DE4405881C2

DE4405881C2 - Nichtdispersiver Infrarot-Gasanalysator

Info

Publication number: DE4405881C2
Application number: DE4405881A
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl Ing Fabinski; Werner Dr Schaefer; M Dipl Phys Zoechbauer
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: ABB Training Center GmbH and Co KG
Priority date: 1994-02-21
Filing date: 1994-02-21
Publication date: 1996-11-07
Anticipated expiration: 2014-02-22
Also published as: DE4405881A1

Description

Die Erfindung betrifft einen nichtdispersiven Infrarot-Gasanalysator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In der Prozeß- und Überwachungstechnik sowie der Biologie, Medizin und anderen Bereichen ist die empfindliche und selektive Erfassung von Infrarot-aktiven Gasen eine wichtige technische Meßaufgabe. Meßgeräte mit ausreichender Leistungsfähigkeit arbeiten vornehmlich nach dem nichtdispersiven Prinzip (NDIR-Verfahren). Solche Meßgeräte enthalten eine Infrarot-Strahlungsquelle mit Modulation, eine Meßküvette mit dem zu messenden Gasgemisch sowie einen Detektor, der mit der Meßkomponente oder mit einem Gemisch aus der Meßkomponente und einem Inertgas gefüllt ist. Die im zu untersuchenden Gasgemisch enthaltene Meßkomponente absorbiert Strahlung entsprechend ihrer Konzentration in der Meßküvette.

Der Detektor erfaßt die Strahlungsminderung und wandelt die im Detektor auftretenden Druckstöße zum Beispiel mit einem Membrankondensator in ein elektrisches Signal um. Da die Absorptionslinien der Meßkomponente mit denen des Empfänger-Füllgases koinzidieren, entsteht im allgemeinen eine hohe Selektivität. Zwar haben andere Gase ein Absorptionsspektrum, das von dem der Meßkomponente abweicht, jedoch kann es zu Überlappungen der Spektren kommen. In solchen Fällen ist die entstehende Querempfindlichkeit ein begrenzender Faktor.

Im allgemeinen benötigt man für solche Fotometer neben dem Meßstrahlengang noch einen Vergleichsstrahlengang, um eine höhere Nullpunkt-Stabilität herzustellen. Dazu müssen die Küvetten doppelt ausgeführt werden. Allerdings können Meß- und Vergleichsküvette unterschiedlich verschmutzen, so daß die Nullpunkt-Stabilität hierdurch begrenzt wird.

Die DE 33 21 360 C2, aus der es bekannt ist, bei getrennter Meß- und Vergleichsstrahlküvette für die Meß- bzw. Vergleichskammer einen Einschicht-Detektor oder bei gemeinsamer Meß- bzw. Vergleichsstrahlküvette einen Zweischicht-Detektor einzusetzen, weist im Vergleichsstrahlengang des Detektors mindestens ein infrarotdurchlässiges Fenster auf der optischen Achse auf. Jedoch sind diese Fenster platzaufwendig hinter der jeweiligen Küvette angeordnet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen nichtdispersiven Infrarot-Gasanalysator der gattungsgemäßen Art derart auszugestalten, daß die vorstehend genannten Nachteile vermieden und eine höhere Selektivität und Stabilität im Meßergebnis erreicht wird.

Die gestellte Aufgabe ist bei einem nichtdispersiven Infrarot-Gasanalysator der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen hierzu sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung nutzt bei der vorliegenden Ausgestaltung folgenden physikalischen Vorgang aus, der im gasgefüllten Detektor abläuft. Die Strahlungsabsorption im Zentrum einer Füllgaslinie ist so groß, daß die Strahlungsenergie schon in unmittelbarer Nähe des Fenster der Detektorkammer absorbiert wird.

Die angeregten Moleküle übertragen so einen großen Teil ihrer Energie an das Fenster. Die genannte Energieübertragung erfolgt durch sogenannte Stöße zweiter Art. Die Folge ist eine bestimmte Eindellung der detektierten Linie in ihrem Zentrum, wie in Fig. 4a zu sehen ist. Dieser Effekt wird erfindungsgemäß so verstärkt, daß im Linienzentrum eine nahezu vollständige Absorption eintritt, gemäß Fig. 4b. Der Detektor ist dabei für die Meßgaskomponente praktisch nicht mehr sensitiv. Die Verstärkung des Effektes kann zum einen durch höhere Wärmableitung erreicht werden, zum anderen wirkt auch eine Erhöhung der Füllgaskonzentration in diese Richtung.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im nachfolgenden näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 Analysator mit Meß- und Vergleichsstrahl und Einschicht-Empfänger nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 Analysator mit Meß- und Vergleichsstrahl und Zweischicht-Empfänger nach dem Stand der Technik,

Fig. 3a Ausführungsform der Erfindung mit getrennten Strahlengängen und Einschicht-Detektor,

Fig. 3b Ausführungsform der Erfindung mit Zweischicht-Detektor,

Fig. 4a Empfindlichkeitsverlauf des Empfängers über eine Absorptionslinie,

Fig. 4b Empfindlichkeitsverlauf in dem Vergleichskammerteil.

Fig. 1 zeigt einen Analysator nach dem Stand der Technik mit Meß- und Vergleichsstrahlküvette und Einschicht-Empfänger. Als Lichtquelle ist eine Strahlungsquelle S vorgesehen, die das Licht auf zwei Strahlengänge bringt, wobei der eine Strahlengang sich durch die Vergleichsküvette VKü und der andere Strahlengang sich durch die Meßküvette MKü hindurcherstreckt.

Die Vergleichsküvette ist mit Vergleichsgas gefüllt, und die Meßküvette ist mit dem Meßgas gefüllt, oder wird von demselben durchströmt. Zwischen der Strahlungsquelle S und der Küvettenanordnung VKü, MKü ist eine Chopper-Scheibe (H) angeordnet, die das kontinuierliche Licht der Strahlungsquelle S periodisch unterbricht. Hinter Vergleichs- und Meßküvette ist der Detektor angeordnet, der hierbei aus einer Vergleichskammer VKa und einer Meßkammer MKa besteht, zwischen denen in der oben genannten Weise kapazitiv die auftretenden Druckstöße gemäß dem beschriebenen optopneumatischen Effekt als elektrisches Signal vorliegen.

Fig. 2 zeigt einen Analysator mit Meß- und Vergleichsstrahlküvette und Zweischichtempfänger. Vergleichsküvette VKü und Meßküvette MKü sind hierbei dicht aneinanderliegend, aber im Prinzip gleich der Anordnung in Fig. 1. Der Detektor dagegen ist als Zweischicht-Detektor ausgebildet, bei dem die einzelnen Kammern hintereinander liegen, wobei zwischen den Kammern dann wiederum kapazitiv nach dem opto-pneumatischen Effekt die elektrischen Signale erzeugt werden. Wichtig ist hierbei zu erwähnen, daß der hier benannte Zweischicht-Detektor der Bezeichnung nach aus zwei Kammern besteht. Die erste vordere Kammer, in die das von der Küvette kommende Strahlungssignal eintritt ist die eigentliche Meßkammer. Die dahinter angeordnete zweite Kammer ist optisch passiv. Optisch passiv heißt hierbei, daß das Strahlungs- bzw. Lichtsignal nicht in die zweite Kammer dringt. Die zweite Kammer ist mit der ersten Kammer über den Membrankondensator K nur pneumatisch verbunden, jedoch optisch von der ersten Kammer getrennt.

Während Bild 1 und Bild 2 die zwei verschiedenen Analysatoranordnungen der bekannten Art darstellen, zeigen nunmehr Fig. 3a und 3b den Einsatz der Erfindung bei den beiden verschiedenen Analysatortypen. Fig. 3a zeigt dabei eine Ausführung mit getrennten Strahlengängen und einen Detektor mit zwei getrennten Kammern, die mit der Meßkomponente oder einem Gemisch aus der Meßkomponente und einem Inertgas gefüllt sind. Der Membrankondensator ermittelt als Meßeffekt die Druckdifferenz beider Kammern. Die Meßkammer MKa ist zylindrisch ausgeführt. Die Vergleichskammer VKa enthält infrarotdurchlässige Scheiben F, die in 1 bis 4 mm Abstand senkrecht zum Strahlengang angeordnet sind. Eine Chopperscheibe CH unterbricht die Strahlung so, daß sie gleichphasig in den Meßstrahlengang MS und Vergleichsstrahlengang VS fällt, was hier nicht näher dargestellt zu werden braucht.

Eine zweite Ausführung zeigt Fig. 3b. Hierbei wird ein Detektor eingesetzt, der aus einer aktiven Kammer besteht, die mit der Meßkomponente oder der Meßkomponente und einem Inertgas gefüllt ist. Der Detektor ist dabei in Richtung der Strahlführung mit halbkreisförmigen infrarotdurchlässigen Scheiben F in einem Abstand von 1 bis 4 mm versehen. Diese Scheiben F sind beispielsweise aus Flußspat bestehend und im Vergleichskammerteil VKa′ angeordnet. Die andere Hälfte der Kammer verbleibt ohne weitere Maßnahmen und stellt den Meßkammerteil MKa′ dar. Eine Chopper-Scheibe CH vor dem IR-Detektor unterbricht die einfallende Strahlung periodisch gegenphasig, so daß abwechselnd Strahlung in den Meßkammerteil und den Vergleichskammerteil gelangt. Ein zum Beispiel als Membrankondensator ausgebildeter Druckaufnehmer mißt den als Meßeffekt auftretenden Druck gegen eine weitere passive Kammer.

Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist nunmehr in den beiden Fig. 4a und 4b dargestellt. Fig. 4a zeigt den Empfindlichkeitsverlauf des Empfängers über eine Absorptionslinie in dem Meßkammerteil. Fig. 4b dagegen zeigt den Empfindlichkeitsverlauf in dem Vergleichskammerteil. Während das Spektrum der Meßkammer nur eine schwache Eindellung aufweist, kommt es in der Vergleichskammer mit mehreren Fenstern zu einer nahezu vollständigen Absorption im Linienspektrum. Dieses Funktionsprinzip läßt sich wie folgt beschreiben. Vergleicht man das Spektrum der Meßkomponente im zu messenden Gasgemisch mit dem Spektrum des Detektors, so erhält man auf der Meßseite einen hohen Korrelationsgrad und auf der Referenzseite nur einen geringen Korrelationsgrad. Bei Anwesenheit der Meßkomponente in der Absorptionsstrecke, d. h. in der Küvette, wird also im wesentlichen nur auf der Meßseite ein Meßeffekt auftreten. Die Fig. 4a und 4b machen deutlich, daß der spektrale Schwerpunkt auf Meß- und Referenzseite identisch ist. Damit ist die Voraussetzung zur Kompensation von störenden Begleitgasen ideal erfüllt. Durch entsprechende Variierung der Zahl der Fenster, der Kammertiefe und der Füllkonzentration kann die Selektivität weiter optimiert werden.

Damit wird insgesamt nunmehr ein NDIR-Linienkorelationsverfahren möglich. Es entsteht eine hohe Selektivität mit einem Einschicht-Detektor. Störabsorptionen können durch entsprechende Ausbildung der Empfängerkammern weiterhin wirksam unterdrückt werden. Weiterhin entsteht auch eine hohe Empfindlichkeit durch resonante Linien.

Claims

1. Nichtdispersiver Infrarot-Gasanalysator, bestehend aus Strahlungsquelle, Chopper-Scheibe, Küvette, einem mit der Meßkomponente oder einem Gemisch aus Inertgas und der Meßkomponente gefüllten Detektor und im Vergleichs- und Meßstrahlengang angeordneten infrarotdurchlässigen Fenstern, wobei als Küvette entweder eine getrennte Meß- und Vergleichssstrahlküvette mit entsprechend aus Meßkammer und Vergleichskammer bestehendem Einschicht-Detektor oder eine gemeinsame Meß- und Vergleichsstrahlküvette mit einem, einen Vergleichskammerteil aufweisenden Zweischicht-Detektor vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Einschicht-Detektor in der Vergleichskammer (Vka) oder bei dem Zweischicht-Detektor im entsprechenden Vergleichskammerteil (Vka′) der optisch-aktiven Detektorkammer mit Abstand hintereinander angeordnete infrarotdurchlässige Scheiben (F) vorgesehen sind.

2. Nichtdispersiver Infrarot-Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Zweischicht-Detektor zumindest die erste Kammer, in welcher die infrarotdurchlässigen Scheiben (F) angeordnet sind, zylindrisch ausgebildet ist, und die infrarotdurchlässigen Scheiben halbkreisförmig ausgebildet sind.

3. Nichtdispersiver Infrarot-Gasanalysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Chopper-Scheibe (CH) zwischen der Strahlungsquelle (S) und der Meß- und Vergleichsküvette angeordnet ist und das Licht der Strahlungsquelle (S) gleichphasig unterbricht.

4. Nichtdispersiver Infrarot-Gasanalysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Chopper-Scheibe (CH) das Licht der Strahlungsquelle (S) gegenphasig unterbricht.

5. Nichtdispersiver Infrarot-Gasanalysator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die infrarotdurchlässigen Scheiben (F) in einem Abstand von 1 bis 4 mm angeordnet sind.

6. Nichtdispersiver Infrarot-Gasanalysator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die infrarotdurchlässigen Scheiben (F) aus Calzium-Fluorid bestehen.

7. Nichtdispersiver Infrarot-Gasanalysator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkammertiefe 6 bis 14 mm beträgt.