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WO2010133566A1 - Ndir-zweistrahl-gasanalysator und verfahren zur bestimmung der konzentration einer messgaskomponente in einem gasgemisch mittels eines solchen gasanalysators - Google Patents

Ndir-zweistrahl-gasanalysator und verfahren zur bestimmung der konzentration einer messgaskomponente in einem gasgemisch mittels eines solchen gasanalysators Download PDF

Info

Publication number
WO2010133566A1
WO2010133566A1 PCT/EP2010/056770 EP2010056770W WO2010133566A1 WO 2010133566 A1 WO2010133566 A1 WO 2010133566A1 EP 2010056770 W EP2010056770 W EP 2010056770W WO 2010133566 A1 WO2010133566 A1 WO 2010133566A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
radiation
gas
phase
measurement signal
cuvette
Prior art date
Application number
PCT/EP2010/056770
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ralf Bitter
Michael Ludwig
Camiel Heffels
Thomas Hörner
Martin Kionke
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Priority to CN2010800222079A priority Critical patent/CN102439424A/zh
Priority to EP10720413A priority patent/EP2433114A1/de
Priority to US13/321,738 priority patent/US20120091346A1/en
Publication of WO2010133566A1 publication Critical patent/WO2010133566A1/de

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
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    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis
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    • G01N2021/3545—Disposition for compensating effect of interfering gases
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    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis
    • G01N21/3518—Devices using gas filter correlation techniques; Devices using gas pressure modulation techniques

Definitions

  • NDIR dual-jet gas analyzer and method for determining the concentration of a sample gas component in a gas mixture by means of such a gas analyzer
  • the invention relates to a method for determining the concentration of a sample gas component in a gas mixture by means of a non-dispersive infrared (NDIR) two-jet gas analyzer according to the preamble of claim 1.
  • NDIR non-dispersive infrared
  • the invention further relates to a NDIR dual-jet gas analyzer according to the preamble of claim 10.
  • Such a method and such a gas analyzer are known from WO 2008/135416 A1 and serve to determine the concentration of a sample gas component in a gas mixture.
  • an infrared radiation generated by an infrared radiation source is conducted alternately through a measuring cuvette receiving the gas mixture and a reference cuvette containing a reference gas.
  • the radiation emerging from the two cuvettes is detected by means of a detector arrangement, wherein a measurement signal is generated and subsequently evaluated in an evaluation unit.
  • Conventional detector arrangements contain one or more optopneumatic detectors in the form of single-layer or two-layer receivers.
  • the switching of the radiation between the measuring cuvette and the reference cuvette takes place by means of a modulator, which is usually a vane or aperture wheel.
  • both cuvettes are filled with the same gas, in particular zero gas such as nitrogen or air, and the gas analyzer is optically balanced, the same radiation intensity always reaches the detector arrangement so that no measuring signal (alternating signal) is generated.
  • the measuring cuvette is filled with the gas mixture to be examined, there is a pre-absorption which depends on the concentration of the measured gas component contained in it and possibly existing transverse gases, so that the cuvette and the sample cusp cell in time with the modulation different temporal successive radiation intensities reach the detector array, which generates a measuring signal as an alternating signal with the frequency of the modulation and a dependent on the difference of the radiation intensity size.
  • the radiation intensity falling in the detector arrangement is not only dependent on the gas-specific absorption but also on other factors influencing the intensity of the infrared radiation.
  • Such influencing variables such as changes due to contamination, aging or temperature at the infrared radiation source or detector arrangement, can not be readily recognized and lead to falsifications of the measurement result.
  • the detector arrangement has at least two single-layer receivers, both of which deliver a respective measurement signal and lie one behind the other in the beam path of the gas analyzer.
  • the first single-layer receiver contains z.
  • the sample gas component and the at least one downstream single-layer receiver a transverse gas.
  • the evaluation unit contains a n-dimensional calibration matrix corresponding to the number n of the single-layer receiver in which measured signal values obtained at different known concentrations of the measurement gas component in the presence of different known interfering gas concentrations are stored as n-tuples.
  • the concentration of the sample gas component is determined by comparing the thus obtained n-tuples of signal values with the n-tuples of signal values stored in the calibration matrix.
  • z. B. in Konstantharm the interfering gas concentrations the intensity of the radiation generated to be varied in order to determine the influence of caused by aging of the infrared emitter or contamination of the cuvette transmission changes to the measurement result.
  • the invention has for its object to simplify the detection and compensation of error, such as pollution, age- tion or temperature-induced changes to the infrared radiation source or detector array.
  • the object is achieved by the method defined in claim 1 or the NDIR dual-jet gas analyzer specified in claim 10.
  • FIG. 1 shows a NDIR double-jet gas analyzer with a detector arrangement consisting of two single-layer receivers lying one behind the other and delivering two measuring signals
  • FIG. 2 shows a calibration matrix in which measured signal values obtained at different known concentrations of the sample gas component in the presence of different known gas concentrations are stored as value pairs,
  • FIG. 3 shows a plan view of an arrangement of the aperture wheel, measuring cuvette and reference cuvette of the NDIR gas analyzer
  • FIG. 4 shows the power density distribution of the radiation introduced into the measuring cuvette and reference cuvette
  • FIG. 5 shows an alternative power density distribution of the radiation introduced into the measuring cuvette and reference cuvette
  • FIG. 6 shows a double lock-in amplifier for the phase-sensitive detection of a measurement signal and its decomposition into an in-phase component and a quadrature component
  • FIG. 7 shows a coordinate system (in-phase and quadrature component) with a characteristic curve formed from different measurement signal vectors which were determined during a calibration of the gas analyzer for various known concentrations of the sample gas component
  • 8 shows an example of a rotation of the characteristic curve in the coordinate system for simplifying the measurement signal processing
  • FIG. 9 shows an example of the measurement signal processing in the case of a straight running characteristic curve.
  • the infrared radiation 2 generated by an infrared radiation source 1 is split by a beam splitter 3 (so-called trouser chamber) onto a measuring beam path through a measuring cuvette 4 and a comparison beam path through a reference cuvette 5.
  • a gas mixture 6 with a sample gas component whose concentration is to be determined can be introduced into the measuring cuvette 4.
  • the reference cuvette 5 is filled with a reference gas 7.
  • the radiation 2 is alternately released and blocked by the measuring cuvette 4 and reference cuvette 5, so that both cuvettes 4 and 5 are alternately irradiated.
  • the radiation emerging alternately from the measuring cuvette 4 and the reference cuvette 5 is conducted by means of a radiation collector 9 into a detector arrangement 10, which in the exemplary embodiment shown consists of a first single-layer receiver 11 and a further downstream single-layer receiver 12.
  • Each of the two single-layer receivers 11, 12 has in each case one of the cuvettes 4, 5 exiting radiation 2 receiving active detector chamber 13 and 14 and a disposed outside the radiation 2 passive compensation chamber 15 and 16, respectively, via a connecting line 17 and 18, respectively are connected together with a pressure or flow-sensitive sensor 19 or 20 arranged therein.
  • the sensors 19 and 20 generate measurement signals Sa and Sb, from which the concentration of the measurement gas component in the gas mixture 6 is determined in an evaluation unit 21 as a measurement result M.
  • the measurement signal Sb of the second single-layer receiver 12 contains, in addition to the main signal component generated by the radiation absorption in its active detector chamber 14, a smaller signal component from the first single-layer receiver 11.
  • the measurement signals Sa and Sb of the two single-layer receivers 11 and 12 therefore form a two-dimensional result matrix. If the detector arrangement 10 consists of n successive single-layer receivers, n measurement signals Sa, Sb,... Are obtained which form an n-dimensional result matrix. If the first single-layer receiver 11 contains the sample gas component and if the downstream n-1 single-layer receivers are filled with different transverse gases, the concentration of the sample gas component can also be determined in different concentrations in the presence of these transverse gases.
  • the evaluation unit 21 contains a calibration matrix 22 corresponding to the above-mentioned result matrix, which is shown in detail in FIG. 2 and on the basis of which the mode of operation of the detector arrangement 10 will be explained in more detail below.
  • a value pair 23 of the signals Sa and Sb is measured, as shown by way of example in the following table.
  • the calibration matrix 22 is created from the recorded value pairs of the signals Sa and Sb and the associated known concentration values of the measurement gas component, intermediate values being formed by interpolation of the recorded or known support values.
  • the calibration matrix 22 can also be stored in the evaluation unit 21 in the form of a mathematical function describing it and the associated function parameters. A reduced measurement series according to the table may be sufficient for the preparation of the calibration matrix 22.
  • the transverse gases and the expected fluctuation ranges of their concentrations are known, so that a corridor 24 can be established in the calibration matrix 22, within which the concentrations of the measured gas component and the known transverse gas dependent value pairs 23 will normally be.
  • the value pairs 23 move in the direction indicated by 25 and at the expected variable concentrations of the transverse gases in the direction denoted by 26.
  • the interference gas influence on the measurement result can be compensated by determining the directional component 26 and the value pair 23 around this component 26 is moved back mathematically.
  • the calibration matrix 22 results in the correct value of the concentration of the sample gas component.
  • the directions of movement 25 and 26, however, may be superimposed on additional directions of movement resulting from fluctuations further measuring and / or device-specific parameters, eg. As the power of the infrared emitter 1 or contamination of the measuring cuvette 4, result. This makes it difficult to distinguish interfering gas influences from other error influences and to correct the measurement result accordingly.
  • the rotational axis 27 of the diaphragm or impeller 8 can be offset in the direction of the arrow 28 with respect to the measuring cuvette 4 and the reference cuvette 5 for this purpose, for example.
  • the power density distribution 29 or 30 of the radiation 2 introduced into the cuvettes 4 and 5 by means of the beam splitter 3 is symmetrical to the axes 31 and 32 of the two cuvettes 4 and 5.
  • FIG. 3 also shows a light barrier 33 for detecting the instantaneous position of the diaphragm or impeller 8.
  • the phase balance in the switching of the radiation 2 between the cuvettes 4 and 5 can be generated as an alternative to the displacement of the axis of rotation 27 of the diaphragm or impeller 8 shown in FIG. 3 in that the radiation 2 is asymmetrical by means of the beam splitter 3 to the axes 31, 32 of the cuvette 4 and reference cuvette 5 in the two cuvettes 4, 5 is introduced.
  • Another Possibility of generating the phase balance is the change in the distance between the two cuvettes 4 and 5.
  • the measurement signals Sa and Sb also contain phase information in addition to amplitude information. While the sample gas component and transverse gases in the measurement cuvette 4 influence both the amplitude and the phase of the respective measurement signal Sa or Sb, changes in the intensity of the infrared radiation 2, which affect the beam paths in both cuvettes 4 and 5 in equal measure, only on the amplitude of the respective measurement signal Sa or Sb. Such intensity changes of the infrared radiation 2, which affect the beam paths equally in both cuvettes 4 and 5, can result, in particular, from changes in the infrared radiation source 1 or detector arrangement 10 due to contamination, aging or temperature.
  • Amplifier phase sensitive to the modulation of the radiation 2 are detected, wherein a measurement signal vector is generated with an Inphase component and a quadrature component. This will be explained in the following as representative of a measurement signal S, which stands for one of the measurement signals Sa and Sb.
  • FIG 6 shows an example of the double lock-in amplifier 34, the measurement signal S as an input signal and from the modulator 8, here z. B. the photocell 33 shown in Figure 3, a reference signal R receives.
  • the lock-in amplifier 34 may include a bandpass filter 35 and an amplifier 36 for prefiltering and amplifying the measurement signal S.
  • the band-pass filtered and amplified measurement signal S is multiplied by the reference signal R in a phase-sensitive detector 37 and thus demodulated in a phase-sensitive manner.
  • the reference signal R may previously pass through a phase shifter 38 in order to enable a phase adjustment between the reference signal R and the measurement signal S.
  • FIG. 7 shows in the lower part different measurement signal vectors Si, S2, S3, S 4 and S 5 in a Cartesian coordinate system.
  • the measurement signal vectors Si, S2, S3, S 4 and S 5 were determined within the scope of a calibration of the gas analyzer for different concentrations Ki, K 2 , K 3 , K 4 and K 5 of the sample gas component in the presence of known interfering gas concentrations.
  • the measurement signal vector Si was determined at zero gas and the measurement signal vector S 5 at the end gas.
  • the measurement signal vectors Si, S 2 , S3, S 4 and S 5 differ in terms of amplitude and phase position, the vector component in the x-direction of the coordinate system of the in-phase component and the vector component in the y-direction corresponding to the quadrature component of the respective measurement signal vector.
  • the phase angle ⁇ 4 results from the seen in the direction of rotation of the aperture 8 angular distance between the reference signal R supplying light barrier 33 and the cuvettes 4, 5, the phase shift ⁇ by the phase shifter 38 and signal delay in the double-lock-in amplifier 34 and from the phase balance in the switching of the radiation 2 between the measuring cuvette 4 and the reference cuvette 5 in conjunction with the radiation absorption tion in the measuring cuvette 4 generated measuring and Quergastouch- phase information.
  • the measured signal vectors Si, S 2, S 3, S 4 and S 5 define a characteristic curve 43, which may be stored as a table, with intermediate values of the characteristic 43 are formed by interpolation of the recorded measured signal vectors Si, S 2, S 3, S4 and S5 can.
  • the characteristic curve 43 can also be stored in the evaluation unit 21 in the form of a mathematical function f (S x , Sy) describing it.
  • each point on the characteristic curve 43 is uniquely (reversibly unambiguously) assigned a value of the in-phase component S x , instead of the length of the measurement signal vector S, its in-phase component S x can also be used to determine the current concentration of the measurement gas component.
  • the use of the quadrature component S y is not possible because in a subregion of the characteristic curve 43 different points on the characteristic curve 43 have one and the same quadrature component.
  • the characteristic 43 can be rotated in the direction of the arrow 44 to the origin 0 of the coordinate system, to each point on the characteristic 43 is uniquely associated with a value of the quadrature component S y . Then also the quadrature component S y used to determine the current concentration of the sample gas component.
  • the intensity of the generated or detected infrared radiation 2 changes compared with the calibration state of the gas analyzer due to changes in the infrared radiation source 1 or detector arrangement 10 caused by aging, contamination or temperature, this leads to a measurement signal vector during the measurement S F whose peak lies outside the characteristic curve 43.
  • the measurement signal vector S F can therefore be easily corrected by extending or shortening it while maintaining its phase angle ⁇ F up to the characteristic 43.
  • the length of the uncorrected measurement signal vector S F with respect to the length of the measurement signal vector S F corrected to the point 45 of the characteristic 43 is a measure of the quality of the measurement signal S F and can be output by the evaluation unit 21 together with the measurement result M.
  • the characteristic curve 43 can be stored as a table or in the form of a mathematical function f (S x , S y ) in the correction unit 46 of the evaluation unit 21.
  • the characteristic 43 are rotated in the direction of arrow 47 about the origin 0 of the coordinate system until the obtained for the zero gas measurement signal vector Si or alternatively the measurement signal vector S 5 for the tail gas with a the axes of the coordinate system, here z. B. the y-axis coincides.
  • FIG. 9 shows the special case that the characteristic curve 43 runs exactly or approximately rectilinearly.
  • the characteristic 43 are rotated in the direction of the arrow 48 to the origin 0 of the coordinate system until the Characteristic curve 43 parallel to one of the axes of the coordinate system, here z. B. the x-axis runs. For each point on the characteristic 43 then the quadrature component Si y .

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Abstract

Bei einem NDIR-Zweistrahl-Gasanalysator wird eine Infrarot-Strahlung durch Modulation abwechselnd durch eine Messküvette und eine Referenzküvette geleitet und anschließend unter Erzeugung eines Messsignals detektiert, durch dessen Auswertung die Konzentration einer in der Messküvette enthaltenen Messgaskomponente bestimmt wird. Die Erkennung und Kompensation von Fehlereinflüssen, insbesondere Veränderungen an der Infrarot-Strahlungsquelle oder Detektoranordnung, wird dadurch vereinfacht, dass - eine Phasenimbalance in der Umschaltung der Strahlung zwischen den Küvetten erzeugt wird, - das Messsignal phasensensitiv zur Modulation der Strahlung detektiert wird, wobei ein Messsignalvektor (SF) mit einer Amplitudeninformation und einer Phaseninformation (FF) erhalten wird, - bei der Kalibration des Gasanalysators für verschiedene bekannte Konzentrationen (K1, K2, K3, K4, K5) der Messgaskomponente Messsignalvektoren (S1, S2, S3, S4, S5) unterschiedlicher Amplitude und Phase ermittelt werden, die eine Kennlinie (43) definieren, und - bei der Messung einer unbekannten Konzentration der Messgaskomponente aus dem Schnittpunkt (45) eines dabei erhaltenen Messsignalvektors (SF) oder seiner Verlängerung mit der Kennlinie (43) die unbekannte Konzentration der Messgaskomponente ermittelt wird.

Description

Beschreibung
NDIR-Zweistrahl-Gasanalysator und Verfahren zur Bestimmung der Konzentration einer Messgaskomponente in einem Gasgemisch mittels eines solchen Gasanalysators
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Konzentration einer Messgaskomponente in einem Gasgemisch mittels eines nichtdispersiven Infrarot- (NDIR-) Zweistrahl-Gas- analysators nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Die Erfindung betrifft ferner einen NDIR-Zweistrahl-Gasanalysator nach dem Oberbegriff von Anspruch 10.
Ein derartiges Verfahren und ein derartiger Gasanalysator sind aus der WO 2008/135416 Al bekannt und dienen zur Bestimmung der Konzentration einer Messgaskomponente in einem Gasgemisch. Dazu wird eine von einer Infrarot-Strahlungsquelle erzeugte Infrarot-Strahlung abwechselnd durch eine das Gas- gemisch aufnehmende Messküvette und eine ein Referenzgas enthaltende Referenzküvette geleitet. Die aus den beiden Küvet- ten austretende Strahlung wird mittels einer Detektoranordnung detektiert, wobei ein Messsignal erzeugt und anschließend in einer Auswerteeinheit ausgewertet. Übliche Detektor- anordnungen enthalten einen oder mehrere optopneumatische Detektoren in Form von Ein- oder Zweischichtempfängern. Die Umschaltung der Strahlung zwischen der Messküvette und Refe- renzküvette erfolgt mittels eines Modulators, bei dem es sich üblicherweise um ein Flügel- oder Blendenrad handelt. Wenn zum Nullabgleich beide Küvetten mit demselben Gas, insbesondere Nullgas wie Stickstoff oder Luft, gefüllt werden und der Gasanalysator optisch ausbalanciert ist, gelangt immer dieselbe Strahlungsintensität in die Detektoranordnung so dass kein Messsignal (Wechselsignal) erzeugt wird. Ist die Mess- küvette mit dem zu untersuchenden Gasgemisch gefüllt, so findet dort eine von der Konzentration der darin enthaltenen Messgaskomponente und ggf. vorhandener Quergase abhängige Vorabsorption statt, so dass aus der Messküvette und der Re- ferenzküvette im Takt der Modulation zeitlich aufeinanderfolgend unterschiedliche Strahlungsintensitäten in die Detektoranordnung gelangen, die als Messsignal ein Wechselsignal mit der Frequenz der Modulation und einer von der Differenz der Strahlungsintensitäten abhängigen Größe erzeugt.
Die in die Detektoranordnung fallende Strahlungsintensität ist jedoch nicht nur von der gasspezifischen Absorption sondern auch von anderen Einflussgrößen auf die Intensität der Infrarot-Strahlung abhängig. Solche Einflussgrößen, wie ver- schmutzungs-, alterungs- oder temperaturbedingte Veränderungen an der Infrarot-Strahlungsquelle oder Detektoranordnung können nicht ohne Weiteres erkannt werden und zu Verfälschungen des Messergebnisses führen.
Aus diesem Grund ist es notwendig, den Gasanalysator in regelmäßigen Abständen zu kalibrieren, wobei z. B. die Messkü- vette nacheinander mit Nullgas und Endgas, also bekannten Konzentrationen des Messgases, gefüllt wird.
Aus der DE 195 47 787 Cl ist es bekannt, zum Kalibrieren eines NDIR-Zweistrahl-Gasanalysators die Messküvette mit einem Nullgas zu füllen und die Strahlung durch die Referenz- küvette mittels einer Blende zu unterbrechen. Damit wird eine Einstrahl-Funktionalität des Gasanalysators erhalten, die eine Referenzierung auf z. B. die Intensität der Infrarot- Strahlungsquelle ermöglicht, ohne die Messküvette mit einem Kalibrier- oder Eichgas füllen zu müssen.
Bei einem aus der eingangs genannten EP 1 640 708 Al bekannten NDIR-Zweistrahl-Gasanalysator werden innerhalb der Modulationsperiode wenigstens zwei Dunkelphasen erzeugt, in denen die Strahlung sowohl durch die Messküvette als auch durch die Referenzküvette unterbrochen ist. Dadurch wird der Grund- Schwingung des Messsignals eine Oberschwingung mit doppelter Frequenz aufmoduliert. Nach Durchführung einer Fourieranalyse des Messsignals werden durch die beiden ersten Fourierkompo- nenten normierte Messgrößen bestimmt und durch Koordinaten- transformation der normierte Messgrößen die Konzentration der Messgaskomponente bestimmt.
Bei dem aus der bereits genannten WO 2008/135416 Al bekannten NDIR-Zweistrahl-Gasanalysator weist die Detektoranordnung mindestens zwei Einschichtempfänger auf, die beide jeweils ein Messsignal liefern und hintereinander im Strahlengang des Gasanalysators liegen. Der erste Einschichtempfänger enthält z. B. die Messgaskomponente und der mindestens eine nachge- ordnete Einschichtempfänger ein Quergas. Die Auswerteeinheit enthält eine entsprechend der Anzahl n der Einschichtempfänger n-dimensionale Kalibrationsmatrix, in der bei unterschiedlichen bekannten Konzentrationen der Messgaskomponente in Anwesenheit von unterschiedlichen bekannten Quergaskonzen- trationen erhaltene Messsignalwerte als n-Tupel abgespeichert sind. Beim Messen von unbekannten Konzentrationen der Messgaskomponente in Anwesenheit von unbekannten Quergaskonzentrationen wird durch Vergleich der dabei erhaltenen n-Tupel von Signalwerten mit den in der Kalibrationsmatrix abgespei- cherten n-Tupeln von Signalwerten die Konzentration der Messgaskomponente ermittelt. Darüber hinaus kann z. B. bei Konstanthaltung der Quergaskonzentrationen die Intensität der erzeugten Strahlung variiert werden, um den Einfluss von durch Alterung des Infrarot-Strahlers oder Verschmutzungen der Messküvette hervorgerufenen Transmissionsänderungen auf das Messergebnis zu ermitteln.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Erkennung und Kompensation von Fehlereinflüssen, wie verschmutzungs-, alte- rungs- oder temperaturbedingte Veränderungen an der Infrarot- Strahlungsquelle oder Detektoranordnung, zu vereinfachen.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch das in Anspruch 1 definierte Verfahren bzw. den in Anspruch 10 angegebenen NDIR-Zweistrahl-Gasanalysator gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und Gasanalysators sind Gegenstand der Unteransprüche. Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im Einzelnen zeigen jeweils in Form eines Ausführungsbeispiels:
Figur 1 einen NDIR-Zweistrahl-Gasanalysator mit einer aus zwei hintereinander liegenden Einschichtempfängern bestehenden und zwei Messsignale liefernden Detektoranordnung,
Figur 2 eine Kalibrationsmatrix, in der bei unterschiedlichen bekannten Konzentrationen der Messgaskomponente in Anwesenheit von unterschiedlichen bekannten Quergaskonzentrationen erhaltene Messsignalwerte als Wertepaare abgespeichert sind,
Figur 3 in Draufsicht eine Anordnung aus Blendenrad, Messkü- vette und Referenzküvette des NDIR-Gasanalysators,
Figur 4 die Leistungsdichteverteilung der in die Messküvette und Referenzküvette eingeleiteten Strahlung,
Figur 5 eine alternative Leistungsdichteverteilung der in die Messküvette und Referenzküvette eingeleiteten Strahlung,
Figur 6 einen Doppel-Lock-In-Verstärker zum phasensensitiven Detektieren eines Messsignals und dessen Zerlegung in eine Inphasekomponente und eine Quadraturkomponente,
Figur 7 ein Koordinatensystem (Inphase- und Quadraturkomponente) mit einer Kennlinie gebildet aus unterschiedlichen Messsignalvektoren, die bei einer Kalibration des Gasanalysators für verschiedene bekannte Konzentrationen der Messgaskomponente ermittelt wurden, Figur 8 ein Beispiel für eine Drehung der Kennlinie in dem Koordinatensystem zur Vereinfachung der Messsignalverarbeitung und
Figur 9 ein Beispiel für die Messsignalverarbeitung im Falle einer gerade verlaufenden Kennlinie.
Figur 1 zeigt einen NDIR-Zweistrahl-Gasanalysator, bei dem die von einer Infrarot-Strahlungsquelle 1 erzeugte Infrarot- Strahlung 2 mittels eines Strahlteilers 3 (sog. Hosenkammer) auf einen Messstrahlengang durch eine Messküvette 4 und einen Vergleichsstrahlengang durch eine Referenzküvette 5 aufgeteilt wird. In die Messküvette 4 lässt sich ein Gasgemisch 6 mit einer Messgaskomponente einleiten, deren Konzentration zu bestimmen ist. Die Referenzküvette 5 ist mit einem Referenzgas 7 gefüllt. Mittels eines zwischen dem Strahlteiler 3 und den Küvetten 4 und 5 angeordneten Modulators 8 in Form eines rotierenden Blenden- oder Flügelrads wird die Strahlung 2 abwechselnd durch die Messküvette 4 und Referenzküvette 5 freigegeben und gesperrt, so dass beide Küvetten 4 und 5 abwechselnd durchstrahlt werden. Die abwechselnd aus der Messküvette 4 und der Referenzküvette 5 austretende Strahlung wird mittels eines Strahlungssammlers 9 in eine Detektoranordnung 10 geleitet, die bei dem gezeigten Ausführungsbei- spiel aus einem ersten Einschichtempfänger 11 und einem nach- geordneten weiteren Einschichtempfänger 12 besteht. Jeder der beiden Einschichtempfänger 11, 12 weist jeweils eine die aus den Küvetten 4, 5 austretende Strahlung 2 empfangende aktive Detektorkammer 13 bzw. 14 und eine außerhalb der Strahlung 2 angeordnete passive Ausgleichskammer 15 bzw. 16 auf, die über eine Verbindungsleitung 17 bzw. 18 mit einem darin angeordneten druck- oder strömungsempfindlichen Sensor 19 bzw. 20 miteinander verbunden sind. Die Sensoren 19 und 20 erzeugen Messsignale Sa und Sb, aus denen in einer Auswerteeinheit 21 als Messergebnis M die Konzentration der Messgaskomponente in dem Gasgemisch 6 ermittelt wird. Das Messsignal Sb des zweiten Einschichtempfängers 12 enthält neben dem durch die Strahlungsabsorption in seiner aktiven Detektorkammer 14 erzeugten hauptsächlichen Signalanteil auch einen geringeren Signalanteil aus dem ersten Einschichtemp- fänger 11. Die Messsignale Sa und Sb der beiden Einschichtempfänger 11 und 12 bilden daher eine zweidimensionale Ergebnismatrix. Besteht die Detektoranordnung 10 aus n hintereinander liegenden Einschichtempfängern, werden n Messsignale Sa, Sb, ... erhalten, die eine n-dimensionale Ergebnismatrix bilden. Enthält der erste Einschichtempfänger 11 die Messgaskomponente und sind die nachgeordneten n-1 Einschichtempfänger mit unterschiedlichen Quergasen gefüllt, so lässt sich die Konzentration der Messgaskomponente auch in Anwesenheit dieser Quergase in unterschiedlichen Konzentrationen ermit- teln.
Die Auswerteeinheit 21 enthält eine der oben genannten Ergebnismatrix entsprechende Kalibrationsmatrix 22, die in Figur 2 im Detail dargestellt ist und anhand derer im Folgenden die Funktionsweise der Detektoranordnung 10 näher erläutert wird.
In die Messküvette 4 werden nacheinander verschiedene Quergaskonzentrationen mit verschiedenen Konzentrationen der Messgaskomponente eingeführt. Für jede zur Verfügung stehende Konzentration wird ein Wertepaar 23 der Signale Sa und Sb gemessen, so wie dies beispielhaft in der nachfolgenden Tabelle dargestellt ist. Aus den aufgenommenen Wertepaaren der Signale Sa und Sb und den zugehörigen bekannten Konzentrationswerten der Messgaskomponente wird die Kalibrationsmatrix 22 erstellt, wobei Zwischenwerte durch Interpolation der aufgenommenen bzw. bekannten Stützwerte gebildet werden. Die Kalibrationsmatrix 22 kann auch in Form einer sie beschreibenden mathematischen Funktion und der zugehörigen Funktionsparameter in der Auswerteeinheit 21 hinterlegt sein. Eine reduzierte Messreihe gemäß der Tabelle kann für die Erstellung der Kalibrationsmatrix 22 ausreichen.
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Für reale Messsituationen sind in der Regel die Quergase und die zu erwartenden Schwankungsbreiten ihrer Konzentrationen (z. B. minimal 5000 ppm bis maximal 15000 ppm) bekannt, so dass in der Kalibrationsmatrix 22 ein Korridor 24 festgelegt werden kann, innerhalb dessen die von den Konzentrationen der Messgaskomponente und der bekannten Quergase abhängigen Wertepaare 23 im Normalfall liegen werden. Bei veränderlichen Konzentrationen der Messgaskomponente bewegen sich die Wertepaare 23 in der mit 25 bezeichneten Richtung und bei den zu erwartenden veränderlichen Konzentrationen der Quergase in der mit 26 bezeichneten Richtung. Wenn sich also das Wertepaar 23 bei aufeinanderfolgenden Messungen in eine Richtung bewegt, die neben einer Komponente in Richtung 25 auch eine Komponente in Richtung 26 aufweist, kann der Quergaseinfluss auf das Messergebnis kompensiert werden, indem die Richtungskomponente 26 ermittelt und das Wertepaar 23 um diese Komponente 26 rechnerisch wieder zurückbewegt wird. Mit dem so korrigierten Wertepaar ergibt sich aus der Kalibrationsmatrix 22 der korrekte Wert der Konzentration der Messgaskomponente. Den Bewegungsrichtungen 25 und 26 können jedoch zusätzliche Bewegungsrichtungen überlagert sein, die aus Schwankungen weiterer mess- und/oder gerätespezifischer Parameter, z. B. der Leistung des Infrarot-Strahlers 1 oder Verschmutzung der Messküvette 4, resultieren. Dies macht es schwer, Quergaseinflüsse von anderen Fehlereinflüssen zu unterscheiden und das Messergebnis entsprechend zu korrigieren.
Um Quergaseinflüsse von anderen Fehlereinflüssen, wie ver- schmutzungs-, alterungs- oder temperaturbedingten Veränderungen an der Infrarot-Strahlungsquelle 1 oder Detektoranordnung 10, zu trennen, wird zunächst eine feste Phasenimbalance in der Umschaltung der Strahlung 2 zwischen der Messküvette 4 und Referenzküvette 5 erzeugt.
Wie Figur 3 zeigt, kann zu diesem Zweck beispielsweise die Rotationsachse 27 des Blenden- oder Flügelrads 8 in Richtung des Pfeils 28 gegenüber der Messküvette 4 und Referenzküvette 5 versetzt werden. Entsprechend der Darstellung in Figur 4 ist die Leistungsdichteverteilung 29 bzw. 30 der mittels des Strahlteilers 3 in die Küvetten 4 und 5 eingeleiteten Strah- lung 2 symmetrisch zu den Achsen 31 und 32 der beiden Küvetten 4 und 5. Der periodische Wechsel zwischen Durchlassen und Unterbrechen der Strahlung 2 durch die Messküvette 4 erfolgt mit einer geringen Phasenverschiebung von beispielsweise 1° gegenphasig gegenüber dem Wechsel zwischen Durchlassen und Unterbrechen der Strahlung 2 durch die Referenzküvette 5, wobei diese geringen Phasenverschiebung die Phasenimbalance in der Umschaltung der Strahlung 2 zwischen der Messküvette 4 und Referenzküvette 5 bildet. Figur 3 zeigt schließlich noch eine Lichtschranke 33 zur Erfassung der momentanen Stellung des Blenden- oder Flügelrads 8.
Wie Figur 5 zeigt, kann die Phasenimbalance in der Umschaltung der Strahlung 2 zwischen den Küvetten 4 und 5 alternativ zu der in Figur 3 gezeigten Verschiebung der Rotationsachse 27 des Blenden- oder Flügelrads 8 dadurch erzeugt werden, dass die Strahlung 2 mittels des Strahlteilers 3 asymmetrisch zu den Achsen 31, 32 der Messküvette 4 und Referenzküvette 5 in die beide Küvetten 4, 5 eingeleitet wird. Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung der Phasenimbalance besteht in der Änderung des Abstandes zwischen beiden Küvetten 4 und 5.
Aufgrund der Phasenimbalance enthalten die Messsignale Sa und Sb neben einer Amplitudeninformation auch eine Phaseninformation. Während die Messgaskomponente und Quergase in der Mess- küvette 4 sowohl die Amplitude als auch die Phase des jeweiligen Messsignals Sa bzw. Sb beeinflussen, wirken sich Intensitätsänderungen der Infrarot-Strahlung 2, die die Strahlen- gänge in beiden Küvetten 4 und 5 gleichermaßen betreffen, nur auf die Amplitude des jeweiligen Messsignals Sa bzw. Sb aus. Solche die Strahlengänge in beiden Küvetten 4 und 5 gleichermaßen betreffenden Intensitätsänderungen der Infrarot-Strahlung 2 können insbesondere aus verschmutzungs-, alterungs- oder temperaturbedingten Veränderungen an der Infrarot-Strahlungsquelle 1 oder Detektoranordnung 10 resultieren. Durch Trennung der Amplituden- und Phaseninformationen der Messsignale Sa und Sb kann daher zwischen der Beeinflussung des Messergebnisses M durch Mess- und Quergase einerseits und Veränderungen an der Infrarot-Strahlungsquelle 1 und Detektoranordnung 10 andererseits unterschieden werden und das Messergebnis M entsprechend korrigiert werden.
Zur Trennung der Amplitudeninformationen und Phaseninforma- tionen kann z. B. jedes der beiden Messsignale Sa und Sb in der Auswerteeinheit 21 jeweils mittels eines Doppel-Lock-In-
Verstärkers phasensensitiv zur Modulation der Strahlung 2 detektiert werden, wobei ein Messsignalvektor mit einer In- phasekomponente und einer Quadraturkomponente erzeugt wird. Dies wird im Folgenden stellvertretend für ein Messsignal S erläutert, das für jeweils eines der Messsignale Sa und Sb steht.
Figur 6 zeigt ein Beispiel für den Doppel-Lock-In-Verstärker 34, der das Messsignal S als Eingangssignal und von dem Modulator 8, hier z. B. der in Figur 3 gezeigten Lichtschranke 33, ein Referenzsignal R erhält. Der Lock-In-Verstärker 34 enthält ggf. ein Bandpassfilter 35 und einen Verstärker 36 zum Vorfiltern und Verstärken des Messsignals S. Das band- passgefilterte und verstärkte Messsignal S wird in einem phasensensitiven Detektor 37 mit dem Referenzsignal R multipliziert und so phasensensitiv demoduliert. Dazu kann das Referenzsignal R zuvor eine Phasenschieber 38 durchlaufen, um einen Phasenabgleich zwischen dem Referenzsignal R und dem Messsignal S zu ermöglichen. Anschließend wird das demodulierte Messsignal in einem Tiefpass 39 integriert, um die Inphasekomponente Sx = S-cosΦ zu erhalten. Um die Quadratur- komponente Sy = S*sinΦ zu erhalten, wird das bandpassgefilterte und verstärkte Messsignal S in einem weiteren phasensensitiven Detektor 40 mit dem zuvor in einem weiteren Phasenschieber 41 um 90° phasenverschobenen Referenzsignal R multipliziert und anschließend in einem weiteren Tiefpass 42 integriert.
Figur 7 zeigt im unteren Teil verschiedene Messsignalvektoren Si, S2, S3, S4 und S5 in einem kartesisches Koordinatensystem. Die Messsignalvektoren Si, S2, S3, S4 und S5 wurden im Rahmen einer Kalibration des Gasanalysators für unterschiedliche Konzentrationen Ki, K2, K3, K4 und K5 der Messgaskomponente in Anwesenheit bekannter Quergaskonzentrationen ermittelt. Der Messsignalvektor Si wurde bei Nullgas und der Messsignalvektor S5 bei Endgas ermittelt. Die Messsignalvektoren Si, S2, S3, S4 und S5 unterscheiden sich bezüglich Amplitude und Phasenlage, wobei die Vektorkomponente in x-Richtung des Koordinatensystem der Inphasekomponente und die Vektorkomponente in y-Richtung der Quadraturkomponente des jeweiligen Messsignalvektors entspricht. So weist der Messsignalvektor S4 die In- phasekomponente S4x = S4-cosΦ4 und die Quadraturkomponente S4y = S4 -sin Φ4 auf. Der Phasenwinkel Φ4 ergibt sich aus dem in Drehrichtung des Blendenrades 8 gesehenen Winkelabstand zwischen der das Referenzsignal R liefernden Lichtschranke 33 und den Küvetten 4, 5, der Phasenverschiebung φ durch den Phasenschieber 38 und Signallaufzeiten in dem Doppel-Lock-In- Verstärker 34 und aus der durch die Phasenimbalance in der Umschaltung der Strahlung 2 zwischen der Messküvette 4 und der Referenzküvette 5 in Verbindung mit der Strahlungsabsorp- tion in der Messküvette 4 erzeugten mess- und quergasabhängi- gen Phaseninformation. Die Messsignalvektoren Si, S2, S3, S4 und S5 definieren eine Kennlinie 43, die als Tabelle hinterlegt sein kann, wobei Zwischenwerte der Kennlinie 43 durch Interpolation der aufgenommenen Messsignalvektoren Si, S2, S3, S4 und S5 gebildet werden können. Die Kennlinie 43 kann auch in Form einer sie beschreibenden mathematischen Funktion f (Sx, Sy) in der Auswerteeinheit 21 hinterlegt sein.
Im oberen Teil von Figur 7 ist Abhängigkeit der Konzentration K der Messgaskomponente von der Amplitude (Länge) der Messsignalvektoren S dargestellt. Bei der Messung einer unbekannten Konzentration K der Messgaskomponente ergibt sich bei unveränderter Quergaskonzentration und unter der Voraussetzung, dass an dem Gasanalysator seit der Kalibrierung keine Veränderungen aufgetreten sind, ein Messgasvektor S, dessen Spitze auf der Kennlinie 43 liegt. Anhand der Länge des Messsignalvektors S wird dann in der Auswerteeinheit 21 die aktuelle Konzentration der Messgaskomponente bestimmt.
Da bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel jedem Punkt auf der Kennlinie 43 eineindeutig (umkehrbar eindeutig) ein Wert der Inphasekomponente Sx zugeordnet ist, kann anstelle der Länge des Messsignalvektors S auch dessen Inphasekomponente Sx verwendet werden, um die aktuelle Konzentration der Messgaskomponente zu bestimmen. Demgegenüber ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel die Verwendung der Quadraturkomponente Sy nicht möglich, weil in einem Teilbereich der Kennlinie 43 unterschiedliche Punkte auf der Kennlinie 43 ein und dieselbe Quadraturkomponente aufweisen. Durch Einstellung des in Drehrichtung des Blendenrades 8 gesehenen Winkelabstands zwischen der Lichtschranke 33 und den Küvetten 4, 5 oder der Phasenverschiebung φ durch den Phasenschieber 38 kann jedoch die Kennlinie 43 in Richtung des Pfeils 44 um den Ursprung 0 des Koordinatensystems gedreht werden, bis jedem Punkt auf der Kennlinie 43 eineindeutig ein Wert der Quadraturkomponente Sy zugeordnet ist. Dann kann auch die Quadraturkomponente Sy verwendet werden, um die aktuelle Konzentration der Messgaskomponente zu bestimmen.
Wenn sich aufgrund von alterungs-, verschmutzungs- oder tem- peraturbedingten Veränderungen an der Infrarot-Strahlungsquelle 1 oder Detektoranordnung 10 die Intensität der erzeugten oder detektierten Infrarot-Strahlung 2 gegenüber dem Ka- librationszustand des Gasanalysators ändert, führt dies bei der Messung zu einem Messsignalvektor SF, dessen Spitze au- ßerhalb der Kennlinie 43 liegt. Wie bereits erläutert, wird jedoch durch diese die Strahlengänge in beiden Küvetten 4 und 5 gleichermaßen betreffenden Intensitätsänderungen der Infrarot-Strahlung 2 nur die Amplitude, nicht aber die Phase des Messsignalvektors SF beeinflusst. Der Messsignalvektor SF kann daher auf einfache Weise korrigiert werden, indem er bei Beibehaltung seines Phasenwinkels ΦF bis zu der Kennlinie 43 verlängert oder verkürzt wird. Aus dem Schnittpunkt 45 des Messsignalvektors SF oder seiner Verlängerung mit der Kennlinie 43 kann dann, wie oben bereits beschrieben, die unbe- kannte Konzentration der Messgaskomponente ermittelt werden. Die Länge des unkorrigierten Messsignalvektors SF bezogen auf die Länge des bis auf den Punkt 45 der Kennlinie 43 korrigierten Messsignalvektors SF ist ein Maß für die Güte des Messsignals SF und kann von der Auswerteeinheit 21 zusammen mit dem Messergebnis M ausgegeben werden.
In der Messpraxis ist jedoch nicht nur die Konzentration der Messgaskomponente in der Messküvette 4 sondern auch die der Quergase veränderlich, so dass durch die vorstehend erläuter- te Trennung der Amplituden- und Phaseninformationen des Messsignals nur zwischen der Beeinflussung des Messergebnisses M durch Mess- und Quergase einerseits und der Beeinflussung des Messergebnisses M durch Veränderungen an der Infrarot-Strahlungsquelle 1 und Detektoranordnung 10 andererseits unter- schieden wird. Die Unterscheidung zwischen der Beeinflussung des Messergebnisses M durch das Messgas und der Beeinflussung des Messergebnisses M durch Quergase erfolgt durch die Erzeugung der zwei (oder weiterer) Messsignale Sa und Sb, die nach Korrektur in einer Korrektureinheit 46 der Auswerteeinrichtung 21 entsprechend dem in Verbindung mit den Figuren 6 und 7 beschriebenen Verfahren mittels der Kalibrationsmatrix 22 ausgewertet werden, so wie dies in Verbindung mit den Figu- ren 1 und 2 erläutert worden ist.
Wie bereits erwähnt kann die Kennlinie 43 als Tabelle oder in Form einer mathematischen Funktion f (Sx, Sy) in der Korrektureinheit 46 der Auswerteeinheit 21 hinterlegt sein. Um die Funktion f (Sx, Sy) zu vereinfachen und den Rechenaufwand zur Korrektur des Messsignalvektors SF zu verringern, kann, wie in Figur 8 gezeigt wird, durch Einstellung des in Drehrichtung des Blendenrades 8 gesehenen Winkelabstands zwischen der Lichtschranke 33 und den Küvetten 4, 5 oder der Phasenver- Schiebung φ durch den Phasenschieber 38 die Kennlinie 43 in Richtung des Pfeils 47 um den Ursprung 0 des Koordinatensystems gedreht werden, bis der für das Nullgas erhaltene Messsignalvektor Si oder alternativ der Messsignalvektor S5 für das Endgas mit einer der Achsen des Koordinatensystems, hier z. B. der y-Achse zusammenfällt.
Figur 9 zeigt den Sonderfall, dass die Kennlinie 43 exakt oder annähernd geradlinig verläuft. Auch hier kann durch Einstellung des in Drehrichtung des Blendenrades 8 gesehenen Winkelabstands zwischen der Lichtschranke 33 und den Küvetten 4, 5 oder der Phasenverschiebung φ durch den Phasenschieber 38 die Kennlinie 43 in Richtung des Pfeils 48 um den Ursprung 0 des Koordinatensystems gedreht werden, bis die Kennlinie 43 parallel zu einer der Achsen des Koordinatensystems, hier z. B. der x-Achse verläuft. Für jeden Punkt auf der Kennlinie 43 beträgt dann die Quadraturkomponente Siy. Bei einem Messsignalvektor SF mit der Inphasekomponente SFx und der Quadraturkomponente SFy kann die Inphasekomponente SFx auf einfache Weise mit SFx korr = Siy- (SFx/SFy) korrigiert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung der Konzentration einer Messgaskomponente in einem Gasgemisch (6) mittels eines nichtdisper- siven Infrarot- (NDIR-) Zweistrahl-Gasanalysators, wobei eine Infrarot-Strahlung (2) durch Modulation abwechselnd durch eine das Gasgemisch (6) aufnehmende Messküvette (4) und eine ein Referenzgas (7) enthaltende Referenzküvette (5) geleitet und anschließend unter Erzeugung eines Messsignals (S, Sa, Sb) detektiert wird und durch Auswertung des Messsignals (S, Sa, Sb) die Konzentration der Messgaskomponente bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet,
- dass eine Phasenimbalance in der Umschaltung der Strahlung (2) zwischen der Messküvette (4) und Referenzküvette (5) erzeugt wird,
- dass das Messsignal (S) phasensensitiv zur Modulation der Strahlung (2) detektiert wird, wobei ein Messsignalvektor (SF) mit einer Amplitudeninformation und einer Phasenin- formation (ΦF) erhalten wird,
- dass bei der Kalibration des Gasanalysators für verschiedene bekannte Konzentrationen (Ki, K2, K3, K4, K5) der Messgaskomponente Messsignalvektoren (Si, S2, S3, S4, S5) unterschiedlicher Amplitude und Phase ermittelt werden, die eine Kennlinie (43) definieren, und
- dass bei der Messung einer unbekannten Konzentration der Messgaskomponente aus dem Schnittpunkt (45) eines dabei erhaltenen Messsignalvektors (SF) oder seiner Verlängerung mit der Kennlinie (43) die unbekannte Konzentration der Messgaskomponente ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die phasenselektive Detektion des Messsignals (S) mittels eines Doppel-Lock-In-Verstärkers (34) erfolgt, wobei eine Inphasekomponente (Sx) und eine Quadraturkomponente (Sy) des Messsignalvektors (S) erhalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Modulation der Strahlung (2) und der phasensensitiven Detektion des Messsignals (S) eine Phasenverschiebung eingefügt wird, mit der die Kennlinie (43) in dem von In- phasekomponente (Sx) und Quadraturkomponente (Sy) gebildeten Koordinatensystem soweit gedreht wird, dass entweder ein bei der Kalibration des Gasanalysators mit Nullgas erhaltener Messsignalvektor (Si) oder ein bei der Kalibration mit Endgas erhaltener Messsignalvektor (S5) mit einer der Achsen des Koordinatensystems zusammenfällt.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei zumindest annähernd geradlinigem Verlauf der Kennlinie
(43) in dem von Inphasekomponente (Sx) und Quadraturkomponen- te (Sy) gebildeten Koordinatensystem zwischen der Modulation der Strahlung (2) und der phasensensitiven Detektion des Messsignals (S) eine Phasenverschiebung eingefügt wird, mit der die Kennlinie (43) in dem Koordinatensystem soweit gedreht wird, bis sie parallel zu einer der Achsen des Koordi- natensystems verläuft.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kalibration lediglich ein Messsignalvektor (Si) bei Nullgas und ein weiterer Messsignalvektor (Ss) bei Endgas ermit- telt wird.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand zwischen der Spitze eines Messsignalvektors (SF) und der Kennlinie (43) als Abweichung des Gasanalysators vom Kalibrationszustand detektiert wird und ausgegeben.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsachse eines für die Modula- tion der Strahlung (2) verwendeten Blenden- oder Flügelrads (8) in Bezug auf die Achsen der Messküvette (4) und Referenz- küvette (5) versetzbar ist, um die Phasenimbalance in der Um- Schaltung der Strahlung (2) zwischen den Küvetten (4, 5) einzustellen .
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Messküvette (4) und der Referenzküvette (5) einstellbar ist, um die Phasenim- balance in der Umschaltung der Strahlung (2) zwischen den Küvetten (4, 5) einzustellen.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung (2) mittels eines Strahlteilers (3) asymmetrisch zu den Achsen (31, 32) der Messküvette (4) und Referenzküvette (5) in beide Küvetten (4, 5) eingeleitet wird um die Phasenimbalance in der Umschaltung der Strahlung (2) zwischen den Küvetten (4, 5) einzustellen.
10. Nichtdispersiver Infrarot- (NDIR-) Zweistrahl-Gasanalysa- tor zur Bestimmung der Konzentration einer Messgaskomponente in einem Gasgemisch (6), mit - einer Infrarot-Strahlungsquelle (1) zur Erzeugung einer Infrarot-Strahlung (2),
- einer das Gasgemisch (6) aufnehmenden und von der Infrarot-Strahlung (2) durchstrahlbaren Messküvette (4),
- einer ein Referenzgas (7) enthaltenden und von der Infra- rot-Strahlung (2) durchstrahlbaren Referenzküvette (5),
- einem Modulator (8) zum periodischen Umschalten der Strahlung (2) zwischen der Messküvette (4) und Referenzküvette (5),
- einer die aus der Messküvette (4) und Referenzküvette (5) austretende Strahlung (2) detektierenden und ein Messsignal (S, Sa, Sb) erzeugenden Detektoranordnung (10) und
- einer Auswerteeinheit (21) zur Bestimmung der Konzentration der Messgaskomponente aus dem Messsignal (S, Sa, Sb) , gekennzeichnet durch, - Mittel zur Erzeugung einer Phasenimbalance in der Umschaltung der Strahlung (2) zwischen der Messküvette (4) und Referenzküvette (5) , - Mittel (34), die das Messsignal (S) phasensensitiv zur Modulation der Strahlung (2) detektieren und einen Messsignalvektor (SF) mit einer Amplitudeninformation und einer Phaseninformation (ΦF) erzeugen, - Mittel (46) zum Erzeugen einer Kennlinie (43) aus Messsignalvektoren (Si, S2, S3, S4, S5) unterschiedlicher Amplitude und Phase, die bei der Kalibration des Gasanalysators für verschiedene bekannte Konzentrationen (Ki, K2, K3, K4, K5) der Messgaskomponente erzeugt werden, und - Mittel (46) zur Bestimmung einer unbekannten Konzentration der Messgaskomponente aus dem Schnittpunkt (45) eines bei der Messung der unbekannten Konzentration der Messgaskomponente erhaltenen Messsignalvektors (SF) oder seiner Verlängerung mit der Kennlinie (43) .
11. Nichtdispersiver Infrarot- (NDIR-) Zweistrahl-Gasanalysa- tor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (34) zur phasenselektiven Detektion des Messsignals (S) einen Doppel-Lock-In-Verstärkers (34) umfassen, der eine Inphase- komponente (Sx) und eine Quadraturkomponente (Sy) des Messsignalvektors (S) erzeugt.
12. Nichtdispersiver Infrarot- (NDIR-) Zweistrahl-Gasanalysa- tor nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch Mittel (33, 38) zur Einfügung einer Phasenverschiebung zwischen der Modulation der Strahlung (2) und der phasensensitiven Detektion des Messsignals (S) , derart, dass die Kennlinie (43) in dem von Inphasekomponente (Sx) und Quadraturkomponente (Sy) gebildeten Koordinatensystem soweit gedreht wird, dass entweder ein bei der Kalibration des Gasanalysators mit Nullgas erhaltener Messsignalvektor (Si) oder ein bei der Kalibration mit Endgas erhaltener Messsignalvektor (S5) mit einer der Achsen des Koordinatensystems zusammenfällt .
13. Nichtdispersiver Infrarot- (NDIR-) Zweistrahl-Gasanalysa- tor nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch Mittel (33, 38) zur Einfügung einer Phasenverschiebung zwischen der Modulation der Strahlung (2) und der phasensensitiven Detektion des Messsignals (S) , derart, dass bei zumindest annähernd geradlinigem Verlauf der Kennlinie (43) in dem von Inphasekompo- nente (Sx) und Quadraturkomponente (Sy) gebildeten Koordinatensystem die Kennlinie (43) soweit gedreht wird, bis sie parallel zu einer der Achsen des Koordinatensystems verläuft.
14. Nichtdispersiver Infrarot- (NDIR-) Zweistrahl-Gasanalysa- tor nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsachse eines für die Modulation der Strahlung (2) verwendeten Blenden- oder Flügelrads (8) in Bezug auf die Achsen der Messküvette (4) und Referenzküvette (5) versetzbar ist, um die Phasenimbalance in der Umschaltung der Strahlung (2) zwischen den Küvetten (4, 5) einzustellen.
15. Nichtdispersiver Infrarot- (NDIR-) Zweistrahl-Gasanalysa- tor nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Messküvette (4) und der Referenzküvette (5) einstellbar ist, um die Phasenimbalance in der Umschaltung der Strahlung (2) zwischen den Küvetten (4, 5) einzustellen.
16. Nichtdispersiver Infrarot- (NDIR-) Zweistrahl-Gasanalysa- tor nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung (2) mittels eines Strahlteilers (3) asymmetrisch zu den Achsen (31, 32) der Messküvette (4) und Referenzküvette (5) in beide Küvetten (4, 5) eingeleitet wird um die Phasenimbalance in der Umschaltung der Strahlung (2) zwischen den Küvetten (4, 5) einzustellen.
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