DE3307133A1

DE3307133A1 - Infrarotstrahlungs-gasanalyseverfahren und-gasanalysator

Info

Publication number: DE3307133A1
Application number: DE19833307133
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Kyoto Ebi; Kimio Kyoto Miyatake; Katsuhiko Osaka Tomita
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 1982-03-09
Filing date: 1983-03-01
Publication date: 1983-09-29
Also published as: DE3307133C2; GB8306203D0; GB2116316A; GB2116316B

Description

TER meer · möller ·: STEirüMfeifeT^R " '. .' ' Horiba - HO-IO3/HO-IO6

- 5 Bes chrelbung

Die Erfindung betrifft ein· Infrarotstrahlungs-Gasanalyseverfahren und einen Gasanalysator zum Durchführen des Verfahrens .

Herkömmliche Verfahren zum Bestimmen von Gaskonzentrationen beruhen auf dem Lambert-Beerschen Gesetz. Mit einem nicht dispersiven Infrarot-Absorptionsanalysator wird die konzentrationsabhängige Absorption eines Probengases gemessen. Ein solcher Analysator benötigt eine Infrarotlichtquelle und eine stabilisierte Spannungsquelle zum Stabilisieren der Lichtquelle. Aufgrund einer komplizierten Schaltung ist ein solcher Analysator auch teuer. Darüber hinaus muß eine optische Ausrichtung erfolgen, um die Lichtmenge, die auf eine Bezugszelle und die Lichtmenge, die auf die Probengaszelle fällt, einzustellen. Die Bezugszelle ist erforderlich, um eine Drift der Lichtquelle und der Meßzelle, also der Probengaszelle, auszugleichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Infrarotstrahlungs-Gasanalyseverfahren anzugeben, das einfach durchzuführen ist. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugründe, einen Infrarotstrahlungs-Gasanalysator anzugeben, der einfach aufgebaut ist.

Gemäß der erfindungsgemäßen Lösung wird nicht mehr die Absorption, sondern vielmehr die Emission eines erhitzten Probengases gemessen. Dadurch entfällt die bisher erforderliche Lichtquelle und die zugehörige Stabilisierung. Die Emission des Probengases wird in zwei Wellenlängenbereichen gemessen, und zwar zum einen im Strahlungsbereich des Probengases, wozu ein erstes Filter verwendet wird, das nur in diesem Strahlungsbereich durchlässig ist,

JO und zum anderen in einem zum Strahlungsbereich be-

TER MEER. MÜLLER .lStEir^MfelSTfeR - . iiOriDa -

nachbarten Wellenlängenbereich, der dem Durchlaßbereich eines zweiten Filters entspricht. Beide Filter weisen in Bezug auf Halbwertsbreite und Höhe im wesentlichen gleiche Durchlaßcharakteristik auf. Die ermittelten Meßwerte werden dann entweder voneinander abgezogen oder durcheinander geteilt.

Zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird erfindungsgemäß entweder ein Detektor mit zwei Einzeldetektoren verwendet, vor denen jeweils die genannten Filter stehen. Oder es wird in besonders vorteilhafter Weise nur ein Detektor verwendet, an dem die sich um eine gemeinsame Achse drehenden beiden Filter vorbeigedreht werden. Dadurch ist zugleich ohne Verwendung eines zusätzlichen Zerhackers eine Zerhackerwirkung erzielt.

Die Erfindung sowie Weiterbildungen derselben werden im folgenden anhand von durch Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Infra-

rotstrahlungs-Gasanalysators mit zwei von einer geschlossenen Meßzelle aus bestrahlten Einzeldetektoren;

Fig. 2a dan Kmissionnspektrain einen"¹ 7,n hnntiinmonden Gaskornponente;

Fig. 2b die Durchlaßbereiche eines ersten und eines

zweiten Filters gemäß der Ausführungsform von Fig. 1;

TER meer · Müller * stEi&MEföTfeR * "* · Horiba - HO-103/HO-l

Pig. 3 einen Analysator ähnlich dem von Pig. 1, jedoch mit einem Rohr als Meßzelle;

Pig. 4 einen Gasanalysator gemäß Pig. I, jedoch mit

nur einem Detektor und mit auf einer Zerhackerscheibe befestigten Filtern;

Fig. 5 eine Frontansicht der Zerhackerscheibe der Ausführungsform gemäß Flg. 4; und

Fig. 6 einen Gasanalysator gemäß Fig. 4, jedoch mit einem Rohr als Meßzelle.

Die Meßzelle 1 von Fig. 4 weist einen Gaseinlaß 2 und einen Gasauslaß 3 auf. Die Innenfläche der Meßzelle ist verspiegelt. An ihren beiden Enden ist die rohrförmige Meßzelle mit Fenstern la und Ib aus infrarotdurchlässigem Material verschlossen, wodurch Hintergrundstrahlung vermindert wird. Durch einen Heizer 4 wird das Probengas in der Meßzelle auf mindestens 100 ⁰C erhitzt, so daß es Infrarotstrahlung abgibt. Dadurch wird der Anteil der Strahlung des Probengases gegenüber dem Anteil der Hintergrundstrahlung erhöht. Die Meßzelle 1 ist durch isolierendes Material 5 wärmeisoliert.

Vor dem vorderen Fenster la der Meßzelle 1 ist ein Detektor 7 mit zwei Einzelelementen 7a und 7b angeordnet. Im Strahlengang zwischen dem Fenster la und dem Detektor 7 befindet sich eine drehend angeordnete Zerhackerscheibe

Vor dem ersten Einzeldetektor 7a ist ein erstes Filter 8 und vor dem zweiten Einzeldetektor 7b ist ein zweites Filter 9 angeordnet. Das erste Filter 8 ist im wesentlichen nur im Strahlungsbereich W (Flg. 2a, 2b) desjenigen

TER MEER. MÜLLER ·: S-FEiraMElfeTER : .... Horlba - Hü-lUy ttU-

Gases durchlässig, das im Probengas nachgewiesen werden soll. Zum Bestimmen der Konzentration von zum Beispiel COp liegt die Durchlässigkeit im 4,j5 um-Band. Das zweite Filter 9 weist im wesentlichen einen Durchlaßbereich W¹ auf, der neben dem Strahlungsbereich W aber vorzugsweise nahe bei diesem liegt. Beide Filter 8 und 9 weisen im wesentlichen dieselbe Durchlässigkeit und dieselbe Halbwertsbreite auf.

Durch diese Anordnung der Filter und Einzeldetektoren und durch die angegebene Auswahl der Filter ist es möglich, den Anteil von Hintergrundstrahlung zu eliminieren, wie weiter unten ausgeführt wird. Der Infrarotdetektor 7 ermittelt daher letztendlich nur die Infrarot-Strahlungsstärke, die von dem zu bestimmenden Gas in der Gasprobe herrührt. Der Detektor 7 gibt aufgrund der Wirkung des Zerhackers 6 ein Wechselspannungssignal ab, das der Konzentration des zu bestimmenden Gases entspricht.

Die vom Detektor 7 abgegebenen Signale werden durch einen Verstärker 10 verstärkt und durch eine Ausgabe- oder Anzeigeeinheit 14 dargestellt, wodurch die Konzentration des zu bestimmenden Gases angegeben wird.

Beim angegebenen Gasanalysator wird von der Meßzelle 1 also Infrarotstrahlung des bei einem bestimmten Druck vorliegenden zu bestimmenden Gases und Hintergrundstrahlung abgegeben. Ist das Gas, dessen Konzentration zu bestimmen ist, zum Beispiel COp, so läßt das erste Filter 8 eine Strahlungsmenge (A + B) durch, wobei A derjenige Infrarot-Strahlungsanteil ist, der ausschließlich vom COp herrührt, d.er also die Wellenlängen im Strahlungsbereich V/

JO gemäß Fig. 2a aufweist. Der Strahlungsanteil B rührt von Strahlung im Durohlaßbereich W^T gemäß Fig. 2b her und

TER MEER -MÜLLER -STE^MEI^TER./ ' ^r,.*\.,^: Horlba - H0-103/H0-106

entspricht der Infrarot-Hintergrundstrahlung. Das zweite Filter 9 läßt dagegen nur Hintergrundstrahlung der Strahlungsmenge B¹ durch. Diese Hintergrundstrahlung liegt in einem Wellenlängenbereich W¹ nahe dem S trahlungsbereich W. Wegen der angegebenen Durchlaßcharakteristik der beiden Filter sind die Bereiche der durchgelassenen Wellenlängen im wesentlichen gleich, wie dies in Fig. 2b dargestellt ist und damit ist B in etwa gleich B*.

Vom Einzeldetektor 7a wird also die Strahlungsmenge (A + B) und vom Einzeldetektor 7b die Strahlungsmenge B* gemessen. Die beiden Meßwerte werden voneinander abgezogen, wodurch sich der Anteil der Hintergrundstrahlung heraushebt.(A + B - B¹ = A, da B = B¹). Daher wird letztendlich die Strahlungsmenge A der Infrarotstrahlung gemessen, die von dem zu bestimmenden Gas abgestrahlt wird. Diese Messung ist sehr genau, da kein Anteil von Hintergrundstrahlung mehr überlagert ist. An dieser genauen Bestimmung ändert sich auch dann nichts, wenn sich der Anteil der Hintergrundstrahlung ändert, zum Beispiel durch Verschmutzen der Zelle oder des Fensters la oder andere Effekte. Bei der Messung wird immer nur die vom zu bestimmenden Gas emittierte Strahlung gemessen.

Statt in einer Meßzelle . kann

das Gas auch außerhalb der Zelle erhitzt werden und dann mit durch ein Thermometer vorbestimmter Temperatur in die Meßzelle 1 eingeführt werden. So kann statt der Meßzelle gemäß Fig. 1 auch ein mit einem Fenster la versehenes Rohr verwendet werden, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Das Rohr ist zum Beispiel ein Abgasrohr einer Verbrennungs-

J)O maschine oder einer Fabrik. Der prinzipielle Aufbau des Analysators bleibt von der genauen Ausführungsform der Meßzelle unberührt.

TER MEER - MÜLLER - STEINMfelSTER . - ·._■■__- Horiba - HO-I03/HO-l06

Beim Gasanalysator gemäß Pig. 4 ist die Meßzelle 1 genau gleich aufgebaut wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. Vor dem Fenster la 1st jedoch nur ein einziger Detektor 7, ohne Einzeldetektoren, angeordnet. Im Körper 11 einer Zerhackerscheibe 6 sind symmetrisch zur Drehachse der Zerhackerscheibe die Filter 8 und 9 angeordnet, deren Durchlaßcharakteristiken gewählt sind, wie dies anhand des AusfUhrungsbeispieles der Fig. 1 erläutert worden ist. Der Zerhacker 6 und die in seinem Körper 11 befestigten Filter 8 und 9 sind so angeordnet, daß sich beim Drehen des Zerhackers 6 abwechselnd das Filter 8 und das Filter im Strahlengang zwischen dem Fenster la und dem Detektor befinden. Vor dem Detektor 7 ist eine schlitzförmige Blende 12 angeordnet, deren Schlitz bei der dargestellten Anordnung vertikal steht.

Der Infrarotdetektor 7 mißt aufeinanderfolgend die Strahlung, die einmal durch das erste Filter 8 und dann durch das zweite Filter 9 auf ihn trifft. Er erzeugt dadurch ein Wechselspannungssignal, dessen Amplitude den jeweiligen Strahlungsstärken entspricht. Der Detektor in den beschriebenen Ausführungsbeispielen kann ein Festkörperdetektor, ζ. B. ein pyroelektrischer Detektor, sein. Das Wechselspannungssignal vom Infrarotdetektor 11 wird durch einen Verstärker 12 verstärkt und durch einen Vergleichsrechner Ij5 ausgewertet, der die Differenz oder das Verhältnis der verstärkten Meßwerte bildet und auf einem Konzentrationsanzeigegerät 14 anzeigt, das die Konzentration der zu bestimmenden Gaskomponente aufgrund des Ausgangssignals des Vergleichsrechners IJ> bestimmt.

j50 Wie anhand der Ausführungsform der Fig. 1 beschrieben, wird wiederum entweder die Differenz der Meßwerte (A + B) und B^T oder der Quotient*gebildet. Es ergibt sich dann

*aus den Größen AxB und B¹

3JU / I JJ

»I* 9 * ^a # · * # β« ν -t m m

TER meer -Möller j siEliJjjvTEföTfeR,""·_' ·..· Horiba - HO-I02/H0-106

- 11 -

der Wert (A + B - B^T = A, da B = B¹) oder (A x B)/B^! = _A,

da B = B¹. Die Messung ist damit wieder unabhängig von einer Verschmutzung der Meßzelle 1, insbesondere ihres Fensters la oder von Temperaturschwankungen.

Entsprechend der Ausführungsform der Fig. 3 mit einem Rohr als Meßzelle 1 kann auch bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 ein Rohr als Meßzelle verwendet werden, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist. Das Rohr kann wiederum das Abgasrohr einer Fabrik oder einer Verbrennungsmaschine sein. Das Infrarotdurchlässige Fenster la ist in der Wand dieses Rohres statt am Ende der Meßzelle gemäß der Ausführungsform von Fig. 4 angebracht. Der übrige Aufbau ist unverändert.

Bei allen Ausführungsformen anmeldegemäßer Ga.sana.lysatoren können unterschiedliche Gaskomponenten mit unterschiedlichen E;missionswellenlängen auf einfache Art und Weise gemessen werden, indem die Filter 8 und 9 entsprechend ausgewählt werden, d. h. das Filter 8 jeweils so, daß gerade die Emissionswellenlängen durchstrahlen können, während das Filter 9 gleiche Durchlässigkeit und Halbwertsbreite aufweist wie das Filter 8, jedoch in einem benachbarten Wellenlängenbereich- Die Zahl der in einer Gasprobe bestimmbaren Gaskomponenten ist somit unbegrenzt. Die konkrete Ausbildung der Filter und der Detektoren ist für den Anmeldegegenstand unerheblich.

Ein anmeldegemäßer Gasanalysator erfordert also keine stabilisierte Lichtquelle und eine dazugehörige Spannungsquelle wie herkömmliche nicht dispersive Infrarot-Absorptionsanalysatoren. Weiterhin sind eine Bezugszelle zum Eliminieren von aufgrund der Drift der Lichtquelle entstehenden Fehlern und der zugehörige optische Justier-

TER MEER . MÜLLER * ,STEIIXMEf^THR. ■ .. - ΗθΓlba - HO-1 Oj/HO-1 06

mechanismus nicht erforderlich. Anmelaegemäße Gasanalysatoren sind daher einfach aufgebaut und billig herstellbar. Konzentrationsmessungen für Gaskomponenten sind daher so schwierig, da die von der Meßzelle emittierte Infrarot-Hintergrundstrahlung normalerweise mehrfach oder zigfach größer ist als die von der zu bestimmenden Gaskomponente abgestrahlte Strahlungsmenge. Bei geringen Änderungen der Temperatur ändert sich daher der Nullpunkt der Messung. Auch bei einer Änderung der Zelle, des Zellfensters, z. B.

in Bezug auf den Strahlungskoeffizienten oder dergleichen, ändert sich der Nullpunkt, was erheblichen Einfluß auf Fehler bei der Messung der Konzentration nimmt. Beim anmeldegemäßen Verfahren und mit anmeldegemäßen Gasanalysatoren kann jedoch die zu bestimmende Gaskomponente in ihrer Konzentration dadurch genau festgelegt werden, daß der Einfluß der Hintergrundstrahlung ausgeschaltet wird. Es wird also nur die Strahlungsmenge der von der Gaskomponente emittierten Infrarotstrahlung bestimmt, indem der für sich gemessene Wert der Hintergrundstrahlung B* von einem Meßwert A+ B abgezogen wird oder das Verhältnis ,(A χ B)/B¹ gebildet wird, wobei A die Strahlungsmenge ist, die von der Gaskomponente herrührt und B ein Hintergrund-Strahlungsanteil ist, der im wesentlichen dem Anteil B¹ entspricht.

Leerseite

Claims

TER MEER-MULLER-STEINMEISTER

PATENTANWÄLTE — EUROPEAN PATENT ATTORNEYS

Dipl.-Ghem, Dr. N. tar Meer Dipl.-Ing. H. Steinmeister SSi""" Artur-Ladebeck-Strasse ₅,

D-8OOO MÜNCHEN 22 D-48OO BIELEFELD 1

Mü/J/Ho
ΗΟ-103/ΗΟ-Ιθβ

-1. März 1983

HORIBA, LTD.

2 Miyanohigashi-machi,

Kissyoin, Minaml-ku, Kyoto, Japan

Infrarotstrahlungs-Gasanalyseverfahren und Gasanalysator

Prioritäten:

9. März 1982, Japan, GbM-Anm. 57-33702/82 9. März 1982, Japan, GbM-Anm. 57-33703/82

10

Ansprüche

( Iy Infrarotstrahlungs-Gasanalyseverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß

a) heißes Probengas verwendet wird,

b) mit der IR - strahlung des Probengases ein Detektor (7) durch ein erstes Filter (8) und ein zweites Filter (9) hindurch bestrahlt wird, wobei ba) das erste Filter so gewählt wird, daß es im

wesentlichen nur im Strahlungsbereich (W) der zu bestimmenden Gaskomponente durchlässig ist und

TER MEER. MÖLLER ^Si LINMfefeTER · Horlba - HO-10^/HO-IOO

bb) das zweite Filter so gewählt wird, daß es im wesentlichen einen Durchlaßbereich (W¹) gleicher Halbwertsbreite und Höhe aufweist wie das erste Filter, jedoch zu solchen Wellenlängen verschoben, daß es im Strahlungsbereich

der zu bestimmenden Gaskomponente nicht durchlässig ist, und

el) der zweite Meßwert der Strahlung durch das zweite Filter vom ersten Meßwert der Strahlung durch das erste Filter abgezogen wird, welcher Differenzmeßwert der Komponenten-Gasmenge entspricht.

2. Infrarotstrahlungs-Gasanalyseverfahren gemäß den Merkmalen a - bb des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß

c2) der erste Meßwert der Strahlung durch das erste Filter durch den zweiten Meßwert der Strahlung durch das zweite Filter geteilt wird, welcher Quotient der Komponenten-Gasmenge entspricht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchlaßbereich (W¹) des zweiten Filters (9) dicht neben dem

S trahlungsbereich (W) der Gaskomponente liegend gewählt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, d a ρ,-durch gekennzeichnet, daß der

erste und der zweite Meßwert gleichzeitig mit einem ersten Einzeldetektor (7a) bzw. einem zweiten Einzeldetektor (7b) gemessen werden.

TER meer · Müller * stEitäMfefeTER / ' °„/ "· Horiba - HO-IO3/HO-IO6

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Meßwert und der zweite Meßwert nacheinander durch abwechselndes Einbringen des ersten Filters (8) bzw. des zweiten Filters (9) vor den Detektor (7) ermittelt werden.

6. Infrarotstrahlungs-Gasanalysator zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch k, gekennzeichnet durch

- eine ein infrarotdurchlässiges Fenster (^aufweisende Meßzelle (1), in der sich Probengas befindet,

- einen Detektor (7) mit einem ersten Einzeldetektor (7a)' und einem-zweiten Einzeldetektor (7b),

- ein erstes Filter (8) im Strahlengang vor dem ersten Einzeldetektor (7a), mit der gemäß dem Merkmal ba von Anspruch 1 gewählten Eigenschaft,

- ein zweites Filter (9) mit der gemäß dem Merkmal bb von Anspruch 1 gewählten Eigenschaft und

- eine Schaltung (10, Ij5) zur verfahrensgemäßen Verarbeitung der beiden Meßwerte von den beiden Einzeldetektoren.

7· Analysator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang zwischen dem Fenster (la) und dem Detektor (7) ein Zerhacker (6) angeordnet ist.

8. Infrarotstrahlungs-Gasanalysator zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch

- eine ein infrarotdurchlässiges Fenster (la) aufweisende Meßzelle (1), in der sich Probengas befindet,

- einen Detektor (7),

TER meer · Müller : SiEiliiMfeföTER Horiba - HO-IO^/HO-l06

- einen drehend im Strahlengang zwischen dem Fenster (la) und dem Detektor (7) angeordneten Zerhacker, der ein erstes Filter (8) und ein zweites Filter (9) symmetrisch zu seiner Drehachse aufweist, wobei -- das erste Filter die gemäß dem Merkmal ba von Anspruch 1 gewählte Eigenschaft aufweist, und -- das zweite Filter die gemäß dem Merkmal bb von Anspruch 1 gewählte Eigenschaft aufweist, und

- eine Schaltung (10, 1;5) zur verfahrensgemäßen Verarbeitung der beiden Meßwerte von den beiden Einzeldetektoren.

9. Analysator nach einem der Ansprüche 6-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßzelle (1) bis auf einen Gaseinlaß (2) und einen Gasauslaß (3) geschlossen ist und eine Heizung (4) aufweist. (Fig. 1, 4).

10. Analysator nach einem der Ansprüche 6-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßzelle (1) ein Rohr 1st, durch das heißes Proben- PQ gas strömt (Fig. ~5, 6).