DE1698218B1 - Infrarot-gasanalysarotor - Google Patents

Description

• Bei dem Infrarot-Gasanalysator der Erfindung mit getrenntem Meß- und Vergleichs strahlengang sind ebenfalls zwei in jedem Strahlengang unmittelbar hintereinander liegende Empfangskammern und Mittel zur Messung des Unterschiedes der in den Empfangskammern absorbierten Strahlungsenergien vorgesehen. Um bei diesem Aufbau einen besonders stabilen Nullpunkt zu erzielen, sind erfindungsgemäß die Mittel zur Messung des Unterschiedes der in den Empfangskammern absorbierten Strahlungsenergien so angeordnet, daß die Energiedifferenz bestimmt wird zwischen den jeweiligen Summen der absorbierten Energien der in einem Strahlengang von der Strahlung zuerst beaufschlagten und der im anderen Strahlengang zuletzt beaufschlagten Empfangskammer.
• Ist zur Bildung des Ausgangssignals ein Differenzdruckmesser mit Membrankondensator vorgesehen, so ist in besonderer Ausbildung der Erfindung jeweils die in einem Strahlengang von der Strahlung zuerst beaufschlagte Empfangskammer mit der im anderen Strahlengang von der Strahlung zuletzt beaufschlagten Empfangskammer gasleitend verbunden und der Differenzdruckmesser mißt den Druck zwischen zwei in beiden Strahlengängen liegenden, nicht gasleitend verbundenen Empfangskammern. In beiden Strahlengängen kann eine gleichphasige Strahlungsmodulation erfolgen.
• Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Infrarot-Gasanalysators ist in der Zeichnung dargestellt.
• Zur Erzeugung der beiden Strahlengänge des Infrarot-Gasanalysators, dem Meßstrahlengang I und dem Vergleichsstrahlengang II, ist je ein Strahler 11, 2 mit Reflektoren 3 und 4 vorgesehen. Im Meßstrahlengang I durchsetzt die Strahlung die mit dem zu analysierenden Gasgemisch beschickte Meßküvette 5 und im Vergleichsstrahlengang die mit einem im Absorptionsbereich der zu messenden Gaskomponente nicht absorbierenden Vergleichsgas gefüllte Vergleichskükette 6. Eine motorgetriebene Sektorscheibe 7 unterbricht beide Strahlengänge gleichphasig. Die aus den Küvetten austretende Strahlung gelangt in beiden Strahlengängen in zwei unmittelbar aufeinanderfolgende Empfangskammern 8, 9 bzw. 10. 11, in denen sie absorbiert wird. Jeweils zwischen der oberen Enpfangskammer eines Strahlenganges und der unteren des anderen Strahlenganges bestehen gasleitende Verbindungen 12, 13. Ein Membrankondensator 14 mißt den Differenzdruck zwischen den beiden unteren Empfangskammern. In den beiden Anschlußleitungen 15 und 16 des Membrankondensators entsteht nach Anlegen einer Spannung das elektrische Ausgangssignal des Analysators. Die Empfangskammern und der Membrankondensator sind in einem gemeinsamen Metallblock 17 untergebracht.
• Vorzugsweise sind die aufeinanderfolgenden Empfangskammern 10, 11 bzw. 8, 9 so dimensioniert, wie dies in der deutschen Patentschrift 1 Oi7 385 beschrieben ist, d. h., die Länge dieser Kammern ist so gewählt, daß bei Abwesenheit der zu be- stimmenden Gaskomponente in den Küvetten praktisch kein Druckunterschied zwischen den Kammern auftritt. Dies ist im allgemeinen dann der Fall, wenn die untere Kammer länger ist als die obere. In beiden Strahlengängen sind jedoch die oberen und unteren Empfangskammern gleich groß.
• Obwohl bei der Konzentration Null der Meßkomponente, wie bereits eingangs erwähnt, hinsichtlich der Phasenbeziehung keine vollständige tXbereinstimmung des Druckes in den beiden aufeinanderfolgenden Empfangskammern erzielt werden kann, wird durch die Verkoppelung der Empfangskammern in den beiden Strahlengängen aus Symmetriegründen die Membran 18 des Differenzdruckmessers nicht beeinflußt. Das Gerät weist somit einen exakten Nullpunkt auf und bei Abwesenheit der Meßkomponente in der Meßküvette entsteht kein Ausgangs signal des Membrankondensators. An diesem Verhalten ändert sich auch nichts, wenn die hintereinanderliegenden Empfangskammern in Sinne der deutschen Patentschrift 1 017385 nicht richtig dimensioniert sind, sofern nur die oberen und unteren Empfangskammern in beiden Strahlengängen in ihrer geometrischen Form jeweils identisch sind.
• Aus Symmetriegründen ist der Nullpunkt auch außerordentlich stabil gegenüber die Strahlungsintensität ändernden Einflüssen, wie zum Beispiel Staubablagerungen in den Küvetten oder auf den Küvettenfenstern, oder änderungen der Strahlertemperatur.
• Aus diesem Grunde kann auch, wie hier geschehen, ohne große Einbuße an Nullpunktstabilität für jeden Strahlengang ein eigener Strahler vorgesehen werden, was häufig wegen günstigerer optischer Abbildungsmöglichkeiten der anderen Möglichkeit, nur einen Strahler für beide Strahlengänge zu verwenden, vorgezogen wird.
• Sind die Empfangskammern mit dem Membrankondensator, wie in der Zeichnung dargestellt, in einem gemeinsamen Metallblock angeordnet, so läßt sich ohne Schwierigkeiten der Infrarot-Gasanalysator der deutschen Patentschrift 730478 in den erfindungsgemäßen Gasanalysator umwandeln, wenn die neue Empfangs einrichtung durch einfachen Austausch an die Stelle der bisherigen Empfangseinrichtung tritt.
• Wie bereits erwähnt, können die in den Empfangskammern absorbierten Strahlungsenergien bzw. deren Energiedifferenzen auch durch thermoelektrische Fühler gemessen werden, beispielsweise durch Widerstandsthermometer, die üblicherweise mit Festwiderständen eine Brückenschaltung bilden oder auch durch Thermoelemente, deren Thermospannungen gegeneinandergeschaltet sind. Wenn eine Modulation der Strahlengänge vorgesehen ist, dienen zur Verstärkung der elektrischen Signale Wechselstromverstärker, andernfalls sind Gleichstromverstärker vonnöten.

Claims (3)

1. Patentansprüche: 1. Infrarot-Gasanalysator mit getrenntem Meß-und Vergleichsstrahlengang und jeweils zwei in jedem Strahlengang unmittelbar hintereinanderliegenden Empfangskammern sowie Mitteln zur Messung des Unterschiedes der in den Empfangskammern absorbierten Strahlungsenergien, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Messung des Unterschiedes der in den Empfangskammern (8, 9, 10, 11) absorbierten Strahlungsenergien so angeordnet sind, daß die Energiedifferenz bestimmt wird zwischen den jeweiligen Summen der absorbierten Energien der in einem Strahlengang von der Strahlung zuerst beaufschlagten und der im anderen Strahlengang von der Strahlung zuletzt beaufschlagten Empfangskammer.
2. 2. Infrarot-Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die in einem Strahlengang von der Strahlung zuerst beaufschlagte Empfangskammer mit der im anderen Strahlengang von der Strahlung zuletzt beaufschlagten Empfangskammer gasleitend verbunden ist (12, 13) und ein Differenzdruckmesser (14) den Druck zwischen zwei in beiden Strahlengängen liegenden, nicht gasleitend verbundenen Empfangskammern mißt.
3. 3. Infrarot-Gasanalysator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzdruckmesser (14) in bekannter Weise als Membrankondensator ausgebildet ist und eine gleichphasige Modulation der Strahlung in den beiden Strahlengängen erfolgt.

   Bei Infrarot-Gasanalysatorgeräten ergibt sich insbesondere für Meßaufgaben, die eine hohe Meßempfindlichkeit erfordern, die Schwierigkeit, einen exakten Nullpunkt zu erhalten und eine ausreichende Nullpunktstabilität sicherzustellen, auch bei Auftreten von Störeinflüssen wie Verstaubung der Küvetten oder Schwankungen der Heizspannung der Widerstandsspirale des Strahlers.

   Die Erfindung befaßt sich mit diesem Problem im Zusammenhang mit solchen Infrarot-Gasanalysatoren, bei denen in die Strahlengänge mit der zu messenden Gaskomponente gefüllte Empfangskammern eingeschaltet sind und der Unterschied der in den Empfangskammern absorbierten Strahlungsenergien als Maß für die Konzentration der zu bestimmenden Gaskomponente gemessen wird. Zur Ermittlung der Energiedifferenz dienen im allgemeinen thermoelektrische Fühler in den Empfangskammern oder es werden als Membrankondensatoren ausgebildete Differenzdruckmesser mit elektrischem Ausgangssignal benutzt.

   Die Empfangskammern, die zur Erzielung einer möglichst temperaturstabilen Anzeige in einem einzigen Metallblock untergebracht sind, können nebeneinander in zwei als Meß- und Vergleichsstrahlengang bezeichneten Strahlengängen liegen oder auch hintereinander in einem Strahlengang (deutsche Patentschriften 730478 und 1017385). Vor den Emp- fängerkammern sind getrennte Küvetten angeordnet, die das zu analysierende Gas, bzw. im Vergleichsstrahlengang ein im Absorptionsbereich des Meßgases nicht absorbierendes Gas, enthalten. Gegebenenfalls werden für die Lösung schwieriger Meßaufgaben auch noch zusätzliche Filterküvetten vorgesehen, deren Gasfüllung bestimmte Filtereigenschaften aufweist.

   Aus meßtechnischen Gründen, insbesondere der leichteren Verstärkung des elektrischen Ausgangssignals wegen, ist häufig eine periodische Unterbrechung der Strahlengänge durch eine rotierende Sektorblende vorgenommen.

   Wie in der Patentschrift 1017385 ausgeführt, ergibt sich bei hintereinander angeordneten Empfangskammern eine bessere Nullpunktstabilität als bei dem Gerät nach der Patentschrift 730 478 mit nebeneinander angeordneten Empfangskammern. Die Einstellung eines exakten Nullpunktes bei der Kalibrierung des Gerätes derart, daß der Membrankondensator effektiv kein Ausgangssignal abgibt, ist aber auch hier nicht möglich, da die durch Strahlungsabsorption in den unterschiedlich großen Empfangskammern hervorgerufene Energieumsetzungen nicht vollkommen gleichphasig verlaufen.

   Bei einer in der Zeitschrift für technische Chemie, Verfahrenstechnik und Apparatewesen, 39. Jahrgang, 1967, Heft 16, S. 937 bis 945, Abb. 2, beschriebene Verbesserung dieses Gerätes wird zur Vermeidung dieses Nachteiles eine in Meß- und Vergleichskammern geteilte Küvette verwendet. Die beiden dadurch entstandenen, als Meß- und Vergleichs strahlengang zu bezeichnenden Strahlengänge sind gegenphasig moduliert. Beim Meßwert Null, wenn auch in der Meßküvette infolge Abwesenheit der Meßkomponente keine Strahlungsabsorption in dem für das Meßgas charakteristischen Absorptionsbereich erfolgt, entstehen dadurch am Membrankondensator immer noch schwache Spannungsimpulse gleicher Stärke, die dem Verstärkereingang zugeführt werden. Der Verstärker ist so ausgeführt, daß er nur auf Unterschiede dieser Impulse anspricht, so daß der Nullpunkt des Gerätes in elektrischer Hinsicht gewährleistet ist..

   Ein »absoluter« Nullpunkt, in dem Sinne, daß bereits der Empfänger kein Ausgangs signal abgibt, ist jedoch nicht vorhanden. Zu dieser in meßtechnischer Hinsicht nachteiligen Eigenschaft des Gerätes kommt hinzu, daß die gegenseitige Abdichtung der durch eine Zwischenwand gebildeten Meß- und Vergleichskammer Schwierigkeiten bereitet.

   Durch die deutsche Auslegeschrift 1109418 ist ferner ein Infrarot-Gasanalysator mit getrenntem Meß- und Vergleichsstrahlengang bekanntgeworden, bei dem in jeden Strahlengang jeweils zwei unmittelbar hintereinander liegende Empfangskammern unter Zwischenschaltung von Justierblenden eingesetzt sind. Es wird sowohl die Energiedifferenz zwischen den absorbierten Energien in den von der Strahlung zuerst beaufschlagten Empfangskammern bestimmt als auch die Energiedifferenz zwischen den absorbierten Energien in den von der Strahlung zuletzt beaufschlagten Empfangskammern. Die entsprechenden elektrischen Signale werden sodann gegeneinandergeschaltet.