DE976290C - Gasanalysator - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 12. JUNI 1963

P 7907 IXb 142l

Gasanalysator

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gasanalysator zur Bestimmung einer Komponente eines Gasgemisches durch Messung des Absorptionsunterschiedes zweier von einer Strahlenquelle ausgehender, vorzugsweise infraroter Strahlenbündel, die beide das Gasgemisch durchdringen und von denen das eine zusätzlich durch eine die gesuchte Komponente enthaltende Sensibilisierungszelle geleitet ist. Bei Gasanalysatoren dieser Art besteht der Nachteil, daß auch im Nullzustand eine unterschiedliche Absorption der beiden Strahlenbündel stattfindet, so daß am Empfänger ein unausgeglichener Energiezustand besteht. Das ist besonders dann hinderlich, wenn elektrische Meßvorrichtungen verwendet werden, die eine dem Absorptionsunterschied verhältnisgleiche Meßspannung abgeben. Die im Nullzustand abgegebene Meßspannung ist dann abhängig von etwaigen Intensitätsschwankungen der Strahlenquelle, so daß schwer kontrollierbare Meßfehler entstehen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei solchen Geräten im Nullzustand am Empfänger

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einen ausgeglichenen, von Intensitätsschwankungen der Strahlungsquelle unabhängigen Energiezustand herzustellen.

Das wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Strahlungsempfänger zur Nulleinstellung von einem dritten von der gleichen Strahlungsquelle ausgehenden, aber das Gasgemisch nicht durchdringenden Strahlenbündel mit einstellbarer Intensität beaufschlagt ist. Durch das dritte Strahlenbündel, das unbeeinflußt von den Absorptionsverhältnissen der beiden anderen Strahlenbündel auf den Empfänger einwirkt, kann der im Nullzustand vorhandene Absorptionsunterschied der beiden anderen Strahlenbündel kompensiert werden. Da alle drei Strahlenbündel von der gleichen Strahlenquelle ausgehen, bleibt der Kompensationszustand auch bei Intensitätsschwankungen der Strahlenquelle erhalten, so daß eine Nullpunktsicherheit erreicht wird.

Zur Erzeugung verstärkungsfähiger elektrischer Meßspannungen am Empfänger kann in an sich bekannter Weise eine Vorrichtung zur periodischen Unterbrechung der Strahlenbündel vorgesehen werden, wobei das dritte Strahlenbündel phasengleich mit dem durch die Sensibilisierungszelle geleiteten Strahlenbündel unterbrochen wird.

Wenn in dem zu analysierenden Gasgemisch Komponenten enthalten sind, die im gleichen Spektralbereich absorbieren wie die gesuchte Komponente, so wird die Messung verfälscht. Um die Einwirkung der störenden Komponenten auszu schalten, ist in weiterer Ausbildung der Erfindung vorgesehen, daß das durch das Gasgemisch geleitete, die Sensibilisierungszelle nicht durchdringende Strahlenbündel durch eine Kompensationszelle geleitet ist, die mit inertem Gas und einer im Gasgemisch vorhandenen, mit der gesuchten Komponente im gleichen Spektralgebiet absorbierenden Komponente von geeignetem Partialdruck gefüllt ist. Bei geeigneter Abstimmung der Füllungen der Kompensationszelle und des Differential-Gasthermometers und der Intensität der Strahlenbündel kann man einen Zustand herstellen, bei dem alle Komponenten des Gasgemisches — mit Ausnahme der gesuchten Komponente — am selektiv absorbierenden Empfänger den gleichen Temperatureffekt auslösen. In diesem Zustand ist demnach, wie eingangs erläutert, am Empfänger ein unausgeglichener Energiezustand vorhanden, der nun durch die Einwirkung des dritten Strahlenbündels in beschriebener Weise ausgeglichen und der Empfänger bei dem eingestellten Zustand auf Null gebracht werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. ι schematisch dargestellt. Fig. 2 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform.

Das in Fig. 1 dargestellte Instrument enthält ein luftdichtes Gehäuse 10, in dem sich eine Strahlungsquelle 11 befindet, die z. B. infrarote Strahlen aussendet. An einer Seite des Gehäuses ist ein Fenster für den Strahlendurchgang vorgesehen. Hinter dem Fenster liegt eine Gaszelle 13 mit einem Einlaß- und einem Auslaß stutzen 14, 15, so daß das zu analysierende Gas durch die Zelle strömen kann. Eine Filterzelle 16 von gleichem Querschnitt liegt hinter der Gaszelle und hat einen Einlaßstutzen 17. Eine Kompensatorzelle 18 mit Einlaß 19 und eine Sensibilisatorzelle2O mit Einlaß 21 liegen nebeneinander hinter der Filterzelle und empfangen beide einen Teil der durch die vorhergehenden Zellen fallenden Strahlen. Zwei einstellbare Schneiden 22, 23 sind in einer Kammer zwischen der Filterzelle und der Kompensator- bzw. Sensibilisatorzelle angebracht, um die Intensität der in jede dieser beiden Zellen eintretenden Strahlenbündel einstellen zu können. Hinter der Doppelzelle 18, 20 liegen die beiden Kammern 24, 25 eines Gasthermometers. Sämtliche Querwände der Zellen 28, 29, 30, 31, 26 und 27 bestehen aus einem für die Strahlen durchlässigen Werkstoff.

Die Kammern 24, 25 des Gasthermometers sind durch Rohre 32, 33 mit je einer Hälfte der durch eine Zwischenwand 35 geteilten Kammer 34 verbunden. Diese Zwischenwand dient als Kondensator und besteht aus einer festen durchlochten Platte 35 und aus einer biegsamen, nicht gelochten Membran 36. Die Rohre 32, 33 sind außerdem durch ein Rohr 37 verbunden, in dem ein Ventil 38 angebracht ist, das zum Ausgleich des Anfangsdruckes in den Kammern 24, 25 geöffnet werden kann, normalerweise aber nur einen kleinen Durchlaß freigibt, um in den Kammern gleichen Druck auch bei langfristigen Temperaturänderungen in der Umgebung des Detektors aufrechtzuerhalten. Rohr 33 ist mit einem Einlaßstutzen 39 versehen, um Gas in die Kammern 24, 25 zu leiten.

Vor der Gaszelle 13 ist eine umlaufende Scheibenblende vorgesehen, die in Gestalt einer halbkreisförmigen undurchsichtigen Scheibe 40 mit niedriger Frequenz von einem Motor 41 in Umdrehung versetzt wird. Der Membrankondensator 35, 36 ist durch die Leitungen 42 an einen Verstärker 43 angeschlossen, der ein üblicher Röhrenverstärker sein kann, so daß bei Benutzung des Instrumentes am Kondensator ein Potential vorhanden ist. Wenn kein Strahlenunterbrecher verwendet wird, wird der Strom vom Verstärker zu einem normalen Stromanzeiger 44 oder zu einem Registriergerät geleitet; falls aber ein Strahlenunterbrecher vorhanden ist, geht der Strom vom Verstärker zu einem phasenempfindlichen Gleichrichter 45, der mit dem Strahlenunterbrecher synchronisiert ist, und von da zu dem Strommesser oder Registriergerät.

Durch die Anordnung der Zellen 13, 16, 18 und sind zwei Wege vorhanden, auf denen die Strahlen von der Strahlungsquelle zu den Zellen 24, 25 des Gasthermometers gelangen; es ist aber außerdem noch ein drittes von dem Strahler 11 abgezweigtes Strahlenbündel vorgesehen, das durch eine Zelle 46 mit lichtdurchlässigen Fenstern 47, 48 und einem Einlaßstutzen 49 geleitet ist. An die Zelle 46 schließt sich eine Zelle 50 an, deren lichtdurchlässiges Fenster S1 in geringem Abstand von dem Fenster 48 angebracht ist. Die mit einem Gaseinlaß 53 versehene Zelle 50 leitet die Strahlen im

Bogen durch ein lichtdurchlässiges Fenster 52 in die Kammer 25. Eine in einer Führung 55 mittels einer Schraube 56 verschiebbare Schneide 54 ragt in den Zwischenraum zwischen den Fenstern 48, 51, so daß damit die Intensität des von der Strahlungsquelle 11 abgezweigten dritten Strahlenbündels eingestellt werden kann.

Beim Gebrauch des Instrumentes zur Analysierung eines Gasgemisches, das die gesuchte Komponente und eine oder mehrere störende Komponenten enthält, die im gleichen Spektralgebiet wie die gesuchte Komponente absorbieren, wird das Instrument zuerst auf folgende Weise sensibilisiert: Die Zellen 46, 50 werden mit einem Gas gefüllt, das vorzugsweise inert ist; dann werden die Zellen Φ' 5° geschlossen, und der Strahlendurchgang wird durch Vorschieben der Schneide 54 vollständig abgeschnitten. Die Kammern 24, 25 und ebenso die Sensibilisatorzelle 20 werden mit der gesuchten Gaskomponente gefüllt. Die Kompensatorzelle 18 wird dann mit einem Versuchsgemisch gefüllt, das aus einem inerten Gas und einer anderen Komponente besteht, wenn nur eine andere Komponente in dem zu analysierenden Gasgemisch vorhanden ist. Wenn es jedoch bekannt ist, daß das Gasgemisch mehr als eine störende Komponente enthält, dann wird die Kompensatorzelle 18 mit einem Versuchsgemisch dieser Komponenten gefüllt. Nach dieser Vorbereitung des Instrumentes werden Gasgemische, die wechselnde Mengen der einen oder mehrerer störender Komponenten enthalten, durch die Gaszelle 13 geleitet, wobei das jeweilige Ansprechen des Empfängers festgestellt wird. Unter Veränderung des Mischungsverhältnisses in der Kompensatorzelle 18 und, wenn erforderlich, unter Verstellung der Schneiden 22, 23 wird ein Zustand erreicht, wo das Ansprechen des Empfängers durch eine mengenmäßige Änderung der in dem Gasgemisch vorhandenen störenden Komponente oder der Komponenten nicht beeinflußt wird. In manchen Fällen ist es auch erforderlich, die gesuchte Komponente in den Kammern 24, 25 teilweise durch die störenden Komponenten zu ersetzen, um den beschriebenen Ausgleich zu erreichen.

Sobald das Instrument in der Weise sensibilisiert ist, daß der Empfänger nur auf eine mengenmäßige Änderung der gesuchten Komponente, nicht aber auf eine Mengenänderung der störenden Komponente^) anspricht, werden auf den beiden ersten Strahlenwegen ungleiche Energiebeträge übertragen, wenn die Gaszelle 13 leer ist, so daß der Empfänger in Nullstellung einen Stromimpuls gibt. Aus den schon genannten Gründen ist das unerwünscht ; nunmehr kann der Empfänger durch ein Zurückziehen der Schneide 54 auf Null eingestellt werden, weil auf dem dritten Strahlenweg Energie in den Empfänger gelangen kann. Das dritte Strahlenbündel tritt in die Kammer 25, welche das schwächere der auf den ersten beiden Wegen laufenden Strahlenbündel aufnimmt. Der Empfänger gibt dann in Nullstellung keine Meßspannung ab.

Wenn das Instrument nach Nulleinstellung des

Empfängers durch das dritte Strahlenbündel gebrauchsfertig gemacht ist, entsteht am Empfänger nach Einführung des zu untersuchenden Gasgemisches in die Zelle 13 infolge der unterschiedlichen Abkühlung in den Kammern 24, 25 eine Meßspannung, die ein Maß für die in dem Gasgemisch enthaltene gesuchte Komponente ist.

In Fig. 2 ist eine Ausführungsform im Ausschnitt dargestellt, bei der hinter der Kompensatorzelle 18' und der Sensibilisierungszelle 20' an Stelle eines Gasthermometers Empfänger 57, 58 anderer Art vorgesehen sind. Die Empfänger 57, 58 können z. B. Thermoelemente, Bolometer, Photozellen od. dgl. sein. Das dritte Strahlenbündel wird hier durch eine gekrümmte Kammer 59 dem Empfänger 58 zugeleitet.

Man kann natürlich die Anordnung auch so treffen, daß an Stelle eines Differentialempfängers ein einfacher Empfänger benutzt wird, auf den das stärkere der Strahlenbündel und das schwächere zusammen mit dem dritten Strahlenbündel periodisch nacheinander zur Einwirkung kommen. In diesem Falle muß die Unterbrechervorrichtung die Strahlenbündel mit Phasenverschiebung unterbrechen und eine phasenempfindliche elektronische Meßvorrichtung vorgesehen werden. Aus konstruktiven Gründen kann es erwünscht sein, daß das dritte Strahlenbündel, nicht wie in Fig. 1, 2 dargestellt, an der Sensibilisierungskammer 18, i8' vorbeigeleitet wird, sondern diese durchdringt. Das ist ohne weiteres möglich, da die Absorption in der Sensibilisierungskammer konstant bleibt. Wesentlich ist nur, daß das dritte Strahlenbündel nicht durch das zu analysierende Gasgemisch durchtritt.

Claims (4)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   ι. Gasanalysator zur Bestimmung einer Komponente eines Gasgemisches durch Messung des Absorptionsunterschiedes zweier von einer Strahlenquelle ausgehender, vorzugsweise infraroter Strahlenbündel, die beide das Gasgemisch durchdringen und von denen das eine zusätzlich durch eine die gesuchte Komponente enthaltende Sensibilisierungszelle geleitet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsempfänger zur Nulleinstellung von einem dritten von der gleichen Strahlungsquelle ausgehenden, aber das Gasgemisch nicht durchdringenden Strahlenbündel mit einstellbarer Intensität beaufschlagt ist.
2. 2. Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung zur periodischen Unterbrechung der drei Strahlenbündel vorgesehen ist, durch die das dritte Strahlenbündel phasengleich mit dem durch die Sensibilisierungszelle geleiteten Strahlenbündel unterbrachen wird.
3. 3. Gasanalysator nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das durch das Gasgemisch geleitete, die Sensibilisierungszelle nicht durchdringende Strahlenbündel durch eine Kompensationszelle geleitet ist, die inertes

   Gas und eine im Gasgemisch vorhandene, mit der gesuchten Komponente im gleichen Spektralgebiet absorbierende Komponente von geeignetem Partialdruck enthält.
4. 4. Gasanalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine im Wege des dritten Strahlenbündels angeordnete einstellbare Blende (54).

   In Betracht gesogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 730478, 828604, 10 877065, 877965, 877966;

   britische Patentschrift Nr. 661990; Ό SA-Patentschrift Nr. 2 668 243; Review of Scientific Instruments, 1948, S. 176,

   177; »5

   Instruments, 1952, S. 622 bis 627.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   © 509 556/162 9.55 (309 604/3 6. 63)