DE4302385C2 - Verfahren zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einer Gasprobe - Google Patents

Verfahren zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einer Gasprobe

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einer Gasprobe in einem Meßkanal mittels der NDIR-Technik auf der Grundlage einer optischen Absorption nach dem Anspruch 1.
Bei NDIR-Messungen wird der zu verwendende Wellenlängenbereich derartig ausgewählt, daß er das Absorptionsband in dem zu vermessenden Gas maximal überdeckt. Die Absorption bedingt Verluste in der transmittierten Intensität der Strah­ lung, wodurch sich ein Verfahren zur Bestimmung der Gaskonzentration anbietet. Typischerweise ist die Strahlungsquelle eine Glühlampe und der gewünschte Wellenlängenbereich wird mit der Hilfe eines Filters ausgewählt. Das Verfahren leidet indessen unter Meßfehlern, die durch Intensitätsänderungen des Ausganges der Lampe bedingt sind, sowie unter Kontaminationen des optischen Kanals. Darüber hinaus können Änderungen in der Detektorempfindlichkeit die Meßgenauigkeit vermindern.
Aufgrund der oben angesprochenen Instabilitäten eines NDIR-Meßsystems muß die Ausrüstung wiederholt unter der Zuhilfenahme von Kalibrierungsgasen kalibriert werden. Ein alternatives Verfahren umfaßt die Verwendung eines Referenzkanals, der die separate Überwachung der Intensität des Eingangsstrahls im Verhältnis zu der des tatsächlichen Meßkanals umfaßt, der das zu vermessende Gas enthält.
Eine Ausführungsform gemäß dem Stand der Technik verwendet in dem Referenzkanal einen Filter, dessen Bandpaßwellenlänge derartig ausgewählt ist, daß die Messung bei Wellenlängen durchgeführt wird, die einem Absorptionsminimum in dem Spektrum der durch das Gas transmittierten Strahlung entsprechen. Daher kann der Wert der transmittierten Intensität, der bei der Referenzwellenlänge gemessen worden ist, mit dem Wert verglichen werden, der bei einem Absorptionsband des Gases gemessen worden ist. Dieses Verfahren macht die Verwendung von zwei separaten Filtern nötig, und die Verschiebung der Filter macht das System mechanisch aufwendig.
Aus dem US-Patent 4,836,255 ist ein spektrometrisches Substanzanalysiergerät bekannt, welches eine optische Kammer aufweist, in der ein Strömungsmittel enthalten ist, welches zyklisch in der Temperatur moduliert wird, und zwar bei einem im wesentlichen konstanten Druck. Das Strömungsmittel wird über Rezirkulierkreisläufe in die Kammer zugeführt, und zwar von heißen und kalten Quellen aus, die zyklisch an die Kammer angeschlossen werden, so daß zu irgendeinem Zeitpunkt lediglich eine der Quellen sich in einer Rezirkulierströmungsbeziehung zur Kammer befindet. Die resultierende Modulation der Temperatur eines komprimierbaren oder verdampfungsfähigen Strömungsmittels in der optischen Kammer bei relativ konstantem Druck bewirkt eine Modulation der Konzentration oder der Dichte oder der Menge des Strömungsmittels in der optischen Kammer, und zwar auf Grund der Ausdehnung des Strömungsmittels und auf Grund der Kontraktion des Strömungsmittels in der optischen Kammer während des Aufheizens und Abkühlens. Die Konzentrationsmodulation befindet sich dann um angenähert 180° aus der Phase zu der Temperaturmodulation. Somit bewirkt das Aufheizen des Strömungsmittels bei konstantem Druck ein Ausdehnen des Strömungsmittels aus der optischen Kammer, wodurch die Menge des Strömungsmittels verringert wird, ebenso die Konzentration oder Dichte des Strömungsmittels und damit auch allgemein die spektrale Absorption durch das Strömungsmittel von Strahlungsenergie verringert wird, die in die Kammer von einer Strahlungsquelle aus emittiert wird.
Aus dem US-Patent 4,711,571 ist ein spektrometrisches Vielfachgas- Analysiergerät bekannt, welches eine im wesentlichen isobare Temperaturmodulation einer gasförmigen Probe in einem hoch reflektierenden optischen Hohlraum oder einer Kammer mit willkürlichem Pfad verwendet. Es sind Vielfach-Heiß- und Kalt-Einlässe an sich gegenüber liegenden Seiten der Kammer vorgesehen und ein Gasrezirkulationskreis mit einer Heizkammer, einem thermischen Regenerator und mit einer Kühlkammer vereinfacht das abwechselnde Ersetzen des heißen Gases durch kaltes Gas und des kalten Gases durch heißes Gas in der optischen Kammer bei jedem Zyklus gemäß einer Frequenz von wenigstens einigen Hertz, wodurch durch die interessierenden Gase in der Probe eine modulierte spektrale Infrarotemission und eine modulierte spektrale Strahlungsabsorption von Strahlen von einer Strahlungsquelle realisiert wird, die in die optische Kammer hinein strahlt. Die Strahlungsquelle liefert auch Wärme für das Aufheizen der Kammer. Durch die Temperaturmodulation wird auch eine kleine Druckmodulation in der Kammer verursacht. Das bekannte Gerät kann dazu verwendet werden, um Gase, Dämpfe, Aerosole usw. zu detektieren und auch zu überwachen.
Aus dem US-Patent 3,935,463 ist ein verbessertes Spektrofotometer eines nicht dispersiven Absorptionstyps bekannt, welches zum Detektieren des Vorhandenseins von SO2 in einer gasförmigen Probe geeignet ist, und zwar trotz eines gleichzeitigen Vorhandenseins von NO2. Es wird bei diesem bekannten Spektrofotometer ultraviolettes Licht von einer Quelle her auf einen feststehenden Phosphorbildschirm aufgestrahlt, der dann fluoresziert, um ultraviolette Strahlung mit einer ersten Wellenlänge zu erzeugen, bei der sowohl SO2 als auch NO2 eine Strahlungsabsorption bewirken. Auch wird eine Strahlung gemäß einer zweiten Wellenlänge erzeugt, bei der die Absorption durch SO2 minimal ist, jedoch die Absorption durch NO2 angenähert genauso groß ist wie bei der ersten Wellenlänge.
Aus EP 0 387 684 A2 ist ein Gasanalysiergerät zum Detektieren von niedrigen Konzentrationen eines spezifischen Gases bekannt, mit einer Probenkammer mit Durchgängen, durch die Strahlungsenergie hindurch verläuft und die druckmoduliert werden, und zwar mit Hilfe eines Lautsprechers, um ein Strahlungsenergiesignal zu liefern, welches durch einen Strahlteiler mit einem Meßkanal detektiert wird, der zu einem Meßdetektor hin verläuft, und mit einem Bezugskanal mit einer Bezugszelle, die ein Gas eines Typs enthält, der analysiert werden soll, und mit einem Bezugsdetektor. Beide Detektoren erzeugen ein Signal, welches durch einen Algorithmus verarbeitet wird.
Aus DE 31 16 344 C2 ist ein Verfahren zur Korrektur der mit einem nicht dispersiven Infrarot-Gasanalysator gewonnenen Meßwerte für die Partialdrücke der in einem zu untersuchenden Gasgemisch enthaltenen infrarot-aktiven Gaskomponenten bekannt, in welchen sich auch infrarot-inaktive Gaskomponenten befinden. Das wesentliche dieses bekannten Verfahrens besteht darin, daß der Partialdruck einer der infrarot-inaktiven Gaskomponenten schrittweise zur Änderung des Gesamtdruckes des Probengases bei den jeweils verschiedenen, aber während der schrittweisen Änderung konstanten Partialdrücken der vorbestimmten infrarot-aktiven Gaskomponente geändert wird und der jeweilige Extinktionswert gemessen wird. Dabei ist ferner wesentlich, daß aus den gemessenen Extinktionswerten und den vorgegebenen Gasdrücken sowie den Partialdrücken der infrarot-aktiven Gaskomponente Scharen von Kalibrierkurven abgeleitet werden, deren Parameter der jeweilige Partialdruck der infrarot-aktiven Gaskomponente ist. Zur Bestimmung des korrigierten, unbekannten Partialdrucks der vorbestimmten infrarot-aktiven Gaskomponenten wird der Gesamtdruck des Probengases und der Extinktionswert der vorbestimmten infrarot- aktiven Gaskomponente gemessen und es wird im Feld der Kalibrierkurven der durch den gemessenen Extinktionswert und den gemessenen Gesamtdruck vorgegebene Punkt aufgesucht und durch Zuordnung zu der entsprechenden Kurve mit konstantem Partialdruck als Parameter, der korrigierte Partialdruck der vorbestimmten Komponente erhalten.
Das US-Patent 4,709,150 offenbart eine Ausführungsform, in der die Kontamination des optischen Kanals dadurch verhindert wird, daß der Meßkanal aus einem porösen Material hergestellt ist, das für das zu vermessende Gas leicht durch­ dringbar ist, während es in der Lage ist, die Hauptkontaminationskomponenten, die in der Umgebungsluft enthalten sind, daran zu hindern, den Meßkanal zu betreten. Das poröse Material kann aus einem geeigneten Plastikmaterial hergestellt sein, oder aus porösem Edelstahl. Dieses Verfahren ist indessen nicht in der Lage, Meßfehler zu berücksichtigen, die aus einem Abfall der Lampenausgangsintensität resultieren.
Das US-Patent Nr. 4,500,207 beschreibt eine Meßvorrichtung und ein Verfahren, gemäß denen der interne Gasdruck des Meßkanals bei konstanter Temperatur unter Zuhilfenahme einer beweglichen Membran moduliert werden kann, die innerhalb der Wandung des Meßkanals angeordnet ist. Die Druckmodulationen während einer NDIR-Messung variieren die Dichte des zu vermessenden Gases, wodurch zusätzliche Informationen aus dem zu vermessenden Gas erhalten werden, die dazu verwendet werden können, jene Instabilitäten zu eliminieren, die durch die Alterung der Lampe und durch Kontaminationen bedingt sind. Obgleich die bewegliche Membran auf die gleiche Art und Weise konstruiert werden kann wie ein Lautsprecher, wird das System mechanisch kompliziert. Ein anderer Nachteil ist darin zu sehen, daß um die Gasdruckmodulation zu implemen­ tieren, der Meßkanal von der umliegenden Umgebung isoliert werden muß, und zwar unter Verwendung eines Kanals von lang­ samer Gasdiffusion. Dies führt dazu, daß das System ver­ gleichsweise lange Antwortzeiten im Hinblick auf Änderungen der Umgebungsgaskonzentration hat.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die zu­ vor beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu über­ winden und ein neuartiges Verfahren der Gaskonzentrations­ messung bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Kalibrierungs­ verfahren für Gaskonzentrationsmessungen gemäß dem Anspruch 1 gelöst.
Genauer gesagt basiert die vorliegende Erfindung auf einer Erwärmung des Meßkanals und der Durchführung der optischen Absorptionsmessungen unter Verwendung von wenigstens zwei verschiedenen Temperaturen. Die Temperatur des Meßkanals kann unabhängig gemessen werden. Die vorliegende Erfindung nutzt die Tatsache aus, daß die Erwärmung des Gases in dem Meßkanal die Dichte des Gases vermindert und den Ab­ sorptionskoeffizienten des zu vermessenden Gases ändert. Der Meßkanal wird so schnell erwärmt, daß die Konzentration des zu vermessenden Gases keine Zeit hat, eine Konzentrationsänderung während der Absorptionsmessung zu er­ fahren, die bei den verschiedenen Temperaturen durchgeführt wird. Die Intensitätsmessung der transmittierten Strahlung, die wenigstens zwei verschiedene interne Kanaltemperaturen verwendet und die zu zwei verschiedenen Werten des Absorptionskoeffizienten führt, sorgt für ausreichend zu­ sätzliche Informationen, um die Instabilitätsfaktoren der Meßausrüstung zu eliminieren.
Im einzelnen wird das Verfahren gemäß der vorliegenden Er­ findung durch das charakterisiert, was im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführt ist.
Die vorliegende Erfindung sorgt für signifikante Vorteile:
Die Erfindung erleichtert die Kalibrierung der Meßausrüstung unter Meßbedingungen, wobei die Verwendung von separaten Ka­ librierungsgasen nicht notwendig ist. Die vorliegende Erfin­ dung basiert auf der Tatsache, daß die Erwärmung und die Temperaturmessung in dem Meßkanal auf einfache Art und Weise sowie bei geringen Kosten durchgeführt werden kann. Die Meßausrüstung, die für das vorliegende Meßverfahren benötigt wird, kann auf einfache und stabile Art und Weise bereitge­ stellt werden, da bewegliche Komponenten nicht eingesetzt werden müssen. Der Meßkanal und sein Widerstandheizelement können derartig konstruiert werden, daß Temperaturänderungen und die Kalibrierung des zu vermessenden Gases schnell durchgeführt werden können, und zwar im Hinblick auf die Gas-Konzentrations-Änderungsrate. Eine ausreichend oft wie­ derholte Kalibrierung beseitigt die Meßungenauigkeiten, die durch die inhärenten Instabilitäten der NDIR-Meßausrüstung bedingt sind und verlängert entscheidend die Wartungsinter­ valle der Ausrüstung.
Die vorliegende Erfindung betrifft also ein Meßver­ fahren, in dem die interne Temperatur des Meßkanals kontinu­ ierlich zwischen wenigstens zwei verschiedenen Temperaturen moduliert wird. In diesem Fall entspricht das Meßverfahren einem Kalibrierungsverfahren, in dem die Kalibrierung nach jeder Messung durchgeführt wird. Die zur Durchführung der vorliegenden Erfindung geeignete Vorrichtung kann derartig ausgelegt sein, daß jeder Erwärmungszyklus ungefähr eine Minute in An­ spruch nimmt. In vielen Anwendungen des NDIR-Meßverfahrens wird eine Meßrate der Gaskonzentrationsmessung von ungefähr lx/min als ausreichend erachtet.
Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden unter Berücksichtigung der nachfolgenden detaillierten Beschreibung einer Ausführungsform unter Zuhilfenahme der Zeichnung deutlich. Im einzelnen zeigt:
Fig. 1 in graphischer Form die Intensität der Strah­ lung, die den Detektor erreicht, und zwar über dem Partialdruck der absorbierenden Gaskomponente für zwei unterschiedliche interne Temperaturen des Meßkanals;
Fig. 2a in graphischer Form die interne Temperatur des Meßkanals über der Zeit;
Fig. 2b in graphischer Form die Modulation der internen Temperatur des Meßkanals über die Zeit;
Fig. 3 eine Meßkopfstruktur;
Fig. 4 eine Gaskonzentrationsmeßvorrichtung, die auf dem in Fig. 3 gezeigten Meßkopf basiert.
Wenn ein Wellenlängenband, bei dem das zu vermessende Gas eine Absorption für einfallende Strahlung zeigt, betrachtet wird, dann läßt sich die Eingangsintensität der Strahlung I0 für den Meßkanal und die Ausgangsintensität der Strahlung I, die den Meßkanal verläßt, unter Berücksichtigung des Lambert-Beer'schen Absorptionsgesetzes ausdrücken:
wobei α(T) der Absorptionskoeffizient des zu vermessenden Gases ist, welcher von der Temperatur T abhängig ist; p der Partialdruck des zu vermessenden Gases; und l die Länge des Meßkanals ist. Fig. 1 illustriert bei zwei verschiedenen Temperaturen die Intensität der Strahlung, die den Meßkanal verläßt, und zwar als eine Funktion des Partialgasdruckes. Wie man sieht, ist die Absorption des Gases bei der höheren Temperatur geringer.
Wenn die Meßtemperatur T1 ist und die Intensität, die mit­ tels dem Detektor gemessen wird, gleich I1 ist, dann kann der Partialgasdruck aus der folgenden Gleichung bestimmt werden:
Das Ausgangssignal der NDIR-Meßvorrichtung ist typischer­ weise so ausgelegt, daß es die Gaskonzentration anzeigt, welche linear proportional zu dem Partialgasdruck ist, der bei einem bestimmten Gesamtdruck und einer bestimmten Temperatur der zu vermessenden Gasmischung gemessen worden ist. Eine Linearisierung basierend auf der Gleichung 2 kann unter Zuhilfenahme von analogen Elektroniken durchgeführt werden, wobei allerdings eine digitale Verarbeitung unter Verwendung eines Mikroprozessors den einfachsten Weg für die Linearisierung darstellt. Die Hauptquellen für die Instabilitäten in einer NDIR-Meßvorrichtung resultieren aus den Variationen bzw. Änderungen der Intensität der Eingangsstrahlung (I0) in dem Meßkanal, was typischerweise zu einem Meßfehler vom Offset-Typ führt.
Zunächst kann nun angenommen werden, daß während der Erwärmung des Meßkanals in der Kalibrierungssequenz gemäß der Fig. 2a die Konzentration, der zu vermessenden Gaskomponente an dem Ort der Messung ungefähr konstant bleibt. Wenn dies so ist, dann bleibt auch der Partialdruck des zu vermessenden Gases konstant, wenn der Gesamtdruck der Gasmischung während des Erwärmungszyklusses konstant gehalten wird. Die Kalibrierungsmessung wird so schnell durchgeführt werden, daß angenommen werden kann, daß auch die Ausgangsintensität der Lampe ungefähr konstant bleibt. Indem man die Temperatur des Meßkanals auf die Temperatur T2 erhöht und der Detektor einen Intensitätspegel I2 für die detektierte Strahlung mißt, kann die Gleichung 2 für diese Werte wie folgt umgeschrieben werden:
Der Absorptionskoeffizient α(T) ändert sich mit der Erwärmung des Meßkanals, was dazu führt, daß das Ausgangssignal des Detektors für die gemessenen Strahlungsintensitäten bei den verschiedenen Temperaturen unterschiedlich sein wird. Wenn angenommen werden kann, daß die Temperaturen T1 und T2 bekannt sind, dann kann der Ausdruck log(I0) aus den Gleichungen 2 und 3 erhalten werden:
Um die Gleichung 4 verwenden zu können, muß die Änderungsrate des Absorptionskoeffizienten als eine Funktion der Temperatur bekannt sein. Der Wert des Ausdruckes log(I0) kann dann unter Zuhilfenahme eines Mikroprozessors errechnet werden, wobei dann anschließend, unter Verwendung des errechneten Wertes, der Wert des Partialgasdrucks, der aus der Gleichung 2 erhalten wird, korrigiert werden kann.
In einem alternativen Meßverfahren, das in Fig. 2b illustriert ist, wird die Meßkanaltemperatur kontinuierlich moduliert und die Gaskonzentration wird bei einer tiefen Temperatur T1 errechnet, sowie bei einer hohen Temperatur T2, und zwar aus den Intensitäten I1 und I2 der Strahlung, die bei diesen Temperaturen gemessen worden sind. Die Gleichungen 2 und 4 werden kombiniert, um den Partialgasdruck zu erhalten:
Die Genauigkeit der Kalibrierung und des Meßverfahrens wird erheblich verbessert, wenn die Temperaturen T1 und T2 in dem Meßkanal mittels eines separaten Temperatursensors gemessen werden, und der Wert des Absorptionskoeffizienten bei den gemessenen Temperaturen errechnet wird.
Anwendungen mit minderen Genauigkeitsanforderungen können verwirklicht werden, indem das Verfahren ohne separate Temperaturmessung verwendet wird. In dieser Ausführungsform wird der Meßkanal während jedes Erwärmungszyklus mit einer konstanten Eingangsleistung erwärmt, wobei der Meßkanal in einer bestimmten Zeit auf einen ungefähr konstanten Wert einer höheren Temperatur erwärmt wird, bei der die Intensitätsmessung der Strahlung durchgeführt wird. In einem derartigen Kalibrierungs- und Meßverfahren führen indessen Änderungen in der Umgebungstemperatur zu Ungenauigkeiten.
Um die Kalibrierung und das Meßverfahren zu verwirklichen, muß der Einfluß der Temperatur auf den Absorptionskoeffizienten genauestens bekannt sein. Glücklicherweise ist die mit der entlang des Meßkanals sich ausbreitenden Strahlung überlagerte Absorption linear proportional zu der Anzahl der absorbierenden Gasmoleküle, die in dem Meßkanalvolumen enthalten sind, so daß der Einfluß der Gasdichte auf den Absorptionskoeffizienten auf einfache Art und Weise daraus resultiert.
In einem konstanten Volumen und bei einem konstanten Druck vermindert sich die Anzahl der Gasmoleküle mit sich erhöhender Temperatur gemäß dem idealen Gasgesetz
PV = nRT (6)
wobei p der Druck, V das Volumen, n die Anzahl der Gasmoleküle in mol, R die Gaskonstante und T die absolute Temperatur ist. Das ideale Gasgesetz ist sowohl auf den Gesamtdruck der Gasmischung als auch auf den Partialdruck der zu vermessenden Gaskomponente anzuwenden. Gemäß der Gleichung 6 verbleibt das Produkt aus der Dichte ρ und der Temperatur des zu vermessenden Gases in dem Meßkanal konstant, und zwar bei variierender Temperatur bei einem konstanten Druck:
ρ1T1 = ρ2T2 (7)
In der obigen Gleichung ist ρ1 die Dichte der zu vermes­ senden Gaskomponente bei der Temperatur T1, und ρ2 die Dichte bei der Temperatur T2.
Zusätzlich zu der Beeinflussung der Anzahl der Gasmoleküle, die ein konstantes Volumen beanspruchen, weist die Temperatur gleichfalls einen Einfluß auf den molaren Absorptionskoeffizienten auf. Dies liegt darin begründet, daß das Absorptionsspektrum eines Moleküls in dem infraroten Spektralbereich aus Spektrallinien verschiedener Wellenlängen besteht, die auf unterschiedliche Rotations-Vibrationsübergänge zurückzuführen sind. Jede dieser Spektrallinien wird auf unterschiedliche Art und Weise durch die Temperatur beeinflußt. Wenn mehrere Spektrallinien in das Wellenlängenband fallen, das für die Messung verwendet wird, dann muß die Temperaturabhängigkeit von jeder Spektrallinie separat bestimmt werden. Theoretische Verfahren für die Bestimmung des Gesamteinflusses der Temperaturabhängigkeiten der verschie­ denen Spektrallinien auf den molaren Absorptionsko­ effizienten über den verwendeten Wellenlängenbereich hinweg sind verfügbar. Experimentelle Verfahren bieten indessen die einfachste Lösung für die Bestimmung der Temperaturabhängig­ keit an.
Eine erläuternde Situation wird betrachtet, indem man den Einfluß von Gasdichteänderungen auf den Absorptionskoeffi­ zienten berücksichtigt. Das zu vermessende Gas kann als Koh­ lendioxid mit einer Konzentration von 1000 ppm in dem Meßka­ nal angenommen werden, und zwar bei einer Temperatur von 300 K. Die emittierende Strahlenquelle ist ein Schwarzkörper­ strahler. Ein Filter, welcher abgestimmt ist, nur das ge­ wünschte Absorptionsband des CO2 hindurchzulassen, wird zwischen der Strahlungsquelle und dem Detektor angeordnet. Die Gleichung 1 kann dann verwendet werden, um die Intensi­ tät der Strahlung zu errechnen, die den Detektor erreicht, wenn die folgenden Parameterwerte zugrunde gelegt werden:
T1 = 300 K
T2 = 350 K
I0 = 100 µW
l = 5 cm
α(T1) = 2,0.10-5 cm-1ppm-1 (T = 300 K)
Das Verhältnis der Absorptionskoeffizienten für den angenommenen Fall wird aus der Gleichung 7 erhalten:
Bei den zwei unterschiedlichen Temperaturen sind die Werte der von dem Detektor gemessenen Strahlungsintensitäten:
Temperatur
Strahlungsintensität
300 K 90,5 µW
350 K 91,8 µW
Die Empfindlichkeit eines photoleitenden oder eines pyroelektrischen Detektors ist ausreichend, um die oben gegebene Änderung der Strahlungsintensität zu detektieren und die Messung kann mit ausreichender Genauigkeit durchgeführt werden.
Die Genauigkeit des Meßverfahrens wird erhöht, wenn sich der Temperaturunterschied zwischen T1 und T2 erhöht, der wenigstens 50°C sein sollte.
Die Ausgangsspannung aus dem Detektor erhöht sich ungefähr linear mit der Intensität der gemessenen Strahlung. Diese Eigenschaft sorgt bei dem vorliegenden Meßverfahren für den Vorteil, daß das Verfahren in der Lage ist, Meßungenauigkeiten zu eliminieren, die aus Detektorempfindlichkeitsänderungen resultieren. Beispielsweise folgt das Ausgangssignal eines photoleitenden oder pyroelektrischen Detektors ziemlich genau der Formel:
V = GI, (9)
wobei V die Ausgangsspannung aus dem Detektor und G die Detektorempfindlichkeit ist. Die Eliminierung der Änderung der Detektorempfindlichkeit steht mit der Tatsache in Verbindung, daß die Gleichung 5 nur das Verhältnis der Strahlungsintensitäten I1 und I2 berücksichtigt, die bei verschiedenen Temperaturen gemessen worden sind, und der absolute Wert von weder der einen noch der anderen Intensität separat bekannt sein muß.
Fig. 3 zeigt einen möglichen Weg, um einen Meßbereich einzusetzen, der für die Durchführung des Meßverfahrens geeignet ist. Eine Glühlampe (ein Schwarzkörperstrahler) wird als eine Strahlungsquelle 2 verwendet, und das gewünschte Wellenlängenband wird mit Hilfe eines Filters 5 ausgewählt. Die Strahlungsquelle kann auch ein spektraler Emitter sein, der das zu vermessende Gas enthält, oder ein Halbleiter-Infrarot-LED-Emitter. Die Strahlungsintensität, die durch den Meßkanal 3 hindurchtritt, wird unter Zuhilfenahme eines Detektors 4 gemessen. Der Detektor kann beispielsweise ein kommerziell verfügbarer photoleitender oder pyroelektrischer Detektor sein. Die Wand des Meßkanals kann aus einem porösen Material hergestellt sein, das durch Diffusion des zu vermessenden Gases leicht durchdringbar ist. Diese Anordnung macht die Erwärmung der Gasmischung in dem Meßkanal leicht, da eine Diffusionswand die Wärmekonvektion aus dem Meßkanal in die Umgebung vermindert. Der Meßkanal wird vorzugsweise aus porösem Plastik oder Edelstahl hergestellt. Vorteilhafterweise sollte in dem Meßverfahren der Meßkanal eine thermische Masse haben, die so gering wie möglich ist, um dadurch eine maximal schnelle Erwärmung des Meßkanals zu ermöglichen. Fig. 3 zeigt eine Heizanordnung, die durch einen Leiter 6 mit Ohm'schem Widerstand realisiert wird, der um den Meßkanal gewunden ist. Die Temperaturmessung kann durchgeführt werden, indem ein Widerstandsplatinelement 7 oder beliebige sonstige kommerzielle Temperatursensoren verwendet werden. Ein einzelnes Widerstandselement kann auch verwendet werden, um sowohl den Meßkanal zu erwärmen als auch seine interne Temperatur zu messen. Die benötigte Länge des Meßkanals hängt von dem Absorptionskoeffizienten und dem gewünschten Konzentrationsmeßbereich der zu vermessenden Gaskomponente ab. Beispielsweise muß der Meßkanal nur 5 cm lang sein, um CO2- Konzentrationsmessungen der Umgebungsluft durchführen zu können.
Um den Erwärmungszyklus zu beschleunigen, der für das vor­ liegende Meßverfahren benötigt wird, kann man die untere Temperatur T1 auch derart wählen, daß sie oberhalb der Umgebungstemperatur liegt. Dadurch wird die Abkühlzeit von der oberen Temperatur T2 auf die untere Temperatur T1 gleichfalls verkürzt.
Das Meßverfahren, das auf zwei unterschiedlichen Temperaturen basiert, kann in eine Meßsequenz erweitert werden, die auf einer Mehrzahl von Temperaturen basiert. Diese Lösung kann verwendet werden, um die Linearität des Ausgangssignals der NDIR-Meßvorrichtung zu verbessern.
Fig. 4 zeigt ein Blockdiagramm einer Vorrichtung, in der der optische Sensor vom gleichen Typ sein kann, wie der in Fig. 3 gezeigte, und in der das Ausgangssignal proportional zu der Konzentration der zu vermessenden Gaskomponente ist. Die in Fig. 4 illustrierte mikroprozessorgestützte Vorrichtung vereinfacht die Konzentrationsmessungen gemäß dem erläuterten Meßverfahren.
Der optische Meßbereich umfaßt eine Glühlampe 9, einen Meßkanal 10 und einen Detektor 11. Die interne Temperatur des Meßkanals wird mit der Hilfe eines Temperatursensors 16 gemessen, und die Erwärmung des Kanals wird mit Hilfe eines Widerstandsheizelements 18 erreicht, das der von einer Leistungsversorgung 17 gespeist wird. Die von der Glühlampe emittierte Strahlungsintensität wird mit einer geeigneten Rate unter Zuhilfenahme einer modulierten Leistungsversorgung 8 moduliert. Der Detektor 11 mißt die modulierte Intensität der transmittierten Strahlung und das Ausgangssignal des Detektors wird mittels eines Verstärkers 12 verstärkt. Das Spannungssignal des Verstärkerausgangs wird mittels eines A/D-Wandlers 13 in die digitale Form konvertiert und zu einem Mikroprozessor 14 geführt. Die Ausgangsspannung des Temperatursensors 16 wird gleichfalls mittels dem A/D-Wandler 13 in die digitale Form konvertiert und in den Mikroprozessor 14 geführt. Der Mikroprozessor managt auf einer zeitgeteilten Grundlage die grundlegenden Funktionen, die für das erläuterte Meßverfahren nötig sind: Das Erwärmen des Meßkanals, das Messen der internen Temperatur des Meßkanals und das Messen der trans­ mittierten Strahlungsintensität, sowie die Verarbeitung der gemessenen Daten. Auf der Grundlage der gemessenen Daten und unter Verwendung des zuvor beschriebenen Algorithmus errechnet der Mikroprozessor die Konzentration der zu vermessenden Gaskomponente. Das Meßergebnis wird in ein Analog-Ausgangssignal der Meßvorrichtung unter Zuhilfenahme eines D/A-Wandlers 15 konvertiert.
Zusammenfassend kann also festgehalten werden, daß die vorliegende Erfindung ein Meßverfahren für Gaskonzen­ trationsmessungen mit einem NDIR-Verfahren betrifft, und zwar basierend auf der optischen Absorption. Gemäß dem Verfahren wird die zu vermessende Gasmischung, die in einem Meßkanal 3 enthalten ist und die wenigstens partiell von der Umgebung isoliert ist, einer Strahlung ausgesetzt. Die durch das Gas transmittierte Strahlung wird gemessen, die Gaskonzentration wird aus der gemessenen Intensität errechnet, um so die Meßvorrichtung zu kalibrieren, wobei die Gaszustandsvariablen in einer geregelten Art und Weise abgeleitet werden, wobei der Wert der transmittierten Strahlungsintensität sich ändert, und wobei die Intensität der transmittierten Strahlung bei wenigstens zwei bekannten Punkten der Gaszustandsvariablen gemessen wird, wodurch die Daten für die Messung der eingesetzten Meßvorrichtung erhalten werden. Es werden die Gaszustandsvariablen geändert, indem das zu vermessende Gas während einer solch kurzen Zeit erwärmt wird, während der die Umgebungskonzentration des Gases keine Änderung erfährt, wobei die Gasdichte sich mit der Erhöhung der Temperatur vermindert, während der Partialdruck des zu vermessenden Gases im wesentlichen konstant verbleibt.

Claims (5)

1. Verfahren zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einer Gasprobe in einem Meßkanal mittels der NDIR Technik auf der Grundlage einer optischen Absorption, mit folgenden Schritten:
Richten einer Strahlung auf die im Meßkanal befindliche Gasprobe, wobei der Meßkanal eine poröse Diffusionswand aufweist und eine niedrige thermische Masse besitzt;
Messen der Intensität der Strahlung, die durch die Gasprobe übertragen wird, bei wenigstens zwei unterschiedlichen Temperaturwerten der Gasprobe in dem Meßkanal, wobei die Temperatur der Gasprobe in einem derart kurzen Zeitintervall geändert wird, daß die Konzentration der Gaskomponente, welche in den Meßkanal eintritt, sich nicht ändert, die Dichte der Gasprobe sich mit der Temperatur vermindert, und somit der Partialdruck der Gaskomponente im wesentlichen konstant bleibt;
Berechnen des Partialdruckes p der Gaskomponente nach der Formel:
in welcher bedeuten:
α(T1): Gas-Absorptionskoeffizient bei der Temperatur T1;
α(T2): Gas-Absorptionskoeffizient bei der Temperatur T2;
I1: gemessene Intensität bei der Temperatur T1;
I2: gemessene Intensität bei der Temperatur T2;
l: Länge des Meßkanals,
wobei α(T1) und α(T2) die bekannten Absorptionskoeffizienten bei der Temperatur T1 und T2 sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Gasprobe mit einem Temperatursensor gemessen wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkanal mit einem Widerstandsheizelement erwärmt wird, wobei die Kanalwand aus einem Material hergestellt ist, das eine leichte Durchdringung des zu vermessenden Gases erlaubt, das aber die thermische Konvektion zwischen der Gasprobe, die in dem Kanal enthalten ist, und der äußeren Umgebung begrenzt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Gasprobe mit einer konstanten Rate geändert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Meßtemperatur kontinuierlich oberhalb der Umgebungstemperatur gehalten wird.
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