DE2422174A1

DE2422174A1 - Gasanalysator

Info

Publication number: DE2422174A1
Application number: DE19742422174
Authority: DE
Inventors: Donald E Benz; Richard E Berg; James H Garfunkel; Arlon D Kopelien; Burton Krakow
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1973-05-10
Filing date: 1974-05-08
Publication date: 1974-12-05

Description

Gasanalysator Die Erfindung bezieht sich auf einen Gasanalysator zur selektiven Bestimmung mindestens einer interessierenden Gaskomponente aus einem Gasgemisch, wobei die jeweils interessierende Gaskomponente ein bekanntes, charakteristisches Infrarot-Absorptionsspektrum aufweist, mit einer Infrarot-Strahlungsquelle, mindestens einem Infrarotempfänger mit nachgeschalteter Signalverarbeitungseinrichtung und mit mindestens einem ersten und einem zweiten optischen System zwischen Strahlungsquelle und Empfänger, wobei das erste optische System jeweils eine erste Filterzelle mit der interessierenden Gaskomponente und eine die Gasprobe auf nehmende Zelle aufweist und wobei das zweite optische System die die Gasprobe aufnehmende Zelle enthält.
Bekannte Gasanalysatoren dieser Art machen von einer verhältnismäßig intensiven Infrarotstrahlung Gebrauch, die ihrerseits ein entsprechend großes Signal in der Empfangseinrichtung auslöst.
Wenn eine kleine Differenz zwischen verhältnismäßig intensiven Strahlen gemessen werden muß, so hat dies zur Folge, daß bereits ein kleiner Fehler bei dieser Messung einen großen Fehler hinsichtlich der quantitativen Bestimmung der interessierenden Gaskompo--nente verursachen kann. Weiterhin kann bezüglich der zu untersuchenden Gaskomponente durch das Meßsystem ein Fehler verursacht werden, wenn sich das Spektrum der Strahlungsquelle verschiebt bzw. wenn sich die spektrale Empfindlichkeit der Empfangseinrichtung verändert. Eine weitere Verfälschung des Meßergebnisses ist bei den bekannten Gasanalysatoren gegeben, wenn der zu untersuchenden Gaskomponente andere Gase beigemischt sind, welche ebenfalls ein Absorptionsspektrum im Infrarotbereich aufweisen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Gasanalysator anzugeben, bei dem eine Verfälschung des Meßergebnisses aufgrund der vorstehend angeführten Ursachen nicht möglich ist. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der im Anspruch 1 gekennzeichneten Erfindung.- Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.
Anhand eines in den Figuren der beiliegenden Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles wird die Erfindung im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Gasanalysators gemäß der Erfindung; Figur 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Gasanalysators gemäß der Erfindung; Figur 3 eine perspektivische Ansicht eines bei dem Analysator gemäß Figur 2 verwendeten Filterrades; Figur 4 eine Schnittansicht gemäß Linie IV-IV in Figur 3; Figur 5 eine vergrößerte perspektivische Ansicht einer in Figur 2 verwendeten Empfangseinrichtung; Figur 6 eine Schnittansicht der Empfangseinrichtung gemäß Linie VI-VI in Figur 5; Figur 7 eine schematische Darstellung einer elektronischen Signalverarbeitungseinrichtung zur Messung einer interessierenden Gaskomponente; Figur 8 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines Gasanalysators gemäß der Erfindung; Figur 9 eine perspektivische Ansicht des in Figur 8 verwendeten Filterrades; Figur 10 eine Schnittansicht des Filterrades gemäß Line X-X in Figur 9; Figur 11 eine Frontansicht des in Figur 8 verwendeten Filterrades mit einer entsprechenden Kodierung; Figur 11a ein bei der Drehung der Filterscheibe gemäß Figur 1 erzeugtes Signaldiagramm; Figur 12 eine schematische Darstellung der elektronischen Programmiereinrichtung für den Gasanalysator gemäß Figur 8; Figur 13 ein Schaltungsschema der Signalverårbeitungseinrichtung für einen Meßkanal; Figur 14 mehrere Signalspannungskurven in Abhängigkeit von der Konzentration eines stark absorbierenden Gases bei verschiedenen vorgegebenen Durchlaßbändern von dem Empfänger vorgeschalteten Banpaß-Filtern; Fiqur 15 eine normierte Kurve zur Verdeutlichung des durch ~ eines eine Anderung des Durchlaßbereiches Bandpaß-Filters erzielten Linearisierungseffektes.
Der in Figur 1 dargestellte Gasanalysator weist eine Infrarot-Strahlungsquelle 10 auf, welche irgendeine herkömmliche Infrarot-Strahlungsquelle sein kann, die eine Infrarot-Strahlungsenergie im Milliwattbereich sowohl für den Referenz- als auch für den Meßstrahl liefert. So kann beispielsweise ein SiC-Zündstab als große heiße Strahlungsquelle verwendet werden oder es kann als kleinere heiße Strahlungsquelle ein 0,25 mm Durchmesser aufweisender Kanthal-Draht,der in fünf Windungen auf einen 1 mm Dorn aufgewickelt ist, Anwendung finden. Selbstverständlich kann man auch eine große relative kalte Strahlungsquelle verwenden. Eine große heiße Strahlungsquelle erfordert keinen Reflektor, eine kleinere heiße Strahlungsquelle erfordert einen groben Reflektor und eine große verhältnismäßig kalte Strahlungsquelle erfordert einen guten Reflektor. Ein Zerhoker. 11, der durch einen Synchronmotor 12 angetrieben ist, erzeugt abwechslungsweise eine Infrarotstrahlung für das Meß- bzw. Referenzsystem.
In dem optischen Referenzsystem A wird die Infrarot-Strahlung durch ein neutrales Filter 13 geschickt, welches weiter unten noch beschrieben wird und wird durch einen Spiegel 15a umgelenkt und auf eine Referenz-Filterzelle 14 ausgerichtet. Die Referenz-Filterzelle 14 ist typischerweise mit einem Gas gefüllt, welches für die Infrarotstrahlung durchlässig ist. Ein solches Gas ist beispielsweise Nitrogen. Hinter der Referenz-Filterzelle 14 sind Spiegel 16a und 17a angeordnet zur Umlenkung und Ausrichtung des Strahlenganges auf das übrige System. In ähnlicher Weise wird die Infrarotstrahlung in dem Meßsystem durch einen Spiegel 15b umgelenkt und auf eine lichtempfindliche Filterzelle 18 ausgerichtet, welche das Gas,auf das die Probe hin zu untersuchen ist, in reiner Form enthält. Nach Durchquerung der lichtempfindlichen Filterzelle 18 wird der Meßstrahl durch Spiegel 16b und 17b umgelenkt und auf das verbleibende Meßsystem ausgerichtet.
Das verbleibende Meßsystem ist sowohl für den Referenzstrahl als auch für den Meßstrahl das gleiche.
Das neutrale Filter 13 hat den Zweck, die Gesamtenergie des Referenzstrahles um einen Energiebetrag zu vermindern, der der durch die lichtempfindliche Filterzelle 18 absorbierten Energie gleich ist. Auf diese Weise besitzen beide Strahlen in etwa die gleiche Energie, wenn sie in den für beide Strahlen gleichen Teil der Meßeinrichtung eintreten. Das neutrale Filter 13 beeinflußt die Gesamtenergie in allen Wellenlängenbereichen in der gleichen Weise. Auf der andere Seite absorbiert jedoch das in die lichtempfindliche Filterzelle 18 eingefüllte Gas einen gleichen Energiebetrag, indem es aufgrund seines charakteristischen Absorptionspektrum bestimmte Wellenlängen im Infrarotbereich unterdrückt.
Im Vereinigungspunkt beider Strahlen weisen der Referenz- und der Meßstrahl im wesentlichen die gleiche Gesamtenergie aber ganz unterschiedliche Spektralstrukturen auf. Die spektrale Struktur des Referenzstrahles im Infrarotbereich ist im wesentlichen unverändert gegenüber der von der Strahlungsquelle ausgehenden Strahlung. Dagegen ist im Meßstrahl von der aus der Strahlungsquelle 10 ausgehenden Strahlung das für das zu untersuchende Gas charakteristische Spektrum entfernt.
Im Hinblick auf die Benutzung des neutralen Filters 13 kann festgestellt werden, daß dieses auch durch andere Einrichtungen, z.B.
elektronische Einrichtungen, ersetzt werden kann, welche das von dem Empfänger empfangene Signal behandeln und das endgültige Ausgangssignal erzeugen. Dies ist möglich, da,der durch die lichtempfindliche Filterzelle 18 absorbierte Energiebetrag im Verhältnis zu dem von der Strahlungsquelle 10 abgegebenen Energiebetrag, unabhängig von der Art des zu untersuchenden Gases, verhältnismäßig konstant ist.
Im weiteren optischen Strahlenweg beaufschlagen sodann der Referenz- und der Meßstrahl abwechselnd eine die Gasprobe enthaltende Zelle 19, eine Filterzelle 20 und ein schmales optisches Banpaßfilter 21, bevor sie auf einen Empfänger 22 auftreffen.
Es sei hier festgestellt, daß die die Gasprobe aufweisende Zelle 19 entweder fortlaufend von dem zu untersuchenden Gas durchströmt wird oder als geschlossene Zelle ausgebildet sein kann, in die in festgelegten Zeitintervallen jeweils partienweise eine Probe des zu untersuchenden Gases eingefüllt wird. An die die Gasprobe aufnehmende Zelle 19 sind die üblichen Forderungen zu stellen, d.h. sie soll verhältnismäßig klein im Volumen sein, keine Leckstellen aufweisen, keinen toten Raum enthalten, sauber gereinigt sein und nicht mit der Probe reagieren können. Die Ein-und Austrittsflächen der Zelle 19 müssen für die Infrarotstrah- -lung und insbesondere für die Wellenlängen, welche die Probe absorbiert, durchlässig sein. Die Wände der Zelle 19 dürfen selbst so wenig wie möglich Infrarot-Strahlungsenergie absorbieren. - Eine Zelle, welche mit gut reflektierenden inneren Wänden ausgestattet ist, überträgt einen besonders hohen Anteil der Infrarotenergie von der Strahlungsquelle zu dem Empfänger. Als besonders günstig hat sich die Beschichtung der Wände mit Gold erwiesen, da Gold eine sehr gute Reflexionseigenschaft für Infrarotstrahlen aufweist und chemisch inert gegenüber den meisten zu untersuchenden Gasen ist.
Die Filterzelle 20 enthält ein Gas, welches die Analyse des interessierenden Gases störend beeinflussen kann. Das dem zu untersuchenden Gas beigemischte Gas kann ein Absorptionsspektrum im Infrarotbereich aufweisen, welches eine feine Spektralstruktur aufweist, die mit der Struktur des interessierenden Gases überlappt und innerhalb des schmalen Frequenzbandes liegt, welche durch das Bandpaßfilter 21 hindurchgelassen wird. Die feine spektrale Struktur im Infrarotbereich ist definiert als das Band feiner Absorptionslinien, welche jede starke Absorptionslinie innerhalb des breiteren infraroten Absorptionsspektrums eines Gases bilden. Die Filterzelle 20 hat-daher die Aufgabe, die feine Struktur des beigemischten Gases zu eliminieren, so daß die von dem Empfänger 22 festgestellte Komponente des interessierenden Gases nicht verfälscht wird. Wenn in der die Gasprobe enthaltenden Zelle 19 keine störenden Gaskomponenten überlagert sind, so ist die Filterzelle 20 nicht erforderlich. Andererseits ist in dem Fall, wo eine Vielzahl solcher störender Gaskomponenten in der Probe enthalten sind, dafür zu sorgen, daß alle diese störenden Gaskomponenten auch in der Filterzelle 20 vorhanden sind.
In der vorstehend beschriebenen Weise kann daher der störende Einfluß von Gaskomponenten neben dem interessierenden Gas innerhalb der Probe beseitigt werden. Die Beseitigung dieses Störeinflusses gelingt nur nicht für Gase, welche ein feines Infrarotabsorptionsspektrum aufweisen, das mit dem zu untersuchenden Gas innerhalb des vorgegebenen schmalen Frequenzbandes Ubereinstimmt. Die Wahrscheinlichkeit, daß dieser Fall eintritt, ist äußerst gering. Außer bei der Analyse gewisser Hydrokarbonate sind keine Bestandteile bekannt, bei denen ein solches Problem auftritt, wenn sie einerInfrarot-Absorptionsanalyse unterzogen werden.
Das schmale optische Bandpaßfilter 21 muß so ausgewählt sein, daß es ein schmales Band des infraroten Spektrums hindurchläßt, in welchem das zu untersuchende Gas wenigstens eine stark ausgebildete Absorptionslinie aufweist. Der Gebrauch eines schmalbandigen optischen Banpaßfilters, wodurch sowohl in dem Referenz- als auch in dem Meßsystem nur ein sehr schmales Wellenlängenband ausgenutzt wird, bringt einige bedeutende Vorteile des erfindungsgemäßen Analysators mit sich, welche nachfolgend noch erläutert werden sollen.
Die quantitative Messung eines zu untersuchenden Gases durch den Analysator gemäß der Erfindung basiert auf dem Vergleich der Empfängerausgangssignale, die aufgrund der empfangenen infraroten Lichtintensität erzeugt werden. Der Empfänger arbeitet hierbei nicht selektiv. Die Differenz dieser elektrischen Signale steht in Beziehung zu der Reduktion der infraroten Energie in dem Referenzsystem, welche Reduktion durch Strahlungsabsorption bei Vorhandensein des interessierenden Gases in der Probezelle 19 erzielt wird. Es ist wohl bekannt, daß der Vergleich zweier relativ großer Werte, die eine kleine Differenz zwischen sich aufweisen, eine größere Fehlerquelle darstellt als der Vergleich zweier sehr viel kleinerer Signale, die eine relativ große Differenz zwischen sich aufweisen. Aus diesem Grund wird das Band des infraroten Spektrums, welches den Empfänger sowohl über das Referenz-als auch über das Meßsystem erreicht, auf einen sehr kleinen Bereich begrenzt, der eine oder mehrere stark ausgebildete Absorptionslinien des zu untersuchenden Gases umfaßt. Auf diese Weise wird nicht nur die durch die beiden Systeme übertragene Gesamtenergie beträchtlich reduziert, sondern es wird auch das Verhältnis verbessert, welches zwischen der Differenz der beiden Meßwerte und dem Gesamtwert der übertragenen Energie besteht. In dem ausgewählten schmalen Frequenzband wird sowohl von dem Meß- als auch von dem Referenzsystem noch genügend Infrarotenergie übertragen, um eine genaue Messung durchführen zu können.
Durch die Verwendung des gleichen schmalen,optischen Bandpaßfilters sowohl für den Meß- als auch für den Referenzstrahl bei dem Analysator gemäß der Erfindung, wird ein zusätzlicher Vorteil erzielt. Verschiebungen, welche von Zeit zu Zeit am Ausgang der Strahlungsquelle und in der Empfindlichkeit des Empfängers aufgrund von Temperaturänderungen oder anderen Erscheinungen auftreten, beinflussen kaum die Messung. Durch die Beschränkung des Infrarotspektrums für das Meß- und Referenzsystem auf das gleiche schmale Frequenzband, machen sich solche Verschiebungen, falls sie in der Strahlungsquelle oder in dem Empfänger auftreten, in jedem Strahlenweg praktisch in der gleichen Weise bemerkbar. Somit ist es nicht erforderlich, irgendwelche komplizierten Einrichtungen dem Analysator hinzuzufügen, um solche spektralen Verschiebungen zu kompensieren.
Sowohl die die Gasprobe aufnehmende Zelle 19, die Referenzzelle 14, die lichtempfindliche Filterzelle 18 und die Filterzelle 20 sollen ein passendes kleines Volumen aufweisen und sollen dauernd abgeschlossen sein, damit ihr Inhalt keiner Änderung unterliegt.
Sie müssen Ein- und Austrittsflächen aufweisen, die'für den ausgewählten Teil des Infrarotspektrums durchlässig sind und sie sollten eine ausreichend gute Refexionseigenschaft aufweisen, um den Betrag der hindurchgelassenen Infrarotenergie zu verbessern.
Der in Festkörpertechnik ausgeführte Empfänger 22 soll eine hohe Absorptionsfähigkeit in dem Bereich des Infrarotspektrums aufweisen, in welchem das spezielle zu untersuchende Gas wenigstens eine stark ausgeprägte Absorptionslinie aufweist. Ein im hohen Naße den Bedingungen genügender Empfänger besteht aus Quecksilber,- Cadmium - Tellurit (Hg,Cd)Te. Lichtempfindliche Empfänger aus Quecksilber-Cadmium-Tellurit haben sich als besonders vorteilhaft erwiesen. In einem ausgeführten Beispiel weist ein (Hg, Cd)Te lichtempfindlicher Empfänger eine ausgeprägte Ansprechempfindlichkeit für Strahlen von einer Wellenlänge von 4,8 cm auf und ist ausgezeichnet empfindlich im infraroten Wellenlängenbereich von 1,0 bis 5,4 . 10 4cm. Der Bereich, in dem dieser spezielle in Festkörpertechnik ausgeführte Empfänger zufriedenstellend arbeitet, liegt innerhalb des Bereiches, in dem gewöhnliche, heteroatomische Gase normalerweise durch solche Einrichtungen analysiert werden. So betragen beispielsweise die interessierenden Wellenlängen für CH4 3,3 . 10 4cm,für C02 4,3 . 10 4cm und für CO 4,7*10 4cm. Wie dies bei den meisten Empfangseinrichtungen in Festkörpertechnik der Fall ist, erzeugt (Hg,Cd)Te Empfänger ein größeres Signal bei niedrigeren Temperaturen und das Signal eines solchen Empfängers ist allgemein etwas temperäturabhängig. Es kann daher bei dem Betrieb eines Instrumentes,das von diesem Empfänger Gebrauch macht, zweckmäßig sein, den Empfänger in einer temperaturgeregelten Weise zu betreiben. Für den Betrieb bei normalerlRaumtemperatur ist es jedoch nicht erforderlich, den Empfänger zu kühlen, um ein ausreichendes Signal zu erhalten. Die Ansprechempfindlichkeit des Empfängers ist extrem kurz und bewegt sich in der Größenordnung einiger Mikrosekunden. Er weist zudem eine ausgezeichnete Rauschsignalunterdrückung auf.
Das von dem Empfänger 22 erzeugte Signal wird über Leitungen 23 und 24 zu einem geeigneten signalverstärkenden elektronischen System 25 geführt, welches auf dem Weg eines Differenzvergleichs quantitativ den Betrag des in der Probe enthaltenen und zu untersuchenden Gases angibt. An den Ausgang dieses elektronischen Systems 25 kann ein Meßgerät oder eine Aufzeichnungseinrichtung 26 angeschlossen sein, welche-mit einer Vorrichtung versehen ist, um die Ablesung auf Null. zu stellen, bevor eine Probe in den Analysator eingesetzt wird.
Wie bereits festgestellt wurde, weist der in Festkörpertechnik ausgeführte Empfänger eine gute Ansprechempfindlichkeit auf und die Frequenz mit welcher der Analysator zwischen Referenz und Meßsystem umgeschaltet werden kann, liegt sehr hoch. Die normale Frequenz, mit der der Analysator betrieben wird, liegt zwischen 0,1 und 10.000 Hz und benutzt ein hlerkömnliches elektronisches Verstärkersystem.
Figur 2 zeigt eine schmatische Darstellung eines zweiten AusfUhrungsbeispiels des Gasanalysators gemäß der Erfindung. Ein Gehäuse 110 weist die Meßeinrichtung mit Ausnahme einiger elektronischer Komponenten des Gasanalysators auf. Der Analysator besitzt eine Infrarot-Strahlungsquelle 111, welche je nach ihrer Art einen zusätzlichen Reflektor 112 erfordert. Die die Gasprobe aufnehmende Filterzelle 113 besitzt Ein- und Auslaßstutzen 114 und 115 und Ein- und Austrittsfenster 116 und 117, welche in Bezug auf die erzeugte Infrarotstrahlung durchlässig sind. Der Filterzelle 113 wird das zu untersuchende Gas entweder kontinuierlich oder partienweise zugeführt. Ein drehbares Filterrad 118 enthält ein Paar von Filtereinrichtungen, welche durch Drehung des Filterrades abwechselnd in den Strahlengang eingeschaltet werden können. Das Filterrad 118 ist über eine Antriebswelle 120 mit einem nicht dargestellten Wechselstrommotor verbunden.
Gemäß dem hier vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung ist für jedes in der-Filterzelle 113 enthaltene und zu untersuchende Gas ein Infrarot-Empfänger vorgesehen. Jedem Infrarot-Empfänger ist ein schmalbandiges,optisches Bandpadfilter vorgesetzt, wobei der Durchlaßbereich eines jeden Bandpaßfilters auf eine entsprechend stark ausgebildete Absorptionslinie des jeweiligen Gasesabgestimmt ist. Ein die Empfänger aufnehmendes Gehäuse 122 ist in mehrere Abteile unterteilt, wobei jedes Abteil einen Empfänger aufnimmt. So enthält beispielsweise ein erstes Abteil 123 einen ersten Infrarot-Empfänger 124 zum Empfang der durch ein vorgeschaltetes Bandpaßfilter 125 hindurchtretenden Infrarotstrahlung. Eine Linse 126 kann zwischen dem Bandpaßfilter 125 und dent. zugeordneten Empfänger 124 angeordnet sein, um die eintretende Infrarotstrahlung auf dem Empfänger 124 zu vereinigen.
Falls erwünscht, kann eine Temperaturregeleinrichtung 127 in Zusammenarbeit mit einem~Temperaturfühler 128 verwendet werden, um die Temperatur in dem Analysatorgehäuse 110 zu regeln. Dies kann durch die Verwendung einer herkömmlichen Heiz- oder Kühleinrichtung in bekannter Weise verwirklicht werden. Zusätzlich zu der Temperaturregeleinrichtung 127 kann für jeden Empfänger eine weitere Temperaturregelung vorgesehen werden. Eine solche Empfängertemperatur-Regeleinrichtung 129 weist einen Temperaturfühler 130 auf, der in Figur 2 nur einmal neben dem Empfänger 124 eingezeichnet ist aber ebenso für die anderen Empfänger vor zusehen ist. Eine Regelung der Temperatur für das Analysatorgehäuse i10 und für den Empfänger 124 ist jedoch nicht in jedem Anwendungsfall des Analysators erforderlich. Wenn es sich jedoch, wie bereits anhand der Figur 1 beschrieben, bei dem Empfänger um einen in Festkörpertechnik ausgeführten Empfänger handelt, so wird das von ihm aufgrund der empfangenen Infrarotstrahlung erzeugte Signal stark mit der Empfängertemperatur schwanken. Beispielsweise verdoppelt sich die Amplitude des bei gleicher erhaltener Strahlung abgegebenen Signals bei einem eingangs erwähnten Quecksilber-Cadmium-TdllUrit-Empfänger, wenn dieser von etwa 250C auf OOC abgekühlt wird. Hierbei sei vorausgesetzt, daß die anderen Veränderlichen des Systems unverändert bleiben. Für viele Anwendungsfälle hat es sich jedoch herausgestellt, daß das bei einer Empfängertemperatur von 25 0C erhaltene Ausgangssignal ausreichend ist, um gute Meßergebnisse mit dem erfindungsgemäßen Analysator zu erzielen. Die Temperaturregeleinrichtung 129 kann daher auch durch eine herkömmliche Hitze ableitende Einrichtung, z.B. ein Kühlblech, ersetzt werden, wie dies aus der Halbleitertechnik bekannt ist.
Die an die die Gasprobe aufnehmende Filterzelle 113 und die übrigen Filterzellen zu stellenden Anforderungen wurden bereits anhand der Beschreibung der Figur 1 erläutert. Unter anderem müssen die Ein- und Austrittsfenster 116 und 117 der Filterzelle 113 für die Infrarotstrahlung durchlässig sein. Als besonders geeignet hat sich hierfür Saphirglas erwiesen.
Jedem Empfänger des erfindungsgemäßen Gasanalysators ist eine getrennte Signalverarbeitungseinrichtung für das Ausgangssignal zu-- - - - -- en -. - -- -- -.. - - - - -urursel. ua aiese r;inricnung Dezugiicn jenes zmprangers rurMionsmäßig die gleichen sind, genügt es, eine einzige solche Einrichtung zueschreiben. Das Ausgangssignal des Empfängers 124 wird auf einen Empfänger-Verstärker 131 gegeben. Die verstärkten Signale werden sodann einem elektronischen Kanal-Verarbeitungssystem 132 zugeführt, in welchem System das Empfängersignal zur Bestimmung der jeweils interessierenden Gaskomponente weiter verstärkt und bearbeitet wird, bevor zu es auf eine Informations-Ausgabeeinrichtung 133 geschaltet wird. Die Informations-Ausgabeeinrichtung 133 kann ein Meßgerät, eine andere herkömmliche Ausgabeeinheit oder der Eingang einer Regelungs- oder Informationsspeichereinrichtung sein. Die elektronische Verarbeitungseinrichtung für das Empfängersignal wird später anhand der FigUr 7 noch näher beschrieben.
Eine Synchronisationseinrichtung 134 ist angeordnet, um das elektronische Verarbeitungssystem in Abhängigkeit von der Stellung des Filterrades 118 zu beaufschlagen. Das Synchronisationssystem 134 weist eine Lichtquelle, z.B. eine lichtemittierende Diode 135 zusammen mit einem lichtelektrisch betätigten Schalter 136 auf, welcher beispielsweise eine Silikonschaltdiode sein kann. Das Synchronisationssystem 134 arbeitet auf eine elektronische Hauptprogrammeinrichtung 137, welche die erforderliche Synchronisation für die zugeordnete elektronische Verarbeitungseinrichtung 132 erzeugt.
Gemäß Figur 3 ist das Filterrad 118 scheibenförmig ausgebildet.
In dem Filterrad 118 sind diametral gegenüber zwei Bohrungen 140 und 141 angebracht, so daß bei einer Drehung des Filterrades 118 die beiden Bohrungen 140 und 141 abwechselnd in einen durch die Strahlungsquelle 111, die die Gasprobe enthaltende Filterzelle 113 und das Empfängergehäuse 122 gebildeten Strahlungsweg bewegt werden können. Aus Figur 4 ist ersichtlich, daß in den Bohrungen 140 und 141 des Filterrades 118 Filter angeordnet sind, welche aus einem oder mehreren Filterelementen bestehen können. So ist beispielsweise in der Bohrung 140 eine Referenzfilterzelle 142 und in der Bohrung 141 eine Meßfilterzelle 143 angeordnet. Die Referenzfilterzelle 142 enthält normalerweise ein Gas, welches für die Infrarotstrahlung durchlässig ist, z.B. Nitrogen. Die Meßfilterzelle 143 ist eine gasgefüllte Zelle, welche normalerweise Beträge von jedem der zu untersuchenden Gase enthält, wobei diese Gase in der zu untersuchenden Probe enthalten sein können. Um die Filterzellen gasdicht abzuschließen, sind Ein-und Austrittsfenster 144 bis 147 vorgesehen, welche für die angewandte Infrarotstrahlung durchlässig sind. Eine Vielzahl von Materialien kann für diese Fenster benutzt werden, wobei sich besonders Saphirglas eignet, welches mit einem Epoxydharz in den Bohrungen befestigt werden kann. Ein- und Auslaßöffnungen oder Ventile, welche nicht dargestellt sind, können in der Außenfläche des Filterrades 118 angeordnet sein, um die Filterzellen 142 und 143 mit Gasen zu beschicken und dicht abzuschließen.
Aus den Figuren 5 und 6 ist der Aufbau.des Empfängergehäuses 122 erkennbar. Das Gehäuse 122 weist drei Abteile 123,150 und 160 auf. Wie bereits zuvor erläutert,enthält das Abteil 123 einen Infrarot-Empfänger 124, ein zugeordnetes schmales.optisches Bandpaßfilter 125 und eine Sammellinse 126, welche Komponenten zusammen der Analyse eines interessierenden Gases dienen. In gleicher Weise enthält das Abteil 150 einen Empfänger 151, ein Bandpaßfilter 152 und eine Sammellinse 153-und in dem Abteil 160 sind ein Empfänger 161, ein Bandpaßfilter 162 und eine Sammelanaeördnet. linse 163yzusätzlich zu dem bereits erwähnten Temperaturfühler 130 in dem Abteil 123 können in den Abteilen 150 und 160 entsprechende Temperaturfühler 154 und 164 angeordnet sein, um die Temperatur in diesen Abteilen zu regeln.
Wie bereits zuvor erläutert, enthalten die Abteile 123,150.und 160 Komponenten für die Analyse eines einzelnen Gases aus einer Vielzahl von zu untersuchenden Gasen. So besitzt beispielsweise das Bandpaßfilter 125 in dem Abteil 123 einen Durchlaßbereich, der speziell auf die Analyse eines besonderen zu untersuchenden -Gases abgestimmt ist. In gleicher Weise sind die Bandpaßfilter 152 und 162 in den Abteilen 150 und 160 mit ihrem Durchlaßbereich speziell auf die Analyse eines zweiten und dritten weiteren Gases abgestimmt. Die drei Bandpaßfilter 125,152-und 162 weisen daher normalerweise verschiedene Durchlaßbereiche auf, welche Durchlaßbereiche auf markante Absorptionslinien innerhalb des Absorptionsspektrums der verschiedenen Gase abestimmt sind. An die Empfänger 124,151 und 161 ist im allgemeinen nur die Forderung zu stellen, daß sie aufgrund der empfangenen infraroten Energie ein elektrisches Ausgangssignal erzeugen, welches von der Strahlungsintensität abhängig ist. Die im allgemeinen verwendeten Empfänger in Festkörpertechnik sind nicht selektiv, d.h. ihre Empfindlichkeit ist nicht auf das Spektrum einer speziell absorbierten Komponente begrenzt.Während solche Empfänger demnach normalerweise über einen ziemlich breiten Bereich des infraroten Spektrums empfindlich sind, variiert ihre Signalausbeute etwas mit ihrer chemischen Zusammensetzung. Die unabhängige Anordnung von Empfängern für die Analyse eines jeden zu untersuchenden Gases erweist sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel als vorteilhaft, da die Ansprechempfindlichkeit des für die Analyse eines jeden zu untersuchenden Gases ausgewählten Empfängers an das durch die zugeordneten Bandpaßfilter hindurchgelassene infrarote Wellenlängenband angepaßt werden kann. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, das zugeordnete Analysesystem jeweils dem besonderen zu untersuchenden Gas durch Maximierung der Empfindlichkeit und Selektivität der Einrichtung anzupassen.
Die allgemeine Wirkungsweise des Analysators gemäß der Erfindung kann am besten anhand der Figur 2 erläutert werden. Wenn das Filterrad 18 sich dreht, so wird die von der Strahlungsquelle 111 ausgesandte infrarote Strahlungsenergie, welche kontinuierlich die die Gasprobe enthaltende Filterzelle 113 durchmißt, abwechselnd durch die Filterzellen 142 und 143 beschickt. Die die Filterzellen 142 und 143 durchlaufende infrarote Strahlung wird durch die Bandpaßfilter 125,152 und 162 ausgefiltert und durch die Sammellinsen 126,153 und 163 auf die zugeordneten Empfänger 124,151 und 161 geworfen. So wird beispielsweise bei der Analyse eines ersten Gases, wenn das Referenzfilter 142 in dem System zwischen die Strahlungsquelle und den Empfänger geschaltet ist, die infrarote Strahlungsenergie zunächst aufgrund der in der Filterzelle 113 enthaltenen Gase reduziert,-indem die in der Probe enthaltenen Gase bestimmte Spektrallinien absorbieren. Die verbleibende infrarote Strahlungsenergie durchläuft das Referenzfilter 142, welches für die infrarote Strahlung durchlässig ist und trifft somit unverändert auf die optischen Bandpaßfilter 125, 152 und 162. Der Durchlaßbereich des Bandpaßfilters 125 für die infrarote Strahlungsenergie ist auf eine markante Absorptionslinie des ersten Gases abgestimmt und stimmt normalerweise nicht mit einer infraroten Absorptionslinie-eines anderen Probenbestandteiles überein. Auf diese Weise kann die Intensität der durch das BanbaBfilter 125 hindurchtretenden Infrarotstrahlung nur durch die Absorption von Infrarotenergie durch die Gegenwart des ersten Gases vermindert werden. Eine Signaländerung des dem Bandpaßfilter 125 nachgeschalteten Empfängers 124 kann somit nur durch eine Änderung des Anteils des zu untersuchenden ersten Gases in der Probe erfolgen.
Bei der Drehung des Filterrades 118 wird anschließend die Meßfilterzelle 143 in den Strahlungsweg zwischen der Strahlungsquelle und den Empfänger bewegt. Die Strahlung durchtritt demnach ausgehend von der Strahlungsquelle 111 die die Gasprobe enthaltende Filterzelle 113 und die Meßfilterzelle 143. Die Meßfilterzelle 143 enthält Anteile aller zu untersuchender Gase, die in der Probe vorkommen können. Es wird somit unabhängig vom Vorhandensein des ersten Gases in der Probe das dem ersten Gas zugeordnete infrarote Spektrum durch die Meßfilterzelle 143 aus der infraroten Strahlung absorbiert. Nach dem Durchtritt der Infrarotstrahlung durch das Banpaßfilter 125 und die Sammellinse 126 trifft dieselbe auf den Empfänger 124. Die auf den Empfänger 124 auftreffende Infrarotstrahlung ist durch das Bandpaßfilter 125 auf einen bestimmten Wellenlängenbereich beschränkt, wobei innerhalb dieses Wellenlängenbereiches einzelne Wellenlängen durch das in der Meßfilterzelle 143 bzw. in der Probezelle 113 enthaltene Meßgas ausgeblendet werden.
Die quantitative Bestimmung eines zu untersuchenden Gases im vorliegenden Fall eines ersten Gases durch den Gasanalysator gemäß der Erfindung erfolgt sodann durch einen Vergleich der durch den Empfänger aufgrund der erhaltenen Strahlungsintensität erzeugten Signalamplituden. Die bei Einschaltung der Referenzfilterzelle 142 und der Meßfilterzelle 143 erzeugten Signale unterscheiden sich in der Amplitude. Die sich aus der Einwirkung des Referenz- bzw. Meßfilters ergebende Differenz hinsichtlich der auf den Empfänger auftreffenden Strahlungsintensität ist ein direktes Maß für die Absorption des in der Probe zelle enthaltenen, zu untersuchenden Gases.In gleicher Weise stellen die Empfänger 151 und 161 Unterschiede in der Strahlungsintensität fest, welche durch die Absorption von Infrarotenergie in der Probezelle aufgrund der vorhandenen zweiten und dritten Gase hervorgerufen werden.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel eines Gasanalysators gemäß der Erfindung können vor die Bandpaßfilter zusätzliche Filter geschaltet werden, welche besondere Gase enthalten, deren infrarotes Spektrum dasjenige der zu untersuchenden Gase überlappt und in dem Durchlaßbereich der schmalbandigen optischen Bandpaßfilter liegt. Die Einschaltung solcher zusätzlicher Filter ist dann von Vorteil, wenn die Probe. solche das zu untersuchende Gas überlappende Gase aufweist.
Wie zuvor bereits erwähnt, wird die Messung der interessierenden Gaskomponente bei dem Analysator gemäß der Erfindung in der Weise vorgenommen, daß die abwechselnd am Empfängerausgang erscheinenden aufgrund des eingeschalteten Referenz- bzw. Meßfilters unterschiedlichen Signalamplituden miteinander verglichen werden. Um das Referenz- und Meßsignal voneinander zu unterscheiden, ist eine Synchronisation der Stellung des Filterrades 118 mit der elektronischen Verarbeitungseinrichtung 132 erforderlich. Zu diesem Zweck ist, wie hier nicht näher dargestellt, das Filterrad 118 am Außenumfang mit Einkerbungen versehen, die mit der lichtemittierenden Diode 135 und dem zugeordneten lichtempfindlichen Schalter 136 abgetastet werden. Die so erzeugten Impulse werden der elektronischen Hauptprogrammiereinrichtung 137 zugeführt, welche ihrerseits in Zuordnung zu der Drehung des Filterrades 118 Synchronisierimpulse für die elektronische Verarbeitungseinrichtung 132 erzeugt. Die Wirkungsweise dieser Schaltungsteile wird später noch näher erläutert.
In Figur 7 ist die elektronische Signalverarbeitungseinrichtung in näheren Einzelheiten dargestellt. Es sei hierbei erwähnt, daß in dem Analysator gemäß der Erfindung, für jeden getrennten Empfänger eine solche Signalverarbeitungseinrichtung angeordnet ist. So ist der Empfänger 124 an die eine Belegung eines Kondensators 170 angeschlossen, während die andere Belegung des Kondensators 170 einerseits über einen Widerstand 171 an Masse und andererseits an den Eingang eines nachgeschalteten Verstärkers 131 gelegt ist. Die auf diese Weise gefilterten und verstärkten Ausgangssignale des Empfängers 124 werden über einen Kondensator 172 auf einen Pufferverstärker 173 geschaltet. Da der Koppelkondensaotr 172 durch jede von dem Empfänger 122 und den nachgeschalteten Verstärker 131 erzeugte Signalamplitude aufgeladen wird, muß die gespeicherte Kondensatorladung zwischen zwei Signalamplituden jedesmal abgeleitet werden, um sicherzustellen, daß sich die Ladungen nicht addieren. Zu diesem Zweck ist ein Schalter 174 vorgesehen, der zwischen zwei auftretenden Signalamplituden den Kondensator 172 jedesmal an Masse legt.Der Verstärker 131 weist einen niedrigen Ausgangswiderstand auf, so daß die Zeit zwischen den verstärkten Empfängersignalen ausreichend ist, um den Koppelkondensator 172 über den Schalter 174 zu entladen, bevor die nächste Signalamplitude des Empfängers erscheint.
Das Ausgangssignal des Pufferverstärkers 173 wird einem in seiner Verstärkung geregelten Verstärker 174 aufgeschaltet und anschließend auf einen Verstärker 175 mit vorgegebenem festen Verstärkungsgrad gegeben. Der Verstärker 175 ist über einen weiteren Koppelkondensator 177 auf einen weiteren Pufferverstärker 176 geschaltet. Ein Schalter 178 entlädt den Koppelkondensator 177 ebenfalls zwischen zwei aufeinanderfolgenden Signalamlituden.
Ein Entkopplungssystem ist erforderlich, um die dem Referenzsignal und dem Meßsignal zugeordneten Signalamplituden voneinander zu trennen. Wie bereits zuvor erwähnt, beruht die Messung eines interessierenden Gases auf einem Vergleich dieser aufeinanderfolgenden Signalamplituden. Eine Trennung wird durch die wechselweise Betätigung zweier Schalter 179 und 180 erreicht.
Der Schalter 179 wird geschlossen, während der Empfänger 124 ein dem Meßstrahl zugeordnetes Signal abgibt. Andererseits wird der Schalter 180 geschlossen, wenn der Empfänger 124 ein dem Referenzstrahl zugeordnetes Signal abgibt. Den Schaltgn179 und 180 sind Verstärker mit Tiefpaßverhalten 181 und 182 jeweils nachgeschaltet. Eine Rückführungsschleife ist von dem Ausgang des Verstärkers 181 nach dem geregelten Verstärker 174 gelegt und enthält einen Integrationsverstärker 183. Das Ausgangssignal des Integrationsverstärkers 183 wirkt regelnd auf die Verstärkung des Verstärkers 174 ein, um ein Ausgangssignal an einem Ausgangsverstärker 184 zu erzeugen, welches proportional zu dem Verhältnis der Signalamplituden ist. Auf diese Weise erhält man ein Ausgangssignal, welches ein getreues Abbild der Differenz zwischen dem Referenz- ünd dem Meßsignal ist. Der Ausgangsverstärker 184 erzeugt das von der Meßeinrichtung 133 verwertete Signal. Konstantspannungsquellen 185 und 186 sind an zweite Eingänge der Verstärker 182 und 183 gelegt.
Gemäß Figur 8 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gasanalysators schematisch dargestellt, bei der ein einziger Empfänger für die Analyse mehrerer Gaskomponenten verantwortlich ist. Ein Gehäuse 210 enthält die gesamte optische Einrichtung und wahlweise Teile oder auch die gesamte elektronische Einrichtung.
Der Analysator besitzt eine Infrarot-Strahlungsquelle 211 und je nach der Art dieser Strahlungsquelle zusätzlich einen Reflektor 212. Eine die Gasprobe aufnehmende Filterzelle 213 besitzt Ein-und Austrittsfenster 214 und 215, welche für die Infrarotstrahlung durchlässig sind. Ein- und Auslaßöffnungen 216 und 217 sind vorgesehen, um der Filterzelle die Probe des zu untersuchenden Gases zuzuführen. Ein Filterrad 218 enthält. in geordneter Reihenfolge Filtereinrichtungen zur Erzeugung des Referenz- und Meßstrahlenganges für jedes der zu untersuchenden Gase. Der Aufbau des Filterrades 218 wird weiter unten näher beschrieben. Das Filterrad 218 wird über eine Antriebswelle 220 durch einen Wechselstrommotor 219 angetrieben. Eine Empfängerkammer 221 weist einen Infrarot-Empfänger 222 zum Empfang der Infrarotstrahlung auf. Eine Sammellinse 223 kann angeordnet werden, um die Ubertragene Infrarotstrahlung auf dem Empfänger 222 zu vereinigen.
Eine Temperaturregeleinrichtung 224 in Verbindung mit einem Temperaturfühler 224a in dem Gehäuse 210 kann benutzt werden, um die Temperatur in dem Analysator zu regeln. Eine Temperaturregelung ist nicht unbedingt erforderlich für die Arbeitsweise des Analysators gemäß der Erfindung aber es ist wünschenswert, die Temperatur innerhalb des Analysators auf einernahezu konstanten Temperatur zu halten, da eine konstante Temperatur die Wirkungsweise der Einrichtung verbessert. Eine Regelung der Temperatur erlaubt jedoch den Einsatz des Analysators auch bei einem weiten Schwankungsbereich der Umgebungstemperatur. In ähnlicher Weise kann eine Temperaturregeleinrichtung 225 vorgeseheWei0h die Temperatur des Empfängers 22 mittels eines Temperaturfühlers 225a zu regeln.
In gewissen Anwendungsfällen des Analysators gemäß der Erfindung kann es wünschenswert sein, die Gaszusammensetzung der Umgebung zu überwachen, in welcher der Analysator angeordnet ist. Unter diesen Umständen ist eine die Probe aufweisende Filterzelle nicht erforderlich und kann von dem den Analysator umgebenden Gas ersetzt werden.
Das von dem Infrarot-Empfänger 222 erzeugte Signal wird auf einen Empfänger-Verstärker 226 gegeben. Die auf diese Weise verstärkten Signale werden sodann auf ein Kanal-Auswahlgatter 227 geführt, welches Gatter fortlaufend einen Unterkanal für die Signalverarbeitung auswflhlt, wobei ein Unterkanal jeweils für jedes zu untersuchende Gas vorgesehen ist. Das von dem Gatter 227 erzeugte Signal wird seinerseits dem eigentlichen elektronischen Unterkanalsystem 228 zugeführt, worin das jedem zu untersuchende Gas zugeordnete Signal weiter verstärkt und verarbeitet wird, bevor es an eine Ausgabeeinrichtung 229 weitergegeben wird, welche ein Meßgerät oder eine andere herkömmliche Ausgabeeinrichtung sein kann. Die erwähnten elektronischen Einrichtungen werden weiter unten in näheren Einzelheiten beschrieben. Weiterhin ist eine Synchronisation zwischen dem Kanal-Auswahlgatter und der verbleibenden elektronischen Kanalverarbeitungseinrichtung im Hinblick auf die Stellung des Filterrades -218 vorgesehen. Wie weiter unten noch ausführlich beschrieben, weist die Synchronisationseinrichtung eine die Stellung des Filterrades 218 ermittelnde Einrichtung 230 auf. Diese Einrichtung 230 besteht aus einer lichtemittierenden Diode 230a und einem zugeordneten lichtelektrisch betätigten Schalter 230b. Das Abtastsystem 230 beaufschlagt eine elektronische Hauptprogrammeinrichtung 231, welche die erforderlichen Synchronisationssignale erzeugt.
Das Filterrad 218 des Analysators gemäß der Erfindung ist in den Figuren 9 und 10 in näheren Einzelheiten dargestellt. Das Filterrad ist scheibenförmig ausgebildet und weist eine Vielzahl von Bohrungen auf, die auf einem zu der Scheibe konzentrischen Kreis angeordnet sind. Jeweils zwei benachbarte Bohrungen bilden ein Paar. Die Paare von Bohrungen sind jeweils mit den Bezugsziffern 232,233 und 234 versehen. Jedes Bohrungspaar dient der Unterbringung eines Filtersystems, welches ein Referenzfilter und ein Meßfilter für die Analyse eines zu untersuchenden Gases aufweist. Die auf diese Weise in geordneter Reihenfolge angeordneten Paare von Bohrungen und Filtern sind in Figur 9 mit den Bezugsziffern 232a und 232b, 233a und 233b und 234a und 234b versehen. Das die Bohrungen 232a und 232b enthaltende Filtersystem 232 bildet beispielsweise ein solches Filterpaar zur Analyse eines ersten Gases innerhalb der probe. In gleicher Weise dient das Filtersystem 233 der Analyse einer zweiten Gaskomponente usw.
Aus der in Figur 10 dargestellten Schnittzeichnung ist ersichtlich, daß die Filter des Filterrades 218 mehrere hintereinandergeschaltete Filterelemente aufweisen können.
Wie zuvor bereits erörtert, werden bei dem Analysator gemäß der Erfindung die durch den Empfang der Infrarotstrahlung erzeugten elektrischen Signale des Meß- und Referenzsystems elektronisch miteinander verglichen. Wenn das Filterrad 218 sich dreht, so werden die Bohrungen in dem Filterrad nacheinander in den Strahlenweg zwischen Strahlungsquelle und Empfänger bewegt, wobei sie gleichzeitig auf die die Probe enthaltende Filterzelle ausgerichtet werden.
Es sei nun angenommen, daß die Bohrung 232b das Referenz-Filtersystem für ein erstes zu untersuchendes Gas aufweist. Dieses Referenz-Filtersystem weist normalerweise verschiedene Elemente auf, nämlich eine erste Zelle 235, welche ein für die Infrarotstrahlung durchlässiges Gas, z.B. Nitrogen enthält und ein schmales optisches Bandpaßfilter 236, welches aus dem gesamten infraroten Spektrum ein schmales Band hindurchläßt, welches wenigstens eine markante Absorptionslinie des ersten zu untersuchenden Gases enthält In gleicher Weise enthält das Meßfilter 232a ebenfalls mehrere Elemente, so eine erste Filterzelle 237, welche mit dem zu untersuchenden ersten Gas gefüllt ist und ein schmales, optisches Bandpaßfilter 236a, welches den gleichen Spektralbereich wie das zuvor erwähnte Bandpaßfilter 236 hindurchläßt. Zusätzliche Filterzellen 238 und 239 können sowohl in den Meß- als auch in dem Referenzfilter vorgesehen sein, wenn die zu untersuchende Gasprobe außer der interessierenden Gaskomponente noch zusätzliche Gaskomponenten aufweist, die ihrerseits ein infrarotes Absorptionsspektrum aufweisen, das dasjenige des zu untersuchenden Gases überlappt. Die Filterzellen 238 und 239 werden in diesem Fall mit dem überlagerten, störenden Gas gefüllt, so daß das Vorhandensein dieses Störgases in der Probe das Ausgangssignal des Empfängers weder im Meß- noch im Referenzsystem beeinflußt. Die Gesamtenergiedifferenz zwischen dem Referenz- und Meßsystem, welche durch die Absorption innerhalb der Filterzelle 237 verursacht wird, wird elektronisch kompensiert.
Die in den Filterzellen eingeschlossenen Gase werden durch Ein-und Austrittsfenster 240 bis 243 dicht abgeschlossen. Diese Fenster müssen für die Infrarotstrahlung durchlässig sein und werden daher vorzugsweise aus Saphirglas gefertigt. Zur Befestigung und zum gasdichten Abschluß wird vorzugsweise ein Epichlorhydrinharz verwendet. Ein gleiches Harz kann für die Befestigung der optischen Bandpaßfilter 236 und 236a verwendet werden. Nicht dargestellte Ventile können wiederum auf der Außenseite des Filterrades 218 angeordnet sein, um die Filterzellen jeweils mit Gas zu füllen und gasdicht abzuschließen.
In gleicher Weise bilden die beiden Filter 233a und 233b ein Meß-und Referenzfilter für die Analyse eines zweiten Gases. Das Referenzfilter enthält eine erste Filterzelle 244, die mit einem für infrarote Strahlung durchlässigen Gas gefüllt ist und, sofern erforderlich, eine mit einem störenden Überlagerungsgas gefüllte Filterzelle 245 sowie schmales,optisches Banpaßfilter 246.
Das Meßfilter enthält eine erste mit dem zu untersuchenden Gas gefüllte Filterzelle 247, sofern erforderlich, eine mit dem störenden Überlagerungsgas gefüllte Filter zelle 248 und ein schmales optisches Bandpaßfilter 246a. Die optischen Bandpaßfilter 246 und 246a lassen wiederum einen schmalen Bereich des infraroten Spektrums hindurchtreten, wobei in diesem schmalen Bereich das zweite Gas wenigstens eine markante Absorptionslinie aufweist.
Der Durchlaßb§Gich der Bandpaßfilter 246 und 246a wird im allgemeinen gegenüber dem Durchlaßbereich der Bandpaßfilter 236 und 236a verschoben sein.
Betrachtet man die Untersuchung des ersten Gases und nimmt man eine Drehung des Filterrades 218 entgegen dem Uhrzeigersinn an, so empfängt der Empfänger nacheinander die durch die Filter 232a und 232b übertragene Energie. In der ersten Stellung des Filterrades 218 erhält der Empfänger 222 eine Infrarotstrahlung, welche die die Probe enthaltende-Filterzelle 213, die das zu untersuchende Gas enthaltende Filterzelle 237, die das Störgas enthaltende Filterzelle 238 und das Bandpaßfilter 236a durchquert. Wenn nachfolgend die Bohrung 232b in-den Strahlungsweg gebracht wird, so erhält der Empfänger 222 infrarote Strahlungsenergie, welche die die Gasprobe enthaltende Filterzelle 213, die Filterzelle 235, dp s,0t,örWasenthaltende Filterzelle 239 und das optische Bandpaßfilter 236 durchquert. In der gleichen Reihenfolge werden die Filtersysteme 233 und 234 bei der Analyse eines weiteren zu untersuchenden Gases in den Strahlenweg gebracht. Obwohl das in den Figuren 9 und 10 dargestellte Filterrad 218 für die Analyse dreier Gase vorgesehen ist, wobei drei einander zugeordnete Paare von Bohrungen vorgesehen sind, ist es selbstverständlich, daß jede andere Anzahl von Gasen untersucht werden kann, indem entsprechend mehr oder weniger geordnete Paare von Bohrungen mit entsprechenden Filterzellen in dem Filterrad 218 angeordnet werden.
Die quantitative Bestimmung eines zu untersuchendes Gases durch den Analysator gemäß der Erfindung, basiert auf einem Vergleich infraroter Strahlungsintensität, welcher die von einem nicht selektiven Empfänger erzeugten Ausgangssignale zugeordnet sind.
Der Empfänger erzeugt hierbei nacheinander Ausgangssignale aufgrund des Lichtdurchganges durch das Referenz- bzw. Meßsystem, welches für jedes jeweils zu untersuchende Gas vorgesehen ist.
Der Unterschied in der Strahlungsintensität ist ein Maß für die Absorption der Infrarotstrahlung in dem Referenzsystem durch ein in der Probe enthaltenes zu untersuchendes Gas. Der Gebrauch von ausgewählten schmalen optischen Pandpaßfiltern, welche nur ein schmales Band des infraroten Spektrums hindurchlassen, vermindert die Gesamtinfrarotenergie sowohl im Meß- als auch im Referenzsystem und verbessert die relative Differenz zwischen beiden empfangenen Signalen, wenn das zu untersuchende Gas in der Probe in einer bestimmten Menge vorhanden ist. Auf diese Weise wird die quantitative Genauigkeit der Meßeinrichtung verbessert. Trotzdem verbleibt noch genügend Energie in dem durchgelassenen schmalen Spektralbereich, um nach Durchlauf der Strahlung durch die Filter ein genaues Meßsignal zu empfangen. Durch die Verwendung des gleichen schmalen Spektralbereiches sowohl in dem Referenzals auch in dem Meßsystem, werden zusätzlich Fehler unterdrückt, die aus einer Verschiebung des Spektralbereiches der aus sendenden Strahlungsquelle bzw. einer Verschiebung der spektralen Empfindlichkeit des Empfängers resultieren könnten. Die mit dem überlagerten Störgas gefüllten Filterzellen 238 und 239 werden im allgemeinen nur dann benutzt, wenn ein solches Störgas in der Probe enthalten ist und dieses Störgas ein infrarotes Absorptionsspektrum aufweist,welches dasjenige des zu untersuchenden Gases überlappt. Nur wenn das überlagerte Störgas ebenfalls Absorptionslinien innerhalb des schmalen Durchlaßbereiches des optischen Bandpaßfilters aufweist, wird Infrarotenergie absorbiert und die Messung eines zusätzlichen Betrages des, zu untersuchendes Gases vorgetäuscht. Wenn jedoch die zusätzlichen Filter zellen 238 und 239 mit dem störenden überlagerten Gas gefüllt sind, so wird durch die in beiden Meßwegen erzeugte Absorption der üblicherweise auftretende Fehler eliminiert. Selbstverständlich müssen, falls mehrere solcher überlagerter Gase in der Probe vorkommen, alle diese Gase in den zusätzlichen Filterzellen vorhanden sein.
Ein anderer Vorteil ergibt sich bei dem Analysator gemäß der Erfindung, wenn man das Ergebnis der Messung nicht in Form einer Differenz der von dem Empfänger erzeugten Ausgangssignale, sondern als Verhältnis dieser beiden Ausgangssignale darstellt. Die Intensitätsabnahme der Infrarotstrahlung sowohl beim Durchlauf des Referenz- als auch des Meßsystems kann durch folgende Beziehung angegeben werden: Ir = Ioe -klCr Ia = Ioe -klCa In diesen Gleichungen bedeuten: 10 = Intensität der Strahlungsquelle Ir = Intensität der das Referenzsystem durchlaufenden Strahlung 1a = Intensität der das Meßsystem durchlaufenden Strahlung k = Absorptionskoeffizient 1 = Weglänge Cr Ca = Konzentration des von dem Referenz-bzw. Meßstrahl durchsetzten Gases.
Aus den obigen Beziehungen ist leicht ersichtlich, daß man bei einer Messung der Differenz der beiden Signale folgenden Ausdruck erhält: Aus dieser Beziehung wird ersichtlich, daß die Differenz beider de Werte d-rch eine Änderung der vondeEtrahlungsquelle ausgehenden Strahlung 10 beeinflußt wird. Benutzt man jedoch das Verhältnis 1r der beiden Meßwerte oder was das gleiche ist den Ausdruck 1a so ergibt sich folgende Beziehung: Aus dieser Beziehung wird ersichtlich, daß eine Veränderung der Strahlungsintensität I. der Strahlungsquelle in diese: Beziehung 0 nicht eingeht. In gleicher Weise kann gezeigt werden, daß Änderungen inder spektralen Empfindlichkeit des Empfängers das obengenannte Verhältnis ebenfalls nicht beeinflussen. Auf den Nachweis dieser Tatsache sei jedoch hier verzichtet.
Ein Zeitdiagramm für die geeignete Koordination der Stellung des Filterrades 218 und der Empfängersignale ist in den Figuren 11 und lla dargestellt. Eine Reihe von Einschnitten 260 sind am Außenumfang des Filterrades 218 in gleichmäßigen Abständen angebracht. Ein Paar von Einschnitten 261 zuweist gegenüber den Einschnitten 260 einen unterschiedlichen gegenseitigen Abstand auf.
Die erwähnten Einschnitte 260 und 261 wirken mit der bereits erwähnten Abtasteinrichtung 230 zusammen. Diese Abtasteinrichtung 230 weist eine Lichtquelle, beispielsweise eine lichtemittierende Diode 230a und einen lichtelektrisch betätigten Schalter 230b auf, welchen Zusammenarbeit ein Synchronisationssignal erzeugen, um das Kanal-Auswahlgattersystem 227 und die verbleibende elektronische Kanalverarbeitungseinrichtung mit der Drehung des Filterrades 218 zu synchronisieren.
Bei einem Ausführungsbeispiel hat es sich herausgestellt, daß es ausreichend ist, acht Einschnitte pro Filtersystem vorzusehen, um die Drehstellung des Filterrades 218 ausreichend aufzulösen. Auf diese Weise erhält man acht Impulse während der Zeitdauer, in der das Filtersystem durch den Strahlenweg bewegt wird. Für jedes der Filtersysteme 232,233 und 234 sind somit acht Einschnitte und acht diese Einschnitte trennende Zwischenstücke vorhanden. Die Einschnitte 260 sind symmetrisch entlang des Umfanges des Filterrades 218 angeordnet. Diese Symmetrie wird durch die Einschnitte 261,~welche dem Referenzfilter 232b zugeordnet sind, unterbrochen. Durch die asymmetrische geometrische Anordnung der Einschnitte 261 wird eine Bezugswinkellage des Filterrades 218 vorgegebenrund es wird zusätzlich in der elektronischen Einrichtung das symmetrische Synchronisationssignal ein asymmetrisches Signal eingeblendet. Dieses asymmetrische Signal erzeugt innerhalb des Synchronisationssignales einen zeitlichen Referenzpunkt, der der Referenzwinkellage des Filterrades 218 zugeordnet ist.
Die optische Abtasteinrichtung 230 und die nachgeschaltete Elektronik erzeugen ein Synchronisationssignal, welches in der Figur lla mit der Bezugsziffer 263 versehen ist. Hierbei ist angenommen, daß das Filterrad 218 eine konstante Rotationsgeschwindigkeit besitzt. Die der optischen Abtasteinrichtung 230 nachgeschaltete elektronische Einrichtung verstärkt den Ausgang des lichtelektrischen Schalters und beschneidet sodann dieses Ausgangssignal, wodurch sich das Synchronisationssignal 263 ergibt.
Das Synchronisationssignal 263 weist in Figur lla einen niedrigen Pegel auf, wenn einer der Einschnitte 260 sich zwischen der lichtemittierenden Diode 230a und dem Fototransistor 230b befindet Andererseits weist das Synchronisationssignal 263 einen hohen Pegel auf, wenn sich eines der zwischen den Einschnitten 260 befindenden Zwischenstücke zwischen der lichtemittierenden Diode 230a und den zugeordneten Fototransistor 230b befindet.
In Figur 12 ist ein Blockdiagramm des elektronischen Programmiersystems dargestellt. Der optischen Abtasteinrichtung 230 mit dem dazwischen angeordneten Filterrad 218 ist eine elektronische Verstärker- und Begrenzerschaltung 272 nachgeschaltet.
Am Ausgang' der elektronischen Schaltung 272 ist durch die Bezugsziffer 263 das Erscheinen des Synchronisationssignales angedeutet.
Oberhalb des Synchronisationssignales 263 in Figur lla ist das verstärkte und ausgefilterte Ausgangssignal des Empfängers 222 für eine Umdrehung des Filterrades 218 dargestellt. Das verstärkte und ausgefilterte Empfängerausgangssignal ist mit der Bezugs ziffer 262 versehen und zeigt der Einfachheit halber in idealisierter Form Signalamplituden mit beliebig einander zugeordneten Größen, welche den von dem Empfänger 222 empfangenen, durch das Meß- bzw. Referenzfilter erzeugten Strahlungsimpulsen entsprechen. Der Durchgang eines Strahlenimpulses zu dem Empfänger 222, durch welchen eine entsprechende Signalamplitude in dem Empfangssignal 262 erzeugt wird, ist während der Zeit möglich, in der.sich das Meß- oder Referenzfilter zwischen der Strahlenquelle 211 und dem Empfänger 222 befindet.
Verschiedene andere Signale werden aus dem Synchronisationssignal 263 abgeleitet. Einige dieser Signale sind in der Figur lla dargestellt. Das erste dieser abgeleiteten Signale ist ein Rückstellsignal 264 für die elektronische Programmiereinrichtung. Das Rückstellsignal 264 wird aus der Asymmetrie des Synchronisationssignals 263 gewonnen. Hierzu wird die Zeitdauer, für welche das zwischen den Einschnitten 260 jeweils liegende Zwischenstück die Übertragung des Lichtes von der lichtemittierenden Diode 230a nach dem Fototransistor 230b unterbricht, gemessen. Diese Messung erfolgt durch die in dem Block 273 in Figur 5 angegebene elektronische Schaltung. Von allen eingehenden Signalen weist lediglich das durch das Zwischenstück zwischen den Einschnitten 261 erzeugte Signal eine genügend lange Zeitdauer auf, um am Ausgang der elektronischen Schaltung 273 ein Signal zu erzeugen.
Dieses Signal ist mit der Bezugsziffer 264 in Figur lla versehen. Das Signal 264 besteht aus einem einzigen Impul, der erscheint, wenn das Synchronisationssignal 263 in seiner Symmetrie unterbrochen wird.
Der Rückstellimpuls 264 wird während der Zeitdauer erzeugt, wo eine durch das Referenzfilter 233b verlaufende Strahlung empfangen wird, da während dieser Zeit weder in der elektronischen Programmiereinrichtung noch in der elektronischen Kanalverarbeitungseinrichtung eine Umschaltung erforderlich ist. Durch diese Wahl erhält man als Ergebnis einen minimalen Störeffekt, welcher möglicherweise bei der Erzeugung des Rüäkstellsignales 264 aufgrund von Störkomponenten verursacht werden könnte.
Gemäß Figur 12 ist am Ausgang des Blockes 273 die Bezugsziffer 264 für das Rückstellsignal eingezeichnet. Das Rückstellsignal wird dazu benutzt, alle Speichereinrichtungen in der verbleibenden elektronischen Programmiereinrichtung zurückzustellen. Die Speicherelemente befinden sich üblicherweise zu diesem Zeitpunkt bereits in ihrem richtigen Zustand, jedoch kann ein Störimpuls einen Fehler im Zustand des Speicherelementes verursachen. Die Rückstellung der Speicherelemente wird durch den den Block 273 verlassenden Signalpfad angedeutet, der nach anderen Blöcken der elektronischen Programmiereinrichtung gerichtet ist, welche Speicherelemente aufweisen. Die elektronische Programmiereinrichtung startet von dem gleichen vorgewählten elektronischen Zustand bei jeder Drehung des Filterrades 218, nachdem der Rückstellimpuls erzeugt wurde. Das bedeutet, daß die elektronische Programmiereinrichtung mit jedem innerhalb des Rückstellsignales 264 erzeugten Rückstellimpulses von neuem zu arbeiten beginnt. Es ergibt sich also, daß die Drehung des Filterrades 218 die grundlegende Zeitbasis bzw. das Taktsignal für die Betätigung der elektronischen Programmiereinrichtung darstellt. Die elektronische Programmiereinrichtung wird daher in Übereinstimmung mit der Lage des Filterrades 218 betrieben.
Die verbleibenden Signale gemäß Figur 11a, d.h. die Signale 265 bis 271 werden alle dazu benutzt, die elektronische Kanalverarbeitüngseinrichtung zu steuern, welche gemäß Figur 13 in einem Blockdiagramm dargestellt ist. Alle diese Signale dienen der Steuerung der elektronischen Kanalverarbeitungseinrichtung an Punkten des Kanals, hinter dem Punkt wo der Empfänger-Verstärker 226 angeordnet ist. Aus diesem Grund kann durch die Einwirkung der Signale 265 bis 271.auf die elektronische Kanalverarbeitungseinrichtung keine Veränderung des verstärkten Empfängersignales 262 bewirkt werden.
Es sei hier nochmals darauf hingewiesen, daß der Strahlungsempfänger 222 ein Ausgangssignal in Abhängigkeit von dem aufeinander erfolgenden Empfangfder das Referenz- bzw. Meßfilter durchsetzenden Strahlen erzeugt. Das Ausgangssignal des Empfängers 222 wird sodann gefiltert und verstärkt und erscheint als verstärktes Empfängersignal 262 am Ausgang des Empfänger-Verstärkers 226, wie dies in Figur. 13 dargestellt ist. Das Signal 262 wird sodann durch einen Kondensator 283 kapazitiv auf die eine Seite von drei Schaltern 285,286 und 287 weitergegeben. Der vor den Schaltern liegende Teil der Schaltung wird für die Signalübertragung mehrfach ausgenutzt, Die drei Schalter 285;286 und 287 werden sodann wahlweise betätigt, um das jeweils einanMeß- bzw. zugeordneten Referenzsystem entsprechende Signal auf einen der drei elektronischen Unterkanäle zu geben. So werden beispielsweise die beiden dem Filtersystem 233 zugeordneten Signalamplituden durch den Schalter 285 auf den Pufferverstärker 289 gegeben. Aus der Figur 13 geht hervor, daß für jedes zu untersuchende Gas sowohl ein optisches Filtersystem als auch ein elektronisches Kanalverarbeitungssystem erforderlich ist.
Die in der Figur 1ta dargestellten Signale 265 bis 267.dienen der Steuerung der Schalter 285,286 und 287 gemäß Figur 13. Da sich eines dieser drei Signale gemäß Figur lla immer in dem hohen Potentialzustand befindet, wird das verstärkte Empfängersignal 262 immer auf einen der Unterkanäle gegeben, da einer der Schalter immer geschlossen ist, wenn sein Steuersignal sich in dem hohen Potentialzustand befindet.
Die Punkte, an denen die Signale 265 bis 267 innerhalb der elektronischen Programmiereinrichtung auftreten, sind in Figur 12 bezeichnet. Figur 12 zeigt, daß die Signale 265 bis 267 durch den die elektronische Kanalwähleinrichtung aufweisenden Block 274 erzeugt werden. Die elektronische Kanalwähleinrichtung 274 macht von einem Ringzähler Gebrauch, welcher für jeden Unterkanal eine Zählerstellung aufweist. Gemäß Figur 13 sind entsprechend den drei Paaren von Meß- bzw. Referenzfiltern in dem Filterrad 218 drei Schalter 285,286 und 287 vorgesehen, welche die verstärkten Empfängersignale 262 auf drei Unterkanäle schalten, wobei die drei Unterkanäle der Analyse dreier zu untersuchender Gase dienen. Selbstverständlich ist jede andere Anzahl von Unterkanälen, von Filtersystemen auf dem Filterrad und von Zählstellungen des Ringzählers möglich, wenn die Anzahl der zu untersuchenden Gase variiert.
Der Ringzähler in der elektronischen Kanalwähleinrichtung 274 gibt einen Zählimpuls ab, im vorliegenden Fall ein Ausgangssignal mit hohem Potential, durch welches nacheinander der Unterkanal ausgewählt wird, auf welchen das Empfängersignal 262 geschickt wird. Jedesmal also, wenn sich eines der Signale 265 bis 267 in dem hohen Potentialzustand befindet, ist einer der zugeordneten Schalter 285,286 oder 287 gemäß Figur 13 geschlossen. Aus Figur lla ist ersichtlich, daß die Zeitdauer, in welcher eines der Signale 265 bis 267 den hohen Potentialzustand einnimmt, etwas größer ist als die Zeitdauer, in welcher die von dem Meßfilter und dem Referenzfilter erzeugten Signalamplituden erscheinen. Demgemäß werden bei der Analyse eines zu untersuchenden Gases,das Meßsignal und das Referenzsignal für das zu untersuchende Gas von einem Unterkanal verarbeitet.
Die schrittweise Fortschaltung des Zählstandes des Ringzählers innerhalb der elektronischen Kanalwähleinrichtung 274 wird durch ein abgeleitetes Synchronisationssignal 276 gesteuert, welches gemäß Figur 12 von einem elektronischen Empfänger-Tastverstärker 275 erzeugt wird. Der elektronische Empfänger-Tastverstärker 275 wird seinerseits durch das Basis-Synchronisationssignal 263 gesteuert. Obwohl das abgeleitete Synchronisationssignal 276 herangezogen werden kann, um alleine die fortwährende Weiterschaltung des Zählzustandes des Ringzählers zu bewirken, wird das Rückstellsignal 264 dem Ringzähler ebenfalls zugeführt, um mit Sicherheit zu gewährleisten, daß der Ringzähler mit jeder neuen Drehung des Filterrades 218 die Zählung von neuem beginnt.
Das Rückstellsignal 264 stellt weiterhin die anderen Speicherelemente innerhalb der elektronischen Kanalwähleinrichtung 274 zurück, welche beispielsweise alle aus herkömmlichen Flip-Flops bestehen können.
Gemäß Figur 6 kann der Koppelkondensator 283 durch eine der Signalamplituden innerhalb-des verstärkten Empfängersignales 262 (Figur lla) aufgeladen werden. Wenn eine dieser Signalamplitude entsprechende Aufladung auf dem Koppelkondensator 283 verbleibt, so wird die nächste Signalamplitude diese Ladung noch erhöhen und bei einer Weiterschaltung über die Schalter 285,286 und 287 auf einen der Unterkanäle würde das nächste Signal einen Fehler erzeugen. Um diesen Fehler zu verhindern, ist der Schalter 284 vorgesehen, um den Koppelkondensator 283 zwischen dem Erscheinen zweier aufeinanderfolgender Signalamplituden in dem verstärkten Empfängersignal 262 nach Masse zu entladen. Der Schalter 284 wird durch das Signal 268 gemäß Figur lla gesteuert. Um dies auch in Figur 13 zu verdeutlichen, ist neben dem Schalter 284 die Bezugsziffer 268 unterstrichen eingetragen.
Die Figur lla zeigt das Tastsignal 268 in einem Zustand hohen Pegels zwischen jeder Signalamplitude des Empfängersignales 262.
Der Empfänger-Verstärker -226 weist einen niedrigen Ausgangswiderstand auf und somit ist die Zeit,während der sich das Signal 268 in dem hohen Potential zustand befindet, ausreichend, um den Koppelkondensator 283 über den Schalter 284 zu entladen, bevor eine nachfolgende Signalamplitude erscheint.
Gemäß Figur 5 ist ersichtlich, daß das Tastsignal 268 von dem in dem Block 275 enthaltenen elektronischen Empfänger-Tastverstärker erzeugt wird. Dieser Tastverstärker wird durch das Basis-Synchronisationssignal 263 gesteuert, welches dadurch die Grundlage für das abgeleitete Synchronisationssignal 268 bildet. Auch die Speicherelemente in dem elektronischen Empfänger-Tastver stärker 275 werden durch das Rückstellsignal 264 zurückgestellt, so daß sichergestellt ist, daß die von dem Tastverstärker 275 erzeugten Signale mit jeder Drehung des Filterrades 218 von neuem erzeugt werden. Die Speicherelemente des elektronischen Empfänger-Tastverstärkers 275 können ebenfalls aus Flip-Flops bestehen.
Es kann ebenfalls der Figur lla entnommen werden, daß der Tastschalter 284, der zwischen dem Auftreten der Signalamplituden 262 geschlossen ist, ebenfalls während der Zeit geschlossen ist, in der die Schalter 285,286 oder 287 in Abhängigkeit der Pegelverschiebungen der Signale 265 bis 267 betätigt werden. Dadurch werden irgendwelche Störungen aufgrund der Schalterbetätigung von der elektronischen Schaltung vor dem Tastschalter 284 ferngehalten.
Die verbleibenden Signale in Figur lla, d.h. die Signale 269 bis 271 greifen steuernd in die Signalverarbeituny des jeweils ausgewählten Unterkanales ein. Die elektronischen Komponenten eines solchen Unterkanales sind in Figur 13 in einem Blockdiagramm dargestellt. Die Signale 269 bis 271 werden von einem Block 277 in Figur 12 erzeugt, welcher eine von drei elektronischen Unterkanal-Steuereinrichtungen enthält. Eine weitere elektronische Unterkanalsteuereinrichtung 278 erzeugt drei weitere Signale, welche den Signalen 269 bis 271 bis auf eine zeitliche Verschiebung entsprechen. Diese zeitliche Verschiebung nach rechts in Figur lla entspricht der Zeit, um welche die Signale des Filtersystemes 232 ihr zeitlich gegen'»aen Signalen des Filtersystemes 233 in dem Empfängersignal 262 verschoben sind. In gleicher Weise wird ein Satz von Signalen von einer elektronischen Unterkanalsteuereinrichtung 279 erzeugt, welche für die Signale des Filtersystems 234 zuständig ist. Auf die Darstellung der von den elektronischen Unterkanalsteuereinrichtungen 278 und 279 erzeugten Signale wurde in Figur lla der Übersichtlichkeit halber verzichtet.
Ebenfalls wurden in Figur 13 die elektronischen Komponenten der Unterkanäle hinter den Schaltern 286 und 287 nicht dargestellt, da ihr Aufbau und ihre Wirkungsweise die gleiche wie diejenige des Unterkanals hinter dem Schalter 285 ist.
Die Entkopplung und Aufspaltung der empfangenen Signale auf die einzelnen Unterkanäle wird demnach durch die Schalter 285,286 und 287 vorgenommen. Der Schalter 285 gibt die von dem Filtersystem 233 erzeugten Signale auf den in der Figur 13 dargestellten Unterkanal weiter. Das von dem Meßfilter 233a erzeugte bezeusten Signal Signal muß jedoch von dem von dem Referenzfilter 233bfgetrennt werden. Dies geschieht, indem in einem ersten Intervall der Schalter 293 geschlossen wird, um das von dem Meßfilter 233a erzeugte Signal zu übertragen, das bevor es auf den Verstärker 295 mit Tiefpaßverhalten geschaltet wird von der dem Schalter 293 vorgeschalteten Schaltung modifiziert wird. Ein Schalter 294 ist geöffnet, während der Schalter 293 geschlossen ist. In einem nachfolgenden Intervall wird der Schalter 294 .geschlossen und bezebqt Signal überträgt das von dem Referenzfilter 233b-4iuf den Verstärker 296 mit Tiefpaßverhalten. Diese beiden Schalter 293 und 294 werden durch die signale 269 und 270 gesteuert, was in Figur 13 angedeutet und in Figur lla dargestellt ist. Figur lla zeigt, daß die beiden Signale 269 und 270 abwechselnd sich in dem hohen Potentialzustand befinden, wobei der hohe Potentialzustand des Signales 265 die beiden Signale 269 und 270 überlappt. Das Signal 265 steuert, wie bereits erwähnt, den Schalter 285. Auf diese Weise wird durch die Schalter 293 und 294 das infolge des geschlossenen Schalters 285 übertragene Empfängersignal entkoppelt.
In Figur 13 sind zwei weitere Tastschalter 288 und 291 dargestellt. Der Tastschalter 288 dient dazu, das vordere Ende der elektronischen Unterkanaleinrichtung an Masse zu legen, falls von dem Empfänger-Verstärker 226, kein Signal auf den Unterkanal gegeben wird. Der Tastschalter 29j besitzt die gleiche Funktion wie der Tastschalter 284, d.h. er dient der Entladung des Koppelkondensators 292. Alle die in Figur 13 dargestellten Schalter befinden sich im geschlossenen Zustand, wenn das zugeordnete Steuersignal den hohen Potentialzustand einnimmt. Die Schalter gemäß Figur 13 können vorzugsweise als bilaterale Schalter in komplementärerMOS-Technik ausgeführt sein.
Die Tastschalter 288 und 291 gemäß Figur 13 werden durch das Steuersignal 271 gemäß Figur 11a gesteuert. Das Steuersignal 271 befindet sich auf hohem Potential, wenn sich das Signal 268 ebenfalls auf hohem Potential befindet so daß die Schalter 288 und 291 den Unterkanal an Masse legen, während der durch das Signal 265 gesteuerte Schalter 285 geschaltet wird. Diese Betätigung der Schalter 288 und 291 ergibt eine Störsignalunterdrückung in dem Unterkanal. Die Schalter 288 und 291 legen den entsprechenden Unterkanal ebenfalls an Masse, während der Zelt, in der die anderen Unterkanäle die Signalverarbeitung übernehmen. Auch in diesem Fall wird eine Störsignalverarbeitung unterdrückt.
Alle drei Signale 269 bis 271 werden von der elektronischen Unterkanalsteuereinrichtung 277 gemäß Figur 12 erzeugt. Die in den Blöcken 277, 278 und 279 angeordneten elektronischen Unterkanalsteuereinrichtungen könnenalle aus standardisierten digitalen Logikgattern aufgebaut sein. Sie werden alle von dem Empfänger-Tastverstärkersignal 268 und durch von der elektronischen Kanalwähleinrichtung 274 erzeugten Signale gesteuert. Die Signale 269 bis 271 und ihre Gegenstücke, welche durch die elektronischen Unterkanalsteuereinrichtungen 278 und 279 erzeugt werden, werden daher alle von diesen zuletzt erwähnten Signalen abgeleitet.
Die Wirkungsweise der elektronischen Kanaleinrichtung gemäß Figur 13 wird verständlich, indem zuerst die Zusammenarbeit zwischen dem Empfänger 222 und dem in Figur 13 nicht dargestellten Filterrad 218 betrachtet wird. Der Empfänger 222 und das Filterrad 218 wirken als eine filternde Strahlenabtasteinrichtung zusammen, bei der die die Gasprobe durchsetzende Strahlung gefiltert und abgetastet und anschließend im Zeitmultiplex übertragen wird. Der Empfänger wandelt weiterhin die empfangene,abgetastete Strahlung in elektrische Ausgangssignale um, welche gepulste Amplituden aufweisen, die der Strahlungsintensität der abgetasteten Strahlung entsprechen. Die von der Strahlungsquelle 11 erzeugte infrarote Strahlung kann als eine Strahlung aufgefaßt werden, die ein breites Frequenzspektrum aufweist und ein zeitveränderliches Filter durchsetzt, wobei die Veränderung durch die Zusammensetzung der Probe in der die Probe aufnehmenden Filterzelle 213 erzielt wird.
Diese modulierte Strahlung wird sodann durch das Filterrad 218 abwechselnd unterbrochen und hindurchgelassen. Die in dem Filterrad 218 angeordneten Filter, die Meßfilter und die Referenzfilter modulieren die Strahlung weiterhin, indem sie als Filter wirken, die auf bestimmte Wellenlängen abgestimmt sind. Das Filterrad 218 zusammen mit dem Empfänger 222 erzeugt eine sich wiederholende Folge von Signalamplituden am Ausgang des Empfängers 222. Hierbei ist jeweils eine Signalamplitude dem Meß- oder Referenzfilter zugeordnet. Jede solche Signalamplitude stellt eine Abtastung der Strahlung zu einem Zeitpunkt dar, in welchem die Strahlung durch das in der Probezelle 213 enthaltene Gas und durch das Meß- oder Referenzfilter moduliert ist. Jede aufeinanderfolgende Signalamplitude ist einem verschiedenen Wellenlängenbereich zugeordnet, mit dem Ergebnis, daß die Signalamplituden Abtastwerte in Zeitmultiplexdarstellung verkörpern, wobei die Abtastwerte durch die verschiedenen Signale entsprechend der Anzahl der in dem Filterrad angeordneten Filter erzeugt werden.
Die Folge dieser Signalamplituden am Ausgang des Empfängers 222 wird auf den Eingang des Empfänger-Verstärkers 226 gekoppelt, wie dies in Figur 13 dargestellt ist. Das sich am Ausgang des Empfänger-Verstärkers 226 ergebende Ausgangssignal ist in Figur 11a als Signal 262 dargestellt.
Die Abtastfrequenz des Empfängers 222 wird durch die Rotationsgeschwindigkeit des Filterrades 218 vorgegeben und beträgt im Fall der vorliegenden Erfindung etwa 47 Hz. Diese Frequenz von 47 Hz ist mit der Anzahl der Meß- und Referenzfilter in dein Filterrad 218 zu multiplizieren.
Bezugnehmend auf Figur 13 sei nun die elektronische Kanalverarbeitungseinrichtung hinter dem Empfänger 222 näher beschrieben. Der Empfängerausgang ist über einen Koppelkondensator 281 auf den Eingang des Empfänger-Verstärkers 226 geschaltet. Der Koppelkondensator wirkt zusammen mit dem nach Masse geschalteten Widerstand 282 als Hochpaßfilter. Die Koppelkondensatoren 281 und 283 werden aus Stabilitätsgründen im Hinblick auf den hohen Verstärkungsgrad des Empfänger-Verstärkers 226 benutzt. Wie bereits zuvor erläutert, verhindert der Tastschalter 284 eine Aufladung des Koppelkondensators 283 durch Signale, welche möglicherweise zwischen den Signalamplituden des Empfängersignales 262 erscheinen können. Es ist u.U. erwünscht, die elektronische Schaltung vor dem Tastschalter 284 entfernt im Hinblick auf den Tastschalter 284 und die verbleibende Schaltung der elektronischen Kanalverarbeitunseinrichtung anzuordnen. Das Hochpaßfilter, bestehend aus dem Koppelkondensator 281 und dem Widerstand 282 ist vorgesehen, um eine große Zeitkonstante für den Ladevorgang zu erzielen.
Ein Teil einiger der in Figur 11a dargestellten Signale ist in der oberen linken Ecke der Figur 13 nochmals dargestellt. Es sei nochmals darauf hingewiesen, daß die Signale, welche die Schalter steuern,als unterstrichene Bezugsziffern in der Nähe dieser Schalter angeschrieben sind, wobei diese Bezugsziffern, die in Figur 11a dargestellten Signale verkörpern. Die in Figur 13 als vertikale gestrichelte Linie durch die Signale verlaufende Zeitmarke gibt den Zeitpunkt an, in welchem sich die Schalter in der in Figur 13 dargestellten Stellung befinden. Die Betätigung des Tastschalters 284 durch das Signal 268 und der Schalter 285 bis 287 durch die Signale 265 bis 267 wurde bereits zuvor erläutert. Ebenso wurde bereits weiter vorne auf die Betätigung des Tastschalters 288 durch das Signal 27 hingewiesen.
Gemäß Figur 13 ist der Schalter 285 geschlossen und überträgt somit Signalamplituden des Filtersystems 233 auf den Pufferverstärker 289. Diese Signalamplituden stellen zwei gefilterte Abtastsignale dar, welche für die Bestimmung des zu untersuchenden Gases innerhalb der Probezelle 213 mit Hilfe des Filtersystemes 233 herangezogen werden. In Figur 13 ist speziell die Zeitsituation dargestellt, wo das Signal von dem Referenfilter 233b dem Pufferverstärker 289 zugeführt wird.
Die Wirkungsweise der rechts von dem in seiner Verstärkung geregelten Verstärker 290 angeordneten Schalter wurde ebenfalls bereits erläutert. Es sei daran erinnert, daß der Tastschalter 291, der durch das Signal 271 betätigt wird, eine Aufladung des Koppelkondensators 292 verhindern soll. Die Schalter 293 und 294 dienen einer Entkopplung des ankommenden Signals in Zeitmultiplexdarstellung, indem sie eine Zuordnung der Signalamplituden zu dem Meßfilter 233a und zu dem Referenzfilter 233b vornehmen.
Trotz dieser dazwischen angeordneten Schaltmittel kann eine nützliche Systemverstärkung zwischen dem Ausgang des Pufferverstärkers 289 und dem Ausgang des Tiefpaßverstärkers 295, wie auch zwischen dem Ausgang des Pufferverstärkers 289 und dem Ausgang des Tiefpaßverstärkers 296 definiert werden.
Das durch das Meßfilter 233a erzeugte Signal sei mit bezeichnet. Dieses Signal steht für die tatsächlichen Werte der Signalamplituden eat welche zusammen, gemitteit über die Zeit, dieses Signal am Ausgang des Pufferverstärkers 289 erzeugen. In gleicher Weise ergeben die durch das Referenzfilter 233b erzeugten tatsächlichen Werte der Signalamplituden er am Ausgang des Pufferverstärkers 289 ein Signal, welches mit erLavg Tg bezeichnet werden kann. Andererseits sei wiederum die Ausgangsspannung des Verstärkers 295 mit Er bezeichnet. In gleicher Weise gibt der Verstärker 296 mit Tiefpaßcharakter an seinem Ausgang die Spannung E a ab. Unter Vernachlässigung der Konstantspannungsquelle 2001 können sodann die folgenden Verstärkungsgrade definiert werden: Die Tiefpaßverstärker 295 und 296 dienen der Auffindung der Signalinformation,aus den abgetasteten Signalen er und ea durch Herausfiltern der Abtastfrequenz und ihrer Harmonischen. Die Tiefpaß-Verstärker 295 und 296 wirken weiterhin als mittelwertbildende Filter, welche unerwünschte Rausch- und Störsignale, die die eigentlichen Signale verfälschen würden, infolge Mittelwertbildung zu Null werden lassen. Der Index avg (averaging) weist auf diese Mittelwertbildung hin. Die während mehrerer Umdrehungen des Filterrades periodisch erscheinenden Signalamplituden des Empfängersignales 262 gemäß Figur 11a, welche durch die nachgeschalteten Schaltungselemente 289,290,292,297 und 298 noch modifiziert werden, erscheinen wiederholt am Eingang des Tiefpaß-Verstärkers 295 bzw. 296, da der Verstärker 222 während jeder Umdrehung des Filterrades 218 die Strahlung fortlaufend abtastet. Die Signalamplituden 262 weisen eine strenge zeitliche Zuorndung auf, während eine solche strenge zeitliche Zuordnung die für den Signalamplituden überlagerten Störsignale nicht vorhanden ist. Aus diesem Grund werden durch die vorgesehenen Tiefpaß-Verstärker 295 und 296 die gewünschten Signalamplituden herausgefiltert, während die Störsignale aufgrund der Mittelwertbildung gegen Null tendieren.
Die am Ausgang des Pufferverstärkers 289 erscheinenden Signale ea und er werden einem elektronischen Meßwerk mit Rückkopplungsschleife aufgeprägt, welches an seinem Ausgang Signale für einen Verstärker 2100 erzeugt, der seinerseits eine Ausgabeeinrichtung 229 beaufschlagt. Das elektronische Netzwerk mit Rückkopplungsschleife erzeugt ein Ausgangssignal, welches dem tatsächlichen Verhältnis der effektiven Eingangssignale und e proportional ist. In Systemen, in denen eine Änderung des Verstärkungsgrades der Komponenten auftritt, wobei diese Änderung der Verstärkung auf beide Signale wirksam ist, führt die Verhältnisbildung der beiden Signale zu einer Elimination dieser Verstärkungsänderung. In vielen System kann der Verstärkungsgrad hinreichend stabilisiert werden, so daß auch eine Signalbildung innerhalb zweier Signaipfade und eine abschliessende Meßwerterzeugung durch Differenzbildung der auf diese Weise erzeugten beiden Signale zu einem guten Ergebnis führt. In vielen System kann jedoch eine Verstärkungsänderung nicht auf jeden Fall vermieden werden.
Dies ist beispielsweise in dem vorliegenden System der Fall, in welchem sich Änderungen hinsichtlich der Lichtübertragung entlang des optischen Pfades als Änderung der Systemverstärkung bemerkbar machen. Eine Änderung der Lichtübertragung entlang des optischen Pfades kann im Laufe der Zeit auftreten, wenn beispielsweise die Ein- bzw. Austrittsfenster der die Probe aufnehmenden Filterzelle' beschlagen. Erzeugt man jedoch ein Ausgangssignal, welches dem Verhältnis der Signale ea~avg und proportional ist, so macht sich eine solche Verstärkungsänderung bei der Bildung des Meßwertes nicht bemerkbar.
Das elektronische Meßwerk mit geschlossener Rückführungsschleife weist am Ausgang des Pufferverstärkers 289 gemäß Figur 13 einen Verstärker 290 auf, der in seinem Verstärkungsgrad geregelt ist.
Die anderen Komponenten des elektronischen Netzwerkes werden durch einen Verstärker 297 mit festem Verstärkungsgrad, den Koppelkondensator 292 und den Pufferverstärker 298 gebildet. Der in seinen Verstärkungsgrad geregelte Verstärker 290 weist eine Verstärkung auf, welche in Abhängigkeit von der am Augang des Integrationsverstär'kers 299 auftretenden Spannung variiert. Der Verstärker 297 weist eine feste Wechselspannungsverstärkung auf und sein Ausgangssignal wird über den Koppelkondensator 292 auf den Pufferverstärker 298 gegeben. Das Ausgangssignal des Pufferverstärkers 298 ist an die Schalter 293 und 294 gelegt, welche die Aufschaltung der Signale auf die Tiefpaß-Verstärker 295 und 296 steuern. Die Ausgangssignale Er und E a dieser Tiefpaß-Verstärker bilden die Eingänge für den Ausgangsverstärker 2100, welcher seinerseits ein Ausgangssignal erzeugt, welches der Differenz zwischen den erwähnten Signalen Er und E a proportional ist. Die Tiefpaß-Verstärker 295 und 296 weisen Verstärkungsgrade auf, die mit Gr und Ga bezeichnet werden.
Das Signal Er wird zusätzlich auf den Eingang des Integrationsverstärkers 299 geschaltet, welcher das Steuersignal für den in seiner Verstärkung geregelten Verstärker 290 bildet. Die Wirkung der den Integrationsverstärker 299 enthaltendenRückführungsschleife zielt daraufhin ab, den Verstärkungsgrad des in seiner Verstärkung geregelten Verstärkers 290 in einer solchen Weise zu steuern, daß das Signal Er der von der Konstantspannungsquelle 2101 gelieferten Konstantspannung angeglichen wird.
Bei diesen Verhältnissen ergibt sich der Verstärkungsgrad G1 zu: G1 = Er-const er-avg Die Verstärkungsgrade der Tiefpaßverstärker 295 und 296 werden näherungsweise als gleich angenommen, d.h. Gr = Ga. Somit sind die Verstärkungsgrade G1 und G2, wie sie vorstehend definiert wurden, ebenfalls näherungsweise gleich, da die Signale Er und E a aus den Signalen er avg und e a-avg abgeleitet wurden und diese Signale durch die gleichen Schaltungskomponenten 290,297,292 und 298 behandelt werden. Die zusätzlich noch im Verarbeitungsweg der Signale er arg und ea avg angeordneten Tiefpaßverstärker 295 und 296 weisen ebenfalls annähernd gleiche Verstärkungsgrade auf. Da das Signal Er, wie zuvor erwähnt, annähernd auf konstanter Spannung gehalten wird, muß sich der Verstärkungsgrad Ga umgekehrt proportional zu der Größe des Signales verändern, unter der Annahme, daß die Verstärkungsgrade G1 und G2 annähernd gleich sind, läßt sich der folgende Satz von Gleichungen aufstellen: Ea = G2 ea-avg = G1 ea-avg = Er-const ea-avg er-avg Das Ausgangssignal Eo am Ausgang des Ausgangsverstärkers 2100 ist der Differenz der an seinen Eingängen angelegten Signale proportional. Diese Differenz wird gebildet zwischen dem Signal Er, welches einerdurch die Konstantspannungsquelle 2101 gebildeten Konstantspannung entspricht und dem Signal Eat welches durch die zuletzt angeschriebene Gleichung vorgegeben ist.
Das Ausgangssignal Eo des Ausgangsverstärkers 2100 wird demnach zusammengesetzt aus einem konstanten Ausdruck Er und einem Ausdruck Ea, der von dem Verhältnis der tatsächlichen Eingangssignale abhängig ist. Der konstante Ausdruck ist für das Ergebnis der Gasanalyse nicht von Bedeutung und es ist daher wünschenswert, diesen Ausdruck zu eliminieren. Andererseits ist es wünschenswert, für das den anderen Ausdruck bildende Verhältnissignal einen Nullreferenzpegel vorzugeben. Dies kann geschehen, indem in das Signal E a eine konstante Signalkomponente eingeführt wird. Diesem Zweck dient die Konstantspannungsquelle 2102 am Eingang des Tiefpaß-Verstärkers 296.
Das Signal Eo am Ausgang des Ausgangsverstärkers 2100 ist daher dem Verhältnis aus den Signalen ea~avg und er~avg proortional.
Es sei hier noch erwähnt, daß der Ausgangsverstärker 2100 ebenfalls Teifpaßcharakter aufweist und somit wiederum als ein mittelwertbildendes Filter im gleichen Sinne wie die Tiefpaßverstärker 295 und 296 wirkt.
Abweichend von der anhand der Figur 13 beschriebenen Schaltungsanordnung können auch logarithmische Verstärker eingesetzt werden.
Das Ausgangssignal wirkt in diesem Fall zurück, indem die Differenz zwischen den Logarithmen der tatsächlichen Eingangssignale gebildet und anschließend diese Differenz entlogarithmisiert wird. 1 1 1 r' Bei der Analyse mehrerer Gase können Schwierigkeiten dann auftreten, wenn wenigstens zwei in der Probe enthaltene Gase die Infrarotstrahlung sehr stark unterschiedlich absorbieren und möglicherweise in sehr unterschiedlichen Konzentrationen in der Probe enthalten sind. In diesem Fall kann eine der vorstehend beschriebenen elektronischen Auswerteschaltungen bei der Analyse des einen Gases völlig übersteuert sein, während bei der Analyse des anderen Gases das empfangene Signal kaum ausreichend ist, um die Auswerteschaltung auszusteuern. Anhand der Figuren 14 bis 17 sei dieses Problem und die Maßnahmen zur Behebung dieses Problems näher erläutert.
Gemäß Figur 16 ist nochmals eine Einrichtung zur Analyse zweier Gase in einer perspektivischen Ansicht dargestellt. Die Einrichtung weist wiederum eine Infrarot-Strahlungsquelle 310 sowie ein rotierendes Filterrad 311 auf. Das Filterrad 311 enthält einander zugeordnete Paare von Bohrungen, in denen Filter 312a und 312b sowie 313a und 313b angeordnet sind. Eine die Gasprobe aufnehmende Filterzelle 314 weist für die Infrarotstrahlung durch lässige Ein- und Austrittsfenster auf, von denen eines mit der Bezugsziffer 315 eingezeichnet ist. Das Austrittsfenster 315 ist in dem Ende der tubusförmigen Probezelle 314 beim Betrieb der Einrichtung gasdicht zu befestigen. Durch Ein- und Auslaßöffnungen 316 und 317 wird der Probezelle 314 die zu untersuchende Gasprobe zugeführt. Als Empfänger 318 wird vorzugsweise ein Empfänger in Festkörpertechnik, z.B. aus OuecksilbesCadmium-Tellurit verwendet. Die in den Bohrungen 312 bis 313b angeordneten Filter sind in gleicher Weise ausgebildet, wie dies bereits anhand der Figuren 9 und 10 zuvor beschrieben wurde. Unter anderem sind in diesen Bohrungen schmale optische Bandpaßfiler angeordnet, welche ein schmales Band der Infrarotstrahlung hindurchlassen, in elchem schmalen Band wenigstens eine markante Absorptionslinie des zu untersuchenden Gases liegt.
Wie bereits erwahnt, weist jedoch ein solches System Nachteile auf, wenn es darugehtéine Gasprobe zu untersuchen, welche beispielsweise zwei Gase enthält, von denen das eine,z.B. C02,die Infrarotenergie stark absorbiert und das andere,z.B;CO,die Infrarot relativ schwach absorbiert. Wenn sodann noch wie dies beispielsweise bei der Analyse typischer Oxidationsprodukte organischer Stoffe der Fall ist, das stark absorbierende Gas in wesentlich höherer Konzentration als das schwach absorbierende Gas vorhanden ist, so ergeben sich bei der Verhältnisbildung der in dem Referenz- bzw. Meßsystem erzeugten Signale für das stark absorbierende Gas in Bezug auf das schwach absorbierende Gas Unterschiene in der Signalamplitude von mehreren Größenordnungen. Diese Verhältnisse sind in Figur 17 dargestellt, wo als Beispiel die Analyse einer Probe genommen wurde, welche ungefähr 25% C02 und 28CO enthält. In den Diagramm gemäß Figur 17 ist die übertragene Strahlung in Abhängigkeit von der Wellenlänge der Strahlung bei Vorhandensein der beiden Gase dargestellt. Wie man dieser Darstellung entnehmen kann, wird es in der Praxis schwer möglich sein, eine Schaltung anzugeben, welche sowohl bei der Erfassung eines relativ kleinen Betrages eines schwach absorbierenden Gases als auch bei der Erfassung eines relativ großen Betrages eines stark absorbierenden Gases zufriedenstellend arbeitet.
Durch die vorliegende Erfindung wird die Verwendung schmaler optischer Bandpaßfiler vorgeschlagen, welche in Bezug auf das stark absorbierende Gas einen Durchlaßbereich aufweisen, der die markante Absorptionslinie dieses zu untersuchenden Gases nicht enthält. Andererseits wird das optische Bandpaßfiler für das schwach absorbierende Gas mit seinem Durchlaßbereich auf eine markante Absorptionslinie dieses Gases eingestellt. Auf diese Weise lassen sich Signale erzeugen, welche annähernd in der gleichen Größenordnung liegen und von der nachgeschalteten Verarbeitungseinrichtung ohne Schwierigkeiten verarbeitet werden können. Komplizierte Maßnahmen, wie die Verwendung unterschiedlicher Strahlungsquellen oder Detektoren oder eine Veränderung der Strahlungsweglängen sind auf diese Weise vermeidbar.
Gemäß Figur 14 ist die Ausgangsspannung eines Empfängers über dem prozentualen Anteil des absorbierenden Gases CO2 aufgetragen. Die r n n rl g n / n n n {n 2 Parameter der Kurven sind durch verschiedene schmale optische Bandpaßfiler gegeben, wobei die für den mittleren Durchlaßbereich jeweils charakteristische Wellenlänge an die entsprechende Kurve angeschrieben wurde. Der benutzte Spannungsmaßstab stellt eine graphische Darstellung des Verhältnisses aus dem Signal, welches ohne Geqenwart des zu untersuchenden Gases er-- dar, halten wurde' zu dem Signal welches bei einem vorgegebenen Prozentsatz des zu untersuchenden Gases,in diesem Fall C02, erhalten wurde. Die stärkste Absorption durch das zu untersuchende Gas C02 erhält man bei der Verwendung eines optischen Bandpaßfilters mit einem mittleren Durchlaßbereich von ungefähr 4,3-10 cm. Bei der Kurve A wurde ein Bandpaßfilter mit einem bei ~A 4,29 10 cm liegenden Durchlaßbereich verwendet. Dieser Durchlaßbereich liegt sehr eng bei der markantesten Absorptionslinie des Gases CO2. Aus der Figur 14 kann leicht entnommen werden, daß bei einer Verschiebung des Durchlaßbereiches des Bannaßfilters nach einer kürzeren oder längeren infraroten Wellenlänge in Bezug auf das durch die markante Absorptionslinie erzeugte Signal eine Reduzierung des Ausgangssignales erfolgt. So wird beispielsweise durch eine Verschiebung des mittleren Durchlaßbereiches von 4,29 10 cm nach 4,2 10 cm (Kurve B) das Ausgangsspannungsverhältnis für eine 25% C02 enthaltende Probe von ungefähr 13,8 V auf ungefähr 10,3 V reduziert.
Die Reduktion des Ausgangsspannungsverhältnisses ist am drastischsten, wenn ein Filter mit einem mittleren Durchlaßbereich von 4,510 cm gemaß Kurve D verwendet wird. Die Kurve D ist mit dem Faktor 40 gestreckt, so daß die abgelesenen Spannungen in Wirklichkeit durch den Faktor 40 dividiert werden müssen. Mit einem einen mittleren Durchlaßbereich von 4,5.10 4com aufweisenden Bandpaßfilter vermindert sich das Ausgangsspannungsverhältnis bei einem Gasanteil von 25% C02 von 13,8V auf ungefähr 0,245 V. Gegenüber dem mit einem Bandpaßfilter mit einem mittleren Durchlaßbereich von 4,29-10 4 cm erzielten Meßwert ergibt sich somit ein 56 mal kleinerer Meßwert.
In Figur 15 s eine normierte Kurve dargestellt, welche die durch die Bandpaßfilter mit 4,5*10 cm und 4,2-10-4cm erzielte signalspannung gegenüberstellt. Zwecks Normierung der Kurve wurden die durch das Bandpaßfilter mit 4,5-10-4cm erzielte Signalspannung mit einem gemeinsamen Faktor multipliziert, um bei 25% C02 im Vergleich zu der mit dem Bandpaßfilter von -4 4,2-10-4 cm erzielten Signalspannung den gleichen Wert zu erhalten. Aus der Figur 15 ist ersichtlich, daß außer einer Reduktion der Signalspannung durch das Bandpaßfilter von 4,5-10 4cm ein Linearisierungseffekt bezüglich der entsprechenden Kurve erzielt wird, was einen weiteren Vorteil bei der Benutzung eines Bandpaßfilters mit verschobenem Durchlaßbereich darstellt.

Claims

Patentansprüche

Gasanalysator zur selektiven Bestimmung mindestens einer interessierenden Gaskomponente aus einem Gasgemisch, wobei die jeweils interessierende Gaskomponente ein bekanntes, charakteristisches Infrarot-Absorptionsspektrum aufweist, mit einer Infrarot-Strahlungsquelle, mindestens einer Infrarot-Empfangseinrichtung mit nachgeschalteter Signalverarbeitungseinrichtung und mit mindestens einem ersten und einem zweiten optischen System zwischen Strahlungsquelle und Empfangseinrichtung, wobei das erste optische System jeweils eine erste Filterzelle mit der interessierenden Gaskomponente und eine die Gasprobe aufnehmende Zelle aufweist und wobei das zweite optische System die die Gasprobe enthaltende Zelle enthält, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß vor die Infrarot-Empfangseinrichtung (22;124,151,161;222;318) ein auf eine markante Absorptionslinie der interessierenden Gaskomponente abgestimmtes,schmales, optisches Bandpaß-Filter (21;125,152,162;236,236a,246,246a) geschaltet ist und daß die Infrarot-Empfangseinrichtung wenigstens einen die Intensität der Infrarot-Strahlung beider optischen Systeme (18,19;13,14,19;113,142;t13,143;213,235,239;213,237,238) in elektrische Signale umwandelnden Festkörper-Empfänger aufweist.
2. Gasanalysator nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß vor die Infrarot-Strahlungsquelle (10) ein optischer Zerhacker (11) geschaltet ist und daß Umlenkspiegel (15a,16a,17a;15b,16b,17b) angeordnet sind, um die abwechselnd erzeugten Infrarotstrahlen in beiden optischen System (18;13,14) getrennt zu führen und auf einem einzigen Empfänger (22) wieder zu vereinigen.
3. Gasanalysator nach Anspruch 1 zur Analyse mehrerer in einerGasprobe enthaltenen Gase, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t, daß ein drehbares Filterrad (118,218) im Strahlengang zwischen Strahlungsquelle (ei1,211) und Empfangseinrichtung (122, 221) angeordnet ist und daß das Filterrad (118,218) wenigstens eine Meßfilterzelle-(143) und eine Referenzfilterzelle (142) trägt.
4. Gasanalysator nach den Ansprüchen 1 und 3, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß die Meßfilterzelle (143) gleiche Beträge aller zu untersuchender Gase aufweist, daß die Empfangseinrichtung (122) pro zu untersuchendes Gas einen Empfänger (124, 151,161) aufweist, dem jeweils ein auf die markante Absorptionslinie des zu untersuchenden Gases abgestimmtes, optisches Bandpaßfilter (125,152,162) vorgeschaltet ist und daß jedem Empfänger (124,151,161) eine Signalverarbeitungseinrichtung (170 bis 186) nachgeschaltet ist.
5. Gasanalysator nach den Ansprüchen 1 und 3, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß pro zu untersuchendes Gas das Filterrad (218) eine Meßfilterzelle (237,247) mit zugeordneter Referenzfilterzelle (235,244) aufweist, daß jede Filterzelle (235, 237,244,247) ein auf eine markante Absorptionslinie des zu untersuchenden Gases abgestimmtes optisches Bandpaßfilter (236,236a; 246,246a) aufweist und daß die Empfangseinrichtung (221) einen einzigen im Zeitmultiplex betriebenen Empfänger (222) aufweist.
6. Gasanalysator nach den Ansprüche 3 bis 5, d a d u r c h g e -k e n n z e 1 c h n e t, daß die Signalverarbeitung mit der Drehung des Filterrades (118,218) synchronisiert ist.
7. Gasanalysator nach Anspruch 1 zur Untersuchung von Gasen mit stark unterschiedlichen Absorptionskoeffizienten, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n et, daß der Durchlaßbereich der den stark absorbierenden Gasen zugeordneten Bandpaßfilter in Bezug auf die stark ausgeprägte Absorptionslinie verschoben wird und der Durchlaßbereich der den schwach absorbierenden Gasen zugeorndeten Bandpaßfilter auf die stark ausgeprägte Absorptionslinie ausgerichtet bleibt, um annähernd vergleichbare Ausgangssignale zu erhalten.
8. Gasanalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, g e k e n n -z e i c h n e t d u r c h eine sowohl dem Meß- als auch dem Referenzsystem gemeinsame Filterzelle-(20,238,239;245,248), wobei diese Filterzelle ein Gas mit einem Absorptionsspektrum im Infrarotbereich aufweist, welches das Absorptionsspektrum des zu untersuchenden Gases überlappt und innerhalb des durch das Bandpaßfilter (21;236,236a,246,246a) hindurchgelassenen Frequenzbereiches liegt.
9. Gasanalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Empfänger (22;124,151,161; 222) ein Quecksilber-Cadmium-Tellurit-Empfänger ist.
10. Gasanalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß in dem Referenzsystem ein neutrales Filter (13) angeordnet ist, um die Strahlungsenergie im Referenzsystem an die durch die erste Filterzelle (18) im Meßsystem verminderte Strahlungsenergie anzupassen.
11. Gasanalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß eine weitere Filterzelle (14; 142;235,244) im Referenzsystem angeordnet ist, welche ein für die Infrarotstrahlung durchlässiges Gas enthält.
12. Gasanalysator nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß das in der Filterzelle (14;142;235,244) enthaltene Gas Nitrogen ist.
13. Gasanalysator nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Meßfilterzelle (143) eine Vielzahl von Filterzellen aufweist, wobei jede Filterzelle mit einem der zu untersuchenden Gase gefüllt ist.
14. Gasanalysator nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß das Filterrad (118,218) auf einem Kreis angeordnete Bohrungen (140,141; 232a,232b,233,233b,234a,234b) aufweist, in denen die Meßfilterzellen (143;237,247) und Referenzfilterzellen (142;235,244) angeordnet sind.
15. Gasanalysator nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n et, dan die Meßfilterzelle eine das zu untersuchende Gas enthalterdeerste Zelle (237,247) und eine mit einem überlappenden Störgas gefüllte zweite Zelle (238,247) aufweist und daß die Referenzfilterzelle eine erste, mit einem für die Infrarotstrahlung durchlässigen Gas gefüllte Zelle (241,244) und eine ebenfalls mit dem überlappenden Störgas gefüllte zweite Zelle (239,245) aufweist.
16. Gasanalysator nach Anspruch 15, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß dieeßfilterzellen (143;237,247) und die Referenzfilterzellen (142;235,244) bei der Drehung des Filterrades (118,218) etwa gleich lang der Infrarotstrahlung ausgesetzt sind.
17 Gasanalysator nach Anspruch 16, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß aus den bei der Drehung des Filterrades durch den Empfänger (124,151,161;222) erzeugten Signalamplituden (262) durch eine nachgeschaltete Signalverarbeitungseinrichtung (132,277 bis 279)das Verhältnis gebildet wird.
18. Gasanalysator nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß am Umfang des Filterrades (218) symmetrische Markierungen (260) sowie eine unsymmetrische Markierung (261) angeordnet sind und daß eine diese Markierung abtastende Einrichtung (230) zur Erzeugung des Synchronisationssignales (263)vorgesehen ist.
19. Gasanalysator nach Anspruch 18, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß aus der unsymmetrischen Markierung (261) ein Rückstellimpuls (264) für die Rückstellung der Schaltungskomponenten der Signalverarbeitungseinrichtung in einen vorbestimmten Zustand abgeleitet wird.
20. Gasanalysator nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß dem Empfänger(222) über ein Hochpaßfilter (281,282) ein Verstärker (226) nachgeschaltet ist und daß der Ausgang des Verstärkers (226) über einen Koppelkondensator(283) und nachgeschaltete parallelhetriebene Schalter (285,286,287) auf für jedes zu untersuchende Gas angeordnete Unterkanäle (289 bis 2100) aufschaltbar ist.
21. Gasanalysator nach Anspruch 20, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß der Koppelkondensator (283) über einen Tastschalter (284), der durch ein zwischen den Signalamplituden (262) erscheinedes Tastsignal (268) betätigbar ist, nach Masse zwecks Entladung schaltbar ist. .
22. Gasanalysator nach Anspruch 20, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß über eine einen Ringzähler aufweisende elektronische Kanalwählschaltung (274) jeweils Signale (265 bis 267) erzeugt werden, die die Kanalwählschalter (285 bis 287) jeweils für eine Zeit schließen, in der die einem zu untersuchenden Gas zugeordneten Meß- und Referenzfilter entsprechende Empfängersignale erzeugen.
23. Gasanalysator nach den Ansprüchen 20 und22, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Empfängersignale innerhalb eines Unterkanales (277 bis 279) gemeinsam im Zeitmultiplexbetrieb einerverstärkerschaltung (289,290,297,298) mit einem in seinem Verstärkungsgrad geregelten Verstärker (290) aufgeschaltet werden und daß zur Trennung der beiden Empfängersignale die Verstärkerschaltung (289,290,297,298) über wahlweise betätigbare Schalter (293,294) an mittelwertbildende Tiefpaß-Verstärker (295,296) anschließbar ist.
24. Gasanalysator nach Anspruch 23, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß eines der Ausgangssignale (Ea,Er) der Tiefpaß-Verstärker (295,296) über einen Integrationsverstärker (299) auf den in seiner Verstärkung regelbaren Verstärker (290) zurückgeführt ist, um über eine Verstärkungsregelung das eine der beiden Ausgangssignale (Ea,Er) im wesentlichen konstant zu halten.
25. Gasanalysator nach Anspruch 23, d a d u r c h g e k e n n -z o i c h n e t, daß die Ausgangssignale(Ea,Er) der beiden Tiefpaß-Verstärker (295,296) auf die Eingänge eines Differenzverstärkers (2100) geschaltet sind, der an seinem Ausgang das die Ausgabeeinrichtung (229) beaufschlagende Signal (Eo) liefert.
26. Gasanalysator nach Anspruch 23, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Verstärkerschaltung zwei über einen Koppelkondensator (292) verbundene Verstärker (297,298) aufweist und daß der Koppelkondensator (292) über einen durch ein zwischen jeweils zwei Empfängersignalen (262) auftretendesSynchronisationssignal (271) betätigbaren Schalter (291) zwecks Entladung nach Masse schaltbar ist.