DE3106331C2 - Gerät zur Bestimmung der Konzentration eines Bestandteils einer Meßgasprobe - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Bestimmung der Konzentration eines Bestandteils einer Gasprobe unter Hochdruckbedingungen. Das Gerät weist einen abstimmbaren Infrarotlaser, photoelektrische Wandler, eine Auswerteeinheit und eine Steuerschaltung auf, um die periodische Durchstimmung des Lasers mit der Auswerteschaltung zu synchronisieren. Mit Hilfe dieses Gerätes kann jedoch auch bei Normaldruckbedingungen das Spektrum bestimmt werden und damit die Konzentration und nicht wie bei den bekannten Geräten nur bei Unterdruck.

Description

dadurch gekennzeichnet, daß dem Meßstrahl (5) zugeordnete erste Integrier- und Halteschaltkreise (31, 33, 35) und dem Referenzstrahl (6) zugeordnete zweite Integrier- und Halteschaltkreise (32,34,36) vorgesehen sind, die über Umschalter (28, 29,30) synchron zur Durchführung des Meßstrahles (5) bzw. Referenzstrahles (6) durch die Meßgasprobe (8) bzw. die Referenzgasprobe (9) abwechselnd angesteuert sind und daß die ersten und zweiten Integrier- und Halteschaltkreise jeweils mehrere Mittelungsschaltungen (31, 33, 35, 32, 34, 36) aufweisen, die während vorherbestimmter Teilbereichen der Absorptionslinie zugeordneter Zeitintervalle (17,18, 19,20) an den Ausgang des Logarithmiernetzwerkes (14) angeschaltet sind, so daß durch die Auswerteschaltung (43) aufgrund der über wenigstens zwei Teilbereiche (19,20) aus der Absorptionslinie erfaßtsn Mittelwerte der Verlauf der gesamten Absorptionslinie errechenbar ist.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teilbereiche (19,20) symmetrisch zum Zentrum der Absorptionslinie liegen.

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Bestimmung der Konzentration eines Bestandteils einer Meßgasprobe bei Drucken, bei denen druckverbreiterte Spekirallinien vorliegen, mit einer impulsweisc und periodisch durchstimmbaren IR-Laser-Lichtquelle zur Beaufschlagung der Meßgasprobe mit Strahlung einer Frequenz im Bereich einer Absorptionslinie des Bestandteils, einem fotoelektrischen Wandler zur Erzeugung eines der Intensität der transmittierten Strahlung entsprechenden Ausgangssignals, einer Einrichtung zur abwechselnden Durchführung eines Laserstrahls in Gestalt eines Meßstrahls durch die Meßgasprobe und in Gestalt eines Referenzstrahls durch eine Referenzgasprobe, einer Steuereinrichtung zur wechselweisen Abgabe eines

ίο dem Meßstrahl bzw. Referenzstrahl zugeordneten Statussignals, einem an den fotoelektrischen Wandler angeschlossenen Logarithmiernetzwerk, einer Auswerteschaltung zur Erzeugung eines der Konzentration des Bestandteils entsprechenden Meßsignals, die mehrere Integrier- und Halteschaltkreise aufweist die während vorherbestimmter Zeitintervalle der Durchstimmimpulse des Lasers mit dem Ausgangssignal des Logarithmiernetzwerkes beaufschlagt sind, und einer Steuerschaltung zur periodischen Durchstimmung der Frequenz des Lasers im Bereich einer Absorpiionslinie des Bestandteils.

Ein derartiges Gerät ist aus der DE-PS 26 35 171 bekannt und verfügt über eine Auswerteschaltung aus zwei Integrier- und Halteschaltkreisen, die sowohl während der Zeit, während der Meßstrahl auf den fotoelektrischen War.dler trifft, als auch während der Zeit, während der der Referenzstrahl auf den fotoelektrischen Wandler trifft, mit dem Ausgangssignal des Logarithmiernetzwerkes gespeist werden. Während einzelner impulsweise durchgeführter Durchstimmperioden wird bei dem bekannten Gerät das Ausgangssignal des Logarithmiernetzwerkes jeweils in einem ersten Zeitintervall einem ersten Integrier- und Halteschaltkreis und jeweils in einem zweiten Zeitintervall einem zweiten Integrier- und Halteschaltkreis zugeführt. Unter der Steuerung der Einrichtung zur abwechselnden Durchführutig des Laserstrahls durch die Meßgasprobe und die Referenzgasprobe werden an die Integrier- v,r.d Halteschaltkreise angeschlossene phasenempfindliche Gleichrichter angesteuert, deren Ausgangsspannungsdifferenz dem Abfall des Meßsignals in Abhängigkeit von der Gaskonzentration zugeordnet ist. Das bekannte Gerät gestattet die Konzentrationsbestimmung einer Gaskomponente, wenn die IR-Laser-Lichtquelle über eine typische Gasabsorptionslinie hinweg voll durchgestimmt werden kann. Dies läßt sich bei Gasen in einem Druckbereich von 1 mb, wo die Linienbreiten durch die Dopplerverbreitung bestimmt sind, mit verfügbaren IR-Laser-Lichtquellen, insbesondere mit IR-Diodenlasern, immer

so leicht realisieren. Will man jedoch eine Gasanalyse bei einem höheren Druck ausführen, insbesondere bei Normaldruckbedingungen, dann ergibt sich die Schwierigkeit, daß die Linienbreite infolge der Druckverbreiterung groß ist. In einem solchen Fall ist es oft nicht mehr möglich, über eine ganze Absorptionslinie durchzustimmen. Andererseits kommt der Vorteil der Druckunabhängigkeit des Meßergebnisses bei der Integrativ-Methode nur bei einer Integration über die gesamte Linienbreite zum Tragen. Die für die Konzentrationsbestimmung notwendige Ermittlung der Gesamtfläche unter der Absorptionslinie kann dann bei einer Integration nur über einen Teilbereich der Linie nicht mehr genau bestimmt werden, wenn man die Methode zugrunde legt, die bei dem Gerät gemäß der DE-PS 26 35 171 angewendet wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gerät der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß auch Absorptionslinien ausgewertet werden können, wenn

der Laser nicht über einen Bereich durchgestimmt werden kann, der breiter als die Absorptionslinie ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem Meßstrahl zugeordnete erste Integrier- und Halteschaltkreise und dem Referenzstrahl zugeordnete zweite Integrier- und Halteschaltkreise vorgesehen sind, die über Umschalter synchron zur Durchführung des MeßstrahJes bzw. Referenzstrahles durch die Meßgasprobe bzw. die Referenzgasprobe abwechselnd angesteuert sind und daß die ersten und zweiten Integrier- und Halteschaltkreise jeweils mehrere Mittelungsschaltungen aufweisen, die während vorherbestimmter Teilbereichen der Absorptioiislinie zugeordneter Zeitintervalle an den Ausgang des Logarithmiernetzwerkes angeschaltet sind, so daß durch die Auswerteschaltung aufgrund der über wenigstens zwei Teilbereiche aus der Absorptionslinie erfaßten Mittelwerte der Verlauf der gesamten Absorptionslinie errechenbar ist

Aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung gelingt es, die Meßgenauigkeit bei der Gasfconzentrationsbestimmung dadurch zu verbessern, daß mar- statt wie beim Stand der Technik nicht über ein, sondern über zwei verschieden große Integrationswerte integriert und dann beide Integrationswerte zur Konzentrationsbestimmung auswertet.

Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung liegen die beiden Teilbereiche der Absorptionslinie, die zur Auswertung herangezogen werden, symmetrisch zum Zentrum der Absorptionslinie.

Nachfolgend werden der Aufbau und die Wirkungsweise eines erfindungsgemäßen Gerätes anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 ein Prinzipschema des Gerätes mit zwei Strahlenwegen und einer Auswerteschaltung,

Fig.2 ein Zeitdiagramm der logarithmierten Ausgangssignale des im Gerät als photoelektrischen Wandlers eingesetzten Strahlungsempfängers und

F i g. 3 eine berechnete Kurve zur Umsetzung der Meßintegra'a in ein Gesamtintegral, das zur Konzentrationsbestimmung einer Gaskomponente ausgenützt wird.

Bei dem Gerät gemäß der Fig. 1 wird ein Laser 1, vorzugsweise ein Halbleiterinjektionslaser, über eine Anregungsvorrichtung 2 und eine ihr übergeordnete Steuereinheit 3, die als Mikrokompmer 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 GaskomponenU enthalten ist

Der Laserstrahl wird in einem Strahlteiler 4 in einen Meßstrahl 5 und in einen Referenzstrahl 6 aufgespalten. Eine motorgetriebene Blende 7 gibt abwechselnd die Strahlwege des Meßstrahles 5 und des Referenzstrahles 6 frei. Der Meßstrahl 5 tritt durch eine Meßgasküvette 8 hindurch, in der sich das zu analysierende, die Meßkomponente enthaltende Gas befindet. Im Strahlengang des Referenzstrahles 6 befindet sich eine Referenzgasküvette 9, in der die zu messende Gaskomponente nicht vorhanden ist. Die beiden Strahlwege werden an einer Strahlenvereinigungsvorrichtung 10 in einen gemeinsamen Strahlenweg 11 vereinigt. Die transmittierten Strahlungen des Mcßstrahles 5 und des Referenzstrahles 6 fallen 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 einen Verstärker 13 erfolgt eine Logamhmierung in einem nachfolgenden Logarithmiernetzwerk 14.

Meßwerte werden während der Durchstrahlung der Meßgasküvette 8 und während der Durchstrahlung der Referenzgasküvette 9 in vier verschiedenen Zeitintervallen 17, 18, 19, 20 erfaßt Typische logarithmierte Meßimpulsformen eines Meßimpulses 15 und eines Referenzimpulses 16 sind in Fig.2 aufgezeichnet Die

ίο Meßwerterfassung erfolgt in zwei Referenzzeitintervallen 17 und 18 und zwei Meßzeitintervallen 19 und 20. Die Meßzeitintervalle 19, 20 liegen vorteilhaft symmetrisch zur Zeit des Absorptionslinienmaximums 21. Diese Zeit wird in einem gesonderten Eichvorgang ermittelt, indem eine Eichküvette, die mit dem zu messenden Gas bei einem Druck im mb-Bereich gefüllt ist zusätzlich in den Referenzstrahl 6 eingebracht wird. Aus der Lage der sehr scharfen Doppler-verbreiterten Absorptionslinie des AbsorptionslinienmaxirTjums 21 kann dann diese Zeit ermittelt werden. Ihr Wert wird für die weiteren Messungen im Mikrocomputer der Steuereinheit 3 gespeichert Die beiden Referenzzeitintervalle 17 und 18 sind gleich lang und schließen am Anfang und Ende des größeren Meßzeitintervalles 20 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 Kanäle 25, 26 und 27 und über drei relative langsame Schalter 28, 29 und 30 in Mittelungs- und Halteschaltungen 31,32,33,34,35 und 36 geleitet. Dort werden über viele Impulse 15, 16 gemittelte Intensitätswerte in den entsprechenden Zeitintervallen 17,18,19,20 erzeugt Bei typischen Impulslängen von einigen μβ müssen die schnellen Schalter 22,23, 24 im Sub^s-Bereich schalten. Die langsamen Schalter 28, 29, 30 müssen bei einer typischen Impulsfolgefrequenz von 1 kHz im ms-Bereich arbeiten, wenn vorteilhaft abwechselnd ein Meßstrahl 5 und de- Referenzstrahl 6 freigegeben wird.

Die Steuerung der Schalter 22, 23, 2<t, 28, 29, 30 erfolgt von der Steuereinheit 3 aus. Die Schalter 22,23 und 24 werden über die Leitungen 37,38,39 und die Schalter 28,29 und 30 über die Leitungen 40,41 und 42 betätigt Der Schalter 22 ist während der beiden Referenzzeitintervalle 17 und 18, der Schalter 23 während des Meßzeitintervalles 20 und der Schalter 24 während des Hilfsmeßzeitintervall 19 genannten Meßzeitintervalles leitend. Die Schalter 28,29 und 30 sind mit der Stellung des Blendenrades 7 gekoppelt. Bei Meßimpulsen 15 aus dem Meßstrahl 5 werdrn die Signale den Miticlungs- und Halteschaltungen 31, 33 und 35 zugeführt. Meßimpulse 16 vom Referenzstrahl 6 gehen in die Mittelungs- und Halteschaltungen 32,34 und 36.

In den Mittelungs- und Halteschaltungen 31 bis 36 werden die Meßwerte durch Mittelung über typisch 100 Impulse abgespeichert und dann zur Berechnung der Konzentration der zu messenden Gaskomponente in ein nachgeschaltetes, als Auswerteschaltung 43 dienendes Rechenwerk abgegeben. Die Berechnung des Konzentrationswertes erfclgt über den Mikrokomputer der Steuereinheit 3 über einen 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 F i g. 2 schraffierten Flächen 47 und 48 im logarithmierten Meßsignal entsprechen Integralen I_M und /«, die zu den beiden Meßzeitintervallen, dem Meßzeitintervall 20 und dem Hilfsmeßzeitintervall 19 gehören und zur Konzentrationsbestimmung verwendet werden. Diese können aus den Meßwerten in den Mittelungs- und Halteschaltungen 31, 32,33,34,35 und 36 ermittelt werden. Die Schaltung 31 liefert den mittleren Wert Mr_M des Meßimpul- ses 15 wahrend der Referenzzeitintervalle 17 und 18, die Schaltung 32 den mittleren Wert Mrr des Referenzimpulses 18 während der Referenzzeitintervalle 17,18, die Schaltung 33 den mittleren Wert Mmm des Meßimpulses 15 während des Meßzeitintervalles 20, die Schaltung 34 is den mittleren Wert Mmr des Referenzimpulses 16 während des Meßzeitintervailes 20, die Schaltung 35 den mittleren Wert Mhm des Meßimpulses 15 während des Hiifsmeßzeitintervaiies i9 und die Schaltung 36 den mittleren Wert M_Hr des Referenzimpulses 16 während des Hiifsmeßzeitintervaiies 19.

Die beiden den Flächen 47 und 48 zugeordneten Integrale Im und Ih lassen sich mit Hilfe der vorerwähnten Daten aus den beiden Beziehungen

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Im « [(Mmr — Mmm) — (Mrr — Mrm)J ■ Δν_Μ

Ih " [(MHR — Mhm) — (Mrr — Mrm)] ■ dVH

ermitteln. Hier bedeuten Avm und Avh 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 wie beim Stand der Technik die gesamte Fläche unter der Absorptionslinie gemessen wird, aus der die Gaskonzentration berechnet werden kann, muß diese erst aus den beiden Integralen Im und I_H ermittelt werden. Bei vorgegebenen Frequenzintervallen Avm und Jvh kann aus Im und Ih bei Annahme einer Lorentz-Linienform ein Faktor Fo berechnet werden, der dann aus Im das Gesamtintegral über die Beziehung I = Fo-Zm bestimmen läßt

Die Abhkängigkeit von F₀ von dem Verhältnis I_mIIh ist in F i g. 3 beispielsweise für den Fall aufgezeichnet, daß das Verhältnis der beiden Frequenzintervalle AvmI Δν_Η = 3 ist. In dem Korrekturfaktor F₀ ist ebenfalls berücksichtigt, daß bei der Bestimmung der Referenzwerte im Meßsignal Rrm durch die Ausläufer der Absorptionslinie die Werte im Mittel um den Betrag 1 /2 (49 + 50) zu klein gemessen wurden.

Eine Variante des hier beschriebenen Aufbaus könnte darin bestehen, üaß die Eichung der zeitlichen Lagen des Absorptionslinienmaximums laufend bei Zugrundelegung einer 3-Strahlenanordnung erfolgt

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims (1)

Patentansprüche:

1. Gerät zur Bestimmung der Konzentration eines Bestandteils einer Meßgasprobe bei Drucken, bei denen druckverbreiterte Spektrallinien vorliegen, mit

— einer impulsweise und periodisch durchstimmbaren IR-Laser-Lichtquelle zur Beaufschlagung der Meßgasprobe mit Strahlung einer Frequenz im Bereich einer Absorptionslinie des Bestandteils,

— einem fotoelektrischen Wandler zur Erzeugung eines der Intensität der transmittierten Strahlung entsprechenden Ausgangssignals,

— einer Einrichtung zur abwechselnden Durchführung eines Laserstrahls in Gestalt eines Meßstrahls durch die Meßgasprobe und in Gestaltetes Referenzstrahls durch eine Referenzgasprobe,

— einer Steuereinrichtung zur wechselweisen Abgabe eines dem Meßstrahl bzw. Referenzstrahl zugeordneten Statussignals,

— einem an den fotoelektrischen Wandler angeschlossenen Logarithmiernetzwerk,

— einer Auswerteschaltung zur Erzeugung eines der Konzentration des Bestandteils entsprechenden Meßsignals, die mehrere Integrier- und Halteschaltkreise aufweist, die während vorherbestimmter Zeitintervalle der Durchstimmimpulse -des Lasers mit de-.n Ausgangssignal des Logarithmienietzwerfies beaufschlagt sind, und

— einer Steuerschaltung zur jjeriodischen Durchstimmung der Frequenz des Lasers im Bereich einer Absorptionslinie des Bestandteils,