CH637480A5 - Vorrichtung zur messung der konzentration mindestens einer komponente eines gasgemisches und verfahren zum betrieb der vorrichtung. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung, bei welchem diese geeicht wird.

Bei einem bekannten selektiven Verfahren, dem Photometerverfahren nach dem Bifrequenzprinzip, wird die Probe mit Licht zweier verschiedener Wellenlängenbereiche durchstrahlt, wobei der eine Wellenlängsbereich mit einer Absorptionsbande der zu untersuchenden Gaskomponente zusammenfällt, wäh-5 rend der andere, eng benachbarte Wellenlängenbereich, ausserhalb des Absorptionsbereiches liegt und daher vom Gas nicht geschwächt wird. Die beiden Wellenlängenbereiche werden durch Gitter oder durch Festkörper-Interferenzfilter aus dem Spektrum der Strahlungsquelle ausgeblendet. Die Strahlungen io unterschiedlicher Wellenlänge durchlaufen alternierend das Kü-vettensystem und werden am Detektor nachgewiesen. Durch Vergleich jeweils zweier aufeinanderfolgender Signale unterschiedlicher Wellenlänge werden Intensitätsschwankungen der Lichtquelle oder Variationen der optischen Transmission und 15 des Reflexionsvermögens des Strahlenganges sowie Schwankungen der Empfindlichkeit und des Nullpunktes des Detektors sowie Variationen der Hintergrundstrahlung weitgehend eliminiert, da sie sich in nahezu derselben Weise auf die beiden Strahlungsimpulse auswirken, (vgl. Prospekt der Firma Feed-20 back Instr. Ltd. vom Februar 1972, betreffend den IR-Analysa-tor PSA 401 und DE-AS 24 07 133).

Im Falle der Verwendung eines Gitters als Frequenz-Selek-tor bei einem derartigen Analysator ist die Messzeit durch die zur Umschaltung zwischen den beiden Wellenlängenbereichen 25 des Bifrequenzprinzips benötigte Zeit bestimmt. Bedingt durch die hohen Genauigkeitsanforderungen bei der Wellenlängenselektion, liegt die Umschaltfrequenz bei etwa 10~2Hz, so dass Messzeiten von etwa 100 Sekunden erforderlich sind.

Im Unterschied zu den Gitter-Analysatoren sind quasikon-30 tinuierliche Messungen bei Messzeiten unterhalb 1 Sekunde und bei kleinen in Luft zurückgelegten Lichtwegen prinzipiell möglich, wenn die Wellenlängenselektion mit Festkörperfiltern durchgeführt wird, die auf einem mit höherer Frequenz rotierenden Filterrad (oder einer Pendelscheibe) angeordnet sind. 35 Solche Messprobleme sind auch durch den Einsatz bekannter Spektralanalysatoren mit negativer Gas-Filterung zu lösen, wobei auf einer rotierenden Kreisscheibe angeordnete Gasfilter und Referenzfilterzellen alternierend durch den Strahlengang bewegt wèrden.

40 Der Nachteil dieser Methoden besteht darin, dass bei den erforderlichen hohen Chopperfrequenzen eine zeitliche Überlappung aufeinanderfolgender Signale auftritt, falls die Detektoren selbst oder die diesen nachgeschaltete Elektronik vergleichsweise grosse Zeitverzögerung besitzen, welche Messfeh-451er verursacht oder die Messung unmöglich macht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu entwickeln, mit der der Einfluss der Überlappung aufeinander folgender Detektorsignale auf das Messergebnis vermieden wird. Ausserdem soll ein einfaches Verfahren zur Ei-50 chung einer solchen Vorrichtung geschaffen werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebene Vorrichtung und das im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 6 beschriebene Eichverfahren gelöst.

55 Die mit dieser Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, dass mit relativ einfachen Mitteln eine hohe Messgenauigkeit bei hoher Selektivität und sehr kleinen Messzeiten erreicht wird und bei kleinem Bauvolumen und reduzierter Anzahl von Komponenten eine Verminderung der Herstel-60 lungskosten zu erzielen ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Infrarot-Analysa-tors mit rotierenden Gas- oder Festkörperfiltern,

65 Fig. 2a ein Prinzip der Kompensation der Messwertfälschung durch einander überlappende AuSgangssignale eines Strahlendetektors bei Auswertung von der Hellperiode des Detektors zugeordneten Detektorsignalen.

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Fig. 2b ein Prinzip der Kompensation der Messwertfäl- tors für IR-Strahlung geführt. Sie hat jedoch Gültigkeit für je-

schung durch einander überlappende Ausgangssignale eines den Detektortyp, wenn Signalüberlappung auftritt. Infolge der Strahlendetektors bei Auswertung von sowohl der Hell- als Drehung des Filterrades 9 (Fig. 1) werden alternierend Refe-

auch der Dunkelperiode zugeordneten Detektorsignalen. renzsignale 20 und Messignale 21 erzeugt, die in bezug auf eine

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer analogen Messwertverarbei- 5 Null-Linie 22 als positive oder negative Signale auftreten. Das tung, Ausgangssignal ist proportional zur zeitlichen Temperaturände-

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer digitalen Messwertverarbei- rung dT/dt des aktiven Detektorelements, d.h. hohe positive tung. Signalwerte bedeuten starke Erwärmung, negative Signale ent-

Der prinzipielle Aufbau eines Infrarot-Analysators ergibt sprechen einer Abkühlung des Detektors. Die strichlierten Kursich aus Fig. 1. Die von einem Infrarot-Strahler 1 emittierte 10 venabschnitte 23,24 sind die Abkühlkurven des Detektors, die Strahlung wird durch ein erstes Linsensystem 2, ein optisches sich ergeben würden, falls der jeweils nächstfolgende Strah-Breitbandfilter 3, das den grössten Teil der für die Absorptions- lungsimpuls erst nach beliebig langer Zeit auf den Detektor messungen nicht benötigten Lichtfrequenzen ausgeblendet, eine treffen würde. Wegen Beziehung (2) ist den Kurvenabschnitten Messküvette 4, die vom Messgas durchströmt und deren Gas- 23,24 jedoch die Temperaturanstiegskurve des nächsten Strah-druck mit einem Druckmesser 5 gemessen wird, und ein zweites 15 Iungsimpulses überlagert. Das wirkliche Messignal ist daher Linsensystem 6 auf einen thermischen Detektor 7 geleitet, dem gleich der Differenz zwischen Temperaturanstiegskurve 21 und eine elektronische Messwertverarbeitung 8 nachgeschaltet ist. Abkühlkurve 24. Für quantitative Absorptionsmessungen wird Zwischen dem ersten Linsensystem 2 und dem Breitbandfil- das zur Strahlungsintensität proportionale Integral dieser Diffe-ter 3 ist als Chopper ein Filterrad 9 im Strahlengang angeordnet, renzfunktion, d.h. die zwischen den Kurven 21 und 24 liegende das von einem Schrittmotor 10 angetrieben wird und mit Gasfil- 20 Fläche F, bestimmt.

tern und/oder Festkörperinterferenzfiltern bestückt ist. Im Falle Die Fläche F kann in guter Näherung dadurch ermittelt wer-der Verwendung von Gasfiltern ist das Referenzfilter 11 mit den, dass eine Parallele zur Null-Linie 22 als Integrationsbasis mindestens einer unter hohem Partialdruck stehenden Kompo- 25 gewählt und das Integral bezüglich dieser Basis bestimmt nente eines zu untersuchenden Gasgemisches und das Messfilter wird. Der Abstand 26 der Integrationsbasis 25 von der Null-12 evakuiert oder mit einem nichtabsorbierenden Gas, z.B. He- 25 Linie 22 ergibt sich daraus, dass die im wesentlichen von der lium, gefüllt. Integrationsbasis 25 und dem Kurvenabschnitt 24 gebildeten

In der gezeichneten Stellung des Filterrades 9 durchdringt Dreiecksflächen Fj und F2 gleichen Flächeninhalt haben müs-der IR-Strahi 13 das mit den zu messenden Gasen gefüllte Refe- sen. Der Abstand 26 kann z.B. durch eine dem Eingang eines renzfilter 11, so dass das auf den Detektor 7 auftreffende Licht Integrationsgliedes der Messwertverarbeitung aufgeprägte um den im Referenzfilter 11 absorbierenden Anteil geschwächt 30 Gleichspannung eingestellt werden. Dabei wird zweckmässiger-ist. Dabei ist das Breitbandfilter 3 so ausgewählt, dass dessen weise der Absolutwert der Spannung so eingestellt, dass bei sehr Durchlasswellenlängenbereich mindestens eine Absorptions- hohem Druck in der Messküvette 4 das Integral der Fläche F in bande des Messgases umfasst. Wenn das Messfilter 12 in den dem Integrationsintervall 27 zu Null wird.

Strahlengang des IR-Strahles 13 tritt, wird das den Detektor 7 Diese einfache Massnahme ermöglicht neben der Entkop-

treffende Licht um den Anteil geschwächt, der von dem Mess- 35 plung der den Referenzsignalen 20 überlagerten Messignale 21 gas in der Küvette 4 absorbiert wurde, da das Messfilter 12 den eine Eliminierung von unerwünschtem Falschlicht, das z.B. von Strahl ungeschwächt durchlässt. Aus der Differenz der beiden dem Emissionsvermögen der Filter 11,12 in einem von dem zu den Detektor 7 treffenden Lichtsignale kann die Konzentration untersuchenden Gas nicht absorbierten Spektralbereich her-und der Partialdruck des die Messküvette 4 durchströmenden rührt. Dieser Falschlichtanteil wird bei der einmaligen Einstel-Gases ermittelt werden. Bei Verwendung von Festkörperinter- 40 lung der Gleichspannung automatisch kompensiert, so dass ferenzfiltern, wobei die Transmissionskurve des ersten Filters Nichtlinearitäten der Anzeige des Analysators vermieden mit der Absorptionsbande des zu untersuchenden Gases zusam- werden.

menfällt und die Transmissionskurve des zweiten Filters mög- In Fig. 2b ist das Prinzip der Kompensation der Messwert-

Iichst dicht bei der des ersten Filters liegt, kann das Breitbandfil- Verfälschung durch einander überlappende Ausgangssignale ei-ter 3 entfallen. 45 nes Strahlungsdetektors bei Auswertung von sowohl der Heil-

Für präzise Messungen der Partialdrücke und der Konzen- als auch der Dunkelperiode zugeordneten Detektorsignalen trationen von Gasgemischen muss unabhängig vom Messprinzip dargestellt. Dadurch wird gegenüber dem in Fig. 2a erläuterten das Signal/Rausch-Verhältnis des Detektors möglichst gross Verfahren eine weitere Verbesserung des Signal/Rausch-Ver-sein. Das ist dann der Fall, wenn der Rückkopplungswiderstand hältnisses erzielt.

Rf bzw. der Quellwiderstand Rs des Vorverstärkers sehr gross so Die Integrationsbasis 28 liegt unterhalb des Ausgangssignals ist, da das Signal/Rausch-Verhältnis S/R gemäss 20,21 des Detektors 4, die Integrationsgrenzen sind festgelegt durch die Schnittstellen 30, 31, 32, 33 des Ausgangssignales 20, S/R~(Rj s) 1/2 (1) 21 mit der Null-Linie 22. Zur Auswertung werden jeweils die

Differenzen (F1'-F2/) der Integrale F/, F2' des Referenzsignals ansteigt. Einer Erhöhung von Rf bzw. von Rs sind jedoch Gren- 55 und (F3'-F4') der Integrale F3', F4' des Messignals gebildet. Von zen gesetzt, da die Grenzfrequenz vg des Verstärkersystems bei jeder der beiden Differenzen wird der bei sehr hohem Druck in der Kapazität C des Systems entsprechend der Beziehung der Messküvette 4 vorliegende Wert F3'pOo-F4'p=o) subtrahiert,

um Falschlicht zu eliminieren und um den durch die Signalüber-vg~ 1 / ( Rj s • C) (2 ) Iappung hervorgerufenen Effet zu kompensieren.

60 Es ist auch möglich, die Null-Linie 22 als Integrationsbasis mit wachsendem Rf abnimmt, so dass eine unerwünschte Über- zu verwenden. Dabei sind für das Referenzsignal 20 und für das Iappung zeitlich aufeinanderfolgender Signale auftritt. Messignal 21 jeweils die Summen der oberhalb und unterhalb

In Fig. 2a ist dargestellt, wie die durch den Verstärkerwider- der Null-Linie 22 liegenden Flächen zu bilden.

stand und/oder durch den Detektor selbst bedingte Überlap- Ein Blockschaltbild einer analogen Messwertverarbeitung pung aufeinanderfolgender Ausgangssignale eliminiert werden 65 ist in Fig. 3 dargestellt.

kann und zwar durch Auswertung der jeweils während der Hell- Die Messwertverarbeitung 8 (siehe Figur 1) besteht im we-periode entstehenden Detektorausgangssignale. sentlichen aus einer analogen Rechenstufe 40 und einer deren

Die Diskussion wird am Beispiel eines thermischen Detek- Funktionen steuernden digitalen Steuereinheit 41, die mit ei-

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nem Netzteil und einer ersten Anzeigeeinheit 42 für den Partial- und mit der an den Ausgang der Dividierstufe 63 angeschlosse-druck und einer zweiten Anzeigeeinheit 43 für die Konzentra- nen Anzeigeeinheit 43 angezeigt.

tion in einem 19-Zoll-Gehäuse angeordnet sind. Dem Ausgang Die elektronische Signalverarbeitung wirkt als Lock-in-Ver-des thermischen Detektors 7 sind ein schmalbandiges Frequenz- stärker, da eine phasenstarre Summation über viele zeitlich auf-filter 44 und ein Verstärker 45 nachgeschaltet. Die am Ausgang 5 einanderfolgenden Integrale an den RC-Gliedern der Sample/ 46 des Verstärkers 45 alternierend auftretenden Referenzsigna- Hold-Einheiten 58,59 erfolgt und die Chopperfrequenz mit der le 20 und Messignale 21 werden zeitlich nacheinander mit ei- Mittelfrequenz des Schmalbandverstärkers 44,45 überein-nem Integrationsglied 47 getrennt integriert und in einer Loga- stimmt. Eine zusätzliche Vergrösserung des Signal/Rausch-rithmiereinheit 48 logarithmiert. Zum vorbestimmten Einstel- Verhältnisses wird durch die Integration über die Signalimpulse len des Abstandes 26,29 der Integrationsbasis 25,28 von der io des thermischen Detektors 7 erzielt.

Null-Linie 22 wird dem am Ausgang 46 des Verstärkers 45 Das Blockschaltbild einer digitalen Messwertverarbeitung auftretenden Signal 20,21 eine vorbestimmte Gleichspannung ist in Fig. 4 dargestellt.

aufgeprägt. Die am Ausgang 69 des Detektors 7 anliegenden analogen

Die Steuereinheit 41 besteht im wesentlichen aus einem Os- Signale werden einer digitalen Rechenstufe 70 zugeführt und in zillator einstellbarer Frequenz, der über einen Ausgang 50 und 15 dieser über einen Eingangsverstärker 71 auf einen integriereneinen ersten Frequenzteiler 51 die Stromversorgung des Schritt- den Analog/Digital-Wandler 72 gegeben. Die digitalen Integra-motors 10 und über einen unteren Ausgang 52 und einen zwei- le werden über einen Multiplexer 73 einem digitalen Vielkanal-ten Frequenzteiler 53 mit einem nachgeschalteten Zähler 54 das Speicher 74 zugeführt. Jeder Kanal des Speichers 74 enthält Integrationsglied 47 ansteuert und das Integrationsintervall auf jeweils die Ergebnisse von Integrationen des Referenzsignals 20 vorbestimmte Werte einstellt. 20 bzw. des Messignals 21 einer zu messenden Gaskomponente des

Das von dem Schrittmotor 10 gedrehte Filterrad 9 wird mit zu analysierenden Gasgemisches. Vorzugsweise wird nach jeder einer Lichtschranke 55 überwacht, die nach jeder vollen Dre- Berechnung eines Integrals der ältere Wert im Speicher 74 hung des Filtersrades 9 den Zähler 54 auf Null zurücksetzt. durch einen neuen ersetzt. Zur Verbesserung des Signal/

Rausch-Verhältnisses werden die in einem Speicher 74 stehen-Der Logarithmiereinheit 48 ist ein elektronischer Umschal- 25 den Werte von einer digitalen Recheneinheit 75 addiert und ter 56 nachgeschaltet, der über einen weiteren Ausgang 57 der digital weiterverarbeitet. Anstelle der in Fig. 3 beschriebenen Steuereinheit 41 gesteuert wird und die dem Referenzsignal 20 analogen Addition einer am Ausgang des Vorverstärkers der zugeordnete Ausgangsgleichspannung der Logarithmiereinheit Rechenstufe 70 anliegenden Gleichspannung kann von der 48 auf eine erste Sample/Hold-Einheit 58 und die dem Messi- Recheneinheit 75 eine digitale Konstante addiert werden, die gnal 21 zugeordnete Ausgangsgleichspannung auf eine zweite 30 bei sehr hohem Druck in der Messküvette 4 von der Rechenein-Sample/Hold-Einheit 59 überträgt. Der Ausgang der ersten heit 75, entsprechend den oben genannten Vorschriften, auto-Sample/Hold-Einheit 58 ist direkt, der Ausgang der zweiten matisch einmalig ermittelt wird. Die gesamte Schaltung wird Sample/Hold-Einheit 59 über einen Inverter 60 auf eine Ad- von einer Steuereinheit 76 überwacht. Zur weiteren Verbesse-dierstufe 61 geschaltet, welche die Differenz beider Gleichspan- rung des Signal/Rausch-Verhältnisses wird die Verstärkung des nungen bildet. Mit einem Eichglied 62 wird die Rechenstufe auf 35 Eingangsverstärkers 71 automatisch durch einen veränderten das jeweilige zu untersuchende Gas angepasst. Widerstand 77 kontinuierlich so eingestellt, dass die digitalen

Der Ausgang der Addierstufe 61 ist auf den ersten Eingang Integrale der Referenzsignale 20 zeitlich konstant bleiben. Die einer Dividierstufe 63 geschaltet, an deren zweitem Eingang ein Regelung erfolgt mit einer Referenzspannungseinheit 78 und den Gasdruck in der Messküvette 4 messender Druckmesser 5 einem Komparator 79. Diese Regelung kann auch für die analo-angeschlossen ist. In der Dividierstufe 63 wird der Quotient aus 40 ge Version eingesetzt werden. Ausserdem können die Vielka-dem Partialdruck der zu messenden Gaskomponente und dem nalspeicher 74 bei der analogen Schaltung nach Fig. 3 in Form Gesamtdruck des Gesamtgemisches in der Messküvette gebildet von analogen CCD-Speichern realisiert werden.

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4 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

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1. Vorrichtung zur Messung der Konzentration mindestens einer Komponente eines Gasgemisches mit einer Lichtquelle, einer im Strahlengang der Lichtquelle angeordneten, das Gasgemisch enthaltenden Küvette, einem der Küvette nachgeordneten fotoelektrischen Wandler, einem zwischen Lichtquelle und Wandler angeordneten Filterrad zur wechselweisen Einbringung mindestens eines Mess- und Referenzfilters in den Strahlengang, Speicherschaltungen zur getrennten Speicherung von dem Mess- und dem Referenzfilter zugeordneten Ausgangssignalen des Wandlers, sowie einer Auswerteschaltung zum Vergleich der dem Mess- und Referenzfilter zugeordneten gespeicherten Ausgangssignale, gekennzeichnet durch einen zwischen Wandler (7) und Speicherschaltungen (58,59; 74) angeordneten Integrator (47 ; 72), eine Steuereinrichtung (41, 51 bis 55; 55,76) zur Festlegung der Integratorzeitintervalle des Integrators (47; 72) und zur Synchronisation dieser Intervalle mit der Anwesenheit des Mess- bzw. Referenzfilters (12,11) im Strahlengang (13) und eine Einrichtung (64,75) zur Festlegung der Integrationsbasis des Integrators (47 ; 72) in bezug auf die Null-Linie (22) des Ausgangssignals des Wandlers (7).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Integrator (47) als Analogschaltung ausgebildet ist, und dass die Einrichtung zur Festlegung der Integrationsbasis (25) aus einer Spannungsquelle (64) besteht, mit der dem Eingang des Integrators (47) eine einstellbare Gleichspannung überlagert werden kann.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung einen Oszillator vorbestimmter Frequenz, einen Zähler (54), der über einen zweiten Frequenzteiler (53) an den Oszillator angeschlossen ist und dessen Ausgang mit einem die Integrationszeitintervalle festlegenden Eingang des Integrators (47) verbunden ist, und einen ersten von dem Oszillator gespeisten Frequenzteiler (51) umfasst, der an die Antriebseinrichtung (10) des Filterrades (9) angeschlossen ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (41,51 bis 55) eine Lichtschranke (55) zur Erzeugung eines Rücksetzim-pulses für den Zähler (54) nach jeder vollen Umdrehung des Filterrades (9) aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Integrator aus einem integrierenden Analog-Digital-Wandler (72) besteht, dass die Speicherschaltungen einen Viel-kanalspeicher (74) umfassen, der eingangsseitig über einen ebenfalls von der Steuereinrichtung (76) gesteuerten Multiple-xer (73) mit dem Analog-Digital-Wandler (72) verbunden ist, und dass die Einrichtung zur Festlegung der Integrationsbasis (28) einen an den Ausgang des Vielkanalspeichers (74) angeschlossenen Rechner (75) aufweist, mittels dessen eine Konstante bestimmbar und zu den im Vielkanalspeicher (74) vorhandenen Daten addierbar ist.

6. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Eichung der Vorrichtung die Grösse der dem Eingang des Integrators (47) zu überlagernden Gleichspannung oder die Grösse der zu den Daten des Vielkanalspeichers (74) zu addierenden Konstanten bestimmt wird, indem die Küvette (4) unter hohem Druck mit der nachzuweisenden Komponenete gefüllt und die Gleichspannung bzw. die Konstante derart gewählt wird, dass das Ausgangssignal der Vorrichtung verschwindet.