DE2366128C2 - Nichtdispersives Infrarot-Fotometer zur Konzentrationsbestimmung eines Analysengases in einem Gasgemisch - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein nichtdispersives Infrarot-Fotometer zur Konzentrationsbestimmung eines Analysengases in einem Gasgemisch der im Oberbegriff des einzigen Anspruchs angegebenen Gattung.

Nichtdispersive Infrarot-Fotonitter sind in Zweistrahl- oder Einstrahlausführung mit selektiven, gasgefüllten Empfängerkammern bekannt. Die meisten dieser nichtdispersiven Analysenvorrichtungen arbeiten nach dem Zweistrahlprinztp wie dies beispielsweise aus der DE-PS 7 30 478 bekannt ist, um die erforderliche Substraktion des Grundsignals durch Differenzmessung mit einem gleichartigen symmetrischen Referenzstrahlengang zu bewirken. Das System ist optisch so justiert, daß ohne Vorabsorption der Analysenküvette die gleichphasige Strahlungsmodulation in beiden Empfängerkammern gleichgroße Signale (Temperatur-/ Druckimpulse) erzeugt, die sich am Detektor (Thermosonde/Membrankondensator) aufheben. Enthält das Meßgas in der Analysenküvette die Meßkomponente, so wird ein Teil der Strahlungsleistung konzentrationsabhängig bereits vorabsorbiert und das Gleichgewicht der Empfängersignale aufgehoben. Da jedoch alle geringfügigen Änderungen der Symmetrie der Strahlenwege, z. B. durch optische Dejustierung, Strahleralterung, Küvettenverschmutzung und jede nichtselektive vorabsorption, das Gleichgewicht der Empfängersignale ebenfalls stören können, ist die Nullpunkt-Stabilität und Selektivität dieser Vorrichtung für hochempfindliche Meßbereiche unzureichend. Da außerdem die Differenz großer thermopneumatischer Empfängersignale zu bilden ist, muß die Amplitude und Phase dieser Signale besonders stabil sein, was sich bei Spurenmeßbereichen nur durch genaue Thermostatisierung solcher Geräte annähernd erreichen läßt.

Eine Weiterentwicklung der Zweistrahlgcrätc verwendet eine gemeinsame Empfängerkammer für die gegenphasig modulierte Meß- und Referenzstrahlung. Die Signaldifferenz wird dabei unmittelbar in demselben Absorptionsvolumen der Meßkammer gebildet. Es

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4) besteht jedoch wiederum der bereits beschriebene nachteilige Einfluß von Änderungen der Strahlungssymmetrie auf die Nullpunkt-Stabilität

Diese Schwierigkeiten werden mit sogenannten Einstrahl-Doppelschicht-Absorptionsmeßkammern gemäß DE-PS 10 17 385 verringert, die zwei optisch hintereinander liegende, durch ein Fenster pneumatisch getrennte Gasvolumen besitzen. Durch die vordere kürzere Schicht wird vorzugsweise Strahlungsleistung aus den Zentren und durch die dahinter liegende Schicht aus den Flanken jeder Absorptionslinie absorbiert. Beide Anteile sind durch die Kammer-Geometrie und Füllgas-Konzentration so abgeglichen, daß nahezu gleichgroße Signalimpulse erzeugt werden, die am Detektor im Gleichgewicht stehen. Durch die selektive Vorabsorption (Meßeffekt) in der Analysenküvette, deren Schichtstärke dem Meßbereich angepaßi ist, wird vorwiegend nur die Strahlungsleistung für die vordere Absorptionsschicht geschwächt, während die der hinteren weitgehend erhalten bleibt Die daraus resultierende Signaldifferenz ist von der Konzentration der Meßkomponente abhängig. Für einen einwandfreien Nullabgleich müssen die pneumatischen Signalimpulse in Amplitude und Phase übereinstimmen, was infolge der unterschiedlichen Geometrie der Absorptionsvolumina und der somit unterschiedlichen Zeitkonstante von Gaserwärmung und -abkühlung mir schwierig durch pneumatische Nebenschlüsse und Laufzeitglieder aus Kapillaren und Totvolumen oder durch spezielle Formgebung der Kammer abstimmbar ist

Des weiteren ist aus der DE-AS 13 02 592 bereits ein weiteres nichtdispersives IR-Fotometer bekannt, bei dem vor einem Doppelschichtempfänger eine Küvette angeordnet ist, die in eine Meßzelle und eine Referenzzelle unterteilt ist. Beide Zellen sind gegenphasig von IR-Strahlung beaufschlagt Dieses bekannte Gerät soll der einwandfreien Feststellung sehr kleiner Mengen einer Analysensubstanz -Jienen, ist jedoch hinsichtlich der Nullpunkt-Stabilität und des Signalstörabstandes durchaus noch nicht optimal.

Ein nichtdispersives Infrarot-Fotometer der eingangs bezeichneten Gattung ist beispielswise aus der DE-AS 16 98 218 bekannt. Während die dem einen Strahler zugeordnete Küvette ausschließlich eine Meßküvette darstellt, stellt die dem anderen Strahler zugeordnete Küvette eine ReferenzkUvette dar. Die Signale der vorderen und hinteren Absorptionsschicht der beiden Doppelschicht-Absorptionskammern sind pneumatisch und elektrisch so gekoppelt, daß als Meßsignal ein Produkt aus Differenz der Strahlungsleistung und Differenz der absorbierten Energien der Kammerschichten erreicht wird. Für das Meßsignal gilt:

S₂ = /,(£„ - UE₁₁) - I₁(E₂₁ - HE₁₁) (I)

Hierbei bedeuten /die Strahlungsintensitäten hinter den Küvetten und E die je Volumeneinheit und Strahlungsintensitätseinheit absorbierten Strahlungsenergien der vorderen bzw. hinteren Absorptionsschienten der beiden Doppelschicht-Absorptionskammern, a und b sind Faktoren, die die Schwächung der Strahlung durch die jeweils vorderen Empfängerschichten darstellen. Dieses vorbekannte Infrarot-Fotometer ist jedoch hinsichtlich der Stabilitätsanforderungen an den symmetrischen Slrahhingsabglcich immer noch kritisch, insbesondere für höherharmonische Strahlungsanteile der Modulationsfrequenz.

Der vorliegenden Erfindng liegt die Aufgabe

zugrunde, die Nullpunkt-Stabilität und den Signalstörabstand bei einem nichtdispersiven Infrarot-Fotometer der eingangs bezeichneten Gattung zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichenteil des einzigen Anspruchs angegebenen Merkmale gelöst

Mit anderen Worten wird also die Verbesserung der Nullpunkt-Stabilität und des Störabstandes daduch erzielt, daß den beiden Doppelschicht-Absorptionskammern je eine Doppelküvette vorgeschaltet ist unter Vorsehung einer Modulationsmöglichkeit für die beiden ι ο Strahtengänge derart, daß in jede der beiden Absorptionskammern mindestens nahezu intensitätsgleiche modulierte Strahlungsameile einfallen, die abwechselnd je einen Meß- und Referenzraum einer Doppelküvette durchlaufen, wobei die beiden Absorptionskammern also gegenphasig von Meßstrahlung bzw. Referenzstrahlung beaufschlagt sind.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft und unter Bezugnahme auf die Zeichnung weiter ins einzelne gehend erläutert, wobei in der Zeichnung der Aufbau eines zweistrahligen Fotometers dargestellt ist

Bei dieser Ausführungsform besitzt das Fotometer zwei parallele Hauptachsen. Die von den beiden parallel nebeneinander liegenden Strahlern 1 mit Reflektoren 2 ausgehende Infrarot-Emssion wird von der mit einem Motor M angetriebenen Blendenscheibe 4 periodisch so unterbrochen, daß sie anteilig jeweils gegenphasig die zugeordnete Referenz- und Meßzelle der Doppelküvette 3 durchläuft und daß wechselseitig die Meßzelle des einen Strahlengangs und die Referenzzelle des anderen Strahlengangs gleichzeitig durchstrahlt werden. Somit empfängt eine Doppelschicht-Absorptionsmeßkammer 8 jeweils Meßstrahlung, während die andere Meßkammer 8 Referenzstrahlung empfängt Eventuelle statische Druckunterschiede oder Konzentrationsdiffererenzen zwischen den beiden Schichten jeder einzelnen Doppelschicht-Absorptionsmeßkammer gleichen sich über eine entsprechend angeordnete Verbindungskapillare 6 uus. Die hinteren Schichten der beiden Doppelschicht-Absorptionsmeßkammern 8 sind an einen gemeinsamen Detektor S angeschlossen.

Die Meßkammerschichten sind über Leitungen 7 pneumatisch so gekoppelt, daß wiederum die Signale der in einem Hauptstrahlengang primär beaufschlagten Schicht \iad der im anderen Hauptstrahlengang sekundär beaufschlagten Schicht addiert werden und daß zwischen beiden Kombinationen am Detektor die Signaldifferenz gebildet wird. Nach Differenzbildung gilt somit:

S₄ = (E₁₁ - OE₁₂)(I_1x - I_x.) - (E₂, - bE_n)(I_lx - I₂₂)

Auch hier sind a und b Faktoren, die die Schwächung der Strahlung durch die jeweils vorderen Empfängerschichten darstellen, Sind die Kammern symmetrisch aufgebaut, gilt a=b.

Die Absorptionsschichten beider Doppelschicht-Absorptionsmeßkammern müssen einzeln ohne selektive Vorabsorption abgeglichen werden, damit

So läßt sich neben hoher Stkktivität ein von nicht-selektiven Strahlungsänderungen unabhängiger Nullpunkt erreichen.

Mittels des beschriebenen Fotometers lassen sich also Signalverdoppelungen gegenüber den Fotometerausbildungeii gemäß Gleichung (1) erreichen. Mittels der kreuzweisen Verbindung der Absorptionskammern und mittels der gegenphasigen IR-Einstrahlung sind die zwei Gasanalysatorsysteme so miteinander gekoppelt, daß die Intensitätsdifferenz der einen Meßzelle 3 gegenüber derjenigen der anderen Meßzelle 3 um 180⁰C verschoben auftritt. Daher kann die Gleichung (2) auch in folgender Form geschrieben werden:

S₄ = IE- \J - IE(- IJ).

(2a)

Darüber hinaus haben sich die Möglichkeiten des Nullabgleichs und die Nullpunkt-Stabilität infolge der noch besseren Kompensation des statischen Gleichgewichts erhöht, und für die Signalimpulse wird die Differenzbildung großer Werte vermieden. Phasenfehler können durch den symmetrischen Aufbau der Kammern nicht entstehen. Statische Druckunterschiede zwischen den Absorptionsschichten ;iner Kammer werden über die genannte Verbindungskapillare 6 mit hoher pneumatischer Zeitkonstante ausgeglichen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Palentanspruch:

   Nichtdispersives Lnfrarot-Fotometer zur Bestimmung der Konzentration eines Analysengases in s einem Gasgemisch mit zwei Infrarotstrahlern zur Erzeugung zweier paralleler Infrarotlichtbündel, mit einer Blendenscheibe zur Zerhackung der beiden Infrarotlichbündel, mit je einer Küvette im Wege eines jeden zerhackten Infrarotlichtbündels, mit je einem Zweischichtdetektor hinter jeder Küvette, mit die vordere Schicht jeweils des einen Zweischichtdetektors mit der hinteren Schicht jeweils des anderen Zweischichtdetektors verbindenden Leitungen, und mit Einrichtungen zur Messung der Differenz der in dem einen und dem anderen Paar miteinander verbundener Schichten absorbierten Strahlungsenergien, dadurch gekennzeichnet, daß jede Küvette (3) aus einer Meß- und einer Refcrcnzzciie besteht und daß die Blendenscheibe (4) derart beschaffen ist, daß die Meßzelle der einen Küvette und die Referenzzelle der anderen Küvette im Wechsel mit der Referenzzelle der einen Küvette und der Meßzelle der anderen Küvette von Infrarotstrahlung durchsetzt sind.