DE8032658U1

DE8032658U1 - Non-dispersive infrared gas analyzer

Info

Publication number: DE8032658U1
Application number: DE8032658U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1980-12-08
Publication date: 1985-05-15

Description

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SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 80 P 3567 DESIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Our mark Berlin and Munich VPA 80 P 3567 DE

Nichtdispersiver Infrarot-GasanalysatorNon-dispersive infrared gas analyzer

Die Erfindung bezieht sich auf einen nichtdispersiven Infrarot-(NDIR)-Gasanalypator zur Messung mindestens einer Komponente eines aus einem Gasgemisch bestehenden Probengases, mit zwei parallelen Strahlengängen, die von periodisch unterbrochene*· Infrarot-Strahlung durchstrahlt sind, mit einer, in beiden Strahlengängen liegenden, prpbengasdurchströmten MeßkUvette, mit Mitteln zur Nullpunkteinstellung durch Veränderung der Strahlungsenergien in den Strahlengängen, mit je einer die Meßkomponente oder ein ihr absorptionsmäßig entsprechendes Gas enthaltenden Empfängerkammer in jedem Strahlengang, mit Mitteln zur selektiven Beeinflussung der in die Empfängerkammern gelangenden Strahlung und mit Mitteln zur Umwandlung des absorptionsabhängigen Differenzdrucks zwischen den Empfängerkammern in ein elektrisches Signal.The invention relates to a non-dispersive one Infrared (NDIR) gas analyzer for measuring at least one Component of a sample gas consisting of a gas mixture, with two parallel beam paths, which from periodically interrupted * · infrared radiation penetrates are, with one lying in both beam paths, sample gas flow through measuring cell, with means for zero point adjustment by changing the radiation energies in the beam paths, each with one die Measuring component or a receiving chamber containing its absorption gas corresponding to its absorption in each beam path, with means for selectively influencing the radiation reaching the receiving chambers and with means to convert the absorption-dependent differential pressure between the receiver chambers into an electrical one Signal.

Bei bekannten Geräten dieser Art, bei denen insbesondere für schwierige Meßaufgaben selektive Empfänger mit negativer Filterung kombiniert werden, bestehen die Mittel zur selektiven Beeinflussung der in die Empfängerkammern gelangenden Strahlung in der Regel aus einem optischen Gasfilter, also einem in einer strahlungsdurchlässigen Kammer eingeschlossenen fias, dessen Hauptabsorptionsbande der der Meßkomponeftte im Probengas entspricht. Dieses sogenannte SelektJLvierungsfilter ist in einem der Strahlengänge vor der Empfängerkammer angeordnet. Die Konzentration der Gasfüllung im optischen Gasfilter wird so hoch gewählt, daß ein Teil der Energie, besonders im Zentrum einer Absorptionsbande, vor Eintritt in die Empfängerkammer absorbiert wird.In known devices of this type, in which, especially for difficult measuring tasks, selective receivers with negative Filtering are combined, the means exist to selectively influence the in the receiving chambers Radiation arriving usually from an optical gas filter, i.e. one in a radiation-permeable filter Fias enclosed in the chamber, the main absorption band of which corresponds to that of the measuring component in the sample gas. This so-called selection filter is arranged in one of the beam paths in front of the receiving chamber. The concentration of the gas filling in the optical gas filter is chosen so high that part of the energy, especially in the center of an absorption band, before entering the receiving chamber.

Sp 4 Bz / 04.12.1980Sp 4 Bz / 04.12.1980

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Nachteilig bei der Verwendung optischer Gasfilter ist der relativ große entwicklungsmäßige und gerätetechnische Aufwand bei der Herstellung und Bereitstellung der hinsichtlich Länge und Füllung unterschiedlichen Gasfilter für die in Frage kommenden Meßkomponenten.The disadvantage of using optical gas filters is that they are relatively large in terms of development and equipment Expenditure in the production and provision of the gas filters, which differ in terms of length and filling for the measuring components in question.

Ein weiterer Nachteil bei bekannten Geräten ist die eine Phasenverschiebung bei der Differenzbildung der Meßsignale verursachende Unsymmetrie der Gasvolumen in den beiden Strahlengängen.Another disadvantage of known devices is the phase shift in the formation of the difference between the measurement signals Causing asymmetry of the gas volume in the two beam paths.

Es besteht somit die Aufgabe, einen NDIR-Gasanalysator der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß er bei geringem konstruktiven Aufwand vielseitig einsetzbar und hinsichtlich der Absorptionslängen der Gasvolumen symmetrisch aufgebaut ist.There is thus the task of an NDIR gas analyzer to improve the type mentioned so that he at Versatile use with little construction effort and symmetrical with regard to the absorption lengths of the gas volumes is constructed.

Eine Lösung der Aufgabe besteht darin, daß die in Strahl richtung rückseitigen Stirnflächen der gleiche Abmessungen aufweisenden Empfängerkammern als strahlungsdurchlässige Fenster ausgebildet sind und daß hinter einem der Fenster einen Teil der austretenden Strahlung in die entsprechende Empfängerkammer reflektierende Mittel angeordnet sind.One solution to the problem is that the in beam Direction of the rear end faces of the receiver chambers having the same dimensions as radiation-permeable Windows are formed and that behind one of the windows some of the radiation emitted into the corresponding receiving chamber reflecting means are arranged.

Bei dieser Anordnung kann das optische Gasfilter entfallen. Der den Einfluß der Bandenrandstrahlung verstärkende reflektierte Anteil kann je nach Meßaufgabe und Meßkomponente so eingestellt werden, daß zwischen den Empfängerkammern ein verwertbares Differenzsignal auftritt, welches dem Anteil der Meßkomponente im Probengas entspricht. Die Gasvolumen in beiden Strahlengängen, insbesondere in den Empfängerkammern, können in jedem Fall hinsichtlich ihrer Absorptionslängen streng symmetrisch ausgebildet werden, so daß eine Phasenverschiebung und das daraus resultierende Störsignal nicht auftritt.With this arrangement, the optical gas filter can be omitted. The one that increases the influence of the band edge radiation reflected portion can be adjusted depending on the measuring task and measuring component so that between the receiving chambers a usable difference signal occurs which corresponds to the proportion of the measuring component in the sample gas. The gas volumes in both beam paths, in particular in the receiver chambers, can in any case be designed strictly symmetrical with regard to their absorption lengths, so that a phase shift and the resulting interference signal does not occur.

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Zur Erläuterung der Erfindung ist in der Figur das Aufbauprinzip eines Zweistrahl-NDIR-Gasanalysators dargestellt und im folgenden beschrieben.To explain the invention, the construction principle is shown in the figure of a two-beam NDIR gas analyzer and described below.

Die von zwei Infrarot-Strahlungsquellen 1 und 2 ausgehende Strahlung wird gebündelt und tritt, von der umlaufenden Blende 3 periodisch unterbrochen, in zwei parallele Strahlengänge I und II ein.The radiation emanating from two infrared radiation sources 1 and 2 is bundled and emerges from the circulating one Aperture 3 periodically interrupted, in two parallel beam paths I and II.

Eine Meßküvette 4, die aus zwei parallel angeordneten, an ihren Stirnseiten mit strahlungsdurchlässigen Fenstern 5 versehenen und über die Leitung 6 strömungsmäßig miteinander verbundenen gleichen Hohlzylindern 7 und 8 besteht, weist einen Gaseinlaß 9 in den Hohlzylinder 7 und einen Gasauslaß 10 aus dem Hohlzylinder 8 auf. Ein aus den Gaskomponenten X, Y, Z bestehendes Probengas strömt durch die Meßküvette 4.A measuring cuvette 4, which consists of two parallel arranged, provided with radiation-permeable windows 5 on their end faces and via the line 6 in terms of flow consists of the same hollow cylinders 7 and 8 connected to one another, has a gas inlet 9 into the hollow cylinder 7 and a gas outlet 10 from the hollow cylinder 8. A sample gas consisting of the gas components X, Y, Z flows through the measuring cuvette 4.

Auf die Meßküvette 4 folgt in jedem Strahlengang jeweils eine Empfängerkammer 11, 12 mit gleichen Abmessungen, die an ihren vorderen und rückwärtigen Stirnseiten mit strahlungsdurchlässigen Fenstern 5 versehen ist. Soll beispielsweise der Anteil der Komponente X am Probengas, also die Meßkomponente, bestimmt werden, so sind die Empfängerkammern mit einem Gas oder Gasgemisch gefüllt, das die Meßkomponente enthält oder deren IR-Absorptionsbanden aufweist. Die beiden gleichen Empfängerkammern und 12 sind über eine Leitung 13 verbunden, die einen nach dem Prinzip eines thermischen Anemometers arbeitenden Strömungsfühler 14 enthält, der als Meßwertaufnehmer eines Meßumformers 15 ein elektrisches Signal für die Anzeige 16 abgibt.The measuring cuvette 4 follows in each beam path a receiving chamber 11, 12 with the same dimensions, which on their front and rear faces with radiation-permeable windows 5 is provided. If, for example, the proportion of component X in the sample gas, i.e. the measuring component, are determined, the receiver chambers are filled with a gas or gas mixture, which contains the measuring component or has its IR absorption bands. The two same recipient chambers and 12 are connected via a line 13, which operates on the principle of a thermal anemometer Contains flow sensor 14, which as a transducer of a transducer 15, an electrical signal for the Display 16 gives off.

Hinter dem in Strahlungsrichtung rückwärtigen Fenster 5 der Empfängerkammer 12 im Strahlengang II ist als strahlenreflektierendes Mittel 17 eine ebene, mit einer reflektierenden 'Schicht 18 versehene Platte 19, z. B. ein Spiegel, relativ zur Mittelachse des Strahlengangs IIBehind the window 5, which is rearward in the direction of radiation, of the receiving chamber 12 in the beam path II is a radiation-reflecting Means 17 a flat plate 19 provided with a reflective layer 18, e.g. B. a Mirror, relative to the central axis of the beam path II

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axial und/oder radial verschiebbar oder um eine, in einer parallelen Ebene zum Austrittsfenster 5 der Empfängerkammer 12 liegende Achse kippbar angeordnet. Es kann auch eine verstellbare Blende zwischen Austrittsfenster und fest angebrachtem Spiegel vorgesehen werden.axially and / or radially displaceable or around one, in a plane parallel to the exit window 5 of the receiving chamber 12 horizontal axis arranged tiltable. There can also be an adjustable panel between the exit window and a fixed mirror.

Zur Nullpunkteinstellung wird durch die Meßküvette 4 ein nicht IR-absorbierendes Gas geführt. Die von den Infrarot-Strahlern 1 und 2 ausgehende» modulierte Strahlung wird in den mit einem der Meßkomponente X entsprechenden Gas gefüllten Empfängerkammern 11 und 12 absorbiert, wobei die Bandenmittenstrahlung der Hauptabsorptionsbande stärker absorbiert wird als die Bandenrandstrahlung, die die Empfängerkammern durch die rückwärtigen Fenster 5 wieder verläßt. Ein Teil der aus der Empfängerkammer 12 austretenden Bandenrandstrahlung wird jedoch mit Hilfe der reflektierenden Mittel 17 wieder zurückgestrahlt, so daß in der Empfängerkammer 12 im Strahlengang II sowohl Bandenmitten- wie Bandenrandstrahlung, in der Empfängerkammer 11 im Strahlengang I hauptsächlich Bandenmittenstrahlung absorbiert werden, was zu unterschiedlicher Erwärmung, Druckanstieg und einer dem Differenzdruck entsprechenden Ausgleichsströmung über die Leitung 13 führt.To adjust the zero point, the measuring cuvette 4 a non-IR-absorbing gas led. The »modulated radiation emanating from the infrared emitters 1 and 2 is absorbed in the receiving chambers 11 and 12 filled with a gas corresponding to the measuring component X, where the center band radiation of the main absorption band is more strongly absorbed than the band edge radiation, which leaves the receiving chambers through the rear window 5 again. Part of the from the However, the band edge radiation exiting from the receiver chamber 12 is restored with the aid of the reflecting means 17 reflected back, so that in the receiving chamber 12 in the beam path II both band center and band edge radiation, in the receiving chamber 11 in beam path I mainly band center radiation is absorbed, which leads to different heating, pressure increases and a compensating flow corresponding to the differential pressure leads via line 13.

Durch Verringerung der in die Empfängerkammer 12 eintretenden Strahlungsenergie mit Hilfe einer verschiebbaren Blende 20 wird Druckgleichheit zwischen den beiden Kammern hergestellt. Der Strömungsfühler 14 gibt kein Signal ab. Wird die Meßküvette 4 nun mit dem Probengas beströmt, so tritt dort eine Bandenmitten-Vorabsorption auf, die sich stärker in der Empfängerkammer 11 auswirkt, so daß ein dem Differenzdruck ΔΡ zwischen den Empfängerkaminern 11 und 12 entsprechendes Signal abgegeben wird, welches dem Anteil der Meßkomponente X im Probengas entspricht. By reducing the radiation energy entering the receiving chamber 12 with the aid of a displaceable Orifice 20 is equal to the pressure between the two chambers. The flow sensor 14 gives no signal away. If the sample gas now flows through the measuring cuvette 4, a band center pre-absorption occurs there on, which has a stronger effect in the receiving chamber 11, so that a differential pressure ΔΡ between the receiving chambers 11 and 12 corresponding signal is emitted, which corresponds to the proportion of the measuring component X in the sample gas.

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Weisen eine oder mehrere der anderen Komponenten Y, Z des Probengases Absorptionsbanden auf, die sich in ihren Randbezirken mit der der Meßkomponente X überlappen, läßt sich durch Verstellung der reflektierenden Mittel 17 und damit Veränderung des zurückgestrahlten Anteils der Bandenrandstrahlung ein bestimmter Wert für die Bandenrandempfindlichkeit einstellen und so die Querempfindlichkeit verringern.Have one or more of the other components Y, Z of the sample gas absorption bands that are in their Edge areas with which the measuring component X overlap, can be done by adjusting the reflecting means 17 and thus the change in the reflected portion of the band edge radiation a certain value for the Set the band edge sensitivity and thus the cross sensitivity to decrease.

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- 7 - VPA 80 P 3567 DE Zusammenfas sung - 7 - VPA 80 P 3567 EN Summary

Non-dispersive infrared gas analyzer

Bei einem nichtdispersiven Infrarot-Gasanalysator nach dem Prinzip der negativen und positiven Filterung wird anstelle der SelektivierungslcUvette ein Spiegel verwendet, der hinter einer der gasgefüllten und an beiden Stirnflächen mit lichtdurchlässigen Fenstern versehenen Empfängerkammern verschiebbar angeordnet ist und einen vorgebbaren Teil der austretenden Strahlung in die Empfängerkammer reflektiert, so daß der Anteil der Randstrahlung bei der Absorption in dieser Kammer vergrößert wird.In the case of a non-dispersive infrared gas analyzer according to the principle of negative and positive filtering, Instead of the selectivation cell, a mirror is used behind one of the gas-filled cells and on both End faces provided with transparent windows receiving chambers is arranged displaceably and one Predeterminable part of the exiting radiation is reflected in the receiving chamber, so that the portion of the edge radiation is enlarged upon absorption in this chamber.

Die Erfindung wird angewandt bei NDIR-Geräten zur Vereinfachung der Handhabung bei der Messung unterschiedlicher Meßkomponenten.The invention is applied to NDIR devices for the sake of simplicity handling when measuring different measuring components.

Claims

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- 6 - VPA 80 P 3567 DE

Non-permeable infrared gas analyzer for measurements at least a component of a sample gas consisting of a gas mixture, with two parallel beam paths, which are penetrated by periodically interrupted IR radiation, with one in both beam paths lying measuring cuvette through which the sample gas flows, with means for zero point adjustment by changing the radiation energies in the beam paths, each with one the measuring component or a receiving chamber containing the gas corresponding to its absorption in each beam path, with means for selectively influencing the radiation reaching the receiving chambers and with a Measuring transducer for converting the absorption-dependent differential pressure between the receiving chambers into a electrical signal, characterized in that the rear in the direction of the beam End faces of the same receiver chambers (11, 12) are designed as radiation-permeable windows (5) and that behind one of the windows (5) some of the radiation exiting into the chamber (12) is reflective Means (17) are arranged.