DE2749229C2

DE2749229C2 - Nichtdispersives Infrarot-Gasanalysengerät

Info

Publication number: DE2749229C2
Application number: DE2749229A
Authority: DE
Inventors: Otto H. Dipl.-Phys. Dr. 2000 Hamburg Blunck
Original assignee: H MAIHAK AG 2000 HAMBURG
Current assignee: H Maihak AG
Priority date: 1977-11-03
Filing date: 1977-11-03
Publication date: 1979-10-11
Also published as: DE2749229B1; US4199683A

Description

Die Erfindung betrifft ein nichtdispersives Infrarot-Gasanalysengerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist ein nichtdispersives Infrarot-Gasanalysengerät mit einem Probenbehälter für das zu analysierende Gas bekannt, bei dem die Empfängervorrichtung in zwei getrennte Kammern unterteilt wird, welche mit dem gleichen Gas gefüllt und nacheinander von dem Strahlenbündel nach dessen Durchgang durch den Probenbehälter durchdrungen werden, wobei die Höhe der ersten Empfangskammer um ein Mehrfaches kleiner als die Höhe der zweiten Empfangskammer ist. Diese Maßnahme bezweckt insbesondere im Nullpunkt der Messung, d. h. wenn das zu analysierende Gasgemisch nicht die zu bestimmende Gaskomponente enthält, eine bessere Stabilität zu erhalten (DE-PS 10 17 385).

In Verbesserung dieses Gerätes, insbesondere für den Fall der Spurenanalyse, ist ein weiteres nichtdispersives Infrarot-Gasanalysengerät bekannt, bestehend aus zwei nebeneinander angeordneten Behältern für das zu analysierende Gemisch und einen Vergleichsstoff sowie aus einer Einrichtung zur Erzeugung zweier praktisch identischer, gegenphasig modulierter Strahlenbündel, die das zu analysierende Gemisch und den Vergleichsstoff abwechselnd durchlaufen, und aus einem Einstrahl-Zweischichtempfänger mit zwei getrennten, hintereinander angeordneten Empfangskammern. Auch hier dient die Anordnung der im Strahlengang hintereinanderliegenden Empfangskammern zur Erzielung eines hinreichend konstanten Nullwertes (DE-PS 13 02 592).

Weiterhin ist ein nichtdispersives IR-Gasanalysengerät bekannt, das einen getrennten, gleichgerichteten Meß- und Vergleichsstrahlengang aufweist und jeweils zwei in gleicher Aufeinanderfolge in jedem Strahlengang hintereinander angeordnete Empfangsschichten unterschiedlicher Länge enthält, wobei sowohl die Energiedifferenz zwischen den absorbierter, Energien in den von der Strahlung zuerst beaufschlagten Empfangsschichten als auch die Energiedifferenz zwischen den absorbierten Energien in den von der Strahlung zuletzt beaufschlagten Empfangsschichten gebildet wird und die entsprechenden elektrischen Signale sodann gegeneinandergeschaltet werden (DE-AS 11 09 418).

Ein weiteres nichtdispersives Infrarot-Gisanalysengerät mit getrenntem Meß- und Vergleichsstrahlengang und jeweils zwei in jedem Strahlengang unmittelbar hintereinanderliegenden Empfangskammern unterschiedlicher Länge ist bekannt, bei dem die Energiedifferenz bestimmt wird zwischen den jeweiligen Summen der absorbierten Energien der im einen Strahlengang zuerst beaufschlagten und der im anderen Strahlengang zuletzt beaufschlagten Empfangskammer. Auch hier — wie bei den vorher beschriebenen Geräten nach dem Stand der Technik — ist der Zweck der Anordnung, einen exakten Nullpunkt zu erhalten (DE-AS 16 98 218).

Schließlich ist ein nichtdispersives Infrarot-Gasanalysengerät bekannt mit getrenntem Meß- und Vergleichsstrahlengang und Mitteln zur Messung des Unterschieds der in den Empfängerkammern absorbierten Strahlungsenergien, wobei zur Kompensation von durch Erschütterungen oder Beschleunigungen der in den Empfängerkammern und deren Verbindungsleitungen befindlichen Gasmasse hervorgerufenen Druckachwankungen, die sich als Störsignal dem eigentlichen Meßsignal überlagern, zwei weitere gasgefüllte, nicht von der Strahlung beaufschlagte Kammern vorgesehen werden, die jeweils den Detektorkammern im Meß- und Vergleichsstrahlengang zugeordnet und kreuzweise gasleitend mit diesen verbunden sind (US-PS 25 55 327).

Die bei diesen bekannten Infrarot-Gasanalysengeräten verwendeten Zweischicht-Empfangskammern, deren beide Empfangsschichten von der Strahlung durchdrungen werden, sind so dimensioniert, daß die von der Strahlung zuletzt durchdrungene Empfangsschicht länger ist als die von der Strahlung zuerst durchdrungene Empfangsschicht. Für diesen Fall ergibt sieh bei Infrarot-Gasanalysengeräten mit Zweischicht-Empfangskammern ein besonders stabiler Nullpunkt.

Es hat sich gezeigt, daß die bekannten Geräte der erwähnten Art zwar ein zufriedenstellendes Nullpunktverhalten aufweisen, daß sie jedoch andererseits aucl> auf im Meßgas in dei Praxis fast immer vorkommende Störgase, deren Infrarot-Absorptionsbanden sich mit denen der zu analysierenden Gaskomponente mindestens teilweise überlappen, »queren;pfindlich« iind. Diese Störwirkung wird bei den bekannten Geräten durch die Verwendung der hintereinander angeordneten Empfangsschichten zwar gemildert, auf Grund der unterschiedlichen Längen der Schichten jedoch nicht völlig beseitigt, so daß immer noch eine Reststörwirkung verbleibt. Diese Reststörwirkung kann den Einsatz des Infrarot-Gasanalysengerätes in einigen Fällen, bei denen es auf gute Selektivität ankommt, unmöglich machen. Es isit bekannt, daß durch geeignete Strahlungsfilter die Querempfindlichkeit beseitigt werden kann; gleichzeitig wird jedoch auch die Empfindlichkeit vermindert Durch die entsprechend anzuhebende Verstärkung gewinnen andere Störeinflüsse an Bedeutung; außerdem zeigen diese Filter einen z.T. erheblichen Temperaturgang. Hinzu kommen die Kosten derartiger Strahlungsfilter. Andererseits können bei den bekannten Geräten trotz des prinzipiell guten Nullpunktverhaltens dennoch Nu";;unktdriften auftreten. Zur Behebun⁰ dieser Nu'l^i'nktdriften sind Vorrichtungen bekannt, mit deren Hüte in bestimmten, entweder festliegenden oder vom Betreiber einzustellenden Zeitintervallen der Nullpunkt kontrahiert und gegebenenfalls automatisch nachreguliert wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein nichtdispersives lnfrarot-Gasanalysengerät der eingangs genannten Art zu schaffen, das im Hinblick auf die Störwirkung durch im Meügas eventuell vorhandene infrarotaktive Gase ein verbessertes Verhalten zeigt, bei dem also die sogenannte »Querempfindlichkeit« praktisch Null ist, ohne daß dadurch Stabilität und Empfindlichkeit gegenüber bekar nten Geräten beeinträchtigt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs; 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Ausbildung von Baueinheiten und derer geometrisch praktisch identische Ausführung bedeutet, daß sowohl die vorderen Empfangskainmern untereinander f'.s auch die hinteren Empfangskammern untereinander als auch die vorderen und die hinteren identisch ausgebildet sind. Diese Identität erfaßt dabei nicht nur die Dimeniiionierung der Kammern, sondern auch die optischen Verhältnisse hinsichtlich Zaiil und Aufbau von Fenstern, was bedeutet, daß die vorderen Kammern ein gemeinsames vorderes und ein gemeinsames hinteres Fenster und in gleicher Weise die hinteren Kammern ebenfalls ein gemeinsames vorderes und ein gemeinsames hinteres Fenster besitzen.

Weiterbildunger, der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Dip mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen in der minimalen Querempfindlichkeit des Gerätes bei guter Nullpunktstabili'it und Empfindlichkeit Der In/rarot-Gasanalysator nach der Erfindung enthält praktisch pur Drehteile und ist somit billig herzustellen. Durch die kompakte Bauform sind relativ kleine Abmessungen äu erreichen; das Gerät ist robust und die einzelnen Bauteile sind leicht zugänglich. Durch den kompakten und symmetrischen Aufbau sind darüber hinaus die Erschiitterungsempfindlichkeit und der Temperaturgang gering.

Im folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnungen nocii wäher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 eine schematisch« Ausführungsform eines nichtdispersiven lnfrarot-Gasanalysators mit gegenph?- siger Modulation,

F i g. 2 eine Aufsicht auf die Empfangsvorrichtung der

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Ausführungsform nach Pig. I.

Gemäß Fig. 1 enthält das nichtdispersive Infrarot-Gasanalysengerät mit gegenphasiger Modulation eine Strahlereinheit, bestehend aus einem Gehäuse 1 und einem Fenster 3 sowie einem thermischen Strahler 2. Durch ein von einem Motor 33 angetriebenes Blendenrad 32 wird die Strahlung mit einer gegeneinander verschobenen Phase, beispielsweise um 180°, moduliert. Das auf diese Weise gegenphasig modulierte Strahlenbündel wird durch eine geteilte Küvette mit einem Meßgasbehälter 4 und einem Vergleichsgasbehälter 5 geschickt. Nach Austritt aus der geteilten Küvette fällt das Strahlenbündel in die Empfangsvorrichtung. Diese enthält zwei vordere Kammern 9,10, die als zwei Kreisbohrungen in einem runden Block 8 JIiC(TfKiIHPt tinH ic Pin 0\ nip Kammprn sind auf ihrer im Strahlengang vorderen Seite mit einem Fenster 11 und auf der Rückseite mit einem Fenster 12 abgedichtet, wobei die Fenster 11 und 12 den gesamten Block 8 überdecken. Daran schließen sich zwei weitere Kammern 14, 15 an, die in gleicher Weise wie die Kammern 9, 10 ausgebildet sind und mit diesen fluchten. Die Kammern 9, 10, 14, 15 haben im Schnitt durch ihre Symmetrieachse jeweils einen quadratischen Querschnitt, d. h. die Kammerlänge ist gleich dem Kammerdurchmesser, wodurch die Bildung und Ableitung des durch die Strahlungsabsorption in den Kammern erzeugten Druckimpulses begünstigt wird. Durch die beschriebene Ausbildung der Kammern 9,10, 14 und 15 wird eine kompakte, eng zusammenliegende Meßkammeranordnung erreicht. Dadurch können — wenn auch geringfügige — Temperaturdifferenzen in der Meßkammeranordnung vermieden werden. Derartige Temperaturdifferenzen könnten über Stoßverbreiterungseffekte das Absorptionsverhalten in den Kammern beeinflussen. Die Verwendung durchgehender Fenster 11, 12 — anstatt jeweils zweier Fenster über den einzelnen Kammern — hat den Vorteil, daß dadurch eine absolute Symmetrie der Anordnung ermöglicht wird, während bei einer durchaus möglichen, weil äquivalenten Ausbildung, die Erzielung der absoluten Symmetrie Schwierigkeiten bei der dabei notwendigen überaus exakten Anordnung bereitet, weshalb der Einteiligkeit der Vorzug zu geben ist. Im Strahlengang hinter den Kammern 9,10,14,15 und einem Fenster 16, das ebenso den gesamten Block 13 überdeckt, folgt eine Kammer 17, in die ein Körper 19 aus einem IR-absorbierendPT Dielektrikum, z. B. Glas oder glasartig durchsichtigem Kunststoff aus Polymethacrylate^ eingebracht ist. Der Körper 19 besteht aus einer mit konzentrischen Rillen 20 versehenen runden Scheibe, so daß im Schnitt ein sägezahnähnliches Muster entsteht. Dabei verläuft jeweils die eine Kante des Sägezahns parallel zur Strahlungsrichtung.

In der Kammer 17 wird sämtliche, aus den Empfangskammern durch das Fenster 16 noch hindurchtretende Strahlung absorbiert so daß keine Strahlungsanteile wieder in die anderen Kammern zurückreflektiert werden. Dies wird durch die geometrische Form des Körpers 19 weiter begünstigt, da die Strahlung, die von oben in die Kammer 17 einfällt, mindestens dreimal am Körper 19 reflektiert werden muß, ehe sie wieder in die Kammern 14 und 15 einfallen kann. Somit ist die Absorptionswahrscheinlichkeit groß und dieser Strahlungsar.teil praktisch Null. Die Kammern 9, 10, 14 und 15 werden also tatsächlich ausschließlich in einer einzigen Richtung durchstrahlt.

Die Kammer 17 kann auch so aufgebaut sein, daß in ihr ein Körper aus einem IR-nbsorbierenden Dielektrikum angeordnet ist. bestehend aus einem an der Innenfläche der Hülse 18 anliegenden Rohr und einem zentral angebrachten Kegel. Auch in diesem Fall muß die Strahlung mindestens dreimal reflektiert werden, ehe sie wieder in die Kammern 14 und 15 einfallen könnte. Eventuell tatsächlich in die Kammern 14, 15 zurückreflektierte Strahlung ist infolge der mehrfachen Absorptionsmöglichkeit praktisch vollständig bedeutungslos.

Die Kammer 17 kann in ihrer Wirkung unterstützt werden bzw. ganz entfallen, wenn das Fenster 16 so gewählt ist, daß die IR-Strahlung bereits dort stark absorbiert wird, indem beispielsweise ein Fenster aus normalem Glas eingesetzt wird.

Die Kammer 9 ist über eine Leitung 22 bei 28 mit derjenigen Seite eines Membrankondensators verbunden, an die auch die Kammer 10 über eine Leitung 23 bei 29 angeschlossen ist. Die Kammer 14 steht über eine Leitung 24 bei 26 mit der anderen Seite des Membrankondensators in Verbindung ebenso wie die Kammer 15 über eine Leitung 25 bei 27. Die Kapazitätsänderungen des Membrankondensators werden r.'it einer üblichen Schaltung, die über elektrische Leitunp<;n 30, 31 an den Membrankondensator angeschlossen ist, zu einem geeigneten Meßsigrial verarbeitet.

Das Ziel des Gerätes, Querempfindlichkeiten auf Störgase zu beseitigen, soll dadurch erreicht werden, daß jeweils gleich lange Kammern hintereinander irn Strahlengang angeordnet sind. Bei schwacher Absorption, die bei vielen Störgasen im Überlappungsbereich der Banden angenommen werden kann, liegt näherungsweise ein linearer Zusammenhang zwischen Schichtdicke und absorbierter Strahlungsenergie vor. Sind daher die Längen der hintereinandergeschalteten Kammern gleich und wird die Strahlung zwischen den Kammern nicht geschwächt, so wird der von der Bandenüberlappung herrührende Störeffekt kompensier!.

Durch das zwischen den Kammern 9 und 14 bzw. 10 und 15 angeordnete Fenster 12 wird jedoch die Strahlung etwas geschwächt. Aus diesem Grund ist die Kompensation der Störeffekte durch hintereinandergeschaliete Empfangskammern gleicher Länge nicht exakt; zur exakten Kompensation muß das Signal der hinteren Empfangskammer um den Betrag angehoben werden, der durch die Intensitätsschwächung ^:nfolge des Fensters entsteht.

Dies wird dadurch erreicht, daß das Material des Blocks 13, in dem die hinteren Kammern 14, 15 als Bohrungen ausgebildet sind, eine andere Wärmeleitfähigkeit besitzt als das Materia! des Blocks 8 der vorderen Kammern 9, 10. Hierbei wird die Tatsache ausgenutzt, daß die Höhe des durch Strahiungsabsorption in einer Kammer entstehenden Druckimpulses u. a. durch die Wärmeleitfähigkeit der die Kammer begrenzenden Wände bestimmt wird; bei geringerer Wärmeleitfähigkeit wird der Druckimpuls höher. Dadurch kann der Intensitätsverlust infolge des Fensters 12 kompensiert werden.

Weitere Möglichkeiten zur Erhöhung der Druckimpulse in den Kammern 14, 15 bestehen in der Verwendung von Fenstern 11, 12 16 mit verschiedenen Oberflächen-Wärmeleitfähigkeiten, was im allgemeinen durch geeignete Bedampfung erreicht wird. So können beispielsweise alle drei Fenster 11, 12, 16 verschiedene Wärmeleitfähigkeiten haben. Weiterhin können die

Fenster 11 unrl 16 verschiedene Wärmeleitfähigkeiten haben, in diesem Fall hat das Fenster 11 eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das Fenster 16.

Durch die jeweiligen Verbindungen der Kammern 9, 10. *4, 15 wird erreicht, daß jeweils gegenphasig die Intensitätsdifferenz hintereinanderliegender Kammern 9 und 14 bzw. 10 und 15 gebildet wird. Dadurch ergibt sich zum einen ein stabiler Nullpunkt Zwar ist dieser Nullpunkt nicht in gleichem Maße stabil wie bei der bekannten Anordnung, bei der die hintere Kammer länger ist als die vordere. Dennoch ist der Nullpunkt für viele Anwendungsfälle noch hinreichend stabil. Andererseits jedoch — und dies ist in diesem Zusammenhang entscheidend — wird die Querempfindlichkeit gegenüber bekannten Anordnungen erheblich verbessert

Selbstverständlich kann die Vorrichtung oder Teile davon in entsprechend abgewandelter Form auch für die andere bei Infrarot-Gasanalysengeräten übliche Modulationsform eingesetzt werden, d. h. bei gleichpha siger Modulation. Hierbei ist die Modulationsvorrichtung entsprechend zu gestalten, daß beide Küvettenhälften gleichzeitig von Strahlung durchlaufen werden, etwa mit einem Blendenrad oder einem gepulsten Strahler. Die MeBkammern 9, 10,14, 15 sind so an den Membrankondensator anzuschließen, daß jeweils die vordere Kammer des einen Strahlengangs und die hintere Kammer des anderen Strahlengangs mit einer Seite des Membrankondensators verbunden sind. Ansonsten entsprechen der Aufbau und die Vorteile der gleichphasigen Version denjenigen der gegenphasigen Version.

Während hier das Gerät im Zusammenhang mit Membrankondensatoren als Mittel zur Bildung des Differenzsignals aus den infolge der Strahlungsabsorption in den Empfangskammern erzeugten Einzelsignalen beschrieben wurde, ist es selbstverständlich, daß auch andere derartige Mittel, etwa thermoelektrische Fühler, verwendet werden können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Nichtdispersives Infrarot-Gasanalysengerät

a) mit einer Strahlungsquelle zur Beaufschlagung eines Meßstrahlengangs sowie eines Referenzstrahlengangs mit IR-Strahlung,

b) mit einer das nachzuweisende Gas enthaltenden Meßküvette im Meßstrahlengang sowie einer ein Vergleichsgas enthaltenden Referenzküvette im Referenzstrahlengang,

c) mit einer hinter der Meßküvette sowie einer hinter der Referenzküvette angeordneten Detektoreinheit, welche jeweils aus zwei hintereinanderliegenden, das nachzuweisende Gas enthaltenden sowie Eintrittsfenster für die IR-Strahlung aufweisenden Kammern bestehen,

d) mit einem Modulator zur periodischen Modulation des Meß- und des Referenzstrahlengangs sowie

e) mit Einrichtungen zur Erzeugung eines der Differenz zwischen den Summen der in den beiden vorderen und in den beiden hinteren Kammern absorbierten Energien proportionalen Signals im Falle einer gegenphasigen Unterbrechung von Meß- und Referenzstrahlengang bzw. zur Erzeugung eines der Differenz zwischen den Summen von in vorderer und hinterer Kammer jeweils verschiedener Detektoreinl:oiten absorbierten Energien proportionalen Signals im Fallr einer gleichphasigen Unterbrechung von Meß- und Referenzstrahlengang,

dadurch gekennzeichnet, daß

f) die beiden vorderen Kammern (9,10) eine erste blockförmige Baueinheit (8) bilden,

g) die beiden hinteren Kammern (14, 15) eine zweite blockförmige Baueinheit (13) bilden, deren Abmessungen denen der ersten Baueinheit (8) gleich sind,

h) die Wände der beiden Baueinheiten (8, 13) a:is Materialien unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeitbestehen,

i) die Eintrittsfenster der vorderen Kammern (9, 10) sowie die Eintrittsfenster der hinteren Kammern (14, 15) jeweils von einem einzigen, die betreffende Baueinheit (8 bzw. 13) jeweils ganz überdeckenden Fenster (11 bzw. 12) gebildet sind, und

j) Mittel (16—20) zur Verhinderung einer Rückreflexion der IR-Strahlung durch die Kammern (9, 10,14,15) vorgesehen sind.

2. Nichtdispersives Infrarot-Gasanalysengerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammern (9, 10, 14, 15) rotationssymmetrisch ausgebildet sind und einen quadratischen Querschnitt aufweisen.

3. Nichtdispersives Infrarot-Gasanalysengerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Verhinderung einer Rückreflexion von IR-Strahlung eine zur IR-Absorption ausgebildete weitere Kammer (17) umfassen, die hinter der zweiten Baueinheit (13) angeordnet und über ein weiteres IR-durchlässiges Fenster (16) von der durch die beiden hinteren Kammern (14, 15) getretenen Strahlung beaufschlagt ist.

4. Nichtdispersives Infrarot-Gasanalysengerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Kammer (17) aus einer metallischen Hülse (18) besteht, in die ein Körper (19) aus einem IR-absorbierenden Dielektrikum, z. B. Glas oder glasartig durchsichtigem Kunststoff aus Polymethacrylaten, eingebracht ist, der als eine mit konzentrischen Rillen (20) versehene runde Scheibe derart ausgebildet ist, daß im Schnitt ein sägezahnähnliches Muster entsteht, wobei jeweils die eine Kante des Sägezahns (20) parallel der Strahlungsrichtung verläuft

5. Nichtdispersives Infrarot-Gasanalysengerä: nach Ansprach 3, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Kammer (17) aus einer metallischen Hülse (18) besteht, in die ein Körper aus einem IR-absorbierenden Dielektrikum, z.B. Glas oder glasartig durchsichtigem Kunststoff eingebracht ist, welcher aus einem Rohr, das an der Innenwand der Hülse (18) anliegt, und einem zentral in der Kammer (17) angeordneten Kegel besteht

6. Nichldispcfäivcs Infrärot-Gasanulyscngcrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand der ersten Baueinheit (8) eine höhere Wärmeleitfähigkeit besitzt als die Wand der zweiten Baueinheit (13).

7. Nichtdispersives Infrarot-Gasanalysengerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet daß die Wand der ersten Baueinheit (8) aus Aluminium und die Wand der zweiten Baueinheit (13) aus V-Stahl gefertigt ist

8. Nichtdispersives Infrarot-Gasanalysengerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß das Eintrittsfenster (11) der ersten Baueinheit (8) aufgrund einer Bedampfung eine größere Oberflächen-Wärmeleitfähigkeit besitzt als das weitere Fenster (16).

9. Nichtdispersives Infrarot-Gasanalys.;ngerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle drei Fenster (11, 12, 16) aufgrund unterschiedlicher Bedampfung voneinander unterschiedliche verschiedene Oberflächen-Wärmeleitfähigkeiten besitzen.

10. Nichtdispersives Infrarot-Gasanalysengerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den vorderen Kammern (9,10) zugewandte Oberfläche des Eintrittsfensters (12) der zweiten Baueinheit mindestens eine gleich große Oberflächen-Wärmeleitfähigkeit besitzt wie die den hinteren Kammern (14, 15) zugewandte Oberfläche, und zwar durch Bedampfung.