DE2826522A1

DE2826522A1 - Gasanalysator

Info

Publication number: DE2826522A1
Application number: DE19782826522
Authority: DE
Inventors: Guyen Lan Van N
Original assignee: SEREG SOC
Current assignee: SEREG SOC
Priority date: 1977-06-21
Filing date: 1978-06-16
Publication date: 1979-01-11
Also published as: FR2395502A1; FR2395502B1; JPS548577A; US4204768A; JPS6131415B2

Description

SOCIETE SEREG

12, Plaoe des Etate-Unis

92120 MONTROUGE /Frankreich

üneer Zelohen; S 2957

Gasanalysator

Die Erfindung betrifft Gasanalysatoren, bei welchen eine
Strahlung, beispielsweise eine Infrarotstrahlung, selektiv absorbiert wird, und betrifft insbesondere Verbesserungen der Eichvorrichtungen dieser Geräte hinsichtlich der Kompensation des Einflusses von Druck- und Temperaturänderungen auf ihre Anzeigen.

Bekanntlich enthalten Infrarotanalysatoren im allgemeinen eine Strahlungsquelle, einen optischen Umschalter, der die Strahlung periodisch in einen Meßkanal und in einen Bezugskanal schickt, und einen Meßdetektor, der aus einer Zelle besteht, die für Differenzdruckänderungen empfindlich ist und in Form eines Mikrophons mit veränderlichem Kondensator ausgebildet ist, bei dem der Abstand der Elektroden mit der Frequenz des Umschalters in Abhängigkeit von den Druckdifferenzen, denen er ausgesetzt ist, moduliert wird. Die

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auf diese Weise am Ausgang des Detektors erhaltene Spannung gibt nach Verstärkung, Demodulation und Filterung den Gehalt an gemessenem Gas an, der auf einer Anzeigeeinrichtung angezeigt wird.

Diese Art von Geräten erfordert periodische Nacheichungen, und zwar infolge der mit der Zeit auftretenden Abweichungen ihrer verschiedenen Bestandteile, nämlich der Quelle, des Detektors, der unvermeidlichen Verschmutzungen in den Strahlengängen, usw.

Das Machenchproblem wird im Labor mit Hilfe von Eichgasflaschen leicht gelöst: eine Flasche mit Inertgas, beispielsweise Stickstoff, gestattet, den Nullpunkt der Anzeigeeinrichtung des Gerätes einzustellen, indem das Meßgefäß mit diesem Inertgas gefüllt wird, und eine Flasche des zu dosierenden Gases gestattet, die Skala einzustellen, indem ein Gemisch mi t gegebener Konsentration dieses zu dosierenden Gases in das Meßgefäß geleitet wird und indem die Verstärkung des Verstärkers so eingestellt wird, daß die Anzeigeeinrichtung diese gegebene Konzentration anzeigt.

Diese Eichoperationen mit Hilfe von Eichgasflaschen sind jedoch heikel und für nichtausgebildetes Personal in der Durchführung unpraktisch, wie es beispielsweise bei Automechanikern der Fall ist, die damit beauftragt sind, die Dosierung der Oxide CO und CO, in dem Auspuffgas von Fahrzeugen bei der Einstellung ihrer Vergaser zu überprüfen, damit die neuen Bestimmungen eingehalten werden, die die Begrenzung der Luftverschmutzung auf diesem Gebiet regeln.

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Die Eichmethode besteht dann in der Praxis darin, Luft als Inertgas für die Einstellung des Nullpunkts zu benutzen und für die Skaleneinstellung das Gas von gegebener Konzentration, das von einer Flasche geliefert wird, durch eine Klappe oder ein Metallgitter zu ersetzen, die bzw. das die Erscheinung der selektiven Absorption nur grob simuliert.

Zu dieser unvollkommenen Eichmethode kommen noch weitere Fehlerursachen hinzu, die aus Änderungen des Druckes und der Temperatur des zu messenden Gases resultieren, denn die Anzahl der Moleküle dieses Gases, die in dem Meßgefäß, das feste Abmessungen hat, enthalten sind und die Übertragung der Strahlung zu dem Detektor beeinflussen, ist offenbar von diesen beiden physikalischen Größen abhängig. So ist festgestellt worden, daß:

- bei konstantem Druck die Auswirkung der Temperatüränderungen auf das Gas einen Meßfehler von ungefähr — 6,5 % hervorruft (während die durch die Normen festgelegte Toleranz — 2,7 % beträgt), was eine Kompensation der Temperaturauswirkung oder eine Temperaturregelung erfordert, durch die das zu messende Gas auf die Solltemperatur gebracht wird;

- bei konstanter Temperatur die Auswirkung der Änderung des atmosphärischen Druckes am größten ist: an einem gegebenen Ort führen extreme Änderungen des atmosphärischen Druckes von i 50 mbar zu einem Fehler von ungefähr ί 5 % (woraus sich die Notwendigkeit ergibt, den Druck des zu messenden Gases in gewissen Fällen zu regulieren); ferner kann sich auch die Anzeige des Gerätes in Abhängigkeit von der Höhe des Benutzungsortes in großem Maße ändern: beispielsweise kann zwischen Meereshöhe und einer Höhe von 2000 m, was einer Druckänderung von 220 mbar entspricht, der von der

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Anzeigeeinrichtung angezeigte Wert in dem Fall der Dosierung von CO und CO₂ um 22% fehlerhaft sein.

Zum Beseitigen aller dieser Fehler sieht die Erfindung vor, das Gerät mit zusätzlichen Einrichtungen auszurüsten, die in jedem Zeitpunkt das Durchführen einer neuen Eichung gestatten, welche äußere Druck- und Temperaturbedingungen, welches diese auch seien, berücksichtigt.

Der Gasanalysator nach der Erfindung enthält wenigstens eine Strahlungsquelle, optische Schalteinrichtungen zum periodischen Unterbrechen der Strahlung in zwei Vergleichskanälen ,wenigstens einen für die Strahlung empfindlichen Detektor und eine Eichzelle, die eine gegebene Konzentration des zu dosierenden Gases enthält, und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle mit einem Behälter mit biegsamer Wand in Verbindung steht, was gestattet, den Druck und die Temperatur des eingeschlossenen Gases mit den äußeren Umgebungsbedingungen ins Gleichgewicht zu bringen.

Dank dieser Maßnahmen kann der Einfluß des Druckes bei dem Eichen des Gerätes berücksichtigt werden, da die Eichzelle konstruktionsgemäß denselben Druckwert wie der umgebende Atmosphärendruck annimmt. Für die Neutralisierung des Einflusses der Temperatur gibt es mehrere Möglichkeiten: entweder werden die zu analysierenden Gase bei einer im wesentlichen konstanten Temperatur zugeführt, die etwa gleich der der Eichung ist,

oder es wird der Behälter mit biegsamer Wand bei der Eichung auf der Umgebungstemperatur gelassen und die zu analysierenden Gase werden unter den normalen Betriebsbedingungen des Gerätes bei dieser Temperatur zugeführt.

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Die zweite Lösung, die am einfachsten erscheint, kann leicht verwirklicht werden, indem man die zu analysierenden Gase einen Weg zurücklegen läßt, der ausreichend lang ist, damit sie Zeit haben, sich abzukühlen oder die Umgebungstemperatür anzunehmen.

Im folgenden wird nun als Beispiel eine besondere Ausführungsform der Erfindung für den Fall der Dosierung der Gase CO und COp, die in den Auspuffgasen von Fahrzeugen vorhanden sind, beschrieben. Selbstverständlich ist die Erfindung aber nicht auf diese einzige Ausführungsform beschränkt und sie kann auch bei der Dosierung eines einzigen Gases, bei dem es sich weder um CO noch um CO₂ handelt, angewandt werden.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt in perspektivischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines Gasanalysators nach der Erfindung.

Die Zeichnung zeigt an der Stelle I und II die beiden Vergleichskanäle, nämlich den Meßkanal I und den Bezugskanal Der Kanal I enthält eine Infrarotstrahlungsquelle 10 und hintereinander in dem Strahlengang eine COp-Meßkammer 11 , die mit einer Einlaßleitung 12 und einer Auslaßleitung für die zu analysierenden Gase versehen ist, einen CO„-Detektor 14, eine CO-Meßkammer 15, die ebenfalls mit einer Einlaßleitung 13 und mit einer Auslaßleitung 16 versehen ist, und einen CO-Detektor 17.

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Der Bezugskanal II enthält symmetrisch analoge Eiern· nte: eine Quelle 20, eine Bezugskammer 21, einen CO^-Detektor 24, eine zweite Bezugskammer 25 und einen CO-Detektor 27. Die Bezugskammern 21 und 25, die die gleichen Dicken wie die Kammern 11 und 15 haben, sind mit einem gegenüber der Strahlung inerten Gas» wie beispielsweise Stickstoff, gefüllt. Die C0„-Detektoren 14 und 24 sind zwei Kammern, die mit COp gefüllt sind und mit der einen bzw. mit der anderen Hälfte eines Behälters 31 in Verbindung stehen, der eine Einrichtung bildet, die für die Differenzdruckänderungen empfindlich ist und in bekannter Weise aufgebaut ist. Diese beiden Hälften sind durch eine biegsame Membran voneinander getrennt, die einen der Beläge eines veränderlichen Kondensators, dessen zweiter Belag feststeht, bildet, der die Aufgabe hat, die Druckdifferenzen, die an der Membran auftreten, in entsprechende elektrische Signale umzuwandeln. Ebenso sind die CO-Detektoren 17 und 27 zwei Kammern, die mit CO gefüllt sind und mit den beiden Hälften eines weiteren Behälters 32 in Verbindung stehen, der dem Behälter 31 analog ist.

Der Analysator enthält außerdem einen optischen Modulator, der aus einer feststehenden Scheibe 33, die mit Durchgangsöffnungen 34, 35 in einer Linie mit Quellen 10 bzw. 20 versehen ist, und aus einem Flügel in Form eines Doppelfächers 36 besteht, der durch einen Elektromotor (nicht dargestellt) um eine Symmetrieachse 37 in Drehung versetzt wird, beispielsweise mit einer Drehzahl in der Größenordnung von 1500 u/min. Dieser Modulator ist zwischen den Quellen 10, 20 und den Kammern 11, 21 angeordnet und gestattet, die Strahlung dieser Quellen in den Kanälen I und II periodisch zu unterbrechen, beispielsweise mit einer Frequenz von 25 Hz.

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Die Elektroden der Kondensatoren der Behälter 31 und 32 sind mit den Eingängen von zwei elektronischen Verarbeitungsschaltungen 38, 39 verbunden, die die Meßsignale verstärken, demodulieren und filtern und die Resultate auf der C0₂~Anzeigeeinrichtung 40 und der CO-Anzeigeeinrichtung 41 anzeigen.

Gemäß der Erfindung sind außerdem Einrichtungen vorgesehen, die das Gerät zu Eichen gestatten und eine Eichzelle 42 enthalten, die mit zu dosierendem Gas in bekannten Verhältnissen gefüllt ist. Diese Zelle besteht aus einer kreisförmigen Kammer, die an ihren Enden durch zwei Fenster aus für die Strahlung durchlässigem Material, bei welchem es sich beispielsweise um Flußspat handelt, verschlossen ist, die in zu der Richtung der Strahlung senkrechten Ebenen parallel angeordnet sind. Die Zelle 42 steht mit einem Behälter 43 mit biegsamer Wand, beispielsweise einem Balg, in Verbindung, dank welchem sich das Eichgas, welches in die Zelle eingeschlossen ist, in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur und von dem Umgebungsdruck frei ausdehnen kann. In dem dargestellten Beispiel ist die Zelle 42 an einem Flügel 44 befestigt, der ebenfalls eine Scheibe 45 aus Flußspat aufweist, deren Dicke der der beiden Fenster, die die Zelle 42 verschließen, äquivalent ist. Der Flügel 44 kann sich durch manuellen oder elektrischen Antrieb um eine Achse 46 drehen und deshalb zwei Positionen einnehmen: eine Eichposition, in der die Zelle 42 in dem Strahlengang eines der beiden Kanäle angeordnet ist, vorzugsweise in dem des Meßkanals I, und eine Meßposition, in der die Scheibe 45 die Stelle der Zelle 42 in diesem Strahlengang einnimmt, um die Dämpfung wieder herzustellen, die durch die Flußspatfenster der Zelle 42 hervorgerufen wird. Der Behälter 43 ist beispielsweise auf der

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Achse 46 befestigt und mit der Zelle 42 durch eine innere Leitung 47 verbunden, die in der Achse 46 und dem Flügel gebildet ist. Damit die beiden optischen Kanäle im Gleichgewicht sind, ist eine äquivalente Dicke an Flußspat auch in der Öffnung 35 in dem Bezugskanal II angeordnet.

Eine Eichoperation läuft dann folgendermaßen ab:

a) Nullpunkteinstellung:

Unter der Annahme, daß die beiden Kanäle I und II optisch im Gleichgewicht sind, werden die Meßkammern 11 und 15 mit Inertgas gefüllt oder, wenn keines zur Verfugung steht, mit reiner Luft, die einen vernachlässigbaren Gehalt an C0_p und CO hat, woraufhin die Einstellung des Nullpunkts der CO_p-Anzeigeeinrichtung 40 und der CO-Anzeigeeinrichtung 41 in der üblichen Weise vorgenommen wird. Der Flügel 44 befindet sich in diesem Fall in der Meßposition (die in der Zeichnung dargestellt ist), damit in dem Strahlengang des Kanals I dieselbe Dicke an Flußspat wie in dem Bezugskanal II vorhanden ist.

b) Skaleneinstellung:

Unter der Annahme, daß beispielsweise in dem betreffenden CO-COp-Analysator die C0„-Meßkammer 11 und die CO-Meßkammer 15 Dicken von 1 mm und 5 mm in dem Strahlengang der Strahlung haben und daß die beiden Skalenpunkte 10,5% an CO₂ und 4,5% an CO eingestellt werden sollen, wird die Eichzelle zu diesem Zweck mit einem Gemisch aus Eichgas gefüllt, das 10,5% CO₂, 27% CO (da die Strahlung 6 mm Kammerdicke durchqueren soll, bevor sie den CO-Detektor 17 im normalen Betrieb erreicht) und im übrigen Stickstoff

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oder ein anderes Inertgas enthält. Da die Meßkammern 11 und 15 immer mit Inertgas, oder in Ermangelung dessen mit reiner Luft, gefüllt sind, wird der Flügel 44 in die Eichposition gebracht, um die Zelle 42 in dem Strahlengang des Kanals I anzuordnen. Es sind dann nur noch die Verstärkungen der Verstärker der Verarbeitungsschaltungen 38 und 39 einzustellen, damit auf den Anzeigeeinrichtungen 40 und 41 10,5% C0_p bzw. 4,5% CO angezeigt werden.

Auf diese Weise wird eine Eichung durchgeführt, die sowohl den Druck als auch die Temperatur berücksichtigt, denen der Analysator und, genauer gesagt, der Behälter 43 ausgesetzt ist, dessen Volumen größer sein kann als das der Zelle 42. Sein Standort kann auch auf dem Weg der zu analysierenden Gase gewählt werden, um ein besseres Gleichgewicht der Temperaturen bei der Eichung zu gewährleisten.

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eers ei te

Claims

Dip)-Ing. Dipl.-Chem. CHpl.-lrig.

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Ernsbergerstrasse 19

8 München 60

16. Juni 1978 SOCIETE SEREU 12, Plaot des Etati-Unie 92120 MONTROUGE /Eranlcraloh

Unser Zetohen: S 2957

Patentansprüche :

' 1 J Gasanalysator, bei welchem eine Strahlung selektiv absorbiert wird, mit wenigstens einer Strahlungsquelle, mit optischen Schalteinrichtungen · zum periodischen Unterbrechen der Strahlung in wenigstens einem Meßkanal, mit wenigstens einem Detektor, der für die Strahlung empfindlich ist, und mit einer Eichzelle, die eine gegebene Konzentration des zu dosierenden Gases enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Eichzelle aus einem dichten Behälter besteht.
2. Analysator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch steuerbare Einrichtungen" zum Einbringen der Eichzelle in den Meßkanal.
3. Analysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle Einrichtungen enthält, die den Druck im Innern des Behälters zu steuern gestatten.
4. Analysator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Regulieren des Druckes im Innern des

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Behälters aus einer dichten Kammer mit elastischer Wand bestehen, die mit dem Behälter in Strömungsverbindung steht.
5. Analysator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbaren Einrichtungen zum Einbringen der Zelle in den Meßkanal aus einem Flügel bestehen, der mit einer Drehachse fest verbunden ist und den Behälter trägt.
6. Analysator nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter in dem Strahlengang der Strahlung durch zwei Fenster aus einem Material, das für die Strahlung durchlässig ist, verschlossen ist.
7. Analysator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Flügel ein Kompensationsfenster aus einem durchlässigen Material, welches das gleiche wie das der Fenster des Behälters ist und dieselbe Dicke hat, trägt und daß das Kompensationsfenster in den Strahlengang der Strahlung in der normalem Betriebsstellung des Analysators einbringbar ist.

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