DE3307132A1 - Infrarot-gasanalyseverfahren und gasanalysator - Google Patents
Infrarot-gasanalyseverfahren und gasanalysatorInfo
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Description
TER MEER · MÖLLER · STEINM^ISJeFJ · ; ; . *; · ;"*; ψ *$oriba - HO-109^ ^ - _ i
, .,., ,- .tifl *#»..-"- "Ti V- TT.i OQL// I
BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft ein Infrarot-Gasanalyseverfahren, bei dem die Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch
bestimmt wird, und einen Gasanalysator zum Durchführen des Verfahrens.
Zur Konzentrationsbestimmung einer Gaskomponente werden herkömmlicherweise
nicht dispersive Infrarot-Absorptionsverfahren verwendet. Diese Verfahren beruhen auf dem Lambert-Beerschen
Gesetz, d. h. es wird die Absorption der Strahlung einer Lichtquelle in einer Gasprobe, die die Gaskomponente
enthält, bestimmt. Die Absorption hängt von der Absorptionskonstante des zu bestimmenden Gases, seiner Konzentration
und der Zellänge ab. Die Zusammenhänge sind durch die folgende Gleichung (1) gegeben:
I = Ioexp(-kCl) — (1)
darin ist:
I: Stärke der Infrarotstrahlung nach Durchgang durch das Gas
Io: Stärke der auf eine Zelle fallenden Strahlung
k : Absorptionskonstante
G. : Gaskonzentration
1 : Zellenlänge
In Pig. 1 ist eine Ausführungsform eines herkömmlichen Infrarot-Gasanalysators dargestellt, der nach der Methode
der nicht dispersiven Infrarotabsorption arbeitet. Es sind eine Probenzelle 1 und eine Bezugszelle IJ vorhanden. Diese
werden jeweils vom Licht einer Doppellampe la, z. B, einer Wolframdrahtlarnpe durchstr^ahlt. Durch einen Abgleicher Id
sind gleiche Strahlungsmengen für die Probenzelle 1 und die
TER MEER · MÜLLER · STEINMGIS7EF? * I Z . ': · I* ;Ho"Biba - HO-109 O O Π 7 1 O
Bezugszelle 13 einstellbar. Das aus den beiden Zellen austretende Licht wird durch einen optischen Zerhacker (7)
zerhackt und dann in seiner Stärke durch einen Infrarotdetektor (10), wie z. B. einem Kondensatormikrofon bestimmt.
Die gemessene Lichtstärke hängt von der Stärke des einfallenden Lichtes ab. Die Messung wird daher von
einer Änderung der Lichtquellen la beeinflußt. Aus diesem Grund ist eine stabilisierte Spannungsquelle erforderlich,
um die Lichtmenge aus der Doppellampe la konstant zu halten. Dadurch wird der Aufbau kompliziert und teuer. Außerdem ist
eine optische Einstellung erforderlich, wenn beim Verfahren der nicht disperslven Infrarotabsorption mit Bezugszelle
Drift aufgrund einer Verschlechterung der Lichtquelle und
Verschmutzung der Zelle vermieden werden soll. Auch dies macht den herkömmlichen Aufbau kompliziert und teuer.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Infrarot-Gasanalyseverfahren,
bei dem die Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch bestimmt wird, anzugeben,
das mit einem einfach aufgebauten Gasanalysator einfach durchführbar ist.
Die .erfindungsgemäße Lösung in Bezug auf das Verfahren ist
in Anspruch 1 und in Bezug auf den Gasanalysator in Anspruch 2 kurz zusammengefaßt wiedergegeben. Das Prinzip des
neuen Verfahrens besteht darin, daß nicht mehr die Absorge- tion In einem kalten Gasgemisch gemessen wird, wie bisher,
sondern daß das Gas erhitzt wird und seine Infrarot-Emission gen essen wird. Ein erfindungsgemäßer Gasanalysator
weist dementsprechend eine Heizvorrichtung auf.
Bei einem erfindungsgemäßen Gasanalyseverfahren und einem
erfindungsgemäßen Gasanalysator ist es nicht mehr erforderlich, mit einer optischen Justiereinrichtung und mit
einer stabilisierten Lichtquelle zu arbeiten. Ein erfin-
TER MEER · MÜLLER · STEINMEISJTEPi · * · „ *; «BÖivibä· - HO-109 33071 3 \
dungsgemäßer Gacanalysator ist daher einfach und billig in
der Herstellung und der Meßvorgang ist mit ihm einfach durchführbar, da keine optische Justierung zum Abgleichen
der durch die Probenzelle und eine Bezugszelle tretenden Lichtmengen mehr erforderlich ist.
Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung sowie AusfUhrungsformen und Weiterbildungen derselben werden im folgenden anhand von
Figuren näher veranschaulicht.
Es zeigen:
Fig. 1 einen herkömmlichen Gasanalysator, der nach der Methode der nicht dispersiven Infrarot-Gasabsorption
arbeitet;
Fig. 2 Emissionsspektrum von CO2, abhängig von Druck
und Probenlänge;
Fig. 3 Abhängigkeit der Strahlungsdosis von der Temperatur;
Fig. K einen erfindungsgemäßen Analysator mit Heizer
an der Probenzelle;
Flg. 5 einen erfindungsgemäßen Gasanalysator mit zusätzlicher Heizvorrichtung;
Fig. 6 einen erfindungsgemäßen Gasanalysator mit einem infrarotdurchlässigen Fenster quer zur Zellen-Ers
tre ckungslänge;
TER MEER · MÜLLER · STEINMÖS^TEIS 'I I . '*. - :" *t , Öprlba · 3307132
t ft * 4
-7-
Pig. 7 einen erfindungsgemäßen Analysator mit einer abgeschlossenen Restgaszelle;
Pig. 8 einen Analysator gemäß Fig. "[, jedoch mit gasdurchströmter
Restgaszellej
PIg. 9 einen erfindungsgemäßen Analysator mit verspie-
gelter Rückwand und planem Austrittsfensterj
Pig. 10 einen Analysator gemäß Fig. 9, jedoch mit einem
als Konvexlinse ausgebildeten Durchtrittsfenster;
Pig. 11 einen erfindungsgemäßen Analysator mit konkaver Rückwand und planem Durchtrittsfenster;
Fig. 12 einen erfindungsgemäßen Analysator mit einer
mit der Probenzelle verbundenen Zusatzzelle vor der Probenzelle;
Pig. 13 einen Analysator gemäß Fig. 12, bei dem Probenzelle
und Zusatzzelle getrennt mit Gas versorgt
werden;
Fig. l4 einen erfindungsgemäßen Gasanalysator, bei dem
unterschiedliche Filter in den Strahlengang einschiebbar sind;
Pig. 15 Emissionsspektren von CO2 bei 1500 K, abhängig
vom Produkt aus Druck und Zellänge;
Fig. 16 einen erf indungs gernäß en,. Gasanalysator mit
Doppelheizung;
Fig. 17 ein Ersatzschaltbild der Heizung der Ausführungsform
von Fig. 16;
TER MEER . MÜLLER ■ STEINM&SJTEF? · * ; . "j · r":HÖ>iba - HO-109 33071
-JUT 3LJt-* " » -*
-6-
Pig. 18 ' Emissionsspektren von CO2 bei 300 K, 600 K
a " ° und 1200 K, abhängig vom Produkt aus Druck
und Zellänge, und
Pig. 19 einen erfindungsgemäßen Gasanalysator mit zwei
Einzeldetektoren zum Ermitteln von Hintergrund
strahlung einerseits und Hintergrundstrahlung und Emissionsstrahlung andererseits.
Pig. 1 ist bereits bei der Erläuterung des Standes der Technik beschrieben worden. Anhand der Pig. 2 und 3 wird nun das
dem Anmeldegegenstand zugrunde liegende Prinzip ausführlicher
erläutert.
Die Gasmoleküle eines erhitzten Gases, mit Ausnahme eines solchen, das nur Atome aufweist, senden Infrarotstrahlen
mit charakteristischen Wellenlängen aus. Der Strahlungskoeffizient dieser Infrarotstrahlen hängt von der Temperatur*
dem Partialdruck und der Zellänge ab. Je größer der Partialdruck und/oder die Zellänge sind, desto stärker
strahlt die Gaskomponente. Liegen die Temperatur, die Zelllänge und der Partialdruck fest, kann aus der gemessenen
Strahlung die Gaskonzentration bestimmt werden. Nach diesem Prinzip arbeitet der Anmeldegegenstand.
Das beschriebene Prinzip wird nun anhand eines Beispiels näher erläutert, wobei davon ausgegangen wird, daß die zu
bestimmende Gaskomponente COp sein soll. Das die COp-Gaskomponente
enthaltende Probengas wird zunächst auf eine solche Temperatur erhitzt, daß ein Detektor die vom COp
emmlttierte Strahlungsdosis messen kann. Hierzu wird am besten im 4,3 pm Band gemessen, daß das stärkste verschiedener
Infrarotbanden des C02~Moleküls ist und das einem
Schwingungs-Rotations-Ubergang zwischen (00 O) - (0O0I)
entspricht. Um gerade in diesem Band zu messen, wird ein
TER meer · Müller ■ steinm^i^tei«? · ; :„*;*:": JHoyiba - HO-109 33071
Bandpassfilter mit einer zentralen Wellenlänge von 4,5 um
vor den Infrarotdetektor gebracht. Dadurch treffen nur Strahlen im 4,5 pm-Band auf den Detektor, während alle
anderen durch das Bandpassfilter absorbiert werden. Der Detektor erzeugt ein elektrisches Signal, das der Strahlungs
stärke Nm proportional ist. Die Strahlungsstärke N™ hängt
gemäß der folgenden Gleichung (2) von verschiedenen Größen ab:
ΤλΤλλ /βλ (2)
darin sind:
N_: Strahlungsstärke im 4,5 pm-Band bei der Temperatur
T,
Spektralempfindlichkeit des Detektors,
spektrales Durchlaßvermögen des 4,5 pm Bandpassfliters,
ölA-T: Strahlungskoeffizient von GOg bei der Temperatur
T,
β λ T: Strahlungskoeffizient der Fenster und der Wandflächen,
eJl'T: spektrale Strahlstärke eines schwarzen Körpers, Αι ι Ap: Grenzwellenlängen des Bandpassfilters, und X : Wellenlänge (um)
eJl'T: spektrale Strahlstärke eines schwarzen Körpers, Αι ι Ap: Grenzwellenlängen des Bandpassfilters, und X : Wellenlänge (um)
Die Gaskonzentration kann aus Gleichung (2) berechnet werden. Dazu werden die Spektralempfindlichkeit #Ades Infrarotdetektors,
das spektrale DurchlaßvermögenT\ des Bandpassfilters und der Strahlungskoeffizient fb \T der Fenster und der 'Wandflächen
durch einen Analysator bes.timmt und die spektrale Strahlstärke e"7\.T eines schwarzen Körpers wird nach dem
Planckschen Gesetz berechnet. Dann kann die spektrale Strahlstärke alλ-Τ im 4,5 pm-Band von CO^ aus N™ berechnet werden.
TER MEER · MÜLLER · STEINM^ISTER · ": ;,.";- ^Hbf.iba - HO-109 33071
o( A- .T hängt von der Temperatur, dem Druck, der Wellenlänge,
der Zellenlänge und der Konzentration, also dem Partialdruck von CO2 ab. Daher kann der Partialdruck von CO2 und
damit dessen Konzentration durch Messung der Infrarot-Emmissionsstrahlung
im 4,3 um-Band unter der Voraussetzung gemessen werden, daß Temperatur, Zellenlänge und Druck
konstant und bekannt sind.
In Fig. 4 ist der grundsätzliche Aufbau eines Gasanalysators dargestellt, der nach dem soeben beschriebenen Verfahren
arbeitet. Eine Probenzelle 1 weist einen Gaseinlaß 2 und einen Auslaß 3 auf. Die Zelle ist von einem Heizer 4
zum Erhitzen des Probengases a.uf hohe Temperaturen, höher als 100 0C, umgeben. Der Heizer 4 ist von Isoliermaterial 5
abgedeckt. Durch ein Fenster 6a wird Infrarotstrahlung au3 der Zelle 1 auf einen Infrarotdetektor 10 abgestrahlt.
Zwischen dem Fenster und dem Infrarotdetektor befindet sich ein optischer Zerhacker 7, eine Kondensorlinse 8 und ein
Bandpassfilter 9, das nur Infrarotstrahlung in einem ausgewählten Wellenlängenband durchläßt, irjdem die zu bestimraende
Gaskomponente bei Erhitzung strahlt. Als Detektor kann ein pneumatischer Detektor verwendet werden, in dem
die zu bestimmende Gaskomponente oder ein Gas, das denselben Absorptionsbereich wie die zu bestimmende Komponente
aufweist, eingeschlossen ist. Als Detektor kann aber auch ein pyroelektrischer Detektor, eine Thermosäule oder Festkörperdetektoren
wie Halbleiterdetektoren verwendet werden. Der optische Zerhacker J wird durch einen Motor 11 angetrieben.
Die Ausgangssignale vom Infrarotdetektor 10 werden durch einen Verstärker 12 verstärkt.
Das in der Probenzelle 1 befindliche Gas strahlt also Infrarotstrahlung
ab, wenn es erhitzt wird, und sendet diese Strahlung durch das Fenster 6a auf den Detektor 10. Dabei
wird nur die Strahlung der zu bestimmenden Gaskomponente
TER MEER - MÜLLER · STEINM^ISTEF? · · : , ^1*0?*1??- *T Η0~109 33071
durch das Bandpassfilter 9 durchgelassen. Im Fall von COp, wenn ein 4,3 um Bandpassfilter verwendet wird, wird also nur
die Strahlung der COg-Gaskomponente durchgelassen. Der Detektor
gibt dann ein Signal ab, das proportional zur Konzentration der Gaskomponente ist.
Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform ist das
Innere der Probenzelle 1 mit einem Spiegel S versehen, um Infrarot-Abstrahlung von der Innenfläche so klein wie möglich
zu halten. Außerdem ist die dem Fenster 6a gegenüberliegende Rückseite 6b der Probenzelle mit einem ebenfalls
für Infrarotstrahlung durchlässigen Fenster 6b verschlossen. Die Zelle kann jedoch auch anders aufgebaut sein, wie weiter
unten anhand weiterer Ausführungsbeispiele erläutert wird. Statt eines Heizers 4 mit einer bestimmten vorgegebenen Heiz
leistung kann auch ein Heizer verwendet werden, dessen Leistung aufgrund einer Temperaturmessung so eingeregelt
wird, daß eine bestimmte Temperatur oder ein bestimmter Temperaturbereich eingehalten wird.
Darüber hinaus kann an den Verstärker 12 eine Alarmvorrichtung angeschlossen sein, die einen Alarm abgibt, wenn die
Konzentration der zu bestimmenden Gaskomponente einen vorgegebenen Wert überschreitet. Statt nur eines Detektors
können zwei Detektoren oder ein solcher vorhanden sein, der bei zwei Wellenlängen messen kann, um zwei Gaskomponenten
zu ermitteln. Statt des einen Filters 9 können zwei Filter, eines mit einer zentralen Wellenlänge von 4,3 pm und ein
zweites mit einer zentralen Wellenlänge z. B. von 3,3 um
vorhanden sein. An einen solchen Analysator können zwei Alarrnvorrichtun^en angeschlossen sein, wobei die eine einen
Alarm abgibt, wenn eine Kohlendioxydkonzentration in erhitz ter Luft überschritten wird und die andere einen Alarm abgibt,
wenn eine Methankonzentration überschritten wird. Es kann dann z. B. Luftverschmutzung oder das Auftreten eines
Gaslecks ermittelt werden.
TER meer »Müller · steinmeistefI · ; ; v ": " .."".Horiba - HO-109 33071
Der Gasanalysator gemäß Fig. 5 weist eine besondere Heizvorrichtung
16 auf. Durch diese strömt das zu messende Probengas und wird dabei erhitzt, bevor es in die Probengaszelle
1 eintritt. In diesem Fall kann die Probenzelle in ihrer Form und ihrem Material frei gewählt werden, und
der Infrarot-Detektor 10 kann einfach gekühlt werden, da der Heizer vom Infrarot-Detektor 10 beabstandet angeordnet
ist. Dadurch ist es möglich, Gas auf höhere Temperaturen zu erhitzen, ohne daß dadurch der Detektor beeinflußt wird.
Außerdem wird der Einfluß von durch die Probenzelle 1 .e.mit tierten Infrarotstrahlen vermindert, da die Temperatur der
Zelle 1 niedrig ist.
Bei der AusfUhrungsform gemäß Fig. 6 ist nur ein Teil der
Probenzelle von einem Heizer 4 in der Nlüie des Gaseinlasses
2 umgeben. Das infrarotdurchlässige Fenster 6a und ein diesem gegenüber liegendes infrarotdurchlässiges Fenster
6b liegen quer zur LängserStreckungsrichtung der Probenzelle
nahe dem Gasauslaß 5. Der Detektor 10 ist wieder vor dem Fenster 6a angeordnet. Bei diesem Aufbau ist der
Einfluß von durch die Zelle selbst in Richtung zum Detektor emittierter Infrarotstrahlung vermindert. Darüber
hinaus liegt zwischen der Heizquelle und dem Meßbereich kein so großer Abstand wie bei der Ausfuhrungsform von
Flg. 5» so daß sich das Probengas nach dem Erhitzen praktisch
nicht abkühlt.
Obwohl nicht dargestellt, können die Probenzellen als Ganzes aus infrarotdurchlässigern Material gebildet sein.
Bei der in Fig. 7 dargestellten Ausführurigsform eines anmeldegemäßen Gasanalysators liegt eine Restgaszelle j51
parallel zur Probenzelle 1. In der Restgaszelle ist Gas eingeschlossen, das mit dem Gasgemisch in der Probenzelle
bis auf die zu bestimmende Gaskomponente, die entfernt
TER MEER · MÜLLER · STElNMfelS^EFJ . : * ^ *· · j ' J" « *" 1^0"1 °° 'S Q f) 7
worden ist, im wesentlichen übereinstimmt. Beide Zellen
sind innen verspiegelt und weisen an ihren Enden Fenster 6a bzw. 31a und 6b bzw. JIb auf. Die Fenster bestehen aus infrarotdurchlässigem
Material.
Die Zellenlängen beider Zellen 1 und Jl, d. h. genauer gesagt
die optischen Dicken der Zellen von einem Fenster zum anderen, sind gleich gewählt.
Die Probenzelle 1 und die Restgaszelle 31 werden durch
einen gemeinsamen Heizer 4 erhitzt, wodurch die eingeschlossenen Gase auf Temperaturen höher als 100 0C erhitzt werden.
Durch die Erhitzung vermindert sich auch der Anteil von Hintergrundstrahlung, so daß er in Bezug auf die Meßgenauigkeit
vernachlässigbar wird.
Wie bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen liegen
wieder ein Detektor 10 und ein optischer Zerhacker 7 vor. Zwischen den Fenstern 6a und 31a und dem Zerhacker 7 ist
eine Schlitzblende 14 angeordnet. Die Schlitze sind in ihrer Bemessung so ausgewählt, daß die Strahlungsstärke aus der
Probenzelle 1 mit der aus der Restgaszelle 31 übereinstimmt.
Die durch die Schlitzblende 14 tretenden Strahlen treffen
auf einen -Fokussierspiegel I5, in dessen Brennpunkt der
Detektor 10 angeordnet 1st. Die Strahlen treten jedoch erst wieder durch ein Bandpassfilter 9, bevor sie auf den Detektor
10 gelangen. Das Bandpassfilter 9 läßt wieder nur im Wellenlängenbereich der zu bestimmenden Gaskomponente Infrarot-
E.missionsstrahlung durch.
Aufgrund der Drehung des optischen Zerhackers 7 erhält der
Detektor 10 ein Wechselspannungssignal, das er an den Verstärker 12 weitergibt. An den Verstärker 12 ist eine Kon-
TER MEER - MÜLLER · STEINMjPSTEjh „ ; ■ \ , ltta?lb'p. - HO-109 3 3 Π 7 1
zentrationsanzelgevorrichtung 17 angeschlossen, die direkt
die Konzentration zu bestimmender Gaskomponenten anzeigt.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 7 werden also Infrarotstrahlen
von der Probenzelle 1 und der Restgaszelle 31 emittiert, wenn diese Zellen auf eine bestimmte Temperatur
aufgeheizt werden. Es wird charakteristische . Umlssionsstrahlung
von den Gaskomponenten, z. B. im 4,3 um-Band im
Fall von CO2* und Hintergrundstrahlung abgegeben. Die Hintergrundstrahlung
rührt von den Wänden, Fenstern und dergleichen der Probenzelle 1 und der Restgaszelle 31 her.
Die Emisslonsstrahlung und Hintergrundstrahlung der Probenzelle
1 und die Hintergrundstrahlung der Restgaszelle werden abwechselnd vom Detektor 10 empfangen. Die Konzentration
der zu bestimmenden Gaskomponente wird dann von der Anzeigevorrichtung
aufgrund der Differenz zwischen der Strahlungsmenge von der Probenzelle 1 und der Restgaszelle 3I
bestimmt. Durch die Differenzbildung wird der Einfluß der Hintergrundstrahlung eliminiert, wodurch eine sehr genaue
Messung möglich ist. Mit einem solchen Analysator ist die Messung auch dann noch sehr genau, wenn sich die Strahlungs
menge durch äußere Einflüsse, wie z. B. Verschmutzung der Zellen 1 und 3I oder der Zellfenster 6a bzw. 31a, durch
Temperaturänderungen oder dergleichen verändert.
Weiterhin muß die vorgegebene Temperatur, die für das Probengas und das Restgas gleich ist, nicht genau eingehalten
werden. Z. B. können das Probengas und das Restgas auf geeignete Temperaturen erhitzt werden und dann kann die Temperatur
zwischen den beiden Gasen ausgeglichen werden, was mit Hilfe von Thermometern festgestellt wird.
TER MEER - MÜLLER ■ STEINM^läTEfc · ; ; . "; · ;"; „Hqriba - HO-109 3307132
Bei allen Ausführungsformen können für die Infrarotdetektoren und die Filter beliebige bekannte Ausführungsformen
verwendet werden. Die Konzentration verschiedener Gaskomponenten kann durch Auswechseln der Filter 9 erfolgen, indem
jeweils ein Filter gewählt wird, das in einem Bandbereich durchläßt, der der Emissionsbande des zu bestimmenden
Probengases entspricht. Die Zahl bestimmbarer Gaskomponenten ist dadurch nicht begrenzt.
In Fig. 8 ist eine Weiterbildung der Ausführungsform eines
anmeldegemäßen Analysators gemäß Fig. 7 dargestellt. Nicht nur die Probenzelle 1 weist einen Einlaß 2 und einen Auslaß
3 auf, sondern auch die Restgaszelle 31 weist einen Einlaß 2.31 und einen Auslaß 3-31 auf. An den Gaseinlaß 2
ist eine Gaszuflußleitung 19 angeschlossen. Der Gaseinlaß
2.31 der Restgaszelle 3I steht mit der Gaszuflußleitung
über eine Zweigleitung 18 in Verbindung, in der ein Gasentferner 20 eingebaut ist. Der Gasentferner 20 entfernt
die zu bestimmende Gaskomponente aus einem durch die Gaszuflußleitung I9 zugeführten Gasgemisch. Die der Probenzelle
1 und der Restgaszelle 31 zugeführten Gasgemische
unterscheiden sich also nur dadurch, daß in dem der Restgaszelle 31 zugeführten Gasgemisch die^u bestimmende Gaskomponente
fehlt. Dadurch kann aber Interferenz interferierender Gaskomponenten ausgeschlossen werden, da die
interferierenden Komponenten sowohl in der Probenzelle 1 wie auch in der Restgaszelle 31 in gleichem Maße vorhanden
sind.
Bei den Ausführungsformen der Fig. 7 und 8 kann statt
einem Restgas jedes beliebige Gas verwendet werden, das nur nicht die zu bestimmende Gaskomponente enthält. Es
kann die Hintergrundstrahlung und die Strahlung interferierender
Komponenten eliminiert werden, was Hauptur-
TER MEER - MÜLLER · STEINMCISTER - - "- V* „ fiocibHL - HO-109 O O f| η Λ '.
Sachen für Fehlmessungen sind. Die Strahlung der Restgaszelle
wird von der Strahlung der Probenzelle abgezogen, wodurch die Hintergrundstrahlung eliminiert wird und nur
noch die Strahlung der zu bestimmenden Gaskomponente als Meßwert übrig bleibt. Dadurch kann die Konzentration der
zu bestimmenden Gaskomponente sehr genau erfolgen.
Die Probenzellen gemäß den Fig. 9 - H weisen wiederum
eine Probenzelle 1 mit zylindrischem Zellenkörper 1.1 mit Gaseinlaß 2 und Gasauslaß 3 auf. Infrarotstrahlung aus der
Probenzelle 1 wird durch ein Fenster 6a auf einen Detektor 10 gestrahlt. Die dem Fenster 6a gegenüber liegende
Wand der Probenzelle 1 ist als Verschlußteil 21 mit einem Spiegel S ausgeführt.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 9 ist das Verschlußteil
21 und entsprechend der Spiegel S eben ausgeführt. Wenn das Probengas durch einen Heizer 4 erwärmt wird und
damit ^misslonsstrahlung aussendet, wird ein Teil der
Infrarotstrahlung auf den Spiegel S auftreffen und von
diesem in Richtung zum Fenster 6a reflektiert werden. Dadurch wird eine größere Strahlungsmenge abgestrahlt als
ohne Spiegel S.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 10 ist das infrarotdurchlässige Fenster 6a gemäß der Ausführungsform von
Fig. 9 durch eine bikonvexe Linse 8 ersetzt, die die E missionsstrahlung
auf den Detektor 10 fokussiert.
Bei der AusfUhrungsform gemäß Fig. 11 ist das Verschlußteil
21 und der auf ihm befindliche Spiegel S konkav ausgeführt, so daß auf diesen Spiegel S auftreffende Infrarotstrahlung
auf den Detektor 10 fokussiert wird.
TER MEER -MÜLLER ■ STEIN^EI$TEfe - ; J_ljJ^6J^ ~ W~l°9 3307132
- 47- "
Das lichtdurchlässige Fenster 6b kann eben, bikonvex oder
einfachkonvex sein oder es kann eine einfach oder doppelkonvexe Linse vor oder hinter dem Infrarotdurchlässigen
Fenster angeordnet sein, um die Emissionsstrahlung auf
den Detektor 10 zu fokussieren.
Gemäß den Ausführungsformen der Fig. 9 - Xl ist die dem
Fenster 6a gegenüber liegende Rückwand der Probenzelle 1 mit einem Spiegel S versehen. Dadurch läßt sich die durch
das Fenster 6a tretende Strahlungsmenge in etwa verdoppeln, wodurch sich die Nachweisempfindlichkeit steigern läßt.
Außerdem vermindert sich die von der Rückwand abgegebene
Infrarotstrahlung, da diese nun mit einem Spiegel S versehen ist. Die Konzentration einer Gaskomponente läßt sich
daher mit hoher Genauigkeit bestimmen.
Die Ausführungsformen eines anmeldegemäßen Analysators gemäß den Fig. 12 und 15 unterscheiden sich von den bisher
beschriebenen Ausführungsformen dadurch, daß zwischen dem Fenster 6a der Probenzelle 1 und dem Zerhacker 7 eine Zusatzzelle
25 angeordnet ist. Diese Zusatzzelle 23 weist
im wesentlichen dieselbe Zellenlänge, das heißt dieselbe
optische Dicke auf wie die Probenzelle 1. Ein Zusatzzelleneinlaß 25 1st über eine Verbindungsleitung 24, in der ein
Gasentferner 20 liegt, mit dem Gasauslaß 3 der Probenzelle
1 verbunden. Durch den Gasentferner 20 wird die zu bestimmende Gaskomponente aus dem Gasgemisch entfernt, das
von der Probenzelle 1 in die Zusatzzelle 23 strömt. Das in die Zusatzzelle 23 strömende Gas tritt durch einen Zusatzzellen-Auslaß
26 wieder aus der Zusatzzelle 23 aus.
Das Probengas wird in der Probenzelle 1 wiederum über einen
Heizer 4 erhitzt und a mittiert dabei Infrarotstrahlung. Wenn das erhitzte Gas durch die Verbindungsleitung 24 und
TER MEER ■ MÜLLER · STEINn3e||teR - ~ ;., *; « :"Hprfba - HO-109 J3 Q
den Gasentferner 20 in die Zusatzzelle 23 strömt, kühlt es ab, wodurch es keine Infrarotstrahlung mehr emittiert,
sondern nunmehr gut absorbiert. Das abgekühlte Gas in der Zusatzzelle 23 absorbiert jedoch nicht im Bereich der zu
bestimmenden Gaskomponente, da diese ja durch den Gasentferner
20 entfernt worden ist. Es absorbiert aber gut im Bereich der übrigen Wellenlängen. Da die Zusatzzelle 23
vor der Probenzelle 1 angeordnet ist, wird durch die Zusatzzelle 23 alle Infrarotstrahlung absorbiert, die nicht
von der zu bestimmenden Gaskomponente herrührt. Durch das Vorhandensein der Zusatzzelle 23 wird auch der Einfluß
von Interferenzgasen vermindert, die in denselben Wellenlängenbereichen wie das zu interferierende Gas emittieren,
jedoch mit schwächerer Stärke. Diese Strahlung im gleichen Wellenlängenband wie die Strahlung des zu bestimmenden Gases,
jedoch von anderen Gasen herrührend, wird also ebenfalls eliminiert, so daß nur die Bmissionsstrahlung des zu bestimmenden
Gases übrig bleibt.
Bei einem Gasanalysator gemäß der Fig. 12 wird also vom
Detektor 10 nur Strahlung von der zu bestimmenden Gaskomponente empfangen, wodurch eine sehr genaue Messung möglich
ist.
Der in Pig. 13 dargestellte Gasanalysator unterscheidet sich von dem gemäß Fig. 12 nur dadurch, daß der Ausgang
der Probenzelle nicht mit dem Eingang der Zusatzzelle 23 verbunden ist, sondern daß die Zusatzzelle 23 über eine
eigene Gaszufuhr verfügt. Eine Gaszuflußleitung I9 ist
nach wie vor an den Gaseinlaß 2 der Probenzelle 1 angeschlossen. Von der Gaszuflußleitung 19 führt jedoch eine
Zweigleitung 18 mit Gasentferner 20 zum Zusatzzellen-Einlaß 25. Der Gasentferner 20 entfernt wie bei der Aus-
TER MEER - MÜLLER · STEINMEAST^n- ; ; . ' : · Hoüibk - HO-109 3307132
fUhrungsform gemäß FIg, 12 die zu bestimmende Gaskomponente
aus dem zugefUhrten Gasgemisch. Die Punktion des Gasanalysators
gemäß Pig. 13 1st im übrigen völlig übereinstimmend mit der Punktion der AusfUhrungsform gemäß Flg. 12.
In den Fällen der Gasanalysatoren gemäß den Pig. 12 und
kann das der Zusatzzelle 23 zugeführte Gas oder die Zusatzzelle
23 selbst gekühlt sein.
Die beiden Ausführungsformen eines anmeldegemäßen Gasanalysators
gemäß den Fig. 12 und 13 zeichnen sich also dadurch aus, daß vor der Probenzelle 1 eine Zusatzzelle 23 mit gekühltem
Gas angeordnet ist. Das Gasgemisch in der Zusatzzelle 23 stimmt mit dem Gasgemisch in der Probenzelle bis
auf die zu bestimmende Gaskomponente, die entfernt worden
ist, im wesentlichen Überein. Hintergrundstrahlung und Strahlung interferierender Gaskomponenten wird dadurch
fast völlig eliminiert, wodurch eine sehr genaue Messung ermöglicht ist.
Die AusfUhrungsform eines anmeldegemäßen Analysators
gemäß Fig. 14 unterscheidet sich von den vorhergehend
beschriebenen durch ein besonderes, vor dem Detektor 10 angeordnetes Filter 9· Der Detektor kann wieder ein beliebiger
Infrarot-Detektor, z. B. ein pyroelektrischer
Detektor oder ein Thermoelement-Detektor sein. Zwischen Filter 9 und Detektor 10 ist eine Abschirmplatte 27 mit
einem Schlitz 28 angeordnet, die dazu dient, Infrarotstrahlen von den Innenflächen der Probenzelle 1 in ihrem
Auftreffen auf den Infrarot-Detektor 10 abzuhalten.
Das Filter 9 der Ausführungsform gemäß Fig. 14 besteht
aus einer Mehrzahl von Bandpassfiltern, von denen zwei, die mit 9a und 9b bezeichnet sind, dargestellt sind. Es
ν W -
TER MEER · MÜLLER ■ STEINMEISTER ' : Z. '. ' flforipa - HO-109 33071
ü!
- ar.
kann jedoch eine beliebige Anzahl von Bandpassfiltern verwendet werden, die Jeweils voneinander unterschiedliche
zentrale Wellenlängen innerhalb eines Wellenlängenbereichs aufweisen, in dem eine zu bestimmende Gaskomponente, abhängig
von Konzentration oder Temperatur, strahlt. Die zwei Bandpassfilter 9& und 9b können durch Verschieben in einem
FUhrungsrahrnen 29 wahlweise in den Strahlengang vor dem Detektor 10 eingebracht werden. Der Führungsrahmen 29 ist
fest angeordnet und trägt die beiden Bandpassfilter 9a und
9b, so daß sie rechtwinklig zum Lichtweg hin und her verschoben werden können. Statt eines Führungsrahmens 29 können
auch andere Anordnungen, z. B. mit Verdrehung von Hand oder durch einen Motor oder Anordnungen mit einer Spule verwendet
werden. Die Filter können auf einer sich drehenden Scheibe angeordnet sein. Die Erfindung ist von der Anordnung
der verschiedenen in den Lichtweg einbringbaren Filter unabhängig.
Die Rückwand der Probenzelle 1 ist wiederum als infrarotdurchlässiges Fenster 6b ausgebildet, kann jedoch wie in
den AusfUhrungsformen gemäß den Fig. 9 - 11 auch verspiegelt
sein, wodurch sich wieder die Empfindlichkeit steigern läßt, das Signal/Rauschverhältnis vermindern läßt und sich
die Baugröße verringern läßt.
An den Detektor 10 ist über einen Verstärker 12 und ein
Signalverarbeitungsgerät J>0 eine Konzentrat ions-Anzeigevorrichtung
17 angeschlossen, die eine Anzeige mit einer Skala für einen niedrigen Konzentrationsbereich und einer
Skala für einen hohen Konzentrationsbereich aufweist.
Weist die zu bestimmende Gaskomponente im erhitzten, emittierenden
Probengas eine Konzentration im niedrigeren Konzentrationsbereich auf, wird das erste Bandpassfilter 9a
TER MEER · MÜLLER ■ STEINI\3EISTi*R · * ' . *Γ * fflpriba - HO-109 3307132
ψ η ψ **■
*
Ψ
in den Strahlengang geschoben, während das zweite Bandpassfilter in den Strahlengang eingeführt wird, wenn die Konzentration
im höheren Konzentrationsbereich liegt. Durch die Verwendung zweier Filter für unterschiedliche Konzentrationsbereiche
ist es möglich, jeweils Bandpassfilter mit einem sehr engen Durchlaßbereich zu verwenden, was die Genauigkeit
der Messung erhöht. Die Konzentration wird dann auf Grundlage der vom Detektor 10 gemessenen Strahlungsdosis und der Temperatur des Probengases bestimmt.
Eine zu bestimmende Qaskomponente kann daher von einem
niedrigeren Konzentrationsbereich bis zu einem höheren Ronzentrationsbereich bestimmt werden, ohne daß eine erste
Probenzelle mit einer bestimmten Länge gegen andere Probenzellen mit anderen Zellenlängen ausgetauscht werden muß, um
die optische Dicke des erhitzten Gases konstant zu halten. Die Zellenlänge der Probenzelle 1 kann vielmehr zum Beispiel
für den niedrigeren Konzentrationsbereich oder auch den höheren Konzentrationsbereich eingestellt sein. Die
Anpassung kann jeweils über*die Bandpassfilter 9a.bzw. 9b
vorgenommen werden, die voneinander unterschiedliche zentrale Durchlaßwellenlängen innerhalb des Wellenlängenbereichs
der von der zu bestimmenden Gaskomponente emittierten Infrarotstrahlung aufweisen.
Die beschriebene Kompensation ist daher möglich, da eine Beziehung zwischen Temperatur, Konzentration und Wellenlänge
besteht, wie sie anhand der Fig. 15 näher erläutert
wird. In Fig. 15 sind Emissionsspektren einer COg-Gaskomponente
von I500 K bei unterschiedlichen Produkten Pl
von Partialdruck P und Zellenlänge 1 aufgezeichnet. Die Breite des Strahlungsspektrums ist umso geringer, je geringer
die Konzentration bei konstanter Temperatur ist. Bei konstanter Temperatur nimmt dagegen die Breite mit
TER MEER - MÜLLER
· STEINNJEISTgR ' \ I. "l ' ^^T.16?· " H°-l09 330713
zunehmender Temperatur aufgrund des Doppler-Effektes zu.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform ist das Produkt aus Temperatur des durch den Heizer 4 erhitzten Probengases
und der Länge der Zelle 1 konstant. Selbst wenn daher eine Probenzelle mit langer Zellenlänge verwendet wird, um eine
Komponente im geringeren Konzentrationsbereich zu bestimmen, kann dennooh bei höherer Konzentration eine Sättigung der
Strahlungsdosis verhindert werden, indem das Bandpassfilter für den niedrigeren Konzentrationsbereich gegen das Bandpassfilter
9b für den höheren Konzentrationsbereich ausgetauscht wird, wodurch die zentrale Durchlaßwellenlänge zu
längeren Wellenlängen hin verschoben wird.
Wie die Konzentration von z. B. COp im Probengas bestimmt wird, wird im folgenden beschrieben. Zwischen der Strahlungsstärke,
der Frequenz und der Größe PxI, die proportional der MolekUlzahl ist, besteht der Zusammenhang, wie
er schon anhand der Fig. 15 besprochen ist. Wenn die Temperatur konstant ist, nimmt der Wellenlängenbereich der
emittierten Infrarotstrahlung mit der Zahl der Moleküle zu. Bei festliegender Zellenlänge entspricht die Molekülzahl
der Konzentration.
Es sei nun angenommen, daß ein Bandpassfilter mit einer zentralen Durchlaßfrequenz von 2200 cm als Bandpassfilter
9a verwendet wird. Die Strahlungsstärke ist dann eine Funktion der MolekUlzahl, also der Konzentration.
Die Emissionsspektren in Fig. 15 sind z. B. für Pl = 0,001 atm.cm, Pl = 0,01 atm.cm, Pl = 0,1 atm.cm und
Pl <=■ 1 atm.cm aufgezeichnet. Sättigung ergibt sich ab
einer Strahlungsdosis für Pl = 10 atm.cm oder mehr. Dann ist eine Konzentrationsmessung unmöglich. Der Strahlungskoeffizient ist dann nur eine Funktion der Temperatur.
TER MEER ■ MOU-ER . STEINiIeISTeJr ■ · -^J ·. · :' "Koi^lba - HO-109 3307132
Wenn also als Bandpassfilter 9b ein Filter mit einer zentralen
Durohlaßfrequenz von 2100 cm" verwendet wird, ist die Strahlungsdosis von Infrarotstrahlung bei der gemessenen
Wellenlänge von 2100 cm"1 gleich null, de der Strahlungskoeffizient
0,00001 oder weniger für Pl = 0,001 atm.cm ist, wodurch Messung bei niedrigem Konzentrationsbereich nicht
mehr möglich 1st. Dagegen tritt aber keine Sättigung der Strahlungsdosis für Pl = 10 atm.cm auf. Die Strahlungsdosis
ist dann eine Punktion der Konzentration, wodurch die Konzentratlonsmessung
möglich ist.
Mit der Ausführungsform gemäß Fig. 14 ist es also möglich,
Gaskonzentrationen über einen weiten Bereich zu bestimmen, ohne daß die optische Länge des Probengases verändert wird.
Es wird vielmehr eine Mehrzahl von Bandpassfiltern mit voneinander unterschiedlichen zentralen Durchlaßwellenlängen
innerhalb des Wellenlängenbereichs verwendet, der von der zu bestimmenden Komponente unter verschiedenen Konzentrationen
abgestrahlt wird. Ein ausgewähltes Filter wird abhängig vom Konzentrationsbereich der zu bestimmenden Komponente
wahlweise in den Strahlengang vor dem Detektor 10 gebracht.
Der in Fig. 16 dargestellte anmeldegemäße Gasanalysator
unterscheidet sich von den vorhergehenden AusfUhrungsformen
dadurch, daß ein zweiteiliger Heizer 4 mit Nichromdrähten 4a und 4b verwendet wird, die schraubenförmig um
die Probenzelle 1 gewickelt sind. Der Zustand, bei dem nur ein Nichromdraht 4a allein elektrisch angeschlossen ist
und der Zustand, in dem beide NiChromdrähte 4a und 4b elektrisch
angeschlossen sind, kann jeweils durch einen Temperatureinstellschalter
SW gewählt werden, wie dies in Fig.' 17 dargestellt ist, indem entweder ein Kontakt a oder
ein Kontakt b angeschlossen wird. Dadurch 1st es möglich,
TER MEER . MÜLLER ■ STElNMPSCTEljj · · · . "; * ^0FiP?- ~ HO-109 3 307 1 '
- ψ-fr-
die Temperatur des Probengases abhängig vom Konzentrationsbereich
der zu bestimmenden Gaskomponente einzustellen.
Die dem Fenster 6a zur Detektorseite gegenüber liegende Rückwand ist bei der Ausführungsform gemäß Pig. 16 ebenfalls
als Infrarotdurchlässiges Fenster 6b dargestellt, kann Jedoch wie bei den Ausführungsformen gemäß den Fig.
9-11 auch verspiegelt sein.
Durch unterschiedliches Erhitzen des Probengases kann daher in unterschiedlichen Konzentrationsbereichen einer zu bestimmenden
Gaskomponente gemessen werden, ohne daß die Zellenlänge der Probenzelle 1 verändert werden muß.
Ein derartiges Meßverfahren ist daher möglich, da eine Beziehung zwischen der Temperatur, der Konzentration und
der Emissionswellenlänge besteht, wie dies in den Fig. 18a - c und Fig. 15 dargestellt ist. Die Fig. 18a - c und
15 zeigen Emissionsspektren von COp bei vier unterschiedlichen
Temperaturen, nämlich 500 K, 6θΟ K, 1200 K bzw. 1500 K, abhängig von verschiedenen Produkten PxI. Wie
schon oben erläutert, ist bei konstanter Temperatur die spektrale Breite bei geringer Konzentration geringer als
bei hoher, während die Breite bei konstanter Konzentration mit zunehmender Temperatur aufgrund des Doppler-Effektes
zunimmt.
Unter Verwendung eines geeigneten Bandpassfilters kann daher eine Gaskomponente geringer Konzentration in der Gasprobe
bestimmt werden, indem die Gasprobe durch Einschalten beider Nlchromdrähte 4a und 4b stark erhitzt wird, während
eine höhere Konzentration ohne Änderung der Probenzelle oder des Filters bestimmt werden kann, indem das Probengas nur
durch Einschalten des Nichromdrahtes 4a weniger erhitzt wird.
TER MEER - MÜLLER . STEINM^S=TEf? · ; · . S " F0Ff13? - HO-109 3307132
Es sei angenommen, daß ein Bandpassfilter mit einer zentralen
Durchlaßfrequenz von 2200 cm" als Bandpassfilter 6a verwendet wird. Bei 500 K 1st dann die Strahlungsdosis von
Infrarotstrahlen gleich null, da die relative Strahlungsstärke 0,00001 oder geringer ist für alle Werte von Pl Ο,οοοΐ
atm.cm, Pl » 0,001 atm.cm, Pl = 0,01 atm.cm und
Pl a 0,1 atm.cm, wie in Pig. l8a dargestellt. Eine Messung
ist daher nicht möglich.
Wird das Probengas auf 600 K erhitzt, so läßt sich, wie in
Fig. l8b dargestellt, Strahlung bei 22oo cm" für Werte
Pl = 1 atm.cm und Pl = 0,1 atm.cm feststellen, aber nicht
für Pl = 0,01 bis 0,00001 atm.cm.
Bei Tempsraturen von 1200 K und 1500 K, wie in Pig. l8c
bzw. Fig. 15 dargestellt, 1st die Strahlungsstärke bei 2200 cm eine Punktion der Konzentration für Pl = 1 bis
0,0001 atm.cm. Für einen Wert Pl = 10 atm.cm und mehr liegt
dagegen Sättigung vor, so daß die Strahlungsstärke nur noch von der Temperatur abhängt, wodurch eine Messung der Konzentration
unmöglich ist.
Wie sich aus dem vorstehenden ergibt, läßt sich also der
Konzentrationsmeßbereich eines anmeldegemäßen Gasanalysators z. B. bei einer zentralen Durchlaßfrequenz von
2200 cm des Bandpassfilters 9 dadurch verändern, daß
nur die Temperaturen des Probengases z. B. auf 600 K, 1200 K oder I5OO K eingestellt werden, was z. B.durch
Einschalten nur einer oder mehrerer Nichromdrähte erfolgt. Die Zellenlänge der Probenzelle 1 ist zum Bestimmen unterschiedlicher
Konzentrationen nicht zu verändern, wie dies bei Absorptionsanalysatoren erforderlich ist.
TER MEER - MÜLLER · STEINm£|S«TEF3! · ; ; . *; · ^fforiba - HO-109 33071
Zum Einstellen unterschiedlicher Konzentrationsbereiche für unterschiedliche Gaskomponenten können beliebig viele
Temperaturstufen eingestellt werden. Das Einstellen der Gastemperatur kann durch Vorgeben des Heizstromes oder
durch Temperaturregelung erfolgen. Für unterschiedliche Konzentrationsbereiche kann eine Anzeigevorrichtung I7 mit
unterschiedlichen Skalen für jeden Konzentrationsbereich verwendet werden, der von der gewählten Temperatur oder
vom verwendeten Bandpassfilter abhängt. Es kann aber auch eine Digitalanzeige vorhanden sein, die die richtige Konzentration
unter Berücksichtigung des verwendeten Bandfilters oder der eingestellten Temperatur anzeigt.
Mit anmeldegemäßen Infrarotdetektoren ist es also auf einfachste Art und Weise möglich, in unterschiedlichsten
Konzentrationsbereichen zu messen, indem z. B. die Temperatur des Probengases verändert wird oder indem für die
unterschiedlichen Konzentrationsbereiche unterschiedliche Bandpassfilter verwendet werden. Je geringer die Konzentration
ist, desto höher muß die Temperatur des Probengases sein, oder desto größer muß die Wellenzahl der zentralen
Durchlaßwellenlänge des verwendeten Bandpassfilters sein. Die Verwendung von Probenzellen unterschiedlicher Längen
wie bei Absorptions-Gasanalysatoren ist nicht mehr erforderlich.
Der in Pig. 19 dargestellte anmeldegemäße Gasanalysator unterscheidet sich von allen im vorigen beschriebenen dadurch,
daß er statt eines einzigen Infrarot-Detektors zwei Einzeldetektoren 10.1 und 10.2 aufweist. Vor dem Einzeldetektor
10.1 ist ein Bandpassfilter 9.1 und vor dem Ein-
J50 zeldetektor 10.2 ein Bandpassfilter 9.2 angeordnet. Das
Bandpassfilter 9·1 läßt nur in dem Wellenlängenbereich durch, in dem von der zu bestimmenden Gaskomponente emit-
TER MEER.· MÜLLER ■ STEINMEISfEP* · ■ ;„"*·,;- HOribä - HO-3 09 O O Q "7 Λ Ο
tiert wird. Das Bandpassfilter 9-2 läßt dagegen in einem
Wellenlängenbereich durch, der dicht neben dem E.missionsbereich
der zu bestimmenden Gaskomponente liegt.
Die Einzeldetektoren 10.1 und 10.2 sind an einen Teller
angeschlossen, der das Verhältnis der Ausgangssignale berechnet. Der Teiler 22 ist über einen Verstärker 12 mit
einer Anzeigevorrichtung 17 verbunden. Auf dieser wird die Konzentration der zu bestimmenden Gaskomponente auf
Grundlage des Verhältnisses der Ausgangssignale aus den Detektoren 10.1 und 10.2 bestimmt.
Auf den Detektor 10.1 fallen also durch das Bandpassfilter 9·! hindurch Emissionsstrahlen der Gaskomponente,
deren Konzentration zu bestimmen ist. Auf den Einzeldetektor 10.2 fallen dagegen durch das Filter 9.2 hindurch Infrarotstrahlen
in einem dicht daneben liegenden Wellenlängenbereich, Da die Probenzelle 1 auf hohe Temperaturen erhitzt
wird, gibt sie von ihren Wänden starke Infrarotstrahlung ab, die im entsprechenden Wellenlängenbereich ebenfalls
durch die Filter 9.1 und 9.2 tritt. Dieser Einfluß wird aber durch die Quotientenbildung eliminiert. Darüber
hinaus werden durch die Quotientenbildung Fehler eliminiert, die durch Änderungen im Strahlungskoeffizient der Flächen
der Probenzelle! durch Verschmutzung oder durch Ändern des
Durchlaßfaktors des Fensters 6a durch dessen Verschmutzung herrühren. Dadurch wird die Drift der Messung praktisch auf
den Wert null geführt. Die Konzentration einer Gaskomponente kann daher sehr genau angezeigt werden.
Die Strahlungsdosis von Infrarotstrahlen von der Wand der
Probenzelle 1 ist durch folgende Gleichung (J) gegeben:
TER MEER - MÜLLER
■ STEINM&STEB! ' * \ . *.' 11S^a*.- H0'109 O O Π Η Λ
τ» w » »« «» \J \J \J I I
darin bedeuten:
T : Temperatur
^.: Wellenlänge
,.: Strahlungskoeffizient
C1 und C2: Konstanten
^.: Wellenlänge
,.: Strahlungskoeffizient
C1 und C2: Konstanten
Entsprechend ist die Strahlungsdosis von Infrarotstrahlung der Wellenlänge 2 von ^er Wand der Probenzelle 1 durch
folgende Gleichung (4) ausgedrückt:
L (Tl2T) = ^2C1/V2"5 . e χ ρ ( - -—^ ) (4)
Das Verhältnis der Strahlungsdosen von Infrarotstrahlung der Wellenlänge A1 und der Wellenlänge ?l2, d. h. das
Verhältnis L(A2T)A(A1T) ergibt sich aus den Gleichungen 3 und 4 wie folgt:
L ( A2T)
-L- = R(T)
(A)
τ!
Die Änderung der Strahlungsstärke von Infrarotstrahlen,
die von der VJand der Probenzelle 1 aufgrund deren Verunrei nigung abgestrahlt wird, ist daher im Hinblick auf die
Genauigkeit der Messung vernachlässigbar, da ^o/^l unSe~
fähr eins ist, wenn A1 ungefähr A2 ist. Das heißt, daß
der Ausgang von zwei Infrarotdetektoren 10.1 und 10.2 konstant ist, wenn die Temperatur konstant ist.
TER MEER · MÖLLER . STEINMElSTEfS * * * . ": '^^P^l ~ HO-109 33071
Wenn nun diejenige Wellenlänge, bei der* eine Gaskomponente
am stärksten Infrarotstrahlung emmittiert als Tl1 gewählt
wird und die Wellenlänge, die neben diesem ' Emissionsbereich
liegt als "K, gewählt wird, wird die Strahlungsdosis
durch die folgende Gleichung (6) gegeben. Die Probenzelle ist dann also nicht mit einem Nullgas, sondern mit dem Probengas,
das die zu bestimmende Gaskomponente enthält, gefüllt.
£«; Strahlungskoeffizient der Komponente, deren
Konzentration zu bestimmen ist.
Das Verhältnis L (\oT)/Lt (\^) der gesamten Strahlungsdosis
von Infrarotstrahlen der Wellenlänge \~ und der gesamten
Strahlungsdosis von Infrarotstrahlen der Wellenlänge 7^1
für den Pail, daß Infrarotstrahlen von der zu bestimmenden
Komponente nicht abgestrahlt werden und für den Fall, daß Infrarotstrahlen von der zu bestimmenden Komponente abgestrahlt
werden, ist durch die folgende Gleichung (7) gegeben :
— = R1 (T)
^1? 11
Nun ist £,q = 1 - exp ( -f(7t) . u ) und R1 (T) eine Funktion
der Konzentration der Gaskomponente, vorausgesetzt, daß die Zellenlänge konstant ist. Es ist u = Zellenlänge χ Partialdruck.
u entspricht bei konstanter Zellenlänge also der Konzentration.
TER MEER · MÜLLER · STEINMtEISTER " ;. . ! Hclrifca ".- HO-IOQ 3 3071
Ein anmolde^cmäßer Analysator wird nlno durch Verunreinigung
dor Wand der Probenzelle 1 und des Fensters 6a nicht beeinflußt und zeigt somit keine Drift des Nullpunktes, da angenommen
werden kann, daß £,, und £p ähnlich verändert werden,
wenn Nullgas in der Probenzelle 1 enthalten ist.
Mit der angegebenen Ausführungsform läßt sich also die Konzentration
einer Gaskomponente ohne Beeinflussung durch eine Nullpunktsdrift sehr genau bestimmen. Es ist keine
Infrarot-Lichtquelle und eine diese stabilisierende Spannungsquelle erforderlich.
Leerseite
Claims (14)
- TER MEER. MÜLLER-.STEINMfelSft-Eft ^ ί . V f??*^0 H°-1nQPATENTANSFRÜCHR/1.} Infrarot-Gasanalyseverfahren, bei dem die Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß- das Gasgemisch erhitzt wird,- Bnissions-Infrarotstrahlung der Gaskomponente gemessen wird und- aus der Strahlungsstärke die Konzentration bestimmt wird.
- 2. Infrarot-Gasanalysator zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch- eine Probenzelle (1), die das Gasgemisch enthält,- eine Heizvorrichtung (4, 16) zum Erhitzen des Gasgemisches,- ein infrarotdurchlässiges Fenster (6a) an der Probenzelle,- ein Bandfilter (9), das die Emissions-Infrarotstrahlung der Gaskomponente durchläßt und- einen Infrarotstrahlungs-Detektor (10).
- 3· Analysator nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen optischen Zerhacker (7) zwischen dem Fenster (6a) und dem Detektor (10).
- 4. Analysator nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine Scnlitzblende (14, 27) zwischen dem Fenster (6a) und dem Detektor (10).
- 5· Analysator nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung ein in der Wand der Probenzelle (1) liegender Heizer (4) ist.TER MEER . MÜLLER . STEINMCISJEF? · : : . I ' :*";HofAba - HO-109
- 6. Analysator nach ein^m der Ansprüche 1 - K, dadurch gekennzeichnet, daß eine außerhalb der Probenzelle liegende Heizvorrichtung (16) vorhanden ist.
- 7. Analysator nach einem der Ansprüche 2-6, gekennzeichnet durch eine Restgaszelle 01) mit im wesentlichen der optischen Dicke der Probenzelle (1), in welcher Restgaszelle ein Gasgemisch vorhanden ist, das mit dem Gasgemisch in der Probenzelle bis auf die zu bestimmende Gaskomponente, die fehlt, im wesentlichen übereinstimmt.
- 8. Analysator nach einem der Ansprüche 2-7, d a durch gekennzeichnet, daß die dem dem Detektor (10) zugewandten Fenster (6a) gegenüberliegende Fläche mit einem Spiegel (S) versehen ist.
- 9. Analysator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (S) eben ist.
- 10. Analysator nach Anspruch 8, dadurch g e kennzeichnet, daß der Spiegel (S) konkav ist.
- 11. Analysator nach einem der Ansprüche 2 - 10, d a durch gekennzeichnet, daß das Fenster (Oa) eine konvexe Linse ist.
- 12. Analysator nach einem der Ansprüche 2-11, d a d u r c h /■; e k e η η ζ e 1 0 h η e t , daß zwischen der Probenzelle (1) und dem Detektor (10) eine Zusatzzelle (2.5) der optischen Länge der Probenzelle (1) angebracht ist, in welcher Zusatzzelle ein kaltes Gasgemisch vorhanden ist, das mit dem Gasgemisch in derTER MEER · MÖLLER · STEINMCISTEf? ·· · . ': -Hprifca: - HO-109 ^ ^ (Ί 7- ix-3"Probenzelle bis auf die zu bestimmende Gaskomponente, die fehlt, im wesentlichen übereinstimmt.
- 13. Analysator nach einem der Ansprüche 2 - 12, da durch gekennzeichnet, daß das Filter (9) mehrere vjahlwelse in den Strahlengang einführbare Teilfilter (9a, 9b) mit voneinander unterschiedlichen Durchlaßbereichen aufweist.
- 14. Analysator nach einem der Ansprüche 2 - 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung des Heizers (4, Ιό) einstellbar 1st, wodurch die Gastemperatur abhängig von der Konzentration der zu bestimmenden Gaskornponente einstellbar 1st.
Applications Claiming Priority (7)
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| JP3370682U JPS58136760U (ja) | 1982-03-09 | 1982-03-09 | 赤外線輻射式ガス分析計 |
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| JP3370882U JPS58136762U (ja) | 1982-03-09 | 1982-03-09 | 赤外線輻射式ガス分析計 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
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| DE19720007C2 (de) * | 1997-05-13 | 1999-06-02 | Siemens Ag | Gassensorsystem zur Detektion von mindestens einem Gas oder von Partikeln oder einer Kombination daraus mit zwei Gassensoren, Verfahren zu dessen Betrieb und Verwendung des Gassensorsystems |
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-
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- 1983-03-07 GB GB8306205A patent/GB2116317B/en not_active Expired
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| Title |
|---|
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| GB8306205D0 (en) | 1983-04-13 |
| GB2116317A (en) | 1983-09-21 |
| GB2116317B (en) | 1985-08-14 |
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