DE2521934A1

DE2521934A1 - Verfahren und vorrichtung zur nicht- dispersiven optischen konzentrationsbestimmung von gas- und rauchkomponenten

Info

Publication number: DE2521934A1
Application number: DE19752521934
Authority: DE
Inventors: Meinhard Von Braitenberg; Klaus Dipl Phys Dr Hartmann
Original assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Current assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Priority date: 1975-05-16
Filing date: 1975-05-16
Publication date: 1976-11-18
Also published as: FR2311296B1; JPS6214769B2; DE2521934B2; DE2521934C3; FR2311296A1; JPS51141681A; US4126396A; IT1062070B; GB1531844A

Description

PATENTANWÄLTE OLO'IOO/

CO I I 3 OH

MANITZ, FINSTERWALD & GRÄMKOW

München, den 16. MAI 1975 S/Sv-S 3077

Erwin Sick
Optik - Elektronik

7808 Waldkirch
An der Allee 7-9

Verfahren und Vorrichtung zur nicht-dispersiven optischen Konzentrationsbestimmung von Gas- und Rauchkomponenten

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur nicht-dispersiven optischen Konzentrationsbestimmung von Gas- und Rauchkomponenten in einem Gemisch verschiedener Gase und gegebenenfalls Rauch, bei dem wenigstens soviel Strahlungen mit unterschiedlichen Wellenlängen^ wie Gaskomponenten und gegebenenfalls eine Rauchkomponente zu messen sind, durch das Gemisch geleitet, reflektiert, erneut durch das Gemisch geleitet und zu aufeinanderfolgenden Zeiten periodisch von einem Photoempfänger empfangen werden, aus dessen die jeweilige Transmission darstellenden Ausgangssignalen nach dem Beer'sehen Gesetz die Konzentrationen der Komponenten berechnet werden.

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Grundlage für jede Konzentrationsmessung nach dem Prinzip der Strahlungsabsorption ist das Beer*sehe Gesetz, wonach die Transmission einer durchstrahlten Probe exponentiell ν η dem Produkt aus Meßstrecke L und Probenkonzentration c gemäß der folgenden Formel abhängt:

» exp. Γ - k (λ) * L * c I (1)

Γ - k (λ) * L * c 1

Dabei sind Io ( λ ) und I (Λ) Strahlungsintensitäten einer bestimmten Wellenlänge am Beginn bzw. Ende der Absorptionsstrecke, k (A.) ist der wellenlängenabhängige Absorptionskoeffizient der untersuchten Gaskomponente, wobei es häufig vorkommt, daß an gleicher Stelle des Spektrums mehrere Gaskomponenten unterschiedlich absorbieren, was sich als sogenannte Querempfindlichkeit bei der Messung äußert.

Da die Messung der Strahlungsintensitäten im allgemeinen mit einem Strahlungsempfänger erfolgt, verfälschen nicht nur Änderungen in der Abstrahlintensität der Strahlungsquelle und der Strahlungsverluste im optischen Weg, sondern auch Änderungen in der Empfindlichkeit des Strahlungsempfängers die Messung. Die stetigen Änderungen der gemessenen Strahlungsintensitäten unabhängig von den Absorptionsverlusten in der Meßstrecke bezeichnet man auch als das Driften der Anordnung.

Die bekannten nicht-dispersiven Gasanalysatoren lassen sich unabhängig von dem verwendeten Spektralbereich in zwei Gruppen einteilen, nämlich in Geräte, die zur Wellenlängenauswahl optische PiIteranordnungen oder selektive Strahlungsquellen benutzen und solche, die eine spektrale Trennung über gasgefüllte Küvetten erreichen.

Um bei Geräten des zweiten Typs die sogenannte Querempfindlichkeit (hierunter versteht man die Beeinflussung der Absorption an einer bestimmten Stelle des Spektrums durch ein anderes, ebenfalls an dieser Stelle absorbierendes Gas) zu vermeiden, wird mit einer Doppelstrahlanordnung gearbeitet, bei der die von einer oder zwei Quellen ausgehende Strahlung räumlich getrennte Meß- und Vergleichsküvetten durchläuft, die mit der zu

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untersuchenden Gasprobe bzw. einem Nullgas beschickt werden. Die unterschiedliche Strahlungsabsorption in beiden Küvetten wird in je nach Spektralbereich speziell ausgebildeten Strahlungsempfängern zur elektrischen Signalbildung gemessen. Es gibt auch Einstrahlanordnungen, bei denen eine einzige Küvette abwechselnd mit Meßgas und mit Vergleichsgas gefüllt wird, was jedoch sehr umständlich ist.

Eine ausführliche Beschreibung dieser Art von Gasanalysatoren findet sich in dem Aufsatz "Neuester Stand der Entwicklung von Kontrollmeßgeräten zur Dauerüberwachung von Gas-Emissionen" von H.W. Thoenes und W.Gruse, erschienen in der Zeitschrift "Staub-Reinhaltung der Luft", 28 (1968), Heft 3, Seiten 128-134.

Beim Einsatz in der kontinuierlichen Emissionskontrolle haben diese Geräte den prinzipiellen Nachteil, daß sie ein Meßgasentnahme- und -aufbereitungssystem benötigen. Abgesehen von der Umständlichkeit dieses Verfahrens können bei der Meßgasentnahme Fehler auftreten, so daß der für die Messung erhaltene Teilstrom nicht mehr repräsentativ für das Abgas ist. Störende Begleitstoffe wie Feststoffteilchen, Wasserdampf und Aerosole müssen aus dem Meßgasstrom entfernt werden, ohne daß das Entnahme- und Reinigungssystem mit seinen Verbindungsleitungen verstopft wird oder korrodiert. Die zur Meßgasaufbereitung eingesetzten Filter, Kühler und Vorlagen dürfen die zu messende Komponente nicht beeinflussen oder verfälschen.

Bei einer weiteren bekannten Anordnung (DT-OS 2 324 049), bei der diese Schwierigkeiten durch Direktmessung in dem das Abgas

en führenden Kanal z.B. einem Kamin vermieden werden sol3/, sind Strahlungsquelle, optische Filtereinheit, Empfänger und Auswerteelektronik in einem Gehäuse außerhalb des Kamins zusammengefaßt, während in den Kamin von der Seite her eine gasdurchlässige Sonde hineinragt, an deren Ende die Strahlung durch einen Spiegel umgelenkt wird und so zurück in den MeßkODf gelangt. Gemessen wird im ultravioletten Teil des Spek-

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trums durch Kombination von jeweils zwei Wellenlängen für die Gaskomponenten SOp und NOp sowie elektronische Auswertung der beiden Transmissionswerte zur Bestimmung der Gaskonzentration. Zum ' Abgleich und zur regelmäßigen Gewinnung eines Null- und Eichpunktes wird die Sonde mit einem Nullgas gespült, welches die zu messenden Komponenten nicht enthält.

In einer anderen bekannten Anordnung (DT-OS 2 340 7^-7) sind Strahlungsquelle sowie Detektor und Auswerteeinheit in getrennten Gehäusen einander gegenüber am Kamin montiert und über ein gasdurchlässiges Rohr miteinander verbunden. Als Strahlungsquelle dienen zwei Hohlkathoden mit unterschiedlichen, auf die ultraviolette SOp-Absorptionsband abgestimmten Emissionswellenlängen, deren Intensität nach Durchlaufen des Kamins in der Empfängereinheit gemessen und ausgewertet wird. Zur Erfassung von Änderungen im Emissionsvermögen beider Hohlkathodenlampen befindet sich im Sendeteil ein zweiter Photoempfanger.

Über direkt im Abgaskamin messende, dispersive und nichtdispersive Strahlungsanalysatoren wird außerdem in dem Artikel "Monitoring Boiler Stack Gases" von T.O. Elliott in der Zeitschrift "Power" (April 1975), Seiten 92-94, berichtet.

Eine getrennte Anordnung von Sender- und Empfängereinheit am Kamin ist ebenso wie die Strahlumlenkung innerhalb einer Sonde durch einen Spiegel stark justierempfindlich, so daß die über die Meßstrecke laufende Strahlungsintensität wesentlich von der geometrischen Ausrichtung und Stabilität der Anordnung am Kamin abhängt. Eine Messung des Gasgehaltes nach der Zwei-Wellenlängen-Methode bleibt allerdings möglich, solange beide Strahlungsteile in räumlich stets gleicher Mischung den gleichen optischen Weg nehmen. Dagegen ist eine Messung des Rauchanteils im Abgas mit

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solchen Anordnungen kaum möglich, da Feststoffpartikel anders als eine Gaskomponente die Durchlässigkeit für beide Wellenlängen herabsetzen und somit als Vergleich die ungeschwächte Strahlung benötigen. Jede justierbedingte Änderung der Strahlungsintensität würde als Meßfehler in die Bestimmung des Feststoffgehaltes eingehen. Im übrigen kann eine Querempfindlichkeit zu anderen Gaskomponenten auch bei der Zwei-Wellenlängen-Methode nicht ausgeschlossen werden; sie ist in weiten Bereichen des infraroten Spektrums durch die Absorptionsbanden des Wasserdampfes gegeben und muß auch im ultravioletten Bereich wegen der breiten Banden des Stickstoffdioxides berücksichtigt werden.

Die direkt im Kamin messenden Geräte nach dem Stand der Technik sehen keine speziellen Anordnungen oder Maßnahmen zur Kompensation der genannten Querempfindlichkeit vor. Für die kontinuierliche Emissionsüberwachung ist auch die Langzeitstabilität eine wesentliche Forderung an das Gerat, die beim Arbeiten mit mehreren Strahlungssendern oder -empfängern nur schwer erfüllt werden kann. Auch durch die Quotientenbildung bei der Messung mit zwei Wellenlängen werden Drifteffekte in den optischen und elektro-optisßhen Bauteilen nur insoweit kompensiert, als sie nüit wellenaDnangig sind. Schließlich ist bei den bekannten Verfahren mit Direktmessung im Abgaskamin ein Nachteil darin zu sehen, daß die eingeführte Sonde nur einen Teil des Kaminquerschnittes erfaßt, der nicht unbedingt repräsentativ für den gesamten Abgasstrom sein muß.

Das Ziel der Erfindung besteht somit darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, welche die genannten Nachteile der bekannten Geräte vermeiden und eine wesentlich genauere Konzentrationsmessung mit Hilfe

s οΐΐθΐι der Strahlungsabsorption ermöglicheiv, wooei insbesondere die Nachteile der spektral unterschiedlichen Drifteffekte ausgeschaltet werden sollen.

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Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß in vorbestimmten Zeitabständen und für wenigstens eine Empfangsperiode die Strahlungen schon vor dem Eintreten in das Gemisch über den gleichen Strahlengang direkt zum Photoempfänger reflektiert und die dabei für die verschiedenen Meßwellenlängen erhaltenen elektrischen Vergleichssignale während des nächstfolgenden, vorbestimmten Zeitabstandes gespeichert werden und daß die die jeweilige Transmission darstellenden Ausgangssignale vor der Errechnung der Konzentrationen durch das bei der gleichen Wellenlänge erhaltene, gespeicherte Vergleichssignal dividiert werden. Der Erfindung liegt also der Gedanke zugrunde, daß die wellenlängenabhängigen Einflüsse der spektralen Empfindlichkeit des Photoempfängers und des spektralen Emissionsvermögens der Strahlungsquelle sowie sonstige Einflüsse der optischen Bauelemente kompensiert werden. Die Drifteffekte werden somit durch das erfindungsgemäße Verfahren vollständig ausgeschaltet, und zwar selbst dann, wenn sie wellenlängenabhängig sind. Lediglich die beiden Reflektoren müssen stabil sein und unter Ausschaltung der Gasabsorption kontrolliert werden.

Im allgemeinen genügt es, wenn die Vergleichssignale etwa alle zehn Minuten neu gebildet und gespeichert werden, weil die Drifteffekte sich in kürzeren Zeiten praktisch nicht bemerkbar machen. An sich würden auch längere Zeiträume für die Bildung der Vergleichssignale ausreichen. Bei Verwendung der heute in der Analogtechnik üblichen elektronischen Haltekreise ist der 10-Minuten-Zyklus bevorzugt; bei digitaler Schaltungsausführung können längere Zeiträume gewählt werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn sowohl die Meß- als auch die Vergleichssignale bei gleichen Grundbedingungen auf den gleichen Pegel einregelbar sind. Dies kann z.B. durch unterschiedliche Verstärkung der einzelnen Signale verwirklicht werden und führt zu einer besonders einfachen rechnerischen Auswertung.

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Sofern das Gemisch aus Rauch, SOp und NOp besteht, liegen die Meßwellenlängen zweckmäßig bei 315» 4-35 und 546 nm, da die zugehörigen Absorptionskoeffizienten der genannten Komponenten für die üblicherweise in Abgaskaminen vorliegenden Konzentrationen und bei völliger Kamindurchstrahlung gut auswertbare Transmissionssignale ergeben.

Die Erfindung hat auch eine besonders zweckmäßige Vorrichtung zur Ausführung des vorgenannten Verfahrens mit einem an einem Ende der Meßstrecke angeordneten Lichtsender-Empfänger für die Strahlungen und einem Reflektor am anderen Ende der Meßstrecke sowie einer Rechenschaltung zur Ermittlung der Konzentrationen aus den vom Lichtempfänger gebildeten elektrischen Signalen zum Gegenstand, welche sich dadurch kennzeichnet, daß das aus dem Lichtsender-Empfanger austretende Lichtbündel vor dem Eintreten in die Meßstrecke wahlweise auf einen Vergleichsreflektor bringbar ist, der das Bündel in der gleichen Richtung wie der am Ende der Meßstrecke angeordnete Reflektor zurückwirft. Aufgrund dieser Anordnung können auf einfache Weise zwischen den Meßperioden die für die Driftkompensation erforderlichen Vergleichssignale gebildet werden, indem der Lichtstrahl auf den Vergleichsreflektor geworfen wird.

Zweckmäßigerweise ist der Vergleichsreflektor in den Strahlengang zwischen Lichtsender-Empfänger und Meßstrecke einschwenkbar. Bei einer praktisch vorteilhaften Ausführungsform ist der Vergleichsreflektor an einem unmittelbar neben dem Frontobjektiv des Lichtsender-Empfängers angelenkten Hebelarm befestigt, wobei vorzugsweise in einem relativ kleinen Abstand vom Drehpunkt des Hebelarmes eine Betätigungsstange angelenkt ist, welche über eine Kurbel von einem Motor in der einen oder anderen Richtung antreibbar ist. Auf diese Weise können mit relativ kleinen Bewegungen große Ausschläge des den Vergleichsreflektor tragenden Hebelarms erzielt werden, was ein schnelles, aber kontrolliertes und ohne harten Anschlag erfolgendes Einschwenken ermöglicht.

Die Reflektoren sind vorzugsweise Retroreflektoren, insbesondere Tripelspiegel, wobei wenigstens der am Ende der Meßstrecke angeordnete Reflektor allseits vom Lichtbündel überstrahlt sein soll.

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Diese Ausführung ist besonders dann zweckmäßig, wenn der Lichtsender-Empfänger und der Retroreflektor an gegenüberliegenden Seiten eines Kamins angeordnet sind, wobei es bekanntlich durch unterschiedliche Ausdehnungen der Kaminwände bei Erhitzung zu erheblichen Verziehungen kommen kann. Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung mit überstrahltem Retroreflektor üben jedoch derartige Verziehungen keinen nachteiligen Einfluß auf die Messung aus.

Eine besonders einfache optische Anordnung in Verbindung mit guter Justierunempfxndlichkeit wird durch Verwendung eines Autokollimationsstrahlenganges erzielt.

Für die Messung einer Rauch-, einer SOp- und einer NOp-Komponente geeignet ist besonders eine Quecksilberdampf-Niederdrucklampe, weil diese Emissionsbanden bei den Meßwellenlängen 313, 4-35 und 54-6 nm aufweist.

Die Wellenlängenauswahl erfolgt zweckmäßig durch ein Filterrad, welches auf einem ersten Umfang nacheinander in den Empfangsstrahlengang gelangende Filter aufweist. Im Falle der Messung von Rauch, SOp und NOp sowie bei Verwendung einer Quecksilberdampf-Niederdrucklampe genügt es dann, die Filter aus Farbglaskombinationen herzustellen, welche bekanntlich relativ breitbandig sind. Angesichts der Emissionscharakteristik der Quecksilber-Niederdrucklampe genügen jedoch derartige breitbandige Filter.

Zweckmäßig ist in der Folge von Filtern auch eine Dunkelzone vorgesehen, welche bei der elektronischen Auswertung den Nullpunkt definiert.

Weiter sind vorzugsweise auf einem zweiten Umfang des Filterrades mit einer Lichtschranke und einem Taktgeber zusammenarbeitende Steuerschlitze vorgesehen, von denen jeder einem Filter bzw. der Dunkelzone zugeordnet ist. Der Taktgeber be-

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wirkt dabei das Austasten desjenigen Wellenlängensignals, das zu einem bestimmten Zeitpunkt gerade gebildet wird.

Auf einem dritten Umfang ist schließlich eine mit einer Lichtschranke und dem Taktgeber zusammenarbeitende Steueröffnung vorgesehen, durch welche die Rückstellung des Taktgebers und damit eine Kennzeichnung des Jeweiligen Zyklusbeginns bewirkt wird.

Vorteilhafterweise ist der Photoempfänger über einen Vorverstärker an eine Kanalabgleichstufe angeschlossen, welche für jede Meßwellenlänge zwei Abgleichverstärker aufweist. Durch geeigneten Abgleich der Verstärker können bei Abwesenheit von Rauch und Meßgas sämtliche Meß- und Vergleichssignalpegel auf den gleichen Wert angehoben werden, was für die spätere Auswertung Vorteile hat.

Bei einer weiteren geeigneten Anordnung wird die Kanalabgleichstufe unter Ausnutzung eines gewissen Arbeitsbereiches der nachfolgend beschriebenen Rechenschaltung so ausgeführt, daß unter Einsparung von Abgleichverstärkern nur eine paarweise Übereinstimmung von Meß- und Vergleichssignalpegel bei Abwesenheit von Rauch und Meßgas für jeweils eine Meßwellenlänge eingestellt wird, wodurch im günstigsten Fall bei zusätzlichem optischen Feinabgleich für eine Wellenlänge mit Hilfe der Irisblende an den beschriebenen Reflektoren für die KanalabgTeichstufe nur zwei Abgleichverstärker notwendig werden.

Vorzugsweise ist auch für die Dunkelzone ein Abgleichverstärker in der Kanalabgleichstufe vorgesehen.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist an die Kanalabgleichstufe ein vom Taktgeber gesteuerter elektronischer Schalter angelegt, welcher die Wellenlängen-Meß- und -Vergleichssignale sowie gegebenenfalls das Dunkelzonensignal individuell in Haltekreisen abspeichert.

An den Schalter ist dann die Rechenschaltung angelegt, welche die zur gleichen Wellenlänge gehörenden Meß- und Vergleichssignale paarweise abfragt und durcheinander dividiert. Diese Division stellt den entscheidenden Schritt gemäß der Erfindung dar, weil dabei sämtliche die Messung durch Drifteffekte beeinträchtigenden Parameter herausfallen.

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Um zu den Konzentrationsangaben zu kommen, werden die durcheinander dividierten Signale in der Rechenschaltung zweckmäßig logarithmiert.

Die die Extinktionen darstellenden Logarithmus-Signale werden vorzugsweise in Haltekreisen abgespeichert.

An die Haltekreise ist schließlich eine Rechenstufe angelegt, welche aus den Logarithmus-Signalen die KonzentrationssignaIe bildet, welche an einem beliebigen Anzeigeinstrument dargestellt werden können.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:

!'ig. 1 ein Funktionsschema einer bevorzugten Vorrichtung und Schaltung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 eine schematische Stirnansicht des bei der Vorrichtung nach Fig. 1 verwendeten Filterrades,

Fig. 3 die Stirnansicht einer praktischen Verwirklichung des Lichtsender-Empfängers der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung,

Fig. 4 ein Impulsdiagramm der von dem Filterrad angesteuerten Photoempfänger,

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer abgewandelten Anordnung des Vergleichsreflektors, welche statt des seitlich einschwenkbaren Vergleichsreflektors nach Fig. 1 und 3 verwendet werden kann,

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Fig. 6 einen Schnitt des bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendeten Tripelreflektors,

Hg. 7 ein schematisches Blockschaltbild der bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendeten Rechenschaltung, und

Pig. 8 eine schematische Seitenansicht eines abgewandelten Teiles der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Fig. 1, welche mit Wechsellicht arbeitet.

Nach Fig. 1 weist die erfindungsgemäße Vorrichtung einen auf der einen Seite eines Kamins 72 befestigten LichtSender-Empfänger 11 und einen auf der gegenüberliegenden Seite des Kamins 72befestigten Reflektorkopf 12 auf, der aus einem Gehäuse 14 und einem an dessen Stirnseite angeordneten Retroreflektor 15 besteht. Zum Durchgang der Lichtbündel weist der Kamin 72 im Bereich des Lichtsender-Empfängers 11 und des Reflektorkopfes 12 öffnungen 74, 75 auf.

Das Gehäuse 14 des Reflektorkopfes 11 und ein Anschlußstutzen 76, der das Gehäuse 15 des Lichtsender-Empfängers 11 mit dem Kamin 72 verbindet, sind mit Spülluft-Zuführungsstutzen 71 versehen, durch welche in Richtung der Pfeile f Spülluft eingeblasen wird, die verhindert, daß Verunreinigungen aus dem Kamin 72 in den Anschlußstutzen 76 bzw. an das Frontobjektiv 20 gelangen und sich dort absetzen.

Im Gehäuse 15 des Lichtsender-Empfängers 11 ist eine vorzugsweise durch eine Quecksilberdampf-Niederdrucklampe gebildete Strahlungsquelle 16 angebracht, welche über einen Kondensor und einen Strahlenteilerspiegel 77 ein in der Stirnwand des Gehäuses 15 angeordnetes Frontobjektiv 20 ausleuchtet. Aus dem Frontobjektiv 20 tritt ein nahezu paralleles und vorzugsweise leicht divergentes Lichtbündel 50 aus, das den Anschlußstutzen 76, den mit Rauchgasen 49 durchsetzten Kamin 72 und schließlich das Gehäuse 14 des Reflektorkopfes 13 durchquert, um auf den vorzugsweise aus Tripein bestehenden Retroreflektor 13 aufzu-

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treffen. Wesentlich ist, daß das Lichtbündel 50 am Ort des Reflektors 13 im Durchmesser größer dimensioniert ist als der Retroreflektor 13, so daß in der aus Fig. 1 ersichtlichen Weise eine allseitige Überstrahlung des Reflektors 13 vorliegt. Auf diese Weise ändert sich der vom Reflektor 13 zurückgeworfene Lichtstrom nicht, wenn gewisse Relativverschiebungen oder Verkippungen zur optischen Achse zwischen Reflektorkopf 12 und LichtSender-Empfänger 11 auftreten.

Aufgrund der Dimensionierungsverhältnisse des Lichtbündels 50 und des Retroreflektors 13 weist das reflektierte Bündel 78 einen geringeren Durchmesser als das vom Sender ausgehende, ebenfalls nahezu parallele Bündel 50 auf.

Das reflektierte Bündel 78 wird durch das Objektiv 20 und nach Reflexion an dem Strahlenteilerspiegel 77 auf einem Photoempfänger 17 konzentriert, vor dem erfindungsgemäß ein Filterrad 18 mit zum auffallenden Licht paralleler Drehachse 79 angeordnet ist. Das Filterrad 18 wird durch einen Motor 80 zu einer Drehbewegung angetrieben.

Vor das Filterrad ist gemäß Fig. 1 auch noch ein Kontrollfilter 23 einschiebbar, welches einer vorbestimmten Komponentenverteilung der Abgase 49 entspricht und zur Prüfung der Vorrichtung auf Funktionsfähigkeit dient.

Nach Fig. 2 enthält das Filterrad 18 als wesentliche Elemente drei sich über jeweils einen Winkel von etwas weniger als 90° erstreckende in Umfangsrichtung längliche Filter 23» 24, 25, welche bei Verwendung einer Quecksilberdampf-Niederdrucklampe als Strahlungsquelle 16 lediglich aus Farbglas-Kombinationen bestehen, deren Aufgabe es ist, nur eine der drei Wellenlängen 313 nm (Filter 23), 435 nm (Filter 24) und 546 nm (Filter 25) durchzulassen, die beiden jeweiligen anderen Wellenlängen jedoch zurückzuhalten.

Für das Filter 23 wird zweckmäßigerweise eine Farbglas-Kombination "UG 11/1 mm und GG 10/1 mm verwendet, für das Filter eine Farbglas-Kombination BG 3/1 mm und NG 3/1 mm und für das Filter 25 eine Farbglas-Kombination OG 515/1 mm und NG 3/1 Die Bezeichnungen kennzeichnen Filter der Fa. Schott.

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Erfindungsgemäß brauchen also aufgrund der Verwendung einer selektiven Strahlungsquelle 16 zur spektralen Trennung keine aufwendigen und im UV nur wenig transparenten Interferenzfilter verwendet zu werden, wie das bei einer breitbandigen Strahlungsquelle erforderlich wäre. Vielmehr genügen die sehr gut durchlässigen und wenig aufwendigen Farbglaskombinationen.

Der vierte Quadrant des Filterrades 18 ist nach Fig. 2 mit einer Dunkelzone 26 versehen, welche den Dunkelstrom des Photoempfängers 17 definiert und damit eine Basis für die Messung der von den Filtern 23ι 24, 25 durchgelassenen Lichtmengen bildet.

Nach Fig. 1 gelangen die Filter 23, 24, 25 bzw. die Dunkelzone 26 bei einer- Drehung des Filterrades 18 nacheinander in den zum Photoempfänger 17 verlaufenden Strahlengang.

Auf einem weiter innenliegenden Umfang des Filterrades 18 sind sich ebenfalls über Jeweils etwas weniger als 90 erstreckende in Umfangsrichtung längliche Schlitze 34 angeordnet, von denen geder einem der Filter bzw. der Dunkelzone 26 zugeordnet ist. Die räumliche Zuordnung muß nicht so wie in Fig. 2 dargestellt seinf sie hängt von der Anordnung der mit den Schlitzen 34 zusammenwirkenden Lichtschranke 35 entlang des Umfanges ab. Zweck der Umfangsschlitze 34 ist es, ein Taktsignal zu erzeugen, welches eine weiter unten noch zu beschreibende Elektronik während der Anordnung des zugeordneten Filters bzw. der Dunkelzone in geeigneter Weise aktiviert.

Schließlich ist auf einem dritten, zwischen dem ersten und zweiten liegenden Umfang noch eine kleine runde Steueröffnung 36 vorgesehen, welche mit einer weiteren, in Fig. 1 schematisch dargestellten Lichtschranke 37 zusammenarbeitet und zur Erzeugung eines Rückstellungssignals für den Taktgeber und damit zur Kenn-

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zeichnung für den jeweiligen Zyklusbeginn dient.

Statt der Schlitze 34 und der Steueröffnung 36 können auch entsprechende Reflexmarken vorgesehen sein, die mit Refüacionslichtschranken zusammenarbeiten. Außerdem kann zur Erhöhung der Anzahl zu messender Gaskomponenten auch die Zahl der im Filterrad 18 angeordneten Filter erhöht werden. In der dargestellten Form und mit den weiter oben definierten Filtern 23, 24, 25 ermöglicht es das Filterrad, die Ftauchkomponente und die Gaskomponenten SOp und NOp im Abgas 49 des Kamins 72 zu ermitteln.

Das reflektierte Lichtbündel 78 wird also bei Drehung in Richtung des Pfeiles F in Fig. 2 nacheinander in die drei Wellenlängen 546 nm, 435 nm und 313 nm zerlegt. Wie weiter unten noch im einzelnen beschrieben wird, ist es für die einfache Auswertung wesentlich, daß die Gaskomponente SOp nur bei der Wellenlänge 313 nm absorbiert. Um eine Querempfindlichkeit zur sehr breitbandigen Absorption des NOp für die SOp-Messung auszuschließen und um die Konzentration dieser Komponente selbst anzeigen zu können, wird sie mit Licht der Wellenlänge 435 um direkt gemessen. Der Einfluß des Feststoffgehalts im Rauchgas auf die Messung bei diesen Wellenlängen läßt sich durch die Bildung eines Referenzsignals bei der Wellenlänge 546 nm ebenfalls eliminieren, wie im folgenden noch im einzelnen beschrieben werden wird.

Der Photoempfänger 17 ist vorzugsweise ein Photo-Multiplier.

Zur vollständigen Driftkompensation ist zwischen dem Lichtsender-Empfänger 11 und der Eintrittsöffnung 74 im Kamin 72 erfindungsgemäß ein Vergleichsreflektor 22 vorgesehen, der zweckmäßig genauso wie der Reflektor 13 als Tripelreflektor ausgebildet ist. Gemäß Fig. 1 ist der "Vergleichsreflektor 22 normalerweise neben dem Strahlengang angeordnet. Er ist jedoch in Richtung des Doppelpfeiles f' in die in strichpunktierten Linien in

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Fig. 1 dargestellte Lage innerhalb des Strahlenganges verschiebbar, derart, daß das auf ihn auftreffende Lichtbündel 50 in sich selbst zurückreflektiert wird. Am zweckmäßigsten ist die Anordnung so wie in Fig. 1 dargestellt, d.h., daß der Vergleichsreflektor 22 sich unmittelbar vor dem Frontobjektiv 20 des Lichtsender-Empfängers 11 befindet, wenn er in den Strahlengang eingeschoben ist. Die bei 71 eingeleitete Spülluft hält somit auch den Vergleichsreflektor 22 von etwaigen Verschmutzungen frei.

Sofern durch das Frontobjektiv 20 selbst eine insbesondere wellenlängenabhängige Drift nicht zu befürchten ist, was bei einer

Anwendungen

Reihe von / der Fall sein dürfte, kann der Vergleichsreflektor 22 auch im Inneren des Gehäuses 15» d.h. hinter dem Frontobjektiv 20 angeordnet werden.

Fig. 3 zeigt eine Stirnansicht des Lichtsender-Empfängers 11, mit einer bevorzugten Schwenkanordnung des Vergleichsreflektors 22. An einem unmittelbar neben dem Frontobjektiv 20 mit einer parallel zur optischen Achse verlaufenden Drehachse angelenkten Hebelarm 58 ist der Vergleichsreflektor 22 befestigt. Mittels einer nur schematisch angedeuteten Betätigungsstange 60, welche in geringem Abstand von der Drehachse 59 am Hebelarm 58 angreift, kann beispielsweise über eine Kurbel 61, welche von einem nicht dargestellten Motor angetrieben ist, ein Drehmoment auf den Hebelarm 58 ausgeübt werden, welches zum Einschwenken des Reflektors 22 in den Strahlengang aus dem Frontobjektiv 20 führt.

Nach Fig. 5 kann aber auch beispielsweise ein seitlich des Strahlenganges parallel zu diesem verlaufender Vergleichsreflektor 22' fest angeordnet sein, wobei ein Spiegel 40 das Lichtbündel 50 zum VergleichsreELektor 22' hin umlenkt.

Um nun wahlweise den am Ende der Meßstrecke 49 vorgesehenen Meßreflektor 13 und den Vergleichsreflektor 22* beaufschlagen zu können, kann entweder der Umlenkspiegel 40 in Rich-

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tung des Doppelpfeiles Γ" aus dem Parallelbündel 50 herausscliieb- oder -schwenkbar angeordnet sein oder der Spiegel W wird als fes'J angeordneter 3trahlenteilersoiegel ausgebildet, welcher also ein Teil des auftreffenden Lichtbündels 50 durchläßt, einen anderen Teil zum Vergleichsreflektor 22' hin umlenkt. Damit zu einer bestimmten Zeit nur einer der beiden Reflektoren i;j oder 22' beaufschlagt wird, kann eine Schwenkblende .59 vorgesehen sein, die entweder in der in Fig. 5 in ausgezogenen Linien dargestellten Lage den Lichtstrom zum Hetroreflektor "!3 unterbricht oder nach dem Herumschwenken auf einer Schwenkbahn 4-^rJ in die in gestrichelten Linien dargestellte Lage 59* gelangt, wo das Lichtbündel zum Heßreflektor 13 gelangen kann, das Licht zum Vergleichsreflektor 22' ,jedoch durch die Schwenkblende 59' unterbrochen ist. besonders vorteilhaft wird in dieser 4usführungsform als fest angeordneter Stranlenteilersr>iegel 40 der bereits im Sender-Emofänger-Gehäuse montierte Strahlenteiler 77 eingesetzt. An der Stelle des Objektivs 20 würde dann der Kondensor 19 liegen. Von Vorteil ist hierbei die geringere bewegte Masse der Blende 59'· Wegen Verwendung des Trroelreflektors 22' dsb auch die Justierung unproblematisch.

An irgendeiner Stelle des beim Umschalten von Messen auf Vergleich beweglichen Teiles, z.^p. am Vergleichsreflektor 22 nach J?ig. Λ ist ein Kontaktstück oder ein Nocken 29 angeordnet, welcher mit einem Kontaktgeber ?0 derart zusammenarbeitet, daß einem Taktgeber 2^;3 bei eingeschobenem Vergleichsreflektor 22 ein diesbezügliches Signal zugeführt wird. Der Taktgeber kann mit anderen Worten jederzeit erkennen, ob der Vergleichsreflektor 22, 22' wirksam ist oder nicht.

Im folgenden Teil wird der elektronische Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben;

Am Pho to euro fang er -17 ist ein nach Masse geführter Lastwiderstand 38 angeordnet, an dem eine einem Vorverstärker 21 zugeführt e Spannung abgegriffen ist.

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Der Ausgang des Vorverstärkers weist eine verstärkte Spannung Uy auf, die einer für die Erfindung sehr wichtigen Kanalabgleichstufe zugeführt ist. Das Ausgangssignal des Vorveidfcärkers 21 wird parallel sieben Verstärkern 4-1,42,4-3,44,4-5,4-6 und 47 mit Abgleich zugeführt. Diese Aufteilung des Ausgangssignals des Spannungsverstärkers 21 setzt bereits eine später erfolgende Kanaltrennung voraus.

Die Verstärker 41,42,43 sind den drei Wellenlängen 313» 435 und 546 nm bei in den Strahlengang eingeschwenktem Vergleichsreflektor 22,22' zugeordnet. Die Verstärker 44,45,46 sind jeweils eine der drei vorgenannten Wellenlängen bei aus dem Strahlengang ausgeschwenktem Vergleichsreflektor 22, d.h. bei wirksamem Meßreflektor 13 zugeordnet.

Der siebte Verstärker 47 mit Abgleich gehört zu der Dunkelzone 26 d3s Filterrades und dient der Schaffung einer Basis für die Messung bei den einzelnen Wellenlängen mit Meß- bzw. Vergleichsreflektor im Strahlengang.

Die Ausgangssignale der Verstärker 41 bis 47 mit Abgleich werden einzeln einem elektronischen Schalter 27 zugeführt, der durch einen Taktgeber 28 angesteuert wird, welcher Steuersignale U„ von der Lichtschranke 37 und U^ von der Lichtschranke 35 am Filterrad 18 empfängt und außerdem über den Kontaktgeber 30 die Wirksamkeit oder NichtWirksamkeit des Vergleichsreflektors 22 feststellt.

Jeder Meßwellenlänge ist sowohl für wirksamen als auch für nicht-wirksamen Vergleichsreflektor 22 im Schalter 27 ein Haltekreis 51» 52, 53, 54, 55» 56 zugeordnet. Ein sieber Haltekreis 57 speichert das für den Dunkelstrom repräsentative Signal ab und führt es über einen Impedanzwandler 32 zwecks Bildung einer Basis an den Eingang der Kanalabgleichstufe 31 zurück.

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2 b 2 i 9 3

Die Tastung durch den Taktgeber 28 geht wie folgt vor sich, wobei auf das Impulsdiagramm nach Fig. 4 Bezug genommen wirdi

Am Schluß eines Abtastzyklus liest die Steueröffnung 36 ein im untersten Diagramm in Fig. 4 schematisch veranschaulichtes Impulssignal über die Lichtschranke 37 aus, das als Signal U^ dem Taktgeber 28 signalisiert, daß ein neuer Abtastzyklus beginnen soll.

Tritt nunmehr die Dunkelzone 26 in den Strahlengang zum Photoempfänger 17 ein, so wird der Haltekreis 57 im Schalter 27 mit dem Abgleichverstärker 47 verbunden, derart, daß über den Impedanzwandler 32 eine definierte Basis für den folgenden Meßvorgang geschaffen wird, welche im obersten Diagramm der Fig. 4 mit D bezeichnet ist.

Sobald nun das Filter 25 in den Strahlengang eintritt, bewirkt der diesem zugeordnete Steuerschlitz 34 durch Auslösung eines

UfJi

zweiten Impulssignals/an der Lichtschranke 35 (mittleres Diagramm in Fig. 4), daß der Abgleichverstärker 46 mit dem Haltekreis 56 verbunden wird. Bei Beendigung des ersten Impulses U^ ist bereits der Abgleichverstärker 47 vom Haltekreis 57 getrennt worden.

Über den Abgleichverstärker 46 wird nunmehr das durch Reflexion am Meßreflektor 13 hervorgerufene Meßsignal bei der Wellenlänge 546 nm gemäß dem obersten Diagramm in Fig. 4 im Haltekreis 56 abgespeichert. Beim Eintreten der Filter 24 bzw. 23 in den Strahlengang wiederholt sich dieses Spiel, und es werden gemäß dem obersten Diagramm in Fig. 4 die Signale Uy für die Wellenlängen 435 nm bzw. 313 nm in den Haltekreisen 55 bzw. 54 abgespeichert.

Während des Messens wiederholen sich diese Zyklen ständig, wobei die Ausgangssignale 7» 3,2 und 1 des Taktgebers 28 zyklisch die Haltekreise 57»56,55 bzw. 54 mit den Abgleichverstärkern 47, 46,45,44 verbinden.

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) γ; ) ι g

Im Abstand von etwa 10 Minuten wird der Vergleichsreflektor in den Strahlengang eingeschoben. Hierbei signalisieren die Kontakte 29,30 dem Taktgeber 28, daß von "Messen" auf "Vergleich" umgeschaltet worden ist. Hierdurch ändert sich die Arbeitsweise des Taktgebers 28 in der Weise, daß nunmehr seine Ausgänge 7,6, 5 und 4- zyklisch die Haltekreise 57,53»52 und 51 mit den Abgleichverstärkern 4-7,4-3»4-2 bzw. 4-1 verbinden. Das Impulsbild ist dann im wesentlichen das gleiche wie nach Fig. 4- mit dem einen Unterschied, daß die Höhen der den einzelnen Wellenlängen zugeordneten Vergleichsimpulse gegenüber der Einstellung "Messen" unterschiedlich und zwar höher sind.

Durch in Klammern gesetzte Bezugszahlen ist in dem Impulsdiagramm der Fig. 4· angedeutet, welchen Steueröffnungen bzw. Filterzonen des Filterrades nach Fig. 2 die einzelnen Impulse zugeordnet sind.

Am Ausgang des Schalters 27 stehen somit an den Haltekreisen 51 bis 56 ständig sechs Signale ar Verfugung, von denen die Signale U.,, Up, und U-^i den empfangenen Signalen für die einzelnen Wellenlängen 313» 4-35 bzw. 54-6 nm bei eingeschobenem Vergleichsreflektor 22 entsprechen, während die Signale U-, Up und U-, für die Wellenlängensignale 313,435 bzw. 54-6 nm bei wirksamem Meßreflektor 13 repräsentativ sind.

Aufgrund der Abgleichmöglichkeit in den Verstärkern 4-1--4-7 können durch einen Abgleich vor Inbetriebnahme des Gerätes sämtliche Ausgangssignale der Haltekreise 51 bis 56 auf gleiches Niveau gebracht werden. Dies gilt nicht nur für die einzelnen Wellenlängensignale im Vergleich zueinander,

besondere

sondern ins"/ für axe bei Einschaltung des Vergleichsreflektors einerseits und Wirksamkeit des Meßreflektors andererseits erscheinenden Ausgangssignale. Auf diese Weise können z.B. auch unterschiedliche Reflexionseigenschaften des Meßreflektors 13 und des Vergleichsreflektors 22 auf einfachste Weise ohne weiteres ausgeglichen werden.

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Zur Schaffung eines G-robausgleicbs zwischen Meß- und Vergleichssignalen können erfindungsgemä-ä vor den Reflektoren auch noch fest einstellbare Irisblenden (ß'^] in Fig. G) vorgesehen werden, mittels deren beide Reflektoren im wesentlichen auf gleiche Reflexionsintensität voreingestellt werden können.

Die Auswertung der Signale U ' bis U₇ erfolgt in einer Rechenschaltung 331 die im folgenden anhand von Fig.7 beschrieben wird:

Die »Signale U ', Up*, U_r', U , U₀ und U-, werden nach Fig. 7 einer Abfrageschaltung 62 zugeführt, die einen Schalter 82 mit internem Taktgeber enthält, aufgrund dessen in der in Fig.7 schematisch veranschaulichten V/eise die MeS- und Vergleichssignale U ', U bzw. Up¹, Up bzw. U-,¹, IJ₇, nacheinander paarweise einer anschließenden Divisions- und Logarithmierungsstufe 63 zugeführt werden. Am Ausgang dieser Stufe 63 erscheint dann ein für die Transmission bei der betreffenden Wellenlänge repräsentatives Signal E., E₀ oder E_,, .ie nachdem, welches der drei Paare gerade an der Stufe 63 anliegt. Diese Signale E^ werden einer Verteilerstufe 64 zugeführt, welche ebenfalls von dem im Schalter 32 eingebauten internen Taktgeber über eine schematisch dargestellte Leitung 33 gesteuert ist. Aufgrund dieser Steuerung werden die für die einzelnen Wellenlängen repräsentativen Extinktionssignale E^, Ep und E-, auf Haltekreise 65, 66 bzw. 67 gegeben, in denen sie abgespeichert werden. Als Haltekreise werden vorzugsweise Kondensatorspeicher mit Operationsverstärker verwendet .

In einer anderen geeigneten A.usführungsform könnte unter Verzicht auf den Schalter 82 in drei getrennten Divisions- und Logarithmierungsstufen 63 eine jeweils Paarweise Verarbeitung der Meß- und Vergleichssignale U ', U. bzw. Up¹, Up bzw. U-¹, U. gleichzeitig vorgenommen werden, was eine direkte Weiterverar beitung der Extinktionssignale E , E„ und E, in der nachfolgend beschriebenen Rechenstufe 68 ohne vorherige Zwischenspeicherung in den Haltekreisen S5» 66 und 67 ermöglichen würde.

Aufgrund der erfindungsgemüSen Bildung und Verarbeitung der vom Photoempfänger 17 aufgenommenen Signale sind die in den Halte-Irei^en 65, 66, 67 abgespeicherten Transmiasionssi^nale voll-.; !■":;/! i *· drif tunri.bh"n4-T und ^rmc^ennfind"^! ioV-'ei-ta frei. Dies i~j⁴:

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- 21 - 2b2 I 934

darauf zurückzuführen, daß in den Vergleichssignalen U^¹, U₀' und U-.¹ sämtliche Komoonenteri, wie soektrale EmOfindlichkeit des Pho to euro f ängers ^ΛΊ und spektrales Emissionsvermögen der Strahlungsquelle 1o enthalten sind., so daß diese, d.as Driften hervorrufenden Komponenten bei der vorgenommenen Division herausfallen. Aufgrund, dieser Division machen sich auch änderungen im Transmissionsverhalten der verwendeten optischen -auteile bei der Messung nicht störend bemerkbar. Insbesondere haben \lterungserscheinungen bei Lara De und. Multiplier keinen Einfluß mehr auf die Messung, besonders hezevorzuheben ist, daß der Vergleich stets bei ein und derselben Wellenlänge erfolgt, so daß Störungen durch unterschiedliche Drift bei verschiedenen Wellenlängen ausgeschlossen sind.

Dec Kanalabgleich in der Stufe 31 entspricht einer elektronischen Glättung der im wesentlichen durch die Strahlungsauelle 1 j und den ?hotoempfanger 17 bestimmten Kennlinie des Gerätes. Bemerkenswert ist, daß außer Unterschieden im lieflexionsverhalten von Meß- und Vergleichsreflektor 13» 22 auch spektrale Unterschiede für die einzelnen Wellenlängen individuell ausgeglichen werden können, was eine erhebliche Vereinfachuri": i-. Lev Reflektorenherstellung und -einstellung; bedeutet.

an die Haltekreise 05, 56, 67 schließt sich eine Rechenstufe an, in der aus den korrigierten und drift-unabhängigen Extinktionswerten E , E₂ und E-, die Konzentrationen von liauch, SO₀ und HO₀ berechnet werden.

Bei Messung von Rauch, SOp und NO_c im Kamin 72 und Verwendung der Wellenlängen 313, 435 und 546 nm ergeben sich für die als Extinktionen E- bezeichneten logarithmierten iransmissionswerte die folgenden Beziehungen:

^E1 ^{= E}R ^{+ k}S0_o * ⁰SO₀ * ^{L +} \l0_o * ⁰NO₀ * ^{L (2)} 2 ⁼ Ti ^NOp · ^cno. * ^

E₃ = E_R + ^kjjQ^ . c_Nq₂ . L (4)

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In diesen Formeln bedeuten E_R die Rauchextinktion." ., c die Konzentration des mit einem Index gekennzeichneten Gases, k der spektrale Absorptionskoeffizient für das betreffende Gas bei den obengenannten Wellenlängen 1, 2 bzw. 3 und L die Länge des Meßweges. Die Rauchextinktion Ep hängt mit dem Staubgehalt c_o wie folgt zusammen: ß_o = k_n . c-, . L

K K ix

Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß L und k Konstanten sind, ergibt sich ein Maß für die Konzentration von NOp aufgrund folgender Rechnung:

= L

Ein Maß für die Rauchkonzentration erhält man aufgrund folgender Berechnung:

- ß . E₀ = E_x = Ep (6)

ß - ³k (7)

²k - \

Die Konzentration von SOp kann schließlich nach folgender For mel ermittelt werden:

^(CSO₂> = E₁ - T - E^ - E₃ = L . C₃Q . k_s0 (8)

Um die vorstehend genannten Rechnungen durchzuführen, ist der Ausgang des Haltekreises 67 über eine Invertierungsstufe 84 und einen Widerstand 85 mit dem einen Eingang einer Differenzbildungsstufe 86 verbunden. Der Ausgang des Haltekmses 66 führt

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- 23 - 2 b 119 ;u

über einen Widerstand -37 a um invertierenden Eingang eines O oei\at ions Verstärkers 3 ^, der zugleich über den Regelwidei"¹-st'ird ■„·? mit dem Ausgang dor Invertierungsstufe 34- verbunden ist.

Der Ausgang des Operationsverstärkers 3-3 ist außerdem übei? einen Regelwid.erstand 90 mit dem anderen Eingang der Differensbildungsstufe 86 verbunden.

Der lusgang des Haltekreises 65 liegt über einen Widerstand- 94-am Eingang des Operationsverstärkers 91, welcher außerdem über Regelwiderstände 92 und 93 mit den Ausgängen d.er Invertierungsstufe A und des Operationsverstärkers 33 verbunden ist. Aufgrund dieser Schaltung erscheint am Ausgang des Operationsverstärkers 9"¹ ein für die Konzentration von SO₀, am Ausgang des Operationsverstärkers 83 ein für die Konzentration von NOp und am Ausgang der Differenzbildungsstufe 36 ein für die Konzentration von Rauch repräsentatives Signal.

Die obengenannten Werte der Koeffizienten_i ) bzw. ) werden durch das Verhältnis der Widerstände 92 und 94- bzw. 85 und 90 auf die oben definierten Werte fest eingestellt. Der einmalige Abgleich erfolgt auf meßgas-· und rauchfreier Strecke in einfacher V/eise so, daß bei eingeschwenktem Kontrollfilter 73 die von diesem repräsentierten Konzentrationswerte angezeigt werden.

An die drei Ausgänge der Rechensclialtung 3:> kann sich dann ^emäß Fig. 1 ein Anzeigegerät 69 anschließen, welches z.B. nach erfolger Spannungsstromwandlung als Dreifachschreiber mit einem ,jeweiligen Anzeigebereich 0 bis 20 mA entsprechend vorgegebenen Konzentrationsbereichen ausgebildet sein kann, damit Konzentrationsänderungen stetig verfolgt werden können.

ITach. Fig. 1 werden die Strahlungsquelle 16, die Antriebe für Filterrad und Vergleichsreflektoranordnung, die Lampen der Lichtschranken sowie die gesamte Elektronik von einem gemeinsamen Netzgerät 70 gespeist.

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- 24 - 2 b 2 i 9 3

Die Anordnung des Vergleichsreflektors außerhalb des eigentlichen Optikgehäuses 15 gemäß Pig. 3 hat den Vorteil, daß auch die Transmissionseigenschaften des Austrittsfensters, die sich z.B. durch eine Belagbildung ändern können, in die Driftkompensation einbezogen werden.

Die Information über die Stellung des Vergleichsreflektors fur den ' . _ * - · Taktgeber kann durch eine mitlaufende Nockenscheibe gegeben werden, welche ein Relais einschaltet, sobald der Vergleichsreflektor 22 sich im Strahlengang befindet.

Nach Fig. 6 ist der erfindungsgemäß verwendete Tripelreflektor 13 bzw. 22 speziell ausgebildet. Üblicherweise werden Retroreflektoren nach dem Tripelprinzip als geschliffene oder gepreßte Glas- bzw. Kunststofftripel ausgeführt, in die das Licht über eine Planfläche eintritt und nach Totalreflexion an den inneren Tripelflächen mit einem gewissen seitlichen Versatz in sich umgelenkt wieder austritt. Für die Zwecke der Erfindung sind solche Tripel wenig geeignet, da die notwendige UV-Dur cHlässigkeit mit gepreßten Kunststofftripeln kaum und über geschliffene Quarzglastripel nur sehr aufwendig erreicht werden kann.

Gemäß Fig. 6 kann eine weniger aufwendige, gleichwohl aber sehr funktionstüchtige Anordnung dadurch erreicht werden, daß die Rückseite eines üblichen Kunststoff-Tripelpreßlings 95 nach einem besonderen Reinigungsvorgang mit einer Aluminiumbedampfung 96 versehen wird. Die auf diese Weise geschaffene Oberfläche wirkt wie ein klassischer Tripel, reflektiert jedoch auch in gleicher Weise im ultravioletten Bereich. Durch eine zusätzliche Bedampfung mit einer besonderen UV-durchlässigen Schutzschicht aus Magnesiumfluorid werden Änderungen der Reflexionseigenschaften durch Alterung der Aluminiumschicht wirksam vermieden. Der so beschaffene Tripelreflektor 95 ist in einer Halterung in der dargestellten Weise so gefaßt, daß die empfindlichen Tripelspitzen frei liegen. Eine vor dem Tripelreflektor

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angeordnete Irisblende 81 kann zur Veränderung der reflektierenden Fläche mehr oder weniger zugezogen und in der Endstellung fixiert werden.

Zweckmäßig wird die gesamte Anordnung durch ein ultraviolettdurchlässiges Fenster 93 abgedeckt.

Unter besonderen Bedingungen kann die Ausführung des Gasanalysators mit einer zusätzlichen Nulltastung der Strahlungsintensität günstig sein, was im folgenden anhand von Fig. 8 erläutert wird, welche eine Wechsellichtanordnung zeigt, bei welcher zusätzlich zu der üblichen, von einem Motor 100 angetriebenen Zerhackerscheibe 99j deren Zerhackeröffnungen 1O1 im wesentlichen in den Brennpunkt des Kondensors 19 bringbar sind, ein Filterrad 18* auf der gleichen Welle 102 angeordnet ist. Die optische Anordnung ist üabei so ausgeführt, daß am Ort der Zerhackerscheibe eine Zwischenabbildung erfolgt und somit die Blendenöffnungen klein gehalten werden können, wodurch für jeden Filterdurchlaß mehrere Strahlungsimpulse erreicht werden können. Eine ähnliche Wirkung kann durch Pulsen der Strahlungsquelle erzielt werden, was bei den verwendeten Quecksilberdampf-Niederdrucklampen ohne weiteres möglich ist. In jedem Fall benötigen derartige Anordnungen eine angepaßte Ausführung der Elektronik mit Wechselspannungsankopplung und Bandpaßfiltern in deren Eingangsteil.

Fig. 8 soll deutlich machen, daß die Erfindung nicht auf die in Fig. 1 dargestellte iibrdung des Filterrades 18 beschränkt ist. Außerdem macht die vorstehende Beschreibung deutlich, daß das erfindungsgemäße Verfanren und die erfindungsgemäße Vorrichtung auch für die Ermittlung von mehr als drei Gas- bzw. Hauchkomponenten in einem Gasgemisch benutzt werden können, wobei jeweils soviele Strahlungen unterschiedlicher Wellenlänge erforderlich sind, wie . Komponenten festgestellt werden sollen.

- Patentansprüche 609847/0581

Claims

Patentansprüche

Verfahren zur nicht-dispersiven optischen Konzentrationsbestimmung von Gas- und Rauchkomponenten in einem Gemisch verschiedener Gase und gegebenenfalls Rauch, bei dem wenigstens soviel Strahlungen mit unterschiedlichen Wellenlängen wie Gaskomponenten und gegebenenfalls eine Rauchkomponente zu messen sind, durch das Gemisch geleitet, reflektiert, erneut durch das Gemisch geleitet und zu aufeinanderfolgenden Zeiten periodisch von einem Photoempfänger empfangen werden, aus dessen die jeweilige Transmission darstellenden Ausgangssignalen nach dem Beer'sehen Gesetz die Konzentrationen der Komponenten berechnet werden, dadurch gekennzeichnet , daß in vorbestimmten Zeitabständen und für wenigstens eine Empfangsperiode die Strahlungen schon vor dem Eintreten in das Gemisch (49) über den gleichen Strahlengang direkt zum Photoempfänger (17) reflektiert und die dabei für die verschiedenen Meßwellenlängen erhaltenen elektrischen Vergleichssignale während des nächstfolgenden, vorbestimmten Zeitabstandes gespeichert werden und daß die von der jeweiligen (Transmission beeinflußten Meßsignale vor der Errechnung der Konzentrationen durch das bei der gleichen Wellenlänge erhaltene gespeicherte Vergleichssignal dividiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichssignale etwa alle 10 Minuten neu gebildet und gespeichert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Meß- als auch die Vergleichssignale bei gleichen Grundbedingungen auf den gleichen Pegel einregelbar sind.

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4·. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Gemisch aus Rauch, S0_? und NOp besteht, dadurch g ekennzeichnet, daß die Meßwellenlängen bei 313» 435 und 54-6 nm liegen.

5· Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der vomergehenden Ansprüche mit einem an einem Ende der Meßstrecke angeordneten Lichtsender-Empfänger für die Strahlungen und einem Reflektor am anderen Ende der Meßstrecke sowie einer Rechenschaltung zur Ermittlung der Konzentrationen aus den vom Lichtempfänger gebildeten elektrischen Signalen, dadurch gekennzeichnet , daß/aus dem Lichtsender-Empfänger (11) austretende Lichtbündel vor dem Eintreten in die Meßstrecke (49) wahlweise auf einen Vergleichsreflektor (22) bringbar ist, der das Bündel (50) in der gleichen Richtung wie der am Ende der Meßstrecke (49) angeordnete Reflektor (13) zurückwirft.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleichsreflektor (22) in den Strahlengang zwischen Lichtsender-Empfänger (15) und Meßstrecke (49) einschwenkbar ist.

7· Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleichsreflektor (22) an einem unmittelbar neben dem Frontobjektiv (20) des Lichtsenders-Empfängers (15) angelenkten Hebelarm (58) befestigt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß in einem relativ kleinen Abstand vom Drehpunkt (59) des Hebelarmes (58) eine Betätigungsstange (60) angelenkt ist, welche über eine Kurbel (61) von einem Motor in der einen oder anderen Richtung antreibbar ist.

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_₂₈_ 2b2 1

9· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Reflektoren (13» 22, 22') Retroreflektoren, insbesondere rückseitig aluminiumbedampfte (96) Kunststoff-Tripelpreßlinge (95) sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der am Ende der Meßstrecke (59) angeordnete Reflektor (13) allseits vom Lichtbündel (50) überstrahlt ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7j dadurch gekennzeichnet , daß ein Autokollimations-Strahlengang verwendet wird.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 "bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß als Lichtquelle eine Quecksilberdampf-Niederdrucklampe (16) verwendet wird.

13· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet , daß die Wellenlängenauswahl durch ein Filterrad (1£$ erfolgt, welches auf einem ersten Umfang nacheinander in den Empfangsstrahlengang gelangende Filter (23, 24, 25) aufweist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 und 13 j dadurch gekennzeichnet , daß die Filter (23, 24, 25) aus Farbglas-Kombinationen bestehen.

15· Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß in der Folge von Filtern (23, 24, 25) auch eine Dunkelzone (26) vorgesehen ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15» dadurch gekennzeichnet , daß auf einem zweiten Umfang mit einer Lichtschranke (35) und einem Taktgeber (28) zusammenarbeitende Steuerschlitze (34) vorgesehen sind, von

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_ 29 - 2 b 2 19 3 U

denen jeder einem Filter (23> 24, 25) bzw. der Dunkelzone zugeordnet ist.

17· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet , daß auf einem dritten Umfang eine mit einer Lichtschranke (37) und dem Taktgeber (28) zusammenarbeitende Steueröffnung (36) vorgesehen ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 17» dadurch gekennzeichnet , daß der Photoempfänger über einen Vorverstärker (21) an eine Kanalabgleichstufe (31) angeschlossen ist, welche für jede Meßwellenlänge zwei Abgleichverstärker (41,4-2,43,44,45,46) aufweist.

19· Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeich net, daß auch für die Dunkelzone (26) ein Abgleichverstärker (47) in der Kanalabgleichstufe (31) vorgesehen ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß an die Kanalabgleichstufe (31) ein vom Taktgeber (28) gesteuerter elektronxscherSchalter (27) angelegt ist, welcher die Wellenlängen-Meß- und -Vergleichssignale sowie gegebenenfalls das Dunkelzonensignal individuell in Haltekreisen (51,52,53» ··· 57) abspeichert.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeich net, daß an den Schalter (27) die Rechenschaltung (33) angelegt ist, welche die zur gleichen Wellenlänge gehörenden Meß- und Vergleichssignale paarwä.3e abfragt und durcheinander dividiert.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeich net, daß die durcheinander dividierten Signale in der Rechenschaltung (33) logarithmiert werden.

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2b21934

23· Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die die Extinktionen darstellenden Logarithmus-Signale (E^) in Haltekreisen (65,66,67) abgespeichert werden.

24-. Vorrichtung nach Anspruch 23 , dadurch gekennzeichnet , daß an die Haltekreise (65,66,67) eine Rechenstufe (68) angelegt ist, welche aus den
Logarithmus-Signalen die Konzentrationssignale bildet.

5
25· Vorrichtung nach einem der Ansprüche/bis 24, dadurch gekennzeichnet , daß am Meßreflektor (13) und/oder am Vergleichsreflektor (22,22*) fest einstellbare Irisblenden (81) angeordnet sind.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 25, dadurch gekennzeichnet , daß statt mit Gleichlicht mit Wechsellicht gearbeitet wird (Fig.8).

27· Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerhackerscheibe (90) und das lilterrad (18') auf der gleichen Welle (102) angeordnet sind.

28. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Meß- und Vergleichssignale bei gleichen Grundbedingungen paarweise entsprechend gleichen Heßwellenlängen auf gleichen Pegel einregelbar sind.

29· Vorrichtung nach Anspruch 18, 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet , daß die Kanalabgleichstufe für ,jede Heßwellenlänge nur einen Abgleichverstärker aufweist.

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