DE3307133C2

DE3307133C2 - Infrarotemissions-Gasanalysator

Info

Publication number: DE3307133C2
Application number: DE19833307133
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Kyoto Ebi; Kimio Kyoto Miyatake; Katsuhiko Hirakata Osaka Tomita
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 1982-03-09
Filing date: 1983-03-01
Publication date: 1986-04-24
Also published as: DE3307133A1; GB2116316A; GB2116316B; GB8306203D0

Abstract

Ein Infrarot-Gasanalysator weist eine Meßzelle (1) mit einem durch eine Heizung (4) erhitzten Probengas auf. Durch ein infrarotdurchlässiges Fenster (1a) in der Meßzelle (1) dringt Infrarotstrahlung durch ein erstes Filter (8) in einen ersten Einzeldetektor (7a) und durch ein zweites Filter (9) in einen zweiten Einzeldetektor (7b). Das erste Filter (8) ist im wesentlichen nur im Infrarotstrahlungsbereich einer zu bestimmenden Gaskomponente durchlässig. Das zweite Filter weist im wesentlichen einen Durchlaßbereich gleicher Halbwertsbreite und Höhe auf wie das erste Filter, jedoch zu solchen Wellenlängen verschoben, daß es im Strahlungsbereich der Gaskomponente nicht durchlässig ist. Der Meßwert des zweiten Einzeldetektors (7b) wird vom Meßwert des ersten Einzeldetektors (7a) abgezogen, wodurch der Einfluß von Hintergrundstrahlung eliminiert ist.

Description

2. Infrarotemissions-Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Filter (8) vor einem ersten Detektor (Ta) und das zweite Filter (9) vor einem zweiten Detektor (Tb) der Detektoreinrichtung fest angeordnet ist.

3. Infrarotemissions-Gasanalysator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang zwischen dem Fenster (la,) und den Detektoren ein Zerhacker (6) angeordnet ist.

4. Infrarotem'ssions-Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Filter (8) und das zweite Filter (9) symmetrisch zur Drehachse auf der Zerhackerscheibe (11) eines drehbaren Zerhackers (6), der sich im Strahlengang zwischen dem Fenster (ta) und dem Detektor (7) befindet, angeordnet sind.

Die Erfindung betrifft einen Infrarotemissions-Gasanalysator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiger Infrarotemissions-Gasanalysator ist bereits aus der US-PS 41 10 618 bekannt. Bei ihm wird ein Probengas durch adiabatische Kompression erhitzt. Die entstehende Infrarotstrahlung wird durch ein Infrarotfilter hindurch, das nur im Infrarot-Wellenlängenbereich der zu untersuchenden Gaskomponente durchlässig ist, mittels einer Detektoreinrichtung gemessen. Das entsprechende Meßsignal ist jedoch fehlerbehaftet, da die gemessene Strahlung nicht nur die von der untersuchten Gaskomponente emittierte Infrarotstrahlung sondern auch die sogenannte Infrarot-Hintergrundstrahlung mit umfaßt.

Auf das Problem der Infrarot-Hintergrundstrahlung bei derartigen Messungen ist bereits in der Dissertation

ίο von H. H. Beiz, 1981, Seiten 1 bis 5 hingewiesen worden.

Aus der US-PS 15 78 549 ist bereits bekannt, bei

COrMessungen in einer leuchtenden Flamme eine zur Konzentrationsbestimmung geeignete Linie und eine benachbarte Linie zu messen, und das Meßergebnis ensprechend zu verarbeiten. Dieses Verfahren bezieht sich auf die Messung an leuchtenden Flammen und liefert keinen konkreten Hinweis auf die tatsächliche Ausbildung eines Infrarotemissions-Gasanalysators.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den eingangs genannten Infrarotemissions-Gasanaiysator so weiterzuentwickeln, daß es möglich ist, den Einfluß der Infrarot-Hintergrundstrahlung auf das Meßergebnis zur genaueren Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Probengas zu eliminieren.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im kennzeichenden Teil des Patentanspruchs 1 angegeben.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Ein InfrarotemiEsions-Gasanalysator nach der Erfindung besitzt eine bis auf einen Gaseinlaß und einen Gasauslaß geschlossene, ein infrarotdurchlässiges Fenster aufweisende Meßzelle zur Aufnahme eines Probengases mit einer zu untersuchenden Gaskomponente, eine Einrichtung zum Erhitzen des Probengases, eine Detektoreinrichtung zur Messung der durch das Fenster nach außen hindurchtretenden Infrarotstrahlung, ein im Strahlengang angeordnetes erstes Filter, das nur im Infrarot-Wellenlängenbereich der zu untersuchenden Gaskomponente durchlässig ist, eine mit der Detektoreinrichtung verbundene Auswerteschaltung, ein im Strahlengang anordbares zweites Filter, das einen Durchlaß-Wellenlängenbereich besitzt, der dicht neben dem Wellenlängenbereich des ersten Filters liegt, wobei die Halbwertsbreite und Höhe des Durchlaß-Wellenlängenbereichs des zweiten Filters derjenigen des ersten Filters entspricht, und eine so ausgebildete Auswerteschaltung, daß sie zur Erzeugung eines die Menge der untersuchten Gaskomponente bestimmenden Signals den zweiten Meßwert der Strahlung durch das zweite

so Filter vom ersten Meßwert der Strahlung durch das eiste Filter subtrahiert oder den ersten durch den zweiten Meßwert dividiert.

Vorzugsweise ist das erste Filter vor einem ersten Detektor und das zweite Filter vor einem zweiten Detektor der Detektoreinrichtung fest angeordnet

Nach einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind das erste Filter und das zweite Filter symmetrisch zur Drehachse auf der Zerhackerscheibe eines drehbaren Zerhackers, der sich im Strahlengang zwischen dem Fenster und dem Detektor befindet, angeordnet. Der Infrarotemissions-Gasanalysator erfordert keine stabilisierte Lichtquelle und eine dazugehörige Spannungsquelle, wie dies bei nichtdispersiven Infrarot-Absorptionsanalysatoren der Fall ist. Weiterhin sind keine Bezugszelle zum Eliminieren von aufgrund der Drift der Lichtquelle entstehenden Fehlern und dazugehörige optische Justiereinrichtungen erforderlich. Der Infrarotemissions-Gasanalysator ist darüber hinaus ge-

gen Temperaturänderungen bzw. gegen Änderungen der Meßzelle oder des Zellenfensters unempfindlich.

Die Zeichnung stellt Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Schnittansicht einer ersten Ausführungsfonn eines Infrarotemissions-Gasanalysators mit zwei von einer geschlossenen Meßzelle aus bestrahlten Detektoren;

F i g. 2a das Emissionsspektrum einer zu bestimmenden Gaskomponente;

Fig.2b die Durdi.JJbereiche eines ersten und eines zweiten Filters gemäß der Ausführungsform von F i g. 1;

F i g. 3 einen Infrarotemibsions-Gasanalysator ähnlich dem von F i g. 1, jedoch mit einem Rohr als Meßzelle;

F i g. 4 einen Infrarotemissions-Gasanalysator gemäß F i g. 1, jedoch mit mir einem Detektor und mit auf einer Zerhackerscheibe befestigten Filtern;

F i g. 5 eine Frontansicht der Zerhackerscheibe der Ausführungsform gemäß F i g. 4; und

F i g. δ einen Iisfrarotemissicns-Gasanalysator gemäß F i g. 4, jedoch mit einem Rohr als Meßzelle.

Die Meßzelle 1 von F i g. 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 \b aus infrarotdurchlässigem Material verschlossen, wodurch Hintergrundstrahlung vermindert wird. Durch eine Heizeinrichtung 4 wird das Probengas in der Meßzelle auf mindestens 100° C erhitzt, so daß es Infrarotstrahlung emittiert. 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 eine Detektoreinrichtung 7 mit zwei Detektoren 7a und 7b angeordnet Im Strahlengang zwischen dem Fenster la und der Detektoreinrichtung 7 befindet sich eine drehend angeordnete Zerhackerscheibe 11.

Vor dem en. :en Detektor 7a ist ein erstes Filter 8 und vor dem zweiten Detektor Tb ein zweites Filter 9 angeordnet. Das erste Filter 8 ist im wesentlichen nur im Strahlungsbereich W (Fig.2a, 2b) desjenigen Gases durchlässig, das im Probengas nachgewiesen werden soll. Zum Bestimmen der Konzentration von zum Beispiel CO2 lii-'gt die Durchlässigkeit im Bereich der 43 μπι-Bande. Das zweite Filter 9 weist im wesentlichen einen Durchlaßbereich W 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 diete Anordnung der Filter und Detektoren und durch die angegebene Auswahl der Filter ist es möglich, den Anteil von Hintergrundstrahlung zu eliminieren, wie weiter unten ausgeführt wird. Die Detektoreinrichtung 7 ermittelt daher letztendlich nur die Infrarot-Strahlungsstärke, die von dem zu bestimmenden Gas in der Gasprobe herrührt. Die Detektoreinrichtung 7 gibt aufgrund der Wirkung des Zerhackers 6 ein Wechselspannungssignal ab, das der Konzentration des zu bestimmenden Gases entspricht.

Die von der Detektoreinrichtung 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 beschriebenen O;.\sanalysator 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 CO₂, so läßt das erste Filter 8 eine Strahlungsmenge (A + B) durch, wobei A derjenige Infrarot-Strahlungsanteil ist der ausschließlich vom CO₂ herrührt, der also die Wellenlängen im Strahlungsbereich W gemäß F i g. 2a aufweist Der Strahlungsanteil B rührt von Strahlung im Durchlaßbereich Wgemäß Fig.2b her und entspricht der Infrarot-Hintergrundstrahlung. Das zweue Filter 9 läßt dagegen nur Hintergrundstrahlung der Strahlungsmenge B' durch. Diese Hintergrundstrahlung liegt in einem Wellenlängenbereich W nahe dem Strahlungsbereich W. Wegen der angegebenen Durchlaßcharakteristik der beiden Filter sind die Bereiche der durchgelassenen Wellenlängen im wesentlichen gleich, wie dies in F i g. 2b dargestellt ist und damit ist B in etwa gleich B'.

Vom Detektor 7a wird also die Strahlungsmenge (A + B) und vom Detektor 7b die Strahlungsmenge B' gemessen. Die beiden Meßwerte we^in voneinander abgezogen, wodurch sich der Anteil αττ Hir.tergrundstrahlung heraushebt (A + B - B' = A, da B = B')-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 1 oder des Fensters la oder andere Effekte. Bei der Messung wird immer nur die vom zu bestimmenden Gas emittierte Strahlung gemessen.

Statt in der Meßzelle kann das Gas auch außerhalb der Meßzelle erhitzt werden und dann mit vorbestimmter Temperatur in die Meßzelle 1 eingeführt werden. So kann statt der Meßzelle gemäß F i g. 1 auch ein mit einem Fenster la versehenes Rohr verwendet werden, wie dies in Fi g. 3 dargestellt ist Das Rohr ist zum Beispiel ein Abgasrohr einer Verbrennungsmaschine oder einer Fabrik. Der prinzipielle Aufbau des Analysators bleib: von der genauen Ausführungsform der Meßzelie unberührt.

Beim Gasanalysator gemäß F i g. 4 is' die Meßzelie 1 genau gleich aufgebaut wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1. Vor dem Fenster la ist jedoch nur ein einziger Detektor 7 angeordnet. In einer Zerhackerscheibe 11 des Zerhackers 6 sind symmetrisch zur Drehachse der Zerhackerscheibe 11 die Filter 8 und 9 angeordnet, deren Durchlaßcharakteristika gewählt sind, wie dies anhand des Ausführungsbeispieles der F i g. 1 erläutert worden ist. Der Zerhacker 6 und die in seiner Zerhackerscheibe 11 befestigten Filter 8 und 9 sind so angeordnet, (iaß sich beim Drehen der Zerhackerscheibe 11 abwechselnd das Filter 8 und das Filter 9 im Strahlengang zwischen dem Fenster la und dem Detektor 7 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. Die Detektoren in den beschriebenen Ausführungsbeispielen können Festkörperdetektoren, ζ. 3. pyroelektrische Detektoren, sein. Das Wechselspannungssignal vom Infrarotdetektor 7 wird durch einen Verstärker 10 verstärkt und durch einen Vergleichsrechner 13 ausgewertet, der die Differenz oder das Verhältnis der verstärkten Meßwer-

te bildet und auf einem Konzentrationsanzeigegerät 14 anzeigt, das die Konzentration der zu bestimmenden Gaskomponente aufgrund des Ausgangssignals des Vergleichsrechners 13 bestimmt.

Wie anhand der Ausführungsform der F i g. I beschrieben, werden die Differenz der Meßwerte (A + B) und B' oder der Quotient aus den Größen A + B und B' gebildet. Es ergibt sich dann der Wert (A + B - B' = A, da B = B') oder (A + B)/B'. Die Messung ist damit wieder unabhängig von einer Verschmutzung der Meßzelle 1, insbesondere ihres Fensters la oder von Temperaturschwankungen.

Entsprechend der Ausführungsform der F i g. 3 mit einem Rohr als Meßzelle 1 kann auch bei der Ausführungsform gemäß F i g. 4 ein Rohr als Meßzelle verwen- is det werden, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist. Das Rohr kann wiederum das Abgasrohr einer Fabrik oder einer Vcrbrsnniin^insschius sein. Dä£ infrärotciurchiässi⁰^ Fenster la ist in der Wand dieses Rohres statt am Ende der Meßzelle gemäß der Ausführungsform von F i g. 4 angebracht. Der übi ige Aufbau ist unverändert.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Infrarotemissions-Gasanalysator mit

— einer bis auf einen Gaseinlaß (2) und einen Gasauslaß (3) geschlossenen, ein infrarotdurchlässiges Fenster (ta) aufweisenden Meßzelle (1) zur Aufnahme eines Probengases mit einer zu untersuchenden Gaskomponente,

— einer Einrichtung (4) zum Erhitzen des Probengases,

— einer Detektoreinrichtung (7; 7a, Tb) zur Messung der durch das Fenster (ta) nach außen hindurchtretenden Infrarotstrahlung,

— einem im Strahlengang angeordneten ersten Filter (8), das nur im Infrarot-Wellenlängenbereich (W) der zu untersuchenden Gaskomponente durchlässig ist, und mit

— einer mit der Detektoreinrichtung (7; 7a, Tb) verbundenen Auswerteschaitung (10, 13,14),

dadurch gekennzeichnet, daß

— im Strahlengang ein zweites Filter (9) anordbar ist,

— das zweite Filter (9) einen Durchlaß-Wellenlängenbereich (W) besitzt, ,-1er dicht neben dem Wellenlängenbereich (W) des ersten Filters (8) liegt,

— die Halbwertsbreite und Höhe des Durchlaß-Wellenlängenbereichs (W) des zweiten Filters (9) derjenigen des ersten Filters (8) entsprechen, und daß

— die Auswerteschaltung so ausgebildet ist, daß sie zur Erzeugung eir«es di- Menge der untersuchten Gaskomponente bestimmenden Signals den zweiten Meßwert (B') der Strahlung durch das zweite Filter (9) vom ersten Meßwert (A + B) der Strahlung durch das erste Filter (8) subtrahiert oder den ersten durch den zweiten Meßwert dividiert.