DE4413670C2 - Infrarot-Gasanalysator - Google Patents

Description

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

Ein derartiges Gerät ist aus DE 28 04 972 A1 bekannt. Die aus einem Infrarotstrahler austretende Strahlung wird über eine Linse in einen Meßbehälter in dem sich das zu analysierende Gas befindet an einem Ende der Meßstrecke eingekoppelt und tritt am anderen Ende der Meßstrecke des Meßbehälters aus. In dem Meßbehälter ist eine rotierende Scheibe zum periodischen Abschotten und Freigeben des Strahlenganges angeordnet. Die die Meßstrecke durchlaufenden Strahlen werden unterschiedlich durch verschiedene Gasbestandteile absorbiert. Die Änderung, bzw. die Schwächung der Intensität der Strahlung entsprechend einer bestimmten Wellenlänge wird durch den Detektor registriert. Aus der Schwächung der Intensität der die Meßstrecke durchlaufenden Strahlen werden die einzelnen Gasbestandteile des in dem Meßbehälter befindlichen Gases bestimmt. Nur durch die Erzeugung einer pulsierenden Beaufschlagung können Meßsignale erzeugt werden, die anschließend ausgewertet werden können. Das periodische Freigeben und Abschotten der Infrarotstrahlen wird im wesentlichen durch zwei Stellungen der rotierenden Scheibe erreicht; in einer ersten Stellung der Scheibe werden die Strahlen abgeschottet, in einer zweiten Stellung, bei der die Scheibenfläche mit ihrer schmalen Seite zum Strahlengang steht, werden die Strahlen freigegeben. Jedoch entsteht in dieser Stellung der Scheibe, bei der die Strahlen freigegeben werden, ein Schatten auf dem Detektor, was zur Verschlechterung des Wirkungsgrades des Strahlenganges und somit zur Verfälschung der Meßergebnisse führt.

Ein weiteres Gerät ist aus DD 1 59 367 bekannt. Das Wesen dieser Erfindung wird darin gesehen, daß die Modulationseinrichtung so gestaltet wird, daß die Summe der von Meß- und Vergleichsstrahlengang freigegebenen Fläche zu jedem Zeitpunkt konstant ist. Die Modulationseinrichtung besteht aus einer bzw. zwei Strahlungsquellen, wobei die von den Strahlungsquellen ausgehende Strahlung durch die Modulationseinrichtung unterbrochen wird, einer Einrichtung zum Sammeln der Strahlungsintensitäten auf einen Detektor, wobei zur Sensibilisierung des Festkörperdetektors optische Filter verwendet werden. Die vor der Modulationseinrichtung angeordnete Blende ist so aufgebaut, daß die Summe der vom Meßstrahlengang und Vergleichsstrahlengang freigegebenen Fläche zu jedem Zeitpunkt konstant ist. Nachteilig bei dieser Anordnung ist die Anwendung einer komplizierten Umlenkvorrichtung, bestehend aus einem Umkehrprisma und aus einer Modulationseinrichtung. Als besonders nachteilig wird die Unterbringung der Modulationseinrichtung außerhalb der Küvette angesehen, weil hier Abdichtungsmaßnahmen getroffen werden müssen. Bereits das Vorhandensein kleiner Undichtheiten kann zur Verfälschung der Meßergebnisse durch zusätzliche Absorption außerhalb der Meßküvette führen. Weiterhin kann sich die Aufteilung des Strahlenganges unvorteilhaft auswirken, da die einzelnen Strahlengänge bei einem Zweistrahlverfahren unterschiedlich altern können.

Aus JP 57-57 223 A und JP 61-170 717 A sind Chopperzylinder als Unterbrechungselemente bekannt. Diese sind in ihrer Form jedoch nicht der Meßküvette angepaßt.

Eine andere bekannte Lösung ist das elektronische Choppen der Strahlen, indem die Strahlungsquelle periodisch ein- und ausgeschaltet wird. Die dabei erreichbare Meßempfindlichkeit ist jedoch gering, da dieses Choppen nur für leistungsschwache Strahler geeignet ist. Niedrige Konzentrationen von Gasbestandteilen können mit dieser Methode nicht ermittelt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Gerät zur Infrarotanalyse von Gasen so weiterzubilden, daß bei einer preisgünstigen und herstellungstechnisch einfachen Bauform die Meßgenauigkeit erhöht wird.

Diese Aufgabe ist durch die im Hauptanspruch angegebenen Merkmale gelöst. Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Weiterbildungen dar.

Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung zur periodischen Freigabe des Strahlenganges durch ein senkrecht auf die Längsachse des Meßbehälters stehendes, rotierendes Bauelement mit einer Öffnung zum ungehinderten Durchtritt des gesamten Strahlenganges gebildet und weist die Form eines Zylinders auf. Für dieses Bauelement wird im weiteren der Begriff Chopperzylinder verwendet. Die Form der Öffnung zum Durchtritt des Strahlenganges entspricht der Querschnittsform des Meßbehälters, d. h. der gesamte Strahlengang kann ungehindert durch die Öffnung des rotierenden Elementes ohne Hindernisse durchtreten. Die Drehachse des Chopperzylinders steht senkrecht auf der Längsachse des Meßbehälters bzw. senkrecht zu dem Strahlengang. Durch die Drehung um seine Drehachse wird der Chopperzylinder in eine erste Stellung gebracht, bei der die Lichtstrahlen abgeschottet werden, d. h. er verschließt mit seiner durchgehenden Fläche den Querschnitt des Meßbehälters. Durch eine weitere Drehung um 90° erreicht der Chopperzylinder eine zweite Stellung, bei der die Strahlen auf seine Öffnung auftreffen und durch diese ungehindert durchtreten. Diese Position des Chopperzylinders ist mit der Freigabe des gesamten Strahlenganges gleich. Es ist vorteilhaft, daß der Chopperzylinder von einem Schrittmotor gesteuert wird.

Vorteilhaft ist, wenn der Detektor an dem dem Lichteintritt abgewandten Ende des Meßbehälters und in diesem angeordnet ist. Der Detektor wird aus einem oder mehreren Empfängern gebildet. Die den einzelnen Wellenlängen entsprechenden Filter sind direkt an den Empfängern angeordnet. Dadurch, daß der Chopperzylinder und der empfangende Detektor in dem Meßbehälter angeordnet sind, ist kein zusätzliches Vakuum notwendig, bzw. kein zusätzlicher evakuierter Raum, in dem die Filter für verschiedene Wellenlängen angeordnet werden müssen. Die Messung wird somit ohne weitere Maßnahmen nur durch die Gasbestandteile, die ermittelt werden sollen, beeinflußt. Nach Durchlaufen der gesamten Meßstrecke trifft bei entsprechender Stellung des Chopperzylinders das gesamte Licht auf den Detektor auf und die Intensität des auftreffenden Lichtstrahles für eine bestimmte Wellenlänge wird gemessen. Durch die kompakte Anordnung der einzelnen Bauteile des erfindungsgemäßen Gerätes innerhalb des Meßbehälters ist es möglich, seine Abmessungen sehr gering zu halten. Darüber hinaus können sowohl der Chopperzylinder als auch der Detektor eine miniaturisierte Form aufweisen, was die Einsetzbarkeit des Gerätes für Vor-Ort-Analysen ermöglicht.

Der Chopperzylinder wird durch einem ihm zugeordneten Motor gedreht. Vorteilhaft ist es, wenn es sich dabei um einen Schrittmotor handelt, wodurch die Übergänge zwischen der Lichtfreigabe- und Lichtabschottungsposition des Chopperzylinders sehr schnell stattfinden und das Anhalten in den beiden Positionen den Anforderungen entsprechend gesteuert wird. Zu diesem Zweck ist auch ein Geber vorgesehen, der die jeweilige Position des Chopperzylinders erfaßt und den Motor entsprechend steuert. Der Antriebsmotor weist ebenfalls eine miniaturisierte Form auf und ist vorteilhafterweise an der äußeren Wandung des Meßbehälters angeordnet.

Vorteilhaft ist es, wenn der Detektor durch einen oder mehrere Empfänger, welche auf pyroelektrischer Basis arbeiten und deswegen besonders kleine Abmessungen aufweisen, gebildet ist. Diesen Empfängern sind erfindungsgemäß sektorenweise Filter für verschiedene Wellenlängen zugeordnet. Vorteilhafterweise ist einer der Filter für eine Referenzwellenlänge vorgesehen. Dadurch ist es möglich, äußere Einflüsse, die die eigentliche Messung beeinflussen, auszuschalten. Die Intensität des Lichtes mit der Referenzwellenlänge wird durch die äußeren Einflüsse genauso verändert wie die Intensität der zu messenden Wellenlängen. Dadurch ist die Unabhängigkeit der Messung von den äußeren Einflüssen gewährleistet.

Die Länge des Meßbehälters wird der zu erwartenden Konzentration an gasförmigen Stoffen, deren Beschaffenheit bestimmt werden soll, angepaßt. Ist die Konzentration der gasförmigen Stoffe niedrig, so muß die Meßstrecke länger sein und dementsprechend auch die Abmessungen des Meßbehälters. Bei einer normalen Konzentration eines zu untersuchenden gasförmigen Stoffes weist der Meßbehälter eine Länge zwischen 5 bis 200 mm und einen Durchmesser von 10 bis 20 mm auf.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen, die in den nachfolgenden Figuren dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Eine schematische perspektivische Darstellung des Infrarot-Gasanlysators,

Fig. 2 Eine Draufsicht auf eine etwas andere Bauform des Infrarot-Gasanlysators,

Fig. 3 Eine Darstellung des Detektors zur Bestimmung von 15 Bestandteilen des untersuchten gasförmigen Stoffes.

Der Infrarot-Gasanalysator (Fig. 2) weist einen Meßbehälter (1), eine Infrarotstrahlungsquelle (2) und einen Detektor (3) auf. Die Infrarotstrahlungsquelle (2) ist in einem Gehäuse (4) angeordnet, das die Form eines Parabolspiegels hat. Durch eine Linse (5) wird die durch die Infrarotstrahlungsquelle (2) erzeugte Strahlung in die Meßstrecke des Meßbehälters (1) eingekoppelt. Im Meßbehälter (1) befindet sich das zu untersuchende Gas, das durch eine Gaszuführung (6) dem Meßbehälter zugeführt und durch eine Gasabführung (7) von diesem abgeführt wird. Der Meßbehälter (1) weist eine zylindrische Form auf. Im Meßbehälter (1) ist ein um eine Rotationsachse A-A (Fig. 1) drehbarer Chopperzylinder (8) mit einer durchgehenden Öffnung (9) angeordnet. Die Öffnung (9) erstreckt sich parallel zum Strahlengang bzw. zur Längserstreckungsrichtung des Meßbehälters (1). Die Drehbewegungen des Ghopperzylinders (8) werden durch einen Motor (10), vorteilhafterweise einen Schrittmotor, verursacht und gesteuert. Der Motor ist mit einer Steuereinheit (16) für die Drehgeschwindigkeit des Chopperzylinders ausgestattet. Darüber hinaus ist dem Chopperzylinder (8) ein Geber (11) zugeordnet, welcher die Position des Chopperzylinders erfaßt. Der Geber (11) kann durch eine Lichtschranke, eine Hall-Sonde oder einen induktiven oder kapazitiven Näherungsschalter gebildet sein. Die Signale des Gebers (11) werden der mit dem Motor (10) verbundenen Steuereinheit (16) zugeführt, wonach die Bewegungen und die Geschwindigkeit des Chopperzylinders (8) gesteuert werden. Die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Position des Chopperzylinders (8) entspricht einem Zustand, in dem alle Lichtstrahlen durchgelassen werden und somit zum Detektor (3) gelangen. Der Detektor (3) ist ebenso wie der Chopperzylinder (8) im Meßbehälter (1), an seinem, dem Strahleneintritt abgewandten Ende angeordnet. Der Detektor (3) wird aus einem oder mehreren pyroelektrischen Empfängern (3a) gebildet, auf denen Filter (13, 14) für eine oder mehrere Wellenlängen angebracht sind. Der Chopperzylinder (8) besteht aus einem Material, welches einerseits wärmebeständig ist und andererseits leicht genug ist, um schnelle Drehbewegungen desselben um die Rotationsachse A-A zu ermöglichen. Dieses Material kann Metall oder wärmebeständiger Kunststoff sein. Die Verbindung zwischen dem Motor (10) und der Achse des Chopperzylinders (8) geschieht über eine im Gehäuse des Meßbehälters (1) dicht verankerte Kupplung (17). Die dargestellte Position des Chopperzylinders (8) läßt die Infrarotstrahlung zum Detektor (3) durch. Die Öffnung (9) des Chopperzylinders (8) erstreckt sich parallel zum Strahlengang (12). Wird der Chopperzylinder (8) durch den Motor (10) um 90° um die Rotationsachse A-A gedreht, so trifft die Strahlung auf die geschlossene Fläche (8a) des Chopperzylinders (8) auf, so daß diese Position einer Abschottung des Strahlenganges (12) entspricht.

In Fig. 3 ist der Detektor (3) dargestellt mit vier pyroelektrischen Empfängern (3a) vor denen jeweils sektorenweise vier Filter (13, 14) angeordnet sind. Somit ist eine Messung der Intensitätsschwankungen von 16 Wellenlängen möglich, woraus sich eine Bestimmung von 15 Gasbestandteilen ergibt, da ein Filter (14) für eine Referenzwellenlänge vorgesehen ist.

Es ergibt sich folgende Wirkungsweise: Die von der Infrarotstrahlungsquelle (2) ausgesandte Strahlung wird über die Linse (5) in den Meßbehälter (1) eingekoppelt, wo sie eine Meßstrecke bis zum Detektor (3) durchläuft. In dem Meßbehälter (1) befindet sich das zu untersuchende Gas, dessen einzelne Bestandteile bestimmt werden sollen. Für die Durchführung der Messung ist es wichtig, daß der Strahlengang gechoppt wird, d. h. die Strahlen der Meßstrahlung (12) periodisch freigegeben und abgeschottet werden, so daß sie periodisch den Empfänger des Detektors (3) erreichen. In Abhängigkeit von der Stellung des Chopperzylinders (8) wird die Strahlung periodisch freigegeben und abgeschottet. Befindet sich der Chopperzylinder (8) in einer solchen Position, daß der gesamte Querschnitt des Meßbehälters (1) durch die geschlossene Fläche (8a) des Chopperzylinders (8) angenommen wird, so wird keine Strahlung durchgelassen; befindet sich der Chopperzylinder (8) in einer solchen Position, daß seine Öffnung (9), die dem Durchmesser und der Form des Meßbehälters gleich ist, und sich parallel zum Strahlengang erstreckt, so gelangt alle Strahlung zum Detektor (3), da die geschlossenen Seiten (8a) des Chopperzylinders (8) in der Ausbuchtung (15) liegen. Die Intensität der am Detektor (3) ankommenden Strahlung kann gemessen werden. Die Messungen werden mehrmals wiederholt, um Zählraten zu erhalten, aufgrund deren die Schwächung der Lichtintensität für bestimmte Wellenlängen zuverlässig festgestellt werden kann und daß aufgrund dieser Absorptionsraten die Bestandteile des zu messenden Gasgemisches bestimmt werden können.

Claims (7)

1. Infrarot-Gasanalysator mit

• - einem zylindrischen Meßbehälter (1) zur Aufnahme des zu untersuchenden Gasgemisches, mit einer Gaszuführung (6) und einer Gasabführung (7),
• - einer Infrarotstrahlungsquelle (2) zur Erzeugung einer in den Meßbehälter einkoppelbaren und diesen durchlaufenden Meßstrahlung (12),
• - einem in dem Meßbehälter angeordneten und von einem Motor antreibbaren Unterbrechungselement zur periodischen Freigabe und zur vollständigen Unterbrechung der Infrarotstrahlung, wobei das Unterbrechungselement um eine zur Längsachse des Meßbehälters senkrecht stehende Achse drehbar ist, und mit
• - einem Detektor (3), bestehend aus einem oder mehreren Empfängern (3a)

dadurch gekennzeichnet, daß

• - das Unterbrechungselement als Chopperzylinder (8) ausgebildet ist, der in Richtung einer Drehachse gesehen eine zylindrische Außenkontur und senkrecht dazu eine zylindrische Öffnung aufweist, wobei der Querschnitt der zylindrischen Öffnung dem freien Querschnitt des Meßbehälters (1) in Durchmesser und Form zum ungehinderten Durchtritt der gesamten Infrarotstrahlung in einer ersten Stellung entspricht und die Abmessung der Außenkontur derart ist, daß in einer zur ersten Stellung senkrechten Stellung die gesamte Infrarotstrahlung unterbrochen ist,
• - die Form des Meßbehälters (1) am Ort des Chopperzylinders (8) dessen Außenkontur angepaßt ist, so daß die Drehbewegung ungehindert erfolgen kann, und daß
• - Filter (13, 14), den einzelnen Wellenlängen entsprechend, vor dem/den Empfängerin (3a) angeordnet sind.

2. Infrarot-Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (10) ein Schrittmotor ist und mit einer Steuereinheit (16) zur Steuerung der Geschwindigkeit des Chopperzylinders (8) versehen ist.

3. Infrarot-Gasanalysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Geber (11) zur Abtastung der Position des Chopperzylinders (8) vorgesehen ist.

4. Infrarot-Gasanalysator nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Meßbehälters (1) der Konzentration der gasförmigen Stoffe anpaßbar ist.

5. Infrarot-Gasanalysator nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (3) im Meßbehälter angeordnet und aus einem oder mehreren pyroelektrischen Empfängerin (3a) gebildet ist.

6. Infrarot-Gasanalysator nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Empfänger (3a) ein Filter (14) für eine Referenzwellenlänge aufweist.