DE3446436C2 - - Google Patents

Description

Aus der DE 28 03 369 A1 ist ein nichtdispersiver Infrarot- Einstrahl-Gasanalysator gemäß mit einem Infrarotstrahler, einer Meßküvette und einem nichtselektiven optopneumatischen Strahlungsempfänger bekannt. Die zu bestimmende Komponente des Meßgases befindet sich in einer vor dem Strahlungsempfänger angeordneten Selektivierungsküvette.

In der US-PS 37 69 096 ist ein Strahlungsdetektor mit einem pyroelektrisch wirkenden Empfänger beschrieben. Der Empfänger wird aus einem dünnen Film eines organischen Polymers, beispielsweise Polyvinylidenfluorid, hergestellt und ist mit einem elektrisch leitenden Material zur Bildung von Elektroden beschichtet, die über Leitungen mit einer Auswerteschaltung verbunden sind.

In J. Phys. E: Sci. Instrum., Vol. 14, 1981, S. 1415 bis 1419 ist ein Kohlendioxyd-Analysator mit offenem Meßstrahlenweg beschrieben, bei dem die Meßstrahlen eines Infrarotstrahlers nach Durchlaufen der Meßstrecke über Spiegel einem in gleicher Ebene wie der Strahler angeordneten Strahlungsempfänger zugeführt werden.

Durch die GB-PS 9 79 850 ist ein Zweistrahl-Infrarot-Gasanalysator bekannt, bei dem die die Meß- und Vergleichsküvette verlassenden Infrarotstrahlen von einem gemeinsamen Detektor aufgenommen werden, in dem ein teildurchlässiger Spiegel schräg angeordnet ist. Ein Teil der in den Detektor eintretenden Infrarotstrahlen durchsetzt den Spiegel und trifft auf eine photoelektrische Zelle, während ein anderer Teil rechtwinklig reflektiert wird und auf eine seitlich im Detektor angeordnete photoelektrische Zelle fällt. Die in Differenz geschalteten Ausgangswerte der photoelektrischen Zellen bilden ein Maß für die Konzentration des Meßgases.

Aus der DE-PS 10 17 385 ist bekannt, bei einem Infrarot-Einstrahl-Gasanalysator zur gleichzeitigen Analyse anderer Komponenten eines Gasgemisches den Empfänger für die Infrarotstrahlung mit einem durchsichtigen Boden zu versehen und im gleichen Strahlengang weitere Empfänger anzuordnen, welche mit den noch zu bestimmenden Gasen gefüllt sind.

Aus der DE 29 47 642 A1 ist eine Vorrichtung zur Überwachung der Komponenten eines Gases an Ort und Stelle mit einer in eine Gasleitung einsetzbaren Infrarotquelle, einem Detektor und einem zwischen Detektor und Strahlenquelle angeordnetes Bandfilter bekannt. In dem Strahlengang zwischen Detektor und Strahlungsquelle sind mit den zu bestimmenden Gasen gefüllte Filterzellen derart angeordnet, daß sie wahlweise abwechselnd in den Strahlengang einbringbar sind.

Nichtdispersive Gasanalysatoren sind meist mit einem optopneumatischen Empfänger ausgerüstet. Um die Stabilität des Nullpunktes gewährleisten zu können, sind solche Gasanalysatoren derart aufgebaut, daß ein Meßstrahl und ein Vergleichsstrahl erzeugt wird. Bekannt sind Gasanalysatoren, bei denen diese Strahlen räumlich voneinander getrennt sind.

Ein solcher Aufbau wird modernen elektrischen Verarbeitungsverfahren wie dem Eliminieren der die Symmetrie beeinflussenden Wirkungen (Nullpunktsfehlern) infolge Verschmutzung oder Alterung von Bauteilen durch Verknüpfen der Meß- und Vergleichssignale z. B. durch Quotientenbildung nicht gerecht, da Meß- und Vergleichsstrahl nicht den gleichen Vorbedingungen, Abschwächung durch Störeffekte, ausgesetzt sind. Die optischen und geometrischen Verhältnisse in den beiden Strahlengängen können sich zeit- und temperaturabhängig in verschiedener Weise ändern. Es verbleibt somit ein Nullpunktfehler, der um so größer ist, je kleiner der Meßbereich ist.

Außer diesem Nullpunktfehler tritt noch ein Empfindlichkeitsfehler auf, der z. B. durch die Abschwächung der Meßstrahlung hervorgerufen wird. Diese Probleme treten vor allem in der in-situ-Meßtechnik auf.

Auch werden in der in-situ-Analysentechnik Geräte mit Festkörperempfängern eingesetzt. Bei solchen Geräten wird die Selektivität mit Interferenzfiltern oder anderen dispersiven Elementen gewährleistet; auch läßt sich hierzu das Gasfilterkorrelationsverfahren einsetzen. Die hohe Selektivität, die mit den optopneumatischen Analysatoren erreicht wird, ist hierbei jedoch nicht gegeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen nichtdispersiven Infrarot-Einstrahl-Gasanalysator der eingangs genannten Art eine Einrichtung für einen Empfänger zu schaffen, die die Nullpunktsfehler klein und die Empfindlichkeitsfehler gering hält.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmalen.

Die Meß- und die Vergleichssignale werden bei dem Gasanalysator durch Ausnutzung der zwei Empfängereigenschaften zeitlich nacheinander in einem Strahlengang gewonnen, wodurch der Einsatz des neuen Gasanalysators auch in der in-situ-Meßtechnik möglich ist.

Die Folie aus Polyvinylidonfluorid kann in dem gasgefüllten Empfänger so angeordnet sein, daß sie von der in den Empfänger einfallenden Infrarot-Strahlung direkt getroffen wird. Es ist jedoch u. U. ausreichend, die Folie in einer seitlichen Kammer des Empfängers anzuordnen. Streustrahlen reichen aus, den gewünschten Meßeffekt zu erzielen. Die Wirkung bei dieser Ausführungsform läßt sich erhöhen, wenn in dem Empfänger ein Spiel schräg so eingebaut ist, daß die einfallende Infrarot-Strahlung in Richtung der Folie in die seitliche Kammer reflektiert wird.

Ist bei einem solchen mit seitlicher Kammer ausgestatteten Empfänger der Spiegel teildurchlässig ausgeführt und die rückwärtige Empfängerwand für die Infrarot-Strahlung durchlässig, so kann hinter dieser Kammer ein weiterer Empfänger oder eine Reihe weiterer Empfänger dieser Art zur Mehrkomponentenanalyse vorgesehen werden. Die Füllung jedes Empfängers entspricht der zu messenden Komponente.

Die elastische Folie aus Polyvinylidenfluorid kann beidseitig mit einer dünnen transparenten Metallschicht überzogen sein. Zur Erhöhung des pyroelektrischen Effektes läßt sich die der Infrarot-Strahlung zugewandte Seite der Folie schwärzen. Zur Abnahme der elektrischen Signale ist jede Metallschicht mit einem Anschluß versehen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Fig. 1 bis 6 der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen mit einer Absorptionsküvette ausgestatteten Gasanalysator;

Fig. 2 einen Gasanalysator im in-situ-Meßverfahren;

Fig. 3 einen Gasanalysator für Emissionsmessung;

Fig. 4 eine Variante der Empfängerkammer;

Fig. 5 ein Strahlendiagramm und

Fig. 6 eine Auswerteeinheit.

Fig. 1 zeigt einen Gasanalysator, bei dem die Infrarot-Strahlung einer Lichtquelle 1 in eine Absorptionsküvette 2 eintritt, die mit den für Infrarotstrahlung durchlässigen Fenstern 3 und 4 ausgestattet ist. Die Absorptionsküvette 2 wird von dem zu analysierenden Gas durchströmt, wozu ein Einlaßstutzen 5 und ein Auslaßstutzen 6 vorgesehen sind. Die durch das Fenster 4 die Absorptionsküvette 2 verlassende Infrarotstrahlung trifft durch das Filter 7 auf die Selektivierungsküvette 8, die die Meßkomponente enthält, und tritt dann in den mit Meßgas gefüllten Empfänger 9 ein. Zwischen der Absorptionsküvette 2 und dem Filter 7 ist das sich um die Achse 11 drehende Unterbrecherrad 10 als Modulationseinrichtung angeordnet. Das Unterbrecherrad 10 kann auch zwischen der Lichtquelle 1 und der Absorptionsküvette 2 angeordnet sein.

Die Selektivierungsküvette 8 wird in Richtung des Doppelpfeiles 12 intermittierend in den Strahlengang hineingeschoben. In dem Empfänger 9 ist die Einrichtung zur Umwandlung der auftreffenden Infrarotstrahlung in ein elektrisches Ausgangssignal angeordnet, die bei Strahleneinfall sowohl pyroelektrisch als auch optopneumatisch wirkt. Die dabei entstehenden Referenzsignale - als Folge des pyroelektrischen Effektes - und die piezoelektrischen Meßsignale - als Folge des optopneumatischen Effektes - werden an den Anschlüssen 14 abgenommen.

Die Einrichtung besteht aus einer Folie 13 aus Polyvinylidenfluorid. Diese Folie ist beidseitig mit einem dünnen transparenten elektrisch leitenden Material, vorzugsweise Metall, überzogen. Zur Erhöhung des pyroelektrischen Effektes kann die Folie 13 einseitig geschwärzt sein. Die Anschlüsse 14 stehen mit diesen Schichten in Verbindung.

Fig. 2 zeigt einen Gasanalysator zur in-situ-Messung. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform nach Fig. 1 dadurch, daß das Unterbrecherrad 10 unmittelbar vor der Lichtquelle angeordnet ist und daß der zu analysierende Gasstrom sich in dem Raum 15 zwischen der Lichtquelle 1 und dem Filter 7 befindet. Ansonsten sind gleiche Elemente der dargestellten Gasanalysatoren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Der mit einer Polyvinylidenfluorfolie ausgebildete Empfänger läßt sich auch bei einem Gasanalysator für die Emissionsmessung gemäß Fig. 3 verwenden. Mit Hilfe dieses Gasanalysators wird z. B. ein heißes, strahlendes Gas 16 analysiert. Es ist ein optisches Element, z. B. eine Sammellinse 17 oder eine Spiegelanordnung, vorgesehen, womit das heiße Gas auf den Empfänger abgebildet wird.

Der Erzeugung des Meßeffektes dient das Unterbrecherrad 10, das den Strahlengang periodisch unterbricht. Als vorteilhaft hat sich eine Unterbrecherfrequenz zwischen 5 und 20 Hz erwiesen.

Fig. 4 zeigt einen Gasanalysator, mit dem sich zwei Komponenten eines zu analysierenden Gases erfassen lassen. Die Infrarot-Strahlung gelangt nach Durchlaufen einer in der Fig. 4 nicht dargestellten Selektivierungsküvette 8 in den unteren Empfänger 9′, in dem ein teildurchlässiger Spiegel 18 angeordnet ist. Ein Teil der Infrarot-Strahlung wird durch den teildurchlässigen Spiegel 18 in die an dem Empfänger 9′ angebrachte seitliche Kammer 19 reflektiert, in der die Folie 13 angeordnet ist. Auf diese Weise wird z. B. CO gemessen.

Hinter den Empfänger 9′ läßt sich ein zweiter Empfänger 9′′ anordnen, so daß mit Hilfe dieses Empfängers 9′′ nach Fig. 4 noch eine andere Gaskomponente, z. B. CO₂, gemessen werden kann. Ein Teil der Infrarot-Strahlung durchläuft den Empfänger 9′ und tritt in den Empfänger 9′′ ein, der im vorliegenden Fall mit CO₂ gefüllt ist. Die Meßkomponente CO₂ wird mit Hilfe der Folie 13 in dem Empfänger 9′′ gemessen. Zu diesem Zweck wird eine Selektivierungsküvette mit CO₂-Füllung vor die Empfänger 9′ und 9′′ geschoben.

Der nach der Anordnung nach Fig. 4 aufgebaute Gasanalysator ist nicht auf die Analyse zweier Meßkomponenten beschränkt. Durch Hinzunahme weiterer Empfänger - ähnlich 9′ bzw. 9′′ - wird die Möglichkeit geschaffen, mehr als zwei Meßkomponenten zu messen. Die Anzahl der Meßkomponenten bestimmt die Anzahl der in den Strahlengang zu bringenden Selektivierungsküvetten und - falls eingesetzt - der Interferenzfilter.

Fig. 5 und 6 geben eine Vorstellung von dem Signal A, das an den Anschlüssen 14 der Folie 13 entsteht. Wenn bei dem Gasanalysator nach den Fig. 1, 2 und 3 die Selektivierungsküvette 8 sich außerhalb des Strahlenganges befindet, ergibt sich ein Signal mit großen Amplituden. In diesem Falle addiert sich, wie in Fig. 6 dargestellt, der pyroelektrische Effekt E _py zu dem piezoelektrischen Effekt E _pi.

Wird die Selektivierungsküvette 8 bei den Gasanalysatoren nach den Fig. 1 bis 3 in Richtung des Doppelpfeiles 12 in den Strahlengang hineingeschoben, dann entsteht an den Anschlüssen 14 ein kleines Signal, das in dem Kurvenzug nach Fig. 5 durch die Schwingungen kleiner Amplitude angedeutet ist. In diesem Falle ergibt sich an der Folie 13 aus Polyvinylidenfluorid nur der pyroelektrische Effekt E _py, wie es in dem Diagramm gemäß Fig. 6 schematisch angedeutet ist. Der piezoelektrische Effekt wird unterdrückt. In dieser Phase, in der das Referenzsignal gebildet wird, entsteht eine Vorabsorption der Strahlungsanteile in der Selektivierungsküvette 8, die mangels Absorption zu der Erwärmung des Gases in dem Empfänger 9 geführt hätten.

Nacheinander werden die Referenzsignale E _py und die Meßsignale (E _py+E _pi) durch die Anschlüsse 14 auf eine Auswerteeinheit gegeben. Das Umschalten dieser Auswerteeinheit ist mit Hilfe einer mechanischen oder elektrischen Vorrichtung mit der Bewegung der Selektivierungsküvette 8 in Richtung des Doppelpfeiles 12 synchronisiert.

Die Gasanalysatoren nach den Fig. 1 bis 3 sind zusätzlich mit einem Interferenzfilter 7 ausgestattet. Durch dieses Interferenzfilter 7 wird die Belastung der Folie 13 durch die auftreffenden Strahlungen in Grenzen gehalten. Außerdem werden Fehler vermieden, die durch absorbierende Begleitgase hervorgerufen werden können. Der Durchlaßbereich des Interferenzfilters 7 entspricht dem Absorptionsbereich der Meßkomponente.

Die Auswertung der in Fig. 5 bzw. Fig. 6 dargestellten elektrischen Signale kann in einer Rechenschaltung vorgenommen werden. Die Meßgröße E _A kann z. B. gemäß folgender Verknüpfung gewonnen werden:

wobei
α der Absorption der Meßkomponente entspricht und
β ein Faktor zur Nullpunkteinstellung bedeutet.

Claims (12)

1. Nichtdispersiver Infrarot-Einstrahl-Gasanalysator mit

• - einer Lichtquelle zur Erzeugung einer Infrarotstrahlung,
• - einer Modulationseinrichtung für die Infrarotstrahlung,
• - einer das zu analysierende Gas enthaltenden Meßstrecke,
• - einem Empfänger, der mit einem Gas gefüllt ist, welches im Absorptionsbereich der zu bestimmenden Gaskomponente absorbiert und der eine Einrichtung zur Umwandlung der auftreffenden Infrarotstrahlung in ein elektrisches Ausgangssignal aufweist und
• - einer Auswerteschaltung,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Einrichtung zur Umwandlung der auftreffenden Infrarotstrahlung in ein elektrisches Ausgangssignal aus einer Folie (13) aus Polyvinylidenfluorid besteht, die derart an die Auswerteschaltung angeschlossen ist, daß deren pyroelektrischer Effekt ein Referenzsignal und deren piezoelektrischer Effekt ein von der Konzentration der zu bestimmenden Gaskomponente abhängiges Meßsignal erzeugt und
• - eine Selektivierungsküvette (8) im Strahlengang vor dem Empfänger (9) vorgesehen ist, die zur Bestimmung des Referenzsignales in den Strahlengang einbringbar ist und mit dem gleichen Gas wie der Empfänger (9) gefüllt ist.

2. Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstrecke eine das zu analysierende Gas enthaltende Absorptionsküvette (2) ist.

3. Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstrecke für eine in-situ-Messung der Raum ( 15 ) zwischen der Lichtquelle (1) und dem Empfänger (9) ist.

4. Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle zur Erzeugung einer Infrarotstrahlung durch das zu analysierende und zum Strahlen angeregte Gas (16) selbst gebildet ist, dessen Strahlung mit Hilfe eines optischen Elementes, vorzugsweise einer Sammellinse (17), auf den Empfänger (9) gerichtet ist.

5. Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Empfänger (9) eindringende Infrarotstrahlung direkt auf die Folie (13) trifft.

6. Gasanalysator nach Anspruch 1 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (13) in einer seitlichen Kammer (19) des Empfängers (9′) angeordnet ist.

7. Gasanalysator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Empfänger (9′) ein teildurchlässiger Spiegel (18) schräg so angeordnet ist, daß die in den Empfänger (9′) eindringende Infrarotstrahlung auf die in der seitlichen Kammer (19) angeordnete Folie (13) reflektiert wird.

8. Gasanalysator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Analyse mehrerer Meßkomponenten der Empfänger (9′) für die Infrarotstrahlung teildurchlässig ist und daß hinter dem Empfänger (9′) weitere mit jeweils verschiedenen Gaskomponenten gefüllte Empfänger (9′′) vorgesehen sind.

9. Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Folie (13) beidseitig eine transparente Schicht aus elektrisch leitendem Material aufgebracht ist.

10. Gasanalysator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (13) auf der der Infrarotstrahlung zugewandten Seite geschwärzt ist.

11. Gasanalysator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalabgabe an der Folie (13) durch Anschlüsse (14) erfolgt, die mit den Schichten aus dem elektrischleitenden Material in Verbindung stehen.