DE3106331A1 - "geraet zur bestimmung der konzentration eines bestandteils einer gasprobe unter hochdruckbedingungen" - Google Patents

Description

• Gerät zur Bestimmung der Konzentration eines Bestand-
• teils einer Gasprobe unter Hochdruckbedingungen Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerbt, das'in der Patentschrift 263 5171 des Deutschen Patentamts, Ausgabetag 19.06.1980, bescrieben ist und das nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dort eine Erweite rung der Anwerndungsmöglichkeiten erfahren soll.
• Das in der oben genannten Patentschrift beschriebene Gerät bezieht sich auf den Fall, daß zur Konzentrationsbestimmung einer Gaskomponente mit der Laserlichtquelle Uber eine typische Gasabsorptionslinie hinweg voll durchgestimmt werden kann. Das lEßt sich bei Gaes, die unter vermindertem Druck stehen (im l mb-Bereich) und wo die Linienbreiten durch die Dopplerverbreiterung bestimmt sind mit den verfligbaren IR-Laserlichtquellen (z. 8. den IR-Diodenlasern) immer leicht realisieren. Will man Gasanalyse jedoch bei höheren Drücken ausführen, vornehmlich bei Normaldruckbetingungen, dann ergibt sich die Schwierigkeit, daß durch Druckverbreiterung die Linienbreite groß ist, die Linien "Lorenz"-Form aufweisen und es dann kaum möglich ist, Uber eine ganze Linie durchzustimmen. Nur bei Integration Uber die gesamte Linienbreite kommt der Vorteil der Dxuckunabhängigkeit des Meßergebnisses bei der Integrativ-Methode zum Tragen. Die für die Konzentrationsbestimmung notwendige Ermittlung der Gesamtfläche unter der absorptionslinie (siehe Fig. 2) kann dann bei Integration über nur einen Teilbereich der Linie nicht mehr genau bestimmt werden, wenn sau die Methode zugrunde legt, die in der Patentschritt 263 5171 erläutert wird.
• Es gelingt allerdings, die Meßgenauigkeit bei der Gaskonzentrationsbestimaung dann hoch zu machen, wenn man statt, wie bisher beschrieben, nicht über ein, sondern über zwei verschieden große Integrationsintervalle integriert und dann beide Integrationswerte zur Konzentrations-Bestimnung auswertet.
• Die erfindungsgemäße Meßanordnung ist der in Fig. 3 der Patentschrift 263 5171 beschriebenen ähnlich, die Neßdatenauswertung weist jedoch erhöhte Komplexität auf. Statt Integrier- und Halteschaltung werden hier vorzugsweise Mittelungs- und Halteschaltungen verwendet.
• Im folgenden werden der Aufbau und die Wirkungsweise einer Ausführungsform eines solchen Gerätes anhand der 3 Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 ein Prinzipschema der Ausführungsform mit 2 Strahlenwegen und Datenauswertung, Fig. 2 ein Zeitdiagrammder logarittinierten Ausgangssignale des Strahlungsempfängers von Fig. 1 und Fig. 3 eine berechnete Kurve zur Umsetzung der Meßintegrale in ein Gesamtintegral, das das Konzentrationsbestimmung einer Gaskomponente ausgenützt werden kann.
• Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 wird ein Laser 1, vorzugsweise ein Halbleiterinjektionslaser, über eine Anregungsvorrichtung 2 und.eine ihr übergeordnete Steuereinheit 3, die als Mikrokomputer ausgebildet sein kann, einem Impulsbetrieb unterworfen. Während jedes Impulses steigt die Frequenz des ausgestrahlten Laserlichtes näherungsweise zeitlinear an und überstreicht dabei einen Frequenzbereich, in dem ein Spektralbereich einer Absorptionskurve der zu messenden Gaskomponente enthalten ist.
• Der Laserstrahl wird in dem Strahlteiler 4 in den Meßstrahl 5 und in den- Referenzstrahl 6 aufgespalten. Eine motorgetriebelle Blende 7 gibt die Strahlung des gepulsten Lasers abwechselnd auf die beiden Strahlwege frei. Der Meßstrahl 5 tritt durch die Küvette 8 hindurch, in der sich das zu analysierende, die Meßkomponente enthaltende Gas befindet, Im Referenzstrahlengang 6 bef indet sich die Referenzküvette 19, in der die zu messende Gaskomponente nicht vorhanden ist. Die zwei Strahlwege werden an der Strahlenvereinigungsvorrichtung 10 in einen gemeinsamen Strahlenweg 11 vereinigt. Die transmittierte Strahlung von Meßstrahlenweg 5 und Referenzstrahlenweg 6 fällt abwechselnd auf einen photoelektrischen Strahlungsempfänger 12> der ein schneller Festkörperdetektor, beispielsweise auf der Basis von InSb oder CdHgTe, ist. Nach einer Verstärkung der Detektorsignale durch den Verstärker 13 erfolgt eine Logarithmierung in einem nachfolgenden Netzwerk 14. Meßwerte werden während der Durchstrahlung der Meßküvette und während der Durchstrahlung der Referenzküvette in vier verschiedenen Zeitintervallen erfaßt. Typische logarithmierte Meßimpulsformen des Meßstrahls 15 und des Referenzstrahls 16 sind in Fig. 2 aufgezeichnet. Die Meßwerterfassung erfolgt in den beiden Referenzzeitintervallen 17 und 18 und den twei Meßzeitintervallen 19 und 20. Die Meßzeitintervalle liegen vorteilhaft symmetrisch zur Zeit des Absorptionslinienmaximums 21. Diese Zeit wird in einem gesonderten Eichvorgang ermittelt, indem eine Eichküvette, mit dem zu messenden Gas bei einem Druck im mb-Bereich gefüllt, in den Referenzstrahlengang.zusätzlich eingebracht wird. Aus der Lage der sehr scharfen Doppler-verbreiterten Absorptionslinie des Absorptionslinienmaximums 2 kann dann diese Zeit ermittelt werden.
• Ihr Wert wird für die weiteren Messungen im Mikrocomputer der Steuereinheit 3 gespeichert. Die beiden Referenzintervalle 17 und 18 sind gleich lang und schließen am Anfang und Ende des größeren Meßzeitintervalles an. Die Wahl von zwei Referenzmessungen ermöglicht die Kompensation eines frequenzlinearen Absorptionsuntergrundes, der nicht von der zu messenden Gaskomponente, sondern von Begleitgasen herrühren und das Meßergebnis störend beeinflussen könnte.
• Die am Ausgang des Logarithmiernetzwerkes 14 anfallenden Signalimpulse werden über drei schnelle Schalter 22, 23 und 24, über die Kanäle 25, 26 und 27 und huber drei relative langsane Schalter 28, 29 und 30 in die Mittelungs- und Halte-Schaltungen 31, 32, 33, 34, 35 und 36 geleitet. Dort werden über viele Pulse-gemittelte Intensitätswerte in den entsprechenden Zeitintervallen erzeugt.
• Bei typischen Impuislängen von einigen >is müssen die schnellen Schalter im Sublus-Bereich schalten. Die langsamen Schalter müssen bei einer typischen Impulslagefrequenz von 1 kHz im ms-Bereich arbeiten, wenn vorteilhaft abwechselnd ein Meßstrahl und der Referenzstrahl freigegeben wird. Die Steuerung des Schalters erfolgt von der Steuereinheit 3 aus. Die Schalter 32, 33 und 34 werden über die Leitungen 37, 38, 39 und die Schalter 28, 29 und 30 über die Leitungen 40, 41 und 42 betätigt. Der Schalter 32 ist während der beiden Referenzzeitintervalle 17 und 18, der Schalter 33 während des Meßzeitintervalles 20 und der Schalter 34 während des Meßzeitintervalles 19, der sogenannten Hilfsmeßzeit, geöffnet. Die Schalter 28, 29 und 30 sind mit der Stellung des Blendenrades 7 gekoppelt. Bei Signalen aus dem Meßstrahl 5 werden die Signale den Mittelungs- und Halteschaltungen 31, 33 und 35 zugeführt. Signale vom Referenzstrahl 6 gehen in die Schaltungen 32, 34 und 36.
• In Mittelungs- und Halteschaltungen werden die Meßwerte durch Mittelung über typisch 100 Impulse abgespeichert und dann zur Berechnung der Konzentration der zu messenden Gaskomponente in das nachgeschaltete Rechenwerk 43 abgegeben. Die Berechnung des Konzentrationswertes erfolgt über den Mikrokomputer der Steuereinheit 3 über den Kanal 44. Die Meßwertausgabe erfolgt schließlich in einer Ausgabeeinheit 45.
• Die Konzentrationsbestimmung leitet sich aus der frequenzspezifischen Schwächung des Detektorsignals durch das Überstreichen einer Absorptionslinie der zu messenden Gaskomponente ab. Die in Fig. 2 schraffierten Flächen im logarithmierten Meßsignal 47 und 48, i und IH, die zu den beiden Meßzeitintervallen, dem Meßzeitinteryall 20 und dem Hilfszeitintervall 19 gehören, werden zur Konzentrationsbestimmung verwendet. Diese können aus den Meßwerten in den Mittelungs- und Halteschaltungen 31, 32, 33, 34, 35 und 36 ermittelt werden. In der Schaltung 31 liegt der mittlere -Wert des Meßsignals 13 während der Referenzzeitintervalle 17 und 18, MRM, in der Schaltung 32 der mittlere Wert des Referenzsignals während des Meßzeitinervalles 20, MMM, in Schaltung 34 der mittlere Wert des Referenzsignals während des Meßzeitintervalles 20, \ Rs in Schaltung 35 der mittlere Wert des Meßsignals während des Hilf smeßzeitintervalles 19, MHM> und in Schaltung 36 der mittlere Wert des Referenzsignals während des Hilfsmeß-zeitintervalles 19, MHR, an.
• Die beiden Integrale 47 und 48, IM und IH, lassen sich aus diesen Daten aus den beiden Beziehungen

  IM = # MMR - MMM - (MRR - MRM) # .##M

  IH = # MHR - MHM - (MRR - MRM) # .@@H

  ermitteln. Hier bedeuten ##M und ##H die Frequenzintervalle, die zu den Zeitintervallen 20 und 19 gehören. Diese sind bei Kenntnis des funktionalen Zusammenhangs v = v(t) leicht zu bestimmen.
• Da im vorliegenden Falle nicht die gesamte Fläche unter der Absorptionslinie gemessen wird, aus der dann die Gaskonzentration gemäß Patent 263 8171 berechnet werden kann, muß diese erst aus den beiden Integralen IM u.ld IH ermittelt werden. Bei vorgegebenen Frequenzintervallen As und ##H kann aus IM und IH bei Annahme einer Lorentz-Linienform ein Faktor F berechnet werden, der dann 0 aus IM das Gesamtintegral über die Beziehung I = Fo,IM bestimmen läßt. Die Abhängigkeit von Fo von dem Verhältnis IM/IH ist in Fig. 3 beispielsweise für den Fall aufgezeichnet, daß das Verhältnis der beiden Frequenzintervalle ##M/##H = 3 ist. In dem Korrekturfaktor F ist ebenfalls berücksichtigt, daß bei der Bestimmung der 0 Referenzwerte im Meßsignal M durch die Ausläufer der Absorptionslinie die Werte im Mittel um den Betrag 1/2(49 + S0) zu klein gemessen wurden.
• Eine Variante des hier beschriebenen Aufbaus könnte darin bestehen, daß die Eichung der zeitlichen Lagen des Absorptionslinienmaximums laufend bei Zugrundelegung einer 3-Strahlanordnung erfolgt.
• L e e r s e i t e

Claims (4)

1. PATENTANSPRÜCHE Gerät zur Bestimmung der Konzentration eines Bestandteils einer Gasprobe unter Hochdruckbedingungen, wobei darunter der Druckbereich von 100 mb bis 1 kb zu verstehen ist, in dem man druckverbreiterte Spektrallinien vorliegen hat, unter Verwendung von a) einer abstimmbaren IR-Laser-Lichtquelle; b) einem fotoelektrischen Wandler zur Erzeugung eines der Intensitat der transmittierten Strahlung entsprechenden Ausgangssignals; c) eine an den elektrischen Wandler angeschlossene, ein Logarithrniernetzwerk, und eine Nittelungsschaltung aufweisende Auswerteschaltung zur Erzeugung eines der Konzentration des Gasbestandteils entsprechenden Meßsignals, sowie d) eine Steuerschaltung zur periodischen Durch8timmung der Frequenz der Lichtquelle im Bereich einer Absorptionslinie des Gasbestandteiles, und zur Synchronisierung der Auswerteschaltung mit der Durchsturrmung, dadurch gekennzeichnet, daß e) die Integration nur Uber einen Teil der Absorptionslinie erfolgt und f) Integrationswerte über zwei Teilbereiche ermittelt werden, woraus unter Zugrundelegung einer Lorentzform der Absorptionslinie sehr genaue Gaskonzentrationswerte ermittelt werden können.
2. 2. Gerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß ein abstimmbarer Diodenlaser als Lichtquelle benutzt wird.
3. 3. Gerät nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Diodenlaser in gepulster Form betrieben wird.
4. 4. Gerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die beiden Integrationsbereiche symmetrisch zum Zentrua der Absorptionslinie liegen.

   5q Gerät nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß der kieinere Integrationsbereich in det Größenordnung einer Linienbreite liegt.