DE3243301A1

DE3243301A1 - Nichtdispersiver infrarot-gasanalysator

Info

Publication number: DE3243301A1
Application number: DE19823243301
Authority: DE
Inventors: Takao Nagaokakyo Kyoto Imaki; Kozo Kyoto Ishida
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 1981-11-26
Filing date: 1982-11-23
Publication date: 1983-06-01
Also published as: US4514635A; JPS5892843A; DE3243301C2; JPS6217183B2

Description

TER MEER · MÜLLER · STCI^JMeiST^R ; " -"'Hotiba, Ltd. - H'O-99

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B e a c h r e i b u η g

Die Erfindung betrifft einen nichtdispersiven Infrarot-Gasanalysator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs

Ein derartiger Gasanalysator ist aus der DE-OS 30 26 953 bekannt und wird im folgenden anhand der Fig. 1 näher beschrieben. Ein solcher Analysator arbeitet nach dem "Kreuzmodulation.ssystem", bei dem ein Standardgas und eine Gasprobe abwechselnd zwei Probenkammer!"! 2, 2' über eineMehrwegesrha 1 t.ei nr i rhtung (> zugeführt werden. Di·· Kammern 2 und 2' werden von Lichtquellen 1 und I¹ beleuchtet. Das durch die Kammern gedrungene und teilweise absorbierte Licht dringt in pneumatische Detektoren 7 bzw. 8 hinter den Probekammern. Die pneumatischen Detektoren 7 und 8 weisen Detektorkammern 7a, 7b bzw. 8a, 8b auf, wobei die Lichtstrahlen, die die Probenkammer 2 durchdrungen haben, in die Detektorkammern 7a und 8a fallen.

Ein derartiger Gasanalysator hat den Vorteil, daß er kaum durch Änderungen in der Umgebungstemperatur und andere Teiiiperal urgänge beeinflußt werden kann. Die Methode gewährleistet darüber hinaus, daß praktisch keine Nullpunktdrift auftritt und ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis erzielt wird. Es besteht jedoch das Problem,daß die beiden /u bestimmendem Gaskomponenten und weitere in der Gasprobe enthaltene Komponenten miteinander interferieren. Besonders in dem Fall, wenn die Konzentration einer der zu bestimmenden Komponenten niedriger ist als die der anderen Komponente, besteht die Möglichkeit, daß der Fehler bei der Bestimmung der Komponente mit niedriger Konzentration aufgrund der I nterf ereiv/ef I ekte besonder.** hoch wird. Dies rührt daher, daß sich die Absorptionsbereiche

U) (1(M- zu best.) niinenden Komponenten teilweise, über lappen.

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TER MEER · MÜLLER · ST-KINMeFSTfSR '· " ·"· HoYiba, Ltd. - HO-99

Dir Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,, bei einem Gasunalysator der einq.inqs genannten Ar I. (lic¹ I nt er fereiv/. der Kom-(■onenten so weit, wie möglich auszuschließen.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ist kurv, gefaßt im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegeben. Die Lösung besteht darin, daß im Strahlengang mindestens einer■Probenkammer

. ein Filter angeordnet ist, das das Licht im Wellenlängenbereich der e-ineJi Komponente im wesentlichen vollständig sperrt.

Dadurch wird"die Bestimmung der Konzentration der Komponente mit schwacher Absorption nicht mehr dadurch verfälscht, daß sich ihrer Messung eine Messung der Konzentration der stark absorbierenden Komponente überlagert. Dieser Effekt kann entweder dadurch erzielt werden, daß ein Bandpaßfilter verwendet wird, das im wcsentliehen nur Licht der Wellenlängen durchläßt, in dem die schwach absorbierende Komponente absorbiert und im übrigen im wesentlichen vollständig sperrt oder in dem ein Absorptionsfilter verwendet wird, das im Wellenlängenbereich der stark absorbierenden Komponente im wesentlichen vollständig sperrt und im gesamten anderen Wellenlängenbereich im wesentlichen durchlässig ist.

Wenn die Absorptionsunterschiede stark ausgeprägt sind, genügt es, nur ein Filter der im vorigen Absatz beschriebenen Art zu verwenden, da im genannten Fall die Messung der Komponente mit starker Absorption kaum durch die Komponente mit schwacher Absorption beeinflußt wird. Sind die Absorptionsunterschiede dagegen nicht allzu groß, so ist es vorteilhafter, im Strahlengang jeder der beiden Kammern ein Filter zu verwenden, von denen jedes jeweils im Absorptionsbereich der anderen Komponente sperrt. Bei stark unterschiedlicher Absorption der beiden Komponenten ist es andererseits gemäß einer Weiterbildung der Erfin-

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dung besonders vorteilhaft, unterschiedliche Probenlängen zu verwenden. Die Kammer vor demjenigen Detektor, der die stark absorbierende Komponente nachweist, ist dabei kürzer ausgebildet als die Kammer voi dem Detektor, der die '5 schwach absorbierende Komponente, nachweist. Es sei darauf hingewiesen, daß die unterschiedliche Absorption der Komponenten entweder durch unterschiedliche Absorptionskoeffizienten oder durch unterschiedliche Konzentrationen hervorgerufen sein kann. Gemäß dem Lambert-Beer'sehen Gesetz, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, ist die Absorption aber auch von der Kammerlänge abhängig. Je geringer der Werf des Produkts Absorptionskoeffizient k χ Konzentration C χ Kammerlänge L ist, um so besser ist die Linearität der Absorptionskurve in bezug auf sich ändernde Konzentration.

Die unterschiedliche Krümmung der Absorptionskurve für unterschiedliche Absorptionswerte führt dazu, daß sich eine Meßkurve, nach der die Meßinstrumente kalibriert sind,und eine tatsächliche Meßkurve nicht immer decken. Diese Dekkung kann aber durch Variation der Kammerlänge ausgeglichen werden, welche Erkenntnis zu der oben angegebenen Weiterbildung geführt hat.

Die Erfindung sowie vorteilhafte Weiterbildungen derselben werden im folgenden anhand von Figuren näher veranschaulicht. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines bekannten nichtdisper-

siven Infrarot-Gasanalysators zum Bestimmen

zweier Komponenten;
U) .

Fig. 2 ein Diagramm der Abhängigkeit /.wischen der Ab-

iioi'pt i on und dom Produkt aus Konzentration und

Kammer länge;

Fig. 3 ein Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungs-

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form eines erfindungsgemäßen nichtdispersiven Irifrarot-Gasanalysators mit zwei Filtern und mit Probenkammern gleicher Länge;

Fig. 4 ein Blockdiagramm eines orfindungsgomäßen Gasanalysators mit zwei Filtern und Probenkammern unterschiedlicher Länge; und

Fig. 5 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Gasanalysators mit nur einem Filter und mit Proben

kammern unterschiedlicher Länge.

Beim erfindungsgemäßen Infrarot-Gasanalysator gemäß Fig. 3 liegen wieder, wie schon anhand der Fig. 1 beschrieben, zwei Lichtquellen 1 und I¹ vor, die zwei Probenkammern 2., 2' durchdringen, die mit Gaseinlässen 3, 3' und Gasauslässen 4,4' versehen sind. Die Einlasse 3 und 3' sind über Zuführleitungen 5 und 5¹ mit einer Mehrwegeschaltvorrichtung 6 verbunden, die z. B. ein Drehventil mit zwei Einlassen und zwei Auslässen ist. Durch die Vorrichtung 6 wird den beiden Kammern 2 und 2' Standardgas Z (z. B. Stickstoff) und die Gasprobe S (z. B„ Luft oder Verbrennungsabgas) abwechselnd zugeführt. Pneumatische Detektoren 7 und 8z. B. vom Kondensatormikrophon-Typ zum jeweiligen Bestimmen einer der beiden Komponenten sind optisch hinter die Kammern 2 und 2' geschaltet. Jeder der Detektoren 7 und 8 weist zwei Detektorkammern 7a, 7b bzw. 8a, 8b auf, die jeweils mit einer Mischung aus Standardgas und einer zu bestimmenden Gaskomponente (oder Komponenten mit dem gleichen Absorptionsband wie die zu bestimmende Komponente) gefüllt sind. Die Kammern 7a und 8a sind dabei in ninem Lichtweg Λ von der Lichtquelle 1. durch die Probenkammer 2 angeordnet, während die Detektorkammern 7b und 8b im Strahlengang B hinter der Lichtquelle I¹ und der Probenkammer 2' angeordnet sind. Die Gasmi-

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scbungcn in den Detektorkammern hängen, wie schon ausgesagt, von den zu bestimmenden Komponenten ab. Zum Beispiel ist in den Kammern 7a und 7b eine Mischung aus Standardgas und CO eingeschlossen, während in den Detektorkammern 8a und 8b eine Mischung aus Standardgas und C0„ eingeschlossen ist. Der Detektor 7 dient dann zur Bestimmung von CO und der Detektor 8 zur Bestimmung von CO₃. Statt des dargestellten Detektors vom Kondensatormikrophon-Typ kann auch ein anderer pneumatischer Detektor, wie z. B. ein Mikrof1ußsensor, verwendet werden, bei dem die beiden Kammern über eine Öffnung in Verbindung stehen, durch die hindurch Gas strömt, wenn durch Absorption und damit Erwärmung in der einen Kammer ein höherer Druck entsteht als in der anderen. Das Gas streicht dann an einem geheizten Draht, z. B. aus Platin, vorbei, dessen Widerstand sich ändert. Die AusgangssignaIe der Detektoren 7 und 8 werden durch Verstärker 9 bzw. 10 verstärkt.

Ein Transmissionsfilte.r, z. B. ein Bandpaßfilter F,, das nur im Absorptionsbereich einer der beiden Komponenten durchlässig ist, ist hinter die Probenkammer 2 geschaltet. Im vorliegenden Fall ist das Filter F, durchlässig für die Absorptionsbande von CO. Hinter der Probenkammer 2¹ ist entsprechend ein Bandpaßfilter F^ geschaltet, das im Ab-Sorptionsbereich der anderen zu bestimmenden Komponente, hier für die Absorptionsbande von C0~, durchlässig ist. Die Filter F, und F~ können auch vor den Kammern angeordnet sein, wesentlich ist, daß sie vor den Detektoren 7 und 8 angeordnet sind.

Wie erwähnt, werden jeder der beiden Probenkammern 2 und 2' abwechselnd das Standardgas und die Gasprobe zugeführt. Infrarotstrahlen, die von den Lichtquellen 1 und 1' ausgehen, werden in den Probenkammorn 2 und 2' durch die zu

\^ry bestimmenden Komponenten, im Beispielsfalle CO und CO^,

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absorbiert, während die Gasprobe in der jeweiligen Kammer ist, während sie ohne Absorption die Kamin«rη durchdringen, wenn sich in diesen jeweils gerade das Standardgas befindet. Aufgrund des Filters F-, dringt nur Licht mit den WeI-lenlängen, im Beispielsfalls nur Licht aus dem Absorptionsbereich von CO, über den Lichtweg A in die Detektorkammern 7a und 8a„ Entsprechend dringt durch das Filter F., hindurch auf dem Lichtweg B nur Licht in die Detektorkammern 7b, 8b, das dem Absorptionsbereich der anderen zu bestimmenden Komponente, im BeispielsfnI Ie der Absorptionsbande yon CO.,, entspricht. Damit wird im Detektor 7, der eine Mischung aus Standardgas und CO enthält, nur Infrarotlicht kurzen Wellenlangenbereichs nachgewiesen, wie es dem Absorptionsbereich von CO entspricht,' während im Detektor 8 nur Infrarotlicht längerer Wellenlängen nachgewiesen wird, wie es dem Absorptionsbereich von C0„ entspricht. Die Transmissionsfilter sind so ausgebildet, daß sie Licht aus dem Absorptionsbereich der einen Komponente praktisch vollständig sperren, selbst wenn dadurch der Wellenlängenbereich etwas eingeschränkt wird, in dem die andere Komponente, deren Nachweis erfolgen soll, etwas beschnitten wird. Dadurch ist aber gewährleistet, daß keine Interferenz zwischen den Absorptionsbereichen der beiden Komponenten stattfindet und dadurch das Signa]-Rausch- ^S Verhältnis verbessert wird.

In Fiy. 4 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gasana 1ysators dargestellt, die besonders vorteilhaft zur Bestimmung zweier Komponenten in einer Gasprobe verwendet werden kann, die sehr unterschiedlich absorbieren, v.. B. dadurch, daß die eine Komponente geringe Konzentration und die andere hohe Konzentration aufweist. Im dargestellten Fall soll die obere Kammer 2 und der Detektor 7 zum Nachweis der Komponente geringer Konzentration und dir> untere Kammer 2' und der Detektor 8 zum Nachweis der

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Kompüncnto mit hohor Konzentration dienen. Hinter die längere Kammer 2 ist daher ein Transmissionsfilter F, geschaltet, das nur iin Absorptionsbereich der Komponente mit niedriger Konzentration durchläßt, z. B. ein optisches Bandpaßfilter, das nur Infrarotstrahlen des Absorptionsbereichs von CO durchläßt. Entsprechend ist ein Transmissionsfilter F„ hinter die kurze Probenkammer 2' geschaltet, die nur im Absorptionsbereich der Komponente hoher Konzentration durchläßt, z. B. ein optisches Bandpaßfilter, das nur Infrarotstrahlen aus dem Absorptionsband von CO., durchläßt. Bei der Verkürzung der Kammer 2' beim Übergang der Ausführungsform gemäß Fig. 3 zu der gemäß Fig. 4 entsteht, wie in Fig. 4 dargestellt, eine weitere Kammer 2". Damit durch Gas in der Kammer 2" keine Verfälschung der Messung eintritt, ist es von Vorteil, diese nicht mit Luft, sondern mit Standardgas zu füllen.

Durch die angegebene. Konstruktion yemäß Fig. 4, bei der aufgrund der unterschiedlichen Kamnierlängen die Absorption durch die Komponente niedriger Konzentration ähnlich ist zur Absorption durch die Komponente hoher Konzentration, ist gewährleistet., daß die Detektoren 7 und 8 jeweils in einem kalibrierten Hereirli arbeiten, so daß Ausgangswerte guter Linearität: und hohen Signa 1-Rausch-

2^r) Verhältnisses erzielt werden können. Damit können auch zwei Komponenten mit sehr unterschiedlicher Konzentration in einem Probegas durch die Einstellung der Längen der Probekammern 2 und 2¹ genau bestimmt werden. Durch die Verwendung der Filter F, und }·' ist darüber hinaus wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 gewährleistet, daß die eine Komponente nicht die Messung der anderen Komponente beeinflußt.

In Fig. 5 ist eine weitere ort" indung.sgemäße Ausführungs-}^r> form dargestellt, die besonders dann vorteilhaft ist,

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wenn Komponenten stark unterschiedlicher Konzentration nachgewiesen werden sollen. In den Strahlenqang der kurzen Kammer 2' ist dabei kein Filter mehr geschaltet» wie dies bei der AusrühruncjKforiii gemäß Fig. 4 der Fc'i 11 Weir. ^:j Diese Ausführungsform basiert auf folgender Überlegung. Im Fall der Bestimmung der Komponente mit niedriger Konzentration, z. B. von CO in der oberen Kammer 2 durch den Detektor 7 muß gewährleistet sein, daß diese Messung nicht durch die Komponente mit hoher Konzentration, hier CO-, beeinflußt wird. Daher ist das Filter F, im oberen Strahlengang, das Licht aus dem Absorptionsbereich der Komponente hoher Konzentration ganz au.yf il. tert, erforderlich. Im Falle der Bestimmung der Komponente mit hoher Konzentration, hier von C0_? durch den Detektor 8 kann ausreichende Meßgenauigkeit für praktische Anwendungsfalle auch erzielt werden, wenn das bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 vorhandene Filter F^ weggelassen wird, da es nicht erforderlich ist, den Absorptionsbereich der Komponente niedriger Konzentration ganz zu sperren, da diese Komponente ohnehin die Messung der Komponente mit hoher Konzentration nur unwesentlich beeinflußt.

SLatt der bisher beschriebenen-optischen Bandfilter können auch Absorptionsfilter, z. B. Gasfilter, verwendet werden.

Vi Als Filter F, wird dann z. B. CO^-Gas verwendet, das dann Licht aus dem Abworpti onsbereich von CO^ gan/. ausfiltert. Liegt nicht nur eine Mischung von CO und CO^ vor, wie im Beispielsfall, sondern eine Gasprobe, die noch weitere Komponenten enthält, so ist es vorteilhaft, im Gasfilter alle Komponenten bis auf die zu bestimmende zu verwenden, so daß alle Absorptionsbereiche bis auf den des Absorptionsbereichs der nachzuweisenden Komponente gesperrt werden. Im Beispielsfall kann für das Filter F^ ein CO-Gasfilter verwendet werden.

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Wie aus den obigen Ausfuhrunqsbeispaelen des Anmeldungsqegenstands deutlich hervorgeht, sind zwei pneumatische Detektoren, die die Messung zweier Komponenten vornehmen, mit den Lichtquellen optisch in Reihe geschaltet. Durch ^r) diesen Aufbau wird die Messung praktisch nicht durch die Umgebunqsteinperatur beeinflußt. Darüber hinaus wird ein Filter, dessen Absorptionsbande zumindest mit der Bande einer Komponente der zu bestimmenden Komponenten übereinstimmt, direkt vor oder hinter mindestens eine Zelle eingefügt, wodurch Interferenzen von anderen zu bestimmenden Komponenten oder auch nicht zu bestimmenden Komponenten her vormieden sind und dadurch das Signal/Rausch-Verhältnis verbessert werden kann.

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L e er se ill·

Claims

PATENTANWÄLTE

TER MEER-MÜLLER-STEINMEISTER

Beim Europäischen Patentamt zuyolasseno Votlrotor — Professional Heprosontutlvee before tha Europoan Patonl Office Mandatnlrcs agrees pros 1'OMIcq eiiropoon des brovots

Dipl.-Chern, Dr. N. ter Meor Dipl.-Inp. H. Stoinmeistör

i?£SJe^^MÜller Artur-Ladebook-Strauee «

D-BOOO MÜNCHEN 22 D-4OOO BIELEFELD 1

Mü/cb/b

Case HO-99 23. November 1982

HORIBA, LTD.

2 Miyanohigashi-machi,

Kis.syoin, Minnmi-ku, Kyoto/Japan

Nichtdispersiver Infrarot-Gasanalysator

Priorität: 26. November 1981, Japan, Nr. 56-191331/81

P a t e η t an s ρ rüch e

( 1. ) Nichtdispersiver Inf rarot-Gasanalysator 7,um gleichzeitigen Bestimmen der Konzentrationen zweier Komponenten einer Gasprobe, mit zwei Probenkammern (2, 2'), denen abwechselnd die Gasprobe und ein Standardgas zugeführt wird, die von Lichtstrahlen durchdrungen werden, die nach teilweiser Absorption in den Probenkammern auf zwei hinter den Probenkammern (2, 2') angeordnete pneumatische Detektoren (7, 8) fallen, dadurch cj e k e η η ζ e i c h -

TER MEER · MÜLLER

R _: : · Itoriba, Ltd. - Hü-'J9 - 2 -

net, daß in mindestens einem Strahlengang (A) vor den Detektoren (7, 8) ein Filter (F,) angeordnet ist, das im Absorptionsbereich der einen Komponente im wesentlichen vollständig absorbiert und im Absorptionsbereich der anderen Komponente durchläßt.
2. Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Filter ein Transmissionsfilter ist, das im wesentlichen nur Licht im Absorptionsbereich der einen Komponente durchläßt und außerhalb dieses Absorptionsbereichs alles Licht sperrt.
3. Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß dars Filter ein Bandpaß-

15 filter ist.
4.

Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet , daß das Filter (F,) ein Ab sorptionsfilter ist, das das Licht in allen Absorptionsboreichen der in der Probe vorhandenen Komponenten bis auf die eine jeweils zu bestimmende Komponente vollständig absorbiert und das im gesamten anderen Wellenlängenbereich Licht durchläßt.
5. Gasanalysator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Filter ein Gasfilter ist.
6. Gasanalysator nach einem der vorstehenden Ansprüehe, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Detektoren (7, 8) vom Kondensatorltii krophon-Typ ist.
7. (iasana lysator nach einem dor Ansprüche 1 bis 5,

<^rj d a d u r c h y ο k e η η ζ e i c h η c t , daß minde-

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stens einer der Detektoren (7, 8) ein Mikroflußsonsor ist..
8. Gasanalysator nach c'inem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, da(3 auch im anderen Strahlengang (B) ein Filter (F.,) angeordnet ist, und daß dabei das eine Filter (F,) im Absorptionabereich der einen Komponente und das andere Filter (P_) im Absorptionsbereich der anderen Komponente im wesentlichen vollständig absorbiert.
10
9. Gasanalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Filter (F,, F„) hinter einer Probekammer (2, 2') angeordnet ist.
10. Gasanalysator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Probekammern (2, 2¹) unterschiedliche Länge fiufweisen und dabei im Strahlengang der langen Kammer (2) ^in FiI-tor (F,) angeordnet ist, das im Absorptionsbereich der stärker absorbierenden Komponente im wesentlichen vollständig absorbiert (Fig. 5).

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