DE2811287B2

DE2811287B2 - Infrarot-Gasanalysator

Info

Publication number: DE2811287B2
Application number: DE2811287A
Authority: DE
Inventors: Mitsuo Kotaka; Tamizo Hachioji Tokio Matsuura; Kaisuke Oume Muraki; Hisao Hachioji Takahara; Ryo Takahashi
Original assignee: Yokogawa Electric Works Ltd
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1977-03-24
Filing date: 1978-03-15
Publication date: 1981-02-05
Also published as: CA1079999A; NL7802540A; US4157470A; DE2811287A1; DE2811287C3; GB1560613A

Description

einem Rotationsspektrum erscheint Aus diesem Grund erscheint gemäß F i g. 7 eine Gruppe von Spektrallinien, üie als positiver und negativer Zweig bezeichnet werden. Das in der Temperatur-Kompens'erzelle 3 enthaltene Gas kann von einer Art sein, die bezüglich des Spektrums der Meßkomponente grundsätzlich ähnlich ist, sich von dieser jedoch bezüglich der Gruppe der Spektrallinien unterscheidet (Falls es sich bei der zu bestimmenden oder Meßkomponente um NO handek, kann beispielsweise C2H4 für das genannte Gas gewählt werden.) In einer Filterzelle 4 ist die Meßkomponeme mit fester Dichte enthalten, während eine Interferenz-Kompensierzelle 5 mit dem Probengas gefüllt ist Die Filterzelle 4 weist Fenster 41, 42 zur Übertragung von Infrarotstrahlung auf, während die Interferenz-Kompensierzelle 5 mit Fenstern 51, 52 zur Übertragung von Infrarotstrahlung und außerdem mit einem Einlaß 53 und einem Auslaß 54 für das Probengas versehen ist Vorzugsweise ist die Interferenz-Kompensierzelle 5 so ausgebildet, daß sich ihre Länge /bei dem noch zu beschreibenden Analysator-Eichvoigang leicht einstellen läßt Bevorzugte Beispiele für eine solche Konstruktion sind in F i g. 2 und 3 dargestellt. Bei der Interferenz-Kompensierzelle 5 gemäß F i g. 2 ist am einen Ende ein Fenster 52 für die Übertragung von 2b Infrarotstrahlung vorgesehen, während das andere Ende als Außenzylinder 55 ausgebildet ist in den die Filterzelle 4 einsetzbar ist Die Länge / der I iterferenz-Kompensierzelle 5 ist dabei durch Änderung der Einsetztiefe der Filterzelle 4 im Außenzylinder 55 so einstellbar und mittels einer Stellschraube 56 feststell· bar. Ein in der Nähe des Fensters 42 in eine in die Außenfläche der Filterzelle 4 eingestochene Nut eingesetzter O-Ring 43 verhindert einen Austritt des die Interferenz-Kompensierzelle 5 füllenden Gases. Beim Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 3 besteht der Zylinder dieser Zelle zum Teil aus einem Balgen 57, wobei eine Hülse 58 mittels einer Stellschraube 56 zur Festlegung der Länge / der Interferenz-Kompensierzelle 5 gesichert ist. Die Konstruktionen gemäß F i g. 2 und 3 sind gleichermaßen zur Veränderung der Länge der Zelle 5 geeignet. Gemäß F i g. 1 sind eine Blende 6 sowie die Filterzelle 4 und die Interferenz-Kompensierzelle 5 koaxial zueinander angeordnet; dasselbe gilt auch für die Meßzelle 2 und die Temperatur-Kompensierzelle 3. Weiterhin sind ein Detektor 7 und eine Signalwandler/Temperaturreglereinheit 8 vorgesehen. Der Detektor 7 ist derart heim Brennpunkt eines konkaven Reflexionsspiegels 10 angeordnet, daß er das durch die Meßzelle 2, die Filterzelle 4 usw. hindurchgetretene Licht intermittierend aufnimmt. Der intermittierende Lichtstrahl wird dadurch gebildet, daß das vom Infrarotstrahler 1 emittierte Licht zunächst durch einen konkaven Reflexionsspiegel 9 zu einem parallelen Lichtbündel geformt wird, das dann einen durch einen Motor 12 in Drehung versetzten Unterbrecher 11 beaufschlagt.

Im folgenden sind der Detektor 7 und die Signalwandler/Temperaturreglereinheit 8 an Hand der F i g. 4 bis 6 näher erläutert. F i g. 4 zeigt den Detektor 7 im Schnitt, während ihn Fi g. 5 in Aufsicht veranschaulicht. Gemäß diesen Darstellungen weist ein metallener Block 71 einen konischen Meßlichteinlaß 711 und Hnen konischen Bezugslichteinlaß 712 für den Kinintt der betreffenden Lichtanteile auf. An der Schnittstelle bs 7wischen der Rinlässen 711, 712 des Blocks 71 befindet sich eine Lichtfühler-Einbaubohrung 713. und in die Außenfläche des Blocks 71 ist eine Ringnut 714 eingestochen. In Bohrung 713 des Blocks 71 ist eine Grundplatte 72 unter Befestigung eingesetzt und auf der Grundplatte 72 ist ein lichtmessendes Element etwa ein Thermistor-Bolometer, befestigt Eine Leitung 731 verbindet das Lichtmeßelement 73 mit der Einheit 8. Am metallenen Block 71 ist ein mehrlagiges Interferenzfilter 74 angebracht welches den Meßlichteinlaß 711 verschließt während der Bezugslichteinlaß 712 durch ein am Block 71 befestigtes mehrlagiges Interferenzfilter 75 verschlossen ist Die beiden Interferenzfilter sind so angeordnet daß sie den betreffenden einfallenden Lichtstrahlen unmittelbar zugewandt sind. Der durch die Lichteinlässe 711, 712 und die Bohrung 713 gebildete Raum ist vollkommen luftdicht verschlossen und mit gasförmigem Stickstoff (N2) gefüllt Ein in die Ringniit 714 eingesetztes Heizelement 76 dient zum Erwärmen des metallenen Blocks 71. Das Ausgangssignal der Signalwandler/Temperaturreglereinheit 8 wird dabei über eine Zuleitung 761 an das Heizelement

76 angelegt Der gesamte Block 71 ist von einer Hülle 77 aus z. B. Bakelitharz umschlossen. Auf Grund der Hülle

77 ist der Block 71 gegenüber der Umgebungstemperatur wirksam abgeschirmt Weiterhin sind Fenster 771 und 772 für den Meßlichteinlaß 711 bzw. den Bezugslichteinlaß 712 vorgesehen.

Im Schaltbild der Signalwandler/Temperaturreglereinheit 8 gemäß Fig.6 kann das mit /·</ bezeichnete Thermistor-Bolometer 73 als Widerstandselement betrachtet werden, das mit anderen temperaturstabilen Widerstandselementen rl, rl, rZ und einer Gleichstromquelle Eo eine Meßbrücke bildet, welche das vom Unterbrecher 11 zerhackte Meß- und Bezugslicht empfängt. Der Unterschied zwischen der Ausgangsspannung der Meßbrücke und einer voreingestellten Spannung Fs wird durch einen rauscharmen Verstärker A 1 mit hoher Eingangsimpedanz verstärkt und durch einen Transistor Q 1 weiter verstärkt, dessen Ausgangsstrom das Heizelement 76 (Widerstandselement rh) erregt. Gleichzeitig wird die Wechselstromkomponente des Ausgangsstroms allein über einen Kondensator Cl zu einem Verstärker A 2 geleitet, der an seiner Ausgangsklemme AUS ein Meßsignal liefert. Der vorstehend beschriebene Infrarot-Gasanalysator arbeitet wie folgt: Das zur Signalwandler/Temperaturreglereinheit 8 zu liefernde Ausgangssignal des Detektors 77 besteht aus zwei Informationssignalen, von denen das eine ein Meßsignal für die der Meßkomponente des Probengases äquivalente Größe ist. Dieses Signal wird dadurch erhalten, daß das vom Infrarotstrahler 1 ausgesandte Licht durch den Unterbrecher 11 zerhackt wird und dann über die Meßzelle 2 und die Filterzelle 4 in den Detektor 7 eintritt. Das andere Informationssignal ist ein Signal, welches die Temperatur des Thermistor-Bolometers 73 auf Grund der Erwärmung des metallenen Blocks 71 durch das Heizelement 76 angibt. Ersteres Signal gibt Wechselstrom-Änderungen kurzer Periode wieder, während das letztere Signal die Gleichstromänderungen angibt, deren Ansprechen infolge einer großen Zeitkonstante des Heizelements langsam ist. Infolgedessen wird das Ausgangssignal der aus den Widerstandselementen rd, rl, r2, r3 und der Stromquelle Eo bestehenden Meßbrücke durch die Gleichstromkomponente und die dieser überlagerte Wechselstromkomponente gebildet. Der Unterschied zwischen diesem Signal und der voreingestellten Spannung Es wird sowohl durch den Verstärker A 1 als auch durch den Transistor Qi unter Lieferung eines Ausgangssignals für die Erregung des Heizelements 76

verstärkt, wodurch das Thermistor-Bolometer 73 zur Einhaltung einer Temperatur entsprechend der voreingestellten Spannung Es angesteuert wird. Bei dieser Regelanordnung hat die Wechselstromkomponente keinen ungünstigen Einfluß, weil die Zeitkonstante des Heizelements 76 groß ist. Andererseits wird die überlagerte Wechselstro.nkomponente des Signals durch den Verstärker A 2 zur Lieferung eines Meßsignals weiter verstärkt, dessen Größe durch die physikalischen Eigenschaften des Lichtübertragungswegs bzw. Strahlengangs bestimmt wird. Dieser Sachverhalt wird wegen seiner Beziehung zum grundsätzlichen Aufbau des Gasanalysators noch näher erläutert werden.

Beim Analysator mit dem Aufbau gemäß F i g. 1 sei vorausgesetzt, daß das zu untersuchende Gas eine Meßkomponente und eine Interferenzkomponente mit der in F i g. 8 graphisch dargestellten Absorptionsfähigkeit besitzt, wobei in dieser Darstellung eine als positiver und negativer Zweig bezeichnete und in F i g. 7 dargestellte, auf Rotationen der Gasmoleküle beruhende Gruppe von Spektrallinien weggelassen ist. Hierbei sei angenommen, daß das Filter 74 ein Wellenlängenband A (F i g. 8) und das Filter 75 ein Wellenlängenband B für die betreffende Charakteristik besitzt. Wenn sich der Unterbrecher 11 zunächst gemäß Fig. 1 an der Seite der Filterzelle 4 befindet, pflanzt sich das von Infrarotstrahler 1 ausgestrahlte Licht über einen Strahlengang fort, der durch den konkaven Reflexionsspiegel 9, die Temperatur-Kompensierzelle 3, die Meßzelle 2, den konkaven Reflexionsspiegel 10, das Filter 74 und das Thermistor-Bolometer 73 gebildet wird. Infolgedessen läßt sich die am Thermistor-Bolometer 73 eintreffende Lichtmenge Lm durch folgende Gleichung ausdrücken:

Lm = Lom - (Lxm + Lim + Ltm)

(1)

Lxm =

Ltm =

Lxr =
Lir =

Ltr =

Menge des am Thermistor-Bolometer 73 nach dem Durchgang durch die Meßzelle 2, die Temperatur-Kompensierzelle 3 und das Filter 74 ankommenden Lichts, unter der Voraussetzung, daß die beiden Zellen ein Gas enthalten, das kein Absorptionswellenlängenband innerhalb des Bands A besitzt,
Verringerung der Lichtmenge Lom auf Grund der tatsächlich in der Meßzelle 2 enthaltenen Meßkomponente,

Verringerung der Lichtmenge Lom auf Grund der tatsächlich in der Meßzelle 2 vorhandenen Interferenzkomponente und
Verringerung der Lichtmenge Lom auf Grund des tatsächlich in der Zelle 3 vorhandenen Gases

bedeuten.

Wenn sich der Unterbrecher 11 um 180° aus der Stellung gemäß F i g. 1 heraus verdreht, pflanzt sich das vom Inrarotstrahler 1 emittierte Infrarotlicht über einen Strahlengang fort, der durch den konkaven Reflexionsspiegel 9, die Blende 6, die Filterzelle 4, die Interferenz-Kompensierzelle 5, den konkaven Reflexionsspiegel 10, das Filter 75 und das Thermistor-Boiometer 73 gebildet wird. Die am Thermistor-Bolometer 73 ankommende Lichtmenge Lr läßt sich daher durch folgende Gleichung ausdrücken:

Lr = Lor - (Lxr + Lir + Ltr) (2)

worin

Lor = Menge des am Thermistor-Bolometer 73 nach dem Durchgang durch die Filter 4, die Interferenz-Kompensierzelle 5 und das Filter 75 ankommenden Lichts, unter der Voraussetzung, daß diese beiden Zellen ein Gas enthalten, das kein innerhalb des Bands B

liegendes Absorptionswellenlängenband besitzt,

Verringerung der Lichtmenge Lor auf Grund einer tatsächlich in der Interferenz-Kompensierstelle 5 enthaltenen Meßkomponente,
Verringerung der Lichtmenge Lor auf Grund der tatsächlich in der Interferenz-Kompensierzelle 5 enthaltenen Interferenzkomponente und

Verringerung der Lichtmenge Lor auf Grund des tatsächlich in der Filterzelle 4 enthaltenen Gases

bedeuten.

Dabei entspricht Lx der Größe, welche die Meßkomponentendichte im Probengas angibt, und AL ist die Größe, entsprechend der Ausgangsamplitude (Wechselstromkomponente) des Detektors 7, des durch den Verstärker AT. über den Kondensator CX der Signalwandler/Temperaturreglereinheit 8 verstärkten Signals.

Im folgenden ist die Art der Eichung bzw. des Abgleichs des Gasanalysators beschrieben. Die Länge der Temperatur-Kompensierzelle 3, die zur Vermeidung eines sich aus der zusätzlichen Anordnung der Filterzelle 4 ergebenden Temperaturfehlers vorgesehen ist, sowie die Dichte des darin eingeschlossenen Gases werden so eingestellt, daß die Änderung von Ltm gleich der durch Temperaturschwankung bedingten Änderung von Ltr wird. Da das Gas in der Filterzelle 4 und in der Temperatur-Kompensierzelle 3 unverändert bleibt, wird die Größe Lt durch diese Einstellung, unabhängig von der Temperaturschwankung, auf einem festen Wert Ca gehalten. Die Eichung bzw. der Abgleich zur Ausschaltung des Einflusses der Interferenzkomponente im Probengas auf das Ausgangssignal erfolgt au! die im folgenden beschriebene Weise. Zunächst wird ein Gas, wie Stickstoff, ohne Infrarotabsorptionsvermögen als Probengas zugeführt, und die Blende 6 wird se eingestellt, daß die Amplitude der auf den Detektor 7 fallenden Lichtmenge der Größe Null oder einer festen Größe Cb entspricht. (Da der entsprechende Einstellbereich nicht weit ist, besteht keine Schwierigkeil dahingehend, daß Lt durch Temperaturschwankung verändert wird.) Mit dieser Einstellung wird alsc Lo- Lt = 0 oder Lo — Lt = Cb durchgeführt. Sodanr wird ein Gas, das eine Interferenzkomponente, abei keine zu bestimmende bzw. Meßkomponente enthält als Probengas zugeführt, und die Länge / dei Interferenz-Kompensierzelle 5 wird so eingestellt, daC die Amplitude der auf den Detektor 7 fallender Lichtmenge die Größe Null oder eine feste Größe Cl erreicht. Mit dieser Einstellung wird also Li = C durchgeführt Die Differenz AL nach dieser Eichung wird ausgedrückt als

AL = Lxoder Cb + Lx (4)

Wenn daher die Dichte der im Probengas enthaltener

Interferenzkomponente variiert wird, kann aus der Ausgangsamplitude des Detektors 7 genau die Größe Lx abgeleitet werden, welche der Dichte der Meßkomponente proportional ist. Da zudem der Einfluß von Temperaturschwanku.._o auf die Parzelle 4 auf Grund der Anordnung der Temperatur-Kompensierzelle 3 ausgeschaltet ist, besteht keine Notwendigkeit dafür, die Filterzelle 4 und andere Bauteile ir. einem thermostatgesteuerten Ofen anzuordnen. Da außerdem die Filter 74, 75 am Detektor 7 im Kondensorteil angebracht sind, können die Filter 74, 75 mit kleineren Abmessungen gewählt werden, und die Temperaturregelung für den

Detektor 7 und die Filter 74, 75 läßt sich ohne weiteres gleichzeitig durchführen. Die vorstehend beschriebene Ausführungsform bietet damit den Vorteil, daß bei ihr kein thermostatgesteuerter Ofen nötig ist.
Cs Filii, .,lit dem Wellenlängenband Γ. .ve'eher '?.: gesamte Wellenlängenband A des Meßlichtfilters umfaßt, ist an der Bezugslichtseite angeordnet. Dieselbe Wirkung wird jedoch auch dann erreicht, wenn sich t
beiden Wellenlängenbänder jeweils zum größten Teil ίο überlappen. Die Anordnung der Blende an der Seite der Probenzelle wird durch entsprechende Wahl der Wellenlängenbänder A und B ermöglicht

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Infrarot-Gasanalysator zum Nachweis einer Komponente in einem spektral interferierende Bestandteile enthaltenden Gasgemisch mit

a) einer Infrarot-Strahlungsquellenanordnung zur Erzeugung zweier getrennter Teilstrahlenbündel,

b) einer rotierenden Blendenscheibe zur Unterbrechung der beiden Teilstrahlenbündel,

c) einer von dem einen Teilstrahlenbündel durchsetzten und von dem Gasgemisch durchströmten ersten Küvette,

d) einer vor der ersten Küvette im Wege des einen Teilstrahlenbündels angeordneten gasgefüllten ersten Filterzelle,

e) einer von dem anderen Teilstrahlenbündel durchsetzten und ebenfalls von dem Gasgemisch durchströmten zweiten Küvette,

f) einer vor der zweiten Küvette im Wege des anderen Teilstrahlenbündels angeordneten zweiten Filterzelle, die mit einer vorgegebenen Konzentration der nachzuweisenden Komponente gefüllt ist,

g) einem von den durch die beiden Küvetten getretenen Teilstrahlenbündeln beaufschlagten Infrarot-Detektor, sowie

h) einer von dem Infrarot-Detektor gespeisten Anzeigeeinrichtung,

dadurch gekennzeichnet, daß

i) die erste Filterzelle (3) mit einem Gas gefüllt ist, das innerhalb desselben Spektralbereichs wie die nachzuweisenden Komponente ein bezüglich der Spektrallinien unterschiedliches Absorptionsspektrum aufweist,

j) in einem der beiden Teiktrahlenbündel eine verstellbare Blende (6) angeordnet ist,

k) im Wege des einen Teilstrahlenbündels hinter der ersten Küvette (2) ein erstes infrarotfilter (74) mit einem innerhalb des Absorptionsspektrums der nachzuweisenden Komponente liegenden Durchlaßbereich vorgesehen ist,

1) im Wege des anderen Teilstrahlenbündels hinter der zweiten Küvette (5) ein zweites Infrarotfilter (75) mit einem den Durchlaßbereich des ersten Infrarotfilters zu einem großen Teil überlappenden Durchlaßbereich vorgesehen ist,

m) die Länge der zweiten Küvette (5) einstellbar ist, und

n) die Blendenscheibe (6) zur wechselweisen Unterbrechung der beiden Teilstrahlenbündel ausgebildet ist.

2. Infrarot-Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Filterzelle (4) und die zweite Küvette (5) rohrförmig ausgebildet sind, daß die zweite Filterzelle (4) in der zweiten Küvette (5) koaxial verschieblich angeordnet ist, und daß zwischen der Außenwand der zweiten Filterzelle (4) und der Innenwand der zweiten Küvette (5) eine letztere gasdicht abschließende Abdichtung (43) vorgesehen ist.

Die Erfindung betrifft einen Infrarot-Gasanalysator mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.

Es kommt ziemlich häufig vor, daß in einem Probengas eine Interferenzkomponente enthalten ist, deren Absorptionswellenlängenband dasjenige einer Meß- oder Bestimmungskomponente überlappt Da in einem solchen Fall ein großer Meßfehler auftritt, muß hierfür eine geeignete Kompensation vorgenommen ίο werden. Eines der bei den bisherigen Vorrichtungen dieser Art durchgeführten Verfahren besteht darin, daß die Dichte der Interferenzkomponente getrennt gemessen und dann eine Berechnung zur Ableitung der Dichte der zu bestimmenden Komponente durchgeführt wird. η Eine auf der Basis dieses Verfahrens arbeitende Vorricntung besitzt jedoch unvermeidlich einen komplizierten Gesamtaufbau.

Bei einem bekannten Infrarot-Gasanalysator der eingangs genannten Art (vgl. DE-OS 24 05 317) wird zur Steigerung der Meßempfindlichkeit auch bei sehr geringen Gaskonzentrationen die zu messende Gaskomponente mit Unterdruck in eine Selektierungsküvette eingeführt. Damit werden aber Einflüsse von Temperaturschwankungen sowie von störenden spektralen Interferenzen nicht ausreichend ausgeschlossen.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines verbesserten Infrarot-Gasanalysators mit einfachem Aufbau, bei uem der Einfluß auf Grund des Vorhandenseins einer Interferenzkomponente ausgeschaltet wird jo und außerdem die durch Schwankungen der Umgebungstemperatur hervorgerufenen Abweichungen verringert werden.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.
Eine Weiterbildung der Erfindung ist Gegenstand des Patentanspruchs 2.

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus des Infrarot-Gasanalysators,

Fig.2 und 3 Schnittansichten zur Darstellung des Aufbaus einer Interferenz-Kompensierzelle.

Fig.4 und 5 eine Schnittdarstellung bzw. eine Aufsicht auf einen Detektor,

F i g. 6 ein Schaltbild eines Signalwandler/Temperaturreglers,

Fi g. 7 eine graphische Darstellung eines beispielhaften Schwingungsspektrums in Verbindung mit einem Rotationsspektrum und

F i g. 8 eine graphische Darstellung der Absorptionskennlinie.

Die in F i g. 1 dargestellte Ausführungsform des Infrarot-Gasanalysators umfaßt einen Infrarotstrahler 1 und eine mit einem Probengas gefüllte Meßzelle 2, die einen Einlaß 23 und einen Auslaß 24 zum Einleiten bzw. Ableiten des Probengases aufweist. Eine Temperatur-Kompensierzelle 3, die mit einem Gas gefüllt ist. weist Fenster 31,32 zur Übertragung von lnfrarotstrahlung auf. Das zuletzt genannte Gas besitzt ein Absorptionswellenlängenband, das teilweise innerhalb des Übertragungswellenlängenbands eines noch zu beschreibenden Filters 74 liegt und sich im Spektrum von einer zu bestimmenden bzw. Meßkomponente h5 unterscheidet Da sich Gasmoleküle frei zu drehen vermögen, ist eine Änderung des Schwingungszustands stets von einer Änderung des RotRtionszustands welche so daß ein Schwingiings- oder Vibrationsspektrum mit