DE4403763A1

DE4403763A1 - Infra red gas absorption for rapid, sensitive and accurate, quantified analysis

Info

Publication number: DE4403763A1
Application number: DE19944403763
Authority: DE
Inventors: Ludwig Dipl Ing Kimmig; Johann Dipl Ing Weinel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1994-02-07
Filing date: 1994-02-07
Publication date: 1995-08-10

Abstract

This infra red gas analysis, or IRGA instrument, also described as a non-dispersive infra red or NDIR system, makes a quantified analysis of the measured components in a multi-component gas. Its light source (2) emits in the appropriate spectral regions for absorption, and there is an interrupter in the light path (3). The light then passes through the measurement cell (4) for the gas, to the detector, which is sensitive to the light wavelengths at which the absorption takes place. The optopneumatic detector (5) contains the measurement sensors, each allocated to an absorption region for a particular gas component, and each receiving cyclically interrupted illumination. The signal analyser (7) evaluates the outputs from the detectors.

Description

Die Erfindung betrifft einen Analysator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an analyzer according to the preamble of claim 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.From European patent specification 0 238 871 such a ger analyzer known. For each gas component to be measured is a separate measuring cell, a separate, each measuring cell ordered radiation filter and each with its own radiation end tector provided. All measuring cells are of the same Sample gas flows through. A light distributor acts on all measurements cuvettes simultaneously with one light source and one Light chopper generated alternating light.

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 U.S. Patent 3,898,462 an infrared gas analyzer is disclosed wrote, which has several detector cells, each fit one of the sample gas components to be determined. The output signals measured at the individual detector cells le are linked together so that cross-sensitivities be suppressed between the measuring components.

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 the book "Measuring, controlling and regulating in chemical Technik ", volume 11, 3rd edition, 1980, page 25 is a one beam alternating light photometer with selective modulations be wrote that two light filters for light modulation has, which rotate radially symmetrically on a synchronous the filter wheel are attached. This reaches into the beam lengang that a measuring alternately in periodic order bundles of light with a first wavelength and a comparison light beam of a second wavelength range is present. The Both wavelengths are selected so that the wavelength of the measuring light beam to measure the absorption maximum for the de gas component corresponds and the wavelength of Ver from the same light beam at one point sorption lies. The measuring and emerging from the measuring cell Comparative light is measured by a broadband receiver sen. In a quotient measurement circuit, the ratio of Measurement to comparison signal formed and output as a measured value.

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.Pages 20 and 21 of the same book state that split light emerging from a measuring cell and over two filters with similar broadband filters to mes sen, of which the one filter only radiation in the area lets in, in which the gas component to be measured is possible has the greatest possible absorption, while the pass band of the other filter in an area as low as possible sorption of the component to be measured. The in the ge Analyzer described book are for measuring only one sample gas component suitable.

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.The present invention has for its object a Analyzer for the simultaneous measurement of several components to create a gas that is highly sensitive and accuracy is characterized by a simple structure.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den in Anspruch 1 an gegebenen Merkmalen gelöst.According to the invention, this object is achieved with the in claim 1 given characteristics solved.

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.Based on the drawing, in the exemplary embodiments of the inventor are shown, the invention will be as follows as further training and additions described in more detail and he purifies.

Es zeigenShow it

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines neuen Analysen gerätes und die Fig. 1 is a schematic representation of a new analysis device and

Fig. 2 bis 5 Ausführungsbeispiele von Lichtunterbrechern. Fig. 2 to 5 embodiments of light interrupters.

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.In Fig. 1, 4 denotes a measuring cell which is flowed through an egg E input and an output A with the gas to be analyzed, which contains several components, the parts of which are to be determined simultaneously. The measuring cell 4 is irradiated with light from a light source 2 , which is modulated by a light interrupter, consisting of an interrupter wheel 3 and a motor 1 driving it. The light emerging from the measuring cell 4 passes into a detector 5 , which is a two-layer detector in the exemplary embodiment. The pressure differences in the two detector chambers detected by a flow sensor are amplified by an amplifier 6 and fed to an evaluation unit 7 , which outputs the measurement results to output devices 8 .

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.For the simultaneous analysis of several components of the measuring gas, the detector chambers contain the components to be measured. Should z. B. the exhaust gases from internal combustion engines are measured ge, these are hydrocarbons H _n C _m , carbon monoxide and carbon dioxide. The light is interrupted by the chopper 3 so that one after the other in each case only light is radiated with a spectral range in the measuring cell 4 in time which contains an absorption spectrum of a compo nent to be measured. Accordingly, the detector 5 emits signals one after the other whose amplitudes correspond to the concentration of the components to be matched. Such a signal is shown in Fig. 1. In the selected example, the evaluation unit 7 can make the assignment of the signals to the measuring components based on the amplitude. In the example chosen, carbon dioxide has the greatest amplitude. Since this is always the case for exhaust gases from internal combustion engines, the impulses with the greatest amplitude are assigned to carbon dioxide and the other two are assigned to carbon monoxide and the hydrocarbons in accordance with the sequence selected when light is interrupted. If an assignment of the signals to the individual measurement components is not possible due to the signals themselves, the position of the breaker wheel can be determined with a tap 9 which scans a mark on the breaker wheel 3 and it can be determined from this which component the signal to be assigned is to be assigned .

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.In Fig. 2, a first embodiment of the interrupter is illustrated. In a breaker disk 10 , three filters 11 , 12 , 13 , preferably interference filters, are evenly distributed around the center of the disk. The filters form windows in the otherwise opaque pane 10 . The filter 11 is permeable in a spectral range in which carbon monoxide has the main absorption range, but sorb the other components as little as possible. The same applies to the filter 12 , which is adapted to the absorption range of hydrocarbon, and to the filter 13 , which is associated with carbon dioxide. When the disc 10 rotates, the filters 11 , 12 , 13 are successively pivoted into the beam path between the light source 2 and the measuring cell 4 , so that, for. B. Si signal curve illustrated in Fig. 1 arises at the output of the amplifier 6 . If a notch notched in the disk 10 runs past the scanner 9 , the scanner sends a signal to the evaluation unit 7 , from which it recognizes that the next signal of the amplifier 6 is to be assigned to the hydrocarbons.

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. Fig. 3 shows an embodiment of the light interrupter, in which the filters 11 , 12 , 13 are fixed. In front of or behind them rotates a disc 15 with circular, translucent segments, which have different distances from the center of the disc 15 , such that each segment rotates past a filter. Light with different spectral ranges for the components hydrocarbons, carbon dioxide and carbon monoxide is therefore radiated into the measuring cuvette 4 one after the other. When the interrupter wheel shown in FIG. 3 is used, light is continuously irradiated into the measuring cell, even if with different spectral ranges, since the segments 15 , 16 , 17 follow one another almost immediately. However, since the measuring device according to FIG. 1 requires alternating light, it may be advantageous to make the segments shorter, so that light and dark phases in the light irradiated into the measuring cell 4 follow one another.

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.As shown in Fig. 4, the segments can be shortened in such a way that they are divided into several sub-segments 26 , 27 , 28 for hydrocarbons, 20 , 21 , 22 for carbon monoxide and 23 , 24 , 25 for carbon dioxide, so that the speed of the interrupter wheel can be reduced at the same light modulation frequency according to the number of sub-segments.

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. Fig. 5 shows an embodiment with an aperture wheel in which each filter 11 , 12 , 13 a plurality of segments 18 , 18 ', 18 ''. . . or 19 , 19 ', 19 ''. . . or 20 , 20 ', 20 ''. . . are assigned, which are guided past the associated filters when the aperture wheel is turned. In the embodiment of FIG. 5, the segments are circular. Appropriately, at least the white ter lying outside are elongated according to their distance from the axis of rotation, so that the time periods during which the segments are passed by the filters 11 , 12 , 13 are the same for all segments. A filter, e.g. B. the filter 11 , associated segments 18 , 18 ', 18 ''. . . have of course the same distance from the axis of rotation and also the same mutual angular distances of z. B. 72 °, accordingly five segments. The angular distances of segments that are assigned to different filters are different. Thus, the angular distances of the six segments assigned to the filter 12 are 60 ° and the 45 ° assigned to the filter 13 rotates the diaphragm wheel constantly with n revolutions per second, a signal mixture is generated at the detector, which consists of three signals corresponding to the components to be determined the frequencies 5 n, 6 n and 8 n. By frequency analysis or a corresponding method, this signal can follow and thus the gas components to be analyzed can be determined.

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.With the exemplary embodiments, three components, namely HC, CO and CO₂, are determined. It goes without saying that more filters can also be used to analyze more than three components at the same time. The number of segments per filter can also be different from that of the aperture wheel according to FIG. 5. However, a low order harmonic of a signal corresponding to a component should not coincide with the fundamental or a low order harmonic of a signal of another component. In the exemplary embodiment, only the sixth harmonic of the HC signal coincides with the fifth harmonic of the CO signal.

Claims

1. Device for analyzing a measuring gas containing several measuring components

- With a light source ( 2 ), in whose spectral range from sorption ranges of the measuring components,
- With a Lichtun interrupter ( 3 ) lying in the beam path of the light,
- With a measuring cell ( 4 ) for which the measuring gas is irradiated,
- With a selective for the absorption areas of the measuring components, the light emerging from the measuring cell receiving detector ( 5 ),

dadurch gekennzeichnet,characterized,

- That the optopneumatic detector ( 5 ) contains the measuring components,
- That the light interrupter ( 3 ) cyclically turns through spectral regions of the light, in each of which there is an absorption region of a measurement component, with an interruption position being assigned to a measurement component, and
- That an evaluation unit ( 7 ) determines the concentrations of the measuring components from the signals given by the detector ( 5 ).

2. Device according to claim 1, characterized in that the evaluation unit ( 7 ) assigns the signals given by the detector ( 5 ) to the interrupt positions.

3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the light interrupter ( 3 ) has a filter wheel ( 10 ), the filters ( 11 , 12 , 13 ) are rotated one after the other in the beam path and in the pass band an absorption area each of a measuring component lies.

4. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that

- that a fixed filter ( 11 , 12 , 13 ) is present for each measuring component,
- That an aperture wheel ( 14 ) is formed and arranged in the beam path of the light source and is moved so that the filters are one after the other in the beam path of the light tes.

5. The device according to claim 4, characterized in that the filters ( 11 , 12 , 13 ) have different radial distances from the axis of rotation of the aperture wheel and in the aperture wheel ( 14 ) associated with the filters, translucent segments ( 15 , 16 , 17 ) are at the same radial distance as the filters.

6. Apparatus according to claim 4 or 5, characterized in that the aperture wheel ( 14 ) alternately interrupts the beam lengang and releases the beam path through the filter.

7. The device according to claim 5 or 6, characterized in that

- That each filter ( 11 , 12 , 13 ) has several segments ( 18 , 18 '...; 19 , 19 '...; 20 , 20 '...) are present, the same was from the axis of the aperture wheel and have the same mutual angular distance,
- That the angular distances of the different filters assigned segments have different angular distances (72 °, 60 °, 45 °) and
- That an evaluation device is connected to the detector, the wheel at a rotating speed rotating aperture by means of frequency analysis or a corresponding method determines the concentration of the measuring components.