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WO2013017212A1 - Optische gasanalysatoreinrichtung mit mitteln zum verbessern des dynamikbereichs der messung - Google Patents

Optische gasanalysatoreinrichtung mit mitteln zum verbessern des dynamikbereichs der messung Download PDF

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Publication number
WO2013017212A1
WO2013017212A1 PCT/EP2012/003106 EP2012003106W WO2013017212A1 WO 2013017212 A1 WO2013017212 A1 WO 2013017212A1 EP 2012003106 W EP2012003106 W EP 2012003106W WO 2013017212 A1 WO2013017212 A1 WO 2013017212A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
chamber
measuring
gas
receiver
phase angle
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2012/003106
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Carsten Rathke
Jose Malvar
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ABB Technology AG
Original Assignee
ABB Technology AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABB Technology AG filed Critical ABB Technology AG
Publication of WO2013017212A1 publication Critical patent/WO2013017212A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/37—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light using pneumatic detection

Definitions

  • the invention relates to an optical Gasanalysator continent, comprising at least one tubular measuring cuvette, which at least one input side arranged infrared radiation source irradiated longitudinally whose attenuated by absorption losses light beam at least one output side arranged opto-pneumatic multi-chamber receiver for gas concentration analysis according to the principle of NDIR spectroscopy detects the an electronic evaluation unit for determining the gas concentration is connected downstream.
  • the present invention is dedicated to maximizing the dynamic range to measure both small and large gas concentrations.
  • the basic structure of a gas analyzer device which operates on the principle of non-dispersive infrared spectroscopy (NDIR) is always the same.
  • the light radiation emitted by the infrared radiation source penetrates a measuring cuvette contained in the measuring gas and, on the light exit side, impinges on a photoelectric converter, which is usually designed as an opto-pneumatic receiver.
  • the Generating a measurement signal with a sufficient signal / noise ratio usually requires modulation of the light radiation emanating from the radiation source.
  • the initial intensity radiated by the radiation source is attenuated by absorption processes. The attenuation depends on the Lambert-Beer law with the concentration of the absorbed gas.
  • the opto-pneumatic receiver is therefore only sensitive in the spectral regions which are exactly the absorption bands of the gas stored in the receiver
  • opto-pneumatic receiver so-called multi-chamber receiver, which have a plurality of measuring chambers.
  • DE 36 50 094 T2 discloses an NDIR gas analyzer device which is designed to detect both small and large gas concentrations.
  • gas filters of different filling concentrations are positioned in front of the opto-pneumatic receiver.
  • a NDIR gas analyzer device of conventional design however, only one gas filter with fixed filling concentration is installed in each case, so that this technical solution can not be applied to existing devices.
  • DE 199 15 018 B4 proposes a software-technical solution. Greater accuracy in the measurement of both small and large
  • Concentrations with an NDIR gas analyzer device are optimized by optimizing the weighting function for fitting a model function to the characteristic curve of a model Gas analyzer device achieved. It is done here so one
  • the special measuring cuvette consists of at least three partial cuvettes of different lengths.
  • the parts of the cuvette can be individually supplied with sample gas or inert gas in order to represent a very wide dynamic range.
  • this solution requires a fairly high equipment expense.
  • the invention is therefore based on the object, an optical
  • Gas analyzer device to create, which covers a wide dynamic range with low equipment cost for the measurement of small and large gas concentrations.
  • the object is based on a gas analyzer device according to the
  • the invention includes the technical teaching that a multi-chamber receiver in a front measuring chamber, a first measurement signal for the determination of smaller
  • Gas concentrations and in a rear measurement chamber generates a second measurement signal for the determination of large gas concentrations
  • the evaluation unit comprises a lock-in amplifier for demodulating the second measurement signal at a relation to the first measurement signal with a phase angle a offset phase angle a + X °.
  • a small gas concentration is assumed to be a range between 0 and 50 ppm, whereas large gas concentrations of up to 100,000 ppm are evaluable. This results in a very wide dynamic range for the gas concentration measurement with a factor of about 2000.
  • the technical equipment overhead for the inventive solution is limited to the specific Use of the opto-pneumatic multi-chamber receiver.
  • Dynamic range can be realized in a simple manner by software technology of the electronic evaluation unit. Thanks to the very wide dynamic range of the
  • Gas analyzer device no longer need different measuring cuvettes or gas filters are used to the measuring range of
  • Gas analyzer device to change. This reduces the number of variants of accessories and eliminates the installation effort by replacing accessories on site.
  • the lock-in amplifier for detecting large gas concentrations a demodulation of the input signal at a 90 ° offset phase angle a + 90 ° before.
  • the demodulation of the measurement signal takes place at the optimum phase angle ⁇ , while for large gas concentrations, changes in the transmission through the measuring cell can only be detected in the spectral range with the negative contribution of the rear measurement chamber. In the spectral range, which is detected by the front measuring chamber, the transmission and thus the measuring signal no longer changes because of saturation. It follows that with increasing gas concentration in the cuvette the rear
  • Measuring chamber increasingly contributes to the sum signal of the opto-pneumatic receiver. At the same time, the phase angle changes from that for small
  • a main aspect of the solution according to the invention is therefore based on the knowledge that the second measuring signal of the rear measuring chamber is true for small
  • Magnitude of the amplitude for the normal phase angle a which is typical for small gas concentrations.
  • the electronic evaluation unit further comprises means for linearizing the second measurement signal with the phase angle a + X ° in order to obtain more accurate readings in the range of large gas concentrations.
  • the electronic evaluation unit is configured with means for switching between the first measurement signal with the phase angle a and the second measurement signal with the phase angle a + X °.
  • the at least one measuring cuvette has a reference chamber filled with a reference gas along a measuring chamber through which a measuring gas flows.
  • the reference chamber which may be filled with an inert gas, is used to calibrate the measuring unit.
  • Commercially available calibration cuvettes can be used for this purpose.
  • the multi-chamber receiver comprises at least two measuring chambers;
  • the multi-chamber receiver can also be combined with series-connected photo-acoustic measuring cells, as well as gas filters and broadband receivers, such as pyroelectric detectors, thermopiles or semiconductor detectors.
  • Figure 1 is a schematic block diagram representation of an optical sensor
  • Figure 2a is a graphical representation of an exemplary
  • Figure 2b is a graphical representation corresponding to Figure 2a
  • FIG. 3 shows a double logarithmic graphical representation of the measured values on
  • an optical gas analyzer device essentially consists of a mechanically or electrically modulated infrared radiation source 1 having a radiation spectrum R, which passes through a measuring cuvette 2 to an opto-pneumatic multi-chamber receiver 3. There is the by the
  • Radiation energy evoked effect converted into a sinusoidal electrical measurement signal, which is signal processing further processed in a downstream electronic evaluation unit 4 for determining the gas concentration.
  • the multi-chamber receiver 3 generates in a front measurement chamber 5 a first measurement signal for the determination of small gas concentrations, whereas in a rear measurement chamber 6, a second measurement signal for the determination of large gas concentrations is generated.
  • the downstream electronic evaluation unit 4 comprises a digital lock-in amplifier 7, which makes it possible to demodulate the modulated measurement signal of the multi-chamber receiver 3 at two different phase angles.
  • the second measuring signal is demodulated at a phase angle a + X ° offset with respect to the first measuring signal with a phase angle a.
  • the transmission of radiation follows Lambert-Beer's law,
  • Wideband receiver as well as for spectrally highly selective receivers, such as opto-pneumatic receiver, provided in the latter the measurement in the case of small
  • the signal is mainly generated by radiation absorption in the center of the spectral lines of the gas contained in the receiver.
  • the radiation absorption in the front measuring chamber generates a positive pressure signal at the sensitive element of the opto-pneumatic receiver. Due to the pre-absorption of the front measuring chamber, the rear measuring chamber no longer reaches any radiation corresponding to the centers of the spectral lines of the gas enclosed in the receiver. Radiation absorption takes place there in the wings of the spectral lines.
  • the pressure signal which results from radiation absorption in the rear measuring chamber, acts on the sensitive element of the opto-pneumatic receiver in the opposite direction to that of the front measuring chamber.
  • this is negative, ie phase-shifted.
  • Measuring chamber more and more contribution to the sum signal of the opto-pneumatic receiver and at the same time the signal phase changes from that for small
  • Receiver signal S which is typical for small concentrations of the sample gas.
  • phase angle (for small gas concentrations) a + X ° phase angle, offset

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Gasanalysatoreinrichtung, umfassend mindestens eine rohrförmige Messküvette (2), welche mindestens eine eingangsseitig angeordnete infrarote Strahlungsquelle (1) längs durchleuchtet, deren durch Absorptionsverluste abgeschwächter Lichtstrahl mindestens ein ausgangsseitig angeordneter opto- pneumatischer Mehrkammer-Empfänger (3) zur Gaskonzentrationsanalyse nach dem Prinzip der NDIR-Spektroskopie erfasst, dem eine elektronische Auswerteeinheit (4) zur Ermittlung der Gaskonzentration nachgeschaltet ist, wobei der Mehrkammer- Empfänger (3) in einer vorderen Messkammer (5) ein erstes Messignal für die Ermittlung kleiner Gaskonzentrationen und in einer hinteren Messkammer (6) ein zweites Messignal für die Ermittlung großer Gaskonzentrationen erzeugt, und dass die Auswerteienheit (4) einen Lock-In-Verstärker (7) zum Demodulieren des zweiten Messignals bei einem gegenüber dem ersten Messignal mit einem Phasenwinkel (a) versetzten Phasenwinkel (a+X°) umfasst.

Description

Optische Gasanalysatoreinrichtung mit Mitteln zum Verbessern
des Dynamikbereichs der Messung
Die Erfindung betrifft eine optische Gasanalysatoreinrichtung, umfassend mindestens eine rohrförmige Messkuvette, welche mindestens eine eingangsseitig angeordnete infrarote Strahlungsquelle längs durchleuchtet, deren durch Absorptionsverluste abgeschwächter Lichtstrahl mindestens ein ausgangsseitig angeordneter opto- pneumatischer Mehrkammer-Empfänger zur Gaskonzentrationsanalyse nach dem Prinzip der NDIR-Spektroskopie erfasst, dem eine elektronische Auswerteeinheit zur Ermittlung der Gaskonzentration nachgeschaltet ist.
Das Einsatzgebiet derartiger Gasanalysatoreinrichtungen, welche nach dem Prinzip der NDIR-Spektroskopie arbeiten, reicht von der Konzentrationsanalyse von Gasen - beispielsweise Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid - zur Luftüberwachung bis hin zur Spurenmessung in komplexen Gasgemischen. Gerade hierfür bietet die NDIR- Spektroskopie gegenüber anderen Analyseverfahren, wie der FTIR-Spektroskopie oder der Gaschromatographie, mit wenig messtechnischem Aufwand eine hohe
Nachweisgrenze. Die vorliegende Erfindung widmet sich einer Maximierung des Dynamikbereichs, um sowohl kleine als auch große Gaskonzentrationen messen zu können.
Der prinzipielle Aufbau einer Gasanalysatoreinrichtung, welche nach dem Prinzip der nicht-dispersiven Infrarotspektroskopie (NDIR) arbeitet, ist stets gleich. Die von der infraroten Strahlungsquelle emittierte Lichtstrahlung durchstrahlt dabei eine das Messgas enthaltene Messküvette und trifft lichtaustrittsseitig auf einen fotoelektrischen Wandler, der meist als ein opto-pneumatischer Empfänger ausgebildet ist. Die Erzeugung eines Messssignals mit ausreichendem Signal/Rausch-Verhältnis erfordert meist eine Modulation der von der Strahlungsquelle ausgehenden Lichtstrahlung. Auf dem Weg durch die Messküvette wird die von der Strahlungsquelle abgestrahlte Anfangsintensität durch Absorptionsprozesse abgeschwächt. Die Abschwächung hängt über das Lambert-Beer'sche Gesetz mit der Konzentration des absorbierten Gases zusammen.
Bei der hier besonders interessierenden NDIR-Spektroskopie mit einem opto- pneumatischen Empfänger wird gegenüber anderen NDIR-Gasanalysatoreinrichtungen eine besonders hohe Sensitivität und Selektivität erzielt. Diese messtechnisch günstigen Eigenschaften verdankt die Gasanalysatoreinrichtung dem speziellen Empfänger, welcher mit der nachzuweisenden Messgaskomponente gefüllt ist. Bei periodischer Bestrahlung mit infrarotem Licht absorbieren die im Empfänger
enthaltenen Moleküle spezifische Energieanteile, welche über eine
Schwingungsrelaxation zu einer Temperatur- und Druckerhöhung des Gases führen. Der opto-pneumatische Empfänger ist also nur empfindlich in den Spektralbereichen, die genau den Absorptionsbanden des im Empfänger gespeicherten Gases
entsprechen. Zur Erzielung einer hohen Sensitivität kommen als opto-pneumatische Empfänger meist sogenannte Mehrkammerempfänger zum Einsatz, welche mehrere Messkammern aufweisen.
Aus der DE 36 50 094 T2 geht eine NDIR-Gasanalysatoreinrichtung hervor, welche dafür ausgelegt ist, sowohl kleine aus auch große Gaskonzentrationen zu erfassen. Um hierfür ein und dieselbe Messküvete mittlerer Länge einsetzen zu können, werden Gasfilter unterschiedlicher Füllkonzentration vor dem opto-pneumatischen Empfänger positioniert. In einer NDIR-Gasanalysatoreinrichtung herkömmlicher Bauart ist jedoch jeweils nur ein Gasfilter mit fester Füllkonzentration verbaut, so dass sich diese technische Lösung nicht auf vorhandene Geräte applizieren lässt.
Dem gegenüber schlägt die DE 199 15 018 B4 eine softwaretechnische Lösung vor. Eine höhere Genauigkeit bei der Messung sowohl kleiner als auch großer
Konzentrationen mit einer NDIR-Gasanalysatoreinrichtung wird durch die Optimierung der Gewichtungsfunktion für die Anpassung einer Modellfunktion an die Kennlinie einer Gasanalysatoreinrichtung erzielt. Es erfolgt hier also ein
signalverarbeitungstechnischer Eingriff bei der Messwertauswertung.
In der DE 10 2008 007 407 A1 wird eine technische Lösung vorgeschlagen, welche sich einer speziellen Messküvette bedient. Die spezielle Messküvette besteht aus mindestens drei Teilküvetten unterschiedlicher Länge. Die Teile der Messküvette können einzeln mit Messgas oder Inertgas beaufschlagt werden, um hierdurch einen sehr weiten Dynamikbereich darzustellen. Allerdings erfordert diese Lösung einen recht hohen gerätetechnischen Aufwand.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine optische
Gasanalysatoreinrichtung zu schaffen, welche unter geringem gerätetechnischen Aufwand für die Messung kleiner und großer Gaskonzentrationen einen weiten Dynamikbereich abdeckt.
Die Aufgabe wird ausgehend von einer Gasanalysatoreinrichtung gemäß dem
Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass ein Mehrkammerempfänger in einer vorderen Messkammer ein erstes Messsignal für die Ermittlung kleiner
Gaskonzentrationen und in einer hinteren Messkammer ein zweites Messsignal für die Ermittlung großer Gaskonzentrationen erzeugt, und dass die Auswerteeinheit einen Lock-In-Verstärker zum Demodulieren des zweiten Messsignals bei einem gegenüber dem ersten Messsignal mit einem Phasenwinkel a versetzten Phasenwinkel a+X° umfasst.
Als kleine Gaskonzentration wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Bereich zwischen 0 bis 50ppm angenommen, wogegen große Gaskonzentrationen von bis zu 100.000ppm auswertbar sind. Dies ergibt einen sehr weiten Dynamikbereich für die Gaskonzentrationsmessung mit einem Faktor von ca. 2000. Der gerätetechnische Mehraufwand für die erfindungsgemäße Lösung begrenzt sich auf den speziellen Einsatz des opto-pneumatischen Mehrkammerempfängers. Die
signalverarbeitungstechnische Maßnahme für die Realisierung des weiten
Dynamikbereichs lässt sich in einfacher Weise softwaretechnisch der elektronischen Auswerteeinheit realisieren. Dank des sehr weiten Dynamikbereichs der
erfindungsgemäßen Gasanalysatoreinrichtung brauchen nicht mehr unterschiedliche Messküvetten oder Gasfilter eingesetzt werden, um den Messbereich der
Gasanalysatoreinrichtung zu ändern. Dies reduziert die Variantenzahl an Zubehörteilen und es entfällt der Montageaufwand durch den Austausch von Zubehörteilen am Einsatzort.
Vorzugsweise nimmt der Lock-In-Verstärker zur Ermittlung großer Gaskonzentrationen eine Demodulation des Eingangssignals bei einem um 90° versetzten Phasenwinkel a+90° vor. Für kleine Gaskonzentrationen erfolgt die Demodulation des Messsignals bei dem hierfür optimalen Phasenwinkel a, während für große Gaskonzentrationen Änderungen der Transmission durch die Messküvette nur in dem Spektralbereich mit dem negativen Beitrag der hinteren Messkammer erfasst werden können. In dem Spektralbereich, der von der vorderen Messkammer erfasst wird, ändert sich die Transmission und somit das Messsignal wegen Sättigung nicht mehr. Hieraus ergibt sich, dass mit steigender Gaskonzentration in der Messküvette die hintere
Messkammer immer mehr zum Summensignal des opto-pneumatischen Empfängers beiträgt. Zugleich verändert sich der Phasenwinkel von dem für kleine
Gaskonzentrationen optimalen Phasenwinkel a, bei welchem die vordere Messkammer den Hauptbeitrag liefert, immer mehr hin zu dem versetzten Phasenwinkel a+X°, wobei vorzugsweise eine a+90° bis hin zu a+180° Versetzung möglich ist.
Ein Hauptaspekt der erfindungsgemäßen Lösung basiert demnach auf der Erkenntnis, dass das zweite Messsignal der hinteren Messkammer zwar für kleine
Gaskonzentrationen des Messgases vernachlässigbar ist, für große
Gaskonzentrationen jedoch nutzbar ist, und zwar mit einer Amplitude in der
Größenordnung der Amplitude für den normalen Phasenwinkel a, welche typisch für kleine Gaskonzentrationen ist.
Gemäß einer die Erfindung verbessernde Maßnahme wird vorgeschlagen, dass die elektronische Auswerteeinheit ferner Mittel zur Linearisierung des zweiten Messsignals mit dem Phasenwinkel a+X° umfasst, um im Bereich der großen Gaskonzentrationen genauere Messwerte zu erzielen.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die elektronische Auswerteeinheit mit Mitteln zum Umschalten zwischen dem ersten Messsignal mit dem Phasenwinkel a und dem zweiten Messsignal mit dem Phasenwinkel a+X° ausgestaltet ist. Durch eine solche signalverarbeitungstechnische Messwertumschaltung können die unterschiedlichen Messbereiche in einfacher Weise aufgeschaltet werden.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die mindestens eine Messkuvette längs neben einer messgasdurchströmten Messkammer eine mit einem Referenzgas gefüllte Referenzkammer aufweist. Die Referenzkammer, welche mit einem Inertgas gefüllt sein kann, dient zu Kalibrierung der Messeinheit. Hierfür lassen sich handelsübliche Kalibrierküvetten einsetzen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung existiert nur eine Messküvette, an deren lichtausgangsseitigem Ende der opto-pneumatische Mehrkammer-Empfänger angeordnet ist. Vorzugsweise umfasst der Mehrkammer-Empfänger mindestens zwei Messkammern; es ist jedoch auch denkbar, den Mehrkammer-Empfänger aus zwei Einkammer-Empfänger zusammenzusetzen. Darüber hinaus kann der Mehrkammer- Empfänger auch mit in Reihe geschalteten foto-akustischen Messzellen, sowie mit Gasfiltern und Breitbandempfängern, wie pyroelektrische Detektoren, Thermopiles oder Halbleiterdetektoren kombiniert werden.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
Figur 1 eine schematische Blockschaltbilddarstellung einer optischen
Gasanalysatoreinrichtung mit Mitteln zum Verbessern des Dynamikbereichs der Messung, Figur 2a eine graphische Darstellung eines exemplarischen
Transmissionsspektrums eines Gases bei kleinen und großen
Konzentrationswerten des Produkts Gaskonzentration mal Messküvettenlänge,
Figur 2b eine graphische Darstellung der mit Figur 2a korrespondierenden
spektralen Empfindlichkeitsfunktion eines opto-pneumatischen
Zweikammer-Empfängers, und
Figur 3 eine doppellogarithmische graphische Darstellung der Messwerte am
Signalwandler des opto-pneumatischen Zweikammer-Empfängers als Funktion des Produkts Gaskonzentration mal Messküvettenlänge bei dem für kleine Gaskonzentrationen optimalen Phasenwinkel a und dem dazu um 90° verschobenen Phasenwinkel a+90°.
Gemäß Figur 1 besteht eine optische Gasanalysatoreinrichtung im Wesentlichen aus einer mechanisch oder elektrisch modulierten Infrarotstrahlungsquelle 1 mit einem Strahlungsspektrum R, welches durch eine Messküvette 2 zu einem opto- pneumatischen Mehrkammer-Empfänger 3 gelangt. Dort wird der durch die
Strahlungsenergie hervorgerufene Effekt in ein sinusförmiges elektrisches Messsignal gewandelt, welches in einer nachgeschalteten elektronischen Auswerteeinheit 4 zur Ermittlung der Gaskonzentration signalverarbeitungstechnisch weiter verarbeitet wird.
Der Mehrkammer-Empfänger 3 erzeugt in einer vorderen Messkammer 5 ein erstes Messsignal für die Ermittlung kleiner Gaskonzentrationen, wogegen in einer hinteren Messkammer 6 ein zweites Messsignal für die Ermittlung großer Gaskonzentrationen erzeugt wird. Die nachgeschaltete elektronische Auswerteeinheit 4 umfasst einen digitalen Lock-In-Verstärker 7, welcher es ermöglicht, das modulierte Messsignal des Mehrkammer-Empfängers 3 bei zwei verschiedenen Phasenwinkeln zu demodulieren. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das zweite Messsignal bei einem gegenüber dem ersten Messsignal mit einem Phasenwinkel a versetzten Phasenwinkel a+X° demoduliert. Die Figur 2a zeigt beispielhaft das Transmissionspektrum bei Durchgang der infraroten Strahlung durch eine Messküvette mit einer Länge von 200mm, in der sich gasförmiges CO in einer kleinen Gaskonzentration von 50ppm, mittleren Gaskonzentration von C=5000ppm und großer Gaskonzentrationen C=10% befindet. Die Transmission der Strahlung folgt dabei dem Lambert-Beer'schen Gesetz,
T=exp(-e*C*L), (1 ) wobei e der spektrale Extinktionskoeffizient für das absorbierende Gas ist. Für die Amplitude des sinusförmigen Signals am Vorverstärker eines opto-pneumatischen Empfängers, der sich hinter der Messküvette befindet, gilt dann die Gleichung:
S~R*T*E (2) wobei E die spektrale Empfindlichkeitsfunktion des Strahlungsempfängers ist.
Die Beziehung der Gleichung (2) zwischen Empfängersignal und Gaskonzentration ist dabei, bedingt durch die vorstehende Gleichung (1 ) für große Gaskonzentrationen stark nicht-linear. Für große in der Messküvette vorhandene Gaskonzentrationen strebt die Transmission T durch die Messküvette gegen 0, so dass das Empfängersignal üblicherweise in Sättigung geht. Dies ist übrigens der Fall sowohl für
Breitbandempfänger als auch für spektral hochselektive Empfänger, wie opto- pneumatische Empfänger, sofern bei letzteren die Messung bei der für kleine
Gaskonzentrationen optimalen Signalphase a durchgeführt wird.
In der vorderen Messkammer des opto-pneumatischen Empfängers wird das Signal hauptsächlich durch Strahlungsabsorption im Zentrum der Spektrallinien des Gases, welches im Empfänger enthalten ist, erzeugt. Bei der gewählten Auswertung, also bei Demodulation des Empfängersignals bei der für kleine Gaskonzentrationen optimalen Signalphase a, erzeugt die Strahlungsabsorption in der vorderen Messkammer ein positives Drucksignal am sensitiven Element des opto-pneumatischen Empfängers. Wegen der Vorabsorption der vorderen Messkammer erreicht die hintere Messkammer keine Strahlung mehr, die mit den Zentren der Spektrallinien des in den Empfänger eingeschlossenen Gases korrespondiert. Strahlungabsorption findet dort in den Flügeln der Spektrallinien statt. Das Drucksignal, welches durch Strahlungsabsorption in der hinteren Messkammer entsteht, wirkt am sensitiven Element des opto-pneumatischen Empfängers in entgegengesetzter Richtung zu dem der vorderen Messkammer.
Entsprechend der gewählten Konvention ist dieses negativ, also phasenverschoben.
Die Summe der Drucksignale führt zu einer charakteristischen spektralen
Empfindlichkeitsfunktion des opto-pneumatischen Mehrkammer-Empfängers, welche in der Figur 2b dargestellt ist.
Durch die gleichzeitige Betrachtung der Figur 2a und der Figur 2b kann nachvollzogen werden, dass für sehr große Konzentrationen des Messgases Änderungen der Transmission durch die Messküvette nur in dem Spektralbereich mit dem negativen Beitrag der hinteren Messkammer erfasst werden können. In dem Spektralbereich, der von der vorderen Messkammer erfasst wird, ändert sich die Transmission und somit das Messsignal wegen Sättigung dagegen nicht mehr.
Somit leistet bei steigender Gaskonzentration in der Messküvette die hintere
Messkammer immer mehr Beitrag zum Summensignal des opto-pneumatischen Empfängers und zugleich verändert sich die Signalphase von dem für kleine
Gaskonzentrationen optimalen Phasenwinkel a zu dem versetzten Phasenwinkel a+90° hin.
In der doppellogarithmischen Darstellung der Messwerte gemäß Figur 3 ist die
Funktion des Produkts aus Gaskonzentration mal Küvettenlänge C*L bei dem für kleine Gaskonzentrationen optimalen Phasenwinkel a und dem dazu um 90° verschobenen Phasenwinkel a+90°. Während das zweite Messsignal (Strichlinie) für kleine
Gaskonzentrationen des Messgases vernachlässigbar ist, wird dieses für große Gaskonzentrationen nutzbar gemacht, und zwar mit einer Amplitude des
Empfängersignals S die typisch für kleine Konzentrationen des Messgases ist.
Hierdurch ergibt sich die erfindungsgemäß enorme Messbereichserweiterung. Bezugszeichenliste
1 infrarote Strahlungsquelle
2 Messküvette
3 Mehrkammer-Empfänger
4 Auswerteeinheit
5 vordere Messkammer
6 hintere Messkammer
7 Lock- In- Verstärker
R Strahlungsspektrum
T Transmission
Wz Wellenzahl
E Empfindlichkeit
a Phasenwinkel (für kleine Gaskonzentrationen) a+X° Phasenwinkel, versetzt
C Gaskonzentration
e spektraler Extinktkoeffizient
L Messküvettenlänge
S Empfängersignal
E spektrale Empfindlichkeitsfunktion

Claims

Patentansprüche
1. Optische Gasanalysatoreinrichtung, umfassend mindestens eine rohrförmige Messküvette (2), welche mindestens eine eingangsseitig angeordnete infrarote Strahlungsquelle (1 ) längs durchleuchtet, deren durch Absorptionsverluste
abgeschwächter Lichtstrahl mindestens ein ausgangsseitig angeordneter opto- pneumatischer Mehrkammer-Empfänger (3) zur Gaskonzentrationsanalyse nach dem Prinzip der NDIR-Spektroskopie erfasst, dem eine elektronische Auswerteeinheit (4) zur Ermittlung der Gaskonzentration nachgeschaltet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass der Mehrkammer-Empfänger (3) in einer vorderen Messkammer (5) ein erstes Messignal für die Ermittlung kleiner Gaskonzentrationen und in einer hinteren Messkammer (6) ein zweites Messignal für die Ermittlung großer Gaskonzentrationen erzeugt, und dass die Auswerteienheit (4) einen Lock-In- Verstärker (7) zum Demodulieren des zweiten Messignals bei einem gegenüber dem ersten Messignal mit einem Phasenwinkel (a) versetzten Phasenwinkel (a+X°) umfasst.
2. Optische Gasanalysatoreinrichtung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass der Lock-In-Verstärker (7) zur Ermittlung großer Gaskonzentrationen eine Demodulation des Eingangssignals bei einem um 90° versetzten Phasenwinkel (a+90°) durchführt.
3. Optische Gasanalysatoreinrichtung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4) Mittel zur Linearisierung des zweiten Messignals mit dem Phasenwinkel (a+X°) umfasst.
4. Optische Gasanalysatoreinrichtung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4) Mittel zum Umschalten zwischen dem ersten Messsignal mit dem Phasenwinkel (a) und dem zweiten
Messignal mit dem Phasenwinkel (a+X°) umfasst.
5. Optische Gasanalysatoreinrichtung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Messküvette (2) längs neben einer messgasdurchströmten Messkammer eine mit einem Referenzgas gefüllte Referenzkammer zur Kalibrierung aufweist.
6. Optische Gasanalysatoreinrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass eine einzige Messküvette (2) vorgesehen ist, an deren lichtausgangsseitigem Ende der opto-pneumatischer Mehrkammer-Empfänger (3) angeordnet ist.
7. Optische Gasanalysatoreinrichtung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass der Mehrkammer-Empfänger (3) mindestens zwei Messkammern (5, 6) umfasst.
8. Optische Gasanalysatoreinrichtung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass der Mehrkammer-Empfänger (3) aus zwei
Einkammer-Empfängern zusammengesetzt ist.
9. Optische Gasanalysatoreinrichtung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die analysierbaren kleinen Gaskonzentrationen im Bereich zwischen 0 bis 50 ppm liegen und die analysierbaren großen
Gaskonzentrationen bis zu 100.000 ppm betragen.
PCT/EP2012/003106 2011-07-29 2012-07-24 Optische gasanalysatoreinrichtung mit mitteln zum verbessern des dynamikbereichs der messung Ceased WO2013017212A1 (de)

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DE201110109000 DE102011109000B4 (de) 2011-07-29 2011-07-29 Optische Gasanalysatoreinrichtung mit Mitteln zumVerbessern des Dynamikbereichs der Messung
DE102011109000.6 2011-07-29

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PCT/EP2012/003106 Ceased WO2013017212A1 (de) 2011-07-29 2012-07-24 Optische gasanalysatoreinrichtung mit mitteln zum verbessern des dynamikbereichs der messung

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