DE3238179A1

DE3238179A1 - Anordnung zur messung der konzentration eines gases

Info

Publication number: DE3238179A1
Application number: DE19823238179
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dr.-Ing. Heinisch; Wolfgang Ing.(grad.) 1000 Berlin Merkel; Ehrenfried Dr.-Ing. Schütt
Original assignee: Kamphausen Dr GmbH
Current assignee: Dr Thiedig GmbH and Co KG
Priority date: 1982-10-15
Filing date: 1982-10-15
Publication date: 1984-04-19
Also published as: DE3238179C2

Description

Anordnung zur Messung der Konzentration eines Gases
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur kontinuierlichen Messu-ng der Konzentration eines mehratomigen, nichtelementaren Gases mit einem nchtdispersiven Infrarot-Einstrahlplotoeter.
In Hengstenberg/Sturm/Winkler: essen, Steuern und Regeln in der Chemischen Technik", Band II, 3. Auflage 1980 ist auf den Seiten 24 und 25 ein Einstrahl-Wechsellichtphotometer beschrieben. Bei dieser Anordnung ist im Strahlengang eines Strahlers zwischen diesem und einer Absorptionsküvette, die vom zu analysierenden Gas durchströmt wird, eine drehbare Filterscheibe vorgesehen. Auf der snchron umlaufenden Filterscheibe sind radialsymmetrisch zwei Interferenzfilter angebracht. Der Durchlaßbereich des ersten Filters liegt in dem Bereich, in dem das nachzuweisende Gas sein Absorptionsmaximum hat. Das zweite Filter hat seinen Durchlaßbereich an einer Stelle, wo das Gas nur yeringe oder möglichst keine Absorption aufweist.
Die Filterscheibe greift nun so in den Strahlengang ein, daß nacheinander in periodischer Folge abwechselnd ein Meßlichtbündel (wenn das erste Filter im Strahlengang liegt) und ein-Vergleichslichtbündel (wenn das zweite Filter im Strahlengang liegt) auf einen photoelektrischen Empfänger trifft. Aus den am Ausgang des photoelektrischen Empfängers zeitlich nacheinander anstehenden e-und Vergleichssignalen wird mit elektronischen Mittelr.
das Verhältnis gebildet und als Meßwert ausgegeben. Der Quotient ist ein Maß für die Konzentration des nachzuweisenden Gases.
Bei diesem beschriebenen Photometer wird, ebenso- wie bei Photometern, die mit einem rotierenden Blendenrad zur Modulation der Strahlung arbeiten, ein zusätzlicher, eventuell geregelter Antrieb benötigt, um die Blenden- bzw.
Filterscheibe mit einer konstanten Drehzahl anzutreiben.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zur kontinuierlichen Messung der Konzentration eines mehratomigen, nichtelementaren Gases mit einem nichtdispersiven Infrarot-Einstrahlphotometer anzugeben, das einen einfachen optisch-rnechanischen Aufbau aufweist und bei dem rotierende Teile und deren Antrieb entfallen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine von einer getakteten Strahlungsquelle ausgehende Wechsellichtstrahlung nach Durchgang durch eine von einem Gas durchströmte Absorptionsküvette gleichzeitig auf zwei Fotoempfanger, wobei nur einem der Fotoempfäner in hekannter Weise ein Filter vorgeschaltet ist, trifft, deren Ausgangssignale in einer bekannten Quotentenschaltun ausgewertet werden.
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Die Anordnung nach der Erfindung ist insbesondere als Eetriebsmeßerät vorgesehen. Einsatzbereiche sind die Feuerungsüberwachung auf C02 im Verbrennungsabgas, die Raumluftüberwachung z.B. in Gewächshäusern u.a.m.
Die Erfindung wird nachstehend anhand einer in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform erläutert. Mit 1 ist eine: Strahlungsquelle bezeichnet, die von einer getakteten Gleichspannungsquelle 9 versorgt wird und deren Strahlengang eine Absorptionsküvette 2 mit Zu- und Ableitung für das Gasgemisch angeordnet ist. Die Spannungsquelle 9 hat eine Frequenz zwischen ca. 3 - 30 Hz. Die Strahlungsquelle 1 kann sowohl eine Glühfadenlampe oder eine andere Infrarot-Strahlungsquelle. sein. Zur Bündelung und Begrenzung des Strahlenganges können außerdem eine Linse, ein Spiegel und/oder eine Blende vorhanden sein, die in der Figur nicht dargestellt sind. Im Strahlengang sind nach der Absorptionsküvette 2 zwei FotoempfEnger 4a und 4b angeordnet, deren Ausgang über je einen Verstärker 5a, 5b, Kondensator 6a, 6b mit je einem Eingang eines Synchron- gleichrichters 7a, 7b verbunden sind. Die Synchrongleichrichter 7a, 7b werden von der Stromquelle 9 gesteuert. Dem Fotoempfänoer 4a ist ein Filter 3 vorgeschaltet. Es ist ein Interferenzfilter, dessen Durchlaßbereich mit dem größten Absorptionsmaximurn des Gases übereinstimmt, dessen Konzentration gemessen wird. Damit wird eine Querempfindlichkeit, die von der Überlagerung der Absorptionsbanden mit anderen im zu messenden Gas enthaltenen Komponenten herrührt, beseitigt. Die Ausgänge der Synchrongleichrichter 7a, 7b führen zu einer Quotientenschaltung 8. Beide Bausteine sind für sich bekannt und z.B. in Tietze/Schenk: "Halbleiter-Schaltunstechnik"<, 5. Auflage, S. 235 und 683 beschrieben. Der Ausgang der Quotientenschaltung 8 ist über einen geschlossenen Kontakt eines zweipoligen Umschalters 10 mit dem Eingang eines Operationsverstärkers 11 verbunden, in dessen Rückkopplungszweig ein veränderbarer Widerstand 16 geschaltet ist. An den Ausgang des Operationsverstärkers 11 ist eine in der Figur nicht dargestellte Meßwertanzeige angeschlossen. Der Mittelabgriff eines aus Widerständen 12, 13 gebildeten Spannungsteilers, von dem der Widerstand 13 einstellbar ist, führt über den anderen geschlossenen Kontakt des zweipoligen Umschalters 10 ebenfalls zum Eingang des Operationsverstärkers 11. Den freien Enden der Widerstände 12, 13 wird eine Referenzspannung zugeführt. Zwischen dem Ausgang der Quotientenschaltunc 8 und dem Bezugspotential ist ein Spannungsteiler, gebildet aus einem Widerstand 14 und einem einstellbaren Widerstand 15, geschaltet. Der Mittelabgriff des Spannungsteilers führt zu einem anderen Umschaltkontakt desjenigen Poles des Umschalters 10, der mit dem Ausgang der Quotientenschaltung 8 verbunden ist.
Die von der Strahlungsquelle 1 ausgehende Wechsellichtstrahlung durchdringt die Absorptionsküvette 2, die vom Gas, dessen Konzentration bestimmt werden soll, durchströmt wird. Je höher die Konzentration ist, um so mehr wird die Strahlung durch Absorption geschwächt. Die Intensität des aus der Absorptionsküvette austretenden Strahlenbündels wird von den Fotoempfängern 4a, 4b gleichzeitig erfaßt und in elektrische Signale, die verstärkt und gleichgerichtet werden, umgewandelt. Mit dem Filter 3 wird die Querempfindlichkeit beseitigt, so daß der Fotoempfänger 4a aus der lJechsellichtstrahlung nur den Wellenlängenbereich detektiert, in dem die nachzuweisende Stoffkomponente eine charakteristische Absorption besitzt. Die Zusammenschaltung aus dem Fotoempfänger 4b, Verstärker 5b, Kondensator 6b, Gleichrichter 7b ist vorgesehen, um die Einflüsse auszuschalten, die durch Verschmutzung der Absorptionsküvette 2 und durch die sich ändernden Eigenschaften der Bauelemente- Strahlungsquelle, Fotoempfänger und Verstärker entstehen. Aus den gleichgerichteten Signalen am Ausgang der Gleichrichter 7a, 7b wird in der Quotientenschaltung 8 das Verhältnis aebildet und über den Umschalter 10 und den Operationsverstärker 11 der Meßwertanzeige zucgeleitet. Das Verhältnis ist ein Maß für die Konzentration des'Gases, Zur Einstellung des Nullpunktes der Meß-wertanzeige wird in die Absorptionsküvette 2 ein sogenanntes Nullgas, d.h. ein Gas, in dem die zu messende Komponente nicht enthalten ist, geleitet. Der Umschalter 10 ist in die Stellung zu legen, in der der Ausgang der Quotientenschaltung 8 mit dem Eingang des Operationsverstärkers 11 verbunden ist. Mit dem anderen Pol des Umschalters 10 wird gleichzeitig durch Verstellen des Widerstandes 13 ein so großer Teil der am Spannungsteiler 12, 13 liegenden Referenzspannung zur Meßspannung addiert, daß die Meßwertanzeige den Nullpunkt anzeigt.
Zur Kalibrierung des Endpunktes der Meßwertanzeige wird das zu messende Gas einer hestimmten Konzentration (z.B.
20 Vol °») durch die Absorptionsküvette 2 geleitet. Der Widerstand 16 ist nun so zu verstellen, daß die Meßwertanzeige den Meßbereichsendwert anzeigt.
Zur Kalibrierung der erfindungsgemäßen Anordnung wird der Umschalter 10 in die Stellung gebracht, in der der Einganc des Operationsverstärkers 11 mit dem Mittenabgriff des Spannungsteiler 14, 15 verbunden ist. Danach wird ein sogenanntes Nullgas, d.h. ein Gases, das die zu messende Komponente nicht enthalt, in die Absorptionsküvette 2 geleitet. Der Widerstand 15 ist nun so zu verstellen, da die Meßwertanzeige einen frei wählbaren Konzentrationswert (z.B. den Meßbereichsendwert von 20 %) anzeigt. Bei späteren Nachkalibrierungen ist nur noch ein Nullgas in die Neßkiivette einzuleiten. Der Nullpunkt der Meßwertanzeige wird durch den Widerstand 13 eingestellt. Der Endpunkt der Me3dertanzeige wird eingestellt, indem -der Schalter 10 in die Stellung gebracht wird, die den Mitterabqrit des Spannungsteilers 14, 15 mit dem Eingang des Operationsverstärkers 11 verbindet. Der Widerstand 16 im Rückkopplungszweiq des Operationsverstärkers wird nun so verstellt, daß die Meßwertanzeige den zuvor frei cew;-ihlte Gaskonzentrationswert (z.B. den Meßbereichsendwert von 20 ¢,) anzeigt.
Leerseite

Claims

Anordnung zur Messung der Konzentration eines Gases Patentansprüche: 1 3Anordnuno zur kontinuierlichen Messung der Konzentrtion eines mehratomigen, nichtelementaren Gases mit einem nichtdispersiven Infrarot-Einstrahlpllotometer, dadurch gekennzeichnet, daß eine von einer getakteten Strahlungsquelle (1) ausgehende Wechsellichtstrahlun nach Durchgang durch eine von einem Gas durchströmte Absorptionsküvette (2) gleichzeitig auf zwei Fotoempfänger (4a, 4b), wobei nur einem der Fotoempfänger (4a) in bekannter Weise ein Filter (3) vorgeschaltet ist, trifft, deren Ausgangssignale in einer bekannten Quotientenschaltung (8) ausgewertet werden.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (3) ein Interferenzfilter ist, dessen Durchlaßbereich mit dem größten Absorptionsmaximum des Gases übereinstimmt, dessen Konzentration gemessen wird.
3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch oekennzeichnct, daß das Filter (3) austauschbar angeordnet ist.
4. Anordnung nach Anspruch 1 unå/oder 2, dadurch ciekennzeichnet, daß das Volumen der Meßkammer der Absorptionsküvette (2) den unterschiedlichen Einsatzbereichen der erfindungsgemäßen Anordnung angepaßt ist.
5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Infrarotstrahler eine Gluhlampe ist.
6. Anordnung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur ersten Kalibrierung der Anordnung ein Nullgas in die Absorptionsküvette (2) eingeleitet und der sich am Ausgang der Quotientenschaitung (8) ergebende Wert einem einstellbaren Spannungsteiler (14, 15) zugeführt wird, dessen Mittenabgriff über einen Umschalter (10) auf einen Operationsverstärker (11) führt, an dessen Ausgang eine Meßwertanzeige angeschlossen ist, wobei der Widerstand (15) so einaestellt wird, daß die Meßwertanzeige einen frei wählbaren Gaskonzentrationswert anzeigt.