DE1648820A1

DE1648820A1 - Geraet zur nichtdispersiven Ultrarot-Gasanalyse

Info

Publication number: DE1648820A1
Application number: DE19671648820
Authority: DE
Inventors: Karl-Friedrich Dr Phil Na Luft
Original assignee: Bergwerksverband GmbH
Current assignee: Bergwerksverband GmbH
Priority date: 1967-07-27
Filing date: 1967-07-27
Publication date: 1971-06-09
Also published as: DE1648820C3; DE1648820B2; GB1188626A; US3700891A

Description

G. M. B. H.
VERSUCHSBETRIEBE DER B E RG BAU - FO RS C H U N G

An das

Deutsche Patentamt

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Zweibrückenstrasse 12 friuendorfer strasse3si

Gerät zur nichtdispersiven Ultrarot-Gasanalyse.

Der seit den Versuchen von Tyndall und Röntgen bekannte optischakustische Effekt, d.h. die Entstehung von Druckschwankungen in einem Strahlungsabsorbierenden Gas beim Eintritt periodisch unterbrochener Strahlung, ist seit etwa ^O Jahren zum Ausgangspunkt einer Reihe von Verfahren der nichtdispersiven UR-Gasanalyse geworden. Schon zu Beginn dieser Entwicklung lassen sich zwei grundsätzliche Anordnungen erkennen. Bei der einen entsteht der optisch-akustische bzw. optisch-pneumatische Effekt unmittelbar in dem zu untersuchenden Gasgemisch und die Selektivierung auf ein bestimmtes Gas wird durch vorgeschaltete Pilterküvetten erzielt. Bei der anderen entsteht er in einem fest eingeschlossenen Empfängergas konstanter Zusammensetzung und wird durch eine Vorabsorption im zu untersuchenden Gasgemisch geschwächt. Praktische Bedeutung hat bisher nur die letztere Anordnung erlangt, wohl vor allem deshalb, weil die kontinuierliche Messung der geringen Druckeffekte in einer abgeschlossenen Kammer sehr viel leichter möglich ist als bei der erstgenannten Anordnung, bei der das Empfängergas identisch mit dem zu analysierenden Gemisch ist und laufend zu- und abgeleitet werden muss.

Für die Messung aufgrund des optisch-pneumatischen Effektes, bei der das Empfängergas identisch mit dem zu analysierenden Gasgemisch ist, hat man bereits vorgeschlagen, das zu analysierende Gasgemisch der Meß- und auch Vergleichskammer über Strömungsdrosseln, wie z.B. Kapillaren so zu- und abzuleiten, dass zwar an dem zwischen den

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beiden Kammern liegenden Druckmeßorgan durch die in der Meßkammer absorbierten, modulierten Strahlung ein Differenfcia-ldruck entsteht, jedoch störende Wirkungen der Gasströmung nicht auftreten.

Es hat sich allerdings gezeigt, dass es sehr schwierig ist, die an die Symmetrie und Konstanz der Strömungsdrosseln zu stellenden Anforderungen zu erfüllen. Der Strömungswiderstand der Drosseln muss gross genug sein, damit sich der in den Kammern durch die Strahlungsabsorption entstehende Wechseldruck nicht ausgleicht. Da aber eine kontinuierliche Messung mit hinreichend kleiner Zeitkonstante eine entsprechend starke Gasströmung durch die Strömungsdrosseln erfordert, entsteht an ihnen ein Druckgefälle, das um viele Zehnerpotenzen grosser ist als der zu messende Wechseldruck, dessen Amplitude im allgemeinen nur von der Grössenordnung einiger Tausendstel mm Wassersäule ist. Es ist daher trotz hohen Aufwandes für den Abgleich der Strömungsdrosseln und die Konstanthaltung aller in Frage kommenden Parameter schwierig, den Einfluss der bei gasanalytischen Aufgaben unvermeidlichen Störgrössen, wie äussere Druck- und Temperaturänderung, und von Änderungen der Viskosität und der Strömungsgeschwindigkeit hinreichend auszuschalten.

Die Erfindung hat die Aufgabe, einen optisch-pneumatischen Empfänger zur Analyse von Gasgemischen mittels Absorption modulierter Strahlung zu schaffen, der von den oben beschriebenen Schwierigkeiten frei ist, die bei der Verwendung direkt beströmter Empfängeranordnungen auftreten.

Das Gerät gemäss der Erfindung besteht aus einer für die Absorption der Strahlung bestimmten Meß- und einer Vergleichskammer, zwischen die ein Druckmessorgan, vorzugsweise ein Membrankondensator zur Messung der Differenz der in den Kammern entstehenden Wechseldrucke geschaltet ist, wobei beide Kammern durch poröse Wände von dem zu analysierenden Gasstrom getrennt sind, so dass die Gaserneuerung in den Kammern nur durch Diffusion, nicht aber durch Leitung erfolgt.

Um störende Strömungs- und Druckeffekte ganz auszuschalten, sind die porösen Wände der beiden Kammern völlig symmetrisch zu dem das

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zu analysierenden Gasgemisch führenden Kanal angeordnet.

Porendurchmesser und Porenzahl der porösen Wände sollen so dimensioniert sein, dass einerseits der Gasaustausch durch Diffusion hinreichend schnell erfolgt, andererseits aber der sich während einer Bestrahlungsperiode aufbauende Differenzdruck näherungsweise erhalten bleibt, insbesondere soll der Porendurchmesser zwischen etwa 0,5 und 2 Λίχα liegen und die Gesamtporenflache mindestens 0,1, vor-

p ρ

zugsweise über 0,2 cm /cm Wandfläche betragen. Als poröse Trennwände eignen sich insbesondere Sinterkörper aus Metallen, weiterhin Trennwände aus Porzellanen, Tonen und ähnlichen porigen Materialien.

Da eine hinreichend schnelle Gaserneuerung durch Diffusion zwar in der Meß- und Vergleichskammer, nicht jedoch in dem angeschlossenen Differenzdruckmesser erfolgt, ist, um den Einfluss der Rückdiffusion aus dem Differenzdruckmesser gering zu halten, der Durchmesser der Verbindungskanäle zwischen Kammern und Differenzdruckmesser nur so gross gehalten, dass der zwischen den Kammern bestehende Differenzdruek gerade noch ohne wesentlichen Verlust auf den Differenzdruckmesser übertragbar ist. Je nach Größe der angeschlossenen Kammervolumina liegt sein günstigster Wert zwischen etwa 0,5 und 2 mm.

Um den Störeinfluss äusserer Druckschwankungen auszuschalten, gestatten auf beiden Seiten des Differenzdruckmessers angebrachte, stetig einstellbare Totvolumina den genauen Abgleich der pneumatischen Zeitkonstanten von Meß- und Vergleichsseite.

Dem gleichen Zweck dient ein am Ausgang des Analysenkanals liegendes Puffervolumen sowie in dem Gaseingang und -ausgang geschaltete Kapillaren, mit deren Hilfe eine grosse pneumatische Zeitkonstante des vom Analysengas durchströmten Zuleitungssystems gegeben, trotzdem aber eine schnelle Gaserneuerung im Analysenkanal gesichert ist. Anstelle der Kapillaren lassen sich mit Vorteil ebenfalls Sinterkörper verwenden.

Die anliegende Zeichnung zeigt schematisch den Aufbau eines nach dem Erfindungsgedanken aufgebauten Analysengerätes. Vom Strahler 1

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ausgesandte Strahlung wird mit Hilfe des vom Motor 2 angetriebenen Blendenrades 3 abwechselnd durch die linke Halbküvette 4 und die rechte Halbküvette 5 geschickt. Beide Strahlengänge werden im Diffusor 6 vereinigt und münden in die in einen Metallblock, der durch gestrichelte Linien angedeutet ist, eingearbeiteten Meßkammer 7· Der Boden 8 der Meßkammer 7 besteht aus Sintermetall und bildet einen Teil der Wandung des Kanals 9, durch den das zu analysierende Gasgemisch fliesst. Auf der anderen Seite des Kanals 9 liegt symmetrisch die ohne strahlungsdurchlässiges Fenster versehene, jedoch sonst gleiche Vergleichskammer 10. Beide Kammern sind über die Kanäle 11 und 12 mit dem Membrankondensator 1J5 verbunden, der zur Erhöhung der Empfindlichkeit und aus Symmetriegründen als Differentialkondensator mit einer Membran und zwei Gegenelektroden ausgebildet ist. Der zusätzlich erforderliche Verstärker und das Meßinstrument sind nicht eingezeichnet. Die beiden einstellbaren Volumina 14 und 15 dienen zum Abgleich der Zeitkonstanten der zu beiden Seiten der Membran liegenden pneumatischen Systeme. Das durch die Kapillare 16 zugeführte Gasgemisch strömt durch das Puffervolumen 17 und über die Kapillare 18 ins Freie.

Es kann, wenn es der gestellten Aufgabe dienlich ist, auch die Vergleichskammer 10 mit einem strahlungsdurchlässigen Fenster versehen sein, so dass man modulierte Strahlung auf getrennten Wegen in die Meßkammer und in die Vergleichskammer einwirken lassen kann.

Einige weitere Angaben sollen die Wirkungsweise des erfindungsgemässen Gerätes näher erläutern:

Bei einem z.B. für die Messung des Kohlendioxidgehaltes in einem ausser Kohlenoxid noch die ultrarotabsorbierenden Gase Methan und Kohlendioxid enthaltenden Gasgemisch wird in bekannter Weise die Halbküvette 4 mit CO, die Halbküvette 5 mit N,, und der gleichzeitig als Filterküvette dienende Diffusor 6 mit einem CH^-COg-Gemisch gefüllt. Die aus dem Diffusor in die Iimpfängerkammer J eintretende Strahlung ist nur im Bereich der C0-Banden moduliert. Diese selektive Modulation ist insofern von Bedeutung, als durch sie der sogenannte Beil-Effekt, der durch die nichtselektive periodische Erwärmung der Kammerwände zustandekommt, stark verringert wird.

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Die Diffusion des zu analysierenden Gasgemisches in die Meß- und Vergleiehskammer erfolgt mit einer Zeitkonstanten Y =

e . V
'J) D . nF

V = Kammervolumen

e = Dicke des Sinterkörpers

D = Diffusionskonstante

η = Porenzahl

F = Porenfläche

Der Ausgleich des durch Strahlungsabsorption entstandenen Druckes erfolgt mit einer Zeitkonstanten

χ * γ - Z-V

7 *

= konstanter Beiwert
= Zähigkeit des Gases

Da das Produkt η . F die Gesamtporenfläche darstellt und diese bei gleichbleibender Struktur des Sintermaterials unabhängig vom Porendurchmesser d ist, bleibt die Diffusionszeitkonstante bei abnehmendem Porendurchmesser praktisch konstant, während die pneumatische Zeitkonstante proportional mit l/F zunimmt. Versuche haben gezeigt, dass man mit Sintermaterial von Porenweiten von etwa 1 fx Werte der Zeitkonstanten erreicht, die der meßtechnischen Aufgabenstellung angepasst sind. So ergibt sich z.B. bei einem Kammer-

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volumen von 0,5 cnr und einer Fläche von 1 cm des aus Sintermaterial von etwa 1 ja Porenweite bestehenden Kammerbodens eine Diffusionszeitkonstante von 5 see und eine pneumatische Zeitkonstante von 0,1 see, die bei einer Modulationsfrequenz von 6 Hz einen Signalverlust von nur wenigen Prozent bedingt.

Geräte gemäss der Erfindung weisen in einigen Anwendungsbereichen gegenüber den bisher üblichen, mit festeingeschlossenem Empfängergas arbeitenden nichtdispersiven Analysengeräten Vorteile auf.

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BAD

Obwohl der Empfänger an sich auf alle Gase anspricht, die ultrarote Strahlung absorbieren, was unter Umständen für summarische Messungen interessant sein kann, - wobei die Filterküvetten entbehrlich wären lässt sich eine mit den üblichen Methoden durchaus vergleichbare Selektivität auf eine bestimmte Komponente erhalten, wenn man selektive Modulation und Filterung in der oben beschriebenen Weise miteinander kombiniert. Da aber hierzu nur fest in Küvetten eingeschlossene Gase verwendet werden, lässt sich auf einfache Weise eine Mehrfachanalyse durchführen, indem man nacheinander andere Filterkombinationen in den Strahlengang einschwenkt. Hinzu kommt, dass durch hohe Strahlungskonzentration in einem verhältnismässig kleinen Empfängervolumen auch bei kleinen Schichtdicken im Empfänger eine grosse Meßempfindlichkeit erreicht wird, so dass nicht nur Spuren erfasst, sondern auch höhere Konzentrationen noch gut gemessen werden können. Auch dies kommt den Aufgaben der Mehrfachanalyse sehr zustatten.

So konnten z.B. bei einem praktisch ausgeführten Beispiel mit der gleichen Empfängerkammer von 8 mm Tiefe sowohl ein Spurenmeßbereich von 0 - 10 ppm CO₂ wie auch noch ein Meßbereich von 0 - 1% CO₂ mit noch annehmbarer Krümmung der Eichkurve eingestellt werden. D.h., es ist möglich, durch rein elektrische Änderung der Verstärkerempfindlichkeit, Meßbereichsänderungen im Verhältnis 1 : 1000 durchzuführen.

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Claims

Patentansprüche :

1. Gerät zur Analyse von Gasgemischen durch Messung des durch Absorption von Strahlen in den Gasgemischen erzeugten optisch-pneumatischen Effektes, bestehend aus einer Meß- und einer Vergleichskammer, zwischen die zur Messung der Differenz der in den Kammern entstehenden Wechseldrucke ein Druckmeßorgan, vorzugsweise ein Membrankondensator geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Meß- und Vergleichskammern des optisch-pneumatischen Empfängers von dem zu messenden Gasstrom durch poröse Wände voneinander getrennt sind.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände aus porösem Material, insbesondere Sintermetall, bestehen.

3. Gerät nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die porösen Wände symmetrisch zu dem das zu analysierende Gasgemisch führenden Kanal angeordnet sind.

4. Gerät nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die porösen Wände hinsichtlich Porendurchmesser und Porenzahl so dimensioniert sind, dass einerseits der Gasaustausch durch Diffusion hinreichend rasch erfolgt, andererseits aber der sich während einer Bestrahlungsperiode aufbauende Differenzdruck näherungsweise erhalten bleibt.

5. Gerät nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Verbindungskanäle zwischen Meß- und Vergleichskammer nur so gross gehalten ist, dass bei der Übertragung des Differenzdruckes gerade noch kein Druckverlust entsteht.

6. Gerät nach Anspruch 1-5* dadurch gekennzeichnet, dass zu beiden Seiten des Differenzdruckmessers einstellbare Totvolumina zum Abgleich der pneumatischen Zeitkonstanten von Meß- und Vergleichsseite des Empfängers angeordnet sind.

Y. Gerät, nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Analysengaskanals mit einem Puffergefäß in Verbindung steht, wobei die Gaszuleitung zum Analysenkanal und die Gasableitung aus dem Puffergefäß durch Kapillaren erfolgt.

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