DE2326123C3 - Nichtdispersives Infrarot-Fotometer zur Konzentrationsbestimmung eines Analysengases in einem Gasgemisch - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein nichtdi-.oersives Infrarot-Fotometer zur Konzentrationsbestinimung eines Analylengases in einem Gasgemisch der im Oberbegriff des Patentanspruches angegebenen Gattung.

In Verbindung mit der Analyse von Stoffen bzw. der Konzentrationsbestimmung von Stoffen in Hinblick auf ein besonderes Gas werden als Strahlungsdetektoren Doppelschichtabsorptions-Meßkammern verwendet, die mit modulierter Strahlung: beaufschlagt werden.

Hierzu sind Vorrichtungen des sogenannten Zwei-Itrahl- oder Einstrahltyps mit selektiven, gasgefüllten Empfängerkammern bekannt Die meisten dieser nichtdispersiven Analysenvorrichtungen arbeiten nach dem Zweistrahlprinzip, wie dies beispielsweise aus der DE-PS 7 30 478 bekannt ist, um die erforderliche Substraktion des Grundsignals durch Differenzmessung mit einem gleichartigen symmetrischen Referenzstrahlengang zu bewirken. Das System ist optisch so justiert daß ohne Vorabsorption der Analysenküvette die gleichphasige Strahlenmodulation in beiden Emp-Fängerkammern gleich große Signale (Temperatur-/ Druckimpulse) erzeugt die siich am Detektor (Thermotonde/Membrankondensator) aufheben. Enthält das kießgas in der Analysenküvette die Meßkomponente, Io wird ein Teil der Strahlungsleistung konzentrations- »bhängig bereits vorabsorbiert und das Gleichgewicht der Empfängersignale aufgehoben.

Da jedoch alle geringfügigen Änderungen der Symmetrie der Strahlenwege, z.B. durch optische Dejustierung, Strahlenalterung, Küvettenverschmutaung und jede nichtselektive Vorabsorption, das Gleichgewicht der Empfängersignale ebenfalls stören können, ist die Nullpunkt'Stabilität und Selektivität dieser Vorrichtung für hochempfindliche Meßbereiche unzureichend. Da außerdem die Differenz großer thermopneumatischer Empfängersignale zu bilden ist, muß die Amplitude und Phase dieser Signale besonders stabil sein, was sich bei Spurenmeßbereichen nur durch genaue Thermostatisierung solcher Geräte annähernd erreichen läßt

Eine Weiterentwicklung der Zweistrahlgeräte verwendet eine gemeinsame Empfängerkammer für die gegenphasig modulierte Meß- und Referenzstrahlung.

ίο Die Signaldifferenz wird dabei unmittelbar in demselben Absorptionsvolumen der Meßkammer gebildet Es besteht jedoch wiederum der bereits beschriebene nachteilige Einfluß von Änderungen der Strahlungssymmetrie auf die Nullpunkt-Stabilität

Diese Schwierigkeiten werden mit sogenannten Einstrahl-Doppelschicht-Absorptionsmeßkammern gemäß DE-PS 10 17 385 verringert, die zwei optisch hintereinander liegende, durch ein Fenster pneumatisch getrennte Gasvolumen besitzen. Durch die vordere kürzere Schicht wird vorzugsweise Strahlungsleistung aus den Zentren und durch die dahinter liegende Schicht sus den Flanken jeder Absorpiionsknsc absorbiert Beide Anteile sind durch die Kammer-Geometrie und Füllgas-Konzentration so abgeglichen, daß nahezu gleich große Signalimpulse erzeugt werden, die am Detektor im Gleichgewicht stehen. Durch die selektive Vorabsorption (Meßeffekt) in der Aralysenküvette, deren Schichtstärke dem Meßbereich angepaßt ist, wird vorwiegend nur die Strahlungsleistung für die vordere Absorptionsschicht geschwächt, während die der hinteren weitgehend erhalten bleibt Die daraus resultierende Signaldifferenz ist von der Konzentration der Meßkomponente abhängig. Für einen einwandfreien Nullabgleich müssen die pneumatischen Signalimpulse in Amplitude und Phase übereinstimmen, was infolge der unterschiedlichen Geometrie der Absorptionsvolumina und der somit unterschiedlichen Zeitkonstante von Gaserwärmung und -abkühlung nur schwierig durch pneumatische Nebenschlüsse und Laufzeitglieder aus Kapillaren und Totvolumen odei durch spezielle Formgebung der Kammer abstimmbar ist

Ein nichtdispersives Infrarot-Fotometer der eingangs bezeichneten Gattung ist beispielsweise aus der DE-AS 13 02 592 bekannt Bei dieser Vorrichtung wird das Auftreten großer Impulssignale dadurch unterdrückt, daß die Strahlung in zwei gegenphasig modulierte Anteile zerlegt wird, von denen einer den Meß- und der andere den Referenzraum einer geteilten Analysenküvette durchläuft Danach fällt in die gemeinsame

so Meßkammer eine nahezu zeitlich konstante Strahlungsintensität ein, die den Detektor in thermopneumatischem Gleichgewicht hält Nur bei selektiver Vorabsorption im Analysenraum der Küvette erhält die Meßkammer eine selektiv modulierte Strahlungsdifferenz, die zwischen beiden Absorptionsschichten eine Signaldifferenz erzeugt Für das Meßsignal gilt:

l/l

ΛΗ/·.,

K₂).

Hierbei bedeuten / die Strahlungsintensitäten hinter der Küvette Und £Ί und Ei die je Volumeneinheit und Intensitätseinheit in der ersten bzw. zweiten Schicht des Empfängers absorbierten Strahlungsenergien.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nullpunkt-Stabilität und den Signalstörabstand bei einem nichtdispersiven Infrarot^Fotometer der eingangs bezeichneten Gattung zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichenteil des Patentanspruchs angegebenen Merkmale gelöst

Das Gesamtprinzip des erfindungsgemäßen nichtdispersiven Infrarot-Fotometars ist also dadurch gekennzeichnet, daß auf jeder Seite der Meßkammer je ein Strahler, Reflektor, eine Doppelküvette, eine Blende in symmetrischer Anordnung vorgesehen sind.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft und unter Bezugnahme auf die Zeichnung weiter ins einzelne gehend erläutert, wobei in der Zeichnung der Aufbau eines einachsigen Fotometers dargestellt ist

Bei dieser Ausführungsform besitzt das Fotometer nur eine Hauptachse. Die von den beiden diametral gegenüberliegenden Strahlern 1 mit Reflektoren 2 ausgehende Infrarot-Emission wird von den mit einem gemeinsamen Motor Mangetriebenen Blendenscheiben 4 periodisch so unterbrochen, daß jeweils wechselseitig zwei intensitätsgleiche Strahlungsanteile durch Meß- und Referenzraum der gegenüberliegenden Küvetten gleichzeitig in die thermopneumatische Doppelschicht-Absorptions-Meßkammer 8 einfallen. In jeder Absorptionsschichl bildet sich somit gleichsam die Signalsumme der Absorptionsenergien von Strahlung uiraitteibar aus der Küvette und Strahlung aus der Nachbarschaft Infolge der Doppel-Symmetrie der Anordnung werden stets gleich große Strahlungsenergien E in den Kammerschichten absorbiert Da somit in jeder Modulationsphase dynamisches Signalgleichgewicht besteht, bleibt der Detektor 5 im statischen Gleichgewicht Eventuell statische Druckunterschiede oder Konzentrationsdifferenzen der Gasfüllung gleichen sieb über die Verbindungskapillare 6 aus. Um keinen Signalverlust zu erleiden, ist die pneumatische Zeitkonstante hierzu größer als die Modulationsperiode.

Diese Anordnung ist somit besonders stabil hinsichtlich des Nullpunktabgleichs; sie liefert das räumlich und zeitlich gemittelte Signal:

S₃ * (E - aE). (Z₁₁ - I_n) - (Z₂₁ - Z₂₂). (2)

Verglichen mit der Signalgröße nach Gleichung (1) bisher bekannter Fotometer liefert das erfindungsgemäße Fotometer doppelt so große Signale, da gemäß Nullabgleichbedingungen Zn=Za und I\i=h\ ist Das Fotometer ist daher vorteilhaft für die Bestimmung von Spurenkonzentrationen geeignet Darüber hinaus besitzt es den Vorteil, daß infolge der gleichen Dicke der Absorptionsschichten der Meßkamme" 3 Querempfindlichkeiten durch Bandenüberlappung von Störgasen auskompensiert werden und daß das Signal nicht als Differenz großer Werte entsteht sondern sich auf dem statischen Gleichgewicht aufbaut Die Meßkaminer-Konstruktion ist einfach und wegen des symmetrischen Aufbaus hinsichtlich Phasenbeziehungen der Signale stets von selbst abgeglichen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Nichtdispersives Infrarot-Fotometer zur Konzentrationsbestimmung eines Analysengases in einem Gasgemisch, mit einem ersten Infrarotstrahler, einer diesem nachgeordneten, einen MeB- und einen Referenzraum umfassenden ersten Doppelküvette, einer ersten Modulationsblende zur wechselweisen Unterbrechung der Strahlengänge durch den Meß- und den Referenzraum, einem der ersten Doppelküvette nachgeordneten Doppelschichtenempfänger sowie mit Einrichtungen zur Messung der Differenz der in den beiden Empfäingerschichten des Doppelschichtempfängers absorbierten Strahlungsenergien, dadurch gekennzeichnet, daß die dem ersten Infrarotstrahler (1) abgewandte Seite der zweiten Empfängerschicht strahlungsdurchlässig ausgebildet ist, daß die beiden Empfängerschichten gleich dimensioniert sind, daß ein zweiter Infrarotstrahler (1), «ine zweite Doppelküvette (3) sowie cmc £Wcilc lYiuuuiauutiauieiiuc yr) ^£.115111,11 uw Doppelschichtempfängers (8) symmetrisch zu dem ersten Infrarotstrahler (1) bzw. der ersten Doppelküvette (3) bzw. der ersten Modulationsblende (4) angeordnet sind und daß die Strahlengänge durch den Meß- und den Referenrraum der zweiten Doppelküvette (3) in Gegenphase zu den Strahlengängen durch den Meß- und den Referenzraum der ersten Doppelküvette (3) moduliert sind.