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Fotoelektrisches Verfahren und Meßgerät zur
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Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente Die Erfindung betrifft
ein fotoelektrisches Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein fotoelektrisches
Meßgerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 4.
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Deartige Verfahren und Meßgeräte sind in meßtechnisch hochentwickelter
Form bekannt, wobei typischerweise Gasproben entnommen, in Meßküvetten überführt
und damit aus dem ursprünglichen Bereich in eine Meßeinrichtung verlagert sowie
hinsichtlich ihrer Durchlässigkeit für durchtretendes Licht im Bereich der Absorptionsbande
untersucht werden. Ublicherweise werden dabei auch zu Kompensations-bzw. Vergleichszwecken
abgezweigte oder parallele Lichtströme durch Küvetten mit einem Vergleichsgas gesandt,
um die Meßunsicherheiten zu beseitigen.
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Meßunsicherheiten ergeben sich insbesondere aufgrund der Konstanz
der Lichtquelle und aufgrund von Lichtverlusten an Eintritts- und Austrittsflächen
von Glas o. dgl.
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transparentem Material. Die den Gasproben ausgesetzten Küvettenflachen
unterliegen in erster Linie der Verschmutzung, die bei der hohen Empfindlichkeit
der Transparenzmessung von Gasen zu Fehlern führt.
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Uberdies ist die Probenentnahme und die damit eintretende Verlagerung
des Gases für die angestrebte Messung nicht unbedenklich, da durchaus Konzentrationsänderungen
mit der Entnahme infolge Entmischung, Druckänderung usw.
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einhergehen können. Ferner ist der gerätetechnische und arbeitstechnische
Aufwand bei einer solchen Entnahme beträchtlich.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und ein Meßgerät mit verringerter
Fehleranfälligkeit zu schaffen, das gleichwohl gerätetechnisch vereinfacht und auch
leicht zu handhaben ist.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren nach dem
Anspruch 1 sowie durch ein Meßgerät nach dem Anspruch 4 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Lösung machte von der Erkenntnis Gebrauch, daß
der Lichtstrom durch ein Gas aufgrund laufender Absorption nach einer Exponentialfunktion
mit der Länge der Meßstrecke abnimmt, wenn man etwa paralle]en Strahlengang voraussetzt.
Aus dem Absorptionsgesetz für die Intensität einer Strahlung I hinter einem durchstrahlten
Medium der Dicke d gilt I= Io . e-kd wobei Io die Eintrittsintensität und k die
Absorptionskonstante ist, die in dem hier interessierenden Wellenbereich der Absorptionsbande
direkt proportional zur Gaskonzentration ist.
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Während vorstehende Formel mit der Fintrittsintensität des Lichts
10 noch eine überaus kritische Größe enthält, die auf Seiten der Lichtquelle durch
Alterung und Lanze zeitschwankungen beeinflußt ist und darüber hinaus im Gebrauch
durch Verschmutzungen der Lichtwege beeinflußt wird, läßt sich schon durch eine
zweite Messung mit veränderter Dicke des Mediums die Eintrittsintensität eliminieren.
Bei zwei unter sonst gleichen Bedingungen
durchgeführten Messungen
für zwei verschiedene Dicken dl und d2 gilt für das Verhältnis der Austrittsintensitäten
und damit auch des weitergeleiteten Lichtstroms
Wird also bei zwei Messungen mit definiert unterschiedlichen Mediendicken - bzw.
hier: Längen der Gasmeßstrecke - das Verhältnis der Austrittsintensitäten unter
gleichbleibender Temperatur und Dichte bzw. gleichwertig das Verhältnis der Austrittslichtströme
gemessen, dann läßt sich daraus direkt die Absorptionskonstante und damit auch direkt
die Konzentration der anhand ihrer Absorptionsbande untersuchten Gaskomponente bestimmen.
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Ersichtlich wird eine solche Messung nicht nur auf Seiten der Lichtquelle
den genannten Störeinflüssen unterliegen, sondern auch hinter der Meßstrecke beispielsweise
durch schmutzanfällige Begrenzungsflächen der Gasmeßstrecke und auch im Wege der
Weiterleitung bis zur Meßstelle Verluste erfahren. Geht man aber davon aus, daß
es für die Gesamtmessung gleichwertig ist, ob diese zusätzlichen Absorptionsstellen
vor oder hinter der Gasmeßstrecke liegen, dann sind diese in gleicher Weise mit
der obenstehenden Quotientenberechnung eliminiert.
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Es versteht sich, daß ohne weiteres eine über 2 hinausyehende Zahl
von Meßwerten, etwa zur Herausmittlung von Streufehlern oder zur laufenden Funktionsüberprüfung
-erstellt werden kann. Die Zahl von zwei Meßwerten bei definiert geänderter Meßstrecke
stellt lediglich die Minimalanforderung dar. Die obige Quotientengleichung zeigt
im übrigen auch, daß es lediglich auf eine definierte Anderung der Meßstreckenlänge,
vom Prinzip her aber nicht auf die Längen selbst ankoamt Ein entsprechender Meßaufbau
mit zueinander verschieblichen,
transparenten Flächen oder mit Einschub
eines transpareJ-ten Körpers vorgegebener Dicke und damit hervorgerufener Änderung
der Meßstreckenlänge läßt sich sehr gut realisieren. Damit ergibt sich aber auch
die Möglichkeit von "in-situ"-Messungen ohne bedenkliche Einwirnrn af das zu untersuchende
Gasgemisch, wie sie beim Abziehen des Gases in ein Meßgerät vorkommen.
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Von besonderem Interesse für die Praxis ist die Möglichkeit einer
einfachen Abgasmessung in einem stehenden Abgas oder in einem Abgasstrom. So kann
eine CO2-Me ssung direkt in einem Abgaszug vorgenommen werden. Ganz besonders vorteilhaft
ist dabei die Möglichkeit, die ganze optische Meßeinrichtung in Form einer Lanze
auszubilden, die mit einem Durchmesser von wenigen Millimetern, z. B. 8mm, durch
eine entsprechende kleine Öffnung im Abzugsrohr einer Heizung bzw. in einem Ofenrohr
hindurchgesteckt wird und dann eine direkte Messung ermöglicht.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen
und der nachfolgenden Beschreibung, in der vier Ausführungsbeispiele für den Gegenstand
der Erfindung anhand einer Zeichnung in schematischer Form erläutert sind. In der
Zeichnung zeigen: Fig 1, 2, Ansichten verschiedener Meßgeräte-Aus-3 u. 4 führungen
Fig. 5 u. 6 Einzelheit aus Fig. 4, nämlich Drehprisma in zwei verschiedenen Stellungen.
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Bei den vier in der Zeichnung erläuterten Ausführungsbeispielen sind
jeweils eine Lichtquelle 1 und ein fotoelektrischer Meßempfänger 2, letzterer hinter
einem Lichtfilter3angeordnet, übereinstimmend verwandt und der Einfachheit halber
auch immer mit den vorgenannten Bezugszeichen identifiziert. Für den im Ausführungsbeispiel
konkret in Betracht gezogenen Fall der Konzentrations-
messung für
Kohlen-dioxid (CO2) (ähnlich auch für CO und andere Gase) ergeben sich einige Besonderheiten
insofern, als dieses Gas eine ausgeprägte und damit gut auswertbare Absorptionsbande
bei einer Wellenlänge von 4,27 ßm hat, die damit weit ab vom Spektrum des sichtbaren
Lichts im Infrarotbereich liegt. Für die verwandten Bauelemente ergibt sich damit
die Notwendigkeit zu prüfen, ob übliche lichtoptische bzw. fotoelektrische Elemente
verwendbar sind. Insbesondere ist Glas hier nicht in den Lichtweg einzuschalten,
da es für diesen Spektralbereich praktisch undurchlässig ist.
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Für die Lichtquelle wird hier ein spezieller, hochwärmefester Metallfaden
verwandt, der im Sinne einer guten Infrarotlicht-Ausbeute und auch im Sinne einer
langen Lebensdauer bei ungeschützter Anordnung nur bis zu einer niedrigen Glühtemperatur
erhitzt wird. Als lichtempfindlicher Meßwertgeber dient vorzugsweise ein pyroeletrischer
Detektor, es sind aber auch Fotowiderstände, ThermDelementenketten, Bolometer und
andere infrarotlichtempfindliche Aufnehmer geeignet.
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Das Lichtfilter 3 ist möglichst schmalbandig auf den Bereich der Absorptionsbande
abgestimmt, als solches aber durchaus.
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bekannt.
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Die Notwendigkeit der gebündelten Lichtführung bei den nachstehend
beschriebenen Geräten einerseits und die Unbrauchbarkeit von Glas bei der Lichtführung
bereitet eine Schwierigkeit, die einerseits durch die Verwendung von Rohren mit
hochreflektierenden Innenwänden und andererseits, als Endabschluß solcher Rohre,
durch Saphirscheiben behoben wird, da Saphir auch in dem betrachteten Spektralbereich
transparent ist.
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Die Ausführungsform nach Fig.. 1 enthält eine Gasmeßstrecke 4 in einem
geradegestreckten Lichtweg von der Lichtquelle 1 zum Empfänger 2, die zu beiden
Seiten eines Gasrohres 5
liegen. Von der Lichtquelle 1 führt ein
Iicht]eiterrohr 6 radial in das Gasrohr 5 hinein und endet innenseitig mit einer
Saphierscheibe 7. Radial gegenüberliegend ist ein zweites Lichtleiterrohr 8 angeordnet,
das die Wandung des Gasrohres 5 im Bereich einer Dichtung 9 durchgreift.
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Die Endseite des Lichtleiterrohres 8 ist gleichfalls durch eine plane
Saphierscheibe 10 abgeschlossen. Mit dem Licht leiterrohr 8 fluchtet zum Empfänger
2 hin ein weiteres Lichtleiterrohr 11 und zwischen diesen ist ein Balgen 12 angeordnet,
der die koaxiale Verschiebung beider Rohre zueinander unter gleichzeitiger Abdichtung
nach außen ermöglichst.
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Durch nicht dargestellte, aber dem Fachmann durchaus geläufige Antriebsmittel
ist das Lichtleiterrohr 8 in Richtung eines Doppelpfeils 13 und damit auch in Richtung
von und zu dem Lichtleiterrohr 6 verschiebbar und zwar um ein genau definiertes
Längenmaß.
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Ein-im Rohr 5 stehendes oder durch dieses hindul^chlaufetldes Gasgemisch
wird auf die Absorption hindurchtretenden Lichts in dem vorgenannten Spektralbereich
der CO2-Abs orptionsbande gemessen, und zwar bei (zumindest) zwei verschiedenen
Abständen der Lichtleiterrohre bzw. der Saphirscheiben 7 und 10 voneinander. Die
dabei erzielten Meßwerte am Empfänger 2 ergeben, zueinander ins Verhältnis gesetzt,
unter Berücksichtigung der Veränderung der Meßstreckenlänge in Richtung des Doppelpfeils
13, ein Maß für die CO2-Konzentration im Gasrohr 5.
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Die Ausführungsform nach Fig. 2 verwendet kein Gasrohr, sie ist vielmehr
nach Art einer Lanze in einem Gasraum hineinzubringen und somit überaus vielseitig
verwendbar. Die Lichtquelle 1 und der Empfänger 2 sind zusammen mit dem Filter 3
kompakt neben- und voreinander angeordnet. Es versteht sich, daß das Filter 3 auch
an anderer Stelle des Lichtweges, etwa direkt vor der Lichtquelle 1 anzuordnen
ist,
sofern es die von der Lichtquelle ausgehende Wärme verträg Der Lichtweg wird hier
durch zwei im wesentlichen zueinander parellele Lichtleiterrohre 15 und 16 gebildet,
die endseitig mit einem Viertelbogen 17 bzw. 18 einander zugewandt und endseitig
mit MSaphirscheiben 19 bzw. 20 abgeschlossen sind. Der Abstand der 'Saphirscheiben
19 und 20 stellt die MeBstreckenlänge dar und diese Meßstreckenlänge ist dadurch
in definierter Weise und mit an sich bekannten mechanischen Mitteln veränderbar,
daß die beiden Lichtleiterrohre 15 und 16 zueinander bzw.
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voneinander weg bewegbar sind, wie dieses durch Doppelpfeile 21 und
22 angedeutet ist. In mechanischer Hinsicht versteht sich, daß es ausreicht, eines
der beiden Lichtleiterrohre beweglich zu lagern und daß es bei hinreichender Länge
der Lichtleiterrohre 15 und 16 auch möglich ist, anstelle der gezeigten translatorischen
Bewegung der Rohre zueinander eine zangenartige Schwenkbewegung vorzusehen. Im Ergebnis
liefert auch diese Vorrichtung meßwerte für den Lichtdurchgang der Gasmeßstrecke
zwischen den Scheiben 19 und 20 bei verschiedenen Abständen dieser Scheiben und
damit geänderter Länge der Gasmeßstrecke, aus denen sich ein Quotientenmeßwert als
Maß für die Konzentration des CO2-Gases ergibt.
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Die Ausführungsform nach Fig. 3 hat bei gegenüber der der Fig. 2 ähnlicher
Anordnung von Lichtquelle 1 und Empfänger 2 und bei gleichfalls parallel zueinander
verlaufenden Lichtleiterrohren 23,24 eindurch ein Dachkantprisma 25 doppelt abgeknickten
Lichtweg, wobei sich zwischen dem Prisma 23 bzw 24 jeweils eine Gasmeß-Teilstrecke
26 bzw. 27 ergibt. Um die Längenänderung der Gasmeßstrecke vorzusehen, weisen die
Lichtleiterrohre fluchtende und über Balgen 28 bzw. 29 beweglich aber luftdicht
angeschlossene Endstücke 30 bzw. 31 auf, die, durch eine Verbindungsplatte 32-miteinander
versteift, gemeinsam in
Richtung auf das Dachkantprisma 25 bzw..
von diesem weg entsprechend einem Doppelpfeil 33 beweglich sind.
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Es versteht sich, daß die Rohre 23 und 24 einstückig ausgeführt sein
konnten, wenn man alternativ diesen gegenüber das Dachkantprisma 25 beweglich in
Richtung des Doppelpfeils 33 lagern würde.
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Die Fig. 4 zeigt ein beweglich gelagertes Dachkantprisma 34, das allerdings
nicht translatorisch, sondern rotatorisch entsprechend einem Pfeil 35 vorgesehen
ist. Von der Lichtquelle 1 geht ein ungeteiltes Lichtleiterrohr 36 zu dem Dachkantprisma
34 und ein weiteres ungeteiltes Lichtleiterrohr 37 führt von dem Dachkantprisma
zum Filter 3 und zum Empfänger 2. Zwischen den durch Saphirscheiben 38 bzw. 39 abgeschlossenen
Enden der Lichtleiterrohre 36 und 37 und dem Dachkantprisma 34 ergibt sich eine
freie Strecke, die jeweils eine (Gas-) Meßstrecke-bzw. Halbmeßstrecke ist.
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Die angestrebte Anderung der Meßstreckenläne wird durch eine Stufe
40 in der den Saphirscheiben 38 und 39 zugewandten Oberfläche erreicht, so daß sich
eine nähere Halbfläche 41 und eine entferntere Halbfläche 42 ergibt.
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Das Dachkantprisma ist um eine zentrale Welle 43 drehgeweglich, diese
Welle liegt-aber nicht etwa in einer Ebene mit den beiden Lichtleiterrohren 36 und
37, sondern in Querrichtung versetzt. Dementsprechend verläuft der Lichtweg je nach
Drehstellung des Dachkantprismas in den in Fig. 5 und Fig. 6 dargestellten Stellungen
einmal durch die nähere Oberfläche 41 und einmal durch die entferntere Oberfläche
42, so daß die MeShalbstrecken einmal Enger und einmal kürzer sind, Der Lichtweg
ist in Fig. 5 und 6 durch einen ankommenden Strahl 44 und durch einen abgehenden
Strahl 45 repräsentiert Der zweimal rechtwinklig abgeknlckte: Verlauf. verdeutlicht
auch die typische Funktion
des Dachkantprismas mit derhierdurch
erzielten Versatz, der dem Abstand zwischen den Lichtleiterrohren 36 und 37 ent
r iCtlt . Es versteht sich, daß ein Spiegel anstelle des Dachkantprismas 34 diesen
Versatz nicht liefern würde, dann müßten die Rohre 36 und 37 zur Trennung von ankommendem
und abgehendem Strahl zusammenlaufend ausgerichtet sein.
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Das Dachkantprisma 34 kann man sich als einfaches Prisma, etwa entsprechend
dem Dachkantprisma 25 in Fig. 3, ergänzt durch einen transparenten Körper der Dicke
der Stufe 40, vorstellen, um den die Gasmeßstrecke (2-fach) verkürzt wird. Eine
entsprechende Scheibe könnte auch bei den Ausführungsformen nach Fig. 1 und 2 in
den Bereich der Gasmeßstrecke eingeschoben werden, um eine Änderung der freien länge
herbeizuführen.
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Da nur schematisiert dargestellte, von hieraus dem Fachmann aber ohne
weiteres realisierbaren Ausführungsbeispiel ergeben die Möglichkeit einfacher und
praxisgerechter Messungen. Insbesondere die Ausführungsformen nach den Fig. 2 bis
4 mit parallelen Lichtleitern enthalten das Prinzip einer Zanzenartigen Ausführung,
die in einen zu messenden Raum, insbesondere in ein Abgasrohr von I-leizungen u.
dgl, einführbar ist und ohne labormäßigen Aufwand hinreichend präzise Werte liefert.
Eine solche Meßlanze läßt sich im Querschnitt derart auslegen, daß sie durch ein
relativ kleines und leicht in Rohrzüge einzubrinc3endes Loch von z.B. 8 mm Durchmesser
einzuführen ist.
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Damit läßt sich eine solche Lanze auch für die Abgasmessungen bei
Heizungs-Abgaszügen einsetzen, wobei insbesondere dem Schornsteinfeger eine sehr
viel einfachere Handhabung als bei herkömmlichen MeXmethoden zugute kommt.
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Es versteht sich, daß die Meßergebnisse von Hand ausgewertet werden
können. Die einmal als elektrische Meßwerte
vorliegenden Ergebnisse
werden aber vorzugsweise gleich in einer entsprechenden Meßschaltung, etwa unter
Verwendung eines Mikroprozessors, in den gewünschten Konzentrationswert umgesetzt
und angezeigt.
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Eine Konzentrationsmessung von verschiedcnen Gaskomponenten, z. B.
von CO2 und CO, läßt sich auf einficllc Weise durch einen Austausch des Filters
erreichen. Hierzu können verschiedene Filter auf einem gemeinsamen Halter in den
Lichtweg beweglich gelagert sein. Für jede Gaskomponente sind dann mit zwei oder
mehr Messungen bei unterschiedlicher Länge der Gasmeßstrecke die Konzentrationen
für sich und auch im Verhältnis zueinander bestimmbar. In ganz entsprechender Weise
ist auch eine Feuchtemessung (unterhalb des Taupunktes) durchführbar, wobei gleichfalls
eine Absorptionsbande im Bereich des infraroten Lichts liegt.