DE3107617C2

DE3107617C2 - Gasanalysator

Info

Publication number: DE3107617C2
Application number: DE3107617A
Authority: DE
Inventors: Kozo Kyoto Ishida; Hiroji Kusatsu Shiga Kohsaka
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 1980-03-01
Filing date: 1981-02-27
Publication date: 1985-03-28
Also published as: JPS56122935A; US4393304A; DE3107617A1

Abstract

Ein nach dem Prinzip der Fluid-Modulation arbeitender Gasanalysierer umfaßt eine bei kritischer Strömung betriebene Einrichtung (27, 28, 31, 59) in der Gasaustrittsleitung einer einzelnen Meßkammer (53) oder einer Doppelkammer (3, 3Δ). Der Durchsatz des durch die Meßkammer geleiteten Gases kann konstant gehalten und dadurch ein durch die Variation des Durchsatzes des Gases verursachter Meßfehler vermieden werden. Der Durchsatz des durch den Gasanalysierer strömenden Gases kann über einen langen Zeitraum konstant gehalten werden, und die Wartung eines Gasanalysierers dieser Bauweise ist einfach, da bei einer mit kritischer Strömung betriebenen Einrichtung der vorliegenden Art die Gefahr einer Verschmutzung oder Verstopfung gering ist.

Description

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zu leiten. Es erwies sich jedoch aus den nachstehend F i g. 6 zeigt einen mit Fluid-Modulation arbeitenden

angeführten Gründen als unmöglich, einen exakt kon- Infrarot-Gasanalysierer 1 in Doppelkammerausfüh-

stanten Durchsatz über einen längeren Zeitraum auf- rung, bestehend aus einem Paar Lichtquellen 2,2', einem

recht zu erhalten: Paar Meßkammern 3,3', einem Detektor 4, einem Ver-

5 stärker 5 und einem Anzeigegerät 6. 7. bezeichnet eine

a) es ist schwierig, einen mechanischen Druckregler Leitung zum Einlassen der Gasprobe, 8 eine Leitung mit reproduzierbaren Eigenschaften zur Aufrecht- zum Einlassen des Vergleichsgases oder Standardgases erhaltung eines konstanten Druckes herzustellen; (Null-Gas), wie Stickstoff od. dgl, und 9 ein Vierwege-

b) es tritt eine zeitliche Änderung der Druckeinstel- Drehventil. Mit 11, 12, 13, 14 sind Gas-Leitungen in lung durch Verschmutzung des Druckreglers ein; to einem Block 10 bezeichnet Ein scheibenförmiger Ven-

c) die Kapillarrohre kann verstopfen und verschmut- tilkörper 16 berührt die Innenfläche einer Ventilkam- · zen. mer 15 und ist mit Hilfe eines nicht dargestellten Motors

in dieser Kammer drehbar. 17,18 sind Gas-Leitungen,

Aus diesen und weiteren Gründen war ein Fehler in die die Austrittsöffnungen 19, 20 des Blockes 10 mit

der Anzeige des Analysierers bisher unvermeidlich. 15 Einlaßöffnungen 21, 22 der Meßkammern 3, 3' verbin-

Um einen konstanten Gasstrom zu erzeugen, ist es den. 23,24 bezeichnen Gasaustrittsleitungen, die mit je

von anderen Gasmeßgeräten, ohne Fluid-Modulation, einem Strömungsregler zur Erzeugung einer kritischen

bekannt einen kritischen Gasfluß einzustellen, d. h. das Strömung versehen sind. Im Hinblick auf die Einrich-

Prinzip auszunutzen, daß im Falle eines fiberkritischen tung zur Erzeugung einer kritischen Strömung wird auf Druckverhältnisses in einem Leitungsabschnitt die Gas- 20 die US-PS 36 99 814 hingewiesen. Im vorliegenden Zu-

geschwindigkeit in diesem Abschnitt sich der Schalige- samrnenhang wird als derartige Einrichtung ein Venturi-

schwindtgkeit angleicht, und damit die Gasdu,xhsatz- Rohr verwendet Da die mit 27 und 28 bezeichneten

menge je Zeiteinheit festgelegt ist Bei einer aus der Venturi-Rohre so konstruiert sind, daß sie während der

DE-OS 24 52 264 her bekannten Vorrichtung dient ein Gasanalyse bei kritischer Strömung arbeiten, werden Drosselventil zum Herstellen des überkritischen Druk- 25 sie von d?m Gas mit einem festgelegten, konstanten

kes, während bei einer in der US-PS 36 99 814 beschrie- Durchsatz durchströmt 29,30 bezeichnen Pumpen, de-

benen Vorrichtung ein Venturi-Rohr verwendet wird. ren Pumpleistung ausreicht, um in den Venturi-Rohren

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen eine kritische Strömung zu erzeugen. Durch die Wir-Gasanalysator vom Fluid-Modulationstyp der eingangs kung des von einem nicht dargestellten Regler gesteuergenannten Art so auszubilden, daß seine Meßgenauig- 30 ten Drehventils 9, genauer gesagt durch die Rotation keit weiter erhöht werden kann. des Ventilkörpers 16 mit festgelegter Drehzahl werden

Die erfindungsgemäße Lösung ist im Hauptanspruch die Gasprobe und das Vergleichsgas, die über die Lei- -

gekennzeichnet Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Ge- tungen 7 bzw. 8 zugeführt werden, durch die Leitung 11,

genstand von Unteransprüchen. 12, 13, 14, 17, 18 in zeitlich festgelegtem Wechsel ab-

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß bei dem 35 wechselnd in jeweils eine der Meßkammern 3,3' einge-Gasanalysator vom Fluid-Modulationstyp der Gas- leitet Beispielsweise gelangt die Gasprobe Ln die Kamdurchfluß mit Hilfe einer kritischen Strömung einge- mer 3, während das Vergleichsgas in die Kammer 3' stellt wird. Eine Einrichtung, die diese kritische Strö- strömt, und umgekehrt. Gasprobe und Vergleich?.gas mung einstellt z. B. ein Venturi-Rohr oder eine Düse, werden aus der Apparatur abgesaugt nachdem sie die wird im folgenden auch kurz als »Strömungsregler« be- 40 Austrittsöffnungen 25 und 26 und die Leitungen 23, 24 zeichnet Ein Gasanalysator vom Fluid-Modulationstyp passiert haben. Da die Venturi-Rohre 27,28 so konstruergibt mit einem solchen Strömungsregler ausgerüstet iert sind, daß in ihnen stets eine kritische Strömung ein hochpräzises Analysegerät herrscht, wird der Durchsatz, mit dem das Gas durch die

Schutz wird nur für die Gesamtkombination aller Venturi-Rohre strömt und damit auch der Durchsatz," Merkmale des Hauptanspruchs beansprucht 45 mit dem das Gas durch die Meßkammern Hießt ständig Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbei- konstant gehalten. Zudem ist in dieser bevorzugten

spiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläu- Ausführungsform der Durchsatz, mit dem Gas durch

tert. das Venturi-Rohr 27 strömt, gleich dem Durchsatz des

F i g. 1 ist ein Diagramm, das die möglichen Abläufe Gases in dem Venturi-Rohr 28, und folglich stimmen

von Gasaustauschprozesselt veranschaulicht; so auch die Durchsätze in den Meßkammern 3 und 3' über-

F i g. 2 zeigt in einem Diagramm die Abhängigkeit des ein. Modulationsgrades von dem Durchsatz des Gases; Obwohl in der hier beschriebenen bevorzugten Aus- F i g. 3 ist ein Diagramm, das das gemessene Aus- führunc?,form zwei Venturi-Rohre benutzt werden,.

gangssignal eines Analysierers in Abhängigkeit von dem kann auch eine Konstruktion gewählt werden, bei der,

Durchsatz des Gases angibt; 55 wie in F i g. 7 gezeigt nur ein Venturi-Rohr venvendet F i g. 4 und 5 sind grafische Darstellungen der Ergeb- wird. Auch hier handelt es sich um ein Venturi-Rohr für

lisse von an einer 3-mm- bzw. 35-mm-Doppeikammer den Betrieb bei kritischer Strömung. Auch in diesem

durchgeführten Versuchsreihen, in denen der Durchsatz Fall kann der Gesamtdurchsatz, bestehend aus den

variiert wurde; Durchsätzen der Gasprobe und des Vergleichsgases,

F i g. 6 ist eine schematische Darstellung eines erfin- 60 konstant gehalten werden und so die Stabilität der Meß-

dungsgemäßen Doppelkammer-Gasanalysators; anzeige sichergestellt werden. Im übrigen sind die Kon-

Fig.7 ist eine schematische Darstellung einer alter- struktionselemente in Fig.7, ausgenommen eine Pum-

nativen Ausführungsform der Erfindung; pe 32, mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet, wie

F i g. 8 ist eine schematische Darstellung eines Ein- die entsprechenden Elemente in F i g. 6.

kammer-Gasanalysier-rs gemäß der Erfindung; βε F i g. 8 zeigt einen mn Fluid-Modulation arbeitenden

F i g. 9 ist eine grafische Darstellung der Abhängig- Infrarot-Gasanalysierer mit einer einzelnen Meßkam-

keit der Änderung eines Ajsgangssignals vom Verhält- mer. Mit 51, 52 sind Lichtquellen, mit 53 die Meßkzm-

nis der Durchsätze von Gasprobe und Vergleichsgas. mer, mit 54 ein Detektor, mit 55 eine Leitung zum Ein-

lassen der Gasprobe und mit 56 eine Leitung zum Einlassen des Vergleichsgases bezeichnet Ein Drehventil 57 bewirkt den Gasaustausch. Eine Leitung 58 dient zum Abführen der Gase und enthält ein Venturi-Rohr 59, das bei kritischer Strömung betrieben wird. Eine Pumpe ist mit 60 bezeichnet Auch in dieser bevorzugten Ausführungsform wird aufgrund des Betriebes des Venturi-Rohres 59 bei kritischer Gasströmung der Durchsatz der Gasprobe und des Vergleichsgases, die mit Hilfe des Drehventils 57 abwechselnd mit festgelegter Periode in to die Meßkammern 53 eingeleitet und mit der Pumpe abgesaugt werden, konstant gehalten.

Bei dem erfindungsgemäßen Gasanalysierer wird die Tatsache ausgenutzt, daß der Durchsatz eines Gases, das durch den besagten Strömungsregler strömt, standig einen festen Wert behält wenn dieser Strömungsregler so betrieben wird, daß die Bedingungen für kritische Strömung gegeben sind. Der Durchsatz der Gasprobe und des Vergleichsgases, die durch die beiden Meßkammern strömen, werden ständig konstant gehalten, indem der in der Austrittsleitung befindliche Strömungsregier dauernd bei kritischer Strömung betrieben wird. Da Venturi-Rohre, Düsen oder ähnliche Vorrichtungen, die für den Betrieb bei kritischer Strömung konstruiert sind, vom Gas mit erheblich größerer Geschwindigkeit durchströmt werden als eine Kapillarröhre, sind erstere weniger anfällig gegen Verschmutzung und Verstopfung und ermöglichen es folglich Ober einen längeren Zeitraum als Kapillarröhren, die Gasprobe und das Vergleichsgas abwechselnd mit dem gewünschten Durchsatz durch die Meßkammern zu leiten, so daß Anzeigefehler herkömmlicher Geräte, die aufgrund von Durchsatzänderungen auftreten, vermieden werden. Die Verwendung eines Venturi-Rohres als Strömungsregler hat darüber hinaus den Vorteil, daß eine Pumpe mit geringerer Pumpleistung ausreicht um in dem Venturi-Rohr eine kritische Strömung aufrechtzuerhalten, da ein Venturi-Rohr eine günstige Druckrückgewinnung ermöglicht bzw. geringe Druckverluste verursacht.

F i g. 9 veranschaulicht die Abhängigkeit der Variation des Ausgangssignals eines Zweikammer-Analysierers vom Verhältnis der Durchsätze der Gasprobe und des Vergleichsgases. Es wird deutlich, daß. wenn das besagte Durchsatzverhältnis den Wert 1 hat d. h. wenn die Durchsätze der Gasprobe und des Vergleichsgases gleich sind, die Variation des Ausgangssignals ein Maximum erreicht d. h. die Empfindlichkeit ist am größten.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

eo

Claims

1 2

Definiert man nun den Modulationsgrad als Integral

Patentansprüche: der Veränderung der Gaszusammensetzung in einer

Meßkammer fiber eine Gasaustauschperiode und

1. Gasanalyse tor nach dem Prinzip der Fluid-Mo- nimmt man an, daß an der Grenzschicht zwischen Gasdulation, bei dem eine Gasprobe und ein Vergleichs- 5 probe und Vergleichsgas keine Diffusion stattfindet und gas in zeitlich festgelegter Folge abwechselnd in ei- daß das Vertauschen der eingeleiteten Gassorten unne einzelne Meßkammer geleitet werden oder Gas- mittelbar vor dem Eintritt in die Meßkammer erfolgt, so probe und Vergleichsgas in zeitlich festgelegtem läßt sich der Modulationsgrad (vgl. F i g. 2) durch folgen-Wechsel abwechselnd in ein PaaF von Meßkammern de Gleichung angeben:

(Doppelkammer) eingeleitet werden, mit einer Lei- io

tung, durch die das Gas aus der Meßkammer bzw. 5=1 — 1/2K=(QT-V)ZQT (1)

den Meßkammern austritt, gekennzeichnet

durch eine die Strömung beeinflussende Einrich- wobei gilt K=QTZl V(K> QJS).

tung (27, 28, 31, 59) in der Auströmleitung (23, 24,

58), welche Einrichtung derart ausgelegt ist, daß is Q: Durchsatz der Gasprobe und des Vergleichsgases

beim Betrieb des Analysators (I) eine kritische Gas- (Volumen der pro Zeiteinheit durch die Apparatur

strömung besteht strömende Gasmenge),

2. Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch ge- V: Volumen einer Meßkammer,

kennzeichnet, daß ein für den Betrieb bei kritischer T: Modulationsperiode (das Zweifache der Gasaus-Strömung kpnstruiertes Venturi-Rohr (27,28,31,59) 20 tauschperiode).
als die Gasströmung beeinflussende Einrichtung
vorgesehen ist Die Kurve in F i g. 3 zeigt ohne Angabe von Dimen-

3. Gasanalysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch sionen die relative Stärke des Ausgangssignals in Abgekennzeichnet, daß ein Drehventil (9,57) als Vertei- hängigkeit vom Durchsatz für verschiedene Meßkam-Ier zur abwechselnden Einleitung der Gasprobe und 25 mem unterschiedlicher Form und Größe. Die rohrfördes Vergleichsgases in die Messkammer (53, 3, 3') migen Meßkammern hatten folgende Abmessungen vorgesehen ist (vgl. entsprechende Meßpunkte in F i g. 3):

4. Gasanalysator nach einem der Ansprüche 1 bis

3, mit einem Paar von Meßkammern (Doppelkam- —08 mm, Länge 100 mm

mer), dadurch gekennzeichnet daß der Durchsatz 30 — 0 lOoan, Länge 100 mm

der in jeweils eine der Kammern (3,3') eingeleiteten — 0 12 mm. Länge 100 mm

Gasprobe gleich dem Durchsatr. des in die jeweils — 0 12 mm, Länge 50 mm
andere Kammer (3,3') eingeleiteten Vergleichsgases

einstellbar ist Es ist zu erkennen, daß die experimentell ermittelte

35 Abhängigkeit des Ausgangssignals vom Durchsatz mit

der durch die oben angegebene Gleichung (1) gegebenen Kurve hinreichend genau übereinstimmt. Dies zeigt, daß das tatsächliche Ausgangssignal des Detektors

Die Erfindung betrifft einen Gasanalysator mit Fluid- durch die Effektivität des Gasaustausches beeinflußt

Modulation gemäß dem Oberbegriff des Hauptan- 40 wird. Im übrigen gibt die Ableitung der in F i g. 2 gezeig-

spruchs. ten Kurve an, wie stark das Ausgangssignal durch eine

Ein derartiger Gasanalysator ist aus der DE-OS Abweichung des Durchsatzes der Gasprobe und des

29 00 624 bekannt Es ist dort ein Infrarot-Gasanalysa- Vergleichsgases von seinem ursprünglichen Wert ver-

tor beschrieben, in dem das zu untersuchende Gas (Gas- ändert wird.

probe) und ein Standard- oder Vergleichsgas abwech- 45 F i g. 4 und 5 sind grafische Darstellungen der Ergeb-

selnd und in zeitlich festgelegter Folge in eine Einzelzel- nisse von an einer 3-mm-, bzw. an einer 35-mm-Doppel-

Ie (Meßkammer) eingeleitet oder die Gasprobe und das kammer durchgeführten Meßreihe, bei der der Durch-

Vergleichsgas in zeitlich festgelegtem Wechsel abwech- satz der Gasprobe variiert wurde. Die Kurven a, a'ge-

selnd in jeweils eine Kammer eines Meßkammerpaares ben für verschiedene Durchsätze eines Eichgases das

(Doppelkammer) eingebracht werden, d. h. bei dem die 50 Ausgangssignal eines Detektors an, wobei als Ver-

Gasprobe und das Vergleichsgas in ständigem Wechsel gleichsgas Stickstoff mit einem Durchsatz von 0,5 l/min

alternierend jeweils in eine der Kammern eingeleitet verwendet wurde. Entsprechend zeigen die Kurven b.

werden, b'; c, c'; d, d'; e, e' und f, P die Ausgangssignale eines

Bei Gasanalysierern, die nach dem Prinzip der Fluid- Detektors bei Durchsätzen des Stickstoff-Vergleichsga-

Modulation arbeiten, wird die Veränderung der Meß- 55 sesvon 1,0 l/min, 2,0 l/min, 3,0 l/min. 4,0 l/min, bzw. 5,01/

größe der von einem Detektor erfaßten Strahlungsener- min. Es wird deutlich, daß eine Änderung des Durchsat-

gie durch die Zeit beeinflußt, die erforderlich ist, um die zes der Gasprobe die Anzeige dieses Analysierers er-

in einer Meßkammer befindliche Gasprobe durch das heblich beeinflußt.

Vergleichsgas bzw. umgekehrt das Vergleichsgas durch Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, ist es die Gasprobe zu ersetzen. Betrachtet man den Aus- ω bei einem nach dem Prinzip der Fluid-Modulation arbeitausch dieser Gase als impulsförmigen Vorgang, so tenden Analysierer von größter Wichtigkeit, einen konweist das Detektorsignal den größten, als ideal zu be- stanten Durchsatz des durch eine Meßkammer geleitezeichnenden Modulationsgrad auf, wenn der Durchsatz ten Gases aufrecht zu erhalten, um den Anzeigefehler der Gasprobe und des Vergleichsgases unendlich groß eines Analysierers zu verringern,
ist Beträgt der Durchsatz dagegen nur ein halbes Kam- 65 In herkömmlichen Analysierern dieser Bauweise wermervolumen pro Gasaustauschperiode, so zeigt das De- den ein Druckregler zur Aufrechterhaltung eines kontektorsignal keine Modulation oder einen Modulations- stanten Druckes und eine Kapillarrohre verwendet, um grad Null (F i g. 1). das Gas mit konstantem Durchsatz in eine Meßkammer