DE10144807A1

DE10144807A1 - Vorrichtung zur Analyse einer Gasprobe

Info

Publication number: DE10144807A1
Application number: DE10144807A
Authority: DE
Inventors: Hans Weismann
Original assignee: Pierburg Instruments GmbH
Current assignee: AVL Emission Test Systems GmbH
Priority date: 2001-09-12
Filing date: 2001-09-12
Publication date: 2003-03-27

Abstract

Bekannte Meßtechniken und Vorrichtungen zur Bestimmung der Einzelkomponenten eines Abgasgemisches entsprechen den neuen Forderungen des Gesetzgebers nicht mehr. Die Anpassung an die notwendigen Meßgenauigkeiten sowie zukünftige Forderungen nach noch weiteren zu untersuchenden Abgaskomponenten läßt den Aufwand mit jeder Gaskomponente linear ansteigen, so daß diese Verfahren und Vorrichtungen teuer werden. DOLLAR A Die vorgeschlagene Vorrichtung (1) weist eine Meßzelle (2), wenigstens einen eine Strahlung (X) emittierenden Strahler (5) und einen diese Strahlung (X¶lambda1-n¶'') aufnehmenden Empfänger (7), die einem Abbildungsspiegel (4) gegenüberliegend angeordnet sind, sowie ein verstellbares Gitter (6) auf. Das Gitter (6) hat die Eigenschaft, daß es unter verschiedenen Winkeln (delta¶1-n¶) eingestellt werden kann und somit bei einem bestimmten Winkel (delta¶1-n¶) auch nur eine Wellenlänge (lambda¶1-n¶) der Strahlung optimal auf den Empfänger (7) über einen sphärischen Spiegel (4) reflektiert wird. Die Wellenlängendetektion erfolgt durch Drehen des Gitters (6) und kann über eine Oktave und mehr kontinuierlich erfolgen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Analyse einer Gasprobe nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine Vorrichtung zur Analyse einer Gasprobe mittels Infrarot-Absorption beschreibt die DE 199 29 034 A1. Hierbei werden ein Strahler und ein Empfänger auf einem gemeinsamen, thermisch stabilisierten Träger in unmittelbarer Nähe zueinander und auf einer Seite einer Meßküvette angeordnet, um die Arbeitstemperatur des Strahlers und des Empfängers gemeinsam stabilisieren zu können. Mit Hilfe von mehreren dem Empfänger einzeln vorgeschalteten Filtern wird nur die Wellenlänge einer Gaskomponente aus der IR-Strahlung gefiltert und auf den Empfänger gegeben, die ausgewertet werden soll.

Ein dispersives Verfahren zum Analysieren und ständigen Überwachen von Abgasparametern in Triebwerken von Flugzeugen während des Fluges offenbart die DE 199 44 006 A1. Hierbei werden mehrere Spektrometer verwendet. Ein Spektrometer weist als Sender einen Laser und als Empfänger einen IR-Detektor auf, die einander gegenüberliegend angeordnet und so justiert sind, daß sich ihre optischen Achsen decken und sich zwischen beiden das zu untersuchende Gasvolumen befindet.

Durch neue Forderungen des Gesetzgebers zur Bestimmung der Einzelkomponenten in Abgasgemischen lassen sich derartige Meßvorrichtungen nicht mehr der notwendigen Meßgenauigkeiten anpassen, wenn zukünftig noch weitere zu bestimmenden Abgaskomponenten untersucht werden müssen. Zudem steig der Aufwand mit jeder Gaskomponente linear an, so daß diese Verfahren und Vorrichtungen teuer werden.

Bekannt sind desweiteren teure und hochauflösende Gitterspektrometer, die unter anderem in Gaschromatographen zur Bestimmung von einer Vielzahl unterschiedlicher Gaskomponenten verwendet werden.

So beschreibt die DE 32 24 736 A1 ein Gitterspektrometer, das eine Gitteranordnung mit einem Beugungsgitter aufweist, welches eine Vielzahl eng nebeneinander verlaufender Gitterfurchen besitzt und auf welches von einem geeigneten optischen System ein durch einen Eintrittsspalt tretendes und danach parallelgerichtetes Licht geleitet wird. Das vom Beugungsgitter zurückgeworfenen Licht wird am Beugungsgitter spektral zerlegt, wobei Licht einer bestimmten Wellenlänge jeweils unter denjenigen Winkeln zurückgeworfen wird, für welche die optische Wellenlängendifferenz des an den Gitterfurchen gebeugten Lichts ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge beträgt. Durch Verschwenken des Beugungsgitters kann das Spektrum abgetastet werden, d. h. die in verschiedenen Richtungen gebeugten Lichtbündel können nacheinander auf den Austrittsspalt geleitet werden.

Die DE 42 24 299 C2 offenbart ein Spektrometer, welches Lichtschwankungen einer Lichtquelle bei der Auswertung der Signale rechnerisch berücksichtigt, wobei auch vom Hersteller benannte Offset-Daten bei der Eichung des Spektrometers berücksichtigt werden.

Aus der DE 198 14 660 C1 ist ein Gitterspektrometer bekannt, daß als Beugungsgitter ein Blaze-Gitter verwendet.

Diese Gitterspektrometer sind für den Einsatz zur Analyse insbesondere eines Abgasgemisches einer Brennkraftmaschine nicht vorgesehen, da sie zu aufwendig und zu teuer sind.

Hieraus ergibt sich die Aufgabe, ein Vorrichtung aufzuzeigen, die einfach aufgebaut ist, die erforderlichen Meßgenauigkeit aufweist und den Forderungen nach weiteren zu bestimmenden Abgaskomponenten entspricht.

Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, in die Vorrichtung ein Beugungsgitter nach dem Prinzip eines Gitterspektrometers einzubinden. Dazu besteht die Vorrichtung aus einer herkömmlichen Meßzelle, die auf einer Stirnseite beispielsweise mit einem sphärischen Abbildungsspiegel und auf der anderen Seite mit einem Deckglas abgeschlossen ist. Davor sind ein Strahler und ein Empfänger sowie das Gitter angeordnet. Das Gitter hat die Eigenschaft, daß es unter verschiedenen Winkeln eingestellt werden kann und somit bei einem bestimmten Winkel auch nur eine Wellenlänge der Strahlung (des Lichtes) optimal auf den Empfänger über den sphärischen Spiegel reflektiert wird. Die Wellenlängendetektion erfolgt durch Drehen des Gitters und kann über eine Oktave und mehr kontinuierlich erfolgen. Filter zur Einstellung der zu messenden Wellenlängen am Empfänger sind dadurch nicht mehr notwendig.

Das Gitter selbst ist ein Blaze-Gitter und weist mehrere Gitterlinien auf, die als Furchen ausgeprägt sind, deren Flächennormale in Beugungsrichtung stehen. Aus dieser Anordnung ergibt sich ein bestimmter (Reflexions-) Winkel, der sich aus der Wellenlänge und der Gitterkonstanten errechnen läßt. Dieser Winkel gilt nur für eine Wellenlänge.

Beim vorgeschlagenen Gitterspektrometer wird vorzugsweise neben den interessierenden Absorptionskennlinien auch das dazwischen liegende Spektrum kontinuierlich abgetastet. Man erhält dabei einmal das Emissionssprektrum (Null-Linie) des Strahlers sowie eine oder mehrere Absorptionslinien der Gase. Die Bestimmung der Gaskonzentration kann dann sowohl anhand einer Absorptionslinie, z. B. Hexan, oder anhand mehrere Absorptionslinien, z. B. CO₂, erfolgen. Damit wird ein exakteres Gesamtmeßergebnis geschaffen. So kann bei einer starken Gaskonzentration auch eine geringe Absorption und bei einer niedrigen Gaskonzentration eine starke Absorption ausgewertet werden.

Mit Hilfe des Empfängers wird vorab die Null-Linie bei einem Null-Gas festgestellt und als Stützpunkte abgespeichert. Zusätzlich kann die Vorrichtung mit Hilfe eines bekannten Probengases, d. h. dessen Konzentration bekannt ist, kalibriert werden. Die aufgenommenen Meßdaten des Probengases als auch der unbekannten Gasprobe können durch unterschiedliche Auswerteverfahren ausgewertet werden. Eine Methode ist die integrale Methode, bei der die Absorptionswerte zwischen zwei Stützstellen integriert werden. Beim Mischverfahren werden beispielsweise 10 Meßwerte entlang der Meßlinie addiert oder es wird nur der absolute Wert an der Linie gemessen. Diese Werte werden danach mit einem Korrekturfaktor, der abhängig von der Gaskomponente ist und beispielsweise in einer Auswerteelektronik hinterlegt ist, multipliziert.

Über weitere abgelegte Daten können Korrekturfaktoren in das Meßverfahren eingebunden werden, mit denen beispielsweise Offsetdrifte des Strahlers und/oder des Empfängers korrigiert werden können. Dies ermöglicht den Einsatz einfacher Strahler und Empfänger.

Die Höhe der Transmission des IR-Lichtes wird nur als ein Bruchteil eines Gesamtsignals bestimmt und ist durch die reine Verhältnisbildung der beiden Intensitäten, der ohne und der mit Gasabsorption, weitgehend unabhängig von der Strahlencharakteristik und der Empfängerkennliniensteigung. Dadurch kann auf eine aufwendige Strahler- und Empfängerstabilisierung verzichtet werden. Aus dem Verhältnis der beiden Intensitäten läßt sich dann die Gaskonzentration des Einzelgases bestimmen.

Mit einer Meßgeschwindigkeit von 20-25 Messungen pro Sekunde ist dieses Gitterspektrometer beim Einsatz als Gasanalysator schneller gegenüber herkömmlichen NDIR-Analysatoren. Die Meßgeschwindigkeit selbst ist zudem einstellbar.

Bedingt durch einen 4-fachen Durchlauf der IR-Strahlung durch die Meßzelle kann diese relativ kurz gehalten werden.

Mit der vorliegenden Vorrichtung wird ein kostengünstiger Gasanalysator angeboten, mit dem eine zylinderselektive Gasmessung vorgenommen werden kann, wobei jede Gaswolke mit anderer Konzentration meßbar ist. Dazu können die Meßstellen vor einem Autokatalysator und somit in Motornähe angebracht werden. Die Nutzung des Gasanalysators beim Motorhersteller selbst ist auch möglich.

Die vorgenannte Vorrichtung erlaubt neben der bekannten Messung von CO₂- Gaskonzentrationen usw. unter anderem auch die Bestimmung von Hexan (HC) und weiterer Gase.

Anhand eines Ausführungsbeispiels mit Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden.
Es zeigt
Fig. 1 einen Aufbau einer Vorrichtung,
Fig. 2 eine Darstellung der Oberfläche des Gitters aus Fig. 1,
Fig. 3 eine skizzenhafte Darstellung der Strahlenreflexion bei Verstellung des Gitters aus Fig. 1,
Fig. 3a einen Ausschnitt A aus Fig. 3,
Fig. 3b einen Ausschnitt B aus Fig. 3,
Fig. 4 einen Aufbau eines Strahlers.
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung 1 zur Analyse einer Gasprobe 10 dargestellt. Diese besteht aus einer vorzugsweise zylindrischen Meßküvette als Meßzelle 2, die an ihren beiden Seiten vorzugsweise durch ein vorderes Zellenfenster 3 und einen am hinteren Ende befindlichen sphärischen Spiegel 4 verschlossen ist. Das vordere Zellenfenster 3 ist aus einem IR-Strahlungen X durchlässigem Material hergestellt.
Die zylindrische Meßzelle 2 weist ferner in bekannter Art und Weise ein Einlaßrohr 2.1 und ein Auslaßrohr 2.2 auf. Am Zellenfenster 3 sind frontseitig der Meßküvette 2 ein Sender 5, ein winkelverstellbares Gitter 6 sowie ein Empfänger 7 angeordnet.
Der Sender 5 ist hier beispielsweise ein kostengünstiger thermischer Strahler (wird noch ausgeführt), der Empfänger 7 beispielsweise eine photoconduktive Zelle, beispielsweise eine PbSe-Zelle, deren Widerstand proportional mit der IR-Strahlung abnimmt. Zumindest der Empfänger 7 sind mit einer Auswerteelektronik 20 verbunden. Das Gitter 6 wird über einen Microschrittmotor 21 verstellt.
Das Gitter 6 ist ein Blaze-Gitter, welches als holographisches Gitter ausgebildet und dem Durchmesser der sphärischen Spiegels 4 angepaßt ist. Dabei kann das Gitter 6 aus einem Glas von ca. 5-7 mm Dicke oder aus einer Kunststoffolie bestehen. An der zum Spiegel 4 weisenden Oberfläche 6.1 weist das Gitter 6, wie in Fig. 2 dargestellt, mehrere (n) Gitterlinien 6.2 auf, die als Furchen 6.3 ausgeprägt sind, deren Flächennormale in Hauptbeugungsrichtung steht.
Für eine hohe Selektivität des Gitters 6 im Gasanalysator 1 ist die Gitterkonstante d möglichst klein und Anzahl n der Gitterlinien 6.2 möglichst hoch zu wählen. D. h., sollen beispielsweise 200 Wellenlängen λ_1-200 aufgelöst (und gemessen) werden, sind 200 Furchen vorzusehen.
Die Anzahl der Gitterlinien 6.2 bestimmt somit die optische Auflösung des Gasanalysators 1. Auf einer 15 mm × 30 mm großen Gitteroberfläche 6.2 können bei einer Furchenbreite von beispielsweise 5 µm ca. 2000 Furchen eingebracht werden.
Das Meßverfahren selbst läuft wie folgt ab:
Zur Gewinnung der Vergleichsdaten U₀ für die Gaskonzentrationsbestimmung wird in bekannter Art und Weise ein Null-Gas durch die Meßküvette 2 geschickt, um für jede zu messende Wellenlänge λ_1-n die Gitterwinkelstellungen δ_1-n zu ermittelt und in einer Auswerteelektronik 9 zu hinterlegen.
Über das Einlaßrohr 2.1 wird nun die zu messende Gasprobe 10 der Meßzelle 2 zugeführt. Vom Strahler 5 wird eine IR-Strahlung X in die Meßzelle 2 eingespeist, welche die Gasprobe 10 auf dem Weg zum sphärischen Spiegel 4 durchdringt. Vom sphärischen Spiegel 4 wird die leicht abgeschwächte IR-Strahlung X' in Richtung Zellenfenster 3 reflektiert, durchdringt dabei erneut das Probengas 10 und gelangt auf das Gitter 6, wo die abgeschwächte IR-Strahlung X' an den einzelnen Furchen 6.3 _1-n spektral zerlegt wird. Dieses Gitter 6 ist so eingestellt, daß in jeder Winkelstellung δ_1-n nur eine Wellenlänge λ_1-n der IR-Strahlung X' in die Meßzelle 2 zum Spiegel 4 und von dort als X_λ _1-n" auf den Empfänger 7 reflektiert wird. Der Empfänger 7nimmt dadurch immer nur ein Signal U_1-n für jede Wellenlänge λ₁, λ₂, bis λ_n auf und gibt diese Signale U₁, U₂ bis U_n an die Auswerteelektronik 20 weiter. Da die vom Gitters 6 bei der Messung jeweils eingenommene Winkelstellung δ_1-n der Vorrichtung 1 bekannt ist, kann die Auswerteelektronik 20 die gemessene Intensität U_1-n der jeweiligen Wellenlänge λ_1-n zuordnen.
Während der Strahler 5 also eine konstante IR-Strahlung X aussendet, wird das Gitter 6 in kleinen Schritten mit Hilfe des Microschrittmotors 21 verstellt, in Fig. 3 angedeutet, so daß die IR-Strahlung X' unter jeweils unterschiedlichen Winkeln α₁, α2 bis α_n auf je eine der Furchen 6.3 _1-n so auftreffen, daß wenigstens eine der Wellenlänge λ_1-n, in die die Strahlung X' spektral zerlegt wird, reflektiert wird. Der Empfänger 7 nimmt schrittweise, d. h. in Abhängigkeit der Gitterverstellung, das jeweilige Signal U₁, U₂, U₃ bis U_n der einzelnen Wellenlängen λ_1-n auf.
Zur besseren Veranschaulichung ist in Fig. 3a ein Ausschnitt A und in Fig. 3b ein Ausschnitt B der Fig. 3 vergrößert dargestellt.
In der ersten Darstellung fällt die IR-Strahlung X' unter dem Winkel α₁ auf die hier dargestellten Furche 6.3 ₉ ein, wobei allein die Wellenlänge X_λ ₁' die Reflexionsbedingung erfüllt und vom Gitter 6 reflektiert wird.
Bei der zweiten Darstellung ist das Gitter 6 in einen Winkel δ₂ verstellt worden. Die selbe IR-Strahlung X' tritt nunmehr unter einem Winkel α₂ auf die Furche 6.3 ₁₁ auf. In dieser Winkellage δ₂ erfüllt die Wellenlänge X_λ ₂' die Reflexionsbedingung und wird allein in Richtung Spiegel 4 abgelenkt.
In der Auswerteelektronik 20 werden die einzelnen Signale U_1-n wieder zu einem Spektrum X" zusammengefügt und in bekannter Art und Weise ausgewertet.
Im Rahmen der erfinderischen Idee sind auch Änderungen und weitere Verbesserungen möglich.
So kann der sphärische Spiegel 3 auch außerhalb der Meßzelle 2 am hinteren Ende angebracht sein, wobei dann das hintere Zellenfenster ebenfalls aus einem IR- Strahlungen X' durchlässigem Material besteht.
Zur Erhöhung der Emissivität des Strahlers 5 kann dieser als gewendelter Widerstandsstrahler ausgeführt sein (Fig. 4). Dieser besteht aus einem Standardwiderstand, beispielsweise 8,2 W, der als Drahtwendel 5.1 um einen Glasfaserkörper 5.2 gewickelt ist. Die Oxidation der metallischen Oberfläche der Drahtwendel 5.1 bewirkt eine Steigerung der Emissivität des Strahlers 5.
Zur Erhöhung der Leuchtdichtenerhöhung des Strahlers 5 kann man desweiteren einen Rückspiegel 5.3 hinter dem Strahler 5 vorsehen.
Der Empfänger 7 besitzt vorzugsweise eine Empfindlichkeitscharakteristik, die der eines (Band-) Filter entspricht.
Die Praxis hat gezeigt, daß sich mit dem Gitter 6 der vorgeschlagenen Vorrichtung 1 ein Wellenlängenbereich von λ/2 bis 2λ überstreichen ließ, d. h. bei einer Wellenlänge λ von 3 µm konnten Gaskomponente im Wellenlängenbereich von 1,5 µm bis 6 µm bestimmt werden.

Claims

1. Vorrichtung (1) zur Analyse eines Gases (10) aufweisend eine Meßzelle (2), wenigstens einen eine Strahlung (X) emittierenden Sender (5) und einen diese Strahlung (X_λ _1-n") aufnehmenden Empfänger (7), die einem Abbildungsspiegel (4) gegenüberliegend angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß
ein verstellbares Gitter (6) im Strahlengang (X, X_λ _1-n") zwischen dem Strahler (5) und dem Empfänger (5) eingebunden ist, wobei das Gitter (6) um einen Winkel (δ_1-n) verstellt werden kann, so daß
dessen Oberfläche (6.1) unterschiedliche Winkellagen (α_1-n) zum Strahlengang (X') einnehmen kann.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter (6) an der zum sphärischen Spiegel (4) weisenden Oberfläche (6.1) mehrere Gitterlinien (6.2) aufweist, die als Furchen (6.3) ausgeprägt sind, deren Flächennormale in Beugungsrichtung der Strahlen stehen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter (6) ein Blaze-Gitter ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßzelle (2) ein Einlaßrohr (2.1) und ein Auslaßrohr (2.2) aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der die Strahlung (X) emittierende Strahler (5) und der diese Strahlung (X_λ _1-n") aufnehmende Empfänger (7) zusammen mit dem Gitter (6) an einer Seite der Meßzelle (2) angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter (6) über einen Microschrittmotor (21) verstellt wird.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter (6) aus einem Glas oder aus einer Kunststoffolie besteht.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl (n) der Gitterlinien (6.2) die optische Auflösung des Gitterspektrometers (1) bestimmt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der Empfänger (7) mit einer Auswerteelektronik (20) verbunden ist, wobei der Empfänger (7) die bei verschiedenen Wellenlängen (λ_1-n) der Gaskomponenten des Gases (10) je nach Winkellage (δ_1-n) des Gitters (6) gemessenen Signale (U_1-n) nacheinander an die Auswerteelekronik (20), welche die Einzelsignale (U_1-n) zu einem Spektrum (X") zusammensetzt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender (5) ein thermischer Strahler und als gewendelter Widerstandsstrahler ausgeführt ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahler (5) aus einem Standardwiderstand besteht, der als Drahtwendel (5.1) um einen Glasfaserkörper (5.2) gewickelt ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Oberfläche des Drahtwendels (5.1) oxidiert ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß hinter dem Strahler (5) ein Rückspiegel (5.3) angebracht ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß Korrekturfaktoren in der Auswerteeinheit (20) hinterlegt sind, mit denen Offsetdrifts des Senders (5) und/oder des Empfängers (7) korrigiert werden.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch Gekennzeichnet, daß gaskomponentenabhängige Korrekturfaktoren in der Auswerteeinheit (20) hinterlegt sind, mit denen die vom Empfänger (7) aufgenommenen Signale (U_1-n) korrigiert werden können.