DE4403763A1 - NDIR-Analysator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Analysator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der europäischen Patentschrift 0 238 871 ist ein derarti­ ger Analysator bekannt. Für jede zu messende Gaskomponente ist eine eigene Meßküvette, ein eigener, jeder Meßküvette zu­ geordneter Strahlungsfilter und je ein eigener Strahlungsde­ tektor vorgesehen. Alle Meßküvetten sind gleichzeitig von dem Meßgas durchströmt. Ein Lichtverteiler beaufschlagt alle Meß­ küvetten gleichzeitig mit von einer Lichtquelle und einem Lichtzerhacker erzeugten Wechsellicht.

In der US-PS 3 898 462 ist ein Infrarot-Gasanalysator be­ schrieben, der mehrere Detektorzellen aufweist, die jeweils fit einer der zu bestimmenden Meßgaskomponenten gefüllt sind. Die an den einzelnen Detektorzellen gemessenen Ausgangssigna­ le werden so miteinander verknüpft, daß Querempfindlichkeiten zwischen den Meßkomponenten unterdrückt werden.

In dem Buch "Messen, Steuern und Regeln in der chemischen Technik", Band 11, 3. Auflage, 1980, Seite 25 ist ein Ein­ strahl-Wechsellicht-Photometer mit Selektiv-Modulationen be­ schrieben, das zur Lichtmodulation zwei Interferenzfilter aufweist, die radial symmetrisch auf einem synchron umlaufen­ den Filterrad angebracht sind. Dieses greift so in den Strah­ lengang ein, daß in periodischer Folge abwechselnd ein Meß­ lichtbündel mit einer ersten Wellenlänge und ein Vergleichs­ lichtbündel eines zweiten Wellenlängenbereichs vorliegt. Die beiden Wellenlängen sind so ausgewählt, daß die Wellenlänge des Meßlichtbündels dem Absorptionsmaximum für die zu messen­ de Gaskomponente entspricht und die Wellenlänge des Ver­ gleichslichtbündels an einer Stelle möglichst geringer Ab­ sorption liegt. Das aus der Meßzelle austretende Meß- und Vergleichslicht wird von einem breitbandigen Empfänger gemes­ sen. In einer Quotientenmeßschaltung wird das Verhältnis von Meß- zu Vergleichssignal gebildet und als Meßwert ausgegeben.

In demselben Buch ist auf den Seiten 20 und 21 angegeben, das aus einer Meßzelle austretende Licht aufzuspalten und über zwei Filter mit gleichartigen breitbandigen Filtern zu mes­ sen, von denen das eine Filter nur Strahlung in den Bereich durchläßt, in welchem die zu messende Gaskomponente eine mög­ lichst große Absorption besitzt, während der Durchlaßbereich des anderen Filters in einem Bereich möglichst geringer Ab­ sorption der zu messenden Komponente liegt. Die in dem ge­ nannten Buch beschriebenen Analysatoren sind zum Messen von jeweils nur einer Meßgaskomponente geeignet.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Analysator zum gleichzeitigen Messen von mehreren Komponenten eines Gases zu schaffen, der sich bei hoher Empfindlichkeit und Genauigkeit durch einen einfachen Aufbau auszeichnet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den in Anspruch 1 an­ gegebenen Merkmalen gelöst.

Anhand der Zeichnung, in der Ausführungsbeispiele der Erfin­ dung dargestellt sind, werden im folgenden die Erfindung so­ wie Weiterbildungen und Ergänzungen näher beschrieben und er­ läutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines neuen Analysen­ gerätes und die

Fig. 2 bis 5 Ausführungsbeispiele von Lichtunterbrechern.

In Fig. 1 ist mit 4 eine Meßzelle bezeichnet, die durch ei­ nen Eingang E und einen Ausgang A mit dem zu analysierenden Gas beströmt wird, das mehrere Komponenten enthält, deren An­ teile gleichzeitig bestimmt werden sollen. Die Meßzelle 4 wird von einer Lichtquelle 2 mit Licht durchstrahlt, das von einem Lichtunterbrecher, bestehend aus einem Unterbrecherrad 3 und einem dieses antreibenden Motor 1, moduliert ist. Das aus der Meßzelle 4 austretende Licht gelangt in einen Detek­ tor 5, der im Ausführungsbeispiel ein Zweischichtdetektor ist. Die von einem Strömungsfühler erfaßten Druckunterschiede in den beiden Detektorkammern werden von einem Verstärker 6 verstärkt und einer Auswerteeinheit 7 zugeführt, welche die Meßergebnisse auf Ausgabegeräte 8 gibt.

Zur gleichzeitigen Analyse von mehreren Komponenten des Meß­ gases enthalten die Detektorkammern die zu messenden Kompo­ nenten. Sollen z. B. die Abgase von Verbrennungsmotoren ge­ messen werden, sind dies Kohlenwasserstoffe H_nC_m, Kohlenmon­ oxid und Kohlendioxid. Das Licht wird vom Unterbrecherrad 3 derart unterbrochen, daß in die Meßzelle 4 zeitlich nachein­ ander jeweils nur Licht mit einem Spektralbereich gestrahlt wird, der ein Absorptionsspektrum einer zu messenden Kompo­ nente enthält. Dementsprechend gibt der Detektor 5 nacheinan­ der Signale ab, deren Amplituden der Konzentration der zu passenden Komponenten entspricht. Ein solches Signal ist in Fig. 1 eingetragen. In dem gewählten Beispiel kann die Aus­ werteeinheit 7 die Zuordnung der Signale zu den Meßkomponen­ ten aufgrund der Amplitude treffen. Im gewählten Beispiel hat Kohlendioxid die größte Amplitude. Da dies für die Abgase von Verbrennungsmotoren immer der Fall ist, werden die Impulse mit der größten Amplitude Kohlendioxid zugeordnet und die beiden anderen entsprechend der gewählten Reihenfolge bei der Lichtunterbrechung Kohlenmonoxid und den Kohlenwasserstoffen. Falls eine Zuordnung der Signale zu den einzelnen Meßkomponenten aufgrund der Signale selbst nicht möglich ist, kann mit einem Abgriff 9, der eine Marke am Unterbrecherrad 3 abtastet, die Position des Unterbrecherrades festgestellt und daraus ermittelt werden, welcher Komponente das jeweils auf­ tretende Signal zuzuordnen ist.

In Fig. 2 ist eine erste Ausführungsform des Unterbrecherra­ des veranschaulicht. In einer Unterbrecherscheibe 10 sind um den Mittelpunkt der Scheibe gleichmäßig verteilt drei Filter 11, 12, 13, vorzugsweise Interferenzfilter, angebracht. Die Filter bilden Fenster in der sonst lichtundurchlässigen Scheibe 10. Das Filter 11 ist in einem Spektralbereich durch­ lässig, in dem Kohlenmonoxid den hauptsächlichen Absorptions­ bereich hat, die anderen Komponenten aber möglichst wenig ab­ sorbieren. Gleiches gilt für das Filter 12, das dem Absorpti­ onsbereich von Kohlenwasserstoff angepaßt ist, und für das Filter 13, das Kohlendioxid zugeordnet ist. Bei Rotation der Scheibe 10 werden die Filter 11, 12, 13 nacheinander in den Strahlengang zwischen der Lichtquelle 2 und der Meßzelle 4 geschwenkt, so daß z. B. der in Fig. 1 veranschaulichte Si­ gnalverlauf am Ausgang des Verstärkers 6 entsteht. Läuft eine nicht bezeichnete Kerbe in der Scheibe 10 am Abtaster 9 vor­ bei, gibt dieser ein Signal an die Auswerteeinheit 7, aus der dieser erkennt, daß das nächste Signal des Verstärkers 6 den Kohlenwasserstoffen zuzuordnen ist.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform des Lichtunterbrechers, in der die Filter 11, 12, 13 feststehend sind. Vor oder hinter ihnen dreht sich eine Scheibe 15 mit kreisringförmigen, lichtdurchlässigen Segmenten, die unterschiedliche Abstände vom Mittelpunkt der Scheibe 15 haben, derart, daß jedes Seg­ ment an je einem Filter vorbeidreht. Es wird daher wieder in die Meßküvette 4 nacheinander Licht mit unterschiedlichen Spektralbereichen für die Komponenten Kohlenwasserstoffe, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid eingestrahlt. Bei Verwendung des in Fig. 3 gezeigten Unterbrecherrades wird stets Licht, wenn auch mit unterschiedlichen Spektralbereichen, konti­ nuierlich in die Meßzelle eingestrahlt, da die Segmente 15, 16, 17 fast unmittelbar aufeinanderfolgen. Da die Meß­ vorrichtung nach Fig. 1 jedoch Wechsellicht benötigt, kann es vorteilhaft sein, die Segmente kürzer zu machen, so daß Hell- und Dunkelphasen in dem in die Meßzelle 4 eingestrahl­ ten Licht aufeinanderfolgen.

Wie in Fig. 4 gezeigt, können die Segmente in der Weise ver­ kürzt werden, daß sie in mehrere Teilsegmente 26, 27, 28 für Kohlenwasserstoffe, 20, 21, 22 für Kohlenmonoxid und 23, 24, 25 für Kohlendioxid unterteilt werden, so daß die Drehzahl des Unterbrecherrades bei gleicher Lichtmodulationsfrequenz entsprechend der Anzahl der Teilsegmente herabgesetzt werden kann.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform mit einem Blendenrad, in dem jedem Filter 11, 12, 13 mehrere Segmente 18, 18′, 18′′ . . . bzw. 19, 19′, 19′′ . . . bzw. 20, 20′, 20′′ . . . zugeordnet sind, die beim Drehen des Blendenrades an den zugehörigen Filtern vorbeigeführt werden. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 5 sind die Segmente kreisförmig. Zweckmäßig sind zumindest die wei­ ter außen liegenden entsprechend ihrem Abstand von der Dreh­ achse langgestreckt, damit die Zeitdauern, während deren die Segmente an den Filtern 11, 12, 13 vorbeigeführt werden, für alle Segmente gleich sind. Die einem Filter, z. B. dem Filter 11, zugeordneten Segmente 18, 18′, 18′′ . . . haben selbst­ verständlich gleichen Abstand von der Drehachse und auch gleiche gegenseitige Winkelabstände von z. B. 72°, entspre­ chend fünf Segmenten. Die Winkelabstände von Segmenten, die verschiedenen Filtern zugeordnet sind, sind unterschiedlich. So betragen die Winkelabstände der dem Filter 12 zugeordneten sechs Segmente 60° und der dem Filter 13 zugeordneten 45° dreht das Blendenrad konstant mit n Umdrehungen in der Se­ kunde, entsteht am Detektor ein Signalgemisch, das sich aus drei den zu bestimmenden Komponenten entsprechenden Signalen mit den Frequenzen 5n, 6n und 8n zusammensetzt. Durch Fre­ quenzanalyse oder ein entsprechendes Verfahren können daher diese Signal folgen und damit die zu analysierenden Gaskompo­ nenten ermittelt werden.

Mit den Ausführungsbeispielen werden jeweils drei Komponen­ ten, nämlich HC, CO und CO₂, bestimmt. Selbstverständlich können durch Einsatz von weiteren Filtern auch mehr als drei Komponenten gleichzeitig analysiert werden. Die Anzahl der Segmente je Filter kann auch eine andere als die des Blenden­ rades nach Fig. 5 sein. Jedoch sollte nicht eine Oberwelle niedriger Ordnung eines einer Komponente entsprechenden Si­ gnals mit der Grundwelle oder einer Oberwelle niedriger Ord­ nung eines Signals einer anderen Komponente zusammenfallen. Im Ausführungsbeispiel fällt erst die sechste Oberwelle des Signals von HC mit der fünften Oberwelle des Signals von CO zusammen.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum Analysieren eines mehrere Meßkomponenten enthaltenden Meßgases

• - mit einer Lichtquelle (2), in deren Spektralbereich Ab­ sorptionsbereiche der Meßkomponenten liegen,
• - mit einem im Strahlengang des Lichtes liegenden Lichtun­ terbrecher (3),
• - mit einer vom Licht durchstrahlten Meßzelle (4) für das Meßgas,
• - mit einem für die Absorptionsbereiche der Meßkomponenten selektiven, das aus der Meßzelle austretende Licht empfan­ genden Detektor (5),

dadurch gekennzeichnet,

• - daß der optopneumatische Detektor (5) die Meßkomponenten enthält,
• - daß der Lichtunterbrecher (3) zyklisch nacheinander Spek­ tralbereiche des Lichtes durchschaltet, in denen jeweils ein Absorptionsbereich einer Meßkomponente liegt, wobei je eine Unterbrecherstellung einer Meßkomponente zugeordnet ist, und
• - daß eine Auswerteeinheit (7) aus den vom Detektor (5) ab­ gegebenen Signalen die Konzentrationen der Meßkomponenten bestimmt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Auswerteeinheit (7) die vom Detektor (5) abge­ gebenen Signale den Unterbrecherstellungen zuordnet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Lichtunterbrecher (3) ein Filterrad (10) aufweist, dessen Filter (11, 12, 13) nacheinander in den Strahlengang gedreht werden und in deren Durchlaßbereich ein Absorptionsbereich je einer Meßkomponente liegt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet,

• - daß je Meßkomponente ein feststehendes Filter (11, 12, 13) vorhanden ist,
• - daß ein Blendenrad (14) so ausgebildet und so im Strahlen­ gang der Lichtquelle angeordnet ist und bewegt wird, daß die Filter nacheinander einzeln im Strahlengang des Lich­ tes liegen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Filter (11, 12, 13) unterschiedliche radiale Abstände von der Drehachse des Blendenrades haben und im Blendenrad (14) den Filtern zugeordnete, lichtdurchlässige Segmente (15, 16, 17) enthalten sind, die den gleichen radi­ alen Abstand wie die Filter haben.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Blendenrad (14) abwechselnd den Strah­ lengang unterbricht und den Strahlengang durch die Filter freigibt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn­ zeichnet,

• - daß je Filter (11, 12, 13) mehrere Segmente (18, 18′ . . . ; 19, 19′ . . . ; 20, 20′ . . . ) vorhanden sind, die gleichen Ab­ stand von der Achse des Blendenrades und gleichen gegen­ seitigen Winkelabstand haben,
• - daß die Winkelabstände der verschiedenen Filtern zugeord­ neten Segmente unterschiedliche Winkelabstände (72°, 60°, 45°) haben und
• - daß an den Detektor eine Auswertevorrichtung angeschlossen ist, die bei mit konstanter Drehzahl rotierendem Blenden­ rad mittels Frequenzanalyse oder eines entsprechenden Ver­ fahrens die Konzentration der Meßkomponenten bestimmt.