DE976290C - Gas analyzer - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 12. JUNI 1963ISSUED JUNE 12, 1963

P 7907 IXb 142lP 7907 IXb 142l

GasanalysatorGas analyzer

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gasanalysator zur Bestimmung einer Komponente eines Gasgemisches durch Messung des Absorptionsunterschiedes zweier von einer Strahlenquelle ausgehender, vorzugsweise infraroter Strahlenbündel, die beide das Gasgemisch durchdringen und von denen das eine zusätzlich durch eine die gesuchte Komponente enthaltende Sensibilisierungszelle geleitet ist. Bei Gasanalysatoren dieser Art besteht der Nachteil, daß auch im Nullzustand eine unterschiedliche Absorption der beiden Strahlenbündel stattfindet, so daß am Empfänger ein unausgeglichener Energiezustand besteht. Das ist besonders dann hinderlich, wenn elektrische Meßvorrichtungen verwendet werden, die eine dem Absorptionsunterschied verhältnisgleiche Meßspannung abgeben. Die im Nullzustand abgegebene Meßspannung ist dann abhängig von etwaigen Intensitätsschwankungen der Strahlenquelle, so daß schwer kontrollierbare Meßfehler entstehen können.The invention relates to a gas analyzer for determining a component of a gas mixture by measuring the absorption difference between two, preferably infrared, bundles of rays emanating from a radiation source, both of which penetrate the gas mixture and one of which is additionally passed through a sensitization cell containing the component being sought. In gas analyzers of this type there is the disadvantage that different absorption of the two beams takes place even in the zero state, so that an unbalanced energy state exists at the receiver. This is particularly a hindrance when electrical measuring devices are used which emit a measuring voltage that is proportional to the absorption difference. The measurement voltage emitted in the zero state is then dependent on any fluctuations in the intensity of the radiation source, so that measurement errors that are difficult to control can arise.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei solchen Geräten im Nullzustand am EmpfängerThe invention is based on the object of such devices in the zero state at the receiver

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einen ausgeglichenen, von Intensitätsschwankungen der Strahlungsquelle unabhängigen Energiezustand herzustellen.a balanced energy state that is independent of the intensity fluctuations of the radiation source to manufacture.

Das wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Strahlungsempfänger zur Nulleinstellung von einem dritten von der gleichen Strahlungsquelle ausgehenden, aber das Gasgemisch nicht durchdringenden Strahlenbündel mit einstellbarer Intensität beaufschlagt ist. Durch das dritte Strahlenbündel, das unbeeinflußt von den Absorptionsverhältnissen der beiden anderen Strahlenbündel auf den Empfänger einwirkt, kann der im Nullzustand vorhandene Absorptionsunterschied der beiden anderen Strahlenbündel kompensiert werden. Da alle drei Strahlenbündel von der gleichen Strahlenquelle ausgehen, bleibt der Kompensationszustand auch bei Intensitätsschwankungen der Strahlenquelle erhalten, so daß eine Nullpunktsicherheit erreicht wird.This is achieved according to the invention in that the radiation receiver for zero setting of a third emanating from the same radiation source but not penetrating the gas mixture Beam is acted upon with adjustable intensity. Through the third bundle of rays this is unaffected by the absorption ratios of the other two beams acts on the receiver, the absorption difference existing in the zero state can be the two other beams are compensated. Because all three bundles of rays are from the same Go out radiation source, the compensation state remains even with intensity fluctuations of the Get radiation source, so that a zero point security is achieved.

Zur Erzeugung verstärkungsfähiger elektrischer Meßspannungen am Empfänger kann in an sich bekannter Weise eine Vorrichtung zur periodischen Unterbrechung der Strahlenbündel vorgesehen werden, wobei das dritte Strahlenbündel phasengleich mit dem durch die Sensibilisierungszelle geleiteten Strahlenbündel unterbrochen wird.To generate amplifiable electrical measurement voltages at the receiver can in itself known manner a device for periodic interruption of the beam is provided with the third beam in phase with that transmitted by the sensitization cell guided beam is interrupted.

Wenn in dem zu analysierenden Gasgemisch Komponenten enthalten sind, die im gleichen Spektralbereich absorbieren wie die gesuchte Komponente, so wird die Messung verfälscht. Um die Einwirkung der störenden Komponenten auszu schalten, ist in weiterer Ausbildung der Erfindung vorgesehen, daß das durch das Gasgemisch geleitete, die Sensibilisierungszelle nicht durchdringende Strahlenbündel durch eine Kompensationszelle geleitet ist, die mit inertem Gas und einer im Gasgemisch vorhandenen, mit der gesuchten Komponente im gleichen Spektralgebiet absorbierenden Komponente von geeignetem Partialdruck gefüllt ist. Bei geeigneter Abstimmung der Füllungen der Kompensationszelle und des Differential-Gasthermometers und der Intensität der Strahlenbündel kann man einen Zustand herstellen, bei dem alle Komponenten des Gasgemisches — mit Ausnahme der gesuchten Komponente — am selektiv absorbierenden Empfänger den gleichen Temperatureffekt auslösen. In diesem Zustand ist demnach, wie eingangs erläutert, am Empfänger ein unausgeglichener Energiezustand vorhanden, der nun durch die Einwirkung des dritten Strahlenbündels in beschriebener Weise ausgeglichen und der Empfänger bei dem eingestellten Zustand auf Null gebracht werden kann. If the gas mixture to be analyzed contains components that absorb in the same spectral range as the component being searched for, the measurement will be falsified. To turn off the action of the interfering components trainees, is provided in a further embodiment of the invention that the directed through the gas mixture, the sensitization cell not penetrating radiation beam is passed through a compensation cell, the inert gas and an existing in the gas mixture, with the sought component in the the same spectral region absorbing component is filled by a suitable partial pressure. With suitable coordination of the fillings of the compensation cell and the differential gas thermometer and the intensity of the beam, a state can be created in which all components of the gas mixture - with the exception of the component sought - trigger the same temperature effect on the selectively absorbing receiver. In this state, as explained above, there is an unbalanced energy state at the receiver, which can now be compensated for by the action of the third beam in the manner described and the receiver can be brought to zero in the set state.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. ι schematisch dargestellt. Fig. 2 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform.An embodiment of the invention is shown in Fig. Ι schematically. Fig. 2 shows a modification the embodiment.

Das in Fig. 1 dargestellte Instrument enthält ein luftdichtes Gehäuse 10, in dem sich eine Strahlungsquelle 11 befindet, die z. B. infrarote Strahlen aussendet. An einer Seite des Gehäuses ist ein Fenster für den Strahlendurchgang vorgesehen. Hinter dem Fenster liegt eine Gaszelle 13 mit einem Einlaß- und einem Auslaß stutzen 14, 15, so daß das zu analysierende Gas durch die Zelle strömen kann. Eine Filterzelle 16 von gleichem Querschnitt liegt hinter der Gaszelle und hat einen Einlaßstutzen 17. Eine Kompensatorzelle 18 mit Einlaß 19 und eine Sensibilisatorzelle2O mit Einlaß 21 liegen nebeneinander hinter der Filterzelle und empfangen beide einen Teil der durch die vorhergehenden Zellen fallenden Strahlen. Zwei einstellbare Schneiden 22, 23 sind in einer Kammer zwischen der Filterzelle und der Kompensator- bzw. Sensibilisatorzelle angebracht, um die Intensität der in jede dieser beiden Zellen eintretenden Strahlenbündel einstellen zu können. Hinter der Doppelzelle 18, 20 liegen die beiden Kammern 24, 25 eines Gasthermometers. Sämtliche Querwände der Zellen 28, 29, 30, 31, 26 und 27 bestehen aus einem für die Strahlen durchlässigen Werkstoff.The instrument shown in Fig. 1 contains an airtight housing 10 in which there is a radiation source 11 is located, the z. B. emits infrared rays. A window for the passage of rays is provided on one side of the housing. Behind the window is a gas cell 13 with an inlet and an outlet clip 14, 15, so that to analyzing gas can flow through the cell. A filter cell 16 of the same cross-section is located behind the gas cell and has an inlet port 17. A compensator cell 18 with inlet 19 and one Sensitizer cell 2O with inlet 21 are next to each other behind the filter cell and both receive part of the cells falling through the preceding cells Rays. Two adjustable blades 22, 23 are in a chamber between the filter cell and The compensator or sensitizer cell is attached to the intensity of the in each of these two Cells entering beam to adjust. The two are behind the double cell 18, 20 Chambers 24, 25 of a gas thermometer. All transverse walls of cells 28, 29, 30, 31, 26 and 27 consist of a material permeable to the rays.

Die Kammern 24, 25 des Gasthermometers sind durch Rohre 32, 33 mit je einer Hälfte der durch eine Zwischenwand 35 geteilten Kammer 34 verbunden. Diese Zwischenwand dient als Kondensator und besteht aus einer festen durchlochten Platte 35 und aus einer biegsamen, nicht gelochten Membran 36. Die Rohre 32, 33 sind außerdem durch ein Rohr 37 verbunden, in dem ein Ventil 38 angebracht ist, das zum Ausgleich des Anfangsdruckes in den Kammern 24, 25 geöffnet werden kann, normalerweise aber nur einen kleinen Durchlaß freigibt, um in den Kammern gleichen Druck auch bei langfristigen Temperaturänderungen in der Umgebung des Detektors aufrechtzuerhalten. Rohr 33 ist mit einem Einlaßstutzen 39 versehen, um Gas in die Kammern 24, 25 zu leiten.The chambers 24, 25 of the gas thermometer are through tubes 32, 33 with one half of each through an intermediate wall 35 divided chamber 34 connected. This partition serves as a condenser and consists of a solid perforated plate 35 and a flexible, non-perforated plate Diaphragm 36. The tubes 32, 33 are also connected by a tube 37 in which a valve 38 is attached, which are opened to equalize the initial pressure in the chambers 24, 25 can, but normally only releases a small passage in order to maintain the same pressure in the chambers to be maintained even with long-term temperature changes in the vicinity of the detector. Pipe 33 is provided with an inlet port 39 to lead gas into the chambers 24,25.

Vor der Gaszelle 13 ist eine umlaufende Scheibenblende vorgesehen, die in Gestalt einer halbkreisförmigen undurchsichtigen Scheibe 40 mit niedriger Frequenz von einem Motor 41 in Umdrehung versetzt wird. Der Membrankondensator 35, 36 ist durch die Leitungen 42 an einen Verstärker 43 angeschlossen, der ein üblicher Röhrenverstärker sein kann, so daß bei Benutzung des Instrumentes am Kondensator ein Potential vorhanden ist. Wenn kein Strahlenunterbrecher verwendet wird, wird der Strom vom Verstärker zu einem normalen Stromanzeiger 44 oder zu einem Registriergerät geleitet; falls aber ein Strahlenunterbrecher vorhanden ist, geht der Strom vom Verstärker zu einem phasenempfindlichen Gleichrichter 45, der mit dem Strahlenunterbrecher synchronisiert ist, und von da zu dem Strommesser oder Registriergerät. In front of the gas cell 13 is a circumferential pane screen provided, in the form of a semicircular opaque disc 40 with lower Frequency is set in rotation by a motor 41. The membrane capacitor 35, 36 is connected by lines 42 to an amplifier 43, which may be a conventional tube amplifier can, so that a potential is present on the capacitor when the instrument is used. if if no beam interrupter is used, the current from the amplifier becomes normal Power indicator 44 or directed to a recorder; but if a beam interrupter is available is, the current goes from the amplifier to a phase sensitive rectifier 45, the is synchronized with the beam interrupter, and thence to the ammeter or recorder.

Durch die Anordnung der Zellen 13, 16, 18 und sind zwei Wege vorhanden, auf denen die Strahlen von der Strahlungsquelle zu den Zellen 24, 25 des Gasthermometers gelangen; es ist aber außerdem noch ein drittes von dem Strahler 11 abgezweigtes Strahlenbündel vorgesehen, das durch eine Zelle 46 mit lichtdurchlässigen Fenstern 47, 48 und einem Einlaßstutzen 49 geleitet ist. An die Zelle 46 schließt sich eine Zelle 50 an, deren lichtdurchlässiges Fenster S1 in geringem Abstand von dem Fenster 48 angebracht ist. Die mit einem Gaseinlaß 53 versehene Zelle 50 leitet die Strahlen imDue to the arrangement of cells 13, 16, 18 and There are two ways in which the rays travel from the radiation source to the cells 24, 25 of the gas thermometer arrive; but there is also a third branched off from the radiator 11 Beam bundle is provided which passes through a cell 46 with transparent windows 47, 48 and an inlet port 49 is passed. The cell 46 is followed by a cell 50, the translucent Window S1 is attached at a small distance from the window 48. The one with a gas inlet 53 provided cell 50 guides the rays in

Bogen durch ein lichtdurchlässiges Fenster 52 in die Kammer 25. Eine in einer Führung 55 mittels einer Schraube 56 verschiebbare Schneide 54 ragt in den Zwischenraum zwischen den Fenstern 48, 51, so daß damit die Intensität des von der Strahlungsquelle 11 abgezweigten dritten Strahlenbündels eingestellt werden kann.Arch through a transparent window 52 into the chamber 25. One in a guide 55 by means of a Screw 56 displaceable cutting edge 54 protrudes into the space between the windows 48, 51, so that thus the intensity of the third beam branched off from the radiation source 11 is set can be.

Beim Gebrauch des Instrumentes zur Analysierung eines Gasgemisches, das die gesuchte Komponente und eine oder mehrere störende Komponenten enthält, die im gleichen Spektralgebiet wie die gesuchte Komponente absorbieren, wird das Instrument zuerst auf folgende Weise sensibilisiert: Die Zellen 46, 50 werden mit einem Gas gefüllt, das vorzugsweise inert ist; dann werden die Zellen Φ' 5° geschlossen, und der Strahlendurchgang wird durch Vorschieben der Schneide 54 vollständig abgeschnitten. Die Kammern 24, 25 und ebenso die Sensibilisatorzelle 20 werden mit der gesuchten Gaskomponente gefüllt. Die Kompensatorzelle 18 wird dann mit einem Versuchsgemisch gefüllt, das aus einem inerten Gas und einer anderen Komponente besteht, wenn nur eine andere Komponente in dem zu analysierenden Gasgemisch vorhanden ist. Wenn es jedoch bekannt ist, daß das Gasgemisch mehr als eine störende Komponente enthält, dann wird die Kompensatorzelle 18 mit einem Versuchsgemisch dieser Komponenten gefüllt. Nach dieser Vorbereitung des Instrumentes werden Gasgemische, die wechselnde Mengen der einen oder mehrerer störender Komponenten enthalten, durch die Gaszelle 13 geleitet, wobei das jeweilige Ansprechen des Empfängers festgestellt wird. Unter Veränderung des Mischungsverhältnisses in der Kompensatorzelle 18 und, wenn erforderlich, unter Verstellung der Schneiden 22, 23 wird ein Zustand erreicht, wo das Ansprechen des Empfängers durch eine mengenmäßige Änderung der in dem Gasgemisch vorhandenen störenden Komponente oder der Komponenten nicht beeinflußt wird. In manchen Fällen ist es auch erforderlich, die gesuchte Komponente in den Kammern 24, 25 teilweise durch die störenden Komponenten zu ersetzen, um den beschriebenen Ausgleich zu erreichen.When using the instrument to analyze a gas mixture which contains the component being sought and one or more interfering components which absorb in the same spectral region as the component being sought, the instrument is first sensitized in the following manner: The cells 46, 50 are filled with a gas , which is preferably inert; then the cells Φ ' 5 ° are closed, and the passage of rays is completely cut off by advancing the cutting edge 54. The chambers 24, 25 and also the sensitizer cell 20 are filled with the gas component sought. The compensator cell 18 is then filled with a test mixture consisting of an inert gas and another component if only one other component is present in the gas mixture to be analyzed. If, however, it is known that the gas mixture contains more than one interfering component, then the compensator cell 18 is filled with a test mixture of these components. After this preparation of the instrument, gas mixtures containing varying amounts of the one or more interfering components are passed through the gas cell 13, the respective response of the receiver being determined. By changing the mixing ratio in the compensator cell 18 and, if necessary, by adjusting the cutting edges 22, 23, a state is reached in which the response of the receiver is not influenced by a quantitative change in the interfering component or components present in the gas mixture. In some cases it is also necessary to partially replace the component in the chambers 24, 25 with the interfering components in order to achieve the described compensation.

Sobald das Instrument in der Weise sensibilisiert ist, daß der Empfänger nur auf eine mengenmäßige Änderung der gesuchten Komponente, nicht aber auf eine Mengenänderung der störenden Komponente^) anspricht, werden auf den beiden ersten Strahlenwegen ungleiche Energiebeträge übertragen, wenn die Gaszelle 13 leer ist, so daß der Empfänger in Nullstellung einen Stromimpuls gibt. Aus den schon genannten Gründen ist das unerwünscht ; nunmehr kann der Empfänger durch ein Zurückziehen der Schneide 54 auf Null eingestellt werden, weil auf dem dritten Strahlenweg Energie in den Empfänger gelangen kann. Das dritte Strahlenbündel tritt in die Kammer 25, welche das schwächere der auf den ersten beiden Wegen laufenden Strahlenbündel aufnimmt. Der Empfänger gibt dann in Nullstellung keine Meßspannung ab.As soon as the instrument is sensitized in such a way that the recipient can only use it on a quantitative basis Change of the component sought, but not to a change in the quantity of the interfering component ^) responds, unequal amounts of energy are transmitted on the first two radiation paths, when the gas cell 13 is empty, so that the receiver gives a current pulse in the zero position. For the reasons already mentioned, this is undesirable; now the recipient can through a Withdrawal of the cutting edge 54 can be set to zero because energy is in on the third beam path can reach the recipient. The third beam enters the chamber 25, which the the weaker one of the bundles of rays traveling on the first two paths. The recipient then does not emit any measuring voltage in the zero position.

Wenn das Instrument nach Nulleinstellung desIf the instrument after zeroing the

Empfängers durch das dritte Strahlenbündel gebrauchsfertig gemacht ist, entsteht am Empfänger nach Einführung des zu untersuchenden Gasgemisches in die Zelle 13 infolge der unterschiedlichen Abkühlung in den Kammern 24, 25 eine Meßspannung, die ein Maß für die in dem Gasgemisch enthaltene gesuchte Komponente ist.The receiver is made ready for use by the third bundle of rays, arises at the receiver after the introduction of the gas mixture to be examined into the cell 13 as a result of the different Cooling in the chambers 24, 25 a measuring voltage, which is a measure of that in the gas mixture is the component you are looking for.

In Fig. 2 ist eine Ausführungsform im Ausschnitt dargestellt, bei der hinter der Kompensatorzelle 18' und der Sensibilisierungszelle 20' an Stelle eines Gasthermometers Empfänger 57, 58 anderer Art vorgesehen sind. Die Empfänger 57, 58 können z. B. Thermoelemente, Bolometer, Photozellen od. dgl. sein. Das dritte Strahlenbündel wird hier durch eine gekrümmte Kammer 59 dem Empfänger 58 zugeleitet.In Fig. 2 an embodiment is shown in detail, in which behind the compensator cell 18 'and the sensitization cell 20' instead of a gas thermometer receiver 57, 58 of others Kind are provided. The receivers 57, 58 can, for. B. thermocouples, bolometers, photocells or the like. The third beam is here through a curved chamber 59 to the receiver 58 forwarded.

Man kann natürlich die Anordnung auch so treffen, daß an Stelle eines Differentialempfängers ein einfacher Empfänger benutzt wird, auf den das stärkere der Strahlenbündel und das schwächere zusammen mit dem dritten Strahlenbündel periodisch nacheinander zur Einwirkung kommen. In diesem Falle muß die Unterbrechervorrichtung die Strahlenbündel mit Phasenverschiebung unterbrechen und eine phasenempfindliche elektronische Meßvorrichtung vorgesehen werden. Aus konstruktiven Gründen kann es erwünscht sein, daß das dritte Strahlenbündel, nicht wie in Fig. 1, 2 dargestellt, an der Sensibilisierungskammer 18, i8' vorbeigeleitet wird, sondern diese durchdringt. Das ist ohne weiteres möglich, da die Absorption in der Sensibilisierungskammer konstant bleibt. Wesentlich ist nur, daß das dritte Strahlenbündel nicht durch das zu analysierende Gasgemisch durchtritt.You can of course make the arrangement so that instead of a differential receiver a simple receiver is used, on which the stronger of the beams and the weaker come into effect periodically one after the other together with the third bundle of rays. In in this case the interrupter device must interrupt the beam with a phase shift and a phase sensitive electronic measuring device can be provided. From constructive For reasons, it may be desirable that the third beam, not as shown in Fig. 1, 2, at the sensitization chamber 18, i8 ' is bypassed, but penetrates it. This is easily possible because the absorption in the Sensitization chamber remains constant. It is only essential that the third bundle of rays does not passes through the gas mixture to be analyzed.

Claims (4)

PATENTANSPRÜCHE:PATENT CLAIMS: ι. Gasanalysator zur Bestimmung einer Komponente eines Gasgemisches durch Messung des Absorptionsunterschiedes zweier von einer Strahlenquelle ausgehender, vorzugsweise infraroter Strahlenbündel, die beide das Gasgemisch durchdringen und von denen das eine zusätzlich durch eine die gesuchte Komponente enthaltende Sensibilisierungszelle geleitet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsempfänger zur Nulleinstellung von einem dritten von der gleichen Strahlungsquelle ausgehenden, aber das Gasgemisch nicht durchdringenden Strahlenbündel mit einstellbarer Intensität beaufschlagt ist.ι. Gas analyzer for determining a component a gas mixture by measuring the absorption difference between two, preferably infrared, emanating from a radiation source Beams of rays, both of which penetrate the gas mixture and one of which also penetrates is passed through a sensitization cell containing the sought component, characterized in that, that the radiation receiver for zero setting emanates from a third from the same radiation source, but that Gas mixture impinged on the beam with adjustable intensity is. 2. Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung zur periodischen Unterbrechung der drei Strahlenbündel vorgesehen ist, durch die das dritte Strahlenbündel phasengleich mit dem durch die Sensibilisierungszelle geleiteten Strahlenbündel unterbrachen wird.2. Gas analyzer according to claim 1, characterized in that a device for periodic Interruption of the three bundles of rays is provided through which the third bundle of rays interrupted in phase with the beam passed through the sensitization cell will. 3. Gasanalysator nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das durch das Gasgemisch geleitete, die Sensibilisierungszelle nicht durchdringende Strahlenbündel durch eine Kompensationszelle geleitet ist, die inertes 3. Gas analyzer according to one of claims 1 and 2, characterized in that the beam which is passed through the gas mixture and which does not penetrate the sensitization cell is passed through a compensation cell which is inert Gas und eine im Gasgemisch vorhandene, mit der gesuchten Komponente im gleichen Spektralgebiet absorbierende Komponente von geeignetem Partialdruck enthält.Gas and one in the gas mixture with the component being sought in the same spectral region contains absorbent component of suitable partial pressure. 4. Gasanalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine im Wege des dritten Strahlenbündels angeordnete einstellbare Blende (54).4. Gas analyzer according to one of the preceding claims, characterized by a adjustable diaphragm (54) arranged in the path of the third beam. In Betracht gesogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 730478, 828604, 10 877065, 877965, 877966; Relevant publications: German Patent Nos. 730478, 828604, 10 877065, 877965, 877966; britische Patentschrift Nr. 661990;British Patent No. 661990; Ό SA-Patentschrift Nr. 2 668 243;Ό SA Patent No. 2,668,243; Review of Scientific Instruments, 1948, S. 176,Review of Scientific Instruments, 1948, p. 176, 177; »5 177; »5 Instruments, 1952, S. 622 bis 627.Instruments, 1952, pp. 622 to 627. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings © 509 556/162 9.55 (309 604/3 6. 63)© 509 556/162 9.55 (309 604/3 6. 63)