DE102007035711A1

DE102007035711A1 - Detector arrangement for non-dispersive infrared gas analyzer for detection of measuring gas component in gas mixture, has two single-layer receivers, which lie one behind other in beam path of gas analyzer

Info

Publication number: DE102007035711A1
Application number: DE200710035711
Authority: DE
Inventors: Ralf Bitter; Camiel Dr. Heffels; Thomas Hörner
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2007-07-30
Filing date: 2007-07-30
Publication date: 2009-02-05

Abstract

The detector arrangement (7) has two single-layer receivers (8,9), which lie one behind the other in the beam path (3) of the gas analyzer (1). One single-layer receiver contains the measuring gas component and the other single-layer receiver contains a transverse gas. An evaluation unit (18) is provided to determine the concentration of the measuring gas component by comparison of n-tuples of signal values (S1,S2) obtained with the n-tuples of signal values stored in a calibration matrix (32) during unknown concentration of the measuring gas component. An independent claim is also included for a method for detecting a measuring gas component in a gas mixture.

Description

Die Erfindung betrifft entsprechend dem Oberbegriff von Anspruch 1 eine Detektoranordnung für einen nichtdispersiven Infrarot-(NDIR-)Gasanalysator zum Nachweis einer Messgaskomponente in einem Gasgemisch, mit einem ersten Einschichtempfänger und mindestens einem weiteren Einschichtempfänger, die hintereinander im Strahlengang des Gasanalysators liegen, wobei der erste Einschichtempfänger die Messgaskomponente oder ein sich spektral mit der Messgaskomponente überlagerndes Gas und der mindestens eine weitere Einschichtempfänger ein Quergas, die Messgaskomponente – auch in einer anderen Konzentration als der erste Einschichtempfänger – oder ein sich spektral mit der Messgaskomponente überlagerndes Gas enthält, und mit einer Auswerteeinrichtung zur Ermittlung der Konzentration der Messgaskomponente in dem Gasgemisch aus von z. B. druck- oder strömungsempfindlichen Sensoren der Einschichtempfänger gelieferten Signalen.The Invention relates according to the preamble of claim 1 a Detector assembly for a non-dispersive infrared (NDIR) gas analyzer for the detection of a sample gas component in a gas mixture, with a first single-layer receiver and at least one other Single-layer receiver, one behind the other in the beam path the gas analyzer, wherein the first single-layer receiver the sample gas component or a spectrally superimposed with the sample gas component Gas and the at least one further single-layer receiver a transverse gas, the sample gas component - even in another Concentration as the first single-shift receiver - or a spectrally superimposed with the sample gas component Gas contains, and with an evaluation device for the determination the concentration of the sample gas component in the gas mixture of z. B. pressure or flow sensitive sensors of the single-layer receiver supplied signals.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Nachweis einer Messgaskomponente in einem Gasgemisch mittels eines nichtdispersiven Infrarot-(NDIR-)Gasanalysators entsprechend dem Oberbegriff von Anspruch 4.The The invention further relates to a method for detecting a sample gas component in a gas mixture by means of a non-dispersive infrared (NDIR) gas analyzer according to the preamble of claim 4.

Ein derartiger, aus der DE-AS 1 109 418 bekannter Gasanalysator weist eine Detektoranordnung mit zwei hintereinander liegenden Einschichtempfängern auf, die beide mit der Messgaskomponente gefüllt sind, wobei der Partialdruck der Messgaskomponente in dem ersten Einschichtempfänger niedriger als in dem zweiten Einschichtempfänger gewählt ist. Alternativ enthalten die beiden Einschichtempfänger unterschiedliche Gasfüllungen, wobei z. B. zur Messung von Methan in Gegenwart von Wasserdampf der erste Einschichtempfänger mit der Messgaskomponente Methan und der weitere Einschichtempfänger mit Ammoniak als Ersatz für das Quergas Wasserdampf gefüllt ist. Die Einschichtempfänger weisen jeweils eine im Strahlengang des Gasanalysators liegende aktive Detektorkammer und eine mit ihr über eine Verbindungsleitung verbundene passive Ausgleichskammer außerhalb des Strahlengangs auf, die einen Membrankondensator als druckempfindlichen Sensor enthält. Alternativ kann ein strömungsempfindlicher Sensor in der Verbindungsleitung angeordnet werden, so wie dies z. B. aus J. Staab: "Industrielle Gasanalyse", Oldenboourg, 1994, Seiten 167f und 172f bekannt ist.Such a, from the DE-AS 1,109,418 known gas analyzer has a detector array with two successive single-layer receivers, which are both filled with the sample gas component, wherein the partial pressure of the sample gas component in the first single-layer receiver is selected to be lower than in the second single-layer receiver. Alternatively, the two single-layer receiver contain different gas fillings, wherein z. B. for the measurement of methane in the presence of water vapor, the first single-layer receiver with the measuring gas component methane and the other single-layer receiver is filled with ammonia as a substitute for the quench water vapor. The single-layer receivers each have an active detector chamber located in the beam path of the gas analyzer and a passive compensation chamber connected to it via a connecting line outside the beam path, which contains a membrane capacitor as a pressure-sensitive sensor. Alternatively, a flow-sensitive sensor can be arranged in the connecting line, as described, for. B. off J. Staab: "Industrial Gas Analysis", Oldenboourg, 1994, pages 167f and 172f is known.

Bei der aus der DE-AS 1 109 418 bekannten Detektoranordnung werden die von den Sensoren der beiden Einschichtempfänger gelieferten Signale einer Auswerteschaltung zugeführt, die als Kompensationsschaltung ausgebildet ist und das Verhältnis beider Signale bildet. Unter der Voraussetzung, dass die Gasfüllung des zweiten Einschichtempfängers in Bezug auf Zusammensetzung und/oder Druck derart gewählt ist, dass das Absorptionsgebiet dieses zweiten Einschichtempfängers das schmalere Absorptionsgebiet des ersten Einschichtempfängers breit überdeckt, wird erreicht, dass das Sensorsignal des zweiten Einschichtempfängers, welches nur auf dem Einfluss der in dem ersten Einschichtempfänger nicht absorbierten Strahlung beruht und daher auf die Komponente des breiten Absorptionsbereichs zurückgeht, denjenigen Anteil in dem Sensorsignal des ersten Einschichtempfängers kompensiert, der gerade von dieser überdeckenden Komponente des breiten Absorptionsbereichs in dem ersten Einschichtempfänger herrührt.At the time of the DE-AS 1,109,418 known detector arrangement, the signals supplied by the sensors of the two single-layer receiver are supplied to an evaluation circuit, which is designed as a compensation circuit and forms the ratio of the two signals. Provided that the gas filling of the second single-layer receiver is chosen in terms of composition and / or pressure such that the absorption region of this second single-layer receiver broadly covers the narrower absorption region of the first single-layer receiver, it is achieved that the sensor signal of the second single-layer receiver, which only is due to the influence of the radiation not absorbed in the first single-layer receiver and therefore due to the component of the broad absorption range, compensates for that portion in the sensor signal of the first single-layer receiver just originating from this covering component of the broad absorption region in the first single-layer receiver.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kompensation des Einflusses von Quergasen auf das Messergebnis zu ermöglichen, ohne dass die oben genannte Voraussetzung erfüllt sein muss.Of the Invention is based on the object, a compensation of the influence of cross gases to allow the measurement result without that the above requirement must be fulfilled.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, indem bei der Detektoranordnung der eingangs angegebenen Art die Auswerteeinrichtung eine entsprechend der Anzahl n der Einschichtempfänger n-dimensionale Kalibrationsmatrix enthält, in der bei unterschiedlichen bekannten Konzentrationen der Messgaskomponente in Anwesenheit von unterschiedlichen bekannten Quergaskonzentrationen erhaltene Signalwerte der Sensoren als n-Tupel abgespeichert sind, und indem die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, beim Messen von unbekannten Konzentrationen der Messgaskomponente in Anwesenheit von unbekannten Quergaskonzentrationen durch Vergleich der dabei erhaltenen n-Tupel von Signalwerten mit den in der Kalibrationsmatrix abgespeicherten n-Tupeln von Signalwerten die Konzentration der Messgaskomponente zu ermitteln.According to the Invention, the object is achieved by the features of claim 1, in the detector arrangement of the type specified in the Evaluation device a corresponding to the number n of the single-layer receiver n-dimensional calibration matrix contains in the case of different known concentrations of the sample gas component in the presence of signal values obtained from different known interfering gas concentrations the sensors are stored as n-tuples, and by the evaluation device is designed to measure unknown concentrations the sample gas component in the presence of unknown gas cross-concentrations by comparing the obtained n-tuple of signal values with the n-tuples of signal values stored in the calibration matrix to determine the concentration of the sample gas component.

Bezüglich des eingangs genannten Verfahrens wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 4 gelöst.In terms of of the method mentioned is the object by the features of claim 4 solved.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Detektoranordnung und des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.advantageous Further developments of the detector arrangement according to the invention and the inventive method are in the Subclaims specified.

Das Sensorsignal eines jeden Einschichtempfängers enthält neben dem durch die Strahlungsabsorption in dem eigenen Einschichtempfänger erzeugten hauptsächlichen Signalanteil auch geringere Signalanteile aus den jeweils anderen Einschichtempfängern. Die Sensorsignale von n Einschichtempfängern bilden daher eine n-dimensionale Ergebnismatrix. Enthält der erste Einschichtempfänger die Messgaskomponente und sind die nachgeordneten n-1 Einschichtempfänger mit unterschiedlichen Quergasen gefüllt, so lässt sich die Konzentration einer Messgaskomponente auch in Anwesenheit der Quergase in unterschiedlichen Konzentrationen ermitteln. Dazu werden entsprechend der Erfindung zunächst die bei verschiedenen bekannten Konzentrationen der Messgaskomponente in Anwesenheit von verschiedenen bekannten Konzentrationen der n-1 unterschiedlichen Quergase erhaltenen Signalwerte als n-Tupel zusammen mit dem jeweiligen bekannten Konzentrationswert der Messgaskomponente in einer Kalibrationsmatrix abgespeichert. Soll dann später eine unbekannte Konzentration der Messgaskomponente in Anwesenheit der Quergase, deren Konzentrationen ebenfalls unbekannt sind, ermittelt werden, so werden die dabei erhaltenen n-Tupel von Signalwerten mit den in der Kalibrationsmatrix abgespeicherten n-Tupeln von Signalwerten verglichen und der entsprechende Konzentrationswert der Messgaskomponente aus der Kalibrationsmatrix ermittelt.The Sensor signal of each single-layer receiver contains besides that due to the radiation absorption in the own single-layer receiver The main signal component generated also lower signal components from the other single-layer recipients. The sensor signals of n single-layer receivers therefore form an n-dimensional Results matrix. Contains the first single-layer receiver the sample gas component and are the downstream n-1 single-layer receiver filled with different cross gases, so lets The concentration of a sample gas component also in the presence determine the transverse gases in different concentrations. To be according to the invention, first in different known concentrations of the sample gas component in the presence of different known concentrations of n-1 different Transverse gases obtained signal values as n-tuple together with the respective known concentration value of the sample gas component in a calibration matrix stored. Should then later an unknown concentration the sample gas component in the presence of the transverse gases, their concentrations also are unknown, are determined, then the obtained n tuple of signal values with those stored in the calibration matrix n-tuples of signal values compared and the corresponding concentration value the measured gas component determined from the calibration matrix.

Ist der mindestens eine weitere Einschichtempfänger mit einem Quergas gefüllt, kann durch Vergleich der beim Messen von unbekannten Konzentrationen der Messgaskomponente in Anwesenheit von unbekannten Quergaskonzentrationen erhaltenen n-Tupel von Signalwerten mit den in der Kalibrationsmatrix abgespeicherten n-Tupeln von Signalwerten auch die Konzentration der jeweiligen Quergaskomponente ermittelt werden.is the at least one further single-layer receiver with a Quergas filled, can by comparing the when measuring unknown concentrations of the sample gas component in presence n-tuples of signal values obtained from unknown cross-gas concentrations with the n-tuples of signal values stored in the calibration matrix also determined the concentration of the respective cross-gas component become.

Für die Erstellung der Kalibrationsmatrix reicht eine begrenzte Anzahl von Messungen mit bekannten Konzentrationen der Messgaskomponente in Anwesenheit von bekannten Konzentrationen der Quergase aus, um eine Reihe von Stützwerten zu erhalten, von denen ausgehend die Kalibrationsmatrix mittels eines Simulationsprogramms beispielsweise durch Interpolation der Stützwerte bzw. Extrapolation komplettiert wird. Der Begriff Kalibrationsmatrix umfasst hier auch die beschreibenden mathematischen Funktionen und ihre Parameter, wie beispielsweise mit Hilfe von Polynomen.For the creation of the calibration matrix is limited measurements with known concentrations of the sample gas component in the presence of known concentrations of the transverse gases to obtain a set of supporting values from which to base the calibration matrix by means of a simulation program, for example completed by interpolation of the supporting values or extrapolation becomes. The term calibration matrix here also includes the descriptive mathematical functions and their parameters, such as with the help of polynomials.

Die allgemeine Anwendbarkeit der Erfindung wird nur durch die Dynamikbereiche der jeweiligen Gase eingeschränkt. In der Praxis müssen daher sowohl der Dynamikbereich der Messgaskomponente als auch die Dynamikbereiche der Quergase durch die entsprechende Auslegung des Gasanalysators (Strahler, Länge der verwendeten Küvetten und Detektorkammern) an die Anforderungen angepasst werden.The general applicability of the invention is only by the dynamic ranges restricted to the respective gases. In practice, need hence both the dynamic range of the sample gas component and the dynamic ranges the transverse gases by the appropriate design of the gas analyzer (Emitter, length of the used cuvettes and Detector chambers) can be adapted to the requirements.

Alternativ zur Füllung der weiteren Einschichtempfänger mit Quergasen können diese auch mit der Messgaskomponente gefüllt werden. Dies kann mit unterschiedlichen Konzentrationen geschehen, wobei die Konzentration in dem ersten Einschichtempfänger vorzugsweise am geringsten ist. Dabei werden, nicht wie oben, die Quergase direkt, sondern lediglich ihr Einfluss auf die Messung der Konzentration der Messgaskomponente bestimmt. Dadurch sind Quergaseinflüsse direkt mit der notwendigen Genauigkeit der Messgaskomponente kompensierbar, ohne dass die Dynamikbereiche der Quergase berücksichtigt werden müssen. Durch die Absorption in dem ersten Einschichtempfänger wird ein Signal erzeugt, das sowohl Informationen über die Messgaskomponente als auch über die anwesenden Quergase enthält. Ein Effekt der Absorption in dem ersten Einschichtempfänger ist aber auch, dass die verschiedenen Wellenlängenanteile der Strahlung unterschiedlich gewichtet werden, wobei die wellenlängenabhängige Wichtung dem Transmissionsverhalten der Messgaskomponente entspricht. In dem folgenden Einschichtempfänger wird diese wellenlängengewichtete Strahlung nun erneut integral erfasst, so dass es möglich ist, zwischen unterschiedlichen spektralen Formen und damit unterschiedlichen Konzentrationen von Quergasen zu unterscheiden. Es entsteht also auch hier eine n-dimensionale Ergebnismatrix, die über die jeweils n erhaltenen Signalwerte zur genauen Messgaskonzentration führt und den Quergaseinfluss kompensiert.alternative to fill the other single-layer receiver with Quergases can also fill these with the sample gas component become. This can be done with different concentrations the concentration in the first single-layer receiver is preferably the lowest. It will, not as above, the Quergase directly, but only their influence on the measurement the concentration of the sample gas component determined. As a result, are interfering gas influences directly compensated with the necessary accuracy of the sample gas component, without taking into account the dynamic ranges of the transverse gases Need to become. By the absorption in the first single-layer receiver a signal is generated that contains both information about the measuring gas component as well as the present transverse gases contains. An effect of absorption in the first single-layer receiver But it is also that the different wavelength components the radiation are weighted differently, the wavelength-dependent Weighting corresponds to the transmission behavior of the sample gas component. In the following single-layer receiver, this wavelength-weighted radiation becomes now integrally captured again so that it is possible between different spectral shapes and thus different Distinguish concentrations of transverse gases. It arises so Again, an n-dimensional result matrix, the over the respective n obtained signal values for exact measurement gas concentration leads and compensates for the interference of the gas.

Da in realen Mess-Situationen die relevanten Quergase und die Größenordnung ihrer Konzentrationen bekannt sind, kann ausgehend von den zu erwartenden Quergaskonzentrationen und ihren Schwankungsbreiten ein Korridor in der Kalibrationsmatrix festgelegt werden. Beim Messen von unbekannten Konzentrationen der Messgaskomponente in Anwesenheit der zu erwartenden Quergaskonzentrationen kann dann ein Fehler signalisiert werden, wenn die erhaltenen n-Tupel von Signalwerten außerhalb des Korridors liegen.There in real measuring situations, the relevant transverse gases and the order of magnitude their concentrations are known, starting from the expected Cross-gas concentrations and their fluctuation ranges a corridor be set in the calibration matrix. When measuring unknown Concentrations of the sample gas component in the presence of the expected Interference gas concentrations can then be signaled an error if the obtained n-tuples of signal values outside of the corridor.

Die Lage der n-Tupel von Signalwerten innerhalb der Kalibrationsmatrix ist allgemein von verschiedenen mess- und/oder gerätespezifischen Parametern abhängig, zu denen neben den oben genannten Konzentrationen der Messgaskomponente und der zu erwartenden Quergaskomponenten auch andere Parameter zählen, wie z. B. Veränderungen der Strahlungsleistung des Infrarot-Strahlers, Verschmutzungen im Strahlungsweg oder die Absorptionseigenschaften von unerwartet in das Messsystem eindringenden Gasen oder sogar mechanische Beschädigungen an den Fenstern der Messküvette. Der Einfluss solcher weiterer Parameter lässt sich in vorteilhafter Weise vorab bestimmen, indem sie bei Konstanthaltung der übrigen mess- und/oder gerätespezifischen Parameter variiert werden und dabei die Richtung ermittelt wird, in der die n-Tupel der erhaltenen Signalwerte innerhalb der Kalibrationsmatrix variieren. So kann z. B. bei Konstanthaltung der Quergaskonzentrationen die Intensität der erzeugten Strahlung variiert werden, um den Einfluss von durch Alterung des Infrarot-Strahlers oder Verschmutzungen der Messküvette hervorgerufenen wellenlängenunabhängigen Transmissionsänderungen auf das Messergebnis zu ermitteln. Ebenso kann bei Konstanthaltung der Konzentrationen bestimmter Quergase die Konzentration eines weiteren Quergases variiert werden, um dessen Einfluss auf das Messergebnis zu ermitteln.The location of the n-tuple of signal values within the calibration matrix is generally dependent on various measurement and / or device-specific parameters, to which in addition to the above-mentioned concentrations of the sample gas component and the expected cross-gas components also include other parameters, such. B. changes in the radiation power of the infrared emitter, contamination in the radiation path or the absorption properties of unexpectedly in the measuring system penetrating gases or even mechanical damage to the windows of the cuvette. The influence of such further parameters can advantageously be determined in advance by varying them while keeping constant the other measuring and / or device-specific parameters and thereby determining the direction in which the n-tuples of the obtained signal values vary within the calibration matrix. So z. B. in Konstanthaltung the interfering gas concentrations, the intensity of the radiation generated to be varied in order to determine the influence of caused by aging of the infrared emitter or contamination of the cuvette wavelength-independent transmission changes to the measurement result. Likewise, if the concentrations of certain interfering gases are kept constant, the concentration of another interfering gas can be varied in order to determine its influence on the measurement result.

Wenn mehrere der genannten Parameter gleichzeitig wirksam sind, ist es nicht ohne weiteres möglich zu ermitteln, welcher Parameter für Positionsänderungen der bei der Messung erhaltenen n-Tupel ursächlich ist. Wie oben bereits erwähnt, kann jedoch für reale Mess-Situationen ausgehend von den zu erwartenden Quergaskonzentrationen und ihren Schwankungsbreiten ein Korridor in der Kalibrationsmatrix festgelegt werden, außerhalb dessen die betreffenden Quergase und ihre Konzentrationen als nicht störend angenommen werden können. Wenn sich daher die bei einer Messung erhaltenen n-Tupel von Signalwerten aus dem Korridor heraus bewegen, reduziert sich die Anzahl der Parameter, die als ursächlich für die Bewegung der n-Tupel angesehen werden können. Beispielsweise kann dann anhand der Richtung der Bewegung der n-Tupel ermittelt werden, ob die Ursache dafür in einer Änderung der wellenlängenunabhängigen Transmission (Änderung der Strahlungsintensität oder Verschmutzung der Küvetten) oder im Auftreten eines unerwarteten Quergases liegt.If it is effective that several of the mentioned parameters are effective at the same time not readily possible to determine which parameter for positional changes of the obtained in the measurement n-tuple is the cause. As mentioned above, However, for real measurement situations starting from the expected cross-gas concentrations and their fluctuation margins a corridor can be set in the calibration matrix, outside of which the respective interfering gases and their concentrations are not can be taken disturbingly. If so the obtained during a measurement n-tuple of signal values from the Moving corridor out, the number of parameters decreases, considered as the cause of the movement of n-tuples can be. For example, then based on the direction The movement of the n-tuple determines if the cause of it in a change of the wavelength independent Transmission (change of radiation intensity or contamination of the cuvettes) or in the occurrence of a unexpected cross gas lies.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im Einzelnen zeigen:to Further explanation of the invention will be in the following the figures of the drawing are referred to; in detail show:

1 ein Ausführungsbeispiel eines NDIR-Gasanalysators in Einstrahl-Ausführung, 1 an embodiment of a NDIR gas analyzer in single-jet design,

2 ein Beispiel eines NDIR-Gasanalysators in Zweistrahl-Ausführung, 2 an example of a double-jet NDIR gas analyzer,

3 ein Beispiel für die Kalibrationsmatrix und 3 an example of the calibration matrix and

4 ein Beispiel für die erfindungsgemäße Detektoranordnung. 4 an example of the detector arrangement according to the invention.

1 zeigt einen NDIR-Gasanalysator 1 in Einstrahl-Ausführung mit einem Infrarot-Strahler 2, der eine Messstrahlung 3 erzeugt. Die Messstrahlung 3 durchstrahlt eine Messküvette 4, die ein Gasgemisch 5 mit einer Messgaskomponente enthält, deren Konzentration zu bestimmen ist. Dabei wird die Messstrahlung 3 mittels eines zwischen dem Infrarot-Strahler 2 und der Messküvette 4 angeordneten rotierenden Modulatorrads (Chopper, Zerhacker) 6 moduliert. Nach Durchstrahlen der Messküvette 4 fällt die Messstrahlung 3 auf eine Detektoranordnung 7, bestehend aus einem ersten Einschichtempfänger 8 und einem nachgeordneten weiteren Einschichtempfänger 9. Jeder der beiden Einschichtempfänger 8, 9 weist jeweils eine im Strahlengang 3 des Gasanalysators 1 liegende aktive Detektorkammer 10 bzw. 11 und außerhalb des Strahlengangs 3 eine passive Ausgleichskammer 12 bzw. 13 auf, die über eine Verbindungsleitung 14 bzw. 15 mit einem darin angeordneten druck- oder strömungsempfindlichen Sensor 16 bzw. 17 miteinander verbunden sind. Die Sensoren 16 und 17 erzeugen Signale S1 und S2, aus denen in einer Auswerteeinrichtung 18 als Messergebnis M die Konzentration der Messgaskomponente in dem Gasgemisch 5 ermittelt wird. 1 shows an NDIR gas analyzer 1 in single-beam design with an infrared emitter 2 , which is a measuring radiation 3 generated. The measuring radiation 3 radiates through a measuring cuvette 4 containing a gas mixture 5 containing a sample gas component whose concentration is to be determined. In the process, the measuring radiation becomes 3 by means of a between the infrared emitter 2 and the cuvette 4 arranged rotating modulator wheel (chopper, chopper) 6 modulated. After irradiating the measuring cuvette 4 the measuring radiation falls 3 on a detector array 7 consisting of a first single-layer receiver 8th and a downstream further single-layer receiver 9 , Each of the two single-layer receivers 8th . 9 each has one in the beam path 3 of the gas analyzer 1 lying active detector chamber 10 respectively. 11 and outside the beam path 3 a passive compensation chamber 12 respectively. 13 on that over a connecting line 14 respectively. 15 with a pressure or flow-sensitive sensor disposed therein 16 respectively. 17 connected to each other. The sensors 16 and 17 generate signals S1 and S2, from which in an evaluation device 18 as measurement result M, the concentration of the sample gas component in the gas mixture 5 is determined.

Der in 2 gezeigte NDIR-Gasanalysator 1' unterscheidet sich von dem nach 1 durch einen Zweistrahl-Aufbau. Mittels eines Strahlteilers 19 (sog. Hosenkammer) wird die von dem Infrarot-Strahler 2 erzeugte Messstrahlung 3 auf einen Messstrahlengang durch die das Gasgemisch 5 mit der Messgaskomponente enthaltende Messküvette 4 und einen Vergleichsstrahlengang durch eine mit einem Vergleichsgas 20 gefüllte Vergleichsküvette 21 aufgeteilt. Hinter der Messküvette 4 und der Vergleichsküvette 21 werden der Messstrahlengang und der Vergleichsstrahlengang mittels eines Strahlungssammlers 22 wieder zusammengeführt und gelangen anschließend in die unter Bezug auf 1 bereits beschriebene Detektoranordnung 7.The in 2 shown NDIR gas analyzer 1' is different from that 1 through a two-jet setup. By means of a beam splitter 19 (so-called trouser chamber) becomes that of the infrared emitter 2 generated measuring radiation 3 on a measuring beam through which the gas mixture 5 with the measuring gas component containing cuvette 4 and a comparison beam path through one with a reference gas 20 filled comparison cuvette 21 divided up. Behind the measuring cuvette 4 and the comparison cuvette 21 become the measuring beam path and the reference beam path by means of a radiation collector 22 merged again and then get into the reference to 1 already described detector arrangement 7 ,

Die Auswerteeinrichtung 18 enthält eine Kalibrationsmatrix 32, die in 3 im Detail dargestellt ist und anhand derer im Folgenden die Funktionsweise der Detektoranordnung 7 näher erläutert wird.The evaluation device 18 contains a calibration matrix 32 , in the 3 is shown in detail and with reference to those in the following the operation of the detector assembly 7 is explained in more detail.

In die Messküvette 4 werden nacheinander verschiedene Quergaskonzentrationen mit verschiedenen Konzentrationen der Messgaskomponente eingeführt. Für jede zur Verfügung stehende Konzentration wird ein Wertepaar (2-Tupel) 33 der Signale S1 und S2 gemessen, so wie dies beispielhaft in der nachfolgenden Tabelle dargestellt ist. Aus den aufgenommenen Wertepaaren der Signale S1 und S2 und den zugehörigen bekannten Konzentrationswerten der Messgaskomponente wird die Kalibrationsmatrix 32 erstellt, wobei Zwischenwerte durch Interpolation der aufgenommenen bzw. bekannten Stützwerte gebildet werden. Die Kalibrationsmatrix 32 kann auch in Form einer sie beschreibenden mathematischen Funktion und der zugehörigen Funktionsparameter in der Auswerteeinrichtung 18 hinterlegt sein, wie beispielsweise mit Hilfe von Polynomen. Eine reduzierte Messreihe gemäß der Tabelle kann für die Erstellung der Kalibrationsmatrix 32 ausreichen. Messgaskomponente in ppm Quergaskomponente in ppm S1 S2 0 (Nullgas) 0 ... ... 0 5000 ... ... 0 10000 ... ... 0 15000 ... ... 500 (mittlere Konzentration) 0 ... ... 500 5000 ... ... 500 10000 ... ... 500 15000 ... ... 1000 (Endwertgas) 0 ... ... 1000 5000 ... ... 1000 10000 ... ... 1000 15000 ... ... Into the measuring cuvette 4 successively different gas concentrations are introduced with different concentrations of the sample gas component. For each available concentration, a value pair (2-tuple) 33 of signals S1 and S2, as exemplified in the following Ta belle is shown. From the recorded value pairs of the signals S1 and S2 and the associated known concentration values of the sample gas component, the calibration matrix 32 created, intermediate values are formed by interpolation of the recorded or known support values. The calibration matrix 32 may also be in the form of a mathematical function describing it and the associated function parameters in the evaluation device 18 be deposited, such as with the help of polynomials. A reduced measurement series according to the table can be used to create the calibration matrix 32 suffice. Sample gas component in ppm Cross-gas component in ppm S1 S2 0 (zero gas) 0 ... ... 0 5000 ... ... 0 10000 ... ... 0 15000 ... ... 500 (medium concentration) 0 ... ... 500 5000 ... ... 500 10000 ... ... 500 15000 ... ... 1000 (final gas) 0 ... ... 1000 5000 ... ... 1000 10000 ... ... 1000 15000 ... ...

Für reale Mess-Situationen sind in der Regel die Quergase und die zu erwartenden Schwankungsbreiten ihrer Konzentrationen (z. B. minimal 5000 ppm bis maximal 15000 ppm) bekannt, so dass in der Kalibrationsmatrix 32 ein Korridor 34 festgelegt werden kann, innerhalb dessen die von den Konzentrationen der Messgaskomponente und der bekannten Quergase abhängigen n-Tupel 33 im Normalfall liegen werden. Bei veränderlichen Konzentrationen der Messgaskomponente bewegen sich die n-Tupel 33 in der mit 35 bezeichneten Richtung und bei den zu erwartenden veränderlichen Konzentrationen der Quergase in der mit 36 bezeichneten Richtung. Diesen Bewegungsrichtungen 35 und 36 können andere Bewegungsrichtungen überlagert sein, die aus Schwankungen weiterer mess- und/oder gerätespezifischer Parameter, z. B. der Leistung des Infrarot-Strahlers 2 oder Verschmutzung der Messküvette 4, resultieren. Bewegt sich ein n-Tupel 33 aus dem Korridor 34 heraus, so deutet dies auf eine Störung hin. Da außerhalb des Korridors 34 der Einfluss der bekannten Quergase gegenüber dem der weiteren Parameter vernachlässigbar ist, kann aus der weiteren Bewegungsrichtung 37 oder 38 des n-Tupels auf den jeweiligen Parameter, z. B. Änderung der Strahlungsleistung oder unbekanntes Quergas, geschlossen werden.For real measurement situations, as a rule, the transverse gases and the expected fluctuation ranges of their concentrations (eg, at least 5,000 ppm to at most 15,000 ppm) are known, so that in the calibration matrix 32 a corridor 34 can be determined, within which dependent on the concentrations of the sample gas component and the known transverse gases n-tuple 33 normally will be. At variable concentrations of the sample gas component, the n-tuples move 33 in the with 35 designated direction and at the expected variable concentrations of the transverse gases in the with 36 designated direction. These directions of movement 35 and 36 Other directions of movement may be superimposed, resulting from fluctuations of other measuring and / or device-specific parameters, eg. B. the power of the infrared emitter 2 or contamination of the cuvette 4 , result. Moves an n-tuple 33 from the corridor 34 out, this indicates a disturbance. Because outside the corridor 34 the influence of the known transverse gases over the other parameters is negligible, can from the further direction of movement 37 or 38 of the n-tuple on the respective parameter, z. B. change in the radiation power or unknown interference gas to be closed.

Um bei dem in 2 gezeigten Gasanalysator mit Zweistrahl-Aufbau in der oben genannten Weise alle Fehler oder Störungen in den von der Mess- und Vergleichsstrahlung gemeinsam durchlaufenen Teilen des Strahlengangs (Infrarot-Strahler 2, Strahlteiler 19, Strahlungssammler 22, Detektoranordnung 7) zu erkennen, erfolgt die Einkopplung der Strahlung 3 in den Mess- und Vergleichsstrahlengang vorzugsweise asymmetrisch, z. B. im Verhältnis 55% zu 45%. Dadurch wird zwar der Vorteil des Zweistrahl-Aufbaus in Bezug auf die feste Nullpunkteinstellung vermindert, jedoch können andererseits Fehler erkannt werden, die sonst nicht identifizierbar wären.To be at the in 2 shown gas analyzer with two-beam structure in the above manner, all errors or disturbances in the common by the measuring and comparison radiation parts of the beam path (infrared emitters 2 , Beam splitter 19 , Radiation collector 22 , Detector arrangement 7 ), the coupling of the radiation takes place 3 in the measurement and comparison beam preferably asymmetric, z. In the ratio 55% to 45%. Although this reduces the advantage of the two-beam design with respect to the fixed zero point setting, errors can otherwise be detected which would otherwise not be identifiable.

4 zeigt schließlich ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Detektoranordnung 7, das deren alternative Verwendung als Zweischichtempfänger ermöglicht, so dass für unterschiedliche Anwendungen nicht unterschiedliche Typen von Detektoranordnungen produziert werden müssen. Die Ausgleichskammern 12, 13 des ersten und des zweiten Einschichtempfängers 8, 9 sind über eine verschließbare Kapillare 23 miteinander verbunden. Die Kapillare 23 ist derart bemessen, dass sie als pneumatischer Tiefpass wirkt und die durch die Modulation der Strahlung 3 in den Einschichtempfängern 8, 9 hervorgerufenen Druckänderungen nicht zwischen den Ausgleichskammern 12, 13 überträgt. 4 finally shows an embodiment of the detector arrangement according to the invention 7 , which allows their alternative use as a two-layer receiver, so that different types of detector arrangements need not be produced for different applications. The compensation chambers 12 . 13 the first and the second single-layer receiver 8th . 9 are via a closable capillary 23 connected with each other. The capillary 23 is dimensioned to act as a pneumatic low pass and through the modulation of radiation 3 in single-layer recipients 8th . 9 not caused pressure changes between the compensation chambers 12 . 13 transfers.

Beim erfindungsgemäßen Gebrauch der Detektoranordnung 7 ist die Kapillare 23 verschlossen und die Einschichtempfänger 8, 9 werden getrennt über Gasanschlüsse 24, 25, 26, 27 mit unterschiedlichen Gasen bzw. unterschiedlichen Gaskonzentrationen gefüllt. Der Verschluss 28 der Kapillare 23 kann über ein stellbares Ventil oder bei der Herstellung der Detektoranordnung durch Klebstoff oder Verschmelzen der Kapillare 23 erfolgen.In the inventive use of the detector arrangement 7 is the capillary 23 closed and the single-layer receiver 8th . 9 are separated via gas connections 24 . 25 . 26 . 27 filled with different gases or different gas concentrations. The closure 28 the capillary 23 can have an adjustable Valve or in the manufacture of the detector assembly by adhesive or fusing the capillary 23 respectively.

Bei Verwendung der Detektoranordnung 7 als Zweischichtdetektor ist die Kapillare 23 geöffnet, so dass beide Hälften 8, 9 des Zweischichtdetektors in einem einzigen Füllschritt mit dem Gas gefüllt werden können. Wenn aufgrund unterschiedlicher Leckraten der Gasaustritt über längere Zeit aus beiden Hälften 8, 9 des Zweischichtdetektors unterschiedlich ist, kommt es über die Kapillare 23 zu einem Druck- und Konzentrationsausgleich zwischen beiden Hälften 8, 9 des Zweischichtdetektors, wodurch der Messfehler minimiert wird. Da die Kapillare 23 als pneumatischer Tiefpass wirkt, werden die messtechnischen periodischen Druckänderungen nicht zwischen den beiden Hälften 8, 9 des Zweischichtdetektors übertragen.When using the detector arrangement 7 as a two-layer detector is the capillary 23 opened, leaving both halves 8th . 9 of the two-layer detector can be filled with the gas in a single filling step. If due to different leakage rates of gas leakage over long periods of time from both halves 8th . 9 of the two-layer detector is different, it comes through the capillary 23 to a pressure and concentration balance between the two halves 8th . 9 of the two-layer detector, whereby the measurement error is minimized. Because the capillary 23 acts as a pneumatic low pass, the metrological periodic pressure changes are not between the two halves 8th . 9 of the two-layer detector.

Wie 4 weiter zeigt, weisen die aktiven Detektorkammern 10, 11 Fenster 29 zum Einlass der Strahlung 3 auf. Anstelle eines Austrittsfensters kann zum Abschluss der letzten Detektorkammer 11 ein Spiegel 31 vorgesehen werden, um so die optisch wirksame Länge der letzten Detektorkammer 11 zu vergrößern, jedoch kann auch ein Fenster vorgesehen werden, um einen weiteren Zweischichtdetektor hinter dem ersten anzuordnen.As 4 further shows the active detector chambers 10 . 11 window 29 to the inlet of the radiation 3 on. Instead of an exit window can be used to complete the last detector chamber 11 a mirror 31 be provided, so as to the optically effective length of the last detector chamber 11 however, a window may also be provided to place another two-layer detector behind the first one.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- US 1109418 [0003]
- DE 1109418 [0004]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

- J. Staab: "Industrial Gas Analysis", Oldenboourg, 1994, pages 167f and 172f [0003]

Claims

Detector arrangement ( 7 ) for a non-dispersive infrared (NDIR) gas analyzer ( 1 . 1' ) for detecting a sample gas component in a gas mixture ( 5 ), with a first single-layer receiver ( 8th ) and at least one further single-layer receiver ( 9 ), one behind the other in the beam path ( 3 ) of the gas analyzer ( 1 . 1' ), the first single-layer receiver ( 8th ) the measurement gas component or a spectrally superimposed gas with the measurement gas component and the at least one further single-layer receiver ( 9 ) a transverse gas, the sample gas component or a spectrally with the sample gas component superimposed gas contains, and with an evaluation device ( 18 ) for determining the concentration of the sample gas component in the gas mixture ( 5 ) from sensors ( 16 . 17 ) the single-layer receiver ( 8th . 9 ) supplied signals (S1, S2), characterized in that the evaluation device ( 18 ) one corresponding to the number n of the single-layer receivers ( 8th . 9 ) n-dimensional calibration matrix ( 32 ), in the signal values (S1, S2) of the sensors (S1, S2) of the sensors obtained at different known concentrations of the sample gas component in the presence of different known interfering gas concentrations ( 16 . 17 ) as n-tuple ( 33 ) and that the evaluation device ( 18 ) is adapted, when measuring unknown concentrations of the sample gas component in the presence of unknown cross-gas concentrations, by comparison of the n-tuples ( 33 ) of signal values (S1, S2) with those in the calibration matrix ( 32 ) stored n-tuples ( 33 ) of signal values (S1, S2) to determine the concentration of the sample gas component.

Detector arrangement according to Claim 1, characterized in that the monolayer receivers ( 8th . 9 ) one in the beam path ( 3 ) of the gas analyzer ( 1 . 1' ) lying active detector chamber ( 10 . 11 ) and outside the beam path ( 3 ) a passive compensation chamber ( 12 . 13 ), which via a connecting line ( 14 . 15 ) with the pressure or flow-sensitive sensor ( 16 . 17 ) are interconnected.

Detector arrangement according to Claim 2, characterized in that, for its alternative use as a two-layer receiver, the equalization chambers ( 12 . 13 ) of the first and further single-layer receivers ( 8th . 9 ) via a closable capillary ( 23 ) are interconnected.

Method for detecting a sample gas component in a gas mixture ( 5 ) by means of a non-dispersive infrared (NDIR) gas analyzer ( 1 . 1' ) using a detector arrangement ( 7 ) with a first single-layer receiver ( 8th ) and at least one further single-layer receiver ( 9 ), one behind the other in the beam path ( 3 ) of the gas analyzer ( 1 . 1' ), the first single-layer receiver ( 8th ) the measurement gas component or a spectrally superimposed gas with the measurement gas component and the at least one further single-layer receiver ( 9 ) contains an interfering gas, the sample gas component or a gas which is spectrally superimposed with the sample gas component, the concentration of the sample gas component in the gas mixture ( 5 ) from sensors ( 16 . 17 ) the single-layer receiver ( 8th . 9 ) supplied signals (S1, S2), characterized in that a corresponding to the number n of the single-layer receiver ( 8th . 9 ) n-dimensional calibration matrix ( 32 ), in the signal values (S1, S2) of the sensors (S1, S2) of the sensors obtained at different known concentrations of the sample gas component in the presence of different known interfering gas concentrations ( 16 . 17 ) as n-tuple ( 33 ) and that when measuring unknown concentrations of the sample gas component in the presence of unknown cross-gas concentrations by comparison of the resulting n-tuple ( 33 ) of signal values (S1, S2) with those in the calibration matrix ( 32 ) stored n-tuples ( 33 ) of signal values (S1, S2), the concentration of the measured gas component is determined.

Method according to claim 4, characterized in that the at least one further single-layer receiver ( 9 ) is filled with a transverse gas or the sample gas component or a gas which is spectrally superimposed on the gas to be measured and that when measuring unknown concentrations of the sample gas component in the presence of unknown cross-gas concentrations by comparing the n-tuple ( 33 ) of signal values (S1, S2) with those in the calibration matrix ( 32 ) stored n-tuples ( 33 ) of signal values (S1, S2), the concentration of the respective transverse gas component is determined.

A method according to claim 4 or 5, characterized in that starting from the expected cross-gas concentrations and their fluctuation ranges, a corridor ( 34 ) in the calibration matrix ( 32 ) and that when measuring unknown concentrations of the sample gas component in the presence of the expected interference gas concentrations, an error is signaled when the n-tuples ( 33 ) of signal values (S1, S2) outside the corridor ( 34 ) lie.

Method according to Claim 4, 5 or 6, characterized in that, when the measured value is kept constant, and / or device-specific parameters, another such parameter is varied while the direction ( 35 . 36 . 37 . 38 ) in which the n-tuples of the obtained signal values (S1, S2) within the calibration matrix ( 32 ) vary.

Method according to claim 6 and 7, characterized in that when measuring unknown concentrations of the sample gas component in the case of a movement of the n-tuple ( 33 ) of signal values (S1, S2) from the corridor ( 34 ) out to the direction of movement ( 37 . 38 ) the n-tuple ( 33 ) associated measurement and / or device-specific parameters is determined and its incorrect influence is reduced.