DE2552165A1

DE2552165A1 - Verfahren zur kompensation des traegergaseinflusses infolge stossverbreiterung bei nichtdispersiven infrarot- fotometern mit doppelschicht-absorptionsmesskammer

Info

Publication number: DE2552165A1
Application number: DE19752552165
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Dipl Ing Dr Zoerner
Original assignee: H Maihak AG
Current assignee: H Maihak AG
Priority date: 1975-11-21
Filing date: 1975-11-21
Publication date: 1977-05-26

Description

Verfahren zur Kompensation des Trägergaseinflusses infolge Stoß-
verbreiterung bei nichtdispersiven Infrarot-Fotometern mit Doppelschicht-Absorptionsmeßkammer Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation des Trägergaseinflusses infolge Stoßverbreiterung bei nichtdispersiven Infrarot-Fotometern mit Doppelschicht-Absorptionsmeßkammer.
Es sind nichtdispersive Infrarot-Gasanalysengeräte bekannt, bei denen die Strahlung in zwei hintereinander liegenden Absorptionsschichten gemessen wird. Diese Schichten sind gasgefüllte Volumina, die üblicherweise die zu messende Gaskomponente im Gemisch mit einem inerten Trägergas enthalten. Die Meßgaskomponente sorgt für eine selektive Strahlungsabsorption an bestimmten Wellenlängen, bedingt durch infrarotaktive Molekülresonanzen. Die Anregungsenergie wird durch Stoßprozesse in Translationsenergie (Wärme) umgesetzt. Diese Umwandlung wird durch den Inertgasanteil der Kammerfüllung begünstigt, gleichzeitig wird eine Anpassung an die thermo-pneumatischen Eigenschaften des Absorptionsvolumens bei bestimmter Modulationsfrequenz der Strahlung erreicht.
Die beiden Absorptionsschichten liegen optisch hintereinander und sind durch ein Fenster thermo-pneumatisch getrennt. In der vorderen schmaleren Schicht wird vorzugsweise Strahlungsleistung aus den Zentren, in der hinteren dickeren Schicht aus den Flanken jeder Absorptionslinie des Füllgases absorbiert. Die Differenz beider Absorptionsenergien wird als Meßsignal ausgewertet. Durch Geometrie und Füllgaskonzentration werden nahezu gleichgroße Signalimpulse in beiden Absorptionsschichten für den Nullpunktabgleich erreicht. Nur eine selektive Vorabsorption (Meßeffekt) in der Analysenküvette, deren Schichtdicke dem Meßbereich angepaßt ist, schwächt vorwiegend die Strahlungsleistung für die vordere Kammerschicht, während die der hinteren erhalten bleibt. Die Signaldifferenz ist der Konzentration der Meßkomponente in der Küvette proportional.
Wird der Nullpunkt des Fotometers durch Kombination mit einer Zweistrahlanordnung dadurch eingestellt, daß die Strahlung gegenphasig einen Meß- und einen Referenzraum einer geteilten Küvette durchläuft und anschließend in die gemeinsame Meßkammer als nahezu zeitlich konstante Strahlungsintensität einfällt, so bleibt der Detektor im thermo-pneumatischen Gleichgewicht.
Die Selektivität des Empfängers ist durch das Absorptionsspektrum des Füllgase vorgegeben, sie kann durch Strahlungsfilter vor dem Empfänger erhöht werden. Hierzu haben sich in letzter Zeit Interferenzfilter bewährt, die u. a. aus mehreren dielektrischen, optisch-transparenten Schichten bestehen, deren Transmission auf vorgegebene Wellenlängen eingeschränkt ist. Solche Detektoren zeigen im praktischen Einsatz noch eine sogenannte Querempfindlichkeit, wenn im Meßgas Störkompoenten enthalten sind, die mit der Meßkomponente eine sogenannte Bandenüberlappung haben. Gegen diesen Effekt lassen sich erfolgreich störgasgefüllte Filterzellen im Strahlengang einsetzen.
Daneben unterliegen derartige Fotometeranordnungen zur Gasanalyse auch einem störenden Trägergaseinfluß von infrarot-inaktiven Molekülen im Meßgas, da die Absorptionslinienschärfe (Resonanzeffekte) von der sogenannten Stoßdämpfung abhängt.
Auf den Absorptionsprozeß (Meßeffekt) wirkt sich die freie Weglänge, der Stoßradius und auch ein evtl. elektrisches oder magnetisches Dipolmoment der Trägergasmoleküle aus. Das Meßsignal hängt daher nicht nur vom Partialdruck der Meßkomponente ab. Es gehen vielmehr Absolutdruck und Temperatur sowie der Einfluß im Gemisch vorhandener Gase, auch wenn diese keine Infrarot-Absorption besitzen, in den Meßeffekt ein.Bei Meßaufgaben mit stark schwankender Trägergaszusammensetzung (z. B. Gichtgasanalyse oder Atemgasanalyse bei Anästhesie) kann der dadurch verursachte Meßfehler einige Prozente vom Meßwert ausmachen und somit kleine Differenzmeßbereiche unmöglich machen. Ein besonderes Problem bildet die Trägergasabhängigkeit bei der Kalibrierung von nichtdispersiven Infrarot-Analysengeräten. Normalerweise werden Prüfgase mit bestimmte Konzentration der Meßkomponente in einem Inertgasanteil verwendet. Weichen die Stoßverbreiterungseinflüsse des Inertgases wesentlich von denen des Meßgasträgergases ab, so ergeben sich bei gleicher Konzentration der Meßkomponente, aber verschiedenen Trägergasanteilen, beachtliche Abweichungen der Meßwertanzeige für Prüf- und Meßgas. Diese Tatsache führt zu Diskrepanzen bei genauen Absolutmessungen und erfordert bei Vergleichsmessungen mit mehreren Meßgeräten oder verschiedenen Meßverfahren aufwendige Korrekturen zugeordneter Meßwerte, wenn zur Kalibrierung nicht gleiche Prüfgase verwendet werden. Dieser Effekt ist nicht nur bei den Infrarot-Gasanalysatoren mit Doppelschicht-Absorptionsmeßkammern, sondern auch bei den reinen Zweistrahl-Geräten mit gleichphasiger Modulation bekannt.
In Fig. 1 ist eine graphische Darstellung der Ergebnisse eines speziellen Meßproblems (cm2) gezeigt. F stellt den relativen Volumenanteil des Sauerstoffs in einem 02/N2-Trägergas-Gemisch dar,DA ist die resultierende Anzeigeänderung für die CO2-Messung in ppm. Die Kurve a repräsentiert einen Zweistrahl-Analysator mit gleichphasiger Modulation und b einen Analysator mit Doppelschicht-Meßkammer und gegenphasiger Modulation. Die Anzeige nach a nimmt somit mit wachsendem 02-Gehalt des Meßgases ab, die nach b nimmt dagegen zu. Die Ursache des gegensätzlichen Verlaufs liegt in der Anordnung des Empfängers nach b als Doppelschicht-Absorptionskammer und der damit verbundenen Verteilung der Absorptionsbereiche auf vordere und hintere Schicht (Zentren und Flanken) begründet.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Infrarot-Gasanalysator mit Doppelschicht-Absorptionskammer zu schaffen, dessen Meßergebnis weitgehend von der Konzentration der infrarot-inaktiven Gaskomponenten im Meßgas unbeeinflußt bleibt.
Die Kurve b von Fig. 1 soll also in die gestrichelte Lage geklappt werden, in der das Meßergebnis von der Trägergaszusammensetzung unabhängig ist. Dabei ist es das Ziel, den Aufbau des Doppelschicht-Gasanalysators möglichst überhaupt nicht zu ändern, so daß die Trägergasabhängigkeit auch bei bereits existierenden Geräten nachträglich noch kompensiert werden kann.
Eine Möglichkeit zum Abgleich der Absorptionsbereiche der Meßkammerschichten besteht in einer Geometrieänderung der Meßkammer, z. B. einer Änderung der Schichtdicken.
Andere Möglichkeiten sind die Änderung des Partial- und/oder Absolutdruckes der Meßkammerfüllung und die Änderung der Füllgaskonzentration der Meßkammer.
Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß statt einer Vielzahl von Änderungen am Infrarot-Gasanalysengerät lediglich Änderungen an der Meßkammer nötig sind und daß auf diese einfache und ökonomische Weise auch noch nachträglich der Trägergaseinfluß auf das Meßsignal weitgehend kompensiert werden kann.
Die Erfindung soll im folgenden noch näher erläutert werden.
wesentlichen Vorteile der nichtdispersiven Infrarot-Fotometer mit Doppelschicht-Empfangskammer gegenüber den Zweistrahl-Geräten mit je einer Empfangs schicht für Meß- und Referenzstrahl bestehtein der verbesserten Querempfindlichkeit und der höheren Nullpunktstabilitätç Eine verbesserte Querempfindlichkeit wird dadurch bewirkt, daß der Einfluß von Störgaskomponenten, die mit dem Meßgas eine Bandenüberlappung besitzen, sich je nach Wellenlängenlage der Überlappung bei den einzelnen Absorptionslinien auf die Energieabsorption der vorderen bzw hinteren Empfangsschicht auswirkt.
Dadurch ist die Querempfindlichkeit teilweise positiv und negativ und wird im Mittel weitgehend kompensiert.
Die höhere Nullpunktkonstanz der Geräte mit Doppelschicht-Empfangskammer wird durch das Prinzip der doppelten Differenzbildung bewirkt. Zum einen werden die Strahlungsintensitäten auf der Meß-und der Vergleichsseite aufeinander abgeglichen; zum anderen ergibt sich ein zusätzlicher Nullabgleich durch Abstimmung der spezifischen Energieabsorption in den beiden Empfangsschichten.
Unter anderem entsprechend diesen beiden Aufgaben - Selektivität, Nullpunktkonstanz - wird die konstruktive Gestaltung der Empfängerkammer hinsichtlich Länge der beiden Schichten, Füllgaskonzentration sowie Partial- und Gesamtdruck der Empfängerfüllung gewählt.
In den letzten Jahren ist es gelungen, optische Interferenzfilterscheiben auf den Markt zu bringen, mit denen bestimmte Teile des Spektrums abgeschnitten werden können. Auch mit Hilfe dieser Interferenzfilterscheiben ist es möglich, die Querempfindlichkeit zu verbessern. Insofern hat das Argument der verbesserten Querempfindlichkeit des Doppelschicht-Empfängers etwas an Gewicht verloren.
Wird demnach die konstruktive Gestaltung der Meßkammer nicht im Hinblick auf die Ziele Selektivität und Nullpunktkonstanz gewählt, sondern im Hinblick auf eine Kompensation des Trägergaseinflusses infolge Stoßverbreiterung, so hat man lediglich mit einer etwas schlechteren Nullpunktkonstanz zu rechnen. Die Nullpunktkonstanz ist jedoch immer noch mindestens genauso gut wie die der Zweistrahlgeräte.
Mit den in den Ansprüchen beschriebenen Maßnahmen gelingt es, die Trägergasabhängigkeit infolge Stoßverbreiterung in der Meßküvette weitgehend zu kompensieren.
Für einen bestimmten Anwendungsfall war es beispielsweise die Aufgabe, die Konzentration von C02 im Bereich von 0 ... 10 % in einem Gemisch von N2 und N20 zu bestimmen. Wird die konstruktive Gestaltung der Meßkammer so gewählt, daß Selektivität und Nullpunktkonstanz optimal sind, so ergibt sich eine erhebliche Abhängigkeit der C02-Anzeige von der Zusammensetzung des N2/N20-Gemisches.
Durch empirische Untersuchungen wurde herausgefunden, daß durch Erhöhung der C02-Füllkonzentration der Meßkammer von etwa 2 bis 3 96 auf ca. 7,5 % diese Trägergasabhängigkeit auf kleiner etwa t 0,5 % über den gesamten Bereich 0 ... 100 % N20 in N2 reduziert werden konnte.
Welche Änderung der Schichtdicken, der Füllgaskonzentration oder des Partial- bzw. Gesamtdruckes bei einer bestimmten Meßaufgabe vorzunehmen ist, kann wegen der Kompliziertheit der beitragenden Effekte - Einfluß vieler Linien in einer Bande -nicht von vornherein festgelegt werden. Vielmehr muß durch empirische Untersuchungen versucht werden, die Trägergasabhängigkeit zu kompensieren. Da gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren Änderungen nur an der Gestaltung der Meßkammer vorgenommen zu werden brauchen, ist der Aufwand für diese Versuche gering.
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Claims

Patentansprüche 9 Verfahren zur Kompensation des Trägergaseinflusses infolge Stoßverbreiterung bei nichtdispersiven Infrarot-Fotometern mit Doppelschicht-Absorptionsmeßkammer, dadurch gekennzeichnet, daß der Einfluß von Absorptionsänderungen der Meßkomponente auf das Meßsignal infolge Stoßverbreiterung mit der Doppelschicht-Absorptionsmeßkammer kompensiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur der wellenlängenabhängigen Absorptionsbereiche (Zentren und Flanken) in den beiden Absorptionsschichten des Empfängers auf die Linienbreite der Meßkomponente in der Küvette empirisch abgestimmt wird, so daß in Auswirkung aller Linien einer Bande Stoßdämpfungsänderungen in der Küvette kompensiert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgleich der Absorptionsbereiche der Meßkammerschichten durch eine Geometrieänderung der Meßkammer, z. B. eine Änderung der Schichtdicken, erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgleich der Absorptionsbereiche der Meßkammerschichten durch eine Änderung des Partial - und/oder Absolutdruckes der Meßkammerfüllung erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgleich der Absorptionsbereiche durch Änderung der Füllgaskonzentration der Meßkammer folgt.