DE3316334A1

DE3316334A1 - Verfahren und vorrichtung zur quantitativen konzentrationsbestimmung eines gases innerhalb eines gas-staubgemisches

Info

Publication number: DE3316334A1
Application number: DE19833316334
Authority: DE
Inventors: Günter Dipl.-Ing. 7803 Gundelfingen Fetzer; Heinrich 7831 Freiamt Hippenmeyer
Original assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Current assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Priority date: 1983-05-04
Filing date: 1983-05-04
Publication date: 1984-11-08
Also published as: DE3316334C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur quantitativen KonzentrationsbeStimmung eines Gases innerhalb eines Gas-Staubgemisches, bei dem eine für dieses Gas charakteristische optische Absorptionsbande erfaßt wird.

Bei derartigen Verfahren sind die Absorptionsbanden des zu untersuchenden Gases häufig durch Absorptionen anderer Stoffe, insbesondere von Stäub überlagert, so daß eine Messung allein der Absorption des zu untersuchenden Gases Schwierigkeiten bereitet. :

Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, aus der spektralen Messung innerhalb der betreffenden Absorptionsbande die Störeinflüsse durch andere Komponenten, insbesondere Staub zu eliminieren und so zu einer genauen Konzentrationsmessung des untersuchten Gases zu kommen.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß das Spektrum im Bereich der betreffenden Absorptionsbande spektral schmalbandig sehr schnell abgetastet wird und daß die Differen: des Integrals über die .Absorptionsbande und des Integrals über die bekannte Absorption der übrigen Komponenten gebildet wird. Sofern im Bereich der Absorptionsbande nur noch eine Staubabsorption vorliegt, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß von dem Integral über die Absorptionsbande das Integral über die bekan: Stäubabsorption abgezogen wird.

Erfindungsgemäß wird also der störende Untergrund der abgetasteten Absorptionsbande durch Differenzbildung eliminiert, so daß er die Konzentrationsmessung nicht mehr beeinträchtigen kann.

Um auch ein Driften der Anordnung aufgrund von Alterung der Strahlungsquelle, der Lichtempfängers usw. zu vermeiden, ist nach einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, daß vor der Integralbildung das Empfangslicht durch Vergleich mit vor der Meßstrecke abgenommenem Referenzlicht normiert wird.

Eine bevorzugte Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens kennzeichnet sich dadurch, daß ein das Spektrum im Bereich der Absorptionsbande durchlaufender Monochromator am Anfang der Meßstrecke vorgesehen ist, von dem ein Referenzlichtbündel auf einen Referenzphotoempf anger und ein Me β lichtbündel durch die Meßstrecke gelenkt wird, daß am Ende der Meßstrecke ein Meßphotoempfänger angeordnet ist und daß die Signale des Referenzphotoempfängers und des Meßphotoempfängers an.eine Auswerteelektronik angeschlossen sind, in der der Vergleich und die Integration erfolgen. Dabei soll insbesondere vorgesehen sein, daß die Auswerteelektronik über Steuerleitungen mit dem Monochromator verbunden ist und dessen Frequenzabtastzyklus mit der Integrationsstufe synchronisiert.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:

Figur 1 ein Absorptions-Wellenlängendiagramm zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Figur 2 eine Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. .. ;

Fig. 1 zeigt Absorptionskurven, wobei auf der Ordinate die Absorption A und auf der Abszisse die Wellenlänge Λ aufgetragen sind. Die oberste Kurve gibt die Gesamtabsorption A_e eines Gas-Staubgemisches zwischen den Wellenlängengrenzen A^ und λ ₂ wieder. Die Gesamtabsorption A_e setzt sich zusammen aus der unten dargestellten Absorption A des hinsichtlich seiner Konzentration

zu untersuchenden reinen Gases und der linear ansteigenden Staubabsorption A_g . Das Ziel des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, aus der Gesamtabsorption A_e die reine Gasabsorption A zu bilden und daraus die Konzentration des Gases möglichst genau zu bestimmen.

Die Konzentration C des Gases kann durch Integration der Gasabsorptionskurve A über die Wellenlänge zwischen den Grenzen A-, und A₂ wie folgt ermittelt werden:

c_g = I a„ . dA ^: (1)

Bei der tatsächlichen Messung kann jedoch lediglich die Gesamtabsorptionskurve A integriert werden. Zur Bildung der Gaskonzentration ist daher zunächst das Integral über die Gesamtabsorptionskurve A in die Integrale der Gasabsorptionskurve und der Staub-

absorptionskurve	wie	folgt zu	zerlegen	•	λ
				j I
		= }**	• dA +	λ
		^λ1

_st . d/l (2)

Für A„. gilt folgende Näherungsformel:

ÖL·

j = K 1 +K (3)

wobei

ist.

A ₁ und A ₀ sind die Absorptionen des Staubes bei den Wellenlängen /11 bzw. λ2.

Durch Einsetzen der Werte der Formeln 3, 4 und 5 in Formel 2 und Berechnung der Gaskonze:
sich der folgende Ausdruck:

und Berechnung der Gaskonzentration C gemäß Formel 1 ergibt

. ä,\ ■ - \ (K₁U + K₂) . dA

¹ (6)

Von dem Integral der Gesamtabsorptionskurve A ist also der sich aus dem zweiten Term der Formel 6 ergebende konstante Integralwert der Staubabsorption abzuziehen, wodurch ein exakter Wert für die Gaskonzentration gebildet wird.

In Fig. 1 ist zwischen zwei gestrichelten Linien ein sehr schmaler Wellenlängenbereich 10 gezeigt, der erfindungsgemäß bei der Messung in Richtung des Pfeiles f über die Absorptionskurve A zwischen den Wellenlängengrenz.en A₁ und A₇ hinweg läuft. In jedem Augenblick wird das Produkt A . dA gebildet, und diese Produkte werden dann im Sinne einer Integration aufaddiert.

Letzteres kann z.B. durch eine Vorrichtung nach Fig. 2 geschehen. Eine Lichtquelle 19 sendet ein breitbandiges Lichtbündel in einen Monochromator 11,_der über Steuerleitungen 18 mit einer Auswerteelektronik 17 verbunden ist und sehr-schnell periodisch den Wellenlängenbereich λ ., bis Λ ₂ durchläuft, so daß am Ausgang des Monochromators IT stets ein monochromatisches Lichtbündel austritt, dessen Wellenlänge sich laufend und schnell ändert. Das Lichtbündel wird durch einen Strahlen-

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teiler 20 in ein Referenzlichtbündel 1:3 und ein Meßlichtbündel 15 aufgeteilt. Das Referenzlichtbündel fällt auf einen Referenzphotoempfanger 14, während das Meßlichtbündel 15
durch eine Meßstrecke 12 hindurch auf einen Meßphotoempfänger 16 gelenkt wird. In der Meßstrecke 12 befindet sich das Gemisch von Staub und zu messendem Gas.

Die Signale der Photempfanger 14,16 sind an die Auswerteelektronik 17 angelegt, welche über ein Netzgerät 21 mit
Strom versorgt wird.

Die anhand von Fig. 1 beschriebenen Integrationsvorgänge werden von der Auswerteelektronik 17 ausgeführt.

Bevor jedoch die Integrationen durchgeführt werden, wird
in der Auswerteelektronik 17 der Quotient der Ausgangssignale der Photoempfänger 16 und 14 gebildet, um ein Driften der Anordnung z.B. durch Alterung der Strahlungsquelle auszuschalten und so das Empfangssignal des Meßphotoempfängers 16"zu normieren.

Die spektrale Zerlegung des Lichtbündels kann auch mit Hilfe
eines Gitterspiegels erfolgen. In der Bildebene des Spektrums kann eine schmale Spaltblende angeordnet sein. Die Größe der
Spaltblende in bezug auf die Aufweitung des Spektrums bestimmt dann die spektrale Bandbreite der durch die Spaltblende durchtretenden Strahlung. Wird nun die Spaltblende kurzzeitig über das Spektrum bewegt, so kann ein dahinterliegender Photoempfänger zeitlich selektiv das Spektrum abtasten/ und die
Integration kann in der vorstehend beschriebenen Weise durchgeführt 'werden.

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Claims

Verfahren und Vorrichtung

zur quantitativen Konzentrationsbestimmung eines Gases .. . innerhalb eines Gas-Staubgemisches

ansprüche :

1 J Verfahren zur quantitativen Konzentrationsbestimmung eines Gases innerhalb eines Gas-Staubgemisches, bei dem eine für dieses Gas charakteristische optische Absorptionsbande erfaßt wird, dadurch gekennze ichnet, daß das Spektrum im Bereich der betreffenden Absorptionsbande spektral schmalbandig sehr schnell abgetastet wird und daß die Differenz des Integrals über die Absorptionsbande und des Integrals über die bekannte Absorption der übrigen Komponenten gebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem im Bereich der Absorptionsbande nur noch eine Staubabsorption vorliegt, dadurch gekennz e ichnet, daß von dem Integral über die Absorptionsbande das Integral über die bekannte Staubabsorption abgezogen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t, daß vor der Integralbildung das Empfangslicht durch Vergleich mit vor der Meßstrecke (12) abgenommenem Referenzlicht normiert wird.
4. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein das Spektrum im Bereich der Absorptionsbande durchlaufender Monochromator (11) am Anfang der Meßstrecke (12) vorgesehen ist, von dem ein Referenzlichtbündel auf einen Referenzphotoempfänger (14) und ein Meßlichtbühdel (15) durch die Meßstrecke (12) gelenkt wird, daß am Ende der Meßstrecke (12) ein Meßphotoempfänger (16) angeordnet ist und daß die Signale des Referenzphotoempfängers (14) und des Meßphotoempfängers (16) an eine Auswerteelektronik (17) angeschlossen sind, in der der Vergleich und die Integration erfolgen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennze ichnet, daß die Auswerteelektronik (17) über Steuerleitungen (18) mit dem Monochromator (11) verbunden ist und dessen Frequenzabtastzyklus mit der Integrationsstufe synchronisiert.