DE2935509A1

DE2935509A1 - Gasanalysegeraet

Info

Publication number: DE2935509A1
Application number: DE19792935509
Authority: DE
Inventors: Hannu Dipl Ing Ahjopalo; Jorma Auvinen
Original assignee: Instrumentarium Oyj
Current assignee: Instrumentarium Oyj
Priority date: 1978-09-01
Filing date: 1979-09-03
Publication date: 1980-03-13
Also published as: US4266131A; FR2435030A1; FI56902B; GB2031146B; FI56902C; SE7907265L; GB2031146A; SE440407B; JPS5554432A; NL7906551A; FR2435030B1

Description

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Gasanalysegerät

Die Erfindung betrifft ein Gasanalysegerät, insbesondere für die CO₂-Analyse, bestehend aus einer Meßkammer für das zu prüfende Gas, einer Bezugskammer, aus der das zu prüfende Gas abgezogen wird, aus einer Lichtquelle mit drehbarer Lochscheibe zur Unterbrechung der Lichtstrahlen derart, daß die Lichtstrahlen wechselweise durch die Meßkammer und die Bezugskammer geleitet werden und ferner aus" einem automatischen Verstärkungsregler, der den Unterschied zwischen dem Umwälzsignal und dem Signal der Bezugskammer" konstant hält.

Das Problem bei Gasanalysegeräten der genannten und bekannten Art besteht darin, daß, wenn das Licht eine gewisse Distanz durch das umgebende Gas zu durchlaufen hat, ein Fehler durch Veränderungen des Gasgehaltes beim Messen im umgebenden Gas eingeführt wird« Die Größe ist dabei ab-

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hängig von dem Umgebungsgehalt, von der Distanz, die der Lichtstrahl im Umgebungsraum durchläuft und vom Gasgehalt bei der Messung. In einem COp-Analysegerät, in dem der messende Lichtstrahl einen Teil seines Weges im Umgebungs-C0₂-Gehalt durchläuft, verursacht der variierte CO₂-Umgebungsgehalt einen Fehler. Dieses Problem wird insbesondere in COp-Analysegeräten aus dem Grund akzentuiert, daß die Absorption der Infrarotstrahlung als eine Funktion des COp-Gehaltes stark nichtlinear ist. Das umgebende CO₂ verursacht eine gleiche Dämpfung sowohl des Meßstrahles als auch des Bezugsstrahles. Weil im Falle eines Anstieges des C0₂-Gehaltes die durch es verursachte Absorption in einem geringeren Umfang anwächst, d.h., die Absorptionskurve, dargestellt als eine Funktion des C0₂-Gehaltes, am oberen Ende weniger steil wird, wobei selbst eine weniger zusätzliche Absorption einen größeren Fehler verursacht. Dies wird nur minimal korrigiert durch den Wechsel in der Verstärkung, bewirkt durch die Dämpfung des Bezugsstrahles gemäß dessen Umgebung.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, ein Gasanalysegerät der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß der auftretende Fehler wesentlich reduziert werden kann.

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Diese Aufgabe ist mit einem Gasanalysegerät der eingangs genannten Art nach der Erfindung durch das im Kennzeichen des Hauptanspruches Erfaßte gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich nach den Unteransprüchen.

Das erfindungsgemäße Gasanalysegerät wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen schematischi

Fig. 1 teilweise im Schnitt - und Blockdarstellung

das Gasanalysegerät und Fig. 2 die Absorptionskurve für eine Infrarotstrahlung, dargestellt über dem CO-Gehalt.

Gemäß Fig. 1 ist auf der Geräteplatte 1 ein Motor 2 angeordnet, der eine Lochscheibe 3 dreht, die mit einer Folge von Löchern 5 für das Zerhacken des Meßstrahles 7 und mit einer Folge von Löchern 6 für das Zerhacken des Bezugsstrahles 8 in der Weise versehen ist, daß die Strahlen 7 und 8 alternieren. Die Strahlen 7 und 8 werden von einer Infrarotlichtquelle 9 ausgesandt, wobei der Meßstrahl 7 durch die Meßkammer 10 und der Bezugsstrahl 8 durch die Bezugskammer 11 läuft. Im vorliegend beschriebenen Beispiel soll das Gerät als ein C0₂™Analysegerät behandelt

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werden. Durch die Meßkammer 10 wird das Gas geleitet, dessen C0₂-Gehalt gemessen werden soll. In der Bezugskammer ist ein Gas eingeschlossen worden, aus dem das CO₂ entfernt ist. Mit zwölf ist ein verwendetes Filter bezeichnet, das nur eine Strahlung durchläßt, deren Wellenlänge in einer Größenordnung liegt, bei der COp die stärkste Absorption bringt. Nach der Messung und wenn die Bezugsstrahlen 7 und 8 in der Folge den Detektor 14 erreicht haben, folgt eine Dunkelperiode, die gegen den automatischen und später noch zu beschreibenden Verstärkungsregler benutzt wird, in dem der Unterschied zwischen dem Dunkelsignal und dem Signal 8, erzeugt in der Bezugskammer 11, konstant gehalten wird. Das dreigeteilte Signal (Meßsignal + Bezugssignal + Dunkelsignal), das auf diese Weise am Detektor 14 gebildet wird, wird durch einen Vorverstärker 15 in den AC-Verstärker 16 geleitet, dessen Betriebspunkt von einem automatischen Verstärkungsreglerkreis 22 beherrscht wird.

Um die besagten drei Signale identifizierbar und unterscheidbar voneinander zu erhalten, ist die Lochplatte 3 mit drei Folgen von Synchronisationslöchern 4 versehen, durch die synchronisierende Lichtimpulse aus einer LED-Einheit 17 (lichtemittierende Diode bzw. Leuchtdiode) geschickt werden. Diese Lichtimpulse werden von einer

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Lichtaufnahme- und Signalsynchronisationstransmittereinheit 18 aufgenommen. Die Anordnungen der Löcher in der Lochscheibe 3 sind derart ausgewählt, daß das Signal A mit dem Meßsignal zusammenfällt, das vom Detektor 14 erhalten wird, das Signal B mit dem Bezugssignal und das Signal C mit dem Dunkelsignal zusammenfällt. Mit Hilfe dieser synchronisierenden Signale A, B und C wird die synchronisierende und das Meßdifferenzsignal bildende Einheit 20 durch die -Zeitsteuereinheit 19 gesteuert. Die Einheit 20 hat die Aufgabe, die Analog- und Differenzsignale zwischen den drei unterschiedlichen Phasen des Signales zu bilden, das von der Einheit 16 kommt. Zuerst wird darin eine Bezugsspannung erzeugt und zwar durch Messung der Differenz zwischen dem Bezugssignal und dem Dunkelsignal. Diese Differenzspannung wird durch einen automatischen Verstärkungskontrollkreis 22 überwacht, um sie auf einen-vorbestimmten, konstanten Wert zu halten. Der Steuerkreis 22 beherrscht den AC-Verstärker 16 für die Aufrechterhaltung der erwähnten, vorbestimmten Bezugsspannung.

Zweitens wird in der Einheit 20 das Meßsignal richtig aus-. geformt. Dieses Signal wird erhalten aus dem Unterschied zwischen dem-Signal, das aus der" Meßkammer 10 erhalten wird und dem, das aus der Bezugskammer 11 erhalten wird.

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Dieses analoge Unterschiedssignal wird in den DC-Verstärker 23 geleitet und dann weiter über Linearisierungsund Meßkreise 24 und schließlich zum Darstellungsinstrument 25» von dem der COp-Gehalt abgelesen werden kann. Der Linearisierungsprozeß, der im Kreis 24 stattfindet, dient zur Kompensation der nichtlinearen Beziehung zwischen der Absorption und dem COg-Gehalt in der Meßkammer 10, dargestellt in Fig. 2.

Das oben dargestellte Prinzip der Ausbildung und der Betriebsweise des Analysegerätes ist ansich bekannt. Es ist unvermeidbar, daß der Meßstrahl 7 Teile seines Weges durch das umgebende Gas durchläuft. Hierbei führt das nichtlineare Verhältnis zwischen Absorption und COp-Gehalt, dargestellt in Fig. 2, zu dem Effekt, daß eine zusätzliche Absorption bewirkt wird durch Veränderungen im umgebenden CO-Gehalt und zwar schon bei vergleichsweise niedrigen Konzentrationen, was in den schwach geneigtem Teil der Kurve groß genug ist, um einen beträchtlichen Fehler in der zu messenden Gehaltsanzeige zu bewirken.

Um dieses Fehler nun um einen bemerkenswerten Betrag zu kompensieren, ist vor der Bezugskammer 11 eine Dämpfungsplatte 13 angeordnet, die, innerhalb der Größenordnung

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der vom Filter 12 ausgefilterten Wellenlänge liegend, eine ausreichend große Dämpfungskapazität hat, das Ergebnis derart zu beeinflussen, daß der automatische Verstärkungsreglerkreis 22 den Betriebspunkt des AC-Verstärkers 16 zum flachen Teil der Kurve gemäß Fig. 2 hin zu verschieben. Wie aus Fig. 2 erkennbar, liegt eine geeignete Absorption für die Dämpfungsscheibe 13 in einem COp-Analysegerät bei etwa 8%. In diesem Falle ist die zusätzliche Dämpfung, veranlaßt durch die Umgebung, auch bei einem Bezugs-Level ausreichend, um eine solche Änderung der Verstärkung zu bewirken, daß diese Veränderung einen wesentlichen Teil dieser Interferenzdämpfung kompensiert, die der Meßstrahl durch die Umgebung erfährt.

Dieser Kompensationseffekt wird mit Hilfe von Testbeispielen nachfolgend dargestellt. In beiden ausgeführten Experimenten lag der Umgebungs-COp-Gehalt zuerst bei 0,0 und dann bei 0,3 Volumen^. Die Länge des Lichtstrahlweges durch die Umgebungsluft betrug 4 mm und der Weg in der Meßkammer ebenfalls 4 mm. Das in beiden Beispielen gemessene Gas hatte einen COp-Gehalt von 8 Volumen^.

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Erstes Beispiel (ohne Dämpfungsscheibe)

I II III IV V VI VII

0 9,2 0 0 9,2 8 0 0,3 9,2 0,5 0,5 9,65 9,2 1,2

wobei bedeuten

1 = Umgebungsgehalt^ CO₂

II = Meßkammerdämpfung

III = Umgebungsdämpfung

IV = totale Dämpfung in der Bezugskammer

V = totale Dämpfung in der Meßkammer

VI = äquivalent zu C0₂-%

VII = totaler Fehler C0₂-%

Zweites Beispiel (mit Dämpfungsscheibe) Absorption der Dämpfungsscheibe 8%

I II III IV V VI VII VIII

0 9,2 0 8 8,0 9,2 8 0,3 9,2 0,5 8 8,46 9,65 8,2 0,2

wobei bedeuten

1 = Umgebungsgehalt % CO₂ II = Meßkammerdämpfung

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III = Umgebungsdämpfung, %

IV = Dämpfungsscheibe %

V = totale Dämpfung in der Bezugskammer

VI = totale Dämpfung in der Meßkammer

VII = äquivalent zu CÖ₂-% Fehler, C0₂-tf

Aus dem Vorhergehenden kann der Schluß gezogen werden, daß durch Benutzung einer Dämpf ungsscheibe-13 es auf einfache und billige Weise möglich ist, die Genauigkeit der Messung des Analysegerätes wesentlich zu verbessern durch Verschiebung des Bezugs-Levels, die den Betrieb des Gerätes in den schwachgeneigten Teil der Absorptionskurve verlegt, wobei der Effekt der inkrementalen Dämpfung gemäß der Umgebung eine entsprechende Änderimg im Verstärker produziert für eine wesentliche Kompensation der inkrementalen Dämpfung des Meßstrahles gemäß der Umgebung.

Obgleich das beschriebene Beispiel auf ein "COg-Analysegerät bezogen ist, liegt es auf der Hand, daß das beschriebene Prinzip für alle Gasanalysegeräte anwendbar ist. Unter anderen Anwendungen ist das Prinzip auch für ein Sauerstoff analysegerät ausprobiert worden, wobei ebenfalls gefunden wurde, daß die Umgebungsinterferenzeffekte zu einem bemerkenswerten Grad eliminiert werden konnten. ~

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Claims

Patentansprüche s

1.) Gasanalysegerät, insbesondere für die COp-Analyse, bestehend aus einer Meßkammer für das zu prüfende Gas, einer Bezugskammer, aus der das zu prüfende Gas abgezogen wird, aus einer Lichtquelle mit drehbarer Lochscheibe zur Unterbrechung der Lichtstrahlen derart, daß die Lichtstrahlen wechselweise duroh die Meßkammer und die Bezugskammer geleitet werden und ferner aus einem automatischen Verstärkungsregler (gain control), der den Unterschied zwischen dem Dunkelsignal und dem Signal der Bezugskammer konstant hält, dadurch gekennzeichnet, daß im Weg des Lichtstrahles (8), der durch die Bezugskammer (11) läuft, ein Dämpfungselement (13) angeordnet

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ist, das in Bezug auf die angewendete durchschnittliche Wellenlänge eine ausreichend hohe Dämpfungskapazität hat, um eine Verschiebung des Betriebspunktes des Verstärkungsreglerkreises (22, 16) zu bewirken und zwar gegen den schwach abfallenden Teil der Absorptions- bzw. Konzentrationskurve.

2. Gerät nach Anspruch 1 für die CO₂-Analyse, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfung durch das Dämpfungselement (13) in der Größenordnung von etwa 8% liegt.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungselement (13) zwischen der Bezugskammer (11) und der Lochscheibe (3) angeordnet ist.

4. Gerät nach Anspruch 3>

dadurch gekennzeichnet,

daß das Dämpfungselement (13) als Dämpfungsplatte ausgebildet und auf der Oberfläche der Bezugskammer (11) angeordnet ist.

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