DE19732470A1

DE19732470A1 - Nichtdispersiver Infrarot-Gasanalysator

Info

Publication number: DE19732470A1
Application number: DE19732470A
Authority: DE
Inventors: Ludwig Dipl Ing Kimmig; Peter Dipl Ing Krause; Michael Ludwig; Karlheinz Dr Rer Nat Schmidt
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1997-07-28
Filing date: 1997-07-28
Publication date: 1999-02-18
Anticipated expiration: 2017-07-29
Also published as: DE19732470C2; US6166383A

Description

Aus der US-A-3 898 462 ist ein nichtdispersiver Infrarot- Gasanalysator zur Bestimmung der Konzentrationen mehrerer Komponenten, wie Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe, Stick oxide und Wasserdampf, in einem Meßgas bekannt. Der nach dem Zweistrahl-Prinzip arbeitende Gasanalysator weist im Strah lengang hinter einer das Meßgas enthaltenden und mit einer Infrarot-Meßstrahlung durchstrahlten Meßküvette mehrere hintereinanderliegende strahlungsdurchlässige optopneumati sche Detektoren auf, die jeweils mit einer der zu bestimmen den Komponenten gefüllt sind. Die von den einzelnen Detekto ren gelieferten Ausgangssignale werden derart untereinander verknüpft, daß Querempfindlichkeiten zwischen den Komponenten unterdrückt werden.

Ein aus der DE-A-44 03 763 bekannter Infrarot-Gasanalysator weist zum Bestimmen der Konzentrationen mehrerer Komponenten, wie Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe, in einem Meßgas einen einzigen optopneumatischen Detektor auf, der mit allen zu analysierenden Komponenten gefüllt ist. In den Strahlengang der das Meßgas enthaltenden Meßküvette wer den zyklisch Filter geschaltet, in deren Durchlaßbereichen jeweils ein Absorptionsbereich einer Komponente liegt. Aus dem sich zeitlich ändernden Ausgangssignal des Detektors werden im Rahmen einer Signalauswertung die den einzelnen Komponenten zuzuordnenden Signalanteile in Abhängigkeit von der Reihenfolge, in der die Filter in den Strahlengang ge schaltet werden, ermittelt.

Bei den oben erwähnten bekannten Gasanalysatoren wird die Signalauswertung dadurch erschwert, daß die einzelnen Kompo nenten in dem Meßgas die Infrarot-Meßstrahlung nicht nur in unterschiedlichen Absorptionsbereichen, sondern darin auch unterschiedlich stark absorbieren. Dem wird bei einem aus der DE-A-44 29 010 bekannten nichtdispersiven Infrarot-Gasanaly sator insoweit Rechnung getragen, als das Meßgas durch unter schiedlich lange Meßküvetten geleitet wird, denen jeweils ein optopneumatischen Detektor nachgeordnet ist. Jeder Detektor enthält jeweils eine der zu analysierenden Komponenten, wobei die Länge der zugeordneten Meßküvette in bezug auf die Detek tion dieser Komponente in dem Meßgas optimal ausgelegt ist. Zur Durchstrahlung der parallelen Meßküvetten wird ein Infra rot-Strahler nacheinander an jeder Meßküvette vorbeigeführt, so daß der Aufbau des Gasanalysators vergleichsweise aufwen dig ist. Eine gleichzeitige Durchstrahlung aller Meßküvetten kommt deswegen nicht in Betracht, weil dann jede Meßküvette nur noch einen für die Detektion nicht mehr ausreichenden Bruchteil der Gesamtstrahlung erhalten würde.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Infrarot- Gasanalysator zum Bestimmen der Konzentrationen mehrerer Kom ponenten eines Meßgas es die Detektionseigenschaften in bezug auf das unterschiedliche Absorptionsvermögen der einzelnen Komponenten zu optimieren, wobei der Aufbau des Gasanalysa tors so einfach wie möglich sein soll.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch den in Anspruch l angegebenen nichtdispersiven Infrarot-Gasanalysator gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen des nichtdispersiven Infrarot- Gasanalysators sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im einzelnen zeigen

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gasanalysators zum Bestimmen der Konzentrationen von Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffen und Stickoxiden in einem Meßgas,

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemä ßen Gasanalysators zur Bestimmung von Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffen und Stickoxiden einem Meßgas und

Fig. 3 eine alternative Anordnung von Detektoren zum Be stimmen der Kohlenwasserstoffe und Stickoxide.

Fig. 1 zeigt einen nichtdispersiven Infrarot-Gasanalysator mit einer Infrarot-Strahlungsquelle 1, deren Strahlung mit tels eines Blendenrades 2 moduliert wird. Die modulierte Strahlung 3 gelangt durch eine erste Meßküvette 4 in einen optopneumatischen Detektor 5. Der optopneumatische Detektor 5 ist strahlungsdurchlässig ausgebildet, so daß die modulierte Strahlung 3 nach Durchstrahlung einer hinter dem Detektor 5 liegenden zweiten Meßküvette 6 zu zwei weiteren Detektoren 7 und 8 gelangt, die an der zweiten Meßküvette 6, hier in ihrem Endbereich, angeordnet sind.

Durch die beiden Meßküvetten 4 und 6 wird ein zu analysieren des Meßgas 9 geleitet, bei dem es sich hier um ein Abgas mit den zu analysierenden Komponenten Kohlendioxid oder Kohlen monoxid, Stickoxide und Kohlenwasserstoffe handelt. Die bei den Meßküvetten 4 und 6 sind hierzu ein- und auslaßseitig entweder parallel oder in Reihe geschaltet. Der optopneuma tische Detektor 5 dient zur Detektion der Kohlendioxid- oder Kohlenmonoxidanteile in dem Meßgas 9 und ist dementsprechend mit Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid bzw. geeigneten Ersatz gasen gefüllt. Die beiden Detektoren 7 und 8, die hier eben falls als optopneumatische Detektoren aufgebaut sind, dienen zur Detektion dem Kohlenwasserstoff- bzw. Stickoxidanteile in Meßgas 9 und sind dementsprechend mit Kohlenwasserstoff bzw. Stickoxid oder geeigneten Ersatzgasen gefüllt. Die De tektoren 7 und 8 können auch mit Gasgemischen, im Falle der Kohlenwasserstoffe beispielsweise mit Methan und Hexan, ge füllt sein, so daß je nach Anwendungsfall mit ein und dem selben Detektor unter Zugrundelegung zuvor ermittelter unter schiedlicher Kennlinien entweder der Methan- oder der Hexan anteil im Meßgas 9 ermittelt werden kann. Für die gleichzei tige Detektion unterschiedlicher Kohlenwasserstoffe, z. B. Methan und Hexan, bzw. unterschiedlicher Stickoxide, z. B. Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid, können weitere, hier gestrichelt angedeutete Detektoren 10, 11 an der zweiten Meß küvette 6 vorgesehen werden. Anstelle der optopneumatischen Detektoren 7, 8, 10 und 11 können auch nach anderen Meßprin zipien arbeitende Detektoren verwendet werden.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel enthält die zweite Meß küvette 6 in ihrem Endbereich ein quer zur Strahlungsrichtung liegendes Fenster 12, hinter dem der Detektor 7 angeordnet ist, und ein längs zur Strahlungsrichtung liegendes Fenster 13, hinter dem der Detektor 8 angeordnet ist. Die in den De tektor 8 einfallende Strahlungsmenge ist überraschend hoch und liegt etwa in der gleichen Größenordnung wie die in den Detektor 7 einfallende Strahlungsmenge. Als Grund hierfür kann die hohe Strahlungsreflexion an der Innenwand der zwei ten Meßküvette 6 angenommen werden. Die weiteren Detektoren 10 und 11 sind hier ebenfalls hinter längs zur Strahlungs richtung liegenden Fenstern 14 und 15 der zweiten Meßküvette 6 angeordnet, wobei der Abstand der Detektoren 8, 10 und 11 zu der Stelle, an der die Strahlung 3 in die zweite Meßkü vette 6 eintritt, im Hinblick auf die jeweils zu analysie rende Komponente in dem Meßgas 9 und ihr Absorptionsvermögen unterschiedlich gewählt werden kann. Da sich die Absorptions bereiche einzelner zu detektierender Komponenten in dem Meß gas 9 teilweise überlappen können, können die einzelnen Fen ster 12 bis 15 sowie das Austrittsfenster 16 der ersten Meß küvette 4 bzw. des Eintrittsfenster 17 der zweiten Meßküvette 6 je nach Anforderung als optische Strahlungsfilter ausgebil det werden, um so die Selektivität des Gasanalysators zu er höhen.

Jeder der Detektoren 5, 7, 8, 10 und 11 besteht in bekannter Weise aus zwei hintereinanderliegenden strahlungsdurchlässi gen Kammern, z. B. 18 und 19, die über eine Leitung 20 mit einem darin angeordneten und ein Detektorsignal abgebenden druck- oder strömungsempfindlichen Sensor 21 verbunden sind. Wegen des hohen Absorptionsvermögens von Kohlendioxid bzw. Kohlenmonoxid ist die erste Meßküvette 4 mit größenordnungs mäßig 5 mm relativ kurz, während die dahinterliegende zweite Meßküvette 6 ein Vielfaches dieser Länge, z. B. 60 mm, auf weist. Durch die gewählte Anordnung der mit den unterschied lichen Komponenten gefüllten Detektoren 5, 7, 8, 10 und 11 wird verhindert, daß sich diese mit ihren Absorptionsberei chen gegenseitig beeinflussen.

Die jeweils in die Detektoren, z. B. 5, fallende Strahlung 3 bewirkt dort durch Absorption Druckschwankungen, deren Höhe von der meßgasspezifischen Vorabsorption der Strahlung 3 in den jeweils vorgeordneten Meßküvetten 4 und 6 abhängig ist. Während in der Gasschicht der jeweils ersten Detektorkammer 18 die Strahlung der Mitte und der Flanken der Absorptions linie der jeweils zu bestimmenden Gaskomponente absorbiert wird, wird in der dahinterliegenden Gasschicht der zweiten Detektorkammer 19 im wesentlichen die Strahlung der Linien flanken absorbiert, so daß zwischen beiden Detektorkammern 18 und 19 Druckdifferenzen entstehen, die von dem Sensor 21 er faßt werden.

Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel des erfin dungsgemäßen Gasanalysators unterscheidet sich von dem Aus führungsbeispiel nach Fig. 1 dadurch, daß zwischen der er sten Meßküvette 4 und der zweiten Meßküvette 6 statt eines einzigen Detektors 5 zwei hintereinanderliegende Detektoren 22 und 23 angeordnet sind, von denen der vordere Detektor 22 zur Bestimmung der Kohlendioxidanteile in dem Meßgas 9 dient und dementsprechend mit Kohlendioxid gefüllt ist, während der dahinterliegende Detektor 23 zur Bestimmung des Kohlenmon oxidanteils im Meßgas 9 dient und dementsprechend mit Kohlen monoxid gefüllt ist.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 weist der Endbereich der zweiten Meßküvette 6 zwei schräg zur Strahlungsrichtung liegende Fenster 24 und 25 auf, hinter denen die Detektoren 7 und 8 angeordnet sind.

Claims

1. Nichtdispersiver Infrarot-Gasanalysator zur Bestimmung der Konzentrationen von Kohlendioxid und/oder Kohlenmonoxid, Koh lenwasserstoffen und Stickoxiden in einem Meßgas (9)

- mit einer mit dem Meßgas (9) füllbaren und von einer Infra rot-Meßstrahlung (3) durchstrahlten ersten Meßküvette (4),
- mit einer in Strahlungsrichtung hinter der ersten Meßküvet te (4) angeordneten strahlungsdurchlässigen Detektorein richtung (5; 22, 23), die einen Kohlendioxid enthaltenden optopneumatischen Detektor (5; 22) und/oder einen Kohlen monoxid enthaltenden optopneumatischen Detektor (5; 23) aufweist,
- mit einer in Strahlungsrichtung hinter der Detektoreinrich tung (5; 22, 23) liegenden und mit dem Meßgas (9) füllbaren zweiten Meßküvette (6) und
- mit an der zweiten Meßküvette (6) angeordneten Detektoren (7, 8, 10, 11) für die Kohlenwasserstoffe und die Stick oxide.

2. Nichtdispersiver Infrarot-Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren (7, 8, 10, 11) optopneumatische Detektoren sind.

3. Nichtdispersiver Infrarot-Gasanalysator nach Anspruch 1, oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Meßküvette (6) um ein Vielfaches, insbesondere über Zehn faches, länger als die erste Meßküvette (4) ist.

4. Nichtdispersiver Infrarot-Gasanalysator nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der das Kohlen monoxid enthaltende optopneumatische Detektor (23) in Strah lungsrichtung hinter dem das Kohlendioxid enthaltenden opto pneumatischen Detektor (22) liegt.

5. Nichtdispersiver Infrarot-Gasanalysator nach einem der An sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Meßküvette (6) mindestens zwei Fenster (12 bis 15) enthält, hinter denen jeweils einer der Detektoren (7, 8, 10, 11) für die Kohlenwasserstoffe und die Stickoxide angeordnet ist, und daß zumindest eines der Fenster (13, 14, 15) längs zur Strahlungsrichtung liegt.

6. Nichtdispersiver Infrarot-Gasanalysator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Fenster (12) quer zur Strahlungsrichtung liegt.

7. Nichtdispersiver Infrarot-Gasanalysator nach einem der An sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Meßküvette (6) mindestens zwei Fenster (24, 25) enthält, hinter denen jeweils einer der beiden Detektoren (7, 8) für die Kohlenwasserstoffe und die Stickoxide angeordnet ist, und daß zumindest eines der Fenster (24, 25) schräg zur Strahlungsrichtung liegt.