DE3524368C2

DE3524368C2 -

Info

Publication number: DE3524368C2
Application number: DE3524368A
Authority: DE
Inventors: Aritoshi Nagaokakyo Kyoto Jp Yoneda
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 1984-07-09
Filing date: 1985-07-08
Publication date: 1989-09-07
Also published as: US4673812A; JPS6120840A; DE3524368A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Infrarot-Gasanalysator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiger Infrarot-Gasanalysator ist bereits aus Hengstenberg- Sturm-Winkler: Messen, Steuern und Regeln in der Chemischen Technik, Band II, 3. Auflage, Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg-New York 1980, Seiten 31 und 32, sowie aus der DE-PS 25 11 771 bekannt. Dieser bekannte Infrarot-Gasanalysator enthält

- einen Meßsignaldetektor zur Lieferung eines Meßsignals,
- einen Referenzsignaldetektor zur Lieferung eines vom Meßsignal getrennten Referenzsignals,
- einen einen Rückkopplungswiderstand aufweisenden Meßsignalverstärker zur Verstärkung des Meßsignals,
- einen einen Rückkopplungswiderstand aufweisenden Referenzsignalverstärker zur Verstärkung des Referenzsignals,
- eine Differenzbildungseinrichtung zur Erzeugung eines der Differenz von verstärktem Meßsignal und verstärktem Referenzsignal entsprechenden Ausgangssignals und
- eine Anzeigeeinrichtung, die in Abhängigkeit des Ausgangssignals ansteuerbar ist.

Aus der DE 32 38 179 A1 ist ein weiterer Infrarot-Gasanalysator bekannt. Er besitzt einen Hilfskanal (Elemente 4 b, 5 b, 6 b, 7 b), um Einflüsse auszuschalten, die durch Verschmutzung der Absorptionsküvette 2 und durch die sich ändernden Eigenschaften der Bauelemente Strahlungsquelle, Fotoempfänger und Verstärker entstehen. Der Hilfskanal dient also dazu, eine Meßbereichsdrift aufgrund von Veränderungen der genannten Bauteile zu kompensieren, die vor der Quotientenschaltung 8 liegen. Zur Nullpunktkalibrierung bei strömendem Nullgas (Infrarot-inaktivem Gas) dienen die Widerstände 12 und 13, während zur Meßbereichskalibrierung bei strömendem Meßgas (zu messendes Gas einer bestimmten Konzentration) der Operationsverstärker 11 und der einstellbare Rückkopplungswiderstand 16 dienen. Die Widerstände 14 und 15 dienen bei entsprechend umgelegtem Umschalter 10 zur Durchführung einer vereinfachten Meßbereichskalibrierung bei strömendem Nullgas. Mit Hilfe des Operationsverstärkers 11 und des variablen Widerstands 16 wird im vorliegenden Fall aber nicht die Meßbereichsdrift kompensiert, die aufgrund des optischen Systems hervorgerufen wird.

Weiterhin ist aus der US-PS 43 46 296 ein Infrarot-Gasanalysator bekannt, der jedoch als Einstrahlgerät ausgebildet ist. Bei diesem Infrarot-Gasanalysator dient ein variabler Widerstand als Element zur Nullpunktkalibrierung, während ein variabler Widerstand 19 als Element zur Meßbereichskalibrierung dient. Zusätzlich sind ein einstellbarer Widerstand 131 und ein Umschalter 139 vorgesehen, um die vereinfachte Meßbereichskalibrierung vorzunehmen (Meßbereichskalibrierung bei strömendem Nullgas), bei der ebenfalls auch der variable Widerstand 19 auf einen gewünschten Wert einstellbar ist. Da bei der vereinfachten Meßbereichskalibrierung (bei strömendem Nullgas) an den Verstärker 15 bei Betätigung des Schalters 139 die Referenzspannung aufgrund des vorhandenen Widerstandsnetzwerks geändert wird, ist eine genaue Kompensation der durch das optische System hervorgerufenen Meßbereichsdrift nicht möglich.

Aus der DE 28 03 369 C2 ist es zudem bekannt, eine Nullbereichskalibrierung über einen einstellbaren Widerstand bei einem Zweistrahl-Gasanalysator vorzunehmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den eingangs genannten Infrarot-Gasanalysator so weiterzubilden, daß auch eine durch das optische System verursachte Meßbereichsdrift praktisch vollständig und ohne den Einsdatz eines Eich- bzw. Kalibriergases kompensierbar ist.

Die Lösung der gestellten Aufgabe zeichnet sich durch die Kombination folgender Merkmale aus:

- Zwischen dem Referenzsignaldetektor und dem Referenzsignalverstärker sowie zwischen dem Meßsignaldetektor und dem Meßsignalverstärker ist jeweils eine Reihenschaltung aus einem Vorverstärker und einem nachgeschalteten, einstellbaren Widerstand zur Nullpunktkalibrierung angeordnet,
- der Ausgang der Differenzbildungseinrichtung ist mit einem Eingang eines Differenzverstärkers verbunden, wobei dieser Eingang über einen einstellbaren Widerstand zur Meßbereichskalibrierung auf Referenzpotential gelegt und der andere Eingang des Differenzverstärkers mit dessen Ausgang rückgekoppelt ist, welcher mit der Anzeigeeinrichtung verbunden ist,
- parallel zum Rückkopplungswiderstand des Meßsignalverstärkers liegt eine Reihenschaltung aus einem einstellbaren Widerstand und einem schließbaren Schalter.

Da die Meßbereichskalibrierung nur mit Hilfe eines variierbaren Verstärkungsfaktors des Meßsignalverstärkers zur Verstärkung des Meßsignals erfolgt, ist es nicht mehr erforderlich, fortwährend ein relativ teures Eich- bzw. Kalibriergas zu verwenden. Darüber hinaus lassen sich eine Meßbereichsdrift aufgrund einer Verschlechterung der Lichtquelle, einer Verschmutzung der Meßzelle und dergleichen, leicht erfassen, so daß eine sichere Kalibrierung möglich ist.

Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Es zeigt

Fig. 1 einen Infrarot-Gasanalysator mit einer elektronischen Kalibriereinrichtung und

Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Kalibrierung des Infrarot-Gasanalysators nach Fig. 1.

In der Fig. 1 ist ein Infrarot-Gasanalysator dargestellt, der eine Probenkammer 10 mit einem Eingang 11 zur Einführung eines Probengases in die Probenkammer 10 und mit einem Ausgang 12 zur Ausleitung des Probengases aus der Probenkammer 10 besitzt. Der Infrarot-Gasanalysator weist ferner eine Infrarotlichtquelle 20 an einem Ende der Probenkammer 10 auf, die Infrarotstrahlung in die Probenkammer 10 hineinstrahlt, sowie eine Detektoreinrichtung 30 an dem anderen und der Infrarotlichtquelle 20 gegenüberliegenden Ende der Probenkammer 10. Zwischen der Probenkammer 10 und der Infrarotlichtquelle 20 ist ein Chopper 40 angeordnet, der sich zur Modulation des Infrarotlichtes dreht. Die Detektoreinrichtung 30 umfaßt einen Referenzsignaldetektor 31 und einen Meßsignaldetektor 32, der mit einem Bandpaßfilter 32′ verbunden ist. Durch das Bandpaßfilter 32′ hindurch treffen auf den Meßsignaldetektor 32 Infrarotstrahlen mit einer Wellenlänge auf, die innerhalb des Bereiches eines bestimmten Absorptionsbandes liegt, in dem die zu bestimmende Gaskomponente innerhalb des Probengases absorbiert. Der Referenzsignaldetektor 31 ist mit einem Bandpaßfilter 31′ verbunden, durch das hindurch Infrarotstrahlen auf den Referenzsignaldetektor 31 auftreffen, die nicht im Absorptionsband der zu bestimmenden Gaskomponente innerhalb des Probengases liegen oder nur geringfügig durch die zu bestimmende Gaskomponente absorbiert werden. Im Betrieb liefert der Meßsignaldetektor 32 ein Meßsignal V _S, während der Referenzsignaldetektor 31 ein Referenzsignal V _R abgibt. Mit dem Ausgang des Referenzsignaldetektors 31 ist ein erster Vorverstärker 50 und mit dem Ausgang des Meßsignaldetektors 32 ein zweiter Vorverstärker 60 verbunden. Durch beide Vorverstärker 50, 60 werden die von den genannten Detektoren 31, 32 gelieferten Signale verstärkt. Der Ausgang des ersten Vorverstärkers 50 ist über einen Eingangswiderstand 71 mit einem Eingang eines Referenzsignalverstärkers 70 verbunden, dessen Ausgang mit dem genannten Eingang über einen Rückkopplungswiderstand 72 verbunden ist. Durch diesen Referenzsignalverstärker 70 wird das vorverstärkte Referenzsignal V _R des Referenzsignaldetektors 31 mit einem bestimmten Verstärkungsgrad weiter verstärkt und dem Plus-Eingang eines Differenzverstärkers 90 (Differenzbildungseinrichtung) zugeführt. Der Ausgang des zweiten Vorverstärkers 60 ist über einen Eingangswiderstand 81 mit einem Eingang eines Meßsignalverstärkers 80 verbunden, dessen Ausgang über einen Rückkopplungswiderstand 82 mit dem genannten Eingang des Meßsignalverstärkers 80 verbunden ist. Durch diesen Meßsignalverstärker 80 wird das bereits vom Vorverstärker 60 vorverstärkte Meßsignal V _S des Meßsignaldetektors 32 mit einem bestimmten Verstärkungsgrad verstärkt und dem Minus-Eingang des Differenzverstärkers 90 zugeführt. Ein einstellbarer Widerstand 83 und ein im Normalzustand offener Schalter 84, der mit dem Widerstand 83 in Reihe liegt, sind parallel zum Rückkopplungswiderstand 82 geschaltet. Die Rückkopplungsschaltung FB ist also so aufgebaut, daß der Verstärkungsgrad des Meßsignalverstärkers 80 frei verändert werden kann. Die Differenzbildungseinrichtung 90 ist ausgangsseitig mit einem Eingang eines weiteren Differenzverstärkers 100 verbunden, wobei dieser Eingang des Differenzverstärkers 100 ferner mit einem einstellbaren Widerstand 101 zur Veränderung des Meßbereiches verbunden ist. Der Ausgang des Differenzverstärkers 100 liefert das Signal C.

Bei der Messung der Konzentration des Probengases wird dieses zunächst in die Probenkammer 10 geleitet, wenn der Schalter 84 geöffnet ist. Anschließend wird die Infrarotlichtquelle 20 eingeschaltet, so daß das Probengas von Infrarotstrahlen bestrahlt wird. Dabei wird die Infrarotstrahlung durch den Chopper 40 moduliert. Das durch den Meßsignaldetektor 32 erhaltene Meßsignal V _S und das durch den Referenzsignaldetektor 31 erhaltene Referenzsignal V _R werden in geeigneter Weise verstärkt, so daß ein Konzentrationssignal C am Ausgang des Differenzverstärkers 100 erhalten wird, und zwar durch Subtraktion des Referenzsignals vom Meßsignal oder umgekehrt.

Im nachfolgenden wird die Meßbereichseinstellung des Infrarot- Gasanalysators anhand der Fig. 2 näher erläutert.

Entsprechend der Fig. 1 ist die Gesamtverstärkung des elektrischen Referenzzweiges R, der sich vom Vorverstärker 50 bis zum Ausgang des Referenzsignalverstärkers 70 erstreckt, mit l₀ bezeichnet. Dagegen ist die Gesamtverstärkung des elektrischen Meßzweiges S, der sich vom Vorverstärker 60 bis zum Ausgang des Meßsignalverstärkers 80 erstreckt, mit l₁ bezeichnet. Der Differenzvertärker 100 besitzt einen Verstärkungsgrad k₁. Gemäß der Fig. 2 ist die Energie der Infrarotstrahlen mit der Referenzwellenlänge innerhalb der von der Infrarotlichtquelle 20 ausgesandten Strahlung mit I _OR bezeichnet, während die Energie der Infrarotstrahlen mit der Meßwellenlänge innerhalb der von der Infrarotlichtquelle 20 ausgesendeten Strahlung mit I _OS bezeichnet ist. Die Energie der Infrarotstrahlung mit der Referenzwellenlänge, die die Probenkammer 10 und das Bandpaßfilter 31′ durchlaufen hat, sei I _lR, während die Energie der Infrarotstrahlung mit der Meßwellenlänge, nachdem sie die Probenkammer 10 und das Bandpaßfilter 32′ durchsetzt hat, mit I _lS bezeichnet sei.

Das Konzentrationssignal C am Ausgang des Differenzverstärkers 100 läßt sich dann durch die nachfolgende Gleichung ausdrücken:

C = k₁ (l₀V _R-l₁V _S) (1)

Ist die Proportionalitätskonstante der Detektorempfindlichkeit des Referenzsignaldetektors 31 a₁ und die Proportionalitätskonstante der Detektorempfindlichkeit des Meßsignaldetektors 32 a₂, so lassen sich das Referenzsignal V _R und das Meßsignal V _S wie folgt ausdrücken:

V _R = a₁ · I _lR (2)

V _S = a₂ · I _lS (3)

Die Gesamtverstärkung l₀ des elektrischen Referenzzweiges R und die Gesamtverstärkung l₁ des elektrischen Meßzweiges S sind unter der Bedingung eingestellt, daß ein Nullgas durch die Probenkammer 10 fließt, so daß folgende Gleichung gilt:

k₁ (l₀ · V _RZ-l₁ · V _SZ) = 0 (4)

Das Nullgas ist beispielsweise Stickstoff bzw. ein infrarot- inaktives Gas. In der Gleichung (4) bedeuten V _RZ und V _SZ jeweils das Ausgangssignal des Referenzsignaldetektors 31 bzw. das Ausgangssignal des Meßsignaldetektors 32, wobei die Ausgangssignale dann erhalten werden, wenn das Nullgas durch die Probenkammer 10 fließt.

Dementsprechend kann die Änderung des Verhältnisses von I _lS zu I _lR als sogenannte Nulldrift bezeichnet werden. Andererseits wird die Meßbereichsdrift nur dann erzeugt, wenn I _lS und I _lR sich bei gleichem Verhältnis ändern oder sich die Probenkammerlänge und die Meßwellenlänge gegenüber dem optimalen Wert verschieben. Obgleich es schwierig ist, eine Korrektur des zuletzt genannten Verhältnisses zu überprüfen bzw. vorzunehmen, wenn die Probenkammer nicht von einem Meßbereichs- bzw. Eichgas durchströmt wird, so ist es doch möglich, das zuerst genannte Verhältnis zu überprüfen bzw. zu korrigieren, wenn das Nullgas durch die Probenkammer strömt.

Im folgenden sei angenommen, daß das Meßbereichs- bzw. Eichgas durch die Probenkammer strömt und am Ausgang des Differenzverstärkers 100 folgendes Konzentrationssignal C erhalten wird:

C = k₁ (l₀V _RS-l₁V _SS) (5)

Hierin sind V _RS und V _SS die Ausgangssignale des Referenzsignaldetektors 31 und des Meßsignaldetektors 32. Da V _RS ungefähr gleich V _RZ ist, kann die Gleichung (5) wie folgt umgeschrieben werden:

C = k₁ (l₀ · V _RZ-l₁ · V _SS) (6)

Der Verstärkungsgrad m der Rückkopplungsschaltung FB des Meßsignalverstärkers 80 ist zur Meßbereichseinstellung auf einen Wert eingestellt, der kleiner als 1 ist. Die Einstellung erfolgt mit Hilfe des Schalters 84, der zu diesem Zweck geschlossen wird. Durch Schließung des Schalters 84 wird der Gesamtrückkopplungswiderstand vermindert. Wird die Einstellung so ausgeführt, daß die Beziehung V _SS=m · V _SZ gilt, so nimmt die obige Gleichung (6) folgende Form an:

C = k₁ (l₀ · V _RZ-m · l₁ · V _SZ) (7)

Wird also bei der Meßbereichseinstellung der Verstärkungsfaktor m=V _SS/V_SZ mit dem Wert V _SZ verknüpft, so wird ein Signal erhalten, das den Zustand bei Verwendung eines Meßbereiches bzw. Eichgases beschreibt, obwohl tatsächlich ein Nullgas durch die Probenkammer strömt.

Im folgenden sei angenommen, daß sich I _lR und I _lS bei gleichem Verhältnis a ändern. Der Ausdruck für das Konzentrationssignal C läßt sich dann wie folgt angeben:

C = k₁ (l₀ · a · V _RS-l₁ · a · V _SS) = a · k₁ (l₀ · V _RS-l₁ - V _SS) (8)

Da andererseits der korrekte Wert des Meßbereiches k₁ · (l₀ · V _RS-l₁ · V _RS) ist, kann durch Vergleich der rechten Seite der obengenannten Gleichung (8) mit diesem korrekten Wert des Meßbereiches festgestellt werden, daß der zuerst genannte Ausdruck ein Vielfaches des zuletzt genannten Ausdrucks ist. Das bedeutet, daß auf diese Weise die Meßbereichsdrift erhalten wird.

Weiter unten wird beschrieben, wie diese Meßbereichsdrift beim Infrarot-Gasanalysator eingestellt bzw. kompensiert werden kann. Im folgenden sei angenommen, daß sich I _lR und I _lS bei gleichem Verhältnis a ändern. Es wird dann folgender Ausdruck erhalten:

C′ = k₁ (l₀ · a · V _RZ-m · l₁ · a · V _SZ)

= a · k₁ (l₀ · V _RZ-m · l₁ · V _SZ)

= a · k₁ (l₀ · V _RS-l₁ · V _SS) (9)

Diese Gleichung (9) ist identisch mit der oben angegebenen Gleichung (8). Das bedeutet, daß der Zustand, in dem Meßbereichs- bzw. Eichgas durch die Probenkammer strömt, dadurch reproduziert bzw. beschrieben werden kann, daß nur der Verstärkungsfaktor des Meßsignalverstärkers 80 verändert wird, ohne daß selbst Meßbereichs- bzw. Eichgas durch die Probenkammer strömen muß. Wird unter dieser Bedingung mit Hilfe des einstellbaren Widerstandes 101 eine Verminderung der Beleuchtungsstärke aufgrund von schlechteren Betriebseigenschaften der Lichtquelle 20 kompensiert, so daß a=1 ist, wird der zuvor erwähnte korrekte Wert des Meßbereiches erhalten.

In der Praxis wird der Meßbereich wie folgt eingestellt:

Zunächst wird durch Einstellung der Widerstände 105 und 106 die Nullkalibrierung durchgeführt, wenn Nullgas durch die Probenkammer hindurchströmt. Die Einstellung erfolgt so, daß die Signalstärke im elektrischen Referenzzweig R und die Signalstärke im elektrischen Meßzweig S gleich sind und ein Ausgangssignal an der Differenzbildungseinrichtung 90 erhalten wird, das den Wert Null annimmt. Die einstellbaren Widerstände 105, 106 liegen jeweils in Reihe mit den Vorverstärkern 50, 60 und besitzen Abgriffe, die mit den jeweiligen Eingangswiderständen 71, 81 der Verstärker 70, 80 verbunden sind.

Anschließend wird der Widerstand 101 eingestellt, und zwar bei strömendem Meßbereichs- bzw. Eichgas mit bekannter Konzentration, und zwar so, daß auf einem Meßgerät die bekannte Konzentration angezeigt wird. Sind Nullkalibrierung und Meßbereichskalibrierung beendet, fließt weiter Nullgas ohne Verzögerung durch die Probenkammer, wobei der im Normalzustand offene Schalter 84 geschlossen wird, nachdem sich die Anzeige stabilisiert hat. Der zu dieser Zeit vorliegende Anzeigewert wird gespeichert. Der Widerstand 83 ist in seinem Widerstandswert veränderbar und wird so eingestellt, daß der Anzeigewert eine geeignete Größe annimmt.

In den nachfolgenden periodischen Prüfprozessen wird die Nullkalibrierung bei strömendem Nullgas durchgeführt und der im Normalzustand offene Schalter 84 geschlossen, wenn weiterhin kontinuierlich Nullgas durch die Probenkammer hindurchströmt, um den Widerstand 101 so einzustellen, daß der Anzeigewert mit dem zuvor gespeicherten Wert übereinstimmt.

Selbstverständlich kann der Infrarot-Gasanalysator auch mit zwei Probenkammern ausgestattet sein, bei denen eine Referenzkammer parallel neben einer Meßkammer liegt. Der Infrarot-Gasanalysator kann auch ein Mehrkomponenten-Analysator sein. Wichig ist, daß ein Referenzsignal und ein Meßsignal ausgegeben werden, um aus diesen Signalen ein Differenzsignal als Konzentrationssignal bilden zu können.

Claims

Infrarot-Gasanalysator mit
- - einem Meßsignaldetektor (32) zur Lieferung eines Meßsignals,
- - einem Referenzsignaldetektor (31) zur Lieferung eines vom Meßsignal getrennten Referenzsignals,
- - einem einen Rückkopplungswiderstand (82) aufweisenden Meßsignalverstärker (80) zur Verstärkung des Meßsignals,
- - einem einen Rückkopplungswiderstand (72) aufweisenden Referenzsignalverstärker (70) zur Verstärkung des Referenzsignals,
- - einer Differenzbildungseinrichtung (90) zur Erzeugung eines der Differenz von verstärktem Meßsignal und verstärktem Referenzsignal entsprechenden Ausgangssignals und
- - einer Anzeigeeinrichtung, die in Abhängigkeit des Ausgangssignals ansteuerbar ist,
gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:
- - zwischen dem Referenzsignaldetektor (31) und dem Referenzsignalverstärker (70) sowie zwischen dem Meßsignaldetektor (32) und dem Meßsignalverstärker (80) ist jeweils eine Reihenschaltung aus einem Vorverstärker (50, 60) und einem nachgeschalteten einstellbaren Widerstand (105, 106) zur Nullpunktkalibrierung angeordnet,
- - der Ausgang der Differenzbildungseinrichtung (90) ist mit einem Eingang (+) eines Differenzverstärkers (100) verbunden, wobei dieser Eingang (+) über einen einstellbaren Widerstand (101) zur Meßbereichskalibrierung auf Referenzpotential gelegt und der andere Eingang (-) des Differenzverstärkers (100) mit dessen Ausgang rückgekoppelt ist, welcher mit der Anzeigeeinrichtung verbunden ist,
- - parallel zum Rückkopplungswiderstand (82) des Meßsignalverstärkers (80) liegt eine Reihenschaltung aus einem einstellbaren Widerstand (83) und einem schließbaren Schalter (84).