DE2727976B2 - Vorrichtung zur Messung der Konzentration mindestens einer Komponente eines Gasgemisches und Verfahren zum Eichen derselben - Google Patents

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Eichverfahren gemäß Anspruch 6.

Bei einem bekannten selektiven Verfahren, dem Phctcir.eterveriahren nach dem Bifrequsnzprinzip, wird die Probe mit Licht zweier verschiedener Wellenlängenbereiche durchstrahlt, wobei der eine Wellenlängenbereich mit einer Absürptionsbande der zu untersuchenden Gaskomponente zusammenfällt, während der andere, eng benachbarte Wellenlängenbereich, außerhalb des Absorptionsbereiches liegt und daher vom Gas nicht geschwächt wird. Die beiden Wellenlängenbereiche werden durch Gitter oder durch Festkörper-Interferenzfilter aus dem Spektrum der Strahlungsquelle ausgeblendet Die Strahlungen unterschiedlicher Wellenlänge durchlaufen alternierend das Kfivettensystem und werden am Detektor nachgewiesen. Durch Vergleich jeweils zweier aufeinanderfolgender Signale unterschiedlicher Wellenlänge werden Intensitätsschwankungen der Lichtquelle oder Variationen der optischen Transmission und des Reflexionsvermögens des Strahlenganges sowie Schwankungen der Empfindlichkeit und des Nullpunktes des Detektors sowie Variationen der Hintergrundstrahlung weitgehend eliminiert, da sie sich in nahezu derselben Weise auf die beiden Strahlungsimpulse auswirken, vgl. Prospekt der Firma Feedback Instr. Ltd. vom Februar 1972, betreffend den IR-Analysator PSA 401 und DE-AS 24 07 133.

Im Falle der Verwendung eines Gitters als Frequenz-Selektor bei einem derartigen Analysator ist die MeSzeit durch die zur Umschaltung zwischen den beiden Wellenlängenbereichen des Bifrequenzprinzips benötigte Zeit bestimmt Bedingt durch die hohen Genauigkeitsanforderungen bei der Wellenlängenselektion, liegt die Umschaltfrequenz bei etwa 10-² Hz, so daß Meßzeiten von etwa 100 Sekunden erforderlich sind.

Im Unterschied zu den Gitter-Analysatoren sind quasikontinuierliche Messungen bei Meßzeiten unterhalb 1 Sekunde und bei kleinen in Luft zurückgelegten Lichtwegen prinzipiell möglich, wenn die Wellenlängenselektion mit Festkörperfiltern durchgeführt wird, die auf einem mit höherer Frequenz rotierenden Filterrad (oder einer Pendelscheibe) angeordnet sind.

Solche Meßprobleme sind auch durch den Einsatz bekannter Spektralanalysatoren mit negativer Gas-Filterung zu lösen, wobei auf einer rotierenden Kreisschei-

be angeordnete Gasfilter und Referenzfilterzellen alternierend durch den Strahlengang bewegt werden.

Der Nachtefl dieser Methoden besteht darin, daß bei den erforderlichen hohen Chopperfrequenzen eine zeitliche Überlappung aufeinanderfolgender Signale auftritt, falls die Detektoren selbst oder die diesen nachgeschaltete Elektronik eine vergleichsweise große Zeitverzögerung besitzen, welche Meßfehler verursacht oder die Messung unmöglich macht

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu entwickeln, mit der der Einfluß der Überlappung aufeinander folgender Detektorsignale auf das Meßergebnis vermieden wird. Außerdem soll ein einfaches Verfahren zur Eichung einer solchen. Vorrichtung geschaffen werden.

Diese Aufgabe wird erfindungigeinäß durch die im kennzeichnenden TeQ des Anspruchs 1 angegebene Vorrichtung und das im Kennzeichen des Anspruchs 6 beschriebene Eichverfahren gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß mit relativ einfachen Mitteln eine hohe Meßgenauigkeit bei hoher Selektivität und sehr kleinen Meßzeiten erreicht wird und bei kleinem Bauvolumen und reduzierter Anzahl von Komponenten eine Verminderung der Herstellungskosten erzielt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Infrarot-Analysators mit rotierenden Gas- oder Festkörperfiltern,

F i g. 2a Prinzip der Kompensation der Meßwertverfälschung durch einander überlappende Ausgangssignale eines Strahlervdetektors bei Auswertung von der Hellperiode des Detektors zugeordneten Detektorsignalen,

Fig.2b Prinzip der Kompensation der Meßwertverfälschung durch einander überlappende Ausgangssignale eines Strahlendetektors bei Auswertung von sowohl der Hell- als auch der Dunkelperiode zugeordneten Detektorsignaien,

F i g. 3 Blockschaltbild einer analogen Meßwertverarbeitung,

F i g. 4 Blockschaltbild einer digitalen Meßwertverarbeitung.

Der prinzipielle Aufbau eines Infrarot-Analysators ergibt sich aus F i g. 1. Die von einem Infrarot-Strahler 1 emittierte Strahlung wird durch ein erstes Linsensystem 2, ein optisches Bireitbandfilter 3, das den größten Teil der für die Absorptionsmessungen nicht benötigten Lichtfrequenzen ausblendet, eine Meßküvette 4, die vom Meligas durchströmt und deren Gasdruck mit einem Druckmesser S gemessen wird, und ein zweites Linsensystem 6 auf einen thermischen Detektor 7 geleitet, dem eine elektronische Meßwertverarbeitung 8 nachgeschaltet ist

Zwischen dem ersten Linsensystem 2 und dem Breitbandfilter 3 ist als Chopper ein Filterrad 9 im Strahlengang angeordnet, das von einem Schrittmotor 10 angetrieben wird und mit Gasfiltern und/oder Festkörperinterferenzfiltern bestückt ist Im Falle der Verwendung von Gasfiltern ist das Referenzfilter U mit mindestens einer unter hohem Partiiddruck stehenden Komponente eines zu untersuchenden Gasgemisches und das Meßfilter 12 evakuiert oder mit einem nichtabsorbierenden Gas, wie z. B. Helium gefüllt

In der gezeichneten Stellung des Filterrades 9 durchdringt der IR-Strahl 13 das mit den zu messenden Gasen gefüllte Referenzfilter 11, so daß das auf den Detektor 7 auftreffende Licht um den im Referenzfilter 11 absorbierten Anteil geschwächt ist

Dabei ist das Breitbandfilter 3 so ausgewählt, daß dessen Durchlaßwellenlängenbereich mindestens eine Absorptionsbande des Meßgases umfaßt Wenn das Meßfilter 12 in den Strahlengang des IR-Strahles 13 tritt, wird das auf den Detektor 7 treffende Licht um den Anteil geschwächt, der von dem Meßgas in der Küvette 4 absorbiert wurde, da das Meßfilter 12 den Strahl

ίο ungeschwächt durchläßt Aus der Differenz der beiden den Detektor 7 treffenden Lichtsignale kann die Konzentration und der Partialdruck des die Meßküvette 4 durchströmenden Gases ermittelt werden. Bei der Verwendung von Festkörperinterferenzfiltern, wobei die Transmissionskurve des ersten Filters mit der. Absorptionsbande des zu untersuchenden Gases zusammenfällt und die Transmissionskurve dis zweiten Filters möglichst dicht bei der des ersten Filters liegt, kann das Breitbandfilfer3 entfallen.

Für präzise Messungen der Parti?'drucke und der Konzentrationen von Gasgemischen n>oß unabhängig vom Meßprinzip das Signal/Rausch-Verhältnis des Detektors möglichst groß sein. Das ist dann der Fall, wenn der Rückkopplungswiderstand Rr bzw. der

-»r /^tmtlnrtsinwtivtsi D «-Iac· Λ/**-»·*ιι»«»·*>+-»5-»·1*·λ»·« caK*· rrwsitX. !*·*■ s4n

das Signal/Rausch-Verhältnis S/R gemäß

S/R ~ (R, J*

ansteigt Einer Erhöhung von Rrbzw. von R_s sind jedoch Grenzen gesetzt, da die Grenzfrequenz v_g des Verstärkersystems bei der Kapazität C des Systems entsprechend der Beziehung

r.~WR,.,-C)

mit wachsendem φ abnimmt, so daß eine unerwünschte Überlappung zeitlich aufeinanderfolgender Signale auftritt
In Fig.2a ist dargestellt, wie die durch den Verstärkerwiderstand und/oder durch den Detektor selbst bedingte Überlappung aufeinanderfolgender Ausgangssignale eliminiert werden kann und zwar durch Auswertung der jeweils während der Hillperiode entstehenden Detektorausgangssignale.

Die Diskussion wird am Beispiel eines thermischen Detektors für IR-Strahlung geführt Sie hat jedoch Gültigkeit für jeden Detektortyp, wenn Signalüberlappung auftritt Infolge der Drehung des Filterrades 9 (Fig. 1) werden alternierend Referenzsignale 20 und

so Meßsignale 21 erzeugt, die in bezug auf eine Null-Linie 22 als positive oder negative Signale auftreten. Das Ausgangssignal ist proportional zur zeitlichen Temperaturändf nrng d77dr des aktiven Detektorelements, d. h. hohe positive Signalwerte bedeuten starke Erwärmung, negative Signale ec isprechen einer Abkülüung des Detektors. Die strichlierten Kurvenabschnitte 23, 24 sind die Abkühlkurven des Detektors, die sich ergeben würden, falls der jeweils nächstfolgende Strahlungsimpuls erst nach beliebig langer Zeit auf den Detektor treffen würde. Wegen Beziehung (2) ist den Kurvenabschnitten 23, 24 jedoch die Temperaturanstiegskurve des nächsten Strahlungsimpulses überlagert. Das wirkliche Meßsignal ist daher gleich der Differenz zwischen Temperaturanstiegskurve 21 und Abkühlkurve 24. Für quantitative Absorptionsmessungen wird das zur Strahlungsintensität proportionale Integral dieser Differenzfunktion, d. h. die zwischen den Kurven 21 und 24 liegende Fläche F, bestimmt

Die Fliehe F kann in guter Näherung dadurch ermittelt werden, daß eine Parallele zur Null-Linie 22 als Integrationsbasis 23 gewählt und das Integral bezüglich dieser Basis bestimmt wird. Der Abstand 26 der Integrationsbasis 25 von der Null-Linie 22 ergibt sich daraus, daß die im wesentlichen von der Integrationsbasis 25 und dem Kurvenabschnitt 24 gebildeten Dreiecksflächen F\ und F₂ gleichen Flächeninhalt habiin müssen. Der Abstand 26 kann z.B. durch eine dem Eingang eines Integrationsgliedes der Meßwertverar- m bettung aufgeprägte Gleichspannung eingestellt werden. Dabei wird zweckmäßigerweise der Absolutwert der Spannung so eingestellt, daß bei sehr hohem Druck in der Meßküvette 4, das Integral der Fläche F in dem Integrationsintervall 27 zu Null wird. 1 ·>

Diese einfache Maßnahme ermöglicht neben der Entkopplung der den Referenzsignalen 20 aberlagerten Meßsignale 21 eine Eliminierung von unerwünschtem Falschlicht, das z. B. von dem Emissionsvermögen der Filter 11,12 in einem von dem zu untersuchenden Gas nicht absorbierten Spektralbereich herrührt Dieser Falschlichtanteil wird bei der einmaligen Einstellung der Gleichspannung automatisch kompensiert, so daß Nichtlinearitäten der Anzeige des Analysators vermieden werden. 2>

In Fig.2b ist das Prinzip der Kompensation der Meßwertverfälschung durch einander überlappende Ausgangssignale eines Strahlendetektors bei Auswertung von sowohl der Hell- als auch der Dunkelperiode zugeordneten Detektorsignalen dargestellt Dadurch x> wird gegenüber dem in Fig.2a erläuterten Verfahren eine weitere Verbesserung des Signal/Rauschverhältnisses erzielt

Die Integrationsbasis 28 liegt unterhalb des Ausgangssignals 20, 21 des Detektors 4, die Integrations- )~> grenzen sind festgelegt durch die Schnittstellen 30, 31, 32, 33 des Ausgangssignals 20, 21 mit der Nullinie 22. Zur Auswertung werden jeweils die Differenzen (F\ — F2)der Integrale F\, F₂ des Referenzsignals und (F₃' - Ft) der Integrale F₃', Ft,' des Meßsignals gebildet Vor. jeder der beiden Differenzen wird der bei sehr hohem Druck in der Meßküvette 4 vorliegende Wert (F₃ ρ*, — FJpJ) subtrahiert um Falschlicht zu eliminieren und um den durch die Signalüberlappung hervorgerufenen Effekt zu kompensieren. 4i

Es ist auch möglich, die Null-Linie 22 als Integrationsbasis zu verwenden. Dabei sind für das Referenzsignal 20 und für das Meßsignal 21 jeweils die Summen der oberhalb und unterhalb der Nullinie 22 liegenden Flächen zu bilden.

Ein Blockschaltbild einer analogen Meßwertverarbeitung ist in F i g. 3 dargestellt

Die Meßwertverarbeitung 8 (siehe F i g. 1) besteht im wesentlichen aus einer analogen Rechenstufe 40 und einer deren Funktionen steuernden digitalen Steuereinheit 41, die mit einem Netzteil und einer ersten Anzeigeeinheit 42 für den Partialdruck und einer zweiten Anzeigeeinheit 43 für die Konzentration in einem 19-ZolI-Gehäuse angeordnet sind Dem Ausgang des thermischen Detektors 7 sind ein schmalbandiges Frequenzfilter 44 und ein Verstärker 45 nachgeschaltet Die am Ausgang 46 des Verstärkers 45 alternierend auftretenden Referenzsignale 20 und Meßsignale 21 werden zeitlich nacheinander mit einem Integrationsglied 47 getrennt integriert und in einer Logarithmier- as einheit 48 logarithmiert Zum vorbestimmten Einstellen des Abstandes 26, 29 der Integrationsbasis 25, 28 von der Nullinie 22 wird dem am Ausgang 46 des Verstärkers 45 auftretenden Signal 20, 21 eine vorbestimmte Gleichspannung aufgeprägt

Die Steuereinheit 41 besteht im wesentlichen aus einem Oszillator einstellbarer Frequenz, der über einen Ausgang 50 und einen ersten Frequenzteiler 51 die Stromversorgung des Schrittmotors 10 und über einen anderen Ausgang 52 und einen zweiten Frequenzteiler 53 mit einem nachgeschalteten Zähler 54 das Integrationsglied 47 ansteuert und das Integrationsintervall auf vorbestimmte Werte einstellt

Das von dem Schrittmotor 10 gedrehte Filterrad 9 wird mit einer Lichtschranke 55 überwacht die nach jeder vollen Drehung des Filterrades 9 den Zähler 54 auf Null zurücksetzt

Der Logarithmiereinheit 48 ist ein elektronischer Umschalter 56 nachgeschaltet, der über einen weiteren Ausgang 57 der Steuereinheit 41 gesteuert wird und die dem Referenzsignal 20 zugeordnete Ausgangsgleichspannung der Logarithmiereinheit 48 auf eine erste Sample/Hold-Einheit 58 und die dem Meßsignal 21 zugeordnete Ausgangsgleichspannung auf eine zweite Sample/Hold-Einheit 59 überträgt Der Ausgang der ersten Sample/Hold-Einheit 58 ist direkt der Ausgang der zweiten Sample/Hold-Einheit 59 über einen Inverter 60 auf eine Addierstufe 61 geschaltet, welche die Differenz beider Gleichspannungen bildet Mit einem Eichglied 62 wird die Rechenstufe auf das jeweilige zu untersuchende Gas angepaßt

Der Ausgang der Addierstufe 61 ist auf den ersten Eingang einer Dividierstufe 63 geschaltet, an deren zweitem Eingang de»- den Gasdruck in der Meßküvette 4 messender Druckmesser 5 angeschlossen ist In der Dividierstufe 63 wird der Quotient aus dem Partialdruck der zu messenden Gaskomponente und dem Gesamtdruck des Gesamtgemisches in der Meßküvette gebildet und mit der an den Ausgang der Dividierstufe 63 angeschlossenen Anzeigeeinheit 43 angezeigt

Die elektronische Signalverarbeitung wirkt als Lock-in-Verstärker, da eine phasenstarre Summation über viele zeitlich aufeinanderfolgende Integrale an den ßC-Gliedern der Sample/Hoäd-Einheiten 58, 59 erfolgt und die Chopperfrequenz mit der Mittelfrequenz des Schmalbandverstärkers 44, 45 übereinstimmt Eine zusätzliche Vergrößerung des Signal/Rausch-Verhältnisses wird durch die Integration über die Signalimpulsc des thermischen Detektors 7 erzielt

Das Blockschaltbild einer digitalen Meßwertverarbeitung i-. in F i g. 4 dargestellt

Die am Ausgang 69 des Detektors 7 anliegenden analogen Signale werden einer digitalen Rechenstufc 70 zugeführt und in dieser über einen Eingangsverstärker 71 auf einen integrierenden Analog/Digital- Wandler 72 gegeben. Die digitalen Integrale werden über einen Multiplexer 73 einem digitalen Vielkanalspeicher 74 zugeführt Jeder Kanal des Speichers 74 enthält jeweils die Ergebnisse von Integrationen des Referenzsignals 20 bzw. des Meßsignals 21 einer zu messenden Gaskomponente des zu analysierenden Gasgemisches. Vorzugsweise wird nach jeder Berechnung eines Integrals der älteste Wert im Speicher 74 durch einen neuen ersetzt Zur Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses werden die in einem Speicher 74 stehenden Werte von einer digitalen Recheneinheit 75 addiert und digital weiterverarbeitet Anstelle der in Fig.3 beschriebenen analogen Addition einer am Ausgang des Vorverstärkers der Rechenstufe 70 anliegenden Gleichspannung kann von der Recheneinheit 75 eine digitale Konstante addiert werden, die bei

sehr hohem Druck in der Meßküvette 4 von der Recheneinheit 75, entsprechend den oben genannten Vorschriften, automatisch einmalig ermittelt wird. Die gesamte Schaltung wird von einer Steuereinheit 76 überwacht Zur weiteren Verbesserung des Signal/ Rausch-Verhältnisses wird die Verstärkung des Eingangsverstärkers 71 automatisch durch einen veränderten Wi'V.Stand 77 kontinuierlich so eingestellt, daß die

digitalen Integrale der Referenzsignale 20 zeitlich konstant bleiben. Die Regelung erfolgt mit einer Referenzspannungseinheit 78 und einem Komparator 79. Diese Regelung kann auch für die analoge Version eingesetzt werden. Außerdem können die Vielkanalspeicher 74 bei der analogen Schaltung nach F i g. 3 in Form von analogen CCD-Speichern realisiert werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   1. Vorrichtung zur Messung der Konzentration mindestens einer Komponente eines Gasgemische» mit

   a) einer lichtquelle,

   b) einer im Strahlengang der Lichtquelle angeordneten, das Gasgemisch enthaltenden Küvette,

   c) einem der Küvette nachgeordneten fotoelektri· sehen Wandler,

   d) einem zwischen Lichtquelle und Wandle!' angeordneten Filterrad zur wechselweise^: Einbringung mindestens eines Meß- und eine:; Referenzfilters in den Strahlengang,

   e) Speicherschaltungen zur getrennten Speicherung von dem MeB- und dem Referenzfilter zugeordneten Ausgangssignalen des Wandlers,, sowie

   f) einer Autwerteschaltung zum Vergleich der dem Meß- und Referenzfilter zugeordneten gespeicherten Ausgangssignale,
   gekennzeichnet durch

   g) einen zwischen Wandler (7) und Speicherschaltufigen (SS, 59; 74) angeordneten integrator (47;; 72),

   h) eine Steuereinrichtung (41,51 bis 55; 55,76) zur Festlegung der Integratorzeitintervalle des Integrators (47; 72) und zur Synchronisation: dieser Intervalle mit der Anwesenheit des Meß- bzw. Refe^nzfilters (12, 11) im Strahlengang (13), sowie

   i) einer Einrichtung (64, 75) zur Festlegung der Integrationsbasis des Integrators (47; 72) in bezug auf die Null-Linie (22) des Ausgangssignals des Wandlers (7).

   Z Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrator (47) als Analogschaltung ausgebildet ist, und daß die Einrichtung zur Festlegung der Integrationsbasis (25) aus einer Spannungsquelle (64) besteht, mit der dem Eingang des Integrators (47) eine einstellbare Gleichspannung aberlagert werden kann.

   3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung einen Oszillator vorbestimmter Frequenz, weiter einen Zahler (54), der Ober einen zweiten Frequenzteiler

   (53) an den Oszillator angeschlossen ist und dessen Ausgang mit einem die Integrationszeitintervalle festlegenden Eingang des Integrators (47) verbunden ist, sowie einen ersten von dem Oszillator gespeisten Frequenzteiler (51) umfaßt, der an die Antriebseinrichtung (10) des Filterrades (9) angeschlossen ist

   4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (41,51 bis 55) eine Lichtschranke (55) zur Erzeugung eines Rücksetzimpulses für den Zähler

   (54) nach jeder vollen Umdrehung des Filterrades (9) aufweist.

   5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrator aus einem integrierenden Analog-Digital-Wandler (72) besteht, daß die Speicherschaltungen einen Vielkanalspeicher (74) umfassen, der eingangsseitig über einen ebenfalls es von der Steuereinrichtung (76) gesteuerten Multiplexer (73) mit dem Analog-Digital-Wandler (72) verbunden ist, und daß die Einrichtung zur Festlegung der Integrationsbasis (28) einen an den Ausgang des Vielkanalspeichers (74) angeschlossenen Rechner (75) aufweist, mittels dessen eine Konstante bestimmbar und zu den im Vielkanalspeicher (74) vorhandenen Daten addierbar ist

   6. Verfahren zur Eichung der Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der dem Eingang des Integrators (47) zu überlagernden Gleichspannung oder die Größe der zu den Daten des Vielkanalspeichers (74) zu addierenden Konstanten bestimmt wird, indem die Küvette (4) unter hohem Druck mit der nachzuweisenden Komponente gefüllt und die Gleichspannung bzw. die Konstante derart gewählt wird, daß das Ausgangssignal der Vorrichtung verschwindet