DE2364775B2

DE2364775B2 - Gasanalysator

Info

Publication number: DE2364775B2
Application number: DE19732364775
Authority: DE
Inventors: Darrell E.; Gryvnak David A.; Orange City; Pembrook John D. Costa Mesa; Calif. Burch (V.St.A.)
Original assignee: Philco-Ford Corp., Philadelphia, Pa. (V.StA.)
Priority date: 1973-01-02
Filing date: 1973-12-27
Publication date: 1977-01-13
Also published as: GB1451381A; US3793525A; JPS5220358B2; IT1008645B; DE2364775A1; CA990970A; JPS4999083A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasanalyator mit einer optischen Strahlungsquelle, mit Einichtungen zur Leitung der Strahlung durch einen das u analysierende Gas enthaltenden Probenbereich, nit einer Filtereinrichtung zur Beschränkung des Spektrums der Strahlungsquelle auf den Absorptionsbereich des Gases, mit einem bei einer ersten Frequenz arbeitenden Strahlungsmodulator, mit einem hinter dem Probenbereich angeordneten photoelektrischen Wandler, mit an dem Wandler angeschlossenen Auswerteschaltungen zur Erzeugung eines der Konzentration des Gases entsprechenden Signals, mit einer ersten Zelle, die das zu analysierende Gas bei einem ersten Druck enthalt, mit einer zweiten Zelle, die das zu analysierende Gas bei einem zweiten, über ίο dem ersten Druck liegenden Druck enthält, mit einer Einrichtung zur aufeinanderfolgenden Beaufschlagung der ersten und zweiten Zelle mit der Strahlung der Strahlungsquelle, sowie mit Einrichtungen zum Abgleich der beiden Strahlungsintensitäten, die bei Abwesenheit des zu analysierenden Gases während der Anwesenheit der ersten bzw. zweiten Zelle im Strahlengang auf den photoelektrischen Wandler treffen.

Aus der US-Patentschrift 3488491 ist ein derartiao ger Gasanalysator bekannt. Üblicherweise werden hier zwei getrennte Detektoren verwendet, von denen jeder durch eine getrennte Wechselzelle beleuchtet wird. Die sich durch die Verwendung von zwei getrennten Detektoren ergebenden Schwierigkeiten as sollen durch eine gemeinsame Wärmesenke gelöst werden. Hierdurch können jedoch nur thermische Einflüsse ausgeschaltet werden, nicht aber die unterschiedlichen Eigenschaften der Detektoren. Das Ausgangssignal der Detektoren wird einer Elektronik zugeführt, die auf die Frequenz und Phase der modulierten Strahlung abgestimmt ist und eine Synchrondemodulation bewirkt.

Die Durchlässigkeit für Strahlungsenergie wird seit langem als ein Mittel für die Gasanalyse verwendet. Wegen der Vielfalt von Absorptionsbanden im Infrarotbereich wird zumeist Strahlungsenergie im Infrarot verwendet. Im typischen Fall wird ein schmales Strahlungsenergieband ausgewählt, derart, daß die Emission bei einer charakteristischen Absorptionsbande des zu messenden Gases erfolgi. Dies kann entweder unter Verwendung einer breitbandigen Strahlungsquelle mit selektiven Filtern geschehen, oder durch elektrische Anregung einer Probe des Gases und Ausfilterung der gewünschten Strahlungslinie mittels FiI-tern. Alternativ kann ein Spektrometer als eine nahezu monochromatische Strahlungsquelle verwendet werden. Diese Strahlungsenergie wird durch das zu analysierende Gas geleitet und die Schwächung beobachtet. Die Menge des Gases kann in Beziehung zu der Länge der Probe und der beobachteten Schwächung gesetzt werden.

Da in derartigen Instrumenten häufig photoelektrische Meßvorrichtung.η zum Nachweis der durchgelassenen Strahlungsenergie verwendet werden und da derartige Vorrichtungen üblicherweise ein mit abnehmender Frequenz zunehmendes Rauschspektrum besitzen, findet bei den meisten Systemen zerhackte Strahlung Anwendung. Beispielsweise wird der Strahlengang mit einer geeigneten Frequenz unterbrochen oder die Strahlungsquelle mit einer geeigneten Frequenz moduliert. Die photoelektrische Ausgangsgröße wird bei der Zerhackerfrequenz verstärkt und zur Gewinnung eines zu der Intensität der durchgelassenen Strahlungsenergie in Beziehung stehenden Gleichstromsignals synchron-demoduliert.

Eine häufig angewandte Verfeinerung und Verbesserung sieht die Verwendung von zwei Strahlungsenergiekanälen vor, wobei der Zerhacker abwech-

selnd die Beaufschlagung jedes der beiden Kanäle mit der Eingangsstrahlungsenergie bewirkt. Ein Kanal enthält eine Bezugszelle, die mit einem nicht-schwächenden Probengas gefüllt ist, währe id der andere Kanal die unbekannte Probe dei nachzuweisenden Gases enthält. Bei Abwesenheit eines Strahlungsschwächenden Gases in der Probenzelle weisen die beiden Kanäle gleiche Durchlässigkeit auf. Sobald eine Strahlung absorbierende Probe vorliegt, haben die beider» Kanäle keine gleiche Durchlässigkeit mehr. Der Unterschied in der Durchlässigkeit kann zu der Menge des absorbierenden Gases in Beziehung gesetzt werden. Dieses Zweistrahlsystem hat gegenüber den Einstrahl-Anordnungen den Vorteil, daß die beiden Kanäle, da sie weitgehend gleichartig ausgebildet sind, weniger durch kleine Schwankungen der Intensität der Strahlungsquelle und zufällige Schwankungen anderweitiger Durchlässigkeitseffekte beeinflußt werden.

Für derartige Systeme ist ein Spektralfilter oder ein Monochromator erforderlich, um das Ansprechverhalten des Instruments auf den gewünschten Spektral bereich zu begrenzen. Außerdem kann die Messung eines bestimmten Gases in unterschiedlichen Ausmaßen durch andere Gasarten beeinflußt werden. Die Strahlungsenergiekanäle müssen frei von teilchenförmiger Materie gehalten werden, welche eine unspezifische Schwäche verursachen; dieses letzterwähnte Erfordernis macht die Messung für Anwendungszwecke, wie beispielsweise Überwachung von Kraftfahrzeugabgasen oder des Ausstoßes von Schornsteinen ziemlich kompliziert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gasanalysator mit verbesserter Leistungsfähigkeit, insbesondere geringerer Empfindlichkeit gegenüber Störgasen und teilchenförmiger Materie in dem Probenbereich anzugeben, der darüber hinaus keine besonders kritisch auszulegenden optischen Bauteile benötigt.

Die Erfindung löst die Aufgabe, ausgehend von einem Gasanalysator der eingangs genannten Art, dadurch, daß erfindungsgemäß die Einrichtung zur aufeinanderfolgenden Beaufschlagung der ersten und zweiten Zelle mit einer im Vergleich zur ersten Frequenz wesentlich niedrigeren Frequenz betrieben ist, und daß die Auswerteschaltungen zur Bildung des Verhältnisses der im Ausgangssignal des photoelektrischen Wandlers bei der zweiten und ersten Frequenz enthaltenden Signale ausgelegt sind.

Ein derartiges System besitzt eine verbesserte Leistungsfähigkeit hinsichtlich der Unenptindlichkeit gegenüber Störgasen und teilchenförmiger Materie in dem Probenbereich. Das Strahlungsenergiefilter braucht lediglich ein Strahlungsenergieband durchzulassen, welches Absorptionslinien d";s gewünschten Gases aufweist, wobei das Durchlaßband des Filters nicht kritisch ist. Der Detektor braucht lediglich auf die Strahlungsenergie in dem Durchlaßbereich des Bandpaßfilters anzusprechen. Somit ist keines der optischen Bauteile hoch kritisch.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 in Blockdarstellung einen optischen Gasanalysator,

Fig. 2 in Draufsicht Details des Zellenaggregats 5 aus Fig. 1,

Fig. 3 graphische Darstellungen der spektralen Durchlässigkeit, und zwar (A) die Durchlässigkeit der Hochdruck- und der Niederdruckzelle sowie die Differenzdurchlässigkeit, (B) die Durchlässigkeit einer typischen Probe, und (C) die Hoch- und Niederdi uckdurchlässigkeit jeweils multipliziert mit der Probendurchlässigkeit,

Fig. 4 das Schaltbild eines alternativen elektronischen Systems.

Fig. 1 zeigt die wesentlichen Elemente eines bevorzugten Ausführungsbeispiels. Eine Strahlungsquelle 1 emittiert Strahlungsenergie in dem interessierenden Wellenlängenbereich. In dem Infrarotwellenlängenbereich von 2 bis 1Ü Mikron kann eine einfache Strahlungsquelle 1 verwendet werden, bei-

¹S «jpielsweise ein Stück Nichtchrom-Draht oder ein herkömmlicher Leistungswiderstand mit Keramiküberzug, durch den ein ausreichender Strom fließt, um ihn auf Dunkelrotglut zu erhitzen. Falls eine größere Energiemenge erwünscht ist, kann eine Strahlungs-

ao quelle vom Leuchtkugeltyp oder ein Nernstscher Glühkörper verwendet werden. Je nach dem interessierenden Wellenlängenintervall können anderweitige geeignete Strahlungsquellen verwendet werden.
Die von der Strahlungsquelle 1 gelieferte Strah-

»5 lungsenergie wird von einem Zerhacker 3 mit einer verhältnismäßig hohen Frequenz zerhackt; der Zerhacker 3 kann eine Scheibe mit einer Reihe von Umfangsöffnungen sein. Ein Motor 4 treibt den Zerhakker 3 mit der gewünschten Drehzahl an. Als typisches Beispiel kann der Zerhacker 3 den optischen Strahlengang etwa 720mal je Sekunde unterbrechen.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, wird das von der Strahlungsquelle 1 ausgehende Strahlungsenergiebündel 2 durch den Zerhacker 3 zerhackt und durchsetzt, sodann eine von zwei rotierenden Wechselzellen 6 oder 7, welche Teil eines Zellenaggregats 5 sind, das von einem Motor 8 zur Drehung angetrieben wird. Der Zerhacker 3 und das Zellenaggregat 5 können von einem gemeinsamen Motor angetrieben werden. In Fig. 2 ist eine Stirnansicht des rotierenden Wechselzellenaggregats dargestellt, wobei die relative Lage des Strahlungsenergiebündels 2 angedeutet ist. Die Gas enthaltenden Bereiche sind in Fig. 2 punktiert. Jenseits der Wechselzellen durchsetzt die Strahlungsenergie einen Probenbereich 9 (welcher das zu analysierende Gas und möglicherweise andere Gase oder teilchenförmige Materie enthält) sowie ein Bandpaßoder Breitband-Spektralfilter 10 und trifft sodann auf einen Photodetektor 11 auf.

Der gestrichelt im Umriß angedeutete Probenbereich 9 kann ein begrenztes Volumen innerhalb einer Zelle mit durchsichtigen Fenstern an der Eingangsund Austritts-Stirnseite sein, mit Vorrichtungen zum Einfluß und/oder Durchfluß einer kontrollierten Probengasmenge sein. Alternativ kann der Probenbereich 9 einfach ein bestimmtes Raumvolumen sein, in welchem eine Messung gewünscht wird.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Stellung der Wechselzelien durchsetzt die Strahlungsenergie die Wechselzelle 6, welche eine auf niedrigem Druck befindliche Menge der zu messenden Gasart enthält. Die Wechselzelle 7, die bei der Rotation des Zellenaggregats 5 mit der Zelle 6 die Stellung wechselt, enthält eine auf hohem Druck befindliche Menge der gleichen Gasart. Die Gasmengen in den beiden Wechselzellen sind so eingestellt, daß die durchschnittliche Schwächung über den spektralen Durchlaßbereich des Filters 10 für beide Zellen gleich ist. Falls reines Gas

in den Selektorzellen verwendet wird, wird die Hochdruckzelle 7 kürzer als die Niederdruckzelle 6 gemacht. Der Druck in den Wechselzellen 7 kann ohne Vergrößerung der Menge der zu messenden absorbierenden Gasart dadurch erhöht werden, daß man ein nicht absorbierendes Gas, wie beispielsweise N₂ oder O₂ zufügt. Daher können die Zellen 6 und 7, wie in den Fig. 1 und 2 angedeutet, mit gleicher Länge ausgebildet sein, um die mechanische Auswuchtung des Zellenaggregates zu vereinfachen. Die Wechselzellen werden im typsichen Fall etwa 30mal je Sekunde abwechselnd in den Strahlungseingang hinein und aus ihm herausgebracht, d.h. mit einer Frequenz /_m, die wesentlich niedriger als die typische 720-Hz-Zerhakkerfrequenz /_r des Zerhackers 3 ist.

Das Bandpaßfilter 10 begrenzt das durchgelassene Strahlungsbündel auf einen Spektralbereich, in welchem die zu messende Gasart absorbiert. Der Bandpaßbereich ist im allgemeinen nicht kritisch, wird jedoch so gewählt, daß eine optimale Empfindlichkeit und Diskrimination gegenüber anderen Gasarten, die in der Probe gegenwärtig sein können, erreicht wird.

Der Photodetektor 11 soll eine ausreichende Ansprechempfindlichkeit in dem durch das Filter 10 durchgelassene Spektralband besitzen, um ein gutes Signal/Rauschverhältnis in dem System zu gewahrleisten. Beispielsweise können für Wellenlängen, die kurzer als ungefähr 3 Mikrometer sind, einfach zu handhabende, ungekühlte PbS-Detektoren verwendet werden. Die Ansprechempfindlichkeit der Detektoren kann durch Kühlung verbessert und der Ansprechbereich ausgedehnt werden. Eine verhältnismäßig hohe Ansprechbarkeit läßt sich im Bereich zwischen 3 und 5 Mikrometer mit einem PbS-Detektor erzielen, der thermoelektrisch auf etwa 30° C gekühlt ist. Falls eine höhere Ansprechempfindlichkeit erforderlich ist, kann ein InSb-Detektor verwendet werden, der bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffs (etwa - 196° C) betrieben wird. Für Wellenlängen oberhalb etwa 5 Mikrometer können PbSnTe mit Cu dotierte Ge, oder mit Hg dotiertes Ge verwendet werden; die jeweilige Wahl hängt von der Wellenlänge, der erforderlichen Ansprechempfindlichkeit und der Möglichkeit der Kühlung auf die Betriebstemperatur ab.

Die Ausgangsgröße des Photodetektors 11 wird in einem Verstärker 12 verstärkt, der gewöhnlich so abgestimmt ist, daß er die niedrigere Frequenz f_m, mit welcher die Wechselzellen in dem Strahlengang eintreten, unterdrückt und das hochfrequente Zerhakkersignal oder die Trägerfrequenz f_c sowie die Seitenbandfrequenzen f_c — JJ_n und /_c + f_m durchläßt. In der einfachsten Form ist der Verstärker 12 somit eine auf die Frequenz f_c des Zerhackers 3 abgestimmte Bandpaßanordnung mit ausreichender Bandbreite, um den durch die doppelte Wechselzellenfrequenz /_m ausgespannten Frequenzbereich durchzulassen. Der Verstärker 12 kann auch eine (nicht dargestellte) Verstärkungsregelung besitzen und zwei oder mehrere Verstärkerstufen aufweisen, wobei eine der Stufen in einer gesonderten Baueinheit nahe dem Photodetektor 11 angeordnet sein kann. Die Ausgangsgröße des Verstärkers 12 wird einem Synchrondemodulator und Tiefpaßfilter 13 zugeführt. Ein Bezugsgeber 14 spricht magnetisch, photoelektrisch oder in anderweitiger bekannter Weise auf die Drehung des Zerhackers 3 an und erzeugt ein elektrisches Signal mit der genauen Zerhackerfrequenz f_c des Zerhackers 3. Dieses elektrische Signal dient als Bezugssignals für den synchronen Demodulator 13. Nach der Demodulation des verstärkten Photodetektorsignals wird eine noch zurückgebliebene Hochfrequenz-Welligkeit durch das (in der Baueinheit 13 enthaltene) Tiefpaßfilter geglättet, welches die Modulationsfrequenz f_m durchläßt und die hohe Trägerfrequenz f_c unterdrückt.

Die geglättete Ausführungsgröße der Demodulator- und Filtereinheit 13 enthält eine als V_c bezeich-

»° nete Gleichstromkomponente und eine als f_m bezeichnete Wechselstromkomponente, welche einem Verstärker- und Synchrondemodulator 15 zugeführt wird, welcher ein synchronisiertes Bezugssignal mit der Frequenz f_m von einem Bezugsgeber 16 erhält. Die Ausgangsgröße des Verstärker-Demodulators 16 ist eine mit V_1n bezeichnete Gleichspannung, welche die Verstimmung zwischen dem die Wechselzelle 6 und dem die Wechselzelle 7 enthaltenden Kanal wiedergibt. V_n bildet die Modulation des Trägersignals V_c.

Eine Anzeigevorrichtung 17 zeigt das Verhältnis VJV₁, das ein Maß der relativen Ungleichheit der Strahlungsenergie in den beiden Kanälen darstellt. Es ist klar, daß für einen gegebenen Wert dieser relativen Ungleichheit oder Verstimmung die Größe V_n, sich

»5 in Abhängigkeit von Änderungen der Quellenstrahlung, der Detektorempfindlichkeit und des Durchlaßvermögens von Fremdstoffen, wie beispielsweise Teilchen an den Fenstern oder im Inneren des Probenbereichs schwanken würde In der beschriebenen Anordnung erzeugen derartige Änderungen jedoch entsprechende Schwankungen auch in V_c, mit der Folge, daß die Größe VJV₁ verhältnismäßig unbeeinflußt bleibt. Bei einer abgewandelten Ausführungsform könnten in der Anzeigevorrichtung 17 die

beiden Eingangssignale Vorrichtungen mit logarithmischer Ansprechcharakteristik zugeführt werden, die eine Ausgangsgröße der einen logarithmischen Vorrichtung könnte dann von der Ausgangsgröße der anderen logarithmischen Vorrichtung abgezogen

werden, um eine Größe zu erhalten, die direkt in Beziehung zu der Menge des zu messenden Gases steht. Alternativ zu der vorstehend beschriebenen Anordnung kann, wie in Fig. 1 durch die mit AGC bezeichnete gestrichelte Linie angedeutet, der Synchronde-

modulator 13 ein automatisches Verstärkungsregelungs-(/4GC)-Signal erzeugen, um den Verstärkungsfaktor des Verstärkers 12 so zu variieren, daß er eine konstante durchschnittliche V_c -Ausgangsgröße liefert. Die Ansprechzeit der /IGC-Schaltung wird hin-

reichend lang gewählt, damit: das System die Modulation von V_c mit der Frequenz f_m durchläßt, während jedoch längerzeitige Schwankungen in V_c entfern! werden. Unter dieser Bedingung wird die Ausgangsgröße V_m des Verstärkers und Synchrondemodulator:

15 proportional der Größe V_nZV₁₁, so daß die der Anzeigevorrichtung 17 zugeordneten Schaltungen entfallen können.

Fig. 3 veranschaulicht das spektrale Prinzip del Wirkungsweise des Analysator. Die graphischer

Darstellungen zeigen die spektrale Durchlässigkeit al« Funktion der WeOenzahl für zwei benachbarte Absorptionslinien eines typischen Gases. Die Abszisse ist in Wellenzahl-Schritten geeicht, wobei der Nullpunkt die Mitte der einen linie darstellt. In Fig. 3 A

H gibt die gestrichehe Lime 3(9 die Durchlässigkeit d« auf hohem Druck befindlichen Gases in der Wechselzefle 7 wieder. Die gestrichelte linie 31 ist die Durch lässigkeit des auf niedrigem Dmck befindlichen Gase;

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in der Wechselzelle 6. Man erkennt, daß die Niederdruck-Absorptionslinien in den Mittelpunkten der Absorptionslinien tiefer liegen und eine stärkere Schwächung anzeigen, während sie zwischen den Linien eine geringere Schwächung zeigen. Die Absorptionslinien sind in der Niederdruckzelle schmaler infolge geringerer Stoßverbreiterung. Die voll ausgezogenen Linien 32 stellen die Differenz zwischen den gestrichelten Linien (Linie 31 subtrahiert von der Linie 30) dar und entsprechen der spektralen Ansprechgröße des Systems. Der Durchschnittswert der Linie 32 kann durch geeignete Steuerung der Absorptionseigenschaften der Wechselzellen auf Null gebracht werden. Mit Hinblick auf die weiter unten folgende Beschreibung der Arbeitsweise ist ersichtlich, daß die Absorption durch irgendein Gas oder ein teilchenförmiges Material in dem Spektralbereich, in welchem die Linie 32 positiv ist, die gleiche Wirkung hervorruft, wie das zu messende Gas. Die Absorption in Bereichen, wo die Linie 32 negativ ist, hat einen entgegengesetzten Effekt zur Folge; d.h. sie verringert den Ableswert der Konzentration des zu messenden Gases. Sie könnte zu einer negativen Ablesung führen, falls die Konzentration des zu messenden Gases niedrig ist.

Im folgenden wird die Wirkungsweise der Vorrichtung nach Fig. 1 beschrieben. Die durchschnittlichen Durchlässigkeiten der beiden den Wechselzellen 6 und 7 zugeordneten optischen Kanäle, werden für den Zustand, wo in dem Probenbereich 9 kein zu messendes Gas vorhanden ist, abgeglichen. Falls tunlich, wird der Probenbereich evakuiert. Andernfalls wird ein Probenbereich verwendet, der wenigstens frei von dem zu messenden Gas ist. Der Abgleich erfolgt in der Weise, daß man den Druck oder die Strahlungsweglänge in einer der Wechselzellen entsprechend einstellt. Alternativ könnte auch ein (nicht dargestelltes optisches oder elektronisches) Schwächungsglied in dem die stärkere Intensität aufweisenden Kanal der beiden Kanäle als endgültige Trimmeinstellung eingebracht werden. Der Abgleichszustand wird dadurch angezeigt, daß die elektrische Ausgangsgröße das kleinste Verhältnis von Modulation zu Trägersignal (d.h. den niedrigsten oder praktisch den Wert Null der Modulation V_m) aufweist.

Die voll ausgezogene Linie 33 in Fig. 3B stellt die spektrale Durchlässigkeit als Funktion der Wellenzahl für die beiden benachbarten Absorptionslinien des in dem Probenbereich 9 vorhandenen Gases dar. Diese Kurve gibt das zu messende Gas in einer geringeren Gesamtmenge als in der Niederdnick-Wechselzelle 6 wieder.

Fig. 3C zeigt graphische Darstellungen der Probendurchlässigkeit, multipliziert mit der jeweiligen Wechselzellendurchlässigkeit sowohl der Hochdruck- und der Niederdruck-Wechselzeue. Dies geschieht, weil die optischen Wege aufeinanderfolgende oder vervielfachte Durchlässigkeitswerte enthalten. Die Kurve 35 stellt die Probendurchlässigkeit 33 multipliziert mit der Hochdruckdurchlässigkeitsknrve dar. Der Unterschied zwischen den Kurven 30 und 35 gibt den Einfluß der Probe auf die Durchlässigkeit während desjenigen Teils jedes Tyldus wieder, während welchem sich die Wechselzelle 7 im Strahlengang befindet.

Die Kurve 34 stellt die Probendurchlässigkeit nach Kurve 33 multipliziert mit der Niederdruck-Durchlässigkeitskurve 31 dar. Der Unterschied zwischen diesen beiden Kurven ist klein, um in Fig. 3C in Erscheinung zu treten und gibt den Einfluß der Probe auf die Durchlässigkeit wieder, wenn sich die Wechselzelle 6 im Strahlengang befindet. Der Einfluß der Probe hat während dieses Teils des Zyklus eine wesentlich geringere Auswirkung als wenn der Strahlengang durch die Wechselzelle 7 verläuft. Nachdem der Strahl die Zelle 6 durchsetzt hat, verbleibt nur wenig Energie im Bereich der Wellenzahlen, wo die Probe absorbiert; somit hat die Probe nur eine kleine Auswirkung. Andererseits verbleibt, nachdem der Strahl die Zelle 7 durchsetzt hat, noch beträchtliche Energie im Bereich der Wellenzahlen, wo die Probe absorbiert. Da der Photodeteklor auf das Integral der

¹S Kurven über das Bandpaßintervall anspricht, erhält er von den beiden optischen Wegen keine abgeglichenen Signale mehr und das an der Anzeigevorrichtung 17 wiedergegebene Modulation/Träger-Verhältnis nimmt zu. Somit wird das Verhältnis V_m/V_c von Modulation zu Träger eine Funktion der Menge des Gases in dem Probenbereich 9.

Indem man die Ausgangsgröße der Synchrondemodulatoren 13 und 15 in der gezeigten Weise in Beziehung setzt, kann die Menge des Gases in der Pro-

»5 benzeile 9 bestimmt werden. Befindet sich in dem Probenbereich 9 teilchenförmige Materie, so wird die Durchlässigkeit in beiden Kanälen verringert, jedoch ändert dies das Verhältnis V_n/ V_c nicht und tritt daher nicht störend in Erscheinung. Man erkennt, daß, falls die Hauptabsorptionslinien eines in dem Probenbereich 9 vorliegenden störenden Gases nahezu mit den starken Absorptionslinien der zu messenden Gasart zusammenfallen, das Störgas einen zu hohen Anzeigewert des Instruments bewirkt. In diesem Falle kann man von einer positiven Korrelation zwischen den Spektralstrukturen der beiden Gasarten sprechen. Falls andererseits die Hauptlinien des Störgases bei Wellenlängen zwischen den starken Absorptionslinien des zu messenden Gases und hinreichend von diesen entfernt liegen, so spricht man von einer negativen Korrelation der Spektralstrukturen, und das Störgas bewirkt eine zu niedrige Anzeige des Instruments. Falls die Spektralstruktur des Störgases keine Korrelation zu der des zu messenden Gases besitzt, wird das Störgas beide Kanäle gleich beeinflussen und daher keine resultierende Änderung des V_m /!^-Verhältnisses zur Folge haben. Gewöhnlich gibt es nur eine sehr geringe Korrelation zwischen den Absorptionslinienstrukturen zweier verschiedener Gasarten über einen mehrere Linien eines der Gase enthaltenden Spektralbereich hin. Daher ist die Diskrimination des Instruments gegenüber anderen Störgasen üblicherweise recht gut.

Fig. 4 veranschaulicht eine alternative Ausführung des elektronischen Teils des Analysators. Das von dem Photodetektor 11 gelieferte Signal wird in einem Breitbandverstärker 40 verstärkt. Das verstärkte Signal wird einem Synchrondemodulator 41 zugeführt der ein Bezugssigna] mit der Trägerfrequenz f_c von

So dem Bezugsgeber 14 (siehe Fig. 1) zugeführt erhält Das verstärkte Signal des Verstärkers 40 wird dann auch einem Tiefpaßfilter 42 zugeführt, das die Modulationsfrequenz f_m durchläßt and die Tragerfrequens f_c unterdrückt. Die Ausgangsgröße des Filters 42 dien*

*5 als Eingang für einen Synchrondemodulator 43, dessen Ausgangsgröße F_1n das Modulationssignal ist. Die Anzeigevorrichtung 44 zeigt das Verhältnis V_m/V_c wie bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung an.

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Wie bei der zuvor beschriebenen Ausführung kann die Verhältnis- oder Quotientenschaltung der Anzeigevorrichtung 44 fortgelassen werden, falls eine (durch die gestrichelte Linie angedeutete) automatische Verstärkungsregelungsschaltung verwendet wird, welche den mittleren oder Durchschnittswert von V_c konstant hält, derart, daß VJ V_c proportional V_m wird. Man erkennt, daß in dem in Fig. 4 dargestellten elektronischen System das hochfrequente Signal f_c nicht als Träger für die Modulationsfrequenz dient.

Bei Verwendung einer der Schaltung nach Fig. 1 oder 4 ist das System unempfindlich für Strahlungsenergie, die von dem Probenbereich 9 oder von irgendwelchen anderen Komponenten zwischen der Wechselzellenanordnung 5 und dem Photodetektor 11 emittiert wird. Falls das Modulationssignal V_1n, wie bei der Schaltung in Fig. 1, von einem Trägersignal getragen wird, ist das System auch unempfindlich für von dem Wechselzellenaggregat emittierte Strahlungsenergie, da diese nicht mit der Frequenz f_c zerhackt ist. Dieser Faktor kann vor allem für die Stabilität bedeutsam sein, wenn die Wechselzellen nicht auf genau der gleichen Temperatur wie die übrigen Teile der Anlage sind. Falls der Probenbereich 9 eine lange atmosphärische Strahlengangsstrecke oder die Rückleitung von einem Schornstein ist, kann es vorteilhaft sein, die Wechselzellen 6 und 7 zwischen dem Probenbereich und dem Photodetektor anzuordnen. Eine derartige optische Anordnung ist unempfindlich für Emission aus dem Probenbereich, falls für die Elektronik das Trägersystem nach Fig. 1 verwendet wird.

Die Schaltungsanordnungen nach Fig. 1 werden üblicherweise denen von Fig. 4 vorgezogen, wenn das-Rauschen des Photodetektors 11 bei der hohen Zerhackerfrequenz kleiner als bei der niedrigeren Modulationsfrequenz ist. Muß die Zerhackung auf verhältnismäßig niedrige Frequenzen beschränkt werden, oder falls das Detektorrauschen bei niedrigen Frequenzen nicht nennenswert größer ist, können die Schaltungen nach Fig. 4 vorzuziehen sein. Bei Verwendung der Schaltungen nach Fig. 4 kann der undurchlässige Teil des Zerhackers 3 kleiner als der offene Teil gemacht werden, um die für die Modulation durch die Wechselzellen verfügbare Strahlungsenergie zu vergrößern. Hierdurch wird V_1n auf Kosten einer Verringerung des Hochfrequenzsignals V_c vergrößert. Jedoch sind die Ansprechempfindlichkeit und die Genauigkeit des Systems gewöhnlich durch das Rauschen bei dem kleineren Signa! V_1n begrenzt, so d iü die Verringerung von V₁ die Gesamtleistungsfähigkeit nicht verringert. Bei Verwendung des Trägersystems (Fig. 1) wird ein maximaler Wert V_1n erhalten, wenn das Verhältnis von offen/geschlossen des Zerhacken 3 den Wert 1 besitzt.

Die folgende Tabelle ist eine Liste von einigen Gasen, die mit dem beschriebenen Gasanalysator untersucht werden können, zusammen mit dem für die Erzielung guter Resultate ausgewählten Spektralbereich.

Tabelle

zu messendes Gas

Kohlenstoffmonoxyd CO

Stickstoffoxyd NO

Schwefddioxyd SO₂

bevorzugter Spektralbereich (Mikron)
4,7 und 2,3

7.4, 8,7 und 4

Schwefeltrioxyd
Fluorwasserstoff
Chlorwasserstoff
Metan und andere
Kohlenwasserstoffe
Stickstoffdioxyd

SO₃
HF
HCl

CH₄
NO,

3,6, 7,2, 18,8 und 20

2,4

3,5

3,1 bis 3,5
sichtbarer und
UV-Bereich

Beispiel 1

Hierbei wurde das System nach Fig. 1, jedoch unter Verwendung der Elektronik nach Fig. 4 zum Nachweis von CO eingesetzt. Die Wechselzelle 7 mit einer Durchlässigkeitsweglänge von 0,23 cm war mit einem unter einem Druck von 6 atm stehenden Gemisch aus

8% CO und 92% N₂ gefüllt. Die Wechselzelle 6 besaß eine Weglänge von 1,5 cm und enthielt reines CO bei einem Druck von 0,18 atm. Das Filter 10 ließ ein Strahlungsenergieband von etwa 4,45 bis 4,80 Mikron durch. Der Probenbereich 9 besaß eine Länge von 125 cm. CO-Konzentrationen von bis herab zu 0,8 ppm in Luft bei einer Atmosphäre konnten ohne weiteres nachgewiesen werden. Die Diskrimination gegenüber CO₂ und H₂O war sehr gut.

Beispiel 2

Es wurde eine Versuchsanordnung ähnlich wie in Beispiel 1 verwendet, wobei der Durchlaßbereich des Bandpaßfilters auf 0,06 Mikron eingeengt und seine

Mittenfrequenz sorgfältig auf eine optimale Lage nahe 4,6 Mikron eingestellt wurde. Dieses System ergab ein CO₂-Diskriminationsverhältnis von mehr als 2XlO⁵. Das bedeutet, daß ein Teil CO im Probenbereich ein größeres Signal als 2 x 10⁵ Teile CO₇ er-

zeugte. Dieses Verhältnis ist annähernd 1Ofach größer wie das in Beispiel 1 ohne besondere Sorgfalt bei der Einstellung des Bandpaß-Durchlaßbereichs erzielte Verhältnis.

In der vorhergehenden Beschreibung wurden ein

spezielles System und zwei elektrische Ausführungsformen beschrieben. An Stelle rotierender Wechselzellen können auch stationäre Zellen und ein System von Spiegeln verwendet werden, um das Strahlungsbündel abwechselnd durch die eine und dann durch die andere Wechselzelle zu leiten. Ein einfacheres System bestünde darin, daß man zwei verschiedene Strahlbündel durch die beiden Wechselzellen führt und auf einen gemeinsamen Detektor fallen läßt. Ein derartiges System hätte gewisse Nachteile, da die beiden, den beiden Wechselzellen entsprechenden optischen Strahlengänge durch verschiedene Teile des Probenbereichs verlaufen und Ungleichförmigkeiten in dem Probenbereich, Langzeitdriften und Rauschen hervorrufen können. Das Filter 10 könnte benachbart der Strahlungsquelle angeordnet werden. Der Zerhacker 3 könnte (vorausgesetzt, daß Emission aus dem Probenbereich kein Problem darstellt) nächst dem Photodetektor 11 oder an einer anderweitigen Stelle innerhalb des Systems angeordnet werden, wo

er auf beide Wechselzellenkanäle in gleicher Weise einwirkt. Des weiteren könnten der Zerhacker 3 und das Wechselzellenaggregat 5 zu einer gemeinsamen Baueinheit zusammengefaßt und von einem einzigen Motor angetrieben werden. Synchrondemodulatoren

ergeben allgemein optimale Signal-ZRauschverhältnisse, brauchen jedoch für mannigfache Anwendungszwecke nicht unbedingt erforderlich zu sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gasanalysator mit einer optischen Strahlungsquelle, mit Einrichtung zur Leitung der Strahlung durch einen das zu analysierende Gas enthaltenden Probenbereich, mit einer Filtereinrichtung zur Beschränkung des Spektrums der Strahlungsquelle auf den Absorptionsbereich des Gases, mit einem bei einer ersten Frequenz arbeitenden Strahlungsmodulator, mit einem hinter dem Probenbereich angeordneten photoelektrischen Wandler, mit an den Wandler angeschlossenen Auswerteschaltungen zur Erzeugung eines der Konzentration des Gases entsprechenden Signals, mit einer ersten Zelle, die Uas zu analysierende Gas bei einem ersten Druck enthält, mit einer zweiten Zelle, die das zu analysierende Gas bei einem zweiten, über dem ersten Druck liegenden Druck enthält, mit einer Einrichtung zur aufeinanderfolgenden Beaufschlagung der ersten und zweiten Zelle mit der Strahlung der Strahlungsquelle, sowie mit Einrichtungen zum Abgleich der beiden Strahlungsintensitäten, die bei Abwesenheit des zu analysierenden Gases während der Anwesenheit der ersten bzw. zweiten Zelle im Strahlengang auf den photoelektrischen Wandler treffen, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (5, 8) zur aufeinanderfolgenden Beaufschlagung der ersten und zweiten Zelle (6 bzw. 7) mit einer im Vergleich zur ersten Frequenz wesentlich niedrigeren Frequenz betrieben ist, und daß die Auswerteschaltungen (12 bis 17; 40 bis 44) zur Bildung des Verhältnisses der im Ausgangssignal des photoelektrischen Wandlers (11) bei der zweiten und ersten Frequenz enthaltenen Signale ausgelegt sind.

2. Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltungen einen Bandpaßverstärker (12), einen bei der ersten Frequenz betriebenen Synchrondemodulator (13) sowie einen an dessen Ausgang angeschlossenen, bei der zweiten Frequenz betriebenen Synchrondemodulator (15) und eine mit den Ausgängen der beiden Synchrondemodulatoren (13, 15) verbundene Schaltung (17) zur Verhältnisbildung aufweisen.

3. Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltungen einen auf die erste Frequenz abgestimmten Breitbandverstärker (40), einen daran angeschlossenen, bei der ersten Frequenz betriebenen Synchrondemodulator (41), ein ebenfalls an den Breitbandverstärker (40) angeschlossenes, die erste Frequenz sperrendes Tiefpaßfilter (42), einen diesem nachgeschalteten, bei der zweiten Frequenz betriebenen Synchrondemodulator (43) und eine mit den Ausgängen der beiden Synchrondemodulatoren verbundene Schaltung i44) zur Verhältnisbildung aufweisen.