DE3307132C2

DE3307132C2 - Infrarot-Gasanalysator zur Bestimmung mindestens einer Komponente eines Gasgemischs

Info

Publication number: DE3307132C2
Application number: DE19833307132
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Ebi; Kozo Ishida; Kimio Miyatake; Takeshi Kyoto Shimada
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 1982-03-09
Filing date: 1983-03-01
Publication date: 1986-11-27
Also published as: GB8306205D0; DE3307132A1; GB2116317A; GB2116317B

Abstract

Ein Gasanalysator weist eine Probenzelle (1) auf, die durch einen Heizer (4) beheizt wird. An einer Seite ist die Zelle (1) durch ein infrarotdurchlässiges Fenster (6a) verschlossen. Vor dem Fenster ist ein Infrarot-Detektor (10) angeordnet, der durch einen optischen Zerhacker (7) und ein Bandpassfilter (9) hindurch mit Infrarot-Emissionsstrahlung des erhitzten Probengases bestrahlt wird. Das Bandpassfilter ist so gewählt, daß es im wesentlichen nur Strahlung in dem Wellenlängenbereich durchläßt, in dem eine Gaskomponente, deren Konzentration zu bestimmen ist, besonders starke Infrarotstrahlung aussendet. Ein derartiger Gasanalysator und ein mit diesem arbeitendes Verfahren kann überall dort angewandt werden, wo bisher nicht dispersive Absorptionsanalysatoren verwendet wurden.

Description

dadurch gekennzeichnet, daß

eine Restgaszelle (31,23) mit im wesentlichen deroptischen Dichte der Probenzelle (1) vorhanden ist, in der sich das Gasgemisch ohne die zu bestimmende Komponente befindet,
- ein optischer Zerhacker (7) im Strahlengang vor dem Detektor (10) angeordnet ist und

die Heizvorrichtung (4) zum Beheizen der Gase in der Proben- und in der Restgaszelle als elektrische Widerstandsheizung ausgebildet ist.

2. Infrarot-Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenzelle (1) und die Resten gaszelle (31) gemeinsam von der Heizeinrichtung (4) umgeben sind.

3. Infrarot-Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Restgaszelle als Zusatz-Rcslgaszelle (23) ausgebildet und zwischen der Probenzelle (1) und dem Detektor (10) angeordnet ist.

4. Infrarot-Gasanalysator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung (4) eine in der Wand der Probenzelle (1) liegende Wicklung ist.

5. Infrarot-Gasanalysator nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung (4) eine außerhalb der Probenzelle (1) angeordnete besondere Heizvorrichtung (16) ist.

6. Infrarot-Gasanalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung der Heizvorrichtung (4) einstellbar ist, um die Temperatur der Gase abhängig von der Konzentration der zu bestimmenden Komponente einzustellen.

7. Infrarot-Gasanalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 6. dadurch gekennzeichnet, daß eine Schlitzblende (14, 27) zwischen der Probenzelle (1) und dem Detektor (10) angeordnet ist.

8. Infrarot-Gasanalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Bandfilter (9) mehrere wahlweise in den Strahlengang einführbare Teilfilter (9a, 9b) mit voneinander unterschiedlichen Durchlaßbereichen aufweist.

9. Infrarot-Gasanalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Detektor (10) gegenüberliegende Fläche der Probenzelle (1) mit einem Spiegel (S) versehen ist.

10. Infrarot-Gasanalysator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (S) eben ist.

11. Infrarot-Gasanalysator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (S) konkav ist.

12. Infrarot-Gasanalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Detektor (10) zugewandte Fenster <6a) der Probenzelle (1) eine konvexe Linse ist.

Die Erfindung betrifft einen Infrarot-Gasanalysator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiger Analysator ist aus der US-PS 41 10 618 bekannt. Ein Gasgemisch wird durch Kompression mit einem Kolben in einem Zylinder erwärmt, woraufhin es Infrarotstrahlung emittiert. Beim Zurückziehen des Kolbens kühlt sich das Gas wieder ab und sendet kein weiteres Licht mehr aus. Der hin- und hergehende Kolben bewirkt somit eine Zu- und Abnahme des Meßsignals am Detektor. Dieser Effekt ermöglicht es, Hintergrundstrahlung mit anderer Frequenz als der des hin- und hergehenden Kolbens aus dem Meßsignal abzutrennen. Es ist jedoch nicht möglich, der eigentlichen Signalstrahlung überlagerte Hintergrundstrahlung abzutrennen, die von der Meßzelle selbst herrührt.

Zum Aufwärmen eines Gases für die Infrarot-Emissionsspektroskopie ist es auch bekannt, daß Gas in Wärmekontakt mit einer Wand zu bringen (H. H. BeIz, Dissertation, 1981, Seite 2). Wenn auch hier ein Zerhacken des MeLSsignales erwünscht ist, kann dies mit einem optischen Zerhacker erfolgen, wie er z. B. aus der US-PS 41 00 412 bekannt ist.

Her Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Infrarot-Gasanalysator so auszugestalten, daß noch genauere Messungen als bisher möglich sind.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt bei einem Infrarot-Gasanalysator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unter-

(.1) ansprüche.

Die genauere Messung ist dadurch ermöglicht, dal.i zusätzlich zur Probenzelle noch eine Rcslgaszelle vorhanden ist, deren Strahlung ebenfalls gemessen wird. Die Restgaszelle enthält ein Gasgemisch, in dem die zu messende Guskomponente fehlt. Die von der Rcstgaszelle herrührende Strahlung stimmt damit im wesentlichen mit der von der Probenzelle herrührenden Strahlung bis aul den Unterschied überein, daß von der Rcstgaszelle keine Strahlung empfangen wird, die mit der Emissionsstrahlung der zu messenden Gaskomponentc übereinstimmt. Das von der Strahlung aus der Restgaszelle herrührende Signal kann von dem Signal abgezogen werden, das von der Strahlung der Probenzelle herrührt, wodurch nur ein Diflerenzsignal übrigbleibt, das der Hmissionsstrahlung der nachzuweisenden Gaskomponente entspricht.

Gemäß den Merkmalen der Unleransprüche kann die McUgcnauigkeit durch besondere Maßnahmen an der Probenzelle noch weiter erhöht werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher veranschaulicht. Es zeigt Fig. 1 Emissionsspektren von CO__;, abhängig von Druck und Probenlänge; Fig. 2 ein Diagramm betreffend die Abhängigkeit der Strahlungsdosis von der Temperatur; Fig. 3 einen schematischen Querschnitt durch die Probenzelle eines Analysators;

Fig. 4 einen schematischen Querschnitt durch einen Gasanalysator mit vorgeschalteter Heizvorrichtung; l-'ig. 5 einen schematischen Querschnitt durch die Probenzelle eines Gasanalysators mit einem infrarotdurchlässigen Fenster quer zur Zellen-Erstreckungslänge;

F ig. 6 einen schematischen Querschnitt durch einen Analysator mit Probenzelle und Restgaszelle innerhalb lü einer gemeinsamen Umfangswand, wobei die Restgaszelle abgeschlossen ist; Fig. 7 einen Querschnitt gemäß Fig. 6, jedoch mit gasdurchströmter Restgaszelle;

Fig. 8 einen schematischen Querschnitt durch eine Probenzelle mit verspiegelter Rückwand und planem Austrittsfenster;

Fig. 9 einen schematischen Querschnitt durch eine Probenzelle mit einem als Konvexlinse ausgebildeten Durchtrittsfenster;

F i g. 10 einen schematischen Querschnitt durch eine Probenzelle mit konkaver Rückwand und planem Durchtrittsfcnster;

F i g. 11 einen schematischen Querschnitt durch einen Analysator mit einer mit der Probenzelle verbundenen Zusatz-Restgaszelle vor der Probenzelle;

Fig. 12 einen Querschnitt gemäß Fig. 11, bei welchem Aufbau die Probenzelle und die Zusatz-Restgaszelle getrennt mit Gas versorgt werden;

Fig. 13 einen schematischen Querschnitt durch die Probenzelle eines Gasanalysators, bei dem unterschiedliche Filter in den Strahlengang einschiebbar sind;

Fig. 14 Emissionsspektren von CO₂ bei 1500 K, abhängig vom Produkt aus Druck und Zellenlänge; Fig. 15 einen schematischen Querschnitt durch eine Probenzelle mit Doppelheizung; Fig. 16 ein Ersatzschaltbild der Heizung der Ausfuhrungsform von Fig. 15;

Fig. 17 a-c Emissionsspektren von CO₂ bei 300 K, 600 Kund 1200 K, abhängig vom Produkt aus Druck und Zcllcnlänge; und

F i g. 18 einen schematischen Querschnitt durch die Probenzelle eines Gasanalysators mit zwei Einzeldetektoren zum Ermitteln von Hintergrundstrahlung einerseits und Hintergrundstrahlung und Emissionsslrahlung andererseits.

Anhand der Figuren 2 und 3 wird das dem Infrarot-Gasanalysator zugrundeliegende Prinzip erläutert.

Die Oasmoleküle eines erhitzten Gases, mit Ausnahme eines solchen, das nur Atome aufweist, senden Infrarotstrahlen mit charakteristischen Wellenlängen aus. Der Strahlungskoeffizient dieser Infrarotstrahlen hängt von der Temperatur, dem Partiaidruck und der Zellenlänge ab. Je größer der Partialdruck und/oder die Zellänge sind, desto stärker strahlt die Gaskomponente. Liegen die Temperatur, die Zellänge und der Partialdruck fest, kann aus der gemessenen Strahlung die Gaskonzentration bestimmt werden. Nach diesem Prinzip arbeitet der Inl'rarot-Gasanalysator.

Das beschriebene Prinzip wird nun anhand eines Beispiels näher erläutert, wobei davon ausgegangen wird, daß die zu bestimmende Gaskomponente CO₂ sein soll. Das die CO₂-Gaskomponente enthaltende Probengas wird zunächst auf eine solche Temperatur erhitzt, daß ein Detektor die vom CO; emmittierte Strahlungsdosis messen kann. Hierzu wird am besten in 4,3 um Band gemessen, daß das stärkste verschiedener Infrarotbanden des CO,-Moleküls ist. Um gerade in diesem Band zu messen, wird ein Bandpaßfilter mit einer zentralen Wellenlänge von 4,3 μτη vor den Infrarotdetektor gebracht. Dadurch treffen nur Strahlen im 4,3 um-Band auf den Detektor, während alle anderen durch das Bandpaßfilter absorbiert werden. Der Detektor erzeugt ein elektrisches Signal, das der Strahlungsstärke N_T proportional ist. Die Strahlungsstärke N, hängt gemäß der folgenden Gleichung (2) von verschiedenen Größen ab:

Γ ^5(J

Nr = J Y,h(ar T+ßi- T)e'^r">

darin sind:

N-,·: Strahlungsstärke im 4,3 utn-Band bei der Temperatur Γ,
y/. Spektralempfindlichkeit des Detektors,
1/. spektrales Durchlaßvermögen des 4,3 um-Bandpaßfilters,
α,Ύ: Strahlungskoeffizient von CO₂ bei der Temperatur T,

ß,T: Strahlungskoeffizient der Fenster und der Wandflächen, c . TcmpcräUiräbhängigkcit der spektralen Strahlstärkc eines schwarzen Körpers, λ^,λ,: Grenzwellenlängen des Bandpaßfilters, und
λ: Wellenlänge (μηι).

Die Gaskonzentration kann aus Gleichung (2) berechnet werden. Dazu werden die Spektralempfindlichkeit j, des Infrarotdetektor, das spektrale Durchlaßvermögen a, · T des Bandpaßfilters und der Strahlungskoeffizient ß, ■ T der Fenster und der Wandflächen durch einen Analysator bestimmt und die spektrale Strahlstärke e'⁷ eines schwarzen Körners wird nach dem Planckschen Gesetz berechnet. Dann kann die spektrale Strahlstärke e''

im 4,3 'j-m-Band von CO₂ aus N, berechnet werden. a,T hängt von der Temperatur, dem Druck, der Wellenlänge, der Zellenlänge und der Konzentration, also dem Partialdruck von CO₂ ab. Daher kann der Partialdruek von CO₂ und damit dessen Konzentration durch Messung der Infrarot-Emmissionsstrahlung im 4,3 ^m-ßand unter der Voraussetzung gemessen werden, daß Temperatur, Zellenlänge und Druck konstant und bekannt sind. In F i g. 3 ist der grundsätzliche Aufbau einer Probenzelle 1 zur Verwendung in einem Gasanalysator dargestellt. Die Probenzelle 1 weist einen Gaseinlaß 2 und einen Auslaß 3 auf. Die Zelle ist von einer Heizvorrichtung 4 zum Erhitzen des Probengases auf hohe Temperaturen, höher als 10O⁰C, umgeben. Die Heizvorrichtung 4 ist von Isoliermaterial 5 abgedeckt. Durch ein Fenster 6a wird Infrarotstrahlung aus der Probenzelle 1 auf einen Infrarotdetektor 10 abgestrahlt. Zwischen dem Fenster und dem Infrarotdetektor befindet sich ein optischer Zerhacker 7, eine Kondensorlinse 8 und ein Bandpaßfilter 9, das nur Infrarotstrahlung in einem ausgewählten WcI-lenlängenband durchläßt, indem die zu bestimmende Gaskomponente bei Erhitzung strahlt. Als Detektor kann ein pneumatischer Detektor verwendet werden, in dem die zu bestimmende Gaskomponente oder ein Gas, das %

denselben Absorptionsbereich wie die zu bestimmende Komponente aufweist, eingeschlossen ist. Als Detektor kann aber auch ein pyroelektrischer Detektor, eine Thermosäule oder Festkörperdetektoren wie Halbleiterdc- '

tektoren verwendet werden. Der optische Zerhacker 7 wird durch einen Motor 11 angetrieben. Die Ausgangssi- , t

gnale vom Infrarotdetektor 10 werden durch einen Verstärker 12 verstärkt. :'!

Das in der Probenzelle 1 befindliche Gas strahlt also Infrarotstrahlung ab, wenn es erhitzt wird, und sendet ' ! diese Strahlung durch das Fenster 6a auf den Detektor 10. Dabei wird nur die Strahlung der zu bestimmenden Gaskomponente durch das Bandpaßfilter 9 durchgelassen. Im Fall von CO₂, wenn ein 4,3 ixrn Bandpaßfilier ver-

wendet wird, wird also nur die Strahlung der CO_>-Gaskomponente durchgelassen. Der Detektor gibt dann ein !

Signal ab, das proportional zur Konzentration der Gaskomponente ist. r;

Bei der in Fig. 3 dargestellten Probenzelle ist deren Inneres mit einem Spiegel S versehen, um Infrarot- :;: Abstrahlung von der Innenfläche so klein wie möglich zu halten. Außerdem ist die dem Fenster 6e gegenüberliegende Rückseite 6b der Probenzelle mit einem ebenfalls für Infrarotstrahlung durchlässigen Fenster 6b vcr- .;.

schlossen. Die Zelle kann jedoch auch anders aufgebaut sein, wie weiter unten anhand weiterer Ausführungsbeispiele erläutert wird. Statt einer Heizvorrichtung 4 mit einer bestimmten vorgegebenen Heizleistung kann auch eine Heizvorrichtung verwendet werden, dessen Leistung aufgrund einer Temperaturmessung so eingerc- ν gelt wird, daß eine bestimmte Temperatur oder ein bestimmter Temperaturbereich eingehalten wird. Darüber hinaus kann an den Verstärker 12 eine Alarmvorrichtung angeschlossen sein, die einen Alarm abgibt,

wenn die Konzentration der zu bestimmenden Gaskomponente einen vorgegebenen Wert überschreitet. Statt ^

nur eines Detektors können zwei Detektoren oder ein solcher vorhanden sein, der bei zwei Wellenlängen mcs- ν

sen kann, um zwei Gaskomponenten zu ermitteln. Statt des einen Filters 9 können zwei Filter, eines mit einer zentralen Wellenlänge von 4,3 im und ein zweites mit einer zentralen Wellenlänge z. B. von 3,3 am vorhanden sein. An einen solchen Analysator können zwei Alarmvorrichtungen angeschlossen sein, wobei die eine einen

Alarm abgibt, wenn eine Kohlendioxydkonzentration in erhitzter Luft überschritten wird und die andere einen ^;

Alarm abgibt, wenn eine Methankonzentration überschritten wird. Es kann dann z. B. Luftverschmutzung oder das Auftreten eines Gaslecks ermittelt werden.

Die Probenzelle 1 gemäß Fig. 4 ist mit einer besonderen Heizvorrichtung 16 verbunden. Durch diese strömt das zu messende Probengas und wird dabei erhitzt, bevor es in die Probenzelle 1 eintritt. In diesem Fall kann die

Probenzelle in ihrer Form und ihrem Material frei gewählt werden, und der Infrarot-Detektor 10 kann einfach gekühlt werden, da die Heizvorrichtung vom Infrarot-Detektor 10 beabstandet angeordnet ist. Dadurch ist es möglich. Gas auf höhere Temperaturen zu erhitzen, ohne daß dadurch der Detektor beeinflußt wird. Außerdem wird der Einfluß von durch die Probenzelle 1 emittierten Infrarotstrahlen vermindert, da die Temperatur der Probenzelle ! niedrig ist.

Bei der Probenzelle 1 gemäß Fig. 5 ist nur ein Teil der Probenzelle von der Heizvorrichtung 4 in der Nähe des Gaseinlasses 2 umgeben. Das infrarotdurchlässige Fenster 6a und ein diesem gegenüber liegendes infrarotdurchlässiges Fenster 6b liegen quer zur Längserstreckungsrichtung der Probenzelle nahe dem Gasauslaß3. Der Detektor 10 ist wieder vor dem Fenster 6a angeordnet. Bei diesem Aufbau ist der Einfluß von durch die Zelle selbst in Richtung zum Detektor emittierter Infrarotstrahlung vermindert. Darüber hinaus liegt zwischen der

Heizquelle und dem Meßbereich kein so großer Abstand wie bei der Ausfuhrungsform von Fig. 4, so daß sich das Probengas nach dem Erhitzen praktisch nicht abkühlt.

Obwohl nicht dargestellt, können die Probenzellen als Ganzes aus infrarotdurchlässigem Material gebildet sein.
Bei der in F i g. 6 dargestellten Ausführungsform des Infrarot-Gasanalysators liegt sine Restgaszelle 31 parallel

zur Probenzelle 1. In der Restgaszelle ist Gas eingeschlossen, das mit dem Gasgemis :h in der Probenzelle bis auf die zu bestimmende Gaskomponente, die entfernt worden ist, im wesentlichen üoereinstimmt. Beide Zellen sind innen verspiegelt und weisen an ihren Enden Fenster 6a bzw. 31a und 66 bzw. 316 auf. Die Fenster bestehen aus infrarotdurchlässigem Material. :., Die Zellenlängen beider Zellen 1 und 31, d. h. genauer gesagt die optischen Dicken der Zellen von einem Fen- c

ster zum anderen, sind gleich gewählt. C,

Die Probenzelle 1 und die Restgaszelle 31 werden durch eine gemeinsame Heizvorrichtung 4 erhitzt, wodurch ή

die eingeschlossenen Gase auf Temperaturen höher als 100°C erhitzt werden. Durch die Erhitzung vermindert -ΐ

sich auch der Anteil von Hintergrundstrahlung, so daß er in bezug auf die Meßgenauigkeit vernachlässigbar ^

wird. j^; _:

Wie bei den bisher beschriebenen Ausfuhrungsformen liegen wieder ein Detektor 10 und ein optischer Zer- £i hacker 7 vor. Zwischen den Fenstern 6a und 31 ο und dem Zerhacker? ist eine Schlitzblende 14 angeordnet. Die ; Vj Schlitze sind in ihrer Bemessung so ausgewählt, daß die Strahlungsstärke aus der Probenzelle 1 mit der aus der H Restgaszelle 31 übereinstimmt. i:

Die durch die Schlitzblende 14tretenden Strahlen treffen auf einen Fokussierspiegel 15, in dessen Brennpunkt der Detektor 10 angeordnet ist. Die Strahlen treten jedoch erst wieder durch ein Bandpaßfilter 9, bevor sie auf den Detektor 10 gelangen. Das Bandpaßfilter 9 läßt wieder nur im Wellenlängenbereich der zu bestimmenden Gaskomponente Infrarot-Emissionsstrahlung durch.

Aufgrund der Drehung des optischen Zerhackers 7 erhält der Detektor 10 ein Wechselspannungssignal, das er an den Verstärker 12 weitergibt. An den Verstärker 12 ist eine Konzentrationsanzeigevorrichtung 17angeschlossen, die direkt die Konzentration zu bestimmender Gaskomponenten anzeigt.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 werden also Infrarotstrahlen von der Probenzelle 1 und der Restgaszcllc 31 emittiert, wenn diese Zellen auf eine bestimmte Temperatur aufgeheizt werden. Es wird charakteristische Emissionsstrahlung von den Gaskomponenten, z. B. im 4,3 μτη-Band im Fall von COi, und Hintergrundstrahlung abgegeben. Die Hintergrundstrahlung rührt von den Wänden, Fenstern und dergleichen der Probenzelle 1 und der Restgaszelle 31 her. Die Emissionsstrahlung und Hintergrundstrahlung der Probenzelle 1 und die 11 intcrgrundstrahlung der Restgaszelle 31 werden abwechselnd vom Detektor lOempfangen. Die Konzentration der zu bestimmenden Gaskomponente wird dann von der Anzeigevorrichtung aufgrund der Differenz zwischen der Strahlungsmenge von der Probenzelle 1 und der Restgaszelle 31 bestimmt. Durch die Differenzbildung wird der Einfluß der Hintergrundstrahlung eliminiert, wodurch eine sehr genaue Messung möglich ist. Mit einem solchen Analysator ist die Messung auch dann noch sehr genau, wenn sich die Strahlungsmenge durch äußere Einflüsse, wie z. B. Verschmutzung der Zellen 1 und 31 oder der Zellfenster 6a bzw. 31a, durch Temperaturänderungen oder dergleichen verändert.

Weiterhin muß die vorgegebene Temperatur, die für das Probengas und das Restgas gleich ist, nicht genau ein- 2u gehalten werden. Z. B. können das Probengas und das Restgas auf geeignete Temperaturen erhitzt werden und dann kann die Temperatur zwischen den beiden Gasen ausgeglichen werden, was mit Hilfe von Thermometern festgestellt wird.

Bei allen Ausfuhrungsformen können für die Infrarotdetektoren und die Filter beliebige bekannte Ausführungsformen verwendet werden. Die Messung der Konzentration verschiedener Gaskomponenten kann durch Auswechseln der Filter 9 erfolgen, indem jeweils ein Filter gewählt wird, das in einem Bandbereich durchläßt, der der Emissionsbande des zu bestimmenden Probengases entspricht. Die Zahl bestimmbarer Gaskomponenten ist dadurch nicht begrenzt.

In F i g. 7 ist eine Weiterbildung der Ausführungsform des Analysators gemäß F i g. 6 dargestellt. Nicht nur die Probenzelle 1 weist einen Einlaß 2 und einen Auslaß 3 auf, sondern auch die Restgaszelle 31 weist einen Einlaß 2 Jl und einen Auslaß 3.31 auf. An den Gaseinlaß 2 ist eine Gaszuflußleitung 19 angeschlossen. Der Gaseinlaß 2.31 der Restgaszelle 31 steht mit der Gaszuflußleitung über eine Zweigleitung 18 in Verbindung, in der ein Gascntfcrncr 20 eingebaut ist. Der Gasentferner 20 entfernt die zu bestimmende Gaskomponente aus einem durch die Gaszuflußleitung 19 zugeführten Gasgemisch. Die der Probenzelle 1 und der Restgaszelle 31 zugeführten Gasgemische unterscheiden sich also nur dadurch, daß in dem der Restgaszelle 31 zugeführten Gasgemisch die zu bestimmende Gaskomponente fehlt. Dadurch kann aber Interferenz interferierender Gaskomponenten ausgeschlossen werden^ da die interferierenden Komponenten sowohl in der Probenzelle 1 wie auch in der Rcstgaszelle 31 in gleichem Maße vorhanden sind.

Bei den Ausführungsformen der F i g. 6 und 7 kann statt einem Restgasjedes beliebige Gas verwendet werden, das nur nicht die zu bestimmende Gaskomponente enthält. Es kann die Hintergrundstrahlung und die Strahlung interferierender Komponenten eliminiert werden, was Hauptursachen für Fehlmessungen sind. Die Strahlung der Restgaszelle wird von der Strahlung der Probenzelle abgezogen, wodurch die Hintergrundstrahlung elimi- |

nicrt wird und nur noch die Strahlung der zu bestimmenden Gaskomponente als Meßwert übrig bleibt. Dadurch f

kann die Konzentration der zu bestimmenden Gaskomponente sehr genau erfolgen. |

Die Probenzellen gemäß den F i g. 8-10 weisen wiederum eine Probenzelle 1 mit zylindrischem Zellenkörper 1.1 mit Gaseinlaß 2 und Gasauslaß 3 auf. Infrarotstrahlung aus der Probenzelle 1 wird durch ein Fenster 6a auf einen Detektor 10 gestrahlt. Die dem Fenster 6 a gegenüber liegende Wand der Probenzelle 1 ist als Verschlußteil 21 mit einem Spiegel S ausgeführt.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 8 ist das Verschlußteil 21 und entsprechend der Spiegel 5 eben ausgeführt. Wenn das Probengas durch die Heizvorrichtung 4 erwärmt wird und damit Emissionsstrahlung aussendet, wird ein Teil der Infrarotstrahlung auf den Spiegel 5 auftreffen und von diesem in Richtung zum Fenster 6 a reflektiert werden. Dadurch wird eine größere Strahlungsmenge abgestrahlt als ohne Spiegel S.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 9 ist das infrarotdurchlässige Fenster 6a gemäß der Ausführungsform von Fig. 8 durch eine bikonvexe Linse 8 ersetzt, die die Emissionsstrahlung auf den Detektor 10 fokussiert.

Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 10 ist das Verschlußteil 21 und der auf ihm befindliche Spiegel S konkav ausgeführt, so daß auf diesen Spiegel S auftreffende Infrarotstrahlung auf den Detektor 10 fokussiert wird.

Das lichtdurchlässige Fenster 6a kann eben, bikonvex oder einfachkonvex sein oder es kann eine einfach oder doppclkonvexe Linse vor oder hinter dem infrarotdurchlässigen Fenster angeordnet sein, um die Emissionsstrahlung auf den Detektor 10 zu fokussieren.

Gemäß den Ausführungsformen der F i g. 8-10 ist die dem Fenster 6a gegenüber liegende Rückwand der Probenzeile 1 mit einem Spiegel S versehen. Dadurch läßt sich die durch das Fenster 6a tretende Strahlungsmenge in etwa verdoppeln, wodurch sich die Nachweisempfindlichkeit steigern läßt. Außerdem vermindert sich die von der Rückwand abgegebene Infrarotstrahlung, da diese nun mit einem Spiegel S versehen ist. Die Konzentration einer Gaskomponente läßt sich daher mit hoher Genauigkeit bestimmen.

Die Ausfuhrungsformen der Probenzelle gemäß den Fig. 11 und 12 unterscheiden sich von den bisher beschriebenen Ausführungsformen dadurch, daß zwischen dem Fenster 6 a der Probenzelle 1 und dem Zerhacker 7 eine Zusatz-Restgaszelle 23 angeordnet ist. Diese Zusatz-Restgaszelle 23 weist im wesentlichen dieselbe Zellenlänge, das heißt dieselbe optische Dicke auf wie die Probenzelle 1. Ein Zusatzzelleneinlaß 25 ist

über eine Verbindungsleitung 24, in der ein Gasentferner 20 liegt, mit dem Gasauslaß 3 der Probenzelle 1 verbunden. Durch den Gasentferner 20 wird die zu bestimmende Gaskomponente aus dem Gasgemisch entfernt, das von der Probenzelle 1 in die Zusatz-Restgaszelle 23 strömt. Das in die Zusatz-Restgaszelle 23 strömende Gas tritt durch einen Zusatzzel'en-Auslaß 26 wieder aus der Zusatz-Restgaszelle 23 aus.

Das Probengas wird in der Probenzelle 1 wiederum über eine Heizvorrichtung 4 erhitzt und emittiert dabei Infrarotstrahlung. Wenn das erhitzte Gas durch die Verbindungsleitung 24 und den Gasentferner 20 in die Zusatz-Restgaszelle 23 strömt, kühlt es ab, wodurch es keine Infrarotstrahlung mehr emittiert, sondern nunmehr gut absorbiert. Das abgekühlte Gas in der Zusatz-Restgaszelle 23 absorbiert jedoch nicht im Bereich der zu bestimmenden Gaskomponente, da diese ja durch den Gasentferner 20 entfernt worden ist. Es absorbiert aber gut im Bereich der übrigen Weilenlängen. Da die Zusatz-Restgaszelle 23 vor der Probenzelle 1 angeordnet ist, wird durch die Zusatz-Restgaszelle 23 alle Infrarotstrahlung absorbiert, die nicht von der zu bestimmenden Gaskomponente herrührt. Durch das Vorhandensein der Zusatz-Restgaszelle 23 wird auch der Einfluß von Interferenzgasen vermindert, die in denselben Wellenlängenbereichen wie das zu interferierende Gas emittieren, jedoch mit schwächerer Stärke. Diese Strahlung im gleichen Wellenlängenband wie die Strahlung des zu bestimmenden Gases, jedoch von anderen Gasen herrührend, wird also ebenfalls eliminiert, so daß nur die Emissionsstrahlung des zu bestimmenden Gases übrig bleibt.

Bei einer Probenzelle gemäß der F i g. 11 wird also vom Detektor 10 nur Strahlung von der zu bestimmenden Gaskomponente empfangen, wodurch eine sehr genaue Messung möglich ist.
Die in Fig. 12 dargestellte Probenzelle unterscheidet sich von der gemäß Fig. 11 nur dadurch, daß der Ausgang der Probenzelle nicht mit dem Eingang der Zusatz-Restgaszelle 23 verbunden ist, sondern daß die Zusatz-Restgaszelle 23 über eine eigene Gaszufuhr verfügt. Eine Gaszuflußleitung 19 ist nach wie vor an den Gaseinlaß 2 der Probenzelle 1 angeschlossen. Von der Gaszuflußleitung 19 führt jedoch eine Zweigleitung 18 mit Gasentferner 20 zum Zusatzzellen-Einlaß 25. Der Gasentferner 20 entfernt wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 11 die zu bestimmende Gaskomponente aus dem zugeführten Gasgemisch. Die Funktion der Probenzelle gemäß Fig. 12 ist im übrigen völlig übereinstimmend mit der Funktion der Ausführungsform gemäß Fig. 11. In den Fällen der Probenzeilen gemäß den F i g. 11 und 12 kann das der Zusatz-Restgaszelle 23 zugeführte Gas oder die Zusatz-Restgaszelle 23 selbst gekühlt sein.

Die beiden Ausführungsformen der Probenzelle gemäß den Fig. 11 und 12 zeichnen sich also dadurch aus, daß nach der Probenzelle 1 eine Zusatz-Restgaszelle 23 mit gekühltem Gas angeordnet ist. Das Gasgemisch in der Zusatz-Restgaszelle 23 stimmt mit dem Gasgemisch in der Probenzelle bis auf die zu bestimmende Gaskomponente, die entfernt worden ist, im wesentlichen überein. Hintergrundstrahlung und Strahlung interferierender Gaskomponenten wird dadurch fast völlig eliminiert, wodurch eine sehr genaue Messung ermöglicht ist. Die Ausführungsform der Probenzelle gemäß Fig. 13 unterscheidet sich von den vorhergehend beschriebenen durch ein besonderes, vor dem Detektor 10 angeordnetes Filter 9. Der Detektor kann wieder ein beliebiger Infrarot-Detektor, z. B. ein py roelektrischer Detektor oder ein Thermoelement-Detektor sein. Zwischen Filter 9 und Detektor 10 ist eine Abschirmplatte 27 mit einem Schlitz28 angeordnet, die dazu dient, Infrarotstrahlen von den Innenflächen der Probenzelle 1 in ihrem Auftreffen auf den Infrarot-Detektor 10 abzuhalten.

Das Filter 9 der Ausführungsform gemäß F i g. 13 besteht aus einer Mehrzahl von Bandpaßfiltern, von denen zwei, die mit 9a und 9 b bezeichnet sind, dargestellt sind. Es kann jedoch eine beliebige Anzahl von Bandpaßfiltern verwendet werden, die jeweils voneinander unterschiedliche zentrale Wellenlängen innerhalb eines Wellenlängenbereichs aufweisen, in dem eine zu bestimmende Gaskomponente, abhängig von Konzentration oder Temperatur, strahlt. Die zwei Bandpaßfilter9α und9i> können durch Verschieben in einem Führungsrahmen 29 wahlweise in den Strahlengang vor dem Detektor 10 eingebracht werden. Der Führungsrahmen 29 ist fest angeordnet und trägt die beiden Bandpaßfilter 9 a und 9b, so daß sie rechtwinklig zum Lichtweg hin und her verschoben werden können. Statt eines Führungsrahmens 29 können auch andere Anordnungen, z. B. mit Verdrehung von Hand oder durch einen Motor oder Anordnungen mit einer Spule verwendet werden. Die Filter können auf einer sich drehenden Scheibe angeordnet sein.

Die Rückwand der Probenzelle 1 ist wiederum als infrarotdurchlässiges Fenster 6b ausgebildet, kann jedoch wie in den Ausführungsformen gemäß den Fig. 8-10 auch verspiegelt sein, wodurch sich wieder die Empfindlichkeit steigern, das Signal/Rauschverhältnis vermindern und sich die Baugröße verringern lassen.

An den Detektor 10 ist über einen Verstärker 12 und ein Signalverarbeitungsgerät 30 eine Konzentrations-Anzeigevorrichtung 17 angeschlossen, die eine Anzeige mit einer Skala für einen niedrigen Konzentrationsbereich und einer Skala für einen hohen Konzentrationsbereich aufweist.
Weist die zu bestimmende Gaskomponente im erhitzten, emittierenden Probengas eine Konzentration im niedrigeren Konzentrationsbereich auf, wird das erste Bandpaßfilter 9a in den Strahlengang geschoben, während das zweite Bandpaßfilter in den Strahlengang eingeführt wird, wenn die Konzentration im höheren Konzentrationsbereich liegt. Durch die Verwendung zweier Filter für unterschiedliche Konzentrationsbereiche ist es möglich, jeweils Bandpaßfilter mit einem sehr engen Durchlaßbereich zu verwenden, was die Genauigkeit der Messung erhöht. Die Konzentration wird dann auf Grundlage der vom Detektor 10 gemessenen Strahlungsdosis und der Temperatur des Probengases bestimmt.

Eine zu bestimmende Gaskomponente kann daher von einem niedrigeren Konzentrationsbereich bis zu einem höheren Konzentrationsbereich bestimmt werden, ohne daß eine erste Probenzelle mit einer bestimmten Länge gegen andere Probenzellen mit anderen Zellenlängen ausgetauscht werden muß, um die optische Dicke des erhitzten Gases konstant zu halten. Die Zellenlänge der Probenzelle 1 kann vielmehr zum Beispiel für den niedrigeren Konzentrationsbereich oder auch den höheren Konzentrationsbereich eingestellt sein. Die Anpassung kann jeweils über die Bandpaßfilter9a bzw. 9Λ vorgenommen werden, die voneinander unterschiedliche zentrale Durchlaßwcllcnlängen innerhalb des Wcllcnliingcnbereichs der von der zu bestimmenden Gaskomponente emittierten Infrarotstrahlung aufweisen.

Die beschriebene Kompensation ist daher möglich, da eine Beziehung zwischen Temperatur, Konzentration und Wellenlänge besteht, wie sie anhand der Fig. 14 näher erläutert wird. In Fig. 14 sind Emissionsspektren einer COi-Gaskomponente von 1500 K bei unterschiedlichen Produkten P/vom Partialdruck P und Zellenlänge/ aufgezeichnet. Die Breite des Strahlungsspektrums ist umso geringer, je geringer die Konzentration bei konstanter Temperatur ist. Bei konstanter Konzentration nimmt dagegen die Breite mit zunehmender Temperatur aufgrund des Doppler-Effektes zu. Bei der oben beschriebenen Auführungsform ist das Produkt aus Temperatur :' tics durch die Heizvorrichtung 4 erhitzten Probengases und der Länge der Zelle 1 konstant. Selbst wenn daher

i; eine Probenzelle mit großer Zellenlänge verwendet wird, um eine Komponente im geringeren Konzentrationsbereich zu bestimmen, kann dennoch bei höherer Konzentration eine Sättigung der Strahlungsdosis verhindert werden, indem das Bandpaßfilter für den niedrigeren Konzentrationsbereich gegen das Bandpaßfilter 96 für den '■'■' höheren Konzentrationsbereich ausgetauscht wird, wodurch die zentrale Durchlaßwellenlänge zu größeren

¹ Wellenlängen hin verschoben wird.

ν Wie die Konzentration von z. B. CO₂ im Probengas bestimmt wird, wird im folgenden beschrieben. Zwischen

\ der Strahlungsstärke, der Frequenz und der Größe PX/, die proportional der Molekülzahl ist, besteht der

'·' Zusammenhang, wie er schon anhand der F ig. 15 besprochen ist. Wenn die Temperatur konstant ist, nimmt der

f Wcllenlängenbereich der emittierten Infrarotstrahlung mit der Zahl der Moleküle zu. Bei festliegender Zellen-

'■ länge entspricht die Molekülzahl der Konzentration.

(^: Rs sei nun angenommen, daß ein Bandpaßfilter mit einer zentralen Durchlaßwellenzahl von 2200 cm ' als

'; Bandpaßfilter 9a verwendet wird. Die Strahlungsstärke ist dann eine Funktion der Molekülzahl, also der Kon-

|; zentration. Die Emissionsspektren in Fig. 15 sind z.B. für Pl = 0,001 atm · cm, W = O₁OIaIm-Cm,

ι'ί /'/-0,IaIm-Cm und Pl =1 atm cm aufgezeichnet. Sättigung ergibt sich ab einer Strahlungsdosis für

Il Pl - 10 atm · cm oder mehr. Dann ist eine Konzentrationsmessung unmöglich. Der Strahlungskoeffizient ist

<ß dann nur eine Funktion der Temperatur.

'S? Wenn also der Bandpaßfilter 9b ein Filter mit einer zentralen Durchlaßwellenzahl von 2100 cm'¹ verwendet

ί wird, ist die Strahlungsdosis von Infrarotstrahlung bei dergemessenen Wellenzahl von 2100 cm"¹ gleich null, da

';■ der Strahlungskoeffizient 0,00001 oder weniger für Pl = 0,001 atm · cm ist, wodurch Messung bei niedrigem

* Konzentrationsbereich nicht mehr möglich ist. Dagegen tritt aber keine Sättigung der Strahlungsdosis für

Pl = 10 atm ■ cm auf. Die Strahlungsdosis ist dann eine Funktion der Konzentration, wodurch die Konzentra-■'; tionsmessung möglich ist.

"κ. Mit der Ausführungsform gemäß Fig. 13 ist es also möglich, Gaskonzentrationen über einen weiten Bereich

¹. zu bestimmen, ohne daß die optische Länge des Probengases verändert wird. Es wird vielmehr eine Mehrzahl

j von Bandpaßfiltern mit voneinander unterschiedlichen zentralen Durchlaßwellenlängen innerhalb des Wellen-

längcnbereichs verwendet, der von der zu bestimmenden Komponente unteir verschiedenen Konzentrationen <~ abgestrahlt wird. Ein ausgewähltes Filter wird abhängig vom Konzentrationsbereich der zu bestimmenden

'■'■· Komponente wahlweise in den Strahlengang vor den Detektor 10 gebracht.

Der in Fig. 15 dargestellte Gasanalysator unterscheidet sich von den vorhergehenden Ausführungsformen dadurch, daß eine zweiteilige Heizvorrichtung 4 mit Nichromdrähten 4o und Ab verwendet wird, die schraubenu förmig um die Probenzelle 1 gewickelt sind. Der Zustand, bei dem nur ein Nichromdraht 4a allein elektrisch

':'■ angeschlossen ist und der Zustand, in dem beide Nichromdrähte Aa und 4b elektrisch angeschlossen sind, kann

);; jeweils durch einen Temperatureinstellschalter SW gewählt werden, wie dies in Fig. 16 dargestellt ist, indem

ir entweder in Kontakt α oder ein Kontakt b angeschlossen wird. Dadurch ist es möglich, die Temperatur des Pro-

1 bengases abhängig vom Konzentrationsbereich der zu bestimmenden Gaskomponente einzustellen.

Die dem Fenster da zur Detektorseite gegenüberliegende Rückwand ist bei der Ausführungsform gemäß : Fi g. 15 ebenfalls als infrarotdurchlässiges Fenster 6b dargestellt, kann jedoch wie bei den Ausführungsformen

gemäß den Fig. 8-10 auch verspiegelt sein.

Durch unterschiedliches Erhitzen des Probengases kann daher in unterschiedlichen Konzentrationsbereichen einer zu bestimmenden Gaskomponente gemessen werden, ohne daß die Zellenlänge der Probenzelle 1 verändert werden muß.

Ein derartiges Meßverfahren ist daher möglich, da eine Beziehung zwischen der Temperatur, der Konzentration und der Emissionswellenlänge besteht, wie dies in den Fig. 17 a-c und Fig. 14 dargestellt ist. Die F i g. 17 a-c und 14 zeigen Emissionsspektren von CO₂ bei vier unterschiedlichen Temperaturen, nämlich 300 K, 600 K, 1200 K bzw. 1500 K, abhängig von verschiedenen Produkten Px/. Wie schon oben erläutert, ist bei konstantcrTemperatur die spektrale Breite bei geringer Konzentration geringer als bei hoher, während die Breite bei j konstanter Konzentration mit zunehmender Temperatur aufgrund des Dopipler-Effektes zunimmt.

)-■ Unter Verwendung eines geeigneten Bandpaßfilters kann daher eine Gaskomponente geringer Konzentra-

tion in der Gasprobe bestimmt werden, indem die Gasprobe durch Einschalten beider Nichromdrähte 4 ο und «i Ah stark erhitzt wird, während eine höhere Konzentration ohne Änderung der Probenzelle oder des Filters

|:; bestimmt werden kann, indem das Probengas nur durch Einschalten des Nichromdrahtes Aa weniger erhitzt

i wird.

Es sei angenommen, daß ein Bandpaßfilter mit einer zentralen Durchlaßwellenzahl von 2200 cm ' als Bandpaßfilter6a verwendet wird. Bei 300 K ist dann die Strahlungsdosis von Infrarotstrahlen gleich null, da die rela- ; tive Strahlungsstärke 0,00001 oder geringer ist für alle Werte von Pl = 0,0001 atm ■ cm, Pl = 0,001 atm · cm,

Pl = 0,01 atm · cm und Pl = 0,1 atm ■ cm, wie in Fig. 17a dargestellt. Eine Messung ist daher nicht möglich. Wird das Probengas auf 600 K erhitzt, so läßt sich, wie in Fig. 17 b dargestellt, Strahlung bei einer Durchlaßwellenzahl von 2200 cm"¹ für Werte Pl = 1 atm · cm und Pl = 0,1 atm · cm feststellen, aber nicht für Pl = 0.01 ί bis 0,00001 atm · cm.

I Bei Temperaturen von 1200 K und 1500 K, wie in Fig. 17 c bzw. Fig. 14 dargestellt, ist die Strahlungsstärke

bei einer Durchlaßwellenzahl von 2200 cm"¹ eine Funktion der Konzentration für Pl = 1 bis 0,0001 atm ■ cm.

Für einen Wert Pl = 10 atm · cm und mehr liegt dagegen Sättigung vor, so daß die Strahlungsstärke nur noch von der Temperatur abhängt, wodurch eine Messung der Konzentration unmöglich ist

Wie sich aus dem vorstehenden ergibt, läßt sich also der Konzentrationsmeßbereich des Gasanalysators z. B. bei einer zentralen Durchlaßwellenzahl von 2200 cm"¹ des Bandpaßfilters 9 dadurch verändern, daß nur die Temperaturen des Probeiigases z. B. auf 600 K, 1200 Köder 1500 K eingestellt werden, was z. B. durch Einschalten nur einer oder mehrerer Nichromdrähte erfolgt. Die Zellenlänge der Probenzelle 1 ist zum Bestimmen unterschiedlicher Konzentrationen nicht zu verändern, wie dies bei Absorptionsanalysatoren erforderlich ist Zum Einstellen unterschiedlicher Konzentrationsbereiche für unterschiedliche Gaskomponenten können beliebig viele Temperaturstufen eingestellt werden. Das Einstellen der Gastemperatur kann durch Vorgeben des Heizstromes oder durch Temperaturregelung erfolgen. Für unterschiedliche Konzentrationsbereiche kann eine Anzeigevorrichtung 17 mit unterschiedlichen Skalen für jeden Konzentrationsbereich verwendet werden, der von der gewählten Temperatur oder vom verwendeten Bandpaßfilter abhängt Es kann aber auch eine Digitalanzeige vorhanden sein, die die richtige Konzentration unter Berücksichtigung des verwendeten Bandfilters oder der eingestellten Temperatur anzeigt. Ü

M it den beschriebenen Infrarotdetektoren ist es also auf einfachste Art und Weise möglich, in unterschiedlich- 8|

sten Konzentrationsbereichen zu messen, indem z. B. die Temperatur des Probengases verändert wird oder ,g

indem für die unterschiedlichen Konzentrationsbereiche unterschiedliche Bandpaßfilter verwendet werden. Jc |/ geringer die Konzentration ist desto höher muß die Temperatur des Probengases sein, oder desto größer muß || die Wellenzahl der zentralen Durchlaßwellenlänge des verwendeten Bandpaßfilters sein. Die Verwendung von »f

Probenzelle unterschiedlicher Längen wie bei Absorptions-Gasanalysatoren ist nicht mehr erforderlich. %

Die in Fig. 18 dargestellte Probenzelle mit zugehörigen Meßeinrichtungen unterscheidet sich von allen im fftj

vorigen beschriebenen dadurch, daß statt eines einzigen Infrarot-Detektors zwei Einzeldetektoren 10.1 und 10.2 fh

verwendet werden. Vor dem Einzeldetektor 10.1 ist ein Bandpaßfilter 9.1 und vor dem Einzeldetektor 10.2 ein fi

Bandpaßfilter 9.2 angeordnet. Das Bandpaßfilter 9.1 läßt nur in dem Wellenlängenbereich durch, in dem von der C;

zu bestimmenden Gaskomponente emittiert wird. Das Bandpaßfilter 9.2 '.äßt dagegen in einem Wellenlängen- y·

bereich durch, der dicht neben dem Emissionsbereich der zu bestimmenden Gaskomponente liegt. Y;

Die Einzeldetektoren 10.1 und 10.2 sind an einen Teiler 22 angeschlossen, der das Verhältnis der Ausgangs- Ί

signale berechnet. Der Teiler 22 ist über einen Verstärker 12 mit einer Anzeigevorrichtung 17 verbunden. Aul" ,; I

dieser wird die Konzentration der zu bestimmenden Gaskomponente auf Grundlage des Verhältnisses der Aus- ;

ίο gangssignale aus den Detektoren 10.1 und 10.2 bestimmt.

Auf den Detektor 10.1 fallen also durch das Bandpaßfilter 9.1 hindurch Emissionstrahlen der Gaskomponentc, deren Konzentration zu bestimmen ist. Auf den Einzeldetektor 10.2 fallen dagegen durch das Filter 9.2 hindurch .; Infrarotstrahlen in einem dicht daneben liegenden Wellenlängenbereich. Da die Probenzelle 1 auf hohe Tcmpc- ■'■' raturen erhitzt wird, gibt sie von ihren Wänden starke Infrarotstrahlung ab, die im entsprechenden Wellcnlän-

•5 genbereich ebenfalls durch die Filter 9.1 und 9.2 tritt. Dieser Einfluß wird aber durch die Quotientcnnildung eliminiert. Darüber hinaus werden durch die Quolientenbildung Fehler eliminiert, die durch Änderungen im Strahlungskoeffizient der Flüchen der Probenzelle 1 durch Verschmutzungoderdurch Ändern des Durchlaßfaktors des Fensters 6a durch dessen Verschmutzung herrühren. Dadurch wird die Drift der Messung praktisch auf den Wert null geführt. Die Konzentration einer Gaskomponente kann daher sehr genau angezeigt werden.

Die Slrahlungsdosis von Infrarotstrahlen von der Wand der Probenzelle 1 ist durch folgende Gleichung (3) gegeben:

V /|7 /

darin bedeuten:

T: Temperatur

/_Λ: Wellenlänge

c\\ Strahlungskoeffizient

C; und Ci: Konstanten

Entsprechend ist die Strahlungsdosis von Infrarotstrahlung der Wellenlänge λ₂ von der Wand der Probenzelle 1 durch folgende Gleichung (4) ausgedrückt:

L (Α,7") = f,C,;.:"⁵ · exp (- -^A (4)

Das Verhältnis der Strahlungsdosen von Infrarotstrahlung der Wellenlänge λ\ und der Wellenlänge Λ,, d. h.das Verhältnis L(/.{T)IL{?.\T) ergibt sich aus den Gleichungen 3 und 4 wie folgt:

LU₁T) ₌ _R{T)

Hk₁T)

i, /^V (ι ι \ A"' C₁ Ka₁ J u. /, / Vr

Die Änderung der Strahlungsstärke von Infrarotstrahlen, die von der Wand der Probenzelle 1 aufgrund deren Verunreinigung abgestrahlt wird, ist daher im Hinblick auf die Genauigkeit der Messung vernachlässigbar, da C₂Zt; ungefähr eins ist, wenn Jl₄ ungefähr A₂ ist. Das heißt, daß der Ausgang von zwei Infrarotdetektoren 10.1 und 10.2 konstant ist, wenn die Temperatur konstant ist.

Wenn nun diejenige Wellenlänge, bei der eine Gaskomponente am stärksten Infrarotstrahlung emittiert als A₁ gewählt wird und die Wellenlänge, die neben diesem Emissionsbereich liegt als A₂ gewählt wird, wird die Strahlungsdosis durch die folgende Gleichung (6) gegeben. Die Probenzelle ist dann also nicht mit einem Nullgas, sondern mit dem Probengas, das die zu bestimmende Gaskomponente enthält, gefüllt.

U (A₁ Π = (c, + te) C₁A₁ -^s - exp (- -j^\ (6)

<·,,: Strahlungskoeffizient der Komponente, deren Konzentration zu bestimmen ist.

Das Verhältnis L (A₂ T)ZU(X, T) dergesamten Strahlungsdosis von Infrarotstrahlen der Wellenlänge A₂ und der ^!5 gesamten Strahlungsdosis von Infrarotstrahlen der Wellenlänge Ai für den Fall, daß Infrarotstrahlen von der zu bestimmenden Komponente nicht abgestrahlt werden und für den Fall, daß Infrarotstrahlen von der zu bestimmenden Komponente abgestrahlt werden, ist durch die folgende Gleichung (7) gegeben:

L(X₂T) _ „,.

VüTn ~

ti + c_a

20

25 K. (7)

Nun ist v,, = 1 -exp (-/(A)- u) und /?'(7")eine Funktion der Konzentration der Gaskomponente, vorausgesetzt, daß die Zellenlänge konstant ist. Es ist u = Zellenlänge x Partialdruck. u entspricht bei konstanterZellenlunge also der Konzentration.

Der oben beschriebene Analysator wird also durch Verunreinigung der Wand der Probenzelle 1 und des Fensters 6a nicht beeinflußt und zeigt somit keine Drift des Nullpunktes, da angenommen werden kann, daß t, und fi ähnlich verändert werden, wenn Nullgas in der Probenzelle 1 enthalten ist.

Mit der angegebenen Aufuhrungsform läßt sich also die Konzentration einer Gaskomponente ohne Beeinflussung durch eine Nullpunktsdrift sehr genau bestimmen. Es ist keine Infrarot-Lichtquelle und eine diese stabilisierende Spannungsquelle erforderlich.

Hierzu 10 Blatt Zeichnungen

40

Claims

Patentansprüche:

1. Infrarot-Gasanalysator zum Bestimmen mindestens einer Komponente eines Gasgemisches, mit

- einer Probenzelle, die das Gasgemisch enthält,

- einer Heizvorrichtung zum Erhitzen des Gasgemisches,

- einem Bandfilter, das die Emissions-Infrarotstrahlung der zu bestimmenden Komponente durchläßt und

- einem Infraroistrahlungsdetektor,