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Kompensation von druck- und temperaturabhängigen Änderungen der Meßgaskonzentration
in Ultrarot-Gasanalysatoren Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und
eine Vorrichtung zur gleichzeitigen Kompensation von Änderungen der mit Hilfe von
zweistrahligen Ultrarot-Gasanalysatoren gemessenen Konzentrationen eines im ultraroten
Spektralbereich absorbierenden Gases, die durch änderungen des atmosphärischen Drukkes
und der Umgebungstemperatur verursacht werden.
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Beim Ultrarot-Gasanalysator wird bekanntlich das zu messende Gas durch
eine sogenannte Meßküvette geleitet, die vom Licht einer Ultrarotquelle durchstrahlt
ist. C.leichzeitig wird das Licht einer zweiten, nahezu gleichintensiven Ultrarotquelle
durch eine sogenannte Vergleichsküvette geschickt, die mit einem im ultraroten Spektralbereich
nicht absorbierenden Gas gefüllt ist. Nach dem Durchlaufen der Küvetten weisen die
beiden Strahlen, der sogenannte Meßstrahl und der sogenannte Vergleichsstrahl,einen
Unterschied in der Intensität auf. Diese Differenz wird von einem Empfänger gemessen,
der mit dem gleichen Gas wie das zu messende gefüllt ist, und hängt nur von der
in der Meßküvette vorhandenen Anzahl der absorbierenden Molerille ab.
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Weil bei der kontinuierlichen Meßweise das zu messende Gas durch die
Meßküvette in die freie Atmosphäre strömt, beeinflussen Druck- und Temperaturänderungen
der Meßgeräteumgebung die Anzahl 111/63 1 Zeichn'lng
der absorbierenden
Moleküle pro Volumeneinheit in der Meßküvette. Steigt zum Beispiel der atmosphärische
Druck oder sinkt zum Beispiel die Umgebungstemperatur, so erhöht sich die Zahl der
absorbierenden Moleküle pro Volumeneinheit in der Meßküvette, und der Meßwert gibt
eine Konzentration der absorbierenden Caskomponente an, die höher liegt als die
der Zusammensetzung des Meßgases entsprechende. Arbeitet man mit unterdrücktem Meßbereich,
so kann dieser Fehler, bezogen auf den Meßbereich, 50 ß überschreiten.
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Will man Spuren eines Gases, z.B. 1 bis 100 ppm, in einem Gasgemisch
messen, dessen Hauptkomponente ebenfalls Absorptionsbanden im Ultrarot besitzt,
die von dem Empfänger wegen unvollkommener Selektivität miterfaßt werden, so wird
die Messung durch änderungen des atmosphärischen Druckes und der Umgebungstemperatur
ebenfalls beeinflußt.
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Es sind bereits verschiedene Kompensations- und Korrektionsvorrichtungen
zur Beseitigung von MeBungenautgkeiten, die von Druck-und Temperaturänderungen herrühren,
bekannt.
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Nach der Firmenschrift flartmann & Braun AG, Dokumentation DY
1/629/).69/FC, Seite 17 bis Seite 21, werden Druckänderungen mittels einer Membrandose
ausgeglichen, die eine Blende im Strahlengang hinter der Meßküvette verschiebt und
so die Intensität ändert, während die Temperaturänderungen durch eine Thermostatisierung
des Meßsystems beseitigt werden.
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Eine andere Kompensationsmethode von Dr. luft, I.G. Farbenindustrie
AG, Ludwigshafen a. Rhein, Betriebskontrolle, t.ktennotiz Nr. 41 005 vom 27.1.1941,
"Kompensation von Gasdichteschwankungen bei der Messung mit dem Uras" beruht darauf,
daß ein abgeschlossenes Volumen über ein mit Quecksilber gefülltes Manometer im
Druckausgleich mit der Atmosphäre steht. In eine ochenkel
des Manometers
ist ein Draht ausgespannt, dessen wirksamer elektrischer Widerstand sich dann andert,
wenn durch Druck-und Temperaturänderungen der Stand des Quecksilbers in diesem Schenkel
verschoben wird. Die Druck- und Temperaturänderungen werden in ein elektrisches
Signal umgewandelt und auf den elektrischen Ausgang des Analysators. gegeben.
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In der DOS 1 814 394 wird eine Kompensationsvorrichtung beschrieben,
bei der die Meßküvette in einer lieizkammer liegt und die Temperatur in Abhangigkeit
vom atmosphärischen-Druck mittels einer Druckmeßdose geregelt-wird.
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Während die Vorrichtungen von Hartmann & Braun und nach Dr. --1;uft
ausgelegt sind, den Meßwert zu korrigieren, besteht die Funktion der in DOS 1 814
394 beschriebenen Vorrichtung in der Konstanthaltung der Anzahl der Moleküle in
der Meßküvette. Alle drei Kompensationsvorrichtungen sind konstrulctiv aufwendig
und verlangen sorgfältige Wartung.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches-Verfahren
und- eine Vorrichtung zu dessen Durchführung zu finden, die zur Kompensation der
durch Änderungen des atmosphärischen Druckes und der Umgebungstemperatur verursachten
Konzentrationsänderungen von in zweistrahligen Ultrarot-Gasanalysatoren zu messenden
Gasen dienen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Vergleichsküvette
des zweistrahligen Ultrarot-Gasanalysators mit einem Gasgemisch befüllt wird, welches
eine der im ultraroten Bereich absorbierenden Komponente des zu messenden Gases
gleiche Komponente enthält und in seinen Konzentrationsänderungen den; änderungen
des atmosphärischen Druckes und der Umgebungstemperatur selbsttätig folgt.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen einmal im Wegfall
des Thermostaten und der Korrektionseinrichtungen im Ultrarotanalysator, also in
deutlich reduzierten Herstellungs-, Betriebs- und Wartungskosten des Analysators,
und zum anderen in seiner, dem gewählten Meßbereich angepaßten, also besseren Meßgenauigkeit,
Ein anderer Vorteil der Erfindung besteht im problemlosen Einbau der erfindungsgemäßen
Vorrichtung in einen Ultrarot-Gasanalysator.
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Hin Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben.
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Fig. 1 zeigt das Schema eines Ultrarot-Gasanalysators, hier URAS 2
der Firma Hartmann & Braun AG, und die erfindungsgemä-Be Vorrichtung. Die wesentlichen
Teile des Ultrarot-Gasanalysators sind: die Ultrarotstrahler (1), das Blendrad (2)
mit dem Antriebsmotor (M), die Filterkammern (3), die Meßküvette (4), die Vergleichsküvette
(5) und der Empfänger (6).
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An die Vergleichsküvette (5) ist über eine Verbindungsleitung (7)
ein Hohlkörper (8) angeschlossen. Der Stutzen (9) dient zum Befilllen des aus der
Vergleichsküvette (5), der Verbindungsleitung (7) und dem Hohlkörper (8) bestehenden
Vergleichssystems mit Gas und sperrt das Vergleichssystem gegen die Atmosphäre ab.
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Der Hohlkörper (8) hesteht aus einem tarren, zur einen Seite hin offenen
kreiszylindrischen Topf (10), dessen nand als eine planparallel zur Ebene des Bodong
verlaufende Krempe (11) ausgebildet ist, denn rechtwinklig zurückgebogen einen mit
dem Topf konzentrischen Zylinder (12) bild@t. An diesem äußeren Zylinder ist ein
konzentrischer, aus mehreren krcisrunden elastischen Membranen (13) bestehender
Balg vakuumdicht angeschweißt, der mit einer starren kreisrunden @laite (14) abschließt.
Auf dem äußeren Zylindermantel (1@) sind @wcl @@@indes@angen (15) radialsymmetrisch
angebracht.
Die Gewindestangen (15) tragen Platten (16), die in den Zwischenbereich zweier benachbarter
Balgmembranen geschwenkt und mit den Muttern (17) so gegen den Balg gedrückt werden,
daß der Baig um'eine oder mehrere Membranen zusammengezogen wird.
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Besteht die Meßaufgabe in der Messung der Konzentration eines Gases,
welches einem im ultraroten Spektralbereich nicht absorbierenden Gas beigemischt
ist, und kann diese Konzentration Werte im Bereich zwischen a und b annehmen, wobei
ein Wert c dieses Intervalls besonders genau gemessen werden soll, so werden die
änderungen der Konzentration c, die durch Anderungen des atmosphärischen Druckes
und der Umgebungstemperatur im Analysator verursacht werden, kompensiert, indem
das Vergleichssystem (5,7,8) mit einem Gasgemisch, welches eine der im ultraroten
Bereich absorbierenden Komponente des zu messenden Gases gleiche' Komponente von
der Konzentration c enthält, befüllt und gegen die Atmoc sphäre mit Hilfe des Stutzens
(9) abgesperrt wird.
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Steigt der atmosphärische Druck oder sinkt die Umgebungstemperatur
bzw. umgekehrt, so wird die Anzahl der Moleküle in der Meßküvette (4) größer bzw.
kleiner. Das gleiche geschieht in der Vergleichsküvette (5), da der gestiegene atmosphärische
Druck den Membranbaig (13) zusammengedrückt, dadurch das Volumen des Vergleichssystems
(5,7,8) verkleinert und die Anzahl der Moleküle pro Volumeneinheit der Vergleichsküvette
(5) erhöht hat.
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Ein Anstieg der Umgebungstemperatur läßt das gasgefüllte Vergleichssystem
(5,7,8) expandieren und bewirkt eine Verkleinerung ,der Molekülanzahl pro Volumeneinheit
in der Vergleichsküvette.
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Damit folgt das Gasgemisch in seinen Konzentrationsänderungeh den
änderungen des atmosphärischen Druckes und der Umgebungsternperatur selbsttätig,
deha ohne Zuhilfenahme irgendwelcher Steuer-oder Regelvorrichtungen.
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«nderungen des atmosphärischen Druckes und der Umgebungstemperatur
bewirken in beiden Küvetten (4) und (5) die gleiche relative änderung der Molekülanzahl
in der Volumeneinheit. in<] in den Küvetten (4) und (5) die Konzentrationen der
zu messenden Gaskomponente gleich, so ist die absolute Änderung der Molekülanzahl
pro Volumeneinheit in beiden Küvetten gleich, ihre den Meßeffekt in bekannter Weise
bewirkende Differenz ist dann gleich Null und der Einfluß der Änderungen des atmosphärischen
Druckes und der Umgebungstemperatur vollständig kompensiert. Für alle anderen Konzentrationen
zwischen a und b ist die Differenz der Molekülanzahlen pro Volumeneinheit ungleich
Null und der Einfluß der Änderungen des atmosphärischen Druckes und der Umgebungstemperatur
auf eine im Intervall zwischen den Werten a und b liegende Konzentration d ist um
so größer, je größer die Differenz zwischen d und c ist.
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Sind Spuren, zum Beispiel 1 bis 100 ppm, eines im ultraroten Spektralbereich
absorbierenden Gases, der sogenannten Spurenkomponente, in einem anderen, ebenfalls
im ultraroten Spektralbereich absorbierenden Gas, der sogenannten Hauptkomponente,
zum Beispiel Spuren von CO in C2H4 zu messen, so füllt man das Vergleichssystem
mit der Ilauptkomponente und einem usatz der Spurenkomponente von einer bestimmten
im Meßbereich 1 bis 100 ppm liegenden Konzentration. Dadurch wird sowolll der Absorptionseffekt
der lIauptkomponente timer den gesamten Meßbereich eliminiert als auch der Einfluß
der Änderungen des atmosphärischen Druckes und der Umgebungstemperatur für einen
Wert des Spurenmeßbereiches vollständig kompensiert.
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Der Membranbalg besitzt eine durch den Werkstoff und die Bauart bedingte
individuelle Federkonstante und folgt den Enflerun£en des atmosphärischen Druckes
und dcr Umgebungstemperatur nicht vollständig. Die relativen Änderungen der Molekülanzahl
pro Volumeneinheit der Vergleichskiivette sind damit kleine als die
in
der Meßküvette. Um die Messung einer Konzentration d vom Einfluß der Änderungen
des atmosphärischen Druckes und der Umgebungstemperatur freizumachen, wird des Vergleichssystem
mit einem Gasgemisch befUllt,,welches eine der zu messenden Gaskomponente gleiche
Komponente von -einer,solchen Konzentration enthält, die größer ist als d.
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Erweist sich die so im Vergleichssystem höher gewählte Konzentration
als zu hoch, um den Einfluß von änderungen des atmosphärischen Druckes und der Umgebungstemperatur
auf die Konzentration d in der Meßküvette zu kompensieren, so kann man eine wiederholte
Befüllung des Vergleichssystems umgehen, indem man die relative Änderung der Konzentration
im Vergleichssystem verkleinert. Mit der Klemmvorrichtung (15,16,17) am Membranbalg
(1,3) werden einem ge Membranen zusammengedrückt. Dadurch wird der Membranbalg steifer
und folgt jetzt weniger den Änderungen des atmosphärischen Druckes und der Umgebungstemperatur.
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Es wurde gefunden, daß bei einer Änderung des atmosphärischen Druckes
von 760 mm um # 5 % eine resultierende Änderung des Balgvolumens um + 4,8 4 bezogen
auf das Gesamtvolumen des, Vergleichssystems, zur Durchführung des erfintdungsgemäßen
Kompensationsverfahrens genügt.