DE4034375A1 - Gas-messeinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung für die Konzentration eines Schadstoffes in einem Gas mit einer Strahlungsquelle, ins­ besondere Infrarot-Strahlungsquelle, deren Strahlung intensitäts­ moduliert auf eine gasgefüllte, optoakustische Meßkammer gerichtet ist, wobei die Strahlung zu Druckschwankungen des Gases führt.

Eine derartige Meßeinrichtung ist in der EP 01 12 347 B1 beschrie­ ben. Bei dieser Meßeinrichtung befindet sich das Meßgas in der Meß­ kammer. Die Strahlungsquelle erzeugt eine breitbandige Infrarot- Strahlung, aus der mittels eines Interferenzfilters derjenige Fre­ quenzbereich gefiltert wird, der in der Lage ist, die in der Meß­ kammer befindlichen Schadgasmoleküle zu Schwingungen anzuregen. Diese Schwingungen führen zu einer Temperaturerhöhung, die den Druck in der Meßkammer erhöht, da diese abgeschlossen ist.

Die Infrarot-Strahlung ist mittels einer rotierenden Blende inten­ sitätsmoduliert. Dadurch entstehen in der Meßkammer Druckschwan­ kungen. Diese werden mittels eines Mikrofons aufgenommen, elektrisch verstärkt und ausgewertet. Da die Größe der Meßkammer beschränkt ist, sind geringe Konzentrationen des Schadstoffes im Meßgas kaum zu erfassen.

Mit anderen Meßeinrichtungen, beispielsweise Infrarot-Spektrometern, ließen sich auch kleinere Konzentrationen erfassen. Solche Meßein­ richtungen sind jedoch äußerst aufwendig. Beispielsweise sind ge­ kühlte Detektoren und teuere Langweg-Gasküvetten erforderlich.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Meßeinrichtung der eingangs ge­ nannten Art vorzuschlagen, mit der auch kleine Schadstoffkonzen­ trationen mit baulich einfachen Mitteln erfaßt werden können.

Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe bei einer Meßeinrichtung der ein­ gangs genannten Art dadurch gelöst, daß eine Anreicherungszelle für das Meßgas vorgesehen ist, die mindestens eine im Strahlengang zwischen der Strahlungsquelle und der Meßkammer stehende Anreiche­ rungsfläche aufweist, daß sich an der Anreicherungsfläche in der Anreicherungszelle Schadstoffmoleküle des Meßgases während einer bestimmten Anreicherungszeit anlagern und daß die Meßkammer mit einem Vergleichsgas gefüllt ist, wobei die mit Schadstoff beladene Anreicherungsfläche die Intensität der auf das Vergleichsgas wirken­ den Strahlung je nach Schadstoffkonzentration mehr oder weniger verringert und eine Auswerteschaltung diese Intensitätsverringerung auswertet.

Bei dieser Meßeinrichtung wirkt das Meßgas vor der eigentlichen Messung für eine gewisse Anreicherungszeit in der Anreicherungs­ zelle auf die Anreicherungsfläche. An dieser lagern sich dann Schad­ stoffmoleküle des Meßgases an. Je nach der Konzentration der Schad­ stoffe im Meßgas bzw. an der Anreicherungsfläche wird von den Schad­ stoffmolekülen ein mehr oder weniger großer Anteil der von der Strah­ lungsquelle durch die Anreicherungsfläche in die Meßkammer eintre­ tenden Strahlung absorbiert. Dies führt dazu, daß sich die Inten­ sität der auf das Vergleichsgas in der Meßkammer wirkenden Strah­ lung gegenüber dem Fall verringert, in dem die Anreicherungsfläche von Schadstoffen frei ist. Diese Intensitätsverringerung ergibt eine entsprechende Schwächung des an der optoakustischen Meßkammer abzugreifenden Signals.

Die Intensitätsverringerung läßt sich leicht auswerten und in die Konzentration des Schadstoffes im Meßgas umrechnen. Denn die Zusammen­ setzung des Vergleichsgases und die Anreicherungszeit sind bekannt.

Prinzipiell können alle IR-aktiven Gase mit der optoakustischen Methode gemessen werden. Die beschriebene Anreicherungsmembran aus Polyethylen ist besonders geeignet für halogenierte Kohlenwasser­ stoffe.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist das Meßgas während der bestimmten Anreicherungszeit kontinuierlich durch die Anreiche­ rungszelle geleitet. Dies vereinfacht die Ermittlung des Zusammen­ hanges zwischen der Strahlungsabsorption an den an der Anreicherungs­ fläche angelagerten Schadstoffmolekülen und der Konzentration des Schadstoffes im Meßgas.

Die Weiterbildung der Erfindung enthält das Vergleichsgas in be­ kannter Konzentration den gleichen Schadstoff wie das Meßgas. Da­ durch ist gewährleistet, daß die am Vergleichsgas gemessene Inten­ sitätsverringerung mit der Schadstoffanlagerung an der Anreicherungs­ fläche ohne weiteres korrespondiert.

Um die genannte Intensitätsverringerung zu verstärken, können in der Anreicherungszelle zwei oder mehrere Anreicherungsflächen vor­ gesehen sein.

Durch die Erfindung ist es möglich, Schadstoffkonzentrationen bis weit unter 5 vpm im Meßgas zu erfassen. Dieses Erfassen kann mittels der vergleichsweise einfachen optoakustischen Meßkammer ohne auf­ wendige Spektrometer erfolgen.

Günstig ist auch, daß die Meßkammer, die das Vergleichsgas enthält, nicht gespült werden muß. Nach jedem Meßvorgang sind lediglich die Anreicherungszelle und deren Anreicherungsfläche zu spülen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung eines Aus­ führungsbeispieles. Die Figur zeigt eine Meßeinrichtung schematisch.

Die Meßeinrichtung weist eine Infrarot-Strahlungsquelle (1) auf, die mit einem Strahler (2) und einem Hohlspiegel (3) arbeitet. Im vom Hohlspiegel (3) ausgehenden Strahlengang (S) liege eine um eine Welle (4) rotierende unterbrochene Scheibe (5) oder ein Flügelrad. Durch die rotierende Scheibe (5) bzw. das Flügelrad wird die Strah­ lung gepulst bzw. intensitätsmoduliert, wobei die Frequenz dem weiter unten näher beschriebenen Mikrofon angepaßt ist.

Im Strahlengang (S) folgt auf die Scheibe (5) ein Interferenzfilter (6), welches von der breitbandigen Infrarot-Strahlung in erster Linie den Frequenzbereich durchläßt, der geeignet ist, die Schad­ stoffmoleküle des Meßgases und des Vergleichsgases zu Schwingungen anzuregen.

Im Strahlengang (S) folgt auf das Interferenzfilter (6) eine An­ reicherungszelle (7). Diese weist einen Einlaß (8) und einen Aus­ laß (9) für das Meßgas auf. Die Anreicherungszelle (7) ist an ihren im Strahlengang (S) liegenden Seiten (10, 11) für die durch das Interferenzfilter (6) ausgefilterte Strahlung möglichst durchlässig. Die Seiten (10, 11) können beispielsweise aus Germanium bestehen. Auf die Seiten (10, 11) sind innerhalb der Anreicherungszelle (7) Anreicherungsflächen (12, 13) aufgebracht. Diese bilden eine Mem­ bran aus einem Polymer. Dieses Polymer ist ebenfalls für die durch das Interferenzfilter (6) hindurchgehende Strahlung durchlässig. Es besitzt also in diesem Wellenlängenbereich keine signifikanten Absorptionsbande.

Die Anreicherungsflächen (12, 13) bestehen beispielsweise aus Poly­ ethylen. Das Material der Anreicherungsfläche (12, 13) ist so aus­ gewählt, daß es die im Meßgas enthaltenen, in ihrer Art bekannten Schadstoffe aus dem Meßgas extrahiert bzw. anlagert, wenn das Meß­ gas die Anreicherungszellen (7) durchströmt, wobei die Anlagerung der Schadstoffmoleküle mit der Zeit (Anreicherungszeit) zunimmt, während das Meßgas die Anreicherungszelle (7) durchströmt.

Die Anlagerung der Schadstoffmoleküle an die Anreicherungsflächen (12, 13) ist reversibel, so daß sich die angelagerten Schadstoff­ moleküle nach einem Meßvorgang von den Anreicherungsflächen (12, 13), vor dem nächsten Meßvorgang abspülen lassen. Es hat sich ge­ zeigt, daß sich je nach dem Material der Anreicherungsflächen (12, 13) und der Art der Schadstoffe Anreicherungsfaktoren bis zu 100 000 erreichen lassen. Die Anreicherungszeiten können dabei zwischen einigen Sekunden und einigen Minuten liegen.

Der Anreicherungszelle (7) ist im Strahlengang (S) eine geschlossene Meßkammer (14) nachgeschaltet. Diese weist im Strahlengang (S) ein optisches Fenster (15) auf. In der Meßkammer (14) ist ein Mikro­ fon (16) bzw. ein empfindlicher Druckaufnehmer vorgesehen. Die Meß­ kammer (14) ist mit einem Vergleichsgas gefüllt, das die Schadstoffe des Meßgases in einer bekannten Konzentration, beispielsweise 1000 vpm Schadstoffe in synthetischer Luft enthält.

An das Mikrofon (16) ist eine elektronische Auswerteelektronik (17) angeschlossen. Diese gibt die Meßwerte an einen Auswerterechner (18) weiter, der anhand der Daten des Vergleichsgases den Konzen­ trationswert errechnet und auf der Anzeigeeinrichtung (19) darstellt.

An den Einlaß (8) der Anreicherungszelle (7) ist ein Absperrventil (20) angeschlossen. Dieses kann von der Auswerteschaltung (17) ge­ steuert sein. Außerdem kann am Einlaß (8) auch ein Durchflußmengen­ messer (21) angeordnet sein, der auf die Auswerteschaltung (17) wirkt. Das Absperrventil (20) und der Durchflußmesser (21) können auch im Auslaß (9) liegen.

Darüber hinaus kann vorgesehen sein, daß von der Auswerteschaltung (17) die Intensität der den Hohlspiegel (3) verlassenden Strahlung und die Drehzahl der Scheibe (5) überwacht wird.

Die Funktionsweise der beschriebenen Einrichtung ist im wesentlichen folgende.

Solange die Anreicherungsflächen (12, 13) von Schadstoffmolekülen frei sind, wirkt die Infrarot-Strahlung von der Anreicherungszelle (7) im wesentlichen unbehindert auf das Vergleichsgas in der Meß­ kammer (14). Dieses ist dabei entsprechend der Drehzahl der Scheibe (5) infolge der Absorption der bekannten Konzentration der Schad­ gasmoleküle im Vergleichsgas Druckschwankungen unterworfen, die das Mikrofon (16) erfaßt und die Auswerteschaltung (17) so auswertet, daß die Anzeigeeinrichtung (19) anzeigt, daß kein Meßgas vorliegt.

Für einen Meßvorgang wird dann das Absperrventil (20) für eine vor­ bestimmte Anreicherungszeit geöffnet. Dies kann manuell oder von der Auswerteschaltung (17) gesteuert sein. lst das Absperrventil (20) geöffnet, dann strömt durch die Anreicherungszellen (7) das den Schadstoff enthaltende Meßgas. Die Durchflußmenge pro Zeitein­ heit kann über den Durchflußmengenmesser (21) erfaßt werden.

An den Anreicherungsflächen (12, 13) lagern sich in der Anreicherungs­ zeit die Schadstoffe an. Nach der vorbestimmten Anreicherungszeit wird das Absperrventil (20) geschlossen. Die dann an den Anreicherungs­ flächen (12, 13) angelagerten Schadstoffe absorbieren einen mehr oder weniger großen Teil der Infrarot-Strahlung im Strahlengang (S), so daß sich dementsprechend die in die Meßkammer (14) gelangende Reststrahlung verringert. Im Vergleichsgas der Meßkammer (14) werden dadurch die Druckschwankungen schwächer als vorher. Dies erfaßt das Mikrofon (16). Dementsprechend ändert sich das vom Mikrofon (16) an die Auswerteschaltung (17) gegebene Signal. Aus dieser Inten­ sitätsverringerung errrechnet der Auswerterechner (18) die Konzen­ tration der Schadstoffe im Meßgas und zeigt diese an der Anzeige­ einrichtung (19) an.

Nach dem Meßvorgang werden die Anreicherungszelle (7) und die An­ reicherungsflächen (12, 13) mit einem neutralen Gas gespült, wonach die Meßeinrichtung für einen weiteren Meßvorgang bereit ist.

Claims (8)

1. Meßeinrichtung für die Konzentration eines Schadstoffes in einem Gas mit einer Strahlungsquelle, insbesondere Infrarot-Strahlungs­ quelle, deren Strahlung intensitätsmoduliert auf eine gasgefüllte, optoakustische Meßkammer gerichtet ist, wobei die Strahlung zu Druckschwankungen des Gases führt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anreicherungszelle (7) für das Meßgas vorgesehen ist, die mindestens eine im Strahlengang (S) zwischen der Strahlungs­ quelle (1) und der Meßkammer (14) stehende Anreicherungsfläche (12, 13) aufweist, daß sich an der Anreicherungsfläche (12, 13) in der Anreicherungszelle (7) Schadstoffmoleküle des Meßgases während einer bestimmten Anreicherungszeit anlagern und daß die Meßkammer (14) mit einem Vergleichsgas gefüllt ist, wobei die mit Schadstoff beladene Anreicherungsfläche (12, 13) die Inten­ sität der auf das Vergleichsgas wirkenden Strahlung je nach der Schadstoffkonzentration mehr oder weniger verringert und eine Auswerteschaltung (17) diese Intensitätsverringerung auswertet.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßgas während der bestimmten Anreicherungszeit kontinuier­ lich durch die Anreicherungszelle (7) geleitet ist.

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Vergleichsgas in bekannter Konzentration den gleichen Schadstoff wie das Meßgas enthält.

4. Meßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche , wobei eine Infrarot-Strahlungsquelle mit einem nachgeordneten Interferenzfilter vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Anreicherungsfläche (12, 13) zwischen dem Interferenz­ filter (6) und der Meßkammer (14) angeordnet ist.

5. Meßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anreicherungszelle (7) zwei Anreicherungsflächen (12, 13) aufweist.

6. Meßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anreicherungsfläche (12, 13) von einem Polymer gebildet ist, das auf eine optisch durchlässige Seite (10, 11) der An­ reicherungszelle (7) aufgebracht ist, wobei das Polymer die Schad­ stoffmoleküle reversibel anlagert.

7. Meßeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer Polyethylen ist.

8. Meßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach jedem Meßvorgang eine Spülung der Anreicherungszelle (7) und der Anreicherungsfläche (12, 13) vorgesehen ist.