DE69430289T2

DE69430289T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Kompensation von Temperatur-Transienten in Gasanalysatoren

Info

Publication number: DE69430289T2
Application number: DE69430289T
Authority: DE
Inventors: Timo Merilaeinen; Boerje Rantala; Kurt Weckstroem
Original assignee: Instrumentarium Oyj
Current assignee: Instrumentarium Oyj
Priority date: 1993-11-03
Filing date: 1994-11-02
Publication date: 2002-10-31
Anticipated expiration: 2014-11-03
Also published as: DE69430289D1; EP0651244A1; US5542285A; FI934871A0; EP0651244B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 zur Temperaturkompensation in einer Gasanalysevorrichtung für einen durch Temperaturänderung hervorgerufenen vorübergehenden Fehler.
Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Vorrichtung mit Temperaturkompensation für einen durch Temperaturänderung hervorgerufenen vorübergehenden Fehler in einer Gasanalysevorrichtung.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbesserung der Meßgenauigkeit einer Gasanalysevorrichtung, welche auf der thermische Feststellung von Infrarotstrahlung beruht, insbesondere bei Änderungen der Betriebstemperaturen der Analysevorrichtung.
Die Erfindung ist insbesondere für Anwendungen geeignet, bei denen die Intensität der Infrarotstrahlungen durch direkte oder indirekte Messung des zwischen dem die einfallende Strahlung feststellenden Sensorelement und einem Referenzelement bestimmt wird. Ein solcher Detektor hat den ihm anhaftenden Nachteil, daß eine Änderung in der Umgebungstemperatur das innere thermische Gleichgewicht des Detektors stört und folglich das Ausgangssignal einen vorübergehenden Fehler aufweist, welcher die Genauigkeit der Gasanalysevorrichtung während der Temperaturänderung verschlechtert. VorteilhafterWeise kann der bei der Messung benutzte thermische Detektor ein Thermosäulen - Detektor sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist zur Benutzung in Gasanalysevorrichtungen geeignet, welche dazu entworfen worden sind, entweder die Identifizierung oder Messung der Konzentration oder als Alternative beides, sowohl die Identifizierung als auch die Messung der Konzentration mindestens einer Komponente einer Gasprobe durchzuführen. Eine solche Gasanalysevorrichtung kann z. B. dazu benutzt werden, die Zusammensetzung der Gase in den Luftwegen eines unter Anästesie stehenden Patienten für die Dauer einer Operation anzuzeigen, wobei die zu bestimmenden Gase mindesten Kohlendioxyd (CO2), Stickoxyd (N20) sowie mindestens ein Anästesiemittel aufweisen können.
Der Thermosäulen-Detektor mißt die Infrarotabsorbierung von in eine Probenkammer eingeführtem Gas, wonach die Konzentration der gewünschten Gaskomponente aus der gemessenen Absorption bestimmt wird.
Thermosäulen - Detektoren werden in Gasanalysevorrichtungen unter anderem wegen ihrer Fähigkeit unter Gleichstrom zu messen benutzt, wodurch es einfacher wird, eine kostengünstige Konstruktion des Meßsystems auszuführen. Der Wellenlängenbereich von Thermosäulen - Detektoren ist für Infrarotmessungen geeignet, da die um die Wellenlänge 10 um herum zentrierten Absorptionsbänder in den Spektralempfindlichkeits- Wellenlängenbereich des Detektors fallen. Außerdem verfügen die Thermosäulen-Detektoren über eine hohe Empfindlichkeit und eine gute Linearität.
Es ist ein Kennzeichen des Thermosäulen-Detektors, daß der Detektorausgang bei einer Änderung der äußeren Gehäusetemperatur, z. B. nach einem Kaltstart der Analysevorrichtung oder aufgrund einer Änderung der Umgebungstemperatur, einen vorübergehenden Fehler aufweist, der die Meßgenauigkeit während der Dauer des vorübergehenden Zustandes vermindert.
Unter Bezugnahme auf das US-Patent No. 4,423,739 (Passaro) kann das Ausgangssignal der Gasanalysevorrichtung auf eine thermische Verschiebung hin mit Hilfe eines Unterbrechers kompensiert werden, welcher periodisch den Strahlungsweg von der Lampe zum Detektor unterbricht, wodurch es ermöglicht wird, einen Versatz des Ausgangssignals der Strahlung zu messen, welcher dann vom Detektorausgangssignal abgezogen wird, wenn wieder zugelassen wird, daß Strahlung auf den Detektor fällt. Die sich bewegenden mechanischen Komponenten des Unterbrechers machen die Analysevorrichtung nicht nur größer und kostspieliger, sondern vermindern ebenfalls deren Zuverlässigkeit beim Betrieb.
Unter Bezugnahme auf das US-Patent No. 3,745,349 (Liston) kann eine Analysevorrichtung auch dadurch stabilisiert werden, daß die Strahlungsausgangsleistung ihrer Strahlungsquelle moduliert wird. Eine solche Modulation ist hingegen nur bei einer relativ niedrigen Frequenz möglich, wodurch die Reaktionsgeschwindigkeit der Gasanalysevorrichtung begrenzt wird.
Wie in der PCT-Veröffentlichung WO91/18279 (Apperson) offenbart worden ist, kann der mit der Temperaturänderung zusammenhängende Fehler dadurch vermieden werden, daß die Betriebstemperatur des Infrarotdetektors thermostatisch geregelt wird. Da die Thermosäule jedoch im wesentlichen sogar bei den langsamsten Änderungen ihrer Betriebstemperatur gestört wird, muß das Temperaturkontrollsystem über eine langsame Reaktion mit geringer Verschiebung verfügen. Eine solche langsame Antwort hat einen verzögerten Start der Analysevorrichtung zur Folge. Die Konzeption eines Temperaturkontrollsystems mit geringer Verschiebung ist sehr kostspielig. Heiz/Kühlanordnungen erhöhen ihrerseits den Stromverbrauch und die Größe der Analysevorrichtung.
Unter Bezugnahme auf das US-Patent No. 4,772,790 (Aldridge) wird eine auf einem Thermosäulen-Detektor beruhende Gasanalysevorrichtung offenbart, bei der eine in einer einzigen Baugruppe verkapselte Vierfachdetektoranordnung Infrarotstrahlung ausgesetzt wird, so daß die Strahlungskomponenten welche die Gasmeßzelle durchquert haben und von den einer Messung unterworfenen Gasen gedämpft worden
sind, so angeordnet sind, daß sie auf drei Meßsensorelemente fallen, während die Wellenlänge der Strahlung, die die Gasmeßzelle durchquert hat, ohne einer absorbierenden Dämpfung durch die zu messenden Gase unterzogen worden zu sein, so angeordnet ist, daß sie auf ein Sensorelement fällt, das als Referenzelement dient. Dann kann die durch eine Temperaturänderung hervorgerufene thermische Verschiebung dadurch kompensiert werden, daß das Ausgangssignal des Referenzelementes von den Ausgangssignalen der Meßsensorelemente abgezogen wird. Das System wird dadurch behindert, daß ein auf die Referenzwellenlänge zentrierter Bandpassfilter nötig ist, wodurch höhere Kosten für die Analysevorrichtung hervorgerufen werden. Außerdem werden die an die Meßelektronik gestellten Anforderungen im wesentlichen verschärft, weil die Ausgangsspannung jedes Sensorelementes in der Vierfachdetektorstruktur höchstens ein Viertel der Ausgangsspannung einer einzigen Sensorelementbaugruppe gleicher Größe ist.
Um das auf die Referenzwellenlänge zentrierte Filter zu ersetzen, kann eines der Sensorelemente der Thermosäulenbaugruppe von einer für die Infrarotstrahlung undurchlässigen Folie wie z. B. einer Metallfolie abgedeckt werden. Dann kann die Temperaturkompensation dadurch vorgenommen werden, daß die Ausgangsspannung des abgedeckten Sensorelements von der Ausgangsspannung des messenden Sensorelementes abgezogen wird. Dieser Ansatz wird dadurch beschränkt, daß eine zusätzlicher Sensors erforderlich wird und daß die Unterschiede der Betriebstemperaturen der Sensorelemente mit ihren unterschiedlichen Temperaturverschiebungsdaten eine ungenaue Kompensation zur Folge haben.
Unter Bezugnahme auf die WO-Patentveröffentlichung 91/03204 (Yeldermann) wird der durch die Temperaturverschiebung des Thermosäulendetektors hervorgerufene Fehler des Ausgangssignals dadurch kompensiert, daß die Messung der Strahlungsabsorption des betreffenden Gases mit Hilfe von zwei in einer einzigen Baugruppe verkapselten Thermosäulen-Detektoren vorgenommen wird, wobei vor einem der Sensorelemente ein Filter mit einer optischen Dämpfung von z. B. 50% gegenüber der zu messenden Strahlungswellenlänge angeordnet wird. Dann beeinflusst die Temperaturänderung beide Detektoren in der gleichen Weise, wobei die Wirkung des temperaturabhängigen vorübergehenden Fehlers kompensiert wird, wenn der Unterschied der Detektorausgangsspannungen gebildet wird. Auf Grund des gegenüber eines Sensorelementes angeordneten Strahlungsdämpfungsfilters ist die unterschiedliche Ausgangsspannung der Sensorelemente nach wie vor proportional zur einfallenden Strahlungsintensität. Das Verfahren wird gehemmt von der Erfordernis eines dualen Detektors und eines Hilfsfilters, welcher spezifische Dämpfungsdaten für die einfallende Strahlung hat. Wegen der Benutzung eines dualen Detektors und der Bildung eines Unterschiedes zwischen den Detektorausgangsspannungen ist die Ausgangsspannung eines solchen kompensierten Detektors höchstens ein Viertel der Ausgangsspannung einer einzigen Sensorelementbaugruppe gleicher Größe.
Die Erfassung der internen Temperatur von in Gasanalysevorrichtungen benutzten Thermosäulen-Detektoren ist in einigen Anwendungen benutzt worden. Solch eine einfache Temperaturinformation hat sich als nicht ausreichend für die Kompensation der Temperaturverschiebung bei einer vorübergehenden Situation oder einer Änderung der Umgebungstemperatur erwiesen. Die US 5059397 offenbart ein solches System.
Es ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des oben beschriebenen Standes der Technik zu beseitigen und eine völlig neue Art von Verfahren und Vorrichtung für die Kompensation der thermischen Verschiebung in einer Gasanalysevorrichtung auszuführen.
Die Erfindung ist basiert auf der Kompensation der thermischen Verschiebung einer Gasanalysevorrichtung, indem die Temperatur des thermischen Infrarotdetektors oder die Temperatur der Detektorbaugruppe, welche vorteilhafterweise die gleiche Temperatur hat wie der Detektor, oder vorteilhafterweise die Temperatur des Teils des Körpers der Analysevorrichtung, welcher die gleiche Temperatur wie die Detektorbaugruppe hat, gemessen und dann ein von der Temperaturänderungsrate abhängiges Korrektionssignal zum Detektorausgangssignal addiert wird.
Die in Zusammenhang mit der Erfindung benutzte Gasanalysevorrichtung kann eine Anzahl von Filtern und Detektoren aufweisen, wobei die Konzentration einer Vielzahl von interessierenden Gasen unmittelbar aus der Gasprobenmischung bestimmt werden kann. Alle Detektoren können auf ein einziges Teil des Körpers montiert werden, wodurch die Temperaturmessung aller Detektorbaugruppen mit Hilfe eines einzigen zur Temperaturmessung des besagten Teils des Körpers benutzten Temperatursensors erleichtert wird.
Genauer gesagt ist das erfindungsgemäße Verfahren durch das gekennzeichnet, was im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 festgestellt wird.
Außerdem ist die erfindungsgemäße Vorrichtung durch das gekennzeichnet, was im kennzeichnenden Teil des Anspruches 9 festgestellt wird.
Die Erfindung bietet bedeutende Vorteile.
Auf Grund des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Gasanalysevorrichtung angewendet werden, ohne auf einen optischen Unterbrecher, eine Modulation der Strahlungsquelle bzw. andere thermische Detektoren außer denen, die zur optischen Absorbtionsmessung des interessierenden Gases benutzt werden, zurückgreifen zu müssen. Außerdem erfordern die Infrarotdetektoren der Gasanalysevorrichtung keine Anordnung zur dauernden Temperaturkontrolle.
Im folgenden wird die Erfindung mit Hilfe beispielhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die im Anhang befindlichen Zeichnungen mehr in den Einzelheiten untersucht, wobei die
Fig. 1 eine Seitenansicht eines Längsschnitts der Struktur einer herkömmlichen Thermosäule darstellt; die
Fig. 2 eine der Thermosäule der Fig. 1 entsprechende elektrische Schaltung darstellt; die
Fig. 3 eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gasanalysevorrichtung ist; die
Fig. 4 eine schematische Seitenansicht einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gasanalysevorrichtung ist; die
Fig. 5 eine schematische Seitenansicht einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gasanalysevorrichtung ist; die
Fig. 6 ein Blockschema der in einer erfindungsgemäßen Gasanalysevorrichtung eingesetzten Meßelektronik darstellt; die
Fig. 7 eine zeitabhängige Darstellung der Temperatur des Infrarotdetektorreferenzelementes ist, wenn die Umgebungstemperatur der Analysevorrichtung abrupt um 5ºC gesenkt wird, wobei die Horizontalachse des Schemas die Zeit in Minuten und die Vertikalachse die Temperatur in Grad Celsius ist; die
Fig. 8 eine zeitabhängige Darstellung der Temperaturänderungsrate des Detektorreferenzelementes für den in der Fig. 7 dargestellten Test für die thermische Antwort ist, wobei die Horizontalachse des Schemas die Zeit in Minuten und die Vertikalachse die Temperaturänderungsrate in Grad Celsius ist; die
Fig. 9 eine Darstellung des verstärkten Detektorausgangssignals mit herkömmlicher Kompensation der thermischen Verschiebung während des Tests für das thermische Verhalten der Fig. 7 ist, und da die Gasmeßzelle frei von dem interessierenden Gas ist, sollte die Ausgangsspannung während des Tests unverändert bleiben; und die
Fig. 10 eine Darstellung der Ausgangsspannung des Thermosäulen-Detektors mit einer erfindungsgemäßen Kompensation der thermischen Verschiebung während des in der Fig. 7 dargestellten Tests des thermischen Verhaltens ist.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 weist die Thermosäulen-Detektor-Baugruppe ein hermetisch abgeschlossenes Gehäuse 9, einen Verschlußstopfen 10, Leitungen 11 und 12, eine Abdeckkappe 14, eine Folie, ein Sensorelement 16 zur Erfassung der Strahlung und ein Referenzsensorelement 17 und ein Fenster 18 auf. Die Thermosäulen-Sensorelemente 16 und 17 weisen einen oder mehrere in Serie angeschlossene Verbindungen aus zwei unterschiedlichen Materialien auf, wobei jede Verbindung als Thermoelement bezeichnet wird und die temperaturabhängige Spannung über eine solche Verbindung durch den sogenannten Seebeckeffekt erzeugt wird. Die Ausgangsspannung einer Thermosäule ist die Summe der einzelnen Spannungen der Verbindungen der, in Serie angeschlossenen, die Thermosäule bildenden Thermoelemente. Die Thermosäulen des Detektors werden auf einem einen dünnen Film bildenden Substrat 15 hergestellt und entgegengesetzt in Serie wie auf der Fig. 2 dargestellt angeschlossen, so daß die über die Klemmen 19 und 20 zur Verfügung stehende Ausgangsspannung des Thermosäulen-Detektors Null ist, wenn die Thermosäulen die gleiche Temperatur aufweisen. Die Ausgangsspannung wird zu den Leitungen 11 und 12 geführt, welche dann über einen Verschlußstopfen 10 führen aus der Detektorbaugruppe. Die Thermosäulen 16 und 17 sind auf einem dünnfilmigen Substrat 15 angeordnet, so daß die durch ein Fenster in der Abdeckkappe 14 auf den Detektor fallende Strahlung nur eines der Sensorelemente (z. B. Element 16) erwärmen kann, während das andere Sensorelement (z. B. Element 17) auf der gleichen Temperatur wie die Abdeckkappe bleibt. Deshalb nimmt die Ausgangsspannung des erfassenden, von der einfallenden Strahlung erwärmten Sensorelements 16 zu, während die Ausgangsspannung des Referenzsensorelements 17 konstant bleibt. Folglich nimmt die Ausgangsspannung des Thermosäulen-Detektors mit zunehmender, auf den Detektor einfallender Strahlungsintensität zu.
Ein solcher Thermosäulen-Detektor 4 funktioniert nur perfekt, wenn sein interner Temperaturgradient unverändert bleibt. Typischerweise ist die Thermosäule 16, die als aktives Sensorelement wirkt, in wirksamer Weise thermisch gegenüber ihrem Substrat isoliert, um die Empfindlichkeit und die Reaktionsgeschwindigkeit des Detektors zu erhöhen. Im Gegensatz dazu ist das Referenzsensorelement 17 mit einem guten thermischen Kontakt gegenüber seinem Träger versehen. So wird der interne Temperaturgradient gestört, wenn sich die Temperatur des Gehäuses 9 des Detektors 4 ändert, und ein Fehlersignal wird zum Detektorausgangssignal hinzugefügt, was durch die Tatsache hervorgerufen wird, daß ein Temperaturgradient zwischen den Thermosäulen 16 und 17 etabliert ist, wobei der störende Temperaturgradient umso größer ist, je schneller die Temperaturänderungsrate im Gehäuse 9 des Thermosäulen-Detektors 4 ist. Solch eine Störung kann z. B. durch eine Strahlungsableitung durch das Gehäuse 9 und das Fenster 18 auf das die Strahlung erfassende Sensorelement hervorgerufen werden.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 3 weist die Gasanalysevorrichtung eine Infrarotstrahlenquelle 1 auf, welche ein Widerstandsdraht wie z. B. vom Typ A-1 von Kanthal AB sein kann und der z. B. von elektrischem Strom geheizt wird. Nahe der Infrarotquelle 1 ist eine einfache Gasmeßzelle 2 angeordnet, die auf ihren gegenüberliegenden Seiten aus infrarotstrahlungsdurchlässigem Material wie z. B. Kalziumfluorid bestehende Fenster 8 und 30 aufweist.
Entlang des Infrarotsstrahlenweges ist nahe der Gasmeßzelle 2 ein optisches Bandpassfilter 3 angeordnet, welches nur für die Wellenlänge des Absorbtionsbandes des interessierenden Gases durchlässig ist.
Entlang des Infrarotstrahlenweges, nach der Gasmeßzelle 2 und vorteilhafterweise auch nach dem optischen Bandpassfilter 3, ist ein Thermosäulen-Detektor 4 wie z. B. vom Typ DR2M von Dexter Research Center, Inc., angeordnet. Die Temperatur des Gehäuses 6 des Detektors 4 wird mit Hilfe eines Tempertursensors 6 gemesssen. Die Temperatur des Gehäuses 9 des Detektors 4 ist typischerweise die gleiche wie die Temperatur des in der Fig. 1 gezeigten Referenzsensorelementes 17. Der Temperatursensor 7, welcher die Temperatur der zu messenden Gasmischung misst, ist zusammen mit der Gasmeßzelle 2 angeordnet. Ein Mess- und Berechnungsbereich 31 verarbeitet die Ausgangssignale der Sensorelemente 6, 7 und 4 und stellt sie zur Kontrolle zur Verfügung.
Die von der Infrarotquelle 1 angegebene Strahlung wird durch ein Fenster 8 zur Gasmeßzelle 2 gebracht, welche die zu analysierende Meßgasmischung enthält. Das auf seine Konzentration zu analysierende Gas absorbiert die Strahlung bei einem Wellenlängenband, das dasselbe ist wie der spektrale Durchlaßbereich eines optischen Filters 3. Alternativ kann der Filter 3 vorteilhafterweise ein optisches Interferenzfilter sein, wie er z. B. von der Firma Optical Coating Laboratories, Inc. hergestellt wird. Die aus der Kammer 2 kommende, ein Fenster 30 und den Filter 3 durchquerende, zum Detektor gehende Strahlungsenergie ist umso niedriger ist, je höher die Konzentration des interessierenden Gases in der Meßgasmischung ist. Die Bestimmung der Gaskonzentration erfordert ebenfalls eine durch den Temperatursensor 7 durchgeführte Messung der Temperatur der Meßgasmischung.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 4, wird eine alternative Ausführungsform dargestellt, bei der die Temperatur des Referenzsensorelements 17 des Detektors 4 von einem innerhalb der Baugruppe des Detektors 4 angeordneten Temperatursensor 6 erfasst wird.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 5 wird eine weitere alternative Ausführungsform dargestellt, in der die Gasmeßzelle 2 innerhalb der Gehäusestruktur 5 angeordnet ist und so auf derselben Temperatur wie die Gehäusestruktur gehalten wird. Aufgrund einer solchen Konstruktion ist ein einziger Temperatursensor ausreichend, um die beiden Temperaturen von der Detektorgehäusestruktur und der Meßgasmischung zu messen.
Die Anordnung des Temperatursensors ist wünschenswerterweise durch eine "thermische Nähe" gekennzeichnet, das heißt, dass sich die Temperatur des Temperatursensors 6 gleichzeitig mit und mit der gleichen Temperaturänderungsrate ändern muss wie sich die Temperatur des Referenzsensorelements 17 des Detektors 4 ändert.
Eine solche "thermische Nähe" kann entweder mit Hilfe einer auf der Fig. 4 dargestellten direkten Messung oder alternativ durch Messung der Temperatur des Detektorgehäuses erreicht werden, wie es in der Fig. 5 dargestellt ist. Eine direkte Temperaturmessung des Referenzdetektorelements 17 erfordert jedoch die Benutzung einer speziellen Detektorkonstruktion mit einem integrierten Temperatursensor. Die Wärmeabgabe eines solchen integrierten Temperatursensors kann einen Fehler bei der Messgenauigkeit des Thermodetektors erzeugen, weil eine ins Innere des Detektors den Temperaturgradient störende Wärmequelle eingeführt wird. Die Messung der Gehäusetemperatur des Detektors setzt einen kleinen Temperatursensor mit einer schnellen Antwort und eine Konstruktion voraus, die nicht empfindlich gegenüber externen Wärmequellen reagiert. Auch diese Anordnung ist Gegenstand von Fehlern wegen der vom Temperatursensor abgegebenen Wärme. Wenn eine Vielzahl von Detektoren in der Gasanalysevorrichtung benutzt wird, müssen die oben beschriebenen Detektorkonstruktionen auch mit einer Vielzahl von Temperatursensoren versehen werden. In solchen Konstruktionen kann die Temperaturänderungsrate so schnell sein, daß das erfindungsgemäße Kompensationsverfahren nicht mit genügender Genauigkeit durchgeführt werden kann.
Es ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung auszuführen, bei der die Temperaturänderungsrate im Infrarotdetektor und folglich die vorübergehende thermische Verschiebung des Detektorausgangssignals so klein bleibt, dass eine gute Meßgenauigkeit auf Grund des erfindungsgemäßen Kompensationsverfahrens erreicht wird. In der erfindungsgemäßen Konstruktion kann die Temperaturmessung eines oder einer größeren Anzahl von Infrarotdetektoren mit Hilfe eines einzigen Temperatursensors, dessen Wärmeabgabe eine unbedeutende Wirkung auf das Ausgangssignal der Detektoren hat, ausgeführt werden. Das erfindungsgemäße Gerät wird in der Fig. 5 dargestellt. In dem Gerät, welches ebenfalls einen Temperatursensor 6 aufweist, sind einer oder mehrere Infrarotdetektoren in einer Gehäusestruktur 5 mit hoher Wärmeleitfähigkeit montiert. Die Gehäusestruktur ist von einer Wärmeisolierung 32 umgeben.
Aufgrund der Wärmeleitfähigkeit der Gehäusestruktur 5 und der ihn umgebenden Wärmeisolierung 32 kann sich deren Temperatur nur langsam verändern, sogar wenn sich die Umgebungstemperatur um die thermische Isolierung 32 herum sehr schnell, z. B. wegen Änderungen in der Umgebungstemperatur oder in Zusammenhang mit dem Starten der Analysevorrichtung ändert. Da die Temperaturänderungen der Gehäusestruktur langsam ablaufen, und die Gehäusestruktur aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellt ist, bleibt es sehr genau bei einer gleichmäßigen Temperatur. Folglich bleibt die Temperatur des Temperatursensors 6 sehr genau die gleiche und ändert sich gleichzeit mit und mit der gleichen Temperaturänderungsrate wie sich die Temperatur einer oder mehrerer in der Gehäusestruktur eingebauter Detektoren 4 verändert. Die Gehäusestruktur 5 kann z. B. aus einem Aluminiumblock mit einer Masse von 170 g bestehen, welche von einer Wärmeisolierung aus einem z. B. 2 mm dicken, expandierten Polyäthylenblatt, wie dem von Fagerdala Tuontanto Oy hergestellte Plastazotprodukt mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,046 W/m*K, umgeben wird. Die Wärmezeitkonstante einer solchen wärmeisolierten Gehäusestruktur 5 ist größer als 15 Minuten, vorteilhafterweise ungefähr 20 Minuten, und die Temperaturveränderung der Gehäusestruktur 5 bleibt für einen plötzlichen Wechsel der Umgebungstemperatur um 10K kleiner als 0,5K/Minute.
Wegen der guten Wärmeleitfähigkeit der Gehäusestruktur 5 weist sie über die ganze Struktur die gleiche Temperatur auf. Folglich hat der Temperatursensor 6 die gleiche Temperatur wie einer bzw. mehrere an der Gehäusestruktur 5 montierte Infrarotdetektoren 4. Da sich die Temperatur der Gehäusestruktur 5 langsam ändert, ist auch die Vorbedingung erfüllt, daß die Temperaturänderung des Temperatursensors 6 gleichzeitig mit und mit der gleichen Temperaturänderung auftritt, wie sich die Temperatur des Infrarotdetektors ändert. So setzt die erfindungsgemäße Konstruktion alle Erfordernisse für die "thermische Nähe" zwischen dem Temperatursensor und den Infrarotdetektoren unter Benutzung nur eines Temperatursensors um.
Da das Gehäuse eine hohe Wärmekapazität hat und eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist, bleibt der thermisch induzierte Fehler im Detektorausgangssignal wegen der Wärmeableitung des Temperatursensors kleiner als in konventionellen Konstruktionen. Die Temperaturmessung kann ausgeführt werden, indem die Temperatur des Referenzsensorelements, wie in der Fig. 5 dargestellt, die Temperatur des Detektorgehäuses, wie in Fig. 3 dargestellt, gemessen wird, oder indem alternativ die Konstruktion der Gehäusestruktur mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie in Fig. 5 benutzt wird.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 6 wird eine Mess- und Recheneinheit 31 gezeigt, die in der Lage ist, das erfindungsgemäße Kompensationsverfahren auszuführen. Die Einheit weist einen Ausgangsverstärker 22 für das Signal des Thermosäulen-Detektors 4, einen Messverstärker 23 für den Sensor der Temperatur des Detektorkopfs des Gebäudeteils, einen Messverstärker 24 für den Sensor der Temperatur der Gasprobe, einen Analog-Digital- Wandler 28, einen Mikroprozessor 25, einen von dem Mikroprozessor gesteuerten Schalter 26 und eine Speicherschaltung 27 auf. Beim Steuern des Schalters leitet der Mikroprozessor das Ausgangssignal des Temperatur- Messverstärkers 23 zum Analog-Digital-Wandler, misst anschließend den digitalisierten Temperaturwert und berechnet auf dessen Basis und vorher gemessenen Temperaturwerten und dem Intervall zwischen den Messungen die Temperaturänderung DT. Auf ähnliche Weise liest der Mikrocomputer auch die verstärkten und digitalisierten Ausgangsspannungen des Thermosäulen-Detektors und die Temperatur der Gasprobenmischung. In dem erfindungsgemäßen Kompensationsverfahren berechnet der Mikroprozessor 25 dann eine korrekte Messspannung V, welche gebildet wird als die Summe aus der Ausgangsspannung Vmeas des Detektors 4 und einem Kompensationsausdruck Vcomp.
V = Vmeas + Vcomp
Vcomp hängt von der Temperaturänderung DT und detektorspezifischen Kompensationsparametern ab, welche während der Herstellung der Gasanalysevorrichtung aufgezeichnet und in der Speicherschaltung gespeichert werden. Diese Funktionen dienen entsprechend zur Kompensation des von vorübergehenden durch Temperaturschwankungen hervorgerufenen Fehlers im Detektor-Ausgangssignal. Die Temperaturkorrektur der Detektorverstärkung und andere Kompensationen wie die bezogen auf die Nullsignalverschiebung werden mit Hilfe von herkömmlichen Techniken vollzogen.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 2 wird die elektrisch gleichwertige Schaltung einer konventionellen Detektoreinheit gezeigt. Die Thermosäulen 16 und 17 weisen herkömmlicherweise eine gleiche Anzahl von Thermoelement- Verbindungen auf, wobei auch eine ungleiche Anzahl eingesetzt werden kann. Es kann eine Vielzahl von getrennten Detektoren in das gleiche Detektorgehäuse integriert werden.
Das transparente optische Fenster kann durch ein geeignetes optisches Bandpassfilter ersetzt werden, oder als Alternative kann das optische Bandpassfilter in dem Detektorgehäuse zwischen dem optischen Fenster und der strahlungserfassenden Thermosäule angeordnet werden.
Eine Mehrgasanalysevorrichtung arbeitet auf mehreren Wellenlängen, wozu typischerweise ein Filter für jeden Bestandteil der zu analysierenden Gasmischung erforderlich ist. Wenn die Filter z. B. auf eine rotierende Scheibe montiert werden, genügt nur ein einziger Detektor. Wenn die Analysevorrichtung Messungen auf nur einer einzigen Wellenlänge durchführen, kann der optische Bandpassfilter auch zwischen der Quelle und der Gasmeßzelle angeordnet werden oder als Alternative kann er eines der Fenster der Zelle ersetzen. In einer Mehrgasanalysevorrichtung können die Filter auch zwischen dem hinteren Fenster der Gasmeßzelle und den Detektoren als ein Fenster der Gasmeßzelle montiert werden, oder als andere Alternative in dem Detektorgehäuse zwischen dem Fenster des Detektorgehäuses und der strahlungsreaktiven Oberfläche des Sensorelements angeordnet werden. Die erste Ursache für den mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens zu kompensierenden Fehler ist der Temperaturwechsel im Detektorgehäuse. Deshalb kann die Temperaturmessung anstatt die Temperatur des Detektorgehäuses direkt zu messen in dem Teil der Gasanalysevorrichtung ausgeführt werden, in dem die Temperaturänderungsrate gleich der Änderungsrate der Temperatur des Detektorgehäuses ist. Entsprechend bleibt die Temperatur aller Detektorgehäuse, wenn einer oder mehrere Detektoren auf einer Gehäusestruktur mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie z. B. einem Aluminiumblock montiert werden, mit einer genügenden Toleranz die gleiche wie die Temperatur der Gehäusestruktur, welche vorteilhafterweise mit Hilfe eines einzigen, geeignet angeordneten Sensors gemessen werden kann. Außerdem können die Temperaturdifferenzen zwischen den verschiedenen Teilen der gemeinsamen Gehäusestruktur der Detektoren außerdem weiter ausgeglichen werden, indem die Gehäusestruktur von externen Wärmequellen mit einer maximal wirksamen Wärmeisolierung isoliert werden. Indem man die Temperaturänderungsrate in der Gehäusestruktur klein hält, kann die Größe des thermischen Verschiebungsfehlers begrenzt werden, wodurch so die Genauigkeit der Gasanalysevorrichtung verbessert wird. Das kann z. B. erreicht werden, indem die thermische Masse der Gehäusestruktur erhöht und die Gehäusestruktur von äußeren Wärmequellen isoliert wird. Die Temperatur der Gehäusestruktur kann durch Einpunkt-Temperaturmessung bestimmt werden, wenn der Messpunkt geeignet gewählt ist. Das erfindungsgemäße Kompensationsverfahren kann ausgeführt werden, indem eine Vielzahl von verschiedenen elektrischen Schaltungen benutzt werden durch Ersetzen z. B. des Mikroprozessors durch völlig analoge Schaltungen.
Erfindungsgemäß braucht die Temperatur an dem Ort des Temperatursensors, an dem die Temperaturänderungsrate gemessen wird, nicht die gleiche zu sein wie die Temperatur des Detektorgehäuses. Die einzige wesentliche Erfordernis ist, dass die Temperaturänderungsrate am Ort des Temperatursensors im wesentlichen gleich der Änderungsrate am Detektorgehäuse ist.
Anstatt der Breitbandquelle 1 kann die Infrarotquelle so sein, dass sie nur die Absorptionswellenlänge des zu analysierenden Gases sendet. Dann kann das Bandpassfilter 3 weggelassen werden.
Zu einem Zeitpunkt t, kann der Wert des Kompensationsausdrucks Vcomp(t) als lineare Funktion der Temperaturänderungsrate DT geschrieben werden: Vcomp(t) = Kcomp*DT(t),
wobei Kcomp = Proportionalitätskoeffizient
oder eine verzögerte Funktion davon:
Vcomp(t) = Kcomp * DT (t-dt), wobei dt = Verzögerung
oder eine Polynomfunktion von DT: Vcomp(t) = Σ Kncomp*DT(t) n
wobei n ein nichtganzzahliger Exponent sein kann
oder eine Kombinationsfunktion von allen oben angegebenen Funktionen.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 7 bis 10 sind die wesentlichen Signale des erfindungsgemäßen Kompensationsverfahrens zeitabhängig aufgezeichnet worden. Die Fig. 9 stellt klar den nichtlinearen, vom Temperaturwechsel des Referenzsensorelements des in der Fig. 7 hervorgerufenen vorübergehenden Fehlers am Sensorausgangssignal Vmeas dar, wobei besagtes Ausgangssignal vorübergehend eine Form hat, die der in der Fig. 8 aufgezeichneten Temperaturänderungsrate des Referenzsensors angenähert ist. Durch Bildung einer Korrekturspannung Vcomp(t) nach folgender Funktion wird die Kompensation ausgeführt:
Vcomp (t) = - 2,9·DT(t)0,95 - 0,15·DT(t - 10)1,05
Das korrigierte Ausgangssignal V, welches die Summe des in der Fig. 9 gezeigten unkorrigierten Detektorausgangssignals Vmeas (t) und dem oben genannten korrigierenden Kompensationssignals Vcomp (t) ist, ist auf der Fig. 10 aufgezeichnet. Das unkorrigierte Ausgangssignal V bleibt während des vorübergehenden Temperaturwechsels unverändert. Die Zeit in der obigen Formel ist in Sekunden angegeben.
Anstatt eines Thermoelements kann der Wärmestrahlungssensor ein auf einem Paar aus Widerstandssensor/Referenzelement basierender Bolometer-Detektor sein.

Claims

1. Verfahren zur Temperaturkompensation in einer Gasanalysevorrichtung für einen durch Temperaturänderung hervorgerufenen vorübergehenden Fehler, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

- Verwenden einer Strahlenquelle (1) zum senden elektromagnetischer Strahlung durch ein zu analysierendes Gasgemisch,

- Feststellen der durch das zu analysierende Gasgemisch hindurchgesendete Strahlungsintensität unter Verwendung eines thermischen Maßgeräts, wobei das Meßgerät ein Sensorelement (16) zur Feststellung der Strahlung und ein Vergleichssensorelement (17) zur Erzeugung eines Ausgangssignals proportional zu der Konzentration des zu analysierenden Gases umfaßt,

- Messen der Temperatur des Megeräts (4) entweder auf direktem oder indirektem Weg, und

- Aufzeichnen der vom Nachweisgerät gemessenen Temperaturwerte als eine Funktion der Zeit,

dadurch gekennzeichnet, daß

- das unkorrigierte Ausgangssignal Vmeas des thermischen Meßgeräts (4) dadurch temperaturkompensiert ist, dass ein Korrekturausdruck Vcomp, der von der Temperaturänderungsgeschwindigkeit (DT) des thermischen Meßgeräts abhängt zu dem Ausgangssignal addiert wird.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Vergleichssensorelements (17) des thermischen Meßgeräts (4) direkt gemessen wird.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei der eine breitbandige Infrarotquelle als Strahlungsquelle verwendet wird, wobei das Spektrum der Quelle durch Filtern auf einen gewünschten Bereich von Wellenlängen beschränkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Gehäuses (9) eines Thermosäulen- Detektors (4), der als thermisches Meßgerät betrieben wird, zu mindestens zwei diskreten Zeitpunkten gemessen wird und die Messwerte der Gehäusetemperatur, die zu den diskreten Zeitpunkten gemessen wurden, für die Berechnung der Temperaturänderungsgeschwindigkeit des Meßgeräts verwendet werden.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1 und 2, bei dem die Temperatur des zu analysierenden Gases gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Meßgeräts (4) indirekt gemessen wird an einer solchen Stelle, die thermisch mit dem Meßgerät (4) in Verbindung steht und an welcher die Temperaturänderungsgeschwindigkeit im wesentlichen gleich der des Meßgerätes (4) ist.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur einer Gehäusestruktur (5) gemessen wird, wobei die Gehäusestruktur (5) so ausgebildet ist, dass sie einen engen thermischen Kontakt mit dem Meßgerät (4) aufweist.

6. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturausdruck als eine lineare Funktion der Temperaturänderungsgeschwindigkeit (DT) ausgebildet ist.

7. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturausdruck einen Verzögerungsausdruck umfaßt, um eine verzögerte Korrektur zu erhalten.

8. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturausdruck eine Funktion mit einem Polynom höherer Ordnung ist.

9. Vorrichtung mit Temperaturkompensation für durch Temperaturänderung hervorgerufene vorübergehende Fehler in einer Gasanalysevorrichtung, wobei die Vorrichtung umfaßt

- eine Strahlenquelle (1) zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung,

- eine Gasmeßzelle (2), welche in der Nähe der Strahlungsquelle (1) angeordnet ist und das zu analysierende Gas aufnehmen kann,

- eine Gehäusestruktur (5),

- ein thermisches Messgerät (4), welches in dem Verlauf der elektromagnetischen Strahlung der Gasmeßzelle (2) nachfolgend und innerhalb der Gehäusestruktur (5) angeordnet ist, wobei das thermische Messgerät (4) ein Sensorelement (16) zur Strahlungserfassung und ein gegenüber der Strahlung geschütztes Vergleichssensorelement (17) unmfaßt, wobei die Bestandteile der Vorrichtung zur Erzeugung eines Ausgangssignals proportional zu der Konzentration des zu analysierenden Gases dienen,

- ein Temperaturmesselement (6) zur Messung der Temperatur der Gehäusestruktur (5), und

- eine Wärmedämmung (32), welche die Gehäusestruktur (5) umgibt,

dadurch gekennzeichnet, dass

- die Vorrichtung darüber hinaus Rechenmittel (31) umfasst, welche die Änderungsgeschwindigkeit der mit Hilfe des Temperatursensorelements (6) gemessenen Temperatur der Gehäusestruktur (5) berechnet, um das unkompensierte Ausgangssignal des thermischen Messgeräts bezüglich der Temperatur zu kompensieren.

10. Vorrichtung gemäß Anspruch 9, wobei die Gehäusestruktur (5) aus einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit wie Aluminium besteht, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Wärmedämmung (32) ein geschäumter (expandierter) Polyethylen-Kunststoff ist.

11. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei das Gewicht der Gehäusestruktur (5) der Vorrichtung etwa 150 g beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Wärmedämmung (32) wenigstens 2 mm beträgt.

12. Vorrichtung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Gasmesszelle (2) und der Thermosäulen-Detektor (4) in der selben Gehäusestruktur (5) mit hoher Wärmeleitfähigkeit untergebracht sind und dass das Temperatursensorelement (6) an der Gehäusestruktur (5) befestigt ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von thermischen Meßgeräten (4) an der Gehäusestruktur (5) befestigt sind, um somit eine gleichzeitige Messung der Temperaturänderungsgeschwindigkeit für diese Messgeräte mittels des Temperatursensorelements (6) zu ermöglichen.