DE19735716C2 - Verfahren zum Betrieb eines nichtdispersiven Infrarotspektrometers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines nichtdispersiven Infrarotspektrometers gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 bzw 2.

Zur Zweikomponentenmessung nach dem nichtdispersiven fotometrischen Verfahren wird üblicherweise für jede zu messende Komponente ein eigener Detektor eingesetzt. Jeder Detektor wird hierbei mit der spezifisch zu messenden Gaskomponente gefüllt. Nachteilig ist bei diesen Verfahren, daß jede Komponente einen eigenen Detektor erfordert, der in der Herstellung relativ aufwendig ist. Bei der Realisierung einer Mehrkomponentenmessung mit einer Anordnung aus dem Stand der Technik müsste man ein Spektrometer vorsehen, welches entsprechend der Anzahl zu messender Komponenten auch eine entsprechende Anzahl von Detektoren aufweist.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, mehrere Gase in einen Detektor zu füllen und ihn so für mehrere Komponenten gleichzeitig zu selektivieren. Auch hier ist die Herstellung relativ aufwendig. Hinzu kommt, daß sich nur Gase einfüllen lassen, die nicht miteinander chemisch reagieren. Die allgemeine Anwendbarkeit wird hierdurch beschränkt.

Aus der DE 39 37 141 A1 ist ein NDIR Analysator bekannt, welcher bereits zwei hintereinander angeordnete Detektoren aufweist, aber es sind keine Maßnahmen einer geeigneten Auswertung angegeben.

Aus der DE 44 29 010 A1 ist eine Vorrichtung zur Analyse von Gasen bekannt, bei welcher mehrere Küvetten und somit mehrere Strahlengänge parallel angeordnet sind. Dabei sind zwar mehrere Komponenten meßbar, aber nicht in einem zusammenhängenden Gasgemisch.

Aus der DE 23 33 664 B2, der DE-AS 12 96 839 sowie der DE-OS 16 73 159 sind NDIR-Analysatoren bekannt, bei welchen die Einstellung einer Phasenverschiebung durch Änderung der Geometrie oder des Gasdruckes bewirkt wird. Diese werden, so wie bei der DE 28 45 070 A1 auch, zur Beseitigung von Störsignalen eingestellt.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein NDIR- Fotometerbetriebsverfahren zur Zwei- oder Mehr-Komponentenmessung zu entwickeln, das die genannten Nachteile nicht aufweist und das Fotometer nur einen Detektor mit möglichst nur einer Füllgaskomponente aufweist.

Die gestellte Aufgabe wird bei dem Verfahren der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Eine weitere Ausgestaltungsform der Erfindung ist in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 2 angegeben. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verfahren sind in den abhängigen Ansprüchen 3 bis 6 angegeben.

Zur Lösung der Aufgabe wird die Tatsache genutzt, daß ein NDIR- Empfänger, der mit der Komponente A gefüllt ist, nicht nur für die Komponente A sensitiv sein kann, sondern auch für eine Komponente B, deren Absorptionsspektrum das Spektrum der Komponente A überlappt. Bei der üblichen Anwendung des NDIR-Verfahrens wird der Empfänger durch geeignete Dimensionierung des Kammerverhältnisses und der Füllkonzentration so optimiert, daß die Komponente B möglichst vollständig unterdrückt wird. Der für die Komponente A sensitive Empfänger hat dann keine "Querempfindlichkeit" gegenüber der Komponente B.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird dagegen die potentielle Empfindlichkeit für die Komponente B gezielt genutzt. Es ist dann möglich, sowohl die Komponente A als auch die Komponente B zu messen. Man kann quasi zwischen Komponente A und B "hin- und herschalten". Beide Komponenten können somit unabhängig voneinander und gleichberechtigt gemessen werden.

Das Verfahren soll im folgenden näher erläutert werden. Wesentlich ist hierbei zunächst der Verlauf der sogenannten Selektivitätsfunktion. Fig. 1 zeigt als Beispiel den Verlauf für eine einzige Rotationslinie des feinstrukturierten Absorptionsspektrums der Modell-Komponente A. Im Linienzentrum dominiert die Absorption der vorderen Empfänger-Kammer (positives Signal), in den Flanken die Absorption der hinteren Kammer (negatives Signal). Der Kammer- bzw. Detektoraufbau ist in Fig. 4 dargestellt; verwendet wird ein aus vorderer und hinterer Empfängerkammer bestehender Zweischichtdetektor ZD, deren jeweilige Längen d1 und d2 sind mit Membrankondensator M. Das Infrarotspektrometer weist ferner noch auf, eine Strahlungsquelle S, einen Chopper CH, eine Meßküvette MC, eine Referenzküvette RC, eine phasenempfindliche Signaldetektion G; ferner ein Referenzsignal RS was der Chopperfrequenz entspricht, eine Einrichtung PH zur Bestimmung der Phasenlage der Choppperfrequenz, sowie dem zur Meßauswertung erhaltenen Empfangssignal ES, welches in der phasenempfindlichen Signaldetektion G phasenempfindlich ausgewertet wird.

Der Empfänger sei mit der Komponente A gefüllt. Befindet sich die Komponente A in der vor dem Empfänger angeordneten Meßküvette MC, so koinzidieren die Absorptions-Feinstrukturen des Füllgases und das Meßküvettengases vollständig. Somit ist im wesentlichen nur die vordere Empfängerkammer aktiv. Für die Komponente B, deren Spektrum i. a. erheblich vom Spektrum der Komponente A abweicht, ergeben sich ganz andere Verhältnisse. Mit einer Koinzidenz der Feinstrukturen ist hier überhaupt nicht zu rechnen. Im allgemeinen wird deshalb sowohl die vordere als auch die hintere Empfängerkammer je nach Absorptionsspektrum der Komponente B beteiligt sein.

Bei der Umsetzung der im Empfänger absorbierten Energie in die vom Membrankondensator M gemessene Druckänderung spielt die Wärmeleitung des Empfängerfüllgases eine wichtige Rolle. Da die Strahlungsabsorption für Komponente A und B an verschiedenen Empfängerkammerorten geschieht, ergeben sich für Komponente A und B etwas unterschiedliche Phasenbeziehungen bei der Umsetzung in das Drucksignal.

Diese Phasenverschiebung ist der Schlüssel zum Verständnis der Erfindung. In Fig. 2 sind die elektrischen Ausgangssignale des Empfängers für die Komponente A und für eine ausgewählte Komponente B schematisch dargestellt. Die zeitlichen Maxima der beiden Signale treten zu verschiedenen Zeiten auf. Der Empfänger ist so optimiert, daß die Maxima um etwa 90° gegeneinander verschoben sind.

In der phasenempfindlichen Signaldetektion G der Signalverarbeitung gemäß Fig. 4 wird die Fläche innerhalb des eingezeichneten Zeitfensters in Fig. 2 aufintegriert. Für die Komponente A erhält man so maximale Empfindlichkeit. Das Signal der Komponente B verschwindet aber andererseits, da sich die positiven und negativen Anteile gerade aufheben.

Verschiebt man das Phasenfenster um 90° nach links, so kehren sich die Verhältnisse um (Fenster mit gestrichelten Linien). Jetzt wird Komponente B optimal erfaßt und Komponente A verschwindet. Durch entsprechende Wahl des Phasenfensters kann also einmal nur Komponente A und zum anderen nur Komponente B gemessen werden.

Ist die Phasenverschiebung des Meßsignales zwischen Komponente A und Komponente B nicht exakt 90°, so kann durch leichte Verschiebung des Phasenfensters immer der Punkt gefunden werden, wo jeweils der Meßbetrag einer Komponente verschwindet.

Die Wirkung des beschriebenen Verfahrens ist auch in der imaginären Zahlenebene der Empfindlichkeit vektoriell darstellbar (gemäß Fig. 3; x- Achse = Realteil der Empfindlichkeit; y-Achse = Imaginärteil der Empfindlichkeit). Im Diagramm sind die Vektoren A' und B' eingezeichnet, die den Komponenten A und B entsprechen, die etwa einen Winkel von 70° einschließen. Die Länge des Vektors entspricht der Signalamplitude. Zur Kompensation der Komponente B wird die x-Achse solange gedreht, bis B' senkrecht auf ihr steht. Die neue Lage der x-Achse ist mit x' gekennzeichnet. Das Phasenfenster steht jetzt so, daß die Komponente B gerade kompensiert wird. Für die Komponente A erhält man eine Empfindlichkeit, die der Projektion des Vektors A' auf die x'-Achse entspricht.

Für die Messung der Komponente B dreht man das Koordinatensystem so, daß der Vektor A' senkrecht auf der x-Achse steht (x"-Achse). Die Komponente A wird also vollständig kompensiert. Die Empfindlichkeit für die Komponente B entspricht jetzt der Projektion des Vektors B' auf die x"- Achse.

Das Verfahren ist auch dann anwendbar, wenn die Phasenverschiebung von 90° abweicht und auch dann, wenn mehr als zwei Komponenten zu messen sind. Mit Hilfe chemometrischer Methoden kann auch ein n- komponentiges Problem gelöst werden, indem die Phase nacheinander auf n verschiedene Werte eingestellt wird.

Insbesondere ist es mit dem chemometrischen Ansatz auch möglich, Nullpunktdriften zu kompensieren, die durch "graue" Absorption (z. B. Verschmutzung und Alterung) entstehen. Je nach Empfängerfüllung hat die graue Absorption eine ganz bestimmte Vektorlage und kann so über die Phasenbeziehung erfaßt werden.

Je nach gewünschter Anwendung kann es vorteilhaft sein, eine zweite Gaskomponente in den Empfänger einzubringen, mit der sich die gewünschte 90°-Phasendrehung für die Komponente B realisieren läßt.

Mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens ist es nunmehr außerdem möglich auch zur Mehrkomponentenmessung den Detektor lediglich nur mit einer Gaskomponente füllen zu müssen. Die Sensitivität auf die zweite oder weitere Komponenten ensteht beispielsweise durch sogenannte Querempfindlichkeit, die in diesem Falle zweckmäßig ausgenutzt wird. Der Detektor wird also bei einer n-Komponenten-Messung nur mit maximal n - 1 Gaskomponenten gefüllt. Für eine Zwei-Komponentenmessung wird beispielsweise der Detektor nur mit einer Gaskomponente gefüllt.

Claims (6)

1. Verfahren zum Betrieb eines nichtdispersiven Infrarotspektrometers, bei welchem ein aus mehreren Gaskomponenten bestehendes Meßgas durch eine Küvette durchgeleitet wird, die von einem von einer Strahlungsquelle ausgehenden und modulierten Lichtstrahl durchlaufen wird, und der von einem nach optopneumatischem Effekt arbeitenden Zweischichtdetektor erfaßt wird, dessen Signalerzeugung von den Absorptionsverhältnissen des Meßgases abhängt, dadurch gekennzeichnet, daß das Infrarotspektrometer zur Erfassung von mindestens zwei verschiedenen Gaskomponenten (A, B, . . .) dadurch sensitiv eingestellt wird, daß die Abmessungen der Empfängerkammern und die Konzentration des Füllgases der Empfängerkammern derart fest vorgegeben oder eingestellt werden, daß zwischen den Signalen der einzelnen Gaskomponenten (A, B, . . .) eine Phasenverschiebung entsteht, die so bemessen wird, daß in einem verwendeten Zeitfenster der Signalauswertung das Integral des Wechselsignals bezüglich der jeweils einen zu messenden Gaskomponente maximal ist und das Integral der anderen Gaskomponente Null oder nahe Null ist.

2. Verfahren zum Betrieb eines nichtdispersiven Infrarotspektrometers, bei welchem ein aus mehreren Gaskomponenten bestehendes Meßgas durch eine Küvette durchgeleitet wird, die von einem von einer Strahlungsquelle ausgehenden und modulierten Lichtstrahl durchlaufen wird, und der von einem nach optopneumatischem Effekt arbeitenden Zweischichtdetektor erfaßt wird, dessen Signalerzeugung von den Absorptionsverhältnissen des Meßgases abhängt, dadurch gekennzeichnet, daß das Infrarotspektrometer zur Erfassung von mindestens zwei verschiedenen Gaskomponenten (A, B, . . .) dadurch sensitiv eingestellt wird, daß die Abmessungen und die Konzentration des Füllgases eines vor dem Zweischichtdetektor angeordneten Gasfilters derart fest vorgegeben oder eingestellt werden, daß zwischen den Signalen der einzelnen Gaskomponenten (A, B, . . .) eine Phasenverschiebung entsteht, die so bemessen wird, daß in einem verwendeten Zeitfenster der Signalauswertung das Integral des Wechselsignals bezüglich der jeweils einen zu messenden Gaskomponente maximal ist und das Integral der anderen Gaskomponente Null oder nahe Null ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenverschiebung zwischen zwei Gaskomponenten gleich oder nahe 90° ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitfenster in welchem das Signal erfaßt wird durch eine elektronische Filterung in Form einer phasenempfindlichen Gleichrichtung eingestellt oder verschoben wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Konzentration zweier oder mehrerer Gaskomponenten temporär gemessen wird, indem zwischen den einzelnen zur Messung der jeweiligen Komponente wesentlichen Phasenlagen hin- und hergeschaltet wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor mit maximal n - 1 Gaskomponenten gefüllt wird, wobei n die Anzahl der Gaskomponenten ist, auf die der Detektor sensitiv einstellbar ist.