-
-
Infrarot-Gasanalysator
-
Beschreibung Die Erfindung bezieht sich auf einen Infrarot-Gasanalysator
gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
-
Bei einem herkömmlichen Infrarot-Gasanalysator zur Bestimmung der
Konzentration von Gaskomponenten innerhalb eines Probengases treten bei der Messung
Fehler aufgrund der Absorption der Infrarotstrahlung durch Interferenz-bzw. Störgaskomponenten
innerhalb des Probengases auf.
-
Ein solcher Infrarot-Gasanalysator wird nachfolgend anhand der Fig.
5 näher erläutert. Er besitzt eine Referenzzelle 1 und eine Meßzelle 2, die nebeneinander
bzw.
-
in parallel zueinander verlaufenden Strahlenwegen liegen. Ferner weist
der herkömmliche Infrarot-Gasanalysator eine der Referenzzelle 1 zugeordnete Infrarotlichtquelle
3 und eine der Meßzelle 2 zugeordnete Infrarotlichtquelle 4 auf. In Strahlenrichtung
hinter den Zellen 1 und 2 sind ein Meßdetektor 5 und ein Kompensationsdetektor 6
angeordnet. Der Meßdetektor 5 liegt dabei optisch in Reihe mit der Referenzzelle
1, während der Kompensationsdetektor 6 optisch in Reihe mit der Meßzelle 2 liegt.
Besteht beispielsweise das Probengas aus der zu bestimmenden Gaskomponente S02 (Schwefeldioxid)
und der Interferenz- bzw. Störgaskomponente H20 (Wasserdampf), so liefert der Meßdetektor
5 ein Detektorausgangssignal a + b, das den Komponenten SO2 + H2O zugeordnet ist.
Dagegen liefert der Kompensationsdetektor 6 ein Ausgangssignal b, das dem SO2-Anteil
entspricht. Beide Signale
werden über Verstärker einer Signalverarbeitungsstufe
7, beispielsweise einem Subtrahierglied, zugeführt, um auf diese Weise den Signalanteil
der Interferenz- bzw. Störkomponente H2 0 zu kompensieren. Zwischen den Zellen 1
und 2 und dem Meßdetektor 5 ist weiterhin ein Chopper 8 angeordnet.
-
Ist die Konzentration der zu bestimmenden Gaskomponente SO2 im Probengas
gering und die Konzentration von H2O-Gas und CH4-Gas (Methangas), die als Interferenz-
bzw. Störkomponenten im Probengas anzusehen sind, hoch, so ist es schwierig, gleichzeitig
eine Kalibrierung für H2O-Gas und CH4-Gas durchzuführen. Üblicherweise wird zunächst
das CH4-Gas aus dem Probengas durch besondere Behandlung des Probengases entfernt.
Andererseits kann ein spezielles Gas im Kompensationsdetektor 6 vorhanden sein.
Messungen haben jedoch gezeigt, daß sich der Einfluß beider Störkomponenten durch
diese Maßnahmen nicht vollständig beseitigen läßt. Vielmehr müssen die Ausgangssignale
der Detektoren 5 und 6 mit Hilfe elektronischer Einrichtungen weiter verarbeitet
werden, insbesondere im Hinblick darauf, daß sich die Konzentration des eingeschlossenen
Gases ändern kann (Dispersion der Konzentration). Eine vollständige Beseitigung
der Störeinflüsse durch die H2O- bzw. CH4-Gaskomponenten ist aber auch in diesem
Fall nicht möglich.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Infrarot-Gasanalysator
der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß mit ihm der Einfluß von im Probengas
enthaltenen Interferenz- bzw. Störkomponenten auf das Meßergebnis sicher und ohne
aufwendige Signalnachverarbeitung kompensiert werden kann.
-
Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des
Patentanspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Ausge-
staltungen der
Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
-
Der Infrarot-Gasanalysator nach der Erfindung besitzt wenigstens eine
Infrarotstrahlenquelle, eine Probenkammer und einen pneumatischen Detektor mit einer
ersten und einer zweiten Detektorkaitirner eine erste Lichtaufnahmekammer, die mit
der ersten Detektorkammer des pneumatischen Detektors verbunden ist und Infrarotstrahlung
empfängt, die durch die Probenkammer hindurchgelaufen ist, eine zweite Lichtaufnahmekammer,
die mit der zweiten Detektorkammer des pneumatischen Detektors verbunden ist, im
Strahlengang hinter der ersten Lichtaufnahmekammer liegt und Infrarotstrahlung empfängt,
die die erste Lichtaufnahmekammer durchsetzt hat, sowie eine dritte Lichtaufnahmekammer,
die mit der zweiten Detektorkammer des pneumatischen Detektors verbunden ist und
Infrarotstrahlung empfängt, die durch die Probenkammer und durch ein Filter hindurchgelaufen
ist, dessen Filterbereich mit dem Absorptionswellenlängenbereich einer Interferenz-
bzw. Störgaskomponente in der Probenkammer übereinstimmt.
-
Entsprechend der Erfindung können die Einflüsse von wenigstens zwei
im Probengas enthaltenen Störgaskomponenten auf das Meßergebnis mit hoher Genauigkeit
beseitigt werden. Die Kompensation erfolgt dabei durch den Detektorbereich der Meßanordnung
selbst, die eine hohe Zuverlässigkeit besitzt und Signale mit hohem Signal/Rausch-Verhältnis
liefert. Da eine zusätzliche elektronische Signalverarbeitung zur Kompensation nicht
erforderlich ist, kann die elektronische Einrichtung des Infrarot-Gasanalysators
nach der Erfindung relativ einfach ausgelegt sein.
-
Nach einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist zwischen der
Probenkammer und der ersten Lichtaufnahmekammer ein weiteres Filter angeordnet,
dessen Filterbe-
reich mit dem Absorptionswellenlängenbereich einer
zu bestimmenden Gaskomponente in der Probenkammer übereinstimmt. Dieses Filter läßt
also nur Strahlung in die erste Lichtaufnahmekammer hinein, die im Absorptionswellenlängenbereich
der zu untersuchenden bzw. zu bestimmenden Gaskomponente liegt. Demgegenüber ist
das zweite Filter vor der dritten Lichtaufnahmekammer so ausgelegt, daß es nur Infrarotstrahlung
in die dritte Lichtaufnahmekammer hineinläßt, die im Absorptionswellenlängenbereich
der Interferenz- bzw. Störkomponente liegt.
-
Nach einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind
die Länge der Probenkammer im Bereich der ersten Lichtaufnahmekammer und die Länge
der Probenkammer im Bereich der dritten Lichtaufnahmekammer voneinander verschieden.
Hierdurch wird erreicht, daß die Meßempfindlichkeit im Bereich der dritten Lichtaufnahmekammer
23 gesteigert werden kann. Zu diesem Zweck können auch zwei Infrarotlichtquellen
vorgesehen sein, die unterschiedlich stark strahlen. Die eine Lichtquelle ist dabei
der ersten Lichtaufnahmekammer und die andere Lichtquelle der dritten Lichtaufnahmekammer
zugeordnet.
-
Nach einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung besteht die Probenkammer
aus zwei in Gasflußrichtung hintereinander angeordneten Teilprobekammern, die jeweils
auf einem Strahlenweg liegen, der parallel zum anderen Strahlenweg verläuft.
-
Eine andere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Probenkammer
aus zwei in Gasflußrichtung parallel zueinander angeordnete Teilprobenkammern besteht,
die auf einem einzigen Strahlenweg liegen.
-
Die Zeichnung stellt Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Es zeigen:
Fig.
1 eine schematische Darstellung eines Infrarot-Gasanalysators gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Infrarot-Gasanalysators
gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 3 eine schematische
Darstellung eines Infrarot-Gasanalysators gemäß einem dritten Ausführungsbeispiels
der Erfindung, Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Infrarot-Gasanalysators
gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und Fig. 5 eine schematische
Darstellung eines herkömmlichen Infrarot-Gasanalysators.
-
Im folgenden werden anhand der Fig. 1 bis 4 Infrarot-Gasanalysatoren
nach der Erfindung beschrieben. Die zu bestimmende Gaskomponente sei SO2, während
die Interferenz-bzw. Störkomponenten H2O-Gas und CH4-Gas sind.
-
Entsprechend der Fig. 1 besitzt ein Infrarot-Gasanalysator eine Infrarotlichtquelle
11 zur Aussendung von Infrarotstrahlung, eine Probenkammer 12, die einen Eingang
12a und einen Ausgang 12b besitzt und von der Infrarotstrahlung der Infrarotlichtquelle
11 durchstrahlt wird, eine nicht dargestellte Gasversorgungsstation zur Versorgung
der Probenkammer 12 mit Probengas, sowie einen zwischen der Infrarotlichtquelle
11 und der Probenkammer 12 angeordneten Chopper 13, der durch eine nicht dargestellte
Antriebseinrichtung zur Modulation der Infrarotstrahlung von der Infrarot-Lichtquelle
11 gedreht werden kann.
-
In Strahlenrichtung hinter der Probenkammer 12 befindet sich eine
Detektoreinrichtung 20, die im wesentlichen drei Lichtaufnahmekammern 21, 22, 23,
einen pneumatischen Detektor 24, beispielsweise vom Kondensatormikrophon-Typ, und
zwei Filter F1, F2 besitzt. Das Filter F1 ist allerdings nicht in jedem Fall erforderlich.
-
Die erste Lichtaufnahmekammer 21 ist mit einer Detektorkammer 24a
des pneumatischen Detektors 24 verbunden und empfängt Infrarotstrahlung, die zuvor
die Probenkammer 12 und das Filter F1 durchlaufen hat. Die zweite Lichtaufnahmekammer
22 ist mit der anderen Detektorkammer 24b des pneumatischen Detektors 24 verbunden
und optisch in Reihe bzw. in Strahlrichtung hinter der ersten Lichtaufnahmekammer
21 angeordnet. Die zweite Lichtaufnahmekammer 22 empfängt also die Infrarotstrahlung,
welche bereits die erste Lichtaufnahmekammer 21 durchlaufen hat.
-
Die dritte Lichtaufnahmekammer 23 ist ebenfalls mit der anderen Detektorkammer
24b des pneumatischen Detektors 24 verbunden, mit der auch die zweite Lichtaufnahmekammer
22 verbunden ist. Die dritte Lichtaufnahmekammer 23 empfängt Infrarotstrahlung,
welche die Probenkammer 12 und das zweite Filter F2 durchlaufen hat. Eine Membran
24c innerhalb des pneumatischen Detektors 24 wird aufgrund einer Druckdifferenz
zwischen den beiden'Detektorkammern 24a und 24b relativ zu einer Elektrode verschoben,
die erforderlichenfalls mit einem Verstärker 25 zur Verstärkung des Detektorausgangssignals
vom pneumatischen Detektor 24 verbunden ist.
-
Das Filter F1 ist ein positives Filter mit einem Filterbereich im
Gebiet der Absorptionswellenlänge von S02, also der zu bestimmenden Gaskomponente.
Das Filter F1 kann beispielsweise ein Festkörper-Bandpaßfilter sein, das Infrarotstrahlung
im Absorptionsband von SO2 hindurchläßt. Das Filter F2 ist ebenfalls ein positives
Fil-
ter mit einem Filterbereich im Gebiet der Absorptionswellenlänge
von CH4, das die Interferenz- bzw. Störkomponente bildet. Auch das Filter F2 kann
ein Festkörper-Bandpaßfilter sein, das Infrarotstrahlung im Absorptionsband von
CH4 hindurchläßt.
-
Die erste Lichtaufnahmekammer 21, die zweite Lichtaufnahmekammer 22
und die dritte Lichtaufnahmekammer 23 sind mit einem Gas gefüllt, welches Infrarotstrahlen
absorbiert, die eine Absorptionswellenlänge von SO2, also von der zu bestimmenden
Gaskomponente, besitzen. In den genannten Lichtaufnahmekammern befindet sich genauer
gesagt mit Stickstoff verdünntes So 2Gas mit jeweils gleicher Konzentration. Darüber
hinaus sind die Länge der ersten Lichtaufnahmekammer 21 und die Länge der zweiten
Lichtaufnahmekammer 22, jeweils in Richtung der Strahlung gesehen, vor der Bestrahlung
mit Infrarotstrahlung von der Lichtquelle 11 auf einen bestimmten Wert eingestellt,
so daß der Einfluß der Interferenz- bzw. Störkomponente H2O kompensiert ist.
-
Die zu bestimmende Gaskomponente bzw. das Probengas wird zunächst
in die Probenkammer 12 hineingelassen und anschließend von der Infrarotstrahlung
der Infrarotlichtquelle 11 durchstrahlt. Die erste Lichtaufnahmekammer 21 besitzt
an ihrer Lichteingangsseite das erste positive Filter F1 mit einem Filtergebiet
im Bereich der Absorptionswellenlänge von S02, während die dritte Lichtaufnahmekammer
23 parallel zur ersten Lichtaufnahmekammer 21 liegt und an ihrer Lichteingangsseite
das zweite positive Filter F2 besitzt, dessen Filterbereich der Absorptionswellenlänge
von CH4 zugeordnet ist. Das bedeutet, daß die erste Lichtaufnahmekammer 21 nur Infrarotstrahlung
mit einer Wellenlänge empfängt, die der Absorptionswellenlänge von SO2 entspricht,
während die dritte Lichtaufnahmekammer 23 nur Infrarotstrahlung empfängt, deren
Wel-
lenlänge der Absorptionswellenlänge von CH4-Gas entspricht.
-
Da die erste Lichtaufnahmekammer 21 mit der einen bzw. ersten Detektorkammer
24a des pneumatischen Detektors 24 und die zweite Lichtaufnahmekammer 22, die optisch
in Reihe bzw. hinter der ersten Lichtaufnahmekammer 21 liegt, sowie die dritte Lichtaufnahmekammer
23, die optisch parallel zur ersten Lichtaufnahmekammer 21 angeordnet ist, beide
mit der anderen bzw. zweiten Detektorkammer 24b des pneumatischen Detektors 24 verbunden
sind, können sowohl der Interferenz- bzw. Störeinfluß durch H2 0 durch die erste
Lichtaufnahmekammer 21 und die zweite Lichtaufnahmekammer 22 als auch der Interferenz-
bzw. Störeinfluß durch CH4-Gas durch die erste Lichtaufnahmekammer 21 und die dritte
Lichtaufnahmekammer 23 kompensiert werden. Es wird daher nur ein Detektorausgangssignal
vom pneumatischen Detektor 24 erhalten, in welchem bereits die Einflüsse der Interferenz-
bzw. Störkomponenten H2 0- und CH4-Gas kompensiert sind.
-
Die Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Infrarot-Gasanalysators
nach der Erfindung. Gleiche Elemente wie in Fig. 1 sind mit gleichen Bezugszeichen
versehen. Dieser Infrarot-Gasanalysator besitzt zusätzlich einen Gasumschalter 30,
beispielsweise ein rotierendes Ventil, um die Probengasströmung zu modulieren. Der
Gasumschalter 30 besitzt Öffnungen 31, 32, 33 und 34 sowie ein drehbares, plattenartig
ausgebildetes Zwischenelement 35. Die Öffnung 31 des Gasumschalters 30 ist mit einer
nicht dargestellten Gasversorgungsstation verbunden, die das Probengas liefert,
während die Öffnung 32 des Gasumschalters mit einer nicht dargestellten Gasversorgungsstation
verbunden ist, die ein Referenzgas liefert.
-
Die Öffnung 33 ist mit dem Eingang 12a der Probenkammer 12 verbunden,
um eine bestimmte Menge an Probengas A oder Referenzgas B abwechselnd nacheinander
in die Probenkammer 12 durch Betätigung des Gasumschalters 30 zu liefern.
-
Auch bei diesem Infrarot-Gasanalysator wird nur ein SO2 -Ausgangssignal
vom pneumatischen Detektor 24 erhalten, in welchem die Interferenz- bzw. Störeinflüsse
durch H2O- und CEI4-Gas kompensiert sind.
-
Ist die Meßempfindlichkeit für SO2, welches in der ersten Lichtaufnahmekammer
21, in der zweiten Lichtaufnahmekammer 22 und in der dritten Lichtaufnahmekammer
23 eingeschlossen ist, in der dritten Lichtaufnahmekammer 23 gering, so daß die
Interferenz- bzw. Störeinflüsse durch CH4-Gas in den genannten Einrichtungen nach
den Fig. 1 und 2 nicht hinreichend kompensiert werden können, so kann ein geringer
Betrag an CH4-Gas hinzugefügt werden, um die Meßempfindlichkeit der dritten Lichtaufnahmekammer
23 zu verbessern. Die Kompensation der Interferenz- bzw. Störeinflüsse durch H2
0 durch die erste Lichtaufnahmekammer 21 und die zweite Lichtaufnahmekammer 22 wird
dadurch nicht beeinträchtigt. Zusätzlich kann die länge der Probenkammer im Bereich
der ersten Lichtaufnahmekammer 21 und die Länge der Probenkammer im Bereich der
dritten Lichtaufnahmekammer 23 unterschiedlich gewählt werden. Andererseits ist
es auch möglich, zwei Infrarotlichtquellen zu verwenden, die unterschiedlich stark
strahlen.
-
Anhand der Fig. 3 wird ein so ausgebildeter Infrarot-Gasanalysator
näher beschrieben. Auch hier sind gleiche Teile wie in den Fig. 1 und 2 mit gleichen
Bezugszeichen versehen. Der Infrarot-Gasanalysator nach Fig. 3 besitzt zwei Probenkammern
14a und 14b mit unterschiedlicher Länge in Richtung der optischen Strahlenwege.
Beide Probenkammern 14a und 14b sind beispielsweise über eine Röhre untereinander
verbunden, so daß ein Gasaustausch erfolgen kann. Auf diese Weise kann die Meßempfindlichkeit
zur Kompensation des Einflusses des CH4-Gases durch unterschiedliche Längen der
Probenkammer 14 in den jeweiligen
Bereichen der Lichtaufnahmekammern
21 und 23 eingestellt werden. Entsprechend der Fig. 3 sind weiterhin zwei Infrarotlichtquellen
15a und 15b vorgesehen, die unterschiedlich stark strahlen. Die Strahlungsstärke
ist individuell einstellbar, so daß die Probenkammern 14a und 14b jeweils unterschiedlich
stark bestrahlt werden.
-
Auch auf diese Weise ist es möglich, die Meßempfindlichkeit zur Kompensation
des Einflusses des CH4-Gases einzustellen.
-
Wie in Fig. 3 dargestellt, sind die beiden Probenkammern 14a und 14b
in Reihe bzw. in Gasflußrichtung hintereinandergeschaltet. Demgegenüber liegen in
Fig. 4 zwei Probenkammern 16a und 16b in Gasflußrichtung parallel zueinander.
-
Entsprechend der Fig. 4 besitzen die beiden Probenkammern 16a und
16b eine unterschiedliche Länge in Richtung der optischen Achse des Systems. Beide
Probenkammern 16a und 16b werden durch Infrarotlichtquellen 17a und 17b jeweils
individuell bestrahlt. Der Gasumschalter 30 ist über eine Rohrleitung i8 sowohl
mit dem Eingang 16'a der Probenkammer 16a und dem Eingang 16'b der Probenkammer
16b verbunden. Durch den Gasumschalter 30 wird entweder das Probengas A oder das
Referenzgas B gleichzeitig in beide Probenkammern 16a und 16b geleitet.
-
Statt eines pneumatischen Detektors 24 vom Kondensatormikrophon-Typ
kann auch ein solcher vom Mikroflußsensor-Typ verwendet werden. Bei diesem Detektortyp
wird eine Strömung an einem zwischen beiden Detektorkammern liegenden heißen Draht,
beispielsweise einem Platindraht, durch den Differenzdruck zwischen beiden Detektorkammern
erzeugt. Aufgrund der Strömung wird der genannte Draht gekühlt, was den Detektor
in die Lage versetzt, ein entsprechendes Ausgangssignal zu liefern. Statt der positi-
ven
Filter F1, F2 können selbstverständlich auch negative Filter, z. B. Gasfilter, verwendet
werden.
-
Bei dem Infrarot-Gasanalysator nach Fig. 4 liegen die Infrarotlichtquellen
17a, 17b, die Probenkammern 16a, 16b, die Filter F1, F2 und die Lichtaufnahmekammern
21, 22 und 23 auf nur einer einzigen optischen Achse. Auch hier sind die Lichtaufnahmekammern
22 und 23 über ein Rohrleitungsstück direkt miteinander verbunden. Die Verbindung
der dritten Lichtaufnahmekammer 23 mit der zweiten Detektorkammer 24b des pneumatischen
Detektors 24 erfolgt über die zweite Lichtaufnahmekammer 22.
-
- Leerseite -