DE3238179C2

DE3238179C2 -

Info

Publication number: DE3238179C2
Application number: DE3238179A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dr.-Ing. Heinisch; Ehrenfried Dr.-Ing. Schuett; Wolfgang Ing.(Grad.) 1000 Berlin De Merkel
Original assignee: Dr Thiedig GmbH and Co KG
Current assignee: Dr Thiedig GmbH and Co KG
Priority date: 1982-10-15
Filing date: 1982-10-15
Publication date: 1989-02-23
Also published as: DE3238179A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Infrarot-Gasanalysator zur konti nuierlichen Bestimmung der Konzentration eines mehr atomigen, nichtelementaren Gases gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein bekannter Gasanalysator (DE-PS 25 11 771) weist eine Infrarot-Strahlungsquelle, ein Blendenrad zur Erzeugung einer Infrarot-Wechsellichtstrahlung, eine Meßkammer bzw. Absorptionsküvette zur Aufnahme des zu analysierenden Gases und zwei im Strahlungsgang hinter der Absorptionsküvette angeordnete Infrarot- Detektoren auf, wobei einem der Detektoren ein Filter vorgeschaltet ist, dessen Zentralwellenlänge im Absorp rionsmaximum des zu analysierenden Gases liegt. Nach teil dieses Analysators ist, daß ein geregelter Antrieb für das Blendenrad erforderlich ist, um eine konstante Drehzahl zu gewährleisten. Überdies wird die für den zweiten Detektor bestimmte Infrarot-Strahlung durch Reflexion an dem dem ersten Detektor vorgelagerten Filter gewonnen. Oberflächenfehler und -verunreinigun gen beeinflussen die Infrarot-Strahlung für den zweiten Detektor, was zu Meßfehlern führt.

Bei einem anderen bekannten Gasanalysator (DE-PS 22 25 319) wird eine Infrarot-Wechsellichtstrahlung mit Hilfe mehrerer Infrarot-Quellen erzeugt, die in bestimmter, zeitlicher Zuordnung zueinander angesteuert werden. Nachteil dieses Analysators ist, daß eine genau definierte Taktfolge der die Infrarot-Quellen steuern den Schalter einzuhalten ist, um eine ordnungsgemäße Funktion dieses Gasanalysators aufrecht zu erhalten. Dazu ist eine aufwendige Schaltung nötig.

Ein weiterer bekannter Gasanalysator (DE-OS 27 41 129) weist eine Auswerteschaltung auf, die eine Quotienten schaltung umfaßt. Nachteil dieses Analysators ist es, daß zur Auswertung des Meßsignals eine Trennung und Speicherung von Teilsignalen erforderlich ist, wozu aufwendige Abtast- und Halteschaltungen vorzusehen sind.

Bei einem anderen bekannten Gasanalysator (US-PS 43 46 296), der ebenfalls ein Blendenrad zur Erzeugung einer Infrarot-Wechsellichtstrahlung aufweist, wird eine Eichung zur Null- bzw. Endpunkteinstellung be schrieben, die mit Hilfe eines Nullgases bzw. eines Prüfgases erfolgt. Nachteilig ist hier, daß die Wechsel lichtstrahlung einen gesteuerten Antrieb für das Blen denrad erfordert und daß die Kalibrierung sehr aufwen dig ist. Eine Nachkalibrierung ist ebenso aufwendig wie die Grundeinstellung des Analysators, es ist auch hier ein Prüfgas erforderlich.

In Hengstenberg/Strum/Winkler: "Messen, Steuern und Regeln in der Chemischen Technik", Band II, 3. Auflage 1980 ist auf den Seiten 24 und 25 ein Einstrahl-Wechsel lichtphotometer beschrieben. Bei dieser Anordnung ist im Strahlengang eines Strahlers zwischen diesem und einer Absorptionsküvette, die vom zu analysierenden Gas durchströmt wird, eine drehbare Filterscheibe vorge sehen. Auf der synchron umlaufenden Filterscheibe sind radialsymmetrisch zwei Interferenzfilter angebracht.

Der Durchlaßbereich des ersten Filters liegt in einem Bereich, in dem das nachzuweisende Gas sein Absorptions maximum hat. Das zweite Filter hat seinen Durchlaßbe reich an einer Stelle, wo das Gas nur geringe oder möglichst keine Absorption aufweist. Die Filterscheibe greift nun so in den Strahlengang ein, daß nacheinander in periodischer Folge abwechselnd ein Meßlichtbündel (wenn das erste Filter im Strahlengang liegt) und ein Vergleichslichtbündel (wenn das zweite Filter im Strah lengang liegt) auf einen photoelektrischen Empfänger trifft. Aus den am Ausgang des photoelektrischen Empfän gers zeitlich nacheinander anstehenden Meß- und Ver gleichssignalen wird mit elektronischen Mitteln das Verhältnis gebildet und als Meßwert ausgegeben. Der Quotient ist ein Maß für die Konzentration des nachzu weisenden Gases.

Bei diesem beschriebenen Photometer wird, ebenso wie bei Photometern, die mit einem rotierenden Blendenrad zur Modulation der Strahlung arbeiten, ein zusätzli cher, eventuell geregelter Antrieb benötigt, um die Blenden- bzw. Filterscheibe mit einer konstanten Dreh zahl anzutreiben.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Infrarot-Gas analysator zur kontinuierlichen Bestimmung der Konzen tration eines mehratomigen, nichtelementaren Gases zu schaffen, der einen einfachen, optisch-mechanischen Aufbau, insbesondere eine einfache Einrichtung zur Erzeugung einer Infrarot-Wechsellichtstrahlung auf weist.

Diese Aufgabe wird bei einem Gasanalysator der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Mittel zur Erzeugung der Infrarot-Wechsellichtstrahlung aus einer getakteten Gleichspanungsquelle bestehen, die in einem Frequenzbereich von 3 bis 30 Hz arbeitet, daß die bei den Infrarot-Detektoren im Strahlengang unmittelbar hinter der Absorptionsküvette angeordnet sind, daß die Auswerteschaltung eine Quotientenschaltung umfaßt und daß die Absorptionsküvette einen Einlaß sowie einen Auslaß aufweist.

Die Verwendung einer getakteten Gleichspannungsquelle zur Erzeugung einer Infrarot-Wechsellichtstrahlung hat den Vorteil, daß die zeitliche Intensitätsänderung der Strahlung wesentlich größer ist als bei Verwendung eines Blendenrads; Störungen durch Streulicht wirken sich weniger auf das Meßsignal aus, das überdies wesent lich besser detektierbar ist.

Aus der DE-AS 24 00 221 ist im Zusammenhang mit Gasanalysatoren wohl die Verwendung von elektrisch gepulsten thermischen Strahlen bekannt. Dieser Gasanalysator ist jedoch mit Drucksensoren ausgestattet und weist einen völlig anderen Strahlenverlauf auf, so daß er nichts zur Lösung der vorgenannten Aufgabe beitragen kann.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 5 gekennzeichnet.

Besonders vorteilhaft ist es, daß das Filter austausch bar ist. Dadurch kann der Infrarot-Gasanalysator pro blemlos auf die Bestimmung verschiedener Gase umge stellt werden.

Besonders vorteilhaft ist es, daß gemäß Anspruch 5 zur Nachkalibrierung des Null- und des Endpunktes der Meßwertanzeige ledig lich ein Nullgas, also ein Gas ohne die zu bestimmende Komponente erforderlich ist, das wesentlich preiswerter als ein Prüfgas ist.

Der Infrarot-Gasanalysator ist insbeson dere als Betriebsmeßgerät vorgesehen. Einsatzbereiche sind die Feuerungsüberwachung auf CO₂ im Verbrennungsabgas, die Raumluftüberwachung z. B. in Gewächshäusern u. a. m.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einer in der Zeich nung dargestellten Ausführungsform erläutert. Mit 1 ist eine Infrarot-Strahlungsquelle bezeichnet, die von einer getakteten Gleichspannungsquelle 9 versorgt wird und deren Strahlen gang eine Absorptionsküvette 2 mit Zu- und Ableitung für das Gasgemisch angeordnet ist. Die getaktete Gleichspannungsquelle 9 hat eine Frequenz zwischen ca. 3-30 Hz. Die Infrarot-Strahlungsquelle 1 kann sowohl eine Glühfadenlampe oder eine andere Infra rot-Strahlungsquelle sein. Zur Bündelung und Begrenzung des Strahlenganges können außerdem eine Linse, ein Spiegel und/oder eine Blende vorhanden sein, die in der Figur nicht dargestellt sind. Im Strahlengang sind nach der Absorptionsküvette 2 zwei Infrarot-Detektoren 4 a und 4 b ange ordnet, deren Ausgänge über je einen Verstärker 5 a, 5 b, Kondensator 6 a, 6 b mit je einem Eingang eines Synchron gleichrichters 7 a, 7 b verbunden sind. Die Synchrongleich richter 7 a, 7 b werden von der getakteten Gleichspannungsquelle 9 gesteuert. Dem Infrarot-Detektor 4 a ist ein Filter 3 vorgeschaltet. Es ist ein Interferenzfilter, dessen Durchlaßbereich mit dem größten Absorptionsmaximum des Gases übereinstimmt, dessen Konzentration gemessen wird. Damit wird eine Querempfind lichkeit, die von der Überlagerung der Absorptionsbanden mit anderen im zu bestimmenden Gas enthaltenen Komponenten herrührt, beseitigt. Die Ausgänge der Synchrongleichrich ter 7 a, 7 b führen zu einer Quotientenschaltung ε. Beide Bausteine sind für sich bekannt und z. B. in Tietze/Schenk: "Halbleiter-Schaltungstechnik", 5. Auflage, S. 235 und 683 beschrieben. Der Ausgang der Quotientenschaltung 8 ist über einen geschlossenen Kontakt eines zweipoligen Um schalters 10 mit dem Eingang eines Operationsverstärkers 11 verbunden, in dessen Rückkopplungszweig ein veränderba rer Widerstand 16 geschaltet ist. An den Ausgang des Opera tionsverstärkers 11 ist eine in der Figur nicht dargestell te Meßwertanzeige angeschlossen. Der Mittelabgriff eines aus Widerständen 12, 13 gebildeten ersten Spannungsteilers, von dem der Widerstand 13 einstellbar ist, führt über den ande ren geschlossenen Kontakt des zweipoligen Umschalters 10 ebenfalls zum Eingang des Operationsverstärkers 11. Den freien Enden der Widerstände 12, 13 wird eine Referenzspan nung zugeführt. Zwischen dem Ausgang der Quotientenschal tung 8 und dem Bezugspotential ist ein zweiter Spannungsteiler, ge bildet aus einem Widerstand 14 und einem einstellbaren Wi derstand 15, geschaltet. Der Mittelabgriff des Spannungs teilers führt zu einem anderen Umschaltkontakt desjenigen Poles des Umschalters 10, der mit dem Ausgang der Quotien tenschaltung 8 verbunden ist.

Die von der Infrarot-Strahlungsquelle 1 ausgehende Wechsellicht strahlung durchdringt die Absorptionsküvette 2, die vom Gas, dessen Konzentration bestimmt werden soll, durchströmt wird. Je höher die Konzentration ist, um so mehr wird die Strahlung durch Absorption geschwächt. Die Intensität des aus der Absorptionsküvette austretenden Strahlenbündels wird von den Infrarot-Detektoren 4 a, 4 b gleichzeitig erfaßt und in elektrische Signale, die verstärkt und gleichge richtet werden, umgewandelt. Mit dem Filter 3 wird die Querempfindlichkeit beseitigt, so daß der Infrarot-Detektor 4 a aus der Wechsellichtstrahlung nur den Wellenlängenbereich detektiert, in dem die nachzuweisende Stoffkomponente eine charakteristische Absorption besitzt. Die Zusammenschal tung aus dem Infrarot-Detektor 4 b, Verstärker 5 b, Kondensator 6 b, Synchrongleichrichter 7 b ist vorgesehen, um die Einflüsse aus zuschalten, die durch Verschmutzung der Absorptionsküvette 2 und durch die sich ändernden Eigenschaften der Bauele mente Infrarot-Strahlungsquelle, Infrarot-Detektor und Verstärker ent stehen. Aus den gleichgerichteten Signalen am Ausgang der Synchrongleichrichter 7 a, 7 b wird in der Quotientenschaltung 8 das Verhältnis gebildet und über den Umschalter 10 und den Operationsverstärker 11 der Meßwertanzeige zugeleitet. Das Verhältnis ist ein Maß für die Konzentration des Gases.

Zur Einstellung des Nullpunktes der Meßwertanzeige wird in die Absorptionsküvette 2 ein sogenanntes Nullgas, d. h. ein Gas, in dem die zu bestimmende Komponente nicht enthalten ist, geleitet. Der Umschalter 10 ist in eine erste, untere Stellung zu legen, in der der Ausgang der Quotientenschaltung 8 mit dem Ein gang des Operationsverstärkers 11 verbunden ist. Mit dem anderen Pol des Umschalters 10 wird gleichzeitig durch Verstellen des Widerstandes 13 ein so großer Teil der am ersten Spannungsteiler mit den Widerständen 12, 13 liegenden Referenzspannung zur Meßspannung addiert, daß die Meßwertanzeige den Nullpunkt anzeigt.

Zur Kalibrierung des Endpunktes der Meßwertanzeige wird das zu bestimmende bzw. zu messende Gas einer bestimmten Konzentration (z. B. 20 Vol.-%) durch die Absorptionsküvette 2 geleitet. Der Wi derstand 16 ist nun so zu verstellen, daß die Meßwertan zeige den Meßbereichsendwert anzeigt. Dabei befindet sich der Umschalter 10 noch in der ersten, unteren Stellung.

Zur Kalibrierung des Infrarot-Gasanalysators wird der Umschalter 10 in eine zweite, obere Stellung gebracht, in der der Eingang des Operationsverstärkers 11 mit dem Mittenabgriff des zweiten Spannungsteilers mit den Widerständen 14, 15 verbunden ist. Danach wird ein sogenanntes Nullgas, d. h. ein Gas, das die zu bestimmende Komponente nicht enthält, in die Absorptionsküvette geleitet. Der Widerstand 15 ist nun so zu verstellen, daß die Meßwertanzeige einen frei wählbaren Konzentrationswert (z. B. den Meßbereichs endwert von 20%) anzeigt.

Im Betrieb des Gasanalysators ändern sich durch Alte rung und Verschmutzung die Strahlungsintensität der Glühlampe und die Transmissionseigenschaften der Fen ster der Absorptionsküvette und die des Filters. Über dies ändert sich die Empfindlichkeit der Infrarot-Detektoren. Aus diesem Grund ist ab und zu eine Nachkalibrie rung des Null- und des Endpunktes der Meßwertanzeige nötig. Dazu ist aufgrund des gegebenen Aufbaus des Gasanalysators lediglich ein Nullgas erforderlich, das wesentlich preiswerter als ein Prüfgas ist.

Der Nullpunkt der Meßwertanzeige wird durch den Wider stand 13 eingestellt. Dabei befindet sich der Umschal ter in der ersten, unteren Stellung.

Der Endpunkt 10 der Meßwertanzeige wird eingestellt, indem der Schalter 10 in die zweite, obere Stellung gebracht wird, die den Mittenabgriff des zweiten Spannungs teilers mit den Widerständen 14, 15 mit dem Eingang des Operationsverstär kers 11 verbindet. Der Widerstand 16 im Rückkopplungs zweig des Operationsverstärkers wird nun so verstellt, daß die Meßwertanzeige den zuvor frei wählbaren Gas konzentrationswert (z. B. den Meßbereichsendwert von 20%) anzeigt.

Claims

1. Infrarot-Gasanalysator zur kontinuierlichen Bestimmung der Konzentra tion eines mehratomigen, nichtelementaren Gases mit

- einer Infrarot-Strahlungsquelle,
- mit Mitteln zur Erzeugung einer Infrarot-Wechsellicht strahlung,
- einer Absorptionsküvette zur Aufnahme des zu analysieren den Gases,
- zwei im Strahlengang hinter der Absorptionsküvette ange ordneten Infrarot-Detektoren, wobei einem Infrarot-Detek tor ein Filter vorgeschaltet ist, dessen Zentralwellen länge im Absorptionsmaximum des zu analysierenden Gases liegt, und
- einer Auswerteschaltung,

dadurch gekennzeichnet, daß

- die Mittel zur Erzeugung der Infrarot-Wechsellichtstrah lung aus einer getakteten Gleichspannungsquelle (9) be stehen, die in einem Frequenzbereich von 3 bis 30 Hz arbeitet,
- die beiden Infrarot-Detektoren (4 a, 4 b) im Strahlengang unmittelbar hinter der Absorptionsküvette (2) angeordnet sind,
- die Auswerteschaltung eine Quotientenschaltung (8) umfaßt und daß
- die Absorptionsküvette (2) einen Einlaß und einen Auslaß aufweist.

2. Infrarot-Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (3) ein Interferenzfilter ist.

3. Infrarot-Gasanalysator nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (3) austauschbar ist.

4. Infrarot-Gasanalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Infrarot-Strahlungsquelle (1) eine Glühlampe ist.

5. Infrarot-Gasanalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung

- einen ersten Spannungsteiler mit einem Widerstand (12) und einem veränderbaren Widerstand (13) sowie
- einen mit dem Ausgang der Quotientenschaltung (8) verbun denen zweiten Spannungsteiler mit einem Widerstand (14) und einem veränderbaren Widerstand (15) aufweist, die über
- einen Umschalter (10) mit
- einem einen Rückkopplungszweig mit einem veränderbaren Widerstand (16) aufweisenden Operationsverstärker (11) verbindbar sind, dessen Ausgang an eine Meßwertanzeige angeschlossen ist,

wobei in einer ersten, unteren Stellung des Umschalters (10) der Mittenabgriff des ersten Spannungsteilers (Widerstand 12, veränderbarer Widerstand (13) sowie der Ausgang der Quotientenschaltung (8) mit dem Operationsverstärker (11) verbunden sind und in einer zwei ten, oberen Stellung des Umschalters (10) der Mittenabgriff des zweiten Spannungsteilers (Widerstand 14, veränderbarer Widerstand 15) mit dem Operationsver stärker (11) verbunden ist.