DE3822204C1 - Method and device for gas analysis - Google Patents

Method and device for gas analysis

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Ulrich Dipl.-Math. 7600 Offenburg De Klocke
Gerhard Dipl.-Phys. Dr. 7800 Freiburg De Schmidtke
Helmut Dipl.-Phys. 7802 Merzhausen De Wolf
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Abstract

A gas analysis device has a measuring branch (37) with an evaluation circuit (35) with Fourier filtering as well as a reference branch (12) which is connected via a control circuit (22) for the deflection of a mirror (6) to a rotational vibration overlying a rotary motion, the rotary motion being carried out uniformly. The positions of the extreme values of the second derivative from the derivative spectrometer are distorted on the sampling interval axis with the aid of an equidistancing device (21), and with the help of interval distortion data which are obtained in the reference branch (12), so that in each case only the component of a measured gas in the spectrum can be filtered out by means of the Fourier filtering (34). <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zur Gasanalyse gemäß den Oberbegriffen der An­ sprüche 1 und 2.The invention relates to a method and a Vorrich device for gas analysis according to the generic terms of An sayings 1 and 2.

Ein derartiges Verfahren sowie eine derartige Vor­ richtung sind aus der nicht vorveröffentlichten deut­ schen Patentanmeldung P 38 01 187.5-52 der Anmelderin bekannt und gestatten es, für jede Abtastung mit einem Spektralvorschub die Konzentration eines einzigen Gases zu erfassen. Die Vorrichtung zur Gasanalyse enthält eine Steuerungsschaltung für eine multifunktionale Bewegungshalterung, um im Derivativ-Spektrometer für die Nulldurchgänge der Meßgas-Linien den gleichen zeitlichen Abstand voneinander und von den Intervall­ enden des Abtastbereichs laufend einzustellen. Dies führt dazu, daß die spektrale Abtastung mit der einem jeweils vorgegebenen Meßgas zugeordneten speziellen sich zeitlich ändernden Abtastgeschwindigkeit immer nur für ein einziges Meßgas erfolgen kann. Aus diesem Grunde ist es mit dem in der früheren nicht vorver­ öffentlichten Patentanmeldung beschriebenen Verfahren und der Vorrichtung nur möglich, jeweils eine Gaskom­ ponente in einem Gasgemisch einzustellen und zu be­ stimmen. Ein weiterer Nachteil der früher beschriebenen Vorrichtung besteht darin, daß an die Steuerschaltung und die multifunktionale Bewegungshalterung bezüglich der Feinheit der Schritteinteilung, der Präzision und der Reproduzierbarkeit der Einstellung hohe Anfor­ derungen gestellt werden.Such a method and such a pre direction are from the unpublished German the patent application P 38 01 187.5-52 of the applicant known and allow one for each scan Spectral feed the concentration of a single gas capture. The device for gas analysis contains a control circuit for a multifunctional Movement mount to in the derivative spectrometer for the zero crossings of the sample gas lines are the same time interval from each other and from the interval end of the scanning range. This leads to the spectral scanning with the one each assigned specific measuring gas changing scanning speed only ever can be done for a single sample gas. For this Basically, it is not preceded by that in the previous one procedure described in public patent application and the device only possible, one gas com component in a gas mixture and be vote. Another disadvantage of those described earlier Device is that to the control circuit and the multifunctional movement bracket regarding the delicacy of the step division, the precision and the reproducibility of the setting high demands changes are made.

Ausgehend von diesem nicht vorveröffentlichten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gasanalyse zu schaffen, die es gestattet, mit einer sehr geringen Querempfindlichkeit für Störgase und einer hohen Empfindlichkeit für die zu erfassenden Meßgase auf einfache Weise und ohne mehrfache Abtastungen eine Konzentrationsbestimmung für mehrere Komponenten in einem Gasgemisch mit einer einzigen Spektralaufnahme durchzuführen.Based on this not pre-published status The invention is based on the object of technology. a method and an apparatus for gas analysis create that allows with a very low Cross sensitivity to interference gases and a high Sensitivity to the sample gases to be detected  simple way and without multiple scans one Concentration determination for several components in a gas mixture with a single spectral image perform.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist in Anspruch 2 gekenn­ zeichnet.This object is achieved according to the invention in a method of the type mentioned above by the characteristic Features of claim 1 solved. A device for Implementation of the method is known in claim 2 draws.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung wird als Lichtquelle eine breit­ bandige Strahlungsquelle verwendet, deren Licht nach dem Durchgang durch eine im Derivativ-Mode betriebene, dispergierende Einrichtung aufgespalten und sowohl durch den Gasgemisch-Meßraum als auch durch einen Referenzgaszweig geführt wird. Eine im Referenzzweig befindliche numerische Auswertevorrichtung verändert nacheinander für jedes Meßgas die Meßgasskala derart, daß die Nulldurchgänge des jeweiligen Meßgases auf einer angepaßten im Regelfall nichtlinearen Zeitskala äquidistant zueinander und zu den Intervallenden für die anzuschließende Fourierfilterung zur Unterdrückung der Signalanteile der Spektrallinien der übrigen Gase bzw. Störgase liegen.In the inventive method and the fiction according device is a wide as a light source banded radiation source used whose light after the passage through a derivative-operated, dispersing device split and both through the gas mixture measuring room as well as through a Reference gas branch is guided. One in the reference branch located numerical evaluation device changed successively the measuring gas scale for each measuring gas, that the zero crossings of the respective sample gas an adapted, usually non-linear time scale equidistant to each other and to the interval ends for the Fourier filtering to be connected for suppression the signal components of the spectral lines of the other gases or interfering gases.

Bei einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist vorgesehen, daß die im Derivativ-Mode operierende, dispergierende Einrichtung nach der Festlegung der Nulldurchgänge der Meßgase im Referenzzweig lediglich eines dieser Gase oder ein Gasgemisch zur Bestimmung der Wellenlängenskala im Referenzzweig beläßt und daß mit Hilfe der Auswertevorrichtung nach jedem Meßzyklus die Optimierung für jedes einzelne Meßgas zügig durch Periodisierung der Nullstellen mit Hilfe eines Rechners vollzogen wird.In a device for performing the method it is envisaged that the operating in the derivative mode dispersing device after fixing the Zero crossings of the sample gases in the reference branch only one of these gases or a gas mixture for determination the wavelength scale in the reference branch and that with the help of the evaluation device after each measuring cycle the optimization for each individual sample gas quickly  Periodization of the zeros with the help of a computer is carried out.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Advantageous embodiments of the invention are in the Subclaims marked.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, die in einer einzigen Figur ein Blockschaltbild des erfindungsge­ mäßen Derivativ-Spektrometer-Gasanalysegerätes zeigt.The following is an embodiment of the invention explained in more detail with reference to the drawing, which in a single figure is a block diagram of the fiction derivative spectrometer gas analyzer.

Das in der Zeichnung schematisch dargestellte Deriva­ tiv-Spektrometer gemäß der Erfindung enthält eine Strahlungsquelle 1 in Gestalt einer hochstabilisierten, breitbandigen Lichtquelle, deren Licht mit Hilfe eines in der blockschaltbildartigen Zeichnung als Block dargestellten Toroidspiegels 2 kollimiert wird. Das kollimierte Licht 3 beaufschlagt eine dispergierende Einrichtung 4, die beispielsweise ein planes, optisches Reflexionsgitter enthält, das um eine Achse drehbar ist, um durch eine Drehbewegung zwischen zwei Endposi­ tionen eine Abtastung eines Wellenlängenbereichs oder einen Spektralvorschub vorzunehmen. Der Drehbewegung des Reflexionsgitters ist eine Drehschwingung über­ lagert, so daß eine Derivativ-Spektroskopie durchge­ führt werden kann. Die dispergierende Einheit 4 kann statt eines optischen Reflexionsgitters, das die oben beschriebene mehrfunktionale Bewegung ausführt, auch andere Elemente enthalten, die eine Abtastung über einen Spektralbereich gestatten, wobei die verhältnis­ mäßig langsame Abtastung mit einer schnelleren Abtast­ schwingung gewobbelt ist. The schematically shown in the drawing derivative spectrometer according to the invention contains a radiation source 1 in the form of a highly stabilized, broadband light source, the light of which is collimated with the aid of a toroidal mirror 2 shown in the block diagram-like drawing as a block. The collimated light 3 acts on a dispersing device 4 , which contains, for example, a planar, optical reflection grating which can be rotated about an axis in order to carry out a scanning of a wavelength range or a spectral feed by rotating movement between two end positions. The rotational movement of the reflection grating is a torsional vibration superimposed so that a derivative spectroscopy can be performed. The dispersing unit 4 can instead of an optical reflection grating, which performs the multifunctional movement described above, also contain other elements that allow scanning over a spectral range, the relatively slow scanning is swept with a faster scanning vibration.

Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei­ spiel der Erfindung besteht die dispergierende Ein­ richtung 4 aus einem Prisma 5, dem ein Spiegel 6 zuge­ ordnet ist, so daß das kollimierte Licht 3 nach dem Durchtritt durch das Prisma 5 vom Spiegel 6 durch das Prisma 5 zurückreflektiert wird. Der Spiegel 6 ist auf einer multifunktionalen Bewegungshalterung befestigt, die es gestattet, den Spiegel 6 einerseits so zu ver­ schwenken, daß mit Hilfe des Prismas 5 ein größerer Spektralbereich abgetastet werden kann und andererseits um jede abgetastete Wellenlänge eine überlagerte peri­ odische Abtastung mit einer Amplitude möglich ist, die wesentlich kleiner als der gesamte Abtastbereich ist. Der Spiegel 6 läßt sich somit über einen verhältnis­ mäßig großen Winkelbereich verschwenken, wobei der Drehbewegung für den Spektralvorschub eine periodische Drehschwingung überlagert ist, um die Vorteile der Derivativ-Spektroskopie einsetzen zu können.In the embodiment of the invention shown in the drawing, the dispersing device 4 consists of a prism 5 , to which a mirror 6 is assigned, so that the collimated light 3 reflects back from the mirror 6 through the prism 5 after passing through the prism 5 becomes. The mirror 6 is attached to a multifunctional movement holder, which allows the mirror 6 to be pivoted on the one hand so that a larger spectral range can be scanned with the help of the prism 5 and, on the other hand, a superimposed periodic scanning with an amplitude is possible for each scanned wavelength which is significantly smaller than the entire scanning range. The mirror 6 can thus be pivoted over a relatively large angular range, the rotational movement for the spectral feed being superimposed on a periodic torsional vibration in order to be able to use the advantages of derivative spectroscopy.

Das aus dem Prisma 5 austretende schmalbandige in seiner Wellenlänge modulierte Licht 7 gelangt zu einem weiteren Toroidspiegel 8 und von dort zu einem Strahl­ teiler 9. Der Strahlteiler 9 teilt das schmalbandige Licht in ein Meßlichtbündel 10 und ein Referenzlicht­ bündel 11 auf.The emerging from the prism 5 narrow-band modulated in wavelength 7 reaches another toroidal mirror 8 and from there to a beam splitter 9th The beam splitter 9 divides the narrowband light into a measuring light beam 10 and a reference light beam 11 .

Das Referenzlichtbündel 11 gelangt in einen Referenz­ zweig 12 mit einer Küvettenrevolver-Anordnung 13, in der mehrere Referenzgasküvetten vorgesehen sind, die mit verschiedenen Referenzgasen gefüllt sind. Nach dem Durchqueren einer der mit einem Referenzgas, z.B. NH3, gefüllten Referenzgasküvetten gelangt das Referenz­ lichtbündel zu einem Referenzdetektor 14 und erzeugt dort je nach der augenblicklichen Intensität ein elek­ trisches Signal, das in einem ersten Lock-in-Verstärker 15 verstärkt wird, dessen Referenzeingang 16 mit einem elektrischen Referenzsignal beaufschlagt wird, dessen Frequenz gleich der überlagerten Schwingfrequenz für die dispergierende Einrichtung 4 ist.The reference light beam 11 arrives in a reference branch 12 with a cuvette turret arrangement 13 , in which a plurality of reference gas cuvettes are provided, which are filled with different reference gases. After crossing one of the reference gas cuvettes filled with a reference gas, for example NH 3, the reference light bundle arrives at a reference detector 14 and generates an electrical signal there, depending on the instantaneous intensity, which signal is amplified in a first lock-in amplifier 15 Reference input 16 is supplied with an electrical reference signal, the frequency of which is equal to the superimposed oscillation frequency for the dispersing device 4 .

Das Ausgangssignal des ersten Lock-in-Verstärkers 15 speist eine Referenzauswerteschaltung 17, die über eine Steuerleitung 18 mit dem Eingang einer Steuerschaltung 19 verbunden ist. Außerdem ist die Referenzauswerte­ schaltung 17 über eine Datenleitung 20 mit einem Daten­ eingang einer einen Spektralverlaufsspeicher aufwei­ senden Äquidistanzierungseinrichtung 21 verbunden.The output signal of the first lock-in amplifier 15 feeds a reference evaluation circuit 17 , which is connected via a control line 18 to the input of a control circuit 19 . In addition, the reference evaluation circuit 17 is connected via a data line 20 to a data input of an equidistant device 21 having a spectral curve memory.

Mit Hilfe der Referenzauswerteschaltung 17 wird im Referenzzweig 12 bei vorgegebener Schwingfrequenz und periodisch wiederholter Drehbewegung des Spiegels 6 für das wichtigste gesuchte Meßgas, z.B. NH3, in einem gesonderten Meßlauf mit der entsprechenden Referenz­ gasküvette die optimale Schwingamplitude für eine Steuerungsschaltung 29 ermittelt und bereitgestellt.With the help of Referenzauswerteschaltung 17 is in the reference branch 12 at a predetermined resonant frequency and periodically repeated rotational movement of the mirror 6 for the main searched measurement gas, eg, NH 3, in a separate measuring run with the corresponding reference, the optimum oscillation amplitude for a control circuit 29 gas cell is determined and provided.

In weiteren, gesonderten Meßläufen werden für jedes Gas mit gleichzeitigem Einbringen der entsprechenden Re­ ferenzgasküvetten in das Referenzlichtbündel 11 mit Hilfe der Küvettenrevolver-Anordnung 13 die Nulldurch­ gänge der Referenzgas-Linien erfaßt und jeweils in einem Speicherbereich eines Referenzspeichers in der Referenzauswerteschaltung 17 gespeichert.In further, separate measurement runs, the zero crossings of the reference gas lines are detected for each gas with simultaneous introduction of the corresponding reference gas cuvettes into the reference light beam 11 with the aid of the cuvette turret arrangement 13 and each stored in a memory area of a reference memory in the reference evaluation circuit 17 .

Dem Spiegel 6 ist eine in der Zeichnung als Block 22 schematisch dargestellte Antriebseinrichtung zugeord­ net, die es gestattet, dem Spiegel 6 einerseits eine Drehbewegung für den Spektralvorschub und andererseits eine überlagerte periodische Drehschwingung für die Derivativ-Spektroskopie zu verleihen. The mirror 6 is a drive device shown schematically in the drawing as block 22 assigned, which allows the mirror 6 on the one hand to give a rotational movement for the spectral feed and on the other hand a superimposed periodic torsional vibration for the derivative spectroscopy.

Die Antriebseinrichtung 22 des Spiegels 6 enthält einen ersten Eingang 23 zur Steuerung der Drehbewegung für den Spektralvorschub. Ein zweiter Eingang 24 gestattet die Steuerung der Drehschwingungsfrequenz und ein dritter Eingang 25 gestattet eine Steuerung der Ampli­ tude der Drehschwingungen. Die drei Eingänge 23, 24 und 25 sind über Steuerleitungen 26, 27 und 28 mit Steuer­ ausgängen der Steuerungsschaltung 29 verbunden.The drive device 22 of the mirror 6 contains a first input 23 for controlling the rotary movement for the spectral feed. A second input 24 allows control of the torsional frequency and a third input 25 allows control of the amplitude of the torsional vibrations. The three inputs 23 , 24 and 25 are connected via control lines 26 , 27 and 28 to control outputs of the control circuit 29 .

Die Steuerungsschaltung 29 verfügt über Eingänge, die in der sich aus der Zeichnung ergebenden Weise mit der Steuerschaltung 19 und der Referenzauswerteschaltung 17 verbunden sind. Der Referenzeingang 16 des ersten Lock-in-Verstärkers 15 ist mit einer Ausgangsleitung der Steuerungsschaltung 29 verbunden, an der die Grund­ frequenz oder Drehschwingungsfrequenz für die Deri­ vativ-Spektroskopie abgreifbar ist.The control circuit 29 has inputs which are connected to the control circuit 19 and the reference evaluation circuit 17 in the manner shown in the drawing. The reference input 16 of the first lock-in amplifier 15 is connected to an output line of the control circuit 29 , on which the fundamental frequency or torsional frequency for deri vativ spectroscopy can be tapped.

Die Referenzauswerteschaltung 17 dient zunächst dazu, die Nulldurchgänge des 1f-Signals des Lock-in-Verstär­ kers 15 zu ermitteln. Bei einer konstanten Winkelge­ schwindigkeit des Spiegels 6 bzw. eines Reflexions­ gitters in der dispergierenden Einrichtung 4 liegen die Signalnulldurchgänge unregelmäßig verteilt über dem Abtastbereich des Spektralvorschubes. Je nachdem, welches Referenzgas sich in der jeweils durchstrahlten Referenzgasküvette in der Küvetten-Anordnung 13 be­ findet, liegen die Nulldurchgänge an anderen unregel­ mäßig verteilten Stellen über dem Abtastbereich.The reference evaluation circuit 17 first serves to determine the zero crossings of the 1f signal of the lock-in amplifier 15 . At a constant Winkelge speed of the mirror 6 or a reflection grating in the dispersing device 4 , the signal zero crossings are irregularly distributed over the scanning range of the spectral feed. Depending on which reference gas is found in the respectively irradiated reference gas cuvette in the cuvette arrangement 13 , the zero crossings are at other irregularly distributed locations above the scanning area.

Die Referenzauswerteschaltung 17 dient zunächst dazu, die Lage der Nulldurchgänge in einem ersten Verarbei­ tungsschritt für mehrere Referenzgase in der Küvetten- Anordnung 13 zu speichern. Wenn beispielsweise fünf Referenzgasküvetten in der Küvettenanordnung 13 vorhan­ den sind, wird in fünf unterschiedlichen Speicherbe­ reichen des Referenzspeichers in der Referenzauswerte­ schaltung 17 festgehalten, an welchen Stellen innerhalb des Abtastbereichs Nullstellen vorliegen, die jeweils Extremwerten der Absorptionskurve des durchstrahlten Referenzgases entsprechen.The reference evaluation circuit 17 first serves to store the position of the zero crossings in a first processing step for several reference gases in the cuvette arrangement 13 . If, for example, five reference gas cuvettes are present in the cuvette arrangement 13 , the reference memory circuit 17 records in five different memory areas of the reference memory at which locations within the scanning range there are zeros, which correspond to extreme values of the absorption curve of the irradiated reference gas.

Die Referenzauswerteschaltung 17 dient weiterhin dazu, Intervallverformungsdaten zu berechnen, die es gestat­ ten, die Zeitachse oder Wellenlängenachse des von der dispergierenden Einrichtung 4 abgetasteten Wellenbe­ reichs so zu verformen, d.h. zu stauchen oder zu deh­ nen, daß die Nulldurchgänge der Referenzgas-Linien, beispielsweise der NH3-Linien, den gleichen Abstand voneinander und von den Intervallenden des Abtastbe­ reiches haben. Je nach dem Vorrat der in der Referenz­ auswerteschaltung 17 bestimmten und vorgegebenen Re­ ferenzgasen zugeordneten Intervallverformungsdaten ist es mit Hilfe der in einem Meßzweig 37 gewonnenen Infor­ mationen möglich, sehr genau zu bestimmen, welche Meßgaskonzentrationen in einem Meßgasraum 30 vorhanden sind.The reference evaluation circuit 17 also serves to calculate interval deformation data which allows the time axis or wavelength axis of the wave region scanned by the dispersing device 4 to be deformed, that is to say to compress or expand, that the zero crossings of the reference gas lines, for example the NH 3 lines, have the same distance from one another and from the interval ends of the scanning region. Depending on the stock of interval deformation data assigned to predetermined and predetermined reference gases in the reference evaluation circuit 17 , it is possible with the help of the information obtained in a measuring branch 37 to determine very precisely which measuring gas concentrations are present in a measuring gas space 30 .

Der Meßzweig 37 wird von dem Meßlichtbündel beauf­ schlagt, das den Meßgasraum 30 durchquert, in dem sich das zu überwachende Meßgas bzw. Meßgas vermischt mit Störgasen befindet. Das aus dem Meßgasraum 30 heraus­ tretende Licht beaufschlagt einen Meßdetektor 31, dessen Ausgangssignal über einen zweiten Lock-in-Ver­ stärker 32 der Äquidistanzierungseinrichtung 21 zuge­ führt wird.The measuring branch 37 is struck by the measuring light beam which crosses the measuring gas space 30 , in which the measuring gas or measuring gas to be monitored is mixed with interfering gases. The light emerging from the measuring gas chamber 30 acts on a measuring detector 31 , the output signal of which is fed via a second lock-in-Ver 32 to the equidistance device 21 .

Der Lock-in-Verstärker 32 wird von der Steuerungsschal­ tung 29 über einen Frequenzverdoppler 33 angesteuert und erzeugt somit die zweite Ableitung des Spektrums der im Meßgasraum 30 vorhandenen Meßgase und Störgase. The lock-in amplifier 32 is controlled by the control circuit 29 via a frequency doubler 33 and thus generates the second derivative of the spectrum of the sample gases and interference gases present in the sample gas space 30 .

Die zweite Ableitung des Spektrums wird in der Äqui­ distanzierungseinrichtung 21 mit jeweils einem einem bestimmten Referenzgas, dessen Vorhandensein im Meßgas­ raum untersucht werden soll, zugeordneten Satz von Intervallverformungsdaten, die über den Dateneingang 20 zugeführt werden, verknüpft, so daß die Extremwerte, insbesondere Maxima der zweiten Ableitung des Spektrums für das zugeordnete Meßgas äquidistant über das abge­ tastete Intervall verteilt werden. Durch diese Verfor­ mung der Zeitachse bzw. Wellenlängenachse des Spektrums ergibt sich, daß das Signal der zweiten Ableitung des jeweils gesuchten Meßgases innerhalb eines engen Fre­ quenzbandes zu liegen kommt, so daß es mit Hilfe eines Bandfilters einfach herausgefiltert werden kann und die anderen Gasen, insbesondere Störgasen, zugeordneten Spektrumsanteile leicht unterdrückt werden können. Durch sequentielles Anwenden der verschiedenen Refe­ renz- und Meßgasen zugeordneten Intervallverformungs­ daten kann somit nacheinander ein gegebenes Spektrum untersucht werden.The second derivative of the spectrum is linked in the equi-distancing device 21 with a set of interval deformation data, which is assigned via the data input 20 , associated with a specific reference gas, the presence of which is to be examined in the measurement gas space, so that the extreme values, in particular maxima, of the second derivative of the spectrum for the assigned sample gas are distributed equidistantly over the sampled interval. This deformation of the time axis or wavelength axis of the spectrum shows that the signal of the second derivative of the sample gas in question comes to lie within a narrow frequency band, so that it can easily be filtered out with the aid of a band filter and the other gases, in particular Interfering gases, assigned spectrum components can be easily suppressed. By sequentially applying the different reference and measurement gases associated interval deformation data, a given spectrum can thus be examined one after the other.

Um zu vermeiden, daß der Meßgasraum 30 für jedes ge­ suchte Meßgas erneut durchleuchtet und über den Spek­ tralbereich abgetastet werden muß, ist in der Äqui­ distanzierungseinrichtung 21 ein Spektralverlaufsspei­ cher vorgesehen, der die zweite Ableitung des von den verschiedenen Gasen im Meßraum 30 bestimmten Spektrums speichert. Es ist somit möglich, ohne zeitlich verscho­ bene Abtastungen mit Hilfe einer einzigen Abtastung durch das Meßlichtbündel 10 den Meßgasraum 30 auf mehrere verschiedene Meßgase zu untersuchen, da die Daten des Spektralverlaufsspeichers in der Äquidistan­ zierungseinrichtung 21 nacheinander mit allen den vorgesehenen Referenzgasen zugeordneten Intervallver­ formungsdaten verknüpft werden können, um jeweils die Anteile eines entsprechenden gesuchten Meßgases herauszufiltern. In order to avoid that the measuring gas chamber 30 has to be X-rayed again for each measuring gas sought and must be scanned over the spectral range, a spectral curve memory is provided in the equi-distance device 21 , which stores the second derivative of the spectrum determined by the different gases in the measuring chamber 30 . It is thus possible, without time-delayed sampling with the aid of a single sampling by the measuring light bundle 10, to examine the measuring gas space 30 for a number of different measuring gases, since the data of the spectral curve memory in the equidistancing device 21 are successively linked to all the interval deformation data associated with the intended reference gases can, in order to filter out the proportions of a corresponding sample gas sought.

Wie man in der Zeichnung erkennt, ist die Äquidistan­ zierungseinrichtung 21 mit einem Fourierfilter 34 verbunden, das die Spektralinformationen derart heraus­ filtert, daß die Beiträge des betreffenden jeweiligen Meßgases weitestgehend erhalten bleiben, während die Beiträge der anderen später auszuwertenden Meßgase und der Störgase weitestgehend herausgefiltert werden. Dies ist möglich, weil die Äquidistanzierungseinrichtung 21 nacheinander für jedes Meßgas eine Relativverschiebung der Nulldurchgänge der Meßgase derartig durchführt, daß diese auf einer Achse den gleichen Abstand voneinander und von den Intervallenden einnehmen.As can be seen in the drawing, the equidistancing device 21 is connected to a Fourier filter 34 , which filters out the spectral information in such a way that the contributions of the respective measurement gas concerned are largely retained, while the contributions of the other measurement gases to be evaluated later and the interfering gases are largely filtered out . This is possible because the equidistance device 21 successively carries out a relative displacement of the zero crossings of the measurement gases for each measurement gas in such a way that they are at the same distance from one another and from the interval ends on an axis.

Unter Berücksichtigung von Kalibrierdaten wird das durch das Fourierfilter 34 gefilterte Spektrum in einer Auswerteschaltung 35 ausgewertet und in einer Anzeige­ vorrichtung 36 durch die Angabe der gemessenen Konzen­ tration angezeigt.Taking into account calibration data, the spectrum filtered by the Fourier filter 34 is evaluated in an evaluation circuit 35 and displayed in a display device 36 by specifying the measured concentration.

Zur Kalibrierung des beschriebenen Gasmeßgerätes ist es vorgesehen, im Meßgasraum 30 jeweils Meßgase mit be­ kannten Konzentrationen einzufüllen und mit Hilfe der Auswerteschaltung 35 festzustellen, welche Amplitude das dem jeweiligen Meßgas zugeordnete gefilterte Signal am Ausgang des Fourierfilters 34 hat. Bei kleinen Konzentrationen genügt dabei für jedes Meßgas ein Kali­ brierpunkt, während bei größeren Konzentrationen in­ folge der Nichtlinearität des Detektorssignales bezüg­ lich der Konzentration des jeweiligen Meßgases mehrere Kalibrierpunkte erforderlich sind.To calibrate the gas measuring device described, it is provided to fill in sample gases with known concentrations in the sample gas chamber 30 and to determine with the aid of the evaluation circuit 35 which amplitude the filtered signal assigned to the respective sample gas has at the output of the Fourier filter 34 . In the case of small concentrations, a calibration point is sufficient for each measuring gas, while in the case of larger concentrations, as a result of the non-linearity of the detector signal, the calibration of the respective measuring gas requires several calibration points.

Wie man in der Zeichnung erkennt, ist die Auswerte­ schaltung 35 über eine Korrekturleitung 38 mit der Referenzauswerteschaltung 17 verbunden, um Strahlungs­ intensitätsschwankungen der Strahlungsquelle 1 berück­ sichtigen zu können. Dazu erfaßt die Referenzauswerte­ schaltung 17 laufend, ob die Strahlungsquelle 1 ihre Intensität geändert hat und gibt notwendige Korrektur­ daten über die Korrekturleitung 38 zur Auswerteschal­ tung 35, um zu erreichen, daß die festgestellte Gas­ konzentration auf der Anzeigevorrichtung 36 unabhängig von Strahlungsintensitätsschwankungen der Strahlungs­ quelle 1 korrekt angezeigt wird.As can be seen in the drawing, the evaluation circuit 35 is connected via a correction line 38 to the reference evaluation circuit 17 in order to be able to take into account radiation intensity fluctuations of the radiation source 1 . For this purpose, the reference evaluation circuit 17 continuously detects whether the radiation source 1 has changed its intensity and gives necessary correction data via the correction line 38 to the evaluation circuit 35 in order to ensure that the gas concentration determined on the display device 36 is independent of radiation intensity fluctuations of the radiation source 1 is displayed correctly.

Aus der obigen Beschreibung des Gasmeßgerätes ergibt sich, daß nach der Festlegung der optimalen Schwing­ amplitude durch die Referenzauswerteschaltung 17 und nach dem Abspeichern der Nulldurchgänge für jedes Meßgas im Referenzspeicher der Referenzauswerteschal­ tung 17 durch die Steuerschaltung 19 der Meßbereich vorgegeben wird, der alle Meßgase umfaßt. Mit Hilfe der Küvettenrevolver-Anordnung 13 wird ein geeignetes Referenzgas bzw. Referenzgasgemisch, wobei die später als Meßgas gesuchten Gase ausgewählt werden, in einer Küvette in das Referenzlichtbündel 11 eingeführt, womit während der eigentlichen Messungen in der Referenzaus­ werteschaltung 17 über den gesamten Meßbereich Null­ durchgänge von Referenzgas-Linien erzeugt werden. Jede Lage im Meßbereich wird ebenfalls überprüft und bei signifikanter Veränderung des Meßbereichs wird dieser über die Steuerschaltung 19 korrigiert. Auf diese Weise wird überwacht, ob die von der Referenzauswerteschal­ tung erfaßten Nulldurchgänge über einen längeren Zeit­ raum eine konstante Lage beibehalten. Aus diesen Grün­ den ist es vorgesehen, auch nach dem Bestimmen der Intervallverformungsdaten durch die Referenzauswerte­ schaltung 17 den Referenzzweig 12 weiterhin zu be­ nutzen, weil dadurch nicht nur Intensitätsschwankungen der Strahlungsquelle 1, sondern auch Verschiebungen im Spektralvorschub erfaßt und korrigiert werden können.From the above description of the gas measuring device it follows that after determining the optimal oscillation amplitude by the reference evaluation circuit 17 and after storing the zero crossings for each measuring gas in the reference memory of the reference evaluation circuit 17, the measuring range is predetermined by the control circuit 19, which includes all measuring gases. With the help of the cuvette turret arrangement 13 , a suitable reference gas or reference gas mixture, the gases later sought as the measurement gas are selected, is introduced into the reference light beam 11 in a cuvette, so that during the actual measurements in the reference evaluation circuit 17, zero crossings over the entire measuring range generated by reference gas lines. Each position in the measuring range is also checked and if the measuring range changes significantly, this is corrected via the control circuit 19 . In this way it is monitored whether the zero crossings detected by the reference evaluation circuit maintain a constant position over a longer period of time. For these reasons, it is intended to continue to use the reference branch 12 even after the interval deformation data has been determined by the reference evaluation circuit 17 , because this not only allows fluctuations in intensity of the radiation source 1 , but also shifts in the spectral feed rate to be detected and corrected.

Claims (8)

1. Verfahren zur Gasanalyse zwecks Bestimmen der Konzentration von Gasen, bei dem sich das zu untersuchende Gasgemisch in einem Meßgasraum auf einer Meßstrecke zwischen einer Lichtquelle und einem Meßdetektor befindet, der an eine Auswerte­ schaltung mit zugeordneter Steuerschaltung an­ geschlossen ist, wobei als Lichtquelle eine breit­ bandige Strahlungsquelle verwendet wird, deren Licht zum Meßgasraum über eine dispergierende Einrichtung geführt wird, deren Spektralvorschub mit einer vorherbestimmten Abtastgeschwindigkeit erfolgt, wobei die Spektrallinien des Meßgases durch eine Fourierfilterung von nicht erwünschten Signalanteilen der Spektrallinien von Störgasen befreit werden, dadurch gekennzeich­ net, daß für die zu erfassenden Meßgase jeweils Intervallverformungsdaten ermittelt werden und das im Meßgasraum erhaltene Spektrum jeweils für eine Meßgaskonzentrationsbestimmung mit Hilfe der zugeordneten Intervallverformungsdaten in spek­ traler Richtung verformt wird, bevor die Fourier­ filterung und die Amplitudenerfassung für eine Konzentrationsbestimmung durchgeführt werden.1. Method for gas analysis for the purpose of determining the concentration of gases, in which the gas mixture to be examined is located in a measuring gas space on a measuring path between a light source and a measuring detector, which is connected to an evaluation circuit with an associated control circuit, with a broad light source banded radiation source is used, the light of which is guided to the measuring gas space via a dispersing device, the spectral feed takes place at a predetermined scanning speed, the spectral lines of the measuring gas being freed from unwanted signal components of the spectral lines from interfering gases by Fourier filtering, characterized in that for the to be measured measuring gases are determined in each case interval deformation data and the spectrum obtained in the measuring gas space is deformed in each case for a measurement gas concentration determination with the aid of the assigned interval deformation data in a spectral direction before the Fourier fi aging and the amplitude detection for a concentration determination. 2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer Strahlungsquelle und einer ein Dispersionselement enthaltenden dispergieren­ den Einrichtung, dadurch gekennzeich­ net, daß die dispergierende Einrichtung (4) mit einer vorgegebenen Abtastgeschwindigkeit durch­ stimmbar ist und über einen Referenzzweig (12) mit bekannten Referenzgasen sowie einen Meßzweig (37) mit den zu untersuchenden Meßgasen verfügt, wobei im Referenzzweig (12) ein erster Lock-in-Verstär­ ker (15) zur Erfassung der Nulldurchgänge sowie eine Referenzauswerteschaltung (17) vorgesehen sind, durch die für jedes zu untersuchende Meßgas (30) Intervallverformungsdaten (20) erzeugbar sind, die eine Äquidistanzierungseinrichtung (21) speisen, die das im Meßzweig (37) mit Hilfe eines zweiten Lock-in-Verstärkers (32) doppelter Refe­ renzfrequenz erhaltene Signal entlang der Spek­ tralvorschubachse verformt, so daß ein nachge­ schaltetes Fourierfilter (34) nur die Anteile des Meßgases einer Auswerteschaltung (35) zur Konzen­ trationsbestimmung (36) zuführt, die den jeweils eingespeisten Intervallverformungsdaten (20) entsprechen.2. Device for performing the method according to claim 1, with a radiation source and a dispersing element containing dispersing the device, characterized in that the dispersing device ( 4 ) can be tuned with a predetermined scanning speed and via a reference branch ( 12 ) with known Reference gases and a measuring branch ( 37 ) with the measuring gases to be investigated, wherein in the reference branch ( 12 ) a first lock-in amplifier ( 15 ) for detecting the zero crossings and a reference evaluation circuit ( 17 ) are provided, by which to be examined Measuring gas ( 30 ) interval deformation data ( 20 ) can be generated, which feed an equidistant device ( 21 ), which deforms the signal obtained in the measuring branch ( 37 ) with the aid of a second lock-in amplifier ( 32 ) double reference frequency along the spectral feed axis, so that a downstream Fourier filter ( 34 ) only the proportions of the sample gas he evaluation circuit ( 35 ) for concentration determination ( 36 ), which corresponds to the fed-in interval deformation data ( 20 ). 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die dispergierende Ein­ richtung ein Prisma (5) mit einem zugeordneten Spiegel (6) oder ein planes optisches Reflexions­ gitter aufweist.3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the dispersing device has a prism ( 5 ) with an associated mirror ( 6 ) or a flat optical reflection grating. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß dem Spiegel (6) eine Antriebsvorrichtung (24) zugeordnet ist, durch die der Spiegel (6) mit einer Drehbewegung für den Spektralvorschub sowie einer Drehschwingung für die Anwendung der Derivativ-Spektroskopie beauf­ schlagbar ist. 4. The device according to claim 3, characterized in that the mirror ( 6 ) is assigned a drive device ( 24 ) through which the mirror ( 6 ) with a rotational movement for the spectral feed and a torsional vibration for the application of derivative spectroscopy Bea beat is. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Meßlichtbündel (10) mit Hilfe eines Strahlteilers (9) ein Referenzlichtbündel (11) auskoppelbar ist, das einen Referenzzweig (12) beaufschlagt, durch den ein Signal (20) erzeugbar ist, das eine Meß­ gas-Linien-Abstandsanpassung gestattet.5. Device according to one of claims 2 to 4, characterized in that from the measuring light beam ( 10 ) with the aid of a beam splitter ( 9 ) a reference light beam ( 11 ) can be coupled, which acts on a reference branch ( 12 ) through which a signal ( 20th ) can be generated, which allows a measurement gas line distance adjustment. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Referenzlichtbündel (11) in der Referenzauswerteschaltung (17) aus­ wertbar ist, durch den die Amplitude und Frequenz des Wobbelns der Meßlichtwellenlänge für die höchste Empfindlichkeit für die gesuchten Gase und die effektivste Störgassignalunterdrückung er­ mittelbar ist.6. The device according to claim 5, characterized in that the reference light beam ( 11 ) in the reference evaluation circuit ( 17 ) can be evaluated by the amplitude and frequency of the wobble of the measuring light wavelength for the highest sensitivity for the gases sought and the most effective suppression of interference gas signal is indirect. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Meßzweig (37) einen Lock-in-Verstärker (32) aufweist, dessen Referenz­ signal die doppelte Frequenz der Wobbelfrequenz des Spiegels (6) oder des Gitters der dispergie­ renden Einrichtung (4) aufweist.7. The device according to claim 6, characterized in that the measuring branch ( 37 ) has a lock-in amplifier ( 32 ) whose reference signal is twice the frequency of the wobble frequency of the mirror ( 6 ) or the grating of the dispersing device ( 4th ) having. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Referenzzweig (12) einen ersten Lock-in-Verstärker (15) aufweist, dessen Referenzfrequenz gleich der Wobbelfrequenz ist.8. The device according to claim 7, characterized in that the reference branch ( 12 ) has a first lock-in amplifier ( 15 ) whose reference frequency is equal to the wobble frequency.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4126547A1 (en) * 1991-08-10 1993-02-11 Fraunhofer Ges Forschung Derivative spectrometer with LCD in plane of entry gap of monochromator - is controlled by conductor with light allowed through passage window variable in position and form

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