad 9 derart angeordnet, dass auf den Detektor 10 auffallende Strahlung zunächst in der Nähe seines Umfangs das Rad 9 durchläuft. Das Filterrad 9 ist auf der Welle 11 eines Iiiduktionsniotors 12 befestigt. Das Filterrad 9 ist ein zirkulär variabeles Filter mit einem schmalen Durchlassband, dessen mittlere Wellenlänge maximaler Permeation sich linear mit dem Winkel ändert. Die Bandbreite des Durchlassbandes an jedem Punkt ist etwa 2 /j der durchge-Between the exit window 8 of the cell and the radiation detector 10, a filter wheel 9 is arranged in such a way that radiation which is incident on the detector 10 is initially in the Near its circumference the wheel 9 passes through. The filter wheel 9 is attached to the shaft 11 of an induction notor 12. That Filter wheel 9 is a circularly variable filter with a narrow passband whose mean wavelength is maximum Permeation changes linearly with angle. The bandwidth of the passband at each point is about 2 / j of the
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ΡΗίϊ. 323^3. - 9 - 16.3.72*.ΡΗίϊ. 323 ^ 3. - 9 - 16.3.7 2 *.
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lassenen Wellenlänge und das Filter wird dadurch hergestellt, dass eine in der Drehrichtung keilförmige Interferenzschicht liin Form von Schichten mit abwechselnd hoher und niedriger Brechungszahl auf ein scheibenförmiges, für Infrarotstrahlung durchlässiges Substrat aufgedampft wird.let wavelength and the filter is produced by an interference layer wedge-shaped in the direction of rotation Form of layers with alternating high and low refractive indices on a disk-shaped, for infrared radiation permeable substrate is evaporated.
Das Filterrad 9 ist in Fig. 2 dargestellt. Die Interferenzschicht 14 ist von einer keine optische Strahlung durchlassenden Maske 15 bedeckt, in der seginentförmige Oeffmangen angebracht sind, so dass bei Drehung des Filterrades nacheinander vorher bestimmte schmale Sti-ahlungsfrequenzbänder zu dem Detektor 10 durchgelassen werden. Jedes Strahlung·; band ist von dem benachbarten Band durch eine Strahlungsunter drückungsperiode getrennt, was das Feststellen des Gleichstrompegels in dem Ausgangssignal des Detektors 10 erleichtert. Ein hervorragender Maskenteil 16 ist auf dem Filterrad 9 angebracht und wirkt mit einer Lichtquelle 17 und einem Photodetektor 18 zusammen, um einen Synchronisierimpuls zu liefern, der während der Drehung des Filterrades 9 den üebergar.; von dem langwelligen Ende zu dem kurzwelligen Ende des kreisförmigen Keilfilters .angibt. Die Mitteli/ellenlänge in /um des von dem Filter ~\k durch jed.e Öeffnung 19 und d^rch die Oeffnung 20 dtirchgelassenen Strahlungsbandes ist in Fig. zusammen mit dem zugehörigen chemischen Symbol für den Bestandteil, dessen selektive Absorption in dem angegebenen Froquenzdurchlassband gemessen wird, dargestellt. Die Ceffnung '. die Strahlung mit einer Wellenlänge von 3,9/um durchlässt,The filter wheel 9 is shown in FIG. The interference layer 14 is covered by a mask 15 which does not allow optical radiation to pass through, in which segment-shaped openings are attached, so that when the filter wheel is rotated, predetermined narrow radiation frequency bands are passed one after the other to the detector 10. Any radiation ·; band is separated from the adjacent band by a radiation suppression period, which makes it easy to determine the DC level in the output of the detector 10. A protruding mask part 16 is mounted on the filter wheel 9 and cooperates with a light source 17 and a photodetector 18 in order to deliver a synchronizing pulse which overrides the filter wheel 9 as it rotates. from the long wave end to the short wave end of the circular wedge filter. The Mitteli / avelength in / around the of the filter ~ \ k by jed.e Öeffnung 19 and d ^ rch the opening 20 dtirchgelassenen radiation band is shown in Fig. Together with the associated chemical symbol for the component whose selective absorption in the specified Froquenzdurchlassband is measured. The opening '. transmits radiation with a wavelength of 3.9 / µm,
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PHB.32323. - 10 - 16.3.7·'*.PHB.32323. - 10 - 16.3.7 *.
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liefert eine Bezugrstralilungsmsssung, v;eil keiner der normalerweise
in den Auspuffgasen vorhandenen Bestandteile eine
selektive Absorption' in diesem Durchlassband aufweist.provides a Bezugrstralilungsmsssung, v; eil none of the normally present in the exhaust gases ingredients a
selective absorption 'in this passband.
Das Alis gangs signal des Detektors 10 wird einem Verstärker
31 üiit automatischer Verstärkungsregelung zugeführt,
der einen Teil der Signalverarbeitungsschaltung nach Fig. 3 bildet. Das Ausgangsεignal des Verstärkers 31 wird einer
Zeitteilungsmultiplexdekodiervorrichtiuig 32 zugeführt. Der
Dekodiervorrichtung 32 wird auch ein Synchronisierimpuls zugeführt,
der von dem Photodetektor 18 erzeugt und von einem Verstärker 3^ verstärkt wird und der jeden Dekodierzyklus
in Gang setzt. Jedes verstärkte Detektorsignal, das von dem Verstärker 31 herrührt, wird auch einer Iinpulsformungs- und
Zeitbestimniungsschaltung 33 zugeführt, die ein Abtast signal
der Dekodiervorrichtung 32 zuführt. Die Dekodiervorrichtung
ist derart ausgebildet, dass nach dem Auftreten eines von
dem Photodetektor 18 herrührenden Synchronisierimpulses ein von dem Detektor 10 herrührendes Abtastausgangssignal nacheinander
Integrierschaltungen 35, 37, h~i , 36, 38, 39 und hO
zugeführt wird, die die Detektorausgangssignale speichern,
die der Intensität der Strahlung entsprechen, die über die
durch die Oeffnungen 19 und 20 definierten Filterdurchlassbänder empfangen λ/ird , wenn das Filterrad 9 vom Motor 12
in Richtung dos Pfeiles 21 gedreht wird.The output signal from the detector 10 is fed to an amplifier 31 with automatic gain control which forms part of the signal processing circuit according to FIG. The output signal of the amplifier 31 becomes one
Time division multiplex decoding device 32 is supplied. Of the
Decoding device 32 is also supplied with a synchronizing pulse which is generated by the photodetector 18 and amplified by an amplifier 3 ^ and which is used every decoding cycle
sets in motion. Each amplified detection signal originating from the amplifier 31 is also fed to a pulse shaping and timing circuit 33 which feeds a sampling signal to the decoder 32. The decoding device is designed such that after the occurrence of one of
the synchronizing pulse originating from the photodetector 18 is supplied with a scanning output signal originating from the detector 10 successively to integrating circuits 35, 37, h ~ i, 36, 38, 39 and h0 which store the detector output signals,
which correspond to the intensity of the radiation passing through the
Filter passbands defined by the openings 19 and 20 received λ / ird when the filter wheel 9 from the motor 12
is rotated in the direction of the arrow 21.
Das Ausgangssignal jeder der Integrierschaltungen 35» 36, 37, 38, 39 und hO vird dem invertierenden Eingang eines The output of each of the integrating circuits 35 »36, 37, 38, 39 and h0 becomes the inverting input of one
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Pull. 32323. - 11 - 16.3.74.Pull. 32323. - 11 - 16.3.74.
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zugehörigen Gleichstromverstärkers 42 zugeführt, der mit Gegenkopplung mittels Widerstände 43 und 44 versehen ist. Das Ausgangssignal der Integrierschaltung 41. stellt das Detektorausgangssignal dar, das dem über die Oeffnung 20 vom Filter durchgelassenen Referenzdurchlassband entspricht, und die Grosse dieses Signals wird in der automatischen Verstärkungsregelschaltung des Verstärkers 3t mit einer Referenzgrösse verglichen, um ein Steuersignal zu erhalten. Die Verstärkung des Verstärkers 31 wird dann vom Steuersignal beeinflusst, bis das Ausgangssignal der Integrierschaltung 4i gleich einer vorher bestimmten Referenzgrösse ist.associated DC amplifier 42 is supplied, which is provided with negative feedback by means of resistors 43 and 44. The output of the integrating circuit 41 . represents the detector output signal which corresponds to the reference pass band passed through the opening 20 by the filter, and the size of this signal is compared with a reference value in the automatic gain control circuit of the amplifier 3t in order to obtain a control signal. The gain of the amplifier 31 is then influenced by the control signal until the output signal of the integrating circuit 4i is equal to a previously determined reference value.
Das auf diese Weise am Ausgang der Integrierschaltung erhaltene Bezugssignal wird dem nichtinvertierenden Eingang jedes der Verstärker 42 über den zugehörigen einstellbaren Widerstand 45 zugeführt. Das Ausgangssignal jedes Verstärkers 42 ist somit von dem Unterschied zwischen dem Bezugssignal und dem entsprechenden von der Absorption abhängigen Ausgangssignal der betreffenden Integrierschaltung 35 - ^O abhängig und stellt daher den Betrag der selektiven Absorption in dem betreffenden Durchlassband und somit die Konzentration an denjenigen Bestandteilen dar, die eine selektieve Absorption im Durchlassband zur Folge haben. In jedem Kanal ist ein variabler Widerstand 46 angeordnet, um den Signalpegel für Eichzwecke einstellen zu können.In this way at the output of the integrating circuit The reference signal obtained is applied to the non-inverting input of each of the amplifiers 42 via the associated adjustable Resistor 45 is supplied. The output of each amplifier 42 is thus dependent on the difference between the reference signal and the corresponding absorption-dependent output signal the relevant integrating circuit 35 - ^ O dependent and therefore represents the amount of selective absorption in the relevant passband and thus the concentration on those components that result in selective absorption in the passband. In every channel is a variable resistor 46 is arranged to adjust the signal level for calibration purposes can.
Nichtlineare Schaltungen 47, 48, 49, 50 und 51 sind mit den Ausgängen der Verstärker 42 verbunden, die von denNon-linear circuits 47, 48 , 49, 50 and 51 are connected to the outputs of the amplifiers 42 which are controlled by the
409841/U7 60409841 / U7 60
PlW. 32323. - 12 - 16.3.7'κPlW. 32323. - 12 - 16.3.7'κ
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Integrierschaltungen 35» 36, 37» 39 bzw. ^O gespeist werden, und liefern je ein der Konzentration der selektiv absorbierenden Bestandteile gerade proportionales Ausgangssignal, Das Aussangssignal des r.iit der Integrierschaltung 38 verbundenen Verstärkers h2. i.'ird nicht in einer nicht linearen Schaltung korrigiert, veil dieser Kanal die Konzentration von Stickstoffmonoxid misst und die Absorption bei der maximal zu messenden Konzentration nur etwa 5/^ beträgt, was bei der erforderlichen Genauigkeit eine genügend lineare Beziehung zwischen dem Ausgangssignal des Verstärkers k2 und der Stickstoffnonixidkonzentration liefert. Venn die Absorption grosser als etwa 5 '^> ist, wie dies bei den Messungen in den anderen Kanälen der Fall ist, weicht die Konzentration die in einer exponentiollen Beziehung zu dem von der Absorption abhängigen Signal steht, in erheblichem Masse von einer linearen Beziehung ab, wodurch eine Korrektur mittels der nicht linearen Korrektur schaltungen ^7, ^8 , 4°-, 50 und 51 erforderlich ist, wobei die letzteren Schaltungen jede geeignete Form aufweisen können, wobei z.B. Dioden oder andere Halbleitercaaordnungen zur Verwendung kommen. Integrating circuits 35 » 36, 37» 39 or ^ O are fed, and each deliver an output signal that is precisely proportional to the concentration of the selectively absorbing components, the output signal of the amplifier h2 connected to the integrating circuit 38. It is not corrected in a non-linear circuit because this channel measures the concentration of nitrogen monoxide and the absorption at the maximum concentration to be measured is only about 5 / ^, which, with the required accuracy, is a sufficiently linear relationship between the output signal of the amplifier k2 and the nitrogen nonoxide concentration supplies. If the absorption is greater than about 5 % , as is the case with the measurements in the other channels, the concentration, which is in an exponential relationship to the signal dependent on the absorption, deviates to a considerable extent from a linear relationship , whereby a correction by means of the non-linear correction circuits ^ 7, ^ 8, 4 ° -, 50 and 51 is required, the latter circuits can have any suitable shape, for example diodes or other semiconductor arrangements are used.
Das Ausgangssignal der Schaltung h"? ist der Summe der Konzentrationen von Kohlendioxid und Wasserdampf gerade proportional, wobei ein Teil des Absorptionsbandes dos Wasserdampfes das selektive Absorptionsband von Kohlendioxid bei 2,7/Um Ubei^lappt. Das Kohlendioxidband von 2,7 /um wird auf die obenbeschriebene Weise verwendet, weil es schwächer ist,The output signal of the circuit h ", the sum of the concentrations of carbon dioxide and water vapor is directly proportional, with a portion of the absorption band dos water vapor selective absorption band of carbon dioxide at 2.7 / Um Ubei ^ overlaps. The carbon dioxide band of 2.7 / um is used in the way described above because it is weaker,
4098 4 1/07604098 4 1/0760
PHB.32323.PHB.32323.
- 13 - 16.3*7'*.- 13 - 16.3 * 7 '*.
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so dass bei den zu messenden Konzentrationen das Detektorausgangssignal bei einer maximalen 'Konzentration nach Korrektur noch brauchbar ist, was für die starke Absorptionslinie bei 4,3 ,um nicht der Fall wäre.so that at the concentrations to be measured the detector output signal at a maximum concentration after correction is still usable, what for the strong absorption line at 4.3 so as not to be the case.
Bei dieser Ausfuhrungsform der Erfindung tritt am Ausgang der Korrekturschaltung 51 ein Signal auf, das nahezu linear von der V/a ss er dampf konzentrat ion abhängig ist und das über einen einstellbaren Widerstand 61 dem nichtinvertierenden Eingang eines Verstärkers 60 zugeführt wird. Der Ausgang der Korrekturschaltung 47 ist mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 60 verbunden und der Widerstand 61 wird derart eingestellt, dass das Signal am Ausgang des Verstärkers 60, der mit einer Ausgangsklemme 62 verbunden ist, von der in der Probezelle 3 vorhandenen Wasserdampfmenge unabhängig ist, aber eine Grosse aufweist, die nahezu linear der Kohlendioxidkonzentration proportional ist.In this embodiment of the invention occurs on The output of the correction circuit 51 has a signal which is almost linearly dependent on the V / a ss vapor concentration and that via an adjustable resistor 61 to the non-inverting Input of an amplifier 60 is supplied. The output of the correction circuit 47 is with the inverting Input of the amplifier 60 connected and the resistor 61 is set in such a way that the signal at the output of the Amplifier 60, which is connected to an output terminal 62, of the amount of water vapor present in the sample cell 3 is independent, but has a magnitude that is almost linear is proportional to the carbon dioxide concentration.
Das Ausgangssignal des mit der Tntegriervorrichtung verbundenen Verstärkers 42 und das Ausgangssignal der Korrekturschaltung 50, von welchen Signalen die Amplituden von dem Ausmass der Absorption in den selektiven Absorptionsbändern von Stickstoffmonoxid bzw, Stickstoffdioxid abhängig sind, werden auf analoge Weise den invertierenden Eingängen zugehöriger Verstärker 68 bzw. 72 zugeführt. Die Widerstände 69 iin.d 73 sind derart eingestellt, dass die Ausgangssignale der zugehörigen Verstärker 68 und 72 nahezu tmabhängig von der Wasserdampfmenge in der Probezelle sind undThe output signal of the amplifier 42 connected to the integrating device and the output signal of the correction circuit 50, on which signals the amplitudes depend on the extent of the absorption in the selective absorption bands of nitrogen monoxide or nitrogen dioxide, are transmitted in an analogous manner to the inverting inputs of associated amplifiers 68 and 68, respectively. 72 supplied. The resistors 69 iin.d 73 are set in such a way that the output signals of the associated amplifiers 68 and 72 are almost tm-dependent on the amount of water vapor in the sample cell and
' AO9841/076 0'AO9841 / 076 0
pirn.32323. - ib■- 16.3.7^.pirn.32323. - ib ■ - 16.3.7 ^.
nahezu linear von der Konzentration an Stickstoffmonoxid bzw. Stickstoffdioxid abhl'n^en, welche Ausgangssignale über Klemmen 70 bzw. 7^ zugehörigen Mess- und/oder Registrierkanälen für diese Bestandteile zugeführt werden.almost linearly from the concentration of nitric oxide or Nitrogen dioxide abhl'n ^ en, which output signals over Terminals 70 or 7 ^ associated measuring and / or recording channels for these components are supplied.
Der Ausgang der Korrekturschaltung 48 ist mit dem invertierenden Eingang eines Verstärkers 6b verbunden. Das Ausgangssignal des Verstärkers 60, das der Konzentration an. Kohlendioxid in der Zeile 3 proportional ist, wird über einen einstellbaren Widerstand 65 dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 6h zugeführt. Der Widerstand 65 ist derart eingestellt, dass das Ausgangssignal des Verstärkers 6b, dessen Ausgang mit einer Ausgangsklemme 66 zum Anschluss an Mess- oder Registriervorrichtungen-verbunden ist, nahezu von der Kohlendioxidmenge in der Probezelle 3 unabhängig ist und nahezu linear von der Kohlenmonoxidkonzentration abhängt. So wird eine Korrektur für die teilweise Ueberlappung des unteren Seitenbandes des starken Kohlendioxidabsorptionsbandes bei 4,3/Lun in dem Kohlenmonoxidabsorptionsmessband von bt6 /um erhalten.The output of the correction circuit 48 is connected to the inverting input of an amplifier 6b . The output of the amplifier 60, which corresponds to the concentration. Carbon dioxide in line 3 is proportional, is fed via an adjustable resistor 65 to the non-inverting input of the amplifier 6h. The resistor 65 is set such that the output signal of the amplifier 6b, the output of which is connected to an output terminal 66 for connection to measuring or recording devices, is almost independent of the amount of carbon dioxide in the sample cell 3 and depends almost linearly on the carbon monoxide concentration. A correction is thus obtained for the partial overlap of the lower sideband of the strong carbon dioxide absorption band at 4.3 / Lun in the carbon monoxide absorption measuring band of b t 6 / μm.
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