DE3316334C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur quantitativen Konzentrationsbestimmung eines Gases innerhalb eines Gas- Staubgemischs nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE-OS 32 11 571 ist eine Spektrophotometereinrichtung mit einer Lichtquelle bekannt, die einen Monochromator beaufschlagt, dessen Licht über ein optisches Element zur Aufnahme einer Probe einem Photoempfänger zugeführt ist. Das Ausgangssignal des Photoempfängers wird an eine Auswertelektronik angelegt, die die Transmission oder das scheinbare Reflexionsvermögen der Probe als Funktion oder Wellenlänge ermittelt.

Um bei dieser Messung die spektralen Eigenschaften der Vorrichtung beseitigen zu können, wird vor Einbringen einer Probe in den Meßstrahlengang die Grundlinie der Vorrichtung ermittelt. Bei der eigentlichen Messung kann dann für jeden Meßwert ein Grundlinienkorrekturwert bestimmt werden, um dann jeweils den korrekten Meßwert zu erhalten.

Diese bekannte Vorrichtung arbeitet äußerst umständlich und zeitaufwendig und berücksichtigt nur Störeinflüsse, die durch die Spektrophotometereinrichtung selbst hervorgerufen werden. Störeinflüsse, die durch in der Probe befindliche Stoffe wie z. B. Staub oder Fremdgase hervorgerufen werden, können hierbei nicht berücksichtigt werden.

Aus dem Firmenprospekt Kieler Howaltswerke "Rapidspektroskop" 1. 63 ist ein Absorptionsspektralphotometer bekannt, das einen Gittermonochromator aufweist, dessen Ausgangslicht von einem Schwingspiegel über einen Meßstrahlengang und über einen Referenzstrahlengang auf einen Photomultiplier geworfen wird.

In einer Auswerteschaltung werden die dem von der Probe durchgelassenen Licht entsprechenden Signale des Photomultipliers mit den des dem Referenzstrahlengang zugeordneten Meßwerten normiert und in Abhängigkeit von der Wellenlänge angezeigt oder aufge­ zeichnet.

Auch mit diesem bekannten Absorptionsspektralphotometer läßt sich nur die Gesamtabsorption einer Probe ermitteln.

Aus der DE-OS 24 30 011 ist ein Zweistrahl-Photometer mit Interferenzfilter bekannt, bei dem zwei gleiche Lichtquellen durch eine Linse auf ein Interferenzverlaufsfilter abgebildet werden, so daß in der Ebene des Filters zwei Hilfslichtquellen entstehen, die auf einen Photoempfänger abgebildet werden. Zwischen den Hilfslichtquellen und dem Photoempfänger wird eine Probe angeordnet. Während einer Messung ist das Interferenzverlauffilter, das in seiner Ebene drehbar ist, einmal so angeordnet, daß beide Lichtquellen Licht mit einer ersten Wellenlänge aussenden und ein zweites Mal um 90° gedreht, so daß die beiden Lichtquellen Licht unterschiedlicher Wellenlänge aussenden, wobei die erste Wellenlänge in der Mitte zwischen den beiden zweiten Wellenlängen liegt.

Der Photoempfänger wird somit bei einer ersten Messung mit Licht der mittleren Wellenlänge beaufschlagt, daß sowohl aufgrund der Absorption der zu messenden Komponente als auch aufgrund der Absorption eines Störungsgrundes geschwächt ist. Bei der zweiten Messung mit gedrehtem Interferenzverlauffilter trifft Licht mit den beiden zweiten Wellenlängen auf den Photoempfänger auf, das nur durch die Absorption des Untergrundes geschwächt ist. Wird das Interferenzverlaufsfilter nun kontinuierlich gedreht, so schwankt das Ausgangssignal des Photomultipliers mit einer Amplitude um einen Mittelwert. Das Verhältnis der Amplitude des Ausgangssignals des Photoempfängers zu dessen Mittelwert gibt dann die gesuchte Konzentration der zu messenden Komponente an.

Mit dieser Vorrichtung kann nur die Konzentration von Substanzen bestimmt werden, die im wesentlichen symmetrische Absorptionsbande aufweisen. Dabei ist es erforderlich, daß die mittlere Wellenlänge genau mit dem Maximum der verwendeten Absorptionsbande der zu messenden Substanz zusammenfällt.

Die DE-OS 32 40 559 beschreibt schließlich ein Verfahren zur kontinuierlichen Messung der Masse von Aerosolteilchen in gasförmigen Proben sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Dabei wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, daß die Streuung von Licht an Aerosolteilchen einerseits von der Masse der Teilchen und andererseits von der Wellenlänge des verwendeten Lichts abhängt. Wird nun abwechselnd Licht mit einer ersten und einer zweiten Wellenlänge durch die Aerosolteilchen enthaltende Probe geschickt, so werden abwechselnd unterschiedliche Intensitäten von einem entsprechenden Photoempfänger registriert, dessen Differenz ein Maß für die Masse der Aerosolteilchen ist. Ändert sich diese Differenz, so zeigt dies eine Änderung der Masse der Aerosolteilchen an.

Mit diesem bekannten Verfahren läßt sich jedoch die Konzentration eines Gases innerhalb eines Gas-Staubgemischs nicht bestimmen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung zur quantitativen Konzentrationsbestimmung eines Gases innerhalb eines Gasstaubgemischs zu schaffen, mit der sich die Konzentration eines Gases unabhängig von der Form der verwendeten Absorptionsbande mit hoher Genauigkeit bestimmen läßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Durch die erfindungsgemäß vorgesehene kontinuierliche Messung der Absorption über die gesamte Absorptionsbande sowie die Integralbildung wird die Gesamtabsorption des zu messenden Gases bei der entsprechenden Absorptionsbande erfaßt. In gleicher Weise wird die Gesamtabsorption des Störuntergrundes ermittelt, so daß die Form der Absorptionsbande keinerlei Einfluß auf die Meßgenauigkeit hat.

Durch die Verwendung von einfachen elektronischen Schaltungselementen, wie Integrationsstufen und Differenzschaltungen, läßt sich somit eine sehr präzise arbeitende Vorrichtung schaffen, ohne daß die genaue Kenntnis der Form der Absorptionsbande des zu messenden Gases bekannt sein müßte. Es muß lediglich beachtet werden, daß die Grenzwellenlängen, die den Abtastbereich der Vorrichtung festlegen, neben der verwendeten Absorptionsbande liegen. Dies ist jedoch stets auf einfache Weise zu realisieren.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist im Patentanspruch 2 beschrieben.

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

Fig. 1 ein Absorptions-Wellenlängendiagramm und

Fig. 2 eine Vorrichtung zur quantitativen Konzentrationsbestimmung eines Gases.

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 λ₁ und λ₂ wieder. Die Gesamtabsorption A _e setzt sich zusammen aus der unten dargestellten Absorption A _g des hinsichtlich seiner Konzentration zu untersuchenden reinen Gases und der linear ansteigenden Staubabsorption A _St. Das Ziel des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, aus der Gesamtabsorption A _e die reine Gasabsorption A _g zu bilden und daraus die Konzentration des Gases möglichst genau zu bestimmen.

Die Konzentration C _g des Gases kann durch Integration der Gasabsorptionskurve A _g über die Wellenlänge zwischen den Grenzen λ₁ und λ₂ wie folgt ermittelt werden:

Bei der tatsächlichen Messung kann jedoch lediglich die Gesamtabsorptionskurve A _e integriert werden. Zur Bildung der Gaskonzentration ist daher zunächst das Integral über die Gesamtabsorptionskurve A _e in die Integrale der Gasabsorptionskurve und der Staubabsorptionskurve wie folgt zu zerlegen:

Für A _St gilt folgende Näherungsformel:

A _St = K₁λ. + K₂, (3)

wobei

und

K₂ = A _{λ 1} - K₁ · λ₁ (5)

ist.

A₁ und A₂ sind die Absorptionen des Staubes bei den Wellenlängen λ 1 bzw. λ 2.

Durch Einsetzen der Werte der Formeln 3, 4 und 5 in Formel 2 und Berechnung der Gaskonzentration C _g gemäß Formel 1 ergibt sich der folgende Ausdruck:

Von dem Integral der Gesamtabsorptionskurve A _e 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 Pfeils f über die Absorptionskurve A _e zwischen den Wellenlängengrenzen λ₁ und λ₂ hinweg läuft. In jedem Augenblick wird das Produkt A _e · dλ gebildet, und diese Produkte werden dann im Sinne einer Integration auf­ addiert.

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 λ₁ bis λ₂ durchläuft, so daß am Ausgang des Monochromators 11 stets ein monochromatisches Lichtbündel austritt, dessen Wellenlänge sich laufend und schnell ändert. Das Lichtbündel wird durch einen Strahlen­ teiler 20 in ein Referenzlichtbündel 13 und ein Meßlichtbündel 15 aufgeteilt. Das Referenzlichtbündel fällt auf einen Referenzphotoempfänger 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 Photoempfänger 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.

Claims (2)

1. Vorrichtung zur quantitativen Konzentrationsbestimmung eines Gases innerhalb eines Gas-Staubgemisches, mit einem von einer Lichtquelle beaufschlagten das Spektrum im Bereich einer Absorptionsbande durchlaufenden Monochromator, der am Anfang einer Meßstrecke vorgesehen ist und von dem ein Meßlichtbündel über die Meßstrecke gesendet wird, an deren Ende ein Meßphotoempfänger angeordnet ist, dessen die Abtastwerte des Spektrums bildende Ausgangssignale an eine Auswerteelektronik angelegt sind, dadurch gekennzeichnet,
daß die Ausgangssignale des Meßphotoempfängers (16) an eine Integrationsstufe der Auswerteschaltung (17) angelegt sind, die die Ausgangssignale im Sinne einer Integration aufaddiert, daß die den Abtastwerten an den Wellenlängengrenzen λ₁ und λ₂ entsprechenden Ausgangssignale des Meßphotoempfängers (16) einer zweiten Integrationsstufe der Auswerteschaltung (17) zugeführt sind und
daß die Ausgangssignale der Integrationsstufen an eine Differenzschaltung angelegt sind, deren Ausgangssignal der Konzentration des zu untersuchenden Gases entspricht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale des Meßphotoempfängers (16) über eine Divisionsschaltung an die Integrationsstufen der Auswerteschaltung (17) angelegt sind, wobei an die Divisionsschaltung Ausgangssignale eines Referenzphotoempfängers (14) angelegt sind, um die Ausgangssignale des Meßphotoempfängers (16) zu normieren.