DE2553565B2

DE2553565B2 - Vorrichtung zur Bestimmung der Stickoxidkonzentration in einem Gasgemisch

Info

Publication number: DE2553565B2
Application number: DE2553565A
Authority: DE
Inventors: Walter 6234 Hattersheim Fabinski; Reimar Dipl.-Phys. Dr. 6000 Frankfurt Faulhaber; Heinz-Dieter Dipl.- Ing. Dr. 6231 Schwalbach Goeldner; Werner 6050 Offenbach Hallstein
Original assignee: Hartmann and Braun AG
Current assignee: ABB Training Center GmbH and Co KG
Priority date: 1975-11-28
Filing date: 1975-11-28
Publication date: 1979-06-07
Also published as: US4176963A; FR2333235A1; JPS5267695A; DE2553565A1; NL171929C; JPS6029060B2; FR2333235B1; DE2553565C3; GB1566436A; IN146315B; NL7610748A

Description

55

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung der Stickoxidkonzentration in einem Gasgemisch gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Will man mit einer derartigen Vorrichtung (DE-OS 07 133) geringe Konzentrationen an Stickoxid etwa entsprechend einer Strahlungsabsorption /4 = 0,1 in der Absorptionsküvette messen, so findet man, daß die Gleichung

/

-^- = Konst (1-/1), (1)

¹V

welche den Zusammenhang zwischen dem Meßsignal •(P, T, t) ■ -^- = Konst (I -A),

Iv

wobei ρ der Druck in der Entladungslampe, T die Umgebungstemperatur ist und die Zeit t bedeutet, daß auch eine zeitliche Drift des Meßsignals z.ti. durch Alterungserscheinungen hervorgerufen wird. Die Störgröße oi ist dabei typisch zwischen 0,95 und 1,05. Auf einen Wert Λ=0,1 bezogen würde et in den angegebenen Grenzen einen Meßfehler von ±50% in der Stickstoffkonzentration hervorrufen. Für den Fall, daß Tian eine Entladungslampe verwendet, die mit Luft entsprechenden Unterdrucks gefüllt ist, kann sich eine Druckänderung in der Lampe z. B. durch den Einfluß der Umgebungstemperatur und durch den Vorgang einer langsamen Gasaufzehrung in der Lampe ergeben. Diese Druckänderung wirkt sich auf die Emissionseigenschaften der Gasentladungslampe aus, die zwei Anteile ausstrahlt, einen Anteil der von NO-Molekülen herrührt, deren Zustand einer Besetzungstemperatur von ca. 300 Kelvin entspricht und einem Anteil entsprechend einer Besetzungstemperatur von ca. 1500 Kelvin. Da dieses Anteilsverhältnis vom Gasdruck abhängt, beruht darauf in erster Linie der zu beobachtende Meßfehler.

Ähnlich verhält sich auch die in der Modulationseinrichtung benutzte, mit NO-Gas gefüllte Filterküvette und schließlich übt auch der Monochromator oder ein an seiner Stelle vorgesehenes Interferenzfilter durch Alterung und eine gewisse Temperaturabhängigkeit einen fehlerhaften Einfluß auf das Meßergebnis aus. Die genannten Einflüsse sind in dem Störfaktor λ zusammengefaßt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Störgrößeneinfluß im Bereich geringer NO-Konzentrationen auf das Meßergebnis des Analysators zu eliminieren. Diese Aufgabe wir.H erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

An Hand der Fig. I bis 3 der Zeichnung wird die Erfindung an zwei Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel, F i g. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel und

Fig. 3 ein Prinzipschaltbild einer Signalverarbeitungseinrichtung.

In Fig. 1 ist 1 eine Hohlkathodenlampe, die mit Luft von Unterdruck und geringem Entladungsstrom betrieben wird, wobei sie eine Stickoxidresonanzstrahlung emittiert, die durch eine umlaufende Scheibe 2, die zwei Filterküvetten 3 und 4 enthält moduliert wird. Die Filterküvette 3 ist mit Stickoxid gefüllt, das vorzugsweise unter einem Druck von einer Atmosphäre steht und einen Teil der Strahlung beim Eintritt der Küvette in den Strahlenweg absorbiert. Dagegen wird die Strahlung beim Eintritt der mit Luft gefüllten Küvette 4 in den Strahlenweg nicht beeinflußt. Die von der Strahlung durchsetzten Küvettenwände der Filterküvetten bestehen aus Material, das in dem Spektralbereich der Strahlung durchlässig ist. Eine Linse 5 erzeugt ein paralleles Strahlenbündel der beiden, periodisch aufeinander folgenden gefilterten und ungefilterten Strahlenanteile, die nach Durchgang durch ein Interferenzfilter 6 auf einen Strahlenteiler 7 gelangen. Dieser Strahlen-

teiler ist ein halbdurchlässiger Spiegel, mit dessen Hilfe die Strahlung zum Teil in einen Strahlungsempfänger 8 abgelenkt wird. Der nichtabgelenkte Teil der Strahlung durchsetzt in üblicher Weise eine mit dem Probengas beschickte Absorptionsküvette 9 und gelangt sodann in einen Strahlungsempfänger 10. Der Strahlungsempfänger 8, beispielsweise ein Photomultiplier, gibt periodisch zwei Signale luo und ho ab, deren Pegel der von der Rlterküvette gefilterten und der ungefilterten Strahlung proportional sind. Die Signale Im und Iv des Strahlungsempfängers 10 sind in bezug auf den gefilterten und ungefilterten Strahl noch durch deren Absorption in der Absorptionsküvette 9 bestimmt Die Signale h, ho bzw. Im, Imo entstehen jeweils gleichzeitig. Der Index M soll darauf hinweisen, daß das Signal durch den Strahlenanteil hervorgerufen wird, der nicht durch die Rlterküvette der Modulationseinrichtung beeinflußt ist (Meßstrahl), der Index Kbezieht sich auf ein Signal, das von der gefilterten Strahlung (Referenzstrahl) herrührt Der Index O deutet an, daß die Strahlen und damit auch die Signale unbeeinflußt vom Gasgemisch in der Absorptionsküvette 9 sind.
Aus Gleichung (2) erhält man demnach

a (P, T, I) ·

= konst.

(3)

25 //wo. ho bzw. Im, Iv werden einem Dividierer 13 zugeführt Dieser bildet zwei Quotienten werte entsprechend

'M

und

'MO

die periodisch aufeinander folgen und zu einer Schalteinrichtung 14 gelangen. Die Schalteinrichtung bewirkt die Übernahme der beiden Werte aufgetrennte Kanäle mit Hilfe eines Steuersignals auf der Leitung 15. Das dazu benötigte synchrone Steuersignal liefert in bekannter Weise eine Photozelle 16 in Verbindung mit einer Lampe 17, deren Strahlung durch einen Schlitz 18 in der Blendenscheibe 2 auf die Photozelle fällt (F i g. 1). In einem Differenzverstärker 19 und einem weiteren Dividierer 20 wird schließlich

'MO _

= A

Es folgt aus Gleichung (2) und (3)

¹MO

(4)

30

Diese Gleichung enthält als Unbekannte nur noch die Absorption A der Stickoxidresonanzstrahlung in der Meßküvette entsprechend dem Anteil an Stickoxid in dem zu messenden Gasgemisch. Bildet man elektronisch aus den vier Signalen I_M , h, //wound Ivo die Gleichung (4) nach, üo erhält man ein durch die Störgröße ot unbeeinflußtes Signal für die Größe von A und damit der StickoxHkonzentration gemäß der Beziehung

A =

35

40

45

F i g. 3 zeigt das Prinzipschaltbild einer Signalverarbeitungseinheit für diese Beziehung. Die von den beiden Strahlungsempfängern 8 und 10 abgegebenen und durch die Verstärke»· 11 und 12 verstärkten Signale gebildet Dem Anzeigegerät 21 für A und damit für die Stickoxidkonzentration ist noch ein Tiefpaß 22 zur Signalgättung vorgeschaltet

Die Gleichung (4) kann noch auf andere Weise umgeformt werden, so daß es möglich ist, verschiedenartig aufgebaute Signalverarbeitungseinheiten zur Bestimmung der Meßgröße vorzusehen.

Bei der Vorrichtung der F i g. 2 wird die Absorptionsküvette 23 durch Verwendung eines Reflektors 24 zweimal durchstrahlt. Der teildurchlässige Spiegel 25 lenkt den reflektierten Meß- und Vergleichsstrahl in den Strahlungsempfänger 26, der periodische Signale entsprechend /«und I ν abgibt Ansonsten entspricht die Anordnung derjenigen der Fig. 1. An Stelle eines teildurchlässigen Spiegels zur Strahlenaufteilung kann auch eine Quarzplatte oder ein Spiegel mit einer Mittenöffnung verwendet werden.

Es ist grundsätzlich denkbar, auch andere Gase z. B. SO2 mit der Vorrichtung zu bestimmen, da die Hohlkathodenlampe ein Strahlungsspektrum aussendet, mit Wellenlängenbereichen, die auch für die Absorptionseigenschaften anderer Gase brauchbar sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Stickoxidkonzentra'ion in einem Gasgemisch mit

a) einer Lichtquelle in Form einer Stickoxidreso- * nanzstrahlung emittierenden Hohlkathoden lampe, die mit Luft bei Unterdruck sowie einem geringen Entladungsstrom betrieben ist,

b) einer im Strahlengang der Hohlkathodenlampe angeordneten Strahlungsmodulationseinrichtung zur wechselweisen Erzeugung einer Referenzstrahlung mittels eines in den Strahlengang einbringbaren Stickoxidgasfilters sowie einer ungefilterten Meßstrahlung,

c) einer abwechselnd von der Meß- und der Referenzstrahlung durchsetzten, das zu untersuchende Gasgemisch enthaltenden Absorptionsküvette,

d) einem Monochromator,

e) einem hinter der Absorptionsküvette angeordneten ersten fotoelektrischen Wandler, sowie

f) einer Signalverarbeitungsschaltung zur Erzeugung eines der Stickoxidkonzentration entsprechenden Ausgangssignals,

dadurch gekennzeichnet, daß

g) der Monochromator (6) vor der Absorptionsküvette (9) angeordnet ist,

h) zwischen Monochromator (6) und Absorptionsküvette (9) ein Strahlenteiler (7) zur Abzweigung e„.es die Absorptionsküvette (9) nicht durchsetzenden Teilstrah's vorgesehen ist,

i) dem Teilstrahl ein zweiter fotoelektrischer Wandler (8) zugeordnet ist,

j) die Signalverarbeitungsschaltung erste Schaltkreise (13) zur Bildung eines ersten bzw. eines zweiten Verhältnissignals aus den von den beiden Wandlern (S, 10) bei Beaufschlagung mit der Meßstrahlung bzw. mit der Referenzstrahlung jeweils erzeugten Signalen sowie zweite Schaltkreise (14, 19, 20) zur Bildung eines dritten Verhältnissignals aus dem ersten und zweiten Verhältnissignal aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlenteiler (7) ein teildurchlässiger Spiegel ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß. der Strahlenteiler (7) eine Quarzplatte ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlenteiler (7) ein Spiegel mit kleiner Mittenöffnung ist.

Im, dem Referenzsignal Iy und der Absorption A wiedergibt, wie folgt zu modifizieren ist: