DE202019101137U1 - Simultaneous measurement of SO2 concentration, NO2 concentration and NO concentration in a gas mixture - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung (1, 23) zum simultanen Messen einer SO2-Konzentration, einer NO2-Konzentration und einer NO-Konzentration in einem Gasgemisch, aufweisend wenigstens eine Messanordnung (2) mit wenigstens einer einen Teil des Gasgemischs aufnehmenden Messkammer (3), wobei die Messanordnung (2) zum Messen der SO2-Konzentration und der NO2-Konzentration in dem in der Messkammer (3) enthaltenden Teil des Gasgemischs eingerichtet ist, gekennzeichnet durch wenigstens eine weitere Messanordnung (9, 24) mit wenigstens einer einen weiteren Teil des Gasgemischs aufnehmenden weiteren Messkammer (10), wobei die weitere Messanordnung (9, 24) zum Messen der NO-Konzentration in dem in der weiteren Messkammer (10) enthaltenden weiteren Teil des Gasgemischs eingerichtet ist. Device (1, 23) for simultaneously measuring an SO 2 concentration, an NO 2 concentration and an NO concentration in a gas mixture, comprising at least one measuring arrangement (2) with at least one measuring chamber (3) receiving a part of the gas mixture, wherein the measuring arrangement (2) for measuring the SO 2 concentration and the NO 2 concentration in the part of the gas mixture containing in the measuring chamber (3) is set up, characterized by at least one further measuring arrangement (9, 24) with at least one another part of the gas mixture receiving further measuring chamber (10), wherein the further measuring arrangement (9, 24) is arranged for measuring the NO concentration in the further measuring chamber (10) containing further part of the gas mixture.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum simultanen Messen einer SO2-Konzentration, einer NO2-Konzentration und einer NO-Konzentration in einem Gasgemisch, aufweisend wenigstens eine Messanordnung mit wenigstens einer einen Teil des Gasgemischs aufnehmenden Messkammer, wobei die Messanordnung zum Messen der SO2-Konzentration und der NO2-Konzentration in dem in der Messkammer enthaltenden Teil des Gasgemischs eingerichtet ist.The invention relates to a device for simultaneously measuring an SO 2 concentration, an NO 2 concentration and an NO concentration in a gas mixture, comprising at least one measuring arrangement with at least one measuring chamber receiving a part of the gas mixture, wherein the measuring arrangement for measuring the SO 2 Concentration and the NO 2 concentration is set up in the part of the gas mixture contained in the measuring chamber.
Stand der TechnikState of the art
Bei Verbrennungsvorgängen in Anlagen und Maschinen werden Verbrennungsabgase bzw. Rauchgase erzeugt, die in der Regel aufgrund gesetzlicher Vorgaben nicht unbehandelt in die Umgebung einer Anlage bzw. Maschine gelangen dürfen. Um prüfen zu können, ob die Schadstoffemissionen einer solchen Anlage bzw. Maschine den gesetzlichen Vorgaben genügen, können die Verbrennungsabgase kontinuierlich oder in vorgegebenen Zeitabständen analysiert werden, um den Anteil eines bestimmten Schadstoffs in den Verbrennungsabgasen ermitteln zu können. Zum Messen eines Schadstoffs, beispielsweise Schwefeldioxid (SO2), Stickstoffdioxid (NO2) und Stickstoffmonoxid (NO), werden verschiedene Messtechniken bzw. Messgeräte eingesetzt.Combustion gases or flue gases are generated during combustion processes in plants and machines, which as a rule are not allowed to enter the environment of a plant or machine untreated due to legal requirements. To be able to check whether the pollutant emissions of such a plant or machine meet the legal requirements, the combustion gases can be analyzed continuously or at predetermined intervals in order to determine the proportion of a particular pollutant in the combustion exhaust gases. For measuring a pollutant, such as sulfur dioxide (SO 2 ), nitrogen dioxide (NO 2 ) and nitrogen monoxide (NO), various measurement techniques or measuring instruments are used.
Zudem sind Analyseautomaten zur Elementaranalyse, insbesondere zur Bestimmung eines Kohlenstoff- und Schwefelgehalts in einer Probe, bekannt, die in der Regel nach einem Verbrennungsverfahren arbeiten. Die zu untersuchende Probe wird dazu durch Erhitzen, beispielsweise unter Verwendung eines induktiven Heizverfahrens, auf eine Zündtemperatur gebracht. In einem Gasstrom, beispielsweise aus reinem Sauerstoff, verbrennen die Bestandteile Kohlenstoff und Schwefel dann zu Kohlendioxid und Schwefeldioxid. In einem nachgeschalteten Gassensor können diese Stoffe detektiert werden.In addition, automatic analyzers for elemental analysis, in particular for the determination of a carbon and sulfur content in a sample, are known, which usually operate according to a combustion process. The sample to be examined is brought to an ignition temperature by heating, for example using an inductive heating method. In a gas stream, such as pure oxygen, the constituents carbon and sulfur then burn to carbon dioxide and sulfur dioxide. In a downstream gas sensor, these substances can be detected.
Die Reaktionsprodukte Kohlendioxid und Schwefeldioxid zeigen dabei einen zeitlichen Konzentrationsverlauf, der mit Beginn der Verbrennung ansteigt und nach einem Maximum wieder abfällt. Der gesamte Verbrennungsvorgang dauert in der Regel etwa 60 Sekunden. Dieser Peak-Verlauf der Konzentration kann in einer nachgeschalteten Elektronik integriert werden, wobei das Integral der Gaskonzentrationen proportional zu der Kohlendioxid- bzw. Schwefeldioxidkonzentration in der Probe ist. Um ein möglichst exaktes und reproduzierbares Ergebnis zu erhalten, muss die Ansprechgeschwindigkeit des Gassensors möglichst klein sein, so dass Verzögerungen weitestgehend verhindert werden. Im Allgemeinen hat sich das Verfahren der nichtdispersiven Infrarotabsorption (NDIR) für die erforderliche Gassensorik etabliert.The reaction products carbon dioxide and sulfur dioxide show a temporal concentration course, which increases with the beginning of the combustion and drops again after a maximum. The entire combustion process usually takes about 60 seconds. This peak profile of the concentration can be integrated in a downstream electronics, wherein the integral of the gas concentrations is proportional to the carbon dioxide or sulfur dioxide concentration in the sample. In order to obtain the most accurate and reproducible result, the response speed of the gas sensor must be as small as possible, so that delays are largely prevented. In general, the non-dispersive infrared absorption (NDIR) method has become established for the required gas sensor technology.
Ein solcher NDIR-Gassensor ist beispielsweise aus der aus
Die Empfindlichkeit eines Gassensors wird, neben anderen Größen, durch die Küvettenlänge bestimmt. Eine Verlängerung der Küvette bewirkt aufgrund der höheren eingeschlossenen Gasmenge zwischen Strahlungsquelle und Strahlungssensor eine gesteigerte Empfindlichkeit des Gassensors. Der Absorptionskoeffizient von Schwefeldioxid im IR-Bereich ist jedoch sehr klein. Um geringe Schwefeldioxidkonzentrationen (<1 ppm) im Messgas nachweisen zu können, sind daher lange Messküvetten mit einem großen Kammervolumen erforderlich. Aus diesem Grund wird in der
Eine Veränderung der Küvettenlänge vor einer Messung ist allerdings beim Einsatz in Analyseautomaten kaum praktikabel, da beispielsweise der Schwefelgehalt der Probe in der Regel vor der Messung unbekannt ist. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass insbesondere das Zeitverhalten eines Gassensors beim Einsatz in Analyseautomaten die Länge der Küvette beschränkt. Gassensoren sind jedoch bei festgelegter Küvettenlänge nur für einen relativ kleinen Messbereich geeignet. Daher werden in Analyseautomaten häufig mehrere Detektoren mit unterschiedlichen Küvettenlängen für die erforderlichen Messbereiche eingesetzt, was zum einen den konstruktiven Aufwand erhöht und zum anderen durch die verlängerte Ausspülzeit mehrerer Küvetten die Ansprechzeit nachteilig beeinflusst. Hinzu kommt, dass einer Verlängerung der Küvette aufgrund der Abschwächung der Infrarotstrahlung durch unvollständige Reflexion an den Küvettenwänden ohnehin enge Grenzen gesetzt sind. Aus diesem Grund werden längere Küvetten für NDIR-Gassensoren häufig mit einer teuren Goldschicht für eine verbesserte IR-Reflexion versehen.A change in the cuvette length before a measurement, however, is hardly practical when used in automatic analyzers, since, for example, the sulfur content of the sample is usually unknown before the measurement. In addition, it has been shown that in particular the time behavior of a gas sensor when used in automatic analyzers limits the length of the cuvette. However, gas sensors are only suitable for a relatively small measuring range with a defined cuvette length. Therefore, in automatic analyzers often more detectors are used with different Küvettenlängen for the required measuring ranges, which on the one hand increases the design effort and on the other hand adversely affects the response time by the extended rinsing time of multiple cuvettes. In addition, an extension of the cuvette due to the attenuation of the infrared radiation by incomplete reflection on the cuvette walls anyway tight limits are set. For this reason, longer cuvettes for NDIR gas sensors are often provided with an expensive gold layer for improved IR reflection.
In Analysenautomaten treten, je nach Anwendung, beispielsweise Proben mit sehr hohen und sehr geringen Schwefeldioxid-Konzentrationen auf. Diese können bei hohen Konzentrationen 0,2 Vol.-% bis 10 Vol.-% Schwefeldioxid im Gasgemisch erzeugen, während kleine Konzentrationen eine Detektion von unter 1 ppm Schwefeldioxid im Gasgemisch erfordern. Herkömmlich werden dazu mehrere unabhängige Gassensoren benötigt, da der Dynamikbereich eines herkömmlichen Gassensors nicht für beide Messbereiche ausreicht. Der Grund für dieses Verhalten liegt im sogenannten Lambert-Beer'schen-Gesetz
Mit zunehmender Konzentration
Herkömmliche Gassensoren verfügen in der Regel zur Verwendung in Analyseautomaten ein nur unzureichendes Zeitverhalten, da sie nicht an derart schnelle Konzentrationsänderungen angepasst sind. Es hat sich gezeigt, dass eine Messfrequenz von >5 Hz, besser >10 Hz, erforderlich ist, was einerseits eine spezielle Anpassung der Auswerteelektronik erfordert und andererseits eine Verlängerung der Küvette und damit eine Verbesserung der Nachweisgrenze beschränkt.Conventional gas sensors usually have insufficient time response for use in automated analyzers because they are not adapted to such rapid changes in concentration. It has been found that a measurement frequency of> 5 Hz, better> 10 Hz, is required, which on the one hand requires a special adaptation of the evaluation electronics and on the other hand limits an extension of the cuvette and thus an improvement of the detection limit.
Weitere Nachteile der bekannten NDIR-Technik sind beispielsweise eine große Querempfindlichkeit durch ein Überlappen der Schwefeldioxid-Absorptionsbande im IR-Bereich mit anderen Gasen. Insbesondere Wasserdampf ist hier sehr kritisch und führt zu Fehlmessungen. Hierzu müssen am Analyseautomat Reagenzien eingesetzt werden, die zur Absorption des entstandenen Wasserdampfs dienen und sich mit der Zeit verbrauchen.Other disadvantages of the known NDIR technique, for example, a large cross-sensitivity by overlapping the sulfur dioxide absorption band in the IR region with other gases. In particular, water vapor is very critical here and leads to incorrect measurements. For this purpose, reagents must be used on the automated analyzer, which serve to absorb the resulting water vapor and consume over time.
NDIR-Gassensoren nutzen thermische Strahler und thermische Sensoren, die sehr empfindlich auf Temperaturänderungen der Umgebung reagieren. NDIR-Gassensoren nutzen daher in der Regel das AC-Verfahren bei einer Frequenz von 1 Hz bis 10 Hz, um diese Temperatureinflüsse zu reduzieren. Durch die geringe Modulationsfrequenz wird das zeitliche Verhalten der NDIR-Gassensoren stark eingeschränkt. T90-Zeiten, d.h. die Zeitdauer, die ein Gassensor nach einem Temperatursprung braucht, um 90% des Sprungs zu erreichen, unter 0,5 Sekunden sind nur schwer zu erreichen und führen dann zu einem hohen Rauschpegel.NDIR gas sensors use thermal radiators and thermal sensors that are very sensitive to ambient temperature changes. NDIR gas sensors typically use the AC method at a frequency of 1 Hz to 10 Hz to reduce these temperature effects. Due to the low modulation frequency, the temporal behavior of the NDIR gas sensors is severely limited. T90 times, i. the time it takes for a gas sensor to reach 90% of the jump after a temperature jump is less than 0.5 seconds, which is difficult to achieve, resulting in a high level of noise.
Zur selektiven Messung von Schwefeldioxid, beispielsweise um ein Ansprechen auf Kohlendioxid zu verhindern, sind spezielle und teure IR-Filter erforderlich. Diese Filter arbeiten häufig nicht ausreichend schmalbandig, was zu einer Querempfindlichkeit beispielsweise zu Kohlendioxid führen kann, die in der Regel aufwändig mittels Rechenalgorithmen eliminiert werden müssen. Hierdurch entstehen zusätzliche Messungenauigkeiten.For the selective measurement of sulfur dioxide, for example, to prevent a response to carbon dioxide, special and expensive IR filters are required. These filters often do not work sufficiently narrowband, which can lead to a cross-sensitivity, for example to carbon dioxide, which usually has to be eliminated by means of computational algorithms. This results in additional measurement inaccuracies.
Die mit der Zeit immer anspruchsvoller werdenden Anforderungen der Industrie, speziell bei der Messung von kleinsten Schwefelgehalten in metallischen Proben, erfordert eine deutliche Herabsetzung der Nachweisgrenze sowie eine Steigerung der Messgenauigkeit, was mit der bekannten NDIR-Technik aufgrund der angesprochenen physikalischen und technologischen Grenzen nicht mehr zu erreichen ist.The increasingly demanding requirements of the industry, especially in the measurement of smallest sulfur levels in metallic samples, requires a significant reduction in the detection limit and an increase in measurement accuracy, which with the known NDIR technology due to the mentioned physical and technological limits can be reached.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum simultanen Messen einer SO2-Konzentration, einer NO2-Konzentration und einer NO-Konzentration in einem Gasgemisch mit geringeren Querempfindlichkeiten bereitzustellen.An object of the invention is to provide a device for simultaneously measuring a SO 2 - To provide concentration, a NO 2 concentration and an NO concentration in a gas mixture with lower cross sensitivities.
Diese Aufgabe wird durch den unabhängigen Schutzanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Schutzansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren wiedergegeben, wobei diese Ausgestaltungen jeweils für sich genommen oder in verschiedenen Kombinationen von wenigstens zwei dieser Ausgestaltungen miteinander einen weiterbildenden oder vorteilhaften Aspekt der Erfindung darstellen können.This task is solved by the independent protection claim. Advantageous embodiments are given in the dependent claims, the following description and the figures, these embodiments, taken alone or in various combinations of at least two of these embodiments together may constitute a further developing or advantageous aspect of the invention.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum simultanen Messen einer SO2-Konzentration, einer NO2-Konzentration und einer NO-Konzentration in einem Gasgemisch weist wenigstens eine Messanordnung mit wenigstens einer einen Teil des Gasgemischs aufnehmenden Messkammer auf, wobei die Messanordnung zum Messen der SO2-Konzentration und der NO2-Konzentration in dem in der Messkammer enthaltenden Teil des Gasgemischs eingerichtet ist. Des Weiteren weist die erfindungsgemäße Vorrichtung wenigstens eine weitere Messanordnung mit wenigstens einer einen weiteren Teil des Gasgemischs aufnehmenden weiteren Messkammer auf, wobei die weitere Messanordnung zum Messen der NO-Konzentration in dem in der weiteren Messkammer enthaltenden weiteren Teil des Gasgemischs eingerichtet ist.An apparatus according to the invention for simultaneously measuring an SO 2 concentration, an NO 2 concentration and an NO concentration in a gas mixture has at least one measuring arrangement with at least one measuring chamber receiving part of the gas mixture, the measuring arrangement for measuring the SO 2 concentration and the NO 2 concentration in the part of the gas mixture contained in the measuring chamber is established. Furthermore, the device according to the invention has at least one further measuring arrangement with at least one further measuring chamber receiving a further part of the gas mixture, wherein the further measuring arrangement for measuring the NO concentration is set up in the further part of the gas mixture contained in the further measuring chamber.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die Messung der SO2-Konzentration und der NO2-Konzentration mit der (ersten) optoelektronischen Messanordnung und die Messung der NO-Konzentration mit der separaten weiteren (zweiten) optoelektronischen Messanordnung simultan durchgeführt. Hierdurch wird die Messung der SO2-Konzentration, der NO2-Konzentration und der NO-Konzentration mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung weniger empfindlich gegenüber Querempfindlichkeiten zwischen den einzelnen Messkanälen (SO2-Messkanal, NO2-Masskanal, NO-Messkanal) untereinander, wodurch mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine genauere Messung der SO2-Konzentration, der NO2-Konzentration und der NO-Konzentration in dem Gasgemisch, insbesondere im ppm-Bereich, erfolgen kann.With the device according to the invention, the measurement of the SO 2 concentration and the NO 2 concentration are carried out simultaneously with the (first) optoelectronic measuring arrangement and the measurement of the NO concentration with the separate further (second) optoelectronic measuring arrangement. As a result, the measurement of the SO 2 concentration, the NO 2 concentration and the NO concentration with the device according to the invention is less sensitive to cross sensitivities between the individual measuring channels (SO 2 measuring channel, NO 2 -Masskanal, NO measuring channel) with each other, thereby With the device according to the invention a more accurate measurement of the SO 2 concentration, the NO 2 concentration and the NO concentration in the gas mixture, in particular in the ppm range, can be done.
Zur simultanen Messung der Konzentrationen mit den beiden Messanordnungen wird in jede Messkammer ein Teil des zu analysierenden Gasgemischs eingeführt, so dass die Zusammensetzungen der zu analysierenden Teile des Gasgemischs in den beiden Messkammern identisch sind. Das Gasgemisch kann beispielsweise ein Abgas einer Verbrennung seinFor simultaneous measurement of the concentrations with the two measuring arrangements, a part of the gas mixture to be analyzed is introduced into each measuring chamber, so that the compositions of the parts of the gas mixture to be analyzed in the two measuring chambers are identical. The gas mixture may be, for example, an exhaust gas of a combustion
Die (erste) Messanordnung kann als Photometer ausgebildet sein oder ein solches aufweisen. Die Messkammer dieser Messanordnung kann als Gasküvette bzw. Messküvette ausgebildet sein, die mittels wenigstens einer Strahlungsquelle der Messanordnung in Längsrichtung mit elektromagnetischer Strahlung durchleuchtbar ist. Die Messkammer kann bezüglich einer Hauptrichtung der sie durchlaufenden elektromagnetischen Strahlung eine fest vorgegebene Länge haben kann. Alternativ kann die Länge der Messkammer variierbar sein.The (first) measuring arrangement can be designed as a photometer or have such. The measuring chamber of this measuring arrangement can be designed as a gas cuvette or measuring cuvette, which can be transilluminated with electromagnetic radiation in the longitudinal direction by means of at least one radiation source of the measuring arrangement. The measuring chamber may have a fixed length with respect to a main direction of the electromagnetic radiation passing through it. Alternatively, the length of the measuring chamber can be variable.
Die weitere (zweite) Messanordnung kann als Photometer ausgebildet sein oder ein solches aufweisen. Die weitere Messkammer dieser Messanordnung kann als Gasküvette bzw. Messküvette ausgebildet sein, die mittels wenigstens einer Strahlungsquelle der Messanordnung in Längsrichtung mit elektromagnetischer Strahlung durchleuchtbar ist. Die weitere Messkammer kann bezüglich einer Hauptrichtung der sie durchlaufenden elektromagnetischen Strahlung eine fest vorgegebene Länge haben kann. Alternativ kann die Länge der weiteren Messkammer variierbar sein.The further (second) measuring arrangement can be designed as a photometer or have such a photometer. The further measuring chamber of this measuring arrangement can be designed as a gas cuvette or measuring cuvette, which can be transilluminated with electromagnetic radiation in the longitudinal direction by means of at least one radiation source of the measuring arrangement. The further measuring chamber may have a fixed length with respect to a main direction of the electromagnetic radiation passing through it. Alternatively, the length of the further measuring chamber can be variable.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann beispielsweise zur Analyse eines Verbrennungsabgases einer Anlage oder Maschine bzw. in der Schadstoffemissionsmesstechnik oder in einem eingangs beschriebenen Analyseautomaten eingesetzt werden.The device according to the invention can be used, for example, for the analysis of a combustion exhaust gas of a plant or machine or in pollutant emission measurement technology or in an automatic analyzer described above.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Vorrichtung wenigstens eine mit den Messkammern verbundene Gasversorgungseinrichtung auf, die zum simultanen Versorgen der Messkammern mit dem Gasgemisch eingerichtet ist. Um die simultane Ermittlung der SO2-Konzentration, der NO2-Konzentration und der NO-Konzentration nicht nur bei statischen Gaskomponentenkonzentrationswerten in dem Gasgemisch, sondern auch bei dynamischen Gaskomponentenkonzentrationswerten durchführen zu können, sollten die Gaskomponentenkonzentrationen in beiden optischen Messkammern zu jedem Zeitpunkt identisch sein. Hierzu sollten die Messkammern mittels der Gasversorgungseinrichtung parallel betrieben werden und die Gasdurchflüsse durch beide Messkammern gleichgehalten werden, was durch das simultane Versorgen der Messkammern mit dem Gasgemisch sichergestellt werden kann. Die Gasversorgungseinrichtung kann wenigstens eine kommunizierend mit beiden Messkammern verbundene Gaszuführleitung und wenigstens eine kommunizierend mit den beiden Messkammern verbundene Gasabführleitung aufweisen. An diesen Leitungen können Schließventile angeordnet sein, die nach einem Ausspülen der Messkammern mit dem Gasgemisch geschlossen werden können, um statische Gaskomponentenkonzentrationswerte in den Messkammern vorliegen zu haben und messen zu können. Alternativ können die Schließventile geöffnet oder nicht vorhanden sein, so dass das Gasgemisch während der simultanen Messung der SO2-Konzentration, der NO2-Konzentration und der NO-Konzentration kontinuierlich und gleichmäßig durch die Messkammern strömt, so dass dynamische Gaskomponentenkonzentrationswerte vorliegen und gemessen werden können.According to an advantageous embodiment, the device has at least one gas supply device connected to the measuring chambers, which is set up to simultaneously supply the measuring chambers with the gas mixture. In order to be able to carry out the simultaneous determination of the SO 2 concentration, the NO 2 concentration and the NO concentration not only at static gas component concentration values in the gas mixture but also at dynamic gas component concentration values, the gas component concentrations in both optical measuring chambers should be identical at all times , For this purpose, the measuring chambers should be operated in parallel by means of the gas supply device and the gas flows are kept equal by both measuring chambers, which can be ensured by the simultaneous supply of the measuring chambers with the gas mixture. The gas supply device may have at least one gas supply line communicating with both measuring chambers and at least one gas discharge line communicating with the two measuring chambers. Closing valves may be arranged on these lines, which can be closed after flushing the measuring chambers with the gas mixture in order to have static gas component concentration values in the measuring chambers to be able to measure and measure. Alternatively, the closing valves may be opened or absent so that the gas mixture continuously and uniformly flows through the measuring chambers during the simultaneous measurement of the SO 2 concentration, the NO 2 concentration and the NO concentration, so that dynamic gas component concentration values are present and measured can.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung entspricht ein Kammervolumen der Messkammer einem Kammervolumen der weiteren Messkammer. Auch dies ermöglicht eine einfache simultane Ermittlung der SO2-Konzentration, der NO2-Konzentration und der NO-Konzentration nicht nur bei statischen Gaskomponentenkonzentrationswerten, sondern auch bei dynamischen Gaskomponentenkonzentrationswerten, da in den Messkammern die gleichen Messbedingungen gegeben sind, so dass keine Rechenkompensation wegen unterschiedlicher Volumina der Messkammern erfolgen muss.According to a further advantageous embodiment, a chamber volume of the measuring chamber corresponds to a chamber volume of the further measuring chamber. This also makes possible a simple, simultaneous determination of the SO 2 concentration, the NO 2 concentration and the NO concentration not only for static gas component concentration values but also for dynamic gas component concentration values, since the same measurement conditions are present in the measuring chambers, so that no calculation compensation is required different volumes of the measuring chambers must be made.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Messanordnung wenigstens eine schmalbandige Strahlungsquelle zum Erzeugen von die Messkammer durchleuchtender elektromagnetischer Strahlung mit einer ersten Messwellenlänge, die einer Wellenlänge eines Maximums einer für SO2 spezifischen Absorptionsbande entspricht, wenigstens eine schmalbandige Strahlungsquelle zum Erzeugen von die Messkammer durchleuchtender elektromagnetischer Strahlung mit einer zweiten Messwellenlänge, die einer Wellenlänge eines Maximums einer für NO2 spezifischen Absorptionsbande entspricht, und wenigstens eine Sensoreinheit zum Erfassen von aus der Messkammer austretender elektromagnetischer Strahlung bei der ersten Messwellenlänge und der zweiten Messwellenlänge auf. Durch die Verwendung der schmalbandigen Strahlungsquellen sind zusätzliche Filterelemente, die eine spektrale Selektivierung gewährleisten, nicht erforderlich. Alternativ kann die Messanordnung wenigstens eine breitbandige Strahlungsquelle zum Erzeugen von elektromagnetischer Strahlung aufweisen, welche die erste Messwellenlänge und die zweite Messwellenlänge aufweist. Die Sensoreinheit der Messanordnung kann wenigstens einen Strahlungssensor, mit dem beide Messwellenlängen erfassbar sind, oder für jede Messwellenlänge einen separaten Strahlungssensor aufweisen. Letzteres hat den Vorteil, dass zusätzliche Filterelemente, die eine spektrale Selektivierung gewährleisten, nicht erforderlich sind. Die optischen Strahlungsquellen der Messanordnung sind derart relativ zu der Messkammer angeordnet, dass die Messkammer mit der von den Strahlungsquellen erzeugbaren elektromagnetischen Strahlung durchleuchtbar ist. Die Sensoreinheit der (ersten) Messanordnung ist derart relativ zu der Messkammer und den Strahlungsquellen angeordnet, dass mit ihr die aus der Messkammer austretende elektromagnetische Strahlung erfassbar ist.According to a further advantageous embodiment, the measuring arrangement has at least one narrow-band radiation source for generating electromagnetic radiation having a first measurement wavelength which corresponds to a wavelength of a maximum of an absorption band specific for SO 2 , at least one narrow-band radiation source for generating electromagnetic radiation through the measurement chamber with a second measurement wavelength, which corresponds to a wavelength of a maximum of an absorption band specific for NO 2 , and at least one sensor unit for detecting electromagnetic radiation emerging from the measurement chamber at the first measurement wavelength and the second measurement wavelength. The use of narrowband radiation sources eliminates the need for additional filter elements to ensure spectral selectivation. Alternatively, the measuring arrangement can have at least one broadband radiation source for generating electromagnetic radiation which has the first measuring wavelength and the second measuring wavelength. The sensor unit of the measuring arrangement can have at least one radiation sensor, with which both measuring wavelengths can be detected, or for each measuring wavelength, a separate radiation sensor. The latter has the advantage that additional filter elements which ensure spectral selectivation are not required. The optical radiation sources of the measuring arrangement are arranged relative to the measuring chamber such that the measuring chamber can be transilluminated with the electromagnetic radiation that can be generated by the radiation sources. The sensor unit of the (first) measuring arrangement is arranged relative to the measuring chamber and the radiation sources such that the electromagnetic radiation emerging from the measuring chamber can be detected with it.
Die (erste) Messanordnung kann eingerichtet sein, eine Konzentration von wenigstens einer weiteren Gaskomponente des Gasgemischs bei einer Messwellenlänge zu messen, die außerhalb eines der jeweiligen Absorptionsbande zugeordneten Wellenlängenbereichs liegt. Hierdurch kann ein n-kanaliger Betrieb der Vorrichtung zur Messung von n-Gaskomponenten realisiert werden. Auch eine Kompensation von Querempfindlichkeiten kann durch den Einsatz mehrerer Messwellenlängen nützlich sein.The (first) measuring arrangement can be set up to measure a concentration of at least one further gas component of the gas mixture at a measuring wavelength which is outside a wavelength range assigned to the respective absorption band. As a result, an n-channel operation of the device for measuring n-gas components can be realized. Also compensation of cross sensitivities can be useful by using several measurement wavelengths.
Die (erste) Messanordnung kann eingerichtet sein, die Konzentration der SO2-Gaskomponente und/oder der NO2-Gaskomponente entweder bei einer Maximum-Messwellenlänge, die einer Wellenlänge eines Maximums einer für die jeweilige Gaskomponente spezifischen Absorptionsbande entspricht oder maximal um eine vorgegebene Größe geringfügig von der Wellenlänge des Maximums abweicht, oder bei wenigstens einer Seitenflanken-Messwellenlänge, die in einem einer Seitenflanke der Absorptionsbande zugeordneten Wellenlängenbereich liegt und über die vorgegebene Größe hinaus von der Wellenlänge des Maximums abweicht, zu messen. Hierdurch können unterschiedliche Konzentrationen der jeweilig zu messenden Gaskomponente über einen größeren Konzentrationsbereich bei einer fest vorgegebenen Länge der Messkammer sehr exakt erfasst werden. Unter einer Länge der Messkammer ist hierbei die Länge der Messkammer bezüglich der Richtung der die Messkammer durchlaufenden elektromagnetischen Strahlung zu verstehen. Liegt die Konzentration der jeweiligen Gaskomponente in einem niedrigeren Bereich, kann die Ermittlung der Konzentration der Gaskomponente unter Verwendung der Maximum-Messwellenlänge erfolgen. Liegt die Konzentration der jeweiligen Gaskomponente in einem höheren Bereich, kann die Ermittlung der Konzentration der Gaskomponente unter Verwendung der Seitenflanken-Messwellenlänge erfolgen. Somit kann die Konzentration der jeweiligen Gaskomponente im Bereich von einer einzigen für die Gaskomponente spezifischen Absorptionsbande bei zwei verschiedenen Messwellenlängen und bei festgelegter Länge der Messkammer gemessen werden.The (first) measuring arrangement can be set up, the concentration of the SO 2 gas component and / or the NO 2 gas component either at a maximum measuring wavelength which corresponds to a wavelength of a maximum of an absorption band specific for the respective gas component or at most by a predetermined size slightly deviates from the wavelength of the maximum, or to measure at least one side edge measuring wavelength, which is in a wavelength range associated with a side edge of the absorption band and beyond the predetermined size of the wavelength of the maximum deviates. As a result, different concentrations of the particular gas component to be measured over a larger concentration range at a fixed predetermined length of the measuring chamber can be detected very accurately. In this case, a length of the measuring chamber is understood to be the length of the measuring chamber with respect to the direction of the electromagnetic radiation passing through the measuring chamber. If the concentration of the respective gas component lies in a lower range, the determination of the concentration of the gas component can be carried out using the maximum measuring wavelength. If the concentration of the respective gas component is in a higher range, the determination of the concentration of the gas component can be carried out using the side edge measurement wavelength. Thus, the concentration of the respective gas component in the range of a single gas component specific absorption band can be measured at two different measurement wavelengths and with a fixed length of the measurement chamber.
Dass die Maximum-Messwellenlänge der Wellenlänge des Maximums der für die jeweilige Gaskomponente spezifischen Absorptionsbande entspricht oder maximal um eine vorgegebene Größe geringfügig von der Wellenlänge des Maximums abweicht, soll bedeuten, dass die Maximum-Messwellenlänge entweder identisch mit der Wellenlänge des Maximums der Absorptionsbande ist oder von der Wellenlänge des Maximums der Absorptionsbande um eine vorgegebene Größe, beispielsweise um maximal +/-10% oder um maximal +/-5% der Halbwertsbreite der Absorptionsbande, geringfügig abweicht. Dem Fachmann ist bekannt, dass eine solche Absorptionsbande im Bereich ihres Maximums nicht Peak-förmig verläuft, so dass eine geringfügige Abweichung der Maximum-Messwellenlänge von der Wellenlänge des Maximums der Absorptionsbande bei der Ermittlung der Konzentration der Gaskomponente im Vergleich zu einer Ermittlung dieser Konzentration bei der exakten Wellenlänge des Maximums der Absorptionsbande zu einem nur unwesentlich abweichenden Messergebnis führen würde. Unter einer geringfügigen Abweichung der Maximum-Messwellenlänge von der Wellenlänge des Maximums der Absorptionsbande soll verstanden sein, dass die Maximum-Messwellenlänge nicht im Bereich einer Seitenflanke der Absorptionsbande liegt, die durch einen steileren Verlauf der Absorptionsbande gekennzeichnet ist. Eine Ermittlung der Konzentration der jeweiligen Gaskomponente würde in diesem Bereich der Absorptionsbande zu einem Messergebnis führen, dass, insbesondere hinsichtlich der Messgenauigkeit, deutlicher von dem Messergebnis bei einer Ermittlung der Konzentration der Gaskomponente bei der Maximum-Messwellenlänge abweicht.The fact that the maximum measuring wavelength corresponds to the maximum wavelength of the absorption band specific for the respective gas component or deviates slightly from the maximum wavelength by a predetermined value is intended to mean that the maximum measuring wavelength is either identical to the wavelength of the maximum of the absorption band or from the wavelength of the maximum of the absorption band by a predetermined size, for example by a maximum of +/- 10% or by a maximum of +/- 5% the half-width of the absorption band, slightly different. It is known to the person skilled in the art that such an absorption band is not peak-shaped in the region of its maximum, so that a slight deviation of the maximum measuring wavelength from the wavelength of the maximum of the absorption band in determining the concentration of the gas component in comparison to a determination of this concentration the exact wavelength of the maximum of the absorption band would lead to an only slightly different measurement result. A slight deviation of the maximum measurement wavelength from the wavelength of the maximum of the absorption band should be understood to mean that the maximum measurement wavelength is not in the region of a side edge of the absorption band, which is characterized by a steeper course of the absorption band. A determination of the concentration of the respective gas component would lead to a measurement result in this region of the absorption band which, in particular with respect to the measurement accuracy, differs more clearly from the measurement result when determining the concentration of the gas component at the maximum measurement wavelength.
Dass die wenigstens eine Seitenflanken-Messwellenlänge in dem einer Seitenflanke der Absorptionsbande zugeordneten Wellenlängenbereich liegt und über die vorgegebene Größe hinaus von der Wellenlänge des Maximums abweicht, soll bedeuten, dass die Seitenflanken-Messwellenlänge deutlicher, das heißt um mehr als die vorgegebene Größe, beispielsweise um mehr als +/-5% oder um mehr als +/-10% der Halbwertsbreite der Absorptionsbande, von der Wellenlänge des Maximums der Absorptionsbande abweicht. Die Messanordnung kann auch eingerichtet sein, abhängig von der jeweiligen Konzentration der jeweiligen Gaskomponente entweder bei der Maximum-Messwellenlänge oder bei einer von wenigstens zwei Seitenflanken-Messwellenlängen zu messen, die jeweils im Bereich einer Seitenflanke der Absorptionsbande liegen, wobei die Seitenflanken-Messwellenlängen im Bereich derselben Seitenflanke oder in den Wellenlängenbereichen von verschiedenen Seitenflanken der Absorptionsbande liegen können.The fact that the at least one side edge measuring wavelength lies in the wavelength range assigned to one side flank of the absorption band and deviates beyond the predetermined size beyond the maximum wavelength is intended to mean that the side flank measuring wavelength is clearer, that is to say more than the predetermined size, for example more than +/- 5% or more than +/- 10% of the half-width of the absorption band, deviates from the wavelength of the maximum of the absorption band. The measuring arrangement can also be set up to measure, depending on the respective concentration of the respective gas component, either at the maximum measuring wavelength or at one of at least two side-edge measuring wavelengths, each lying in the region of a side edge of the absorption band, wherein the side-edge measuring wavelengths in the range the same side edge or in the wavelength ranges of different side edges of the absorption band can lie.
Dass die (erste) Messanordnung eingerichtet sein kann, die Konzentration der jeweiligen Gaskomponente entweder bei der jeweiligen Maximum-Messwellenlänge oder bei der wenigstens einen Seitenflanken-Messwellenlänge zu messen, bedeutet, dass die Messanordnung die Konzentration der Gaskomponente bei derjenigen Messwellenlänge misst, die in Abhängigkeit der jeweiligen Konzentration der Gaskomponente einen genaueren Wert der Konzentration der Gaskomponente liefert. Dies ist bei einer geringeren Konzentration der jeweiligen Gaskomponente die Maximum-Messwellenlänge und bei einer höheren Konzentration der Gaskomponente die Seitenflanken-Messwellenlänge.The fact that the (first) measurement arrangement can be set up to measure the concentration of the respective gas component either at the respective maximum measurement wavelength or at the at least one sidewall measurement wavelength means that the measurement arrangement measures the concentration of the gas component at the measurement wavelength that is dependent the respective concentration of the gas component provides a more accurate value of the concentration of the gas component. This is the maximum measurement wavelength at a lower concentration of the respective gas component, and the side edge measurement wavelength at a higher concentration of the gas component.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die weitere Messanordnung wenigstens eine Gasentladungslampe zum Erzeugen von die weitere Messkammer durchleuchtender elektromagnetischer Strahlung, die eine dritte Messwellenlänge aufweist, die einer Wellenlänge eines Maximums einer für NO spezifischen Absorptionsbande entspricht, und wenigstens eine weitere Sensoreinheit zum Erfassen von aus der weiteren Messkammer austretender elektromagnetischer Strahlung bei der dritten Messwellenlänge auf. Die Gasentladungslampe erzeugt unter anderem eine selektive elektromagnetische Strahlung, die von NO absorbiert wird. Die Sensoreinheit der weiteren (zweiten) Messanordnung kann wenigstens einen Strahlungssensor aufweisen, mit dem die dritte Messwellenlänge erfassbar ist. Die Gasentladungslampe ist derart relativ zu der weiteren Messkammer angeordnet, dass die weitere Messkammer mit der von der Gasentladungslampe erzeugbaren elektromagnetischen Strahlung durchleuchtbar ist. Die Sensoreinheit der weiteren Messanordnung ist derart relativ zu der weiteren Messkammer und der Gasentladungslampe angeordnet, dass mit ihr die aus der weiteren Messkammer austretende elektromagnetische Strahlung erfassbar ist.According to a further advantageous embodiment, the further measuring arrangement comprises at least one gas discharge lamp for generating the further measuring chamber transilluminating electromagnetic radiation having a third measuring wavelength corresponding to a wavelength of a maximum of NO specific absorption band, and at least one further sensor unit for detecting from the further measuring chamber exiting electromagnetic radiation at the third measuring wavelength. Among other things, the gas discharge lamp generates a selective electromagnetic radiation that is absorbed by NO. The sensor unit of the further (second) measuring arrangement can have at least one radiation sensor, with which the third measuring wavelength can be detected. The gas discharge lamp is arranged relative to the further measuring chamber such that the further measuring chamber can be transilluminated with the electromagnetic radiation that can be generated by the gas discharge lamp. The sensor unit of the further measuring arrangement is arranged relative to the further measuring chamber and the gas discharge lamp such that the electromagnetic radiation emerging from the further measuring chamber can be detected with it.
Die (zweite) Messanordnung kann eingerichtet sein, eine Konzentration von wenigstens einer weiteren Gaskomponente des Gasgemischs bei einer Messwellenlänge zu messen, die außerhalb eines der Absorptionsbande der NO-Gaskomponente zugeordneten Wellenlängenbereichs liegt. Hierdurch kann ein n-kanaliger Betrieb der Vorrichtung zur Messung von n-Gaskomponenten realisiert werden. Auch eine Kompensation von Querempfindlichkeiten kann durch den Einsatz mehrerer Messwellenlängen nützlich sein.The (second) measuring arrangement can be set up to measure a concentration of at least one further gas component of the gas mixture at a measuring wavelength which is outside a wavelength range associated with the absorption band of the NO gas component. As a result, an n-channel operation of the device for measuring n-gas components can be realized. Also compensation of cross sensitivities can be useful by using several measurement wavelengths.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die weitere Messanordnung wenigstens eine in einem Strahlengang zwischen der Gasentladungslampe und der weiteren Messkammer befindliche, schmalbandige Filtereinheit auf, die elektromagnetische Strahlung lediglich in einem schmalbandigen Frequenzbereich durchlässt, der die Wellenlänge des Maximums der für NO spezifischen Absorptionsbande aufweist. Mit der Filtereinheit können insbesondere störenden Strahlungskomponenten der von der Gasentladungslampe abgegebenen elektromagnetischen Strahlung aus dieser elektromagnetischen Strahlung herausgefiltert werden, deren Frequenzen außerhalb der NO-Absorptionsbande liegen. Die Filtereinheit kann wenigstens ein schmalbandiges Interferenzfilter aufweisen.According to a further advantageous embodiment, the further measuring arrangement has at least one narrow-band filter unit located in a beam path between the gas discharge lamp and the further measuring chamber, which only transmits electromagnetic radiation in a narrow-band frequency range which has the maximum wavelength of the NO-specific absorption band. In particular interfering radiation components of the electromagnetic radiation emitted by the gas discharge lamp can be filtered out of this electromagnetic radiation with the frequencies of which lie outside the NO absorption band. The filter unit may have at least one narrow-band interference filter.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die weitere Messanordnung wenigstens einen mit von der schmalbandigen Filtereinheit durchgelassener elektromagnetischer Strahlung bestrahlten ersten Strahlteiler und wenigstens eine mit einem von dem Strahlteiler ausgehenden elektromagnetischen Teilstrahl bestrahlte erste Referenzsensoreinheit auf. Zur Erfassung geringer NO-Konzentrationen ist es erforderlich, eine sehr gute Signalstabilität im Nullpunkt zu erhalten. Durch den Einsatz der ersten Referenzsensoreinheit vor der Messkammer und einen Vergleich der Messignale der ersten Referenzsensoreinheit mit Messsignalen der Sensoreinheit der weiteren Messanordnung erhält man eine Zusatzinformation über einen Verschmutzungszustand des Inneren der Messkammer. Diese Veränderungen in der Messkammer kann zu einem unerwünschten Nullpunkt-Drift führen, was es zu unterbinden gilt. Die Verwendung der zweiten Referenzsensoreinheit schafft somit eine Verbesserung der Nullpunktstabilität der NO-Konzentrationsmessung.According to a further advantageous embodiment, the further measuring arrangement at least one first beam splitter irradiated with electromagnetic radiation transmitted by the narrow-band filter unit and at least one first reference sensor unit irradiated with an electromagnetic partial beam emanating from the beam splitter. To detect low NO concentrations it is necessary to obtain a very good signal stability at zero point. Through the use of the first reference sensor unit in front of the measuring chamber and a comparison of the measuring signals of the first reference sensor unit with measuring signals of the sensor unit of the further measuring arrangement, additional information about a soiling state of the interior of the measuring chamber is obtained. These changes in the measuring chamber can lead to an undesirable zero-point drift, which must be prevented. The use of the second reference sensor unit thus provides an improvement in the zero-point stability of the NO concentration measurement.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die weitere Messanordnung wenigstens einen mit aus der weiteren Messkammer austretender elektromagnetischer Strahlung bestrahlten zweiten Strahlteiler, wenigstens eine mit einem von dem zweiten Strahlteiler ausgehenden elektromagnetischen Teilstrahl bestrahlte zweite Referenzsensoreinheit und wenigstens eine in einem Strahlengang zwischen dem zweiten Strahlteiler und der zweiten Referenzsensoreinheit befindliche weitere Filtereinheit auf, die aus dem elektromagnetischen Teilstrahl einen schmalbandigen Frequenzbereich herausfiltert, der die Wellenlänge des Maximums der für NO spezifischen Absorptionsbande aufweist. Innerhalb der Strahlungsbande der Gasentladungslampe befinden sich zusätzlich nichtselektive Strahlungskomponenten, die von dem NO in der Messkammer absorbiert werden, was die Messung der NO-Konzentration stört. Die weitere Filtereinheit filtert die selektive Strahlung im Bereich der NO-Absorptionsbands aus der aus der Messkammer austretenden elektromagnetischen Strahlung heraus, während die nichtselektive Strahlung dieser elektromagnetischen Strahlung zu der zweiten Referenzsensoreinheit gelangt. Die Sensoreinheit der weiteren Messanordnung empfängt hingegen sowohl die selektive als auch die nichtselektive Strahlung. Aus einem Vergleich der Messignale der Sensoreinheit der weiteren Messanordnung und der Messignale der zweiten Referenzsensoreinheit kann somit die Störung der NO-Konzentration durch die nichtselektiven Strahlungskomponenten reduziert bzw. beseitigt werden.According to a further advantageous embodiment, the further measuring arrangement has at least one second beam splitter irradiated with electromagnetic radiation emerging from the further measuring chamber, at least one second reference sensor unit irradiated with an electromagnetic beam emerging from the second beam splitter and at least one in a beam path between the second beam splitter and the second Reference sensor unit located on another filter unit, which filters out of the electromagnetic beam part of a narrow-band frequency range having the wavelength of the maximum of the NO specific absorption band. In addition, within the radiation band of the gas discharge lamp are non-selective radiation components, which are absorbed by the NO in the measuring chamber, which disturbs the measurement of the NO concentration. The further filter unit filters out the selective radiation in the region of the NO absorption band from the electromagnetic radiation emerging from the measuring chamber, while the non-selective radiation of this electromagnetic radiation reaches the second reference sensor unit. In contrast, the sensor unit of the further measuring arrangement receives both the selective and the non-selective radiation. From a comparison of the measurement signals of the sensor unit of the further measurement arrangement and the measurement signals of the second reference sensor unit, the disturbance of the NO concentration by the nonselective radiation components can thus be reduced or eliminated.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist wenigstens eine Strahlungsquelle der Messanordnung als UV-Leuchtdiode ausgebildet, wobei die Sensoreinheit der Messanordnung zum Erfassen von UV-Strahlung eingerichtet ist. Beispielsweise kann eine Strahlungsquelle der Messanordnung als UV-Leuchtdiode zur NO2-Messung ausgebildet sein, die elektromagnetische Strahlung bei 405 nm emittiert, während die andere Strahlungsquelle der Messanordnung als UV-Leuchtdiode zur SO2-Messung ausgebildet sein, die elektromagnetische Strahlung bei 285 nm emittiert. Hierdurch kann die Vorrichtung auf der Basis der nichtdispersiven UV-Absorption (NDUV) arbeiten. Schwefeldioxid hat im UV-Bereich bei 285 nm eine stark ausgeprägte Absorptionsbande, die nicht durch andere Gase, wie beispielsweise Wasserdampf oder Kohlendioxid, beeinflusst wird. Es kann in diesem Spektralbereich also eine selektive SO2-Messung ohne Filter oder Reagenzien realisiert werden. Kohlendioxid besitzt in diesem UV-Bereich keine Absorptionsbande, weshalb sich die Vorrichtung gemäß dieser Ausgestaltung auch nicht zur Messung von Kohlendioxid eignet. Die UV-Leuchtdiode strahlt vorzugsweise im UV-Spektralbereich schmalbandig ab. Die für einen vorliegenden Einsatzzweck brauchbare LED-Technik ist noch relativ jung. Nachteilig bei den herkömmlichen UV-Leuchtdioden ist deren begrenzte Lebensdauer. Im Dauerbetrieb bei Nennstrom liegen die Angaben der Hersteller bei etwa 1000 Stunden. Dies ist für industrielle Anwendungen in einem Analyseautomaten viel zu wenig. Die Analyseautomaten müssen im Dauerbetrieb über 1 bis 2 Jahre störungsfrei arbeiten. Um diese Lebensdaueranforderung einhalten zu können, wird die UV-Leuchtdiode vorzugsweise immer nur dann eingeschaltet, wenn eine Probe gefahren wird. Zwischen den Probezyklen bleibt die UV-Leuchtdiode vorzugsweise ausgeschaltet.According to a further advantageous embodiment, at least one radiation source of the measuring arrangement is designed as a UV light-emitting diode, wherein the sensor unit of the measuring arrangement is set up for detecting UV radiation. For example, a radiation source of the measuring arrangement can be designed as a UV light-emitting diode for NO 2 measurement, which emits electromagnetic radiation at 405 nm, while the other radiation source of the measuring arrangement is designed as a UV light-emitting diode for SO 2 measurement, the electromagnetic radiation at 285 nm emitted. This allows the device to operate on the basis of non-dispersive UV absorption (NDUV). Sulfur dioxide has a strong absorption band in the UV range at 285 nm, which is not influenced by other gases such as water vapor or carbon dioxide. Thus, in this spectral range, a selective SO 2 measurement without filters or reagents can be realized. Carbon dioxide has no absorption band in this UV range, which is why the device according to this embodiment is also not suitable for the measurement of carbon dioxide. The UV light emitting diode preferably emits narrow band in the UV spectral range. The usable LED technology for a present purpose is still relatively young. A disadvantage of the conventional UV LEDs is their limited life. In continuous operation at nominal current, the manufacturer's information is about 1000 hours. This is far too little for industrial applications in an automated analyzer. The automatic analyzers must work without interruptions for one to two years in continuous operation. To be able to meet this service life requirement, the UV light-emitting diode is preferably always switched on only when a sample is being driven. Between the test cycles, the UV light-emitting diode preferably remains switched off.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Vorrichtung wenigstens eine signaltechnisch mit den Messanordnungen verbundene Steuer- und/oder Regelelektronik auf, die zum Auswerten von mit den Messanordnungen erzeugten Messsignalen und/oder zum Steuern und/oder Regeln der Messanordnungen während eines Messvorgangs eingerichtet ist.According to a further advantageous embodiment, the device has at least one signaling and control electronics connected to the measurement arrangements, which is set up for evaluating measurement signals generated by the measurement arrangements and / or for controlling and / or regulating the measurement arrangements during a measurement process.
Die Steuer- und/oder Regelelektronik kann zusätzlich eingerichtet sein, während des Messvorgangs zu erfassen, ob die Konzentration der SO2-Gaskomponente oder der NO2-Gaskomponetne einen jeweils vorgegebenen Konzentrationsgrenzwert überschreitet oder nicht, und die Konzentrationsmessung bei der jeweiligen Maximum-Messwellenlänge durchzuführen, wenn die Konzentration der jeweiligen Gaskomponente den Konzentrationsgrenzwert nicht überschreitet, und die Konzentrationsmessung bei der Seitenflanken-Wellenlänge durchzuführen, wenn die Konzentration der jeweiligen Gaskomponente den Konzentrationsgrenzwert überschreitet. Die Steuer- und/oder Regelelektronik kann also eingerichtet sein, die jeweilige Konzentrationsmessung in Abhängigkeit der jeweiligen Konzentration der jeweiligen Gaskomponente entweder bei der Maximum-Messwellenlänge oder bei der Seitenflanken-Messwellenlänge durchzuführen. Zur Erfassung, ob die Konzentration der jeweiligen Gaskomponente den vorgegebenen Konzentrationsgrenzwert überschreitet oder nicht, kann die Steuer- und/oder Regelelektronik die Messanordnung derart ansteuern, dass eine vorläufige Konzentrationsmessung bei der Maximum-Messwellenlänge und/oder der Seitenflanken-Messwellenlänge durchgeführt wird. Die Steuer- und/oder Regelelektronik kann den dabei erfassten vorläufigen Wert der Konzentration der jeweiligen Gaskomponente mit dem vorgegebenen Konzentrationsgrenzwert vergleichen. Überschreitet die Konzentration der jeweiligen Gaskomponente den Konzentrationsgrenzwert nicht, liegt also eine niedrigere Konzentration der Gaskomponente vor, ist die Messanordnung eingerichtet, einen exakten Wert für die Konzentration der Gaskomponente unter ausschließlicher Verwendung der Maximum-Messwellenlänge zu ermitteln. Überschreitet hingegen die Konzentration der jeweiligen Gaskomponente den Konzentrationsgrenzwert, liegt also eine höhere Konzentration der Gaskomponente vor, ist die Steuer- und/oder Regelelektronik eingerichtet, einen exakten Wert für die Konzentration der Gaskomponente unter ausschließlicher Verwendung der Seitenflanken-Messwellenlänge zu ermitteln. Beispielsweise kann bei der Maximum-Messwellenlänge und gleichzeitig bei der Seitenflanken-Messwellenlänge jeweils ein Wert für die Konzentration der jeweiligen Gaskomponente ermittelt werden, wobei die Steuer- und/oder Regelelektronik eingerichtet sein kann, wenigstens einen der ermittelten Konzentrationswerte mit dem vorgegebenen Konzentrationswert zu vergleichen und in Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses einen Konzentrationswert aus den beiden erfassten Konzentrationswerten als tatsächlichen Konzentrationswert auszuwählen.The control and / or regulating electronics can additionally be set up to detect during the measuring process whether or not the concentration of the SO 2 gas component or of the NO 2 gas component exceeds a respectively predetermined concentration limit value, and to carry out the concentration measurement at the respective maximum measuring wavelength if the concentration of the respective gas component does not exceed the concentration limit, and to perform the concentration measurement at the side edge wavelength when the concentration of the respective gas component exceeds the concentration threshold. The control and / or regulating electronics can thus be set up to carry out the respective concentration measurement as a function of the respective concentration of the respective gas component either at the maximum measuring wavelength or at the side edge measuring wavelength. For recording, Whether the concentration of the respective gas component exceeds the predetermined concentration limit value or not, the control and / or regulating electronics can control the measuring arrangement such that a preliminary concentration measurement at the maximum measuring wavelength and / or the side edge measuring wavelength is performed. The control and / or regulating electronics can compare the provisional value of the concentration of the respective gas component with the predetermined concentration limit value. If the concentration of the respective gas component does not exceed the concentration limit value, ie if the gas component has a lower concentration, the measuring arrangement is set up to determine an exact value for the concentration of the gas component using only the maximum measuring wavelength. If, however, the concentration of the respective gas component exceeds the concentration limit value, ie if a higher concentration of the gas component is present, the control and / or regulating electronics are set up to determine an exact value for the concentration of the gas component with the exclusive use of the side edge measuring wavelength. For example, a value for the concentration of the respective gas component can be determined at the maximum measuring wavelength and at the same time at the side edge measuring wavelength, wherein the control and / or regulating electronics can be set up to compare at least one of the determined concentration values with the predetermined concentration value and depending on the comparison result, to select a concentration value from the two detected concentration values as the actual concentration value.
Zudem kann die Steuer- und/oder Regelelektronik eingerichtet sein, während der jeweiligen Konzentrationsmessung bei der Maximum-Wellenlänge gleichzeitig eine Referenzmessung bei der Seitenflanken-Wellenlänge durchzuführen. Da die Seitenflanken-Wellenlänge in Bereich einer Flanke der jeweiligen Absorptionsbande liegt, erfährt die Seitenflanken-Wellenlänge bzw. die elektromagnetische Strahlung mit der Seitenflanken-Wellenlänge somit eine geringe Absorption durch das Gasgemisch und kann daher als Referenzwellenlänge für die Referenzmessung dienen. Steigt die Konzentration der jeweiligen Gaskomponente in dem Gasgemisch weiter an, kann die Seitenflanken-Wellenlänge zur Messwellenlänge werden. In diesem hohen Konzentrationsbereich wird die Messung der Konzentration der jeweiligen Gaskomponente ohne Referenz durchgeführt. Da der Messeffekt aber sehr hoch ist, sind Fehlereinflüsse, die durch eine Referenz kompensiert werden müssten, in diesem Fall geringer. Daher kann auf die Referenzmessung bei hohen Konzentrationen der jeweiligen Gaskomponente verzichtet werden.In addition, the control and / or regulating electronics can be set up to carry out a reference measurement at the side flank wavelength simultaneously during the respective concentration measurement at the maximum wavelength. Since the side edge wavelength is in the region of an edge of the respective absorption band, the side edge wavelength or the electromagnetic radiation with the side edge wavelength thus undergoes little absorption by the gas mixture and can therefore serve as the reference wavelength for the reference measurement. As the concentration of the respective gas component in the gas mixture continues to increase, the sidewall wavelength may become the measurement wavelength. In this high concentration range, the measurement of the concentration of the respective gas component is performed without reference. However, since the measuring effect is very high, error influences, which would have to be compensated by a reference, are lower in this case. Therefore, the reference measurement at high concentrations of the respective gas component can be dispensed with.
Die Steuer- und/oder Regelelektronik kann des Weiteren eingerichtet sein, eine über die Sensoreinheit der (ersten) Messanordnung oder einen anderweitigen Strahlungssensor eine Strahlungsintensität einer als Leuchtdiode ausgebildeten Strahlungsquelle der Messanordnung zu erfassen und die Leuchtdiode in Abhängigkeit der erfassten Strahlungsintensität mit einem elektrischen Strom zu versorgen. Mittels der Sensoreinheit der Messanordnung kann somit zusätzlich zur Messung der jeweiligen Konzentration der jeweiligen Gaskomponente ein Referenzsignal ohne Absorptionsabschwächung aufgenommen und der Steuer- und/oder Regelelektronik zugeführt werden. Im Fall der Verwendung des anderweitigen Strahlungssensors kann die von der Leuchtdiode erzeugte elektromagnetische Strahlung durch einen Strahlteiler geführt werden, von dem ein Anteil der elektromagnetischen Strahlung zu dem weiteren Strahlungssensor geführt wird. Hierdurch ist eine Überwachung der Strahlungsintensität der von der Leuchtdiode erzeugten, elektromagnetischen Strahlung bzw. der Leuchtdiode möglich. Die Überwachung der Strahlungsintensität mittels des weiteren Strahlungssensors, der signaltechnisch mit der Steuer- und/oder Regelelektronik verbunden ist, kann beispielsweise zur Erkennung der Alterung der Leuchtdiode dienen. In beliebigen, regelmäßigen Abständen, beispielsweise einmal pro Tag, kann so die Reststrahlungsintensität RRest der Leuchtdiode bestimmt und mit dem letzten Reststrahlungsintensitätswert R* verglichen werden. Ist die Differenz ΔR = R* - RRest größer als ein vorgegebener Grenzwert ΔR*, kann ein der Leuchtdiode zugeführter Diodenstrom ID erhöht werden, so dass die Strahlungsintensität dann wieder den ursprünglichen Wert annimmt. Durch diese Maßnahme wird zudem auch noch sichergestellt, dass das Signal/Rausch-Verhältnis und somit auch die Nachweisgrenze über die gesamte Betriebsdauer der Leuchtdiode konstant bleiben. Um diesen Regelprozess ausnutzen zu können, kann beispielsweise mit 20% der Nennleistung der Leuchtdiode begonnen werden. Die Alterung der Leuchtdiode in diesem Stadium ist durch die geringe elektrische Leistung stark reduziert. Erst gegen Ende der Lebensdauer der Leuchtdiode, wenn 100% der Nennleistung erreicht werden, kann mit einem Ausfall der Leuchtdiode gerechnet werden. Über eine Analysesoftware kann dann von der Steuer- und/oder Regelelektronik ein Signal generiert werden, mit dem auf eine Wartung bzw. einen bald erforderlichen Austausch der Leuchtdiode hingewiesen wird. Betreibt man die UV-Leuchtdiode im Gleichstrombetrieb, so ist das zeitliche Ansprechverhalten der Steuer- und/oder Regelelektronik beispielweise lediglich durch das Tiefpassverhalten eines Vorverstärkers der Steuer- und/oder Regelelektronik und die Mittelwertbildung in einem Mikrokontroller der Steuer- und/oder Regelelektronik gegeben und kann unter 100 ms liegen.The control and / or regulating electronics can furthermore be set up to detect a radiation intensity of a radiation source of the measuring arrangement designed as a light-emitting diode via the sensor unit of the (first) measuring arrangement or another radiation sensor and to supply the light-emitting diode with an electric current as a function of the detected radiation intensity supply. By means of the sensor unit of the measuring arrangement, a reference signal without absorption attenuation can thus be recorded in addition to the measurement of the respective concentration of the respective gas component and supplied to the control and / or regulating electronics. In the case of using the other radiation sensor, the electromagnetic radiation generated by the light emitting diode can be passed through a beam splitter from which a portion of the electromagnetic radiation is guided to the further radiation sensor. This makes it possible to monitor the radiation intensity of the electromagnetic radiation or the light-emitting diode produced by the light-emitting diode. The monitoring of the radiation intensity by means of the further radiation sensor, which is technically connected to the control and / or regulating electronics, can serve, for example, to detect the aging of the light-emitting diode. At arbitrary, regular intervals, for example once a day, the residual radiation intensity R residual of the light-emitting diode can thus be determined and compared with the last residual radiation intensity value R *. If the difference ΔR = R * - R rest is greater than a predetermined limit value ΔR *, a diode current I D supplied to the light-emitting diode can be increased so that the radiation intensity then returns to the original value. This measure also ensures that the signal / noise ratio and thus also the detection limit remain constant over the entire operating life of the light emitting diode. To be able to exploit this control process, for example, 20% of the nominal power of the light-emitting diode can be started. The aging of the LED at this stage is greatly reduced by the low electrical power. Only towards the end of the life of the light-emitting diode, when 100% of the rated power is reached, can be expected with a failure of the light emitting diode. About an analysis software can then be generated by the control and / or control electronics, a signal that is pointed to a maintenance or soon required replacement of the light emitting diode. If the UV light-emitting diode is operated in DC operation, the time response of the control and / or regulating electronics is given, for example, only by the low-pass behavior of a preamplifier of the control and / or regulating electronics and averaging in a microcontroller of the control and / or regulating electronics can be less than 100 ms.
Zur Unterscheidung der einzelnen spektralen Komponenten, die mit den verschiedenen Leuchtdioden der (ersten) Messanordnung erzeugt werden, kann die Steuer- und/oder Regelelektronik eingerichtet sein, die Leuchtdioden zeitversetzt im Wechsel ein- und auszuschalten, so dass immer nur eine der Leuchtdioden in einem vorgegebenen Zeitintervall eingeschaltet ist, während die andere Leuchtdiode ausgeschaltet ist. Dieser Betrieb kann kontinuierlich durchgeführt werden, da die Steuer- und/oder Regelelektronik die Ein- und Ausschaltzeitpunkte für die Leuchtdioden vorgibt und dadurch die Zeitpunkte der Signalgenerierung bekannt sind. Zum Abgleich von elektrischen Offset-Spannungen kann eine zeitliche Dunkelphase mit der Steuer- und/oder Regelelektronik vorgegeben werden, in der alle Leuchtdioden ausgeschaltet sind und somit der Offset ermittelt und kompensiert werden kann. To distinguish the individual spectral components, which are generated with the different light-emitting diodes of the (first) measuring arrangement, the control and / or regulating electronics can be set to turn on and off the light-emitting diodes in a time-shifted manner, so that only one of the light-emitting diodes in one predetermined time interval is switched on while the other LED is turned off. This operation can be carried out continuously, since the control and / or regulating electronics specifies the on and off times for the light-emitting diodes and thus the times of signal generation are known. To compensate for electrical offset voltages, a time dark phase can be specified with the control and / or regulating electronics, in which all light-emitting diodes are switched off and thus the offset can be determined and compensated.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Messanordnung wenigstens einen mit von den schmalbandigen Strahlungsquellen ausgehender elektromagnetischer Strahlung bestrahlten Strahlteiler und wenigstens eine mit einem von dem Strahlteiler ausgehenden elektromagnetischen Teilstrahl bestrahlte Referenzsensoreinheit auf, wobei die Steuer und/oder Regelelektronik eingerichtet ist, aus von den Sensoreinheiten und den Referenzsensoreinheiten erzeugten Messignalen die Modulationswerte
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Steuer und/oder Regelelektronik eingerichtet, aus den Modulationswerten die korrigierten Modulationswerte
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Figurenlistelist of figures
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend erläuterten Merkmale sowohl jeweils für sich genommen als auch in unterschiedlicher Kombination miteinander einen weiterbildenden oder vorteilhaften Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Vorrichtung; -
2 ein Diagramm zu einem Ausführungsbeispiel für eine Linearisierungsfunktion c(M); -
3 ein Diagramm zu einem Abschnitt der in2 gezeigten Linearisierungsfunktion c(M); und -
4 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
-
1 a schematic representation of an embodiment of a device according to the invention; -
2 a diagram of an embodiment for a linearization function c (M); -
3 a diagram to a section of in2 shown linearization function c (M); and -
4 a schematic representation of another embodiment of an inventive device.
Ausführliche Beschreibung der Figuren Detailed description of the figures
In den Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Komponenten mit denselben Bezugszeichen versehen. Eine wiederholte Beschreibung solcher Komponenten kann im Folgenden weggelassen sein.In the figures, the same or functionally identical components are provided with the same reference numerals. A repeated description of such components may be omitted below.
Die Vorrichtung
Die Messanordnung
Zudem weist die Messanordnung
Die Vorrichtung
Die weitere Messanordnung
Des Weiteren weist die weitere Messanordnung
Zudem weist die weitere Messanordnung
Die Vorrichtung
Ferner weist die Vorrichtung
Die Steuer und/oder Regelelektronik
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- -
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- -
- -
- -
Ferner ist die Steuer und/oder Regelelektronik
- -
- -
- -
- -
In
Die Vorrichtung
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Vorrichtungdevice
- 22
- Messanordnungmeasuring arrangement
- 33
-
Messkammer von
2 Measuring chamber of2 - 44
-
Strahlungsquelle von
2 Radiation source of2 - 55
-
Strahlungsquelle von
2 Radiation source of2 - 66
-
Sensoreinheit von
2 Sensor unit of2 - 77
-
Strahlteiler von
2 Beam splitter of2 - 88th
-
Referenzsensoreinheit von
2 Reference sensor unit of2 - 99
-
weitere Messanordnung von
1 further measuring arrangement of1 - 1010
-
weitere Messkammer von
9 further measuring chamber of9 - 11 11
-
Gasentladungslampe von
9 Gas discharge lamp of9 - 1212
-
Sensoreinheit von
9 Sensor unit of9 - 1313
-
schmalbandige Filtereinheit von
9 Narrow-band filter unit of9 - 1414
-
zweiter Strahlteiler von
9 second beam splitter of9 - 1515
-
zweite Referenzsensoreinheit von
9 second reference sensor unit of9 - 1616
-
weitere Filtereinheit von
9 further filter unit of9 - 1717
- GasversorgungseinrichtungGas supply
- 1818
-
Gaszuführleitung von
17 Gas supply line of17 - 1919
-
Gasabführleitung von
17 Gas discharge line of17 - 2020
- Steuer- und/oder RegelelektronikControl and / or regulating electronics
- 2121
-
Ansteuerstrom für
4 ,5 Drive current for4 .5 - 2222
-
Ansteuerstrom für
4 ,5 Drive current for4 .5 - 2323
- Vorrichtungdevice
- 2424
-
weitere Messanordnung von
23 further measuring arrangement of23 - 2525
-
erster Strahlteiler von
24 first beam splitter of24 - 2626
-
erste Referenzsensoreinheit von
24 first reference sensor unit of24 - 2727
-
Filter von
24 Filter from24 - cc
- Konzentrationconcentration
- c1 c 1
- NO-KonzentrationNO concentration
- c2 c 2
- NO2-KonzentrationNO 2 concentration
- c3 c 3
- SO2-KonzentrationSO 2 concentration
- cx c x
- Konzentrationswertconcentration value
- Δc1 Δc 1
- Konzentrationsänderungconcentration change
- Ac2 Ac 2
- Konzentrationsänderungconcentration change
- MM
- Modulationmodulation
- ΔM.DELTA.M
- Modulationsänderungmodulation change
- ΔM(CS).DELTA.M (CS)
- Modulationsänderung wegen QuerempfindlichkeitenModulation change due to cross sensitivities
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 102016108267 A1 [0016]DE 102016108267 A1 [0016]
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DE202019101137.8U DE202019101137U1 (en) | 2019-02-28 | 2019-02-28 | Simultaneous measurement of SO2 concentration, NO2 concentration and NO concentration in a gas mixture |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R207 | Utility model specification | ||
R163 | Identified publications notified | ||
R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |