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WO2006002740A1 - Nichtdispersiver infrarot-gasanalysator - Google Patents

Nichtdispersiver infrarot-gasanalysator Download PDF

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Publication number
WO2006002740A1
WO2006002740A1 PCT/EP2005/006194 EP2005006194W WO2006002740A1 WO 2006002740 A1 WO2006002740 A1 WO 2006002740A1 EP 2005006194 W EP2005006194 W EP 2005006194W WO 2006002740 A1 WO2006002740 A1 WO 2006002740A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
detector
measuring
gas analyzer
dispersive infrared
cuvette
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/EP2005/006194
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Walter Fabinski
Carsten Rathke
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 Patent GmbH
Original Assignee
ABB Patent GmbH
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 Patent GmbH filed Critical ABB Patent GmbH
Priority to US11/630,919 priority Critical patent/US20080011952A1/en
Publication of WO2006002740A1 publication Critical patent/WO2006002740A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • 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
    • 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
    • G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • 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
    • G01N21/59—Transmissivity
    • G01N21/61—Non-dispersive gas analysers

Definitions

  • the invention relates to a non-dispersive infrared gas analyzer for determining a measuring gas containing a plurality of gas components, comprising a radiation source, a modulation device, a measuring cuvette comprising a measuring chamber and a comparison chamber, and an optopneumatic detector unit.
  • NDIR non-dispersive infrared spectroscopy
  • the basic structure of a gas analyzer is essentially always the same.
  • the radiation emitted by a radiation source radiates through a measuring cuvette with the gas to be measured and strikes a detector. On the way through the measuring cuvette, the initial intensity emitted by the radiation source is transmitted
  • the beam path still a comparison beam path to produce a higher zero-point stability.
  • the measuring cuvettes are double - with a measuring chamber and a comparison chamber - executed.
  • US 5,163,332 describes an NDIR gas analyzer with a measuring cuvette which can be operated in diffusion mode.
  • the measuring cuvette consists of a closed tube which has a plurality of discrete gas access openings distributed over the tube length.
  • the gas exchange takes place via a membrane, which is clamped in the gas access openings. Due to the membrane system, the measurement setup is disadvantageously complicated.
  • Such devices are often used in practice to measure large and small concentrations.
  • One example is the detection of small concentrations of CO and large concentrations of CO 2 in combustion engineering.
  • the configuration of the gas analyzer is done by adapting different cuvette lengths.
  • An optimal configuration is achieved, for example, by a short cuvette for the large concentration and a long cuvette for the small concentration.
  • This requires two NDIR gas analyzers or two optical paths in one NDIR gas analyzer.
  • this disadvantageously requires an increased effort, in particular for the hardware and for the calibration.
  • the desired linear relationship of concentration and output current requires electronic linearization measures.
  • an extinction along the radiation path through the measuring cuvette is observed.
  • the measurement range is limited by a maximum product of cuvette length and concentration.
  • the extinction is the nonselective general attenuation of radiation by gases or solids to understand.
  • the extinction also weakens the original signal and generally simulates absorption within the NDIR gas analyzer. For this reason, the cuvette lengths can not be chosen arbitrarily long.
  • the present invention has for its object to provide a non-dispersive infrared gas analyzer for the simultaneous measurement of multiple components of a gas, in which the mentioned disadvantages are avoided, the gas analyzer is characterized with high sensitivity and accuracy by a simple structure.
  • the optopneumatic detector unit has a first detector which is filled with the gas component A for measuring the gas component A. Behind the first detector, a second detector is arranged, which is filled to measure the gas component B with its isotope B *. It is particularly advantageous here that only a single measuring cuvette is used in order to achieve the same dynamic profile for the various gas components.
  • a plurality of series-connected detectors are used, which selectively measure the individual gas components. It should be noted, however, that the possible gas components or the corresponding selected absorption bands must be selected such that each detector has a maximum absorption for the gas component to be measured and correspondingly transparent to the component to be detected in the subsequent detector. Since the series-connected detectors comprise small volumes of gas, the extinctions arising in the detectors are negligible. According to the present invention, the infrared
  • the optopneumatic, first detector is filled with the gas component A, which has the smaller concentration in the measurement gas. Behind the first detector (receiver) is the second detector (receiver). This second detector is expediently filled with the stable isotope B * of the gas component B.
  • the sample gas consists of a mixture of the base gas concentration and its isotopes. Stable isotopes are also contained in the sample gas.
  • the concentration of the isotope of the gas component B is generally in a fixed ratio to the concentration of the base gas component. In other words, it should be noted that the measurement gas is present in the natural isotope diversity.
  • the natural CO 2 consists of about 98.9 percent 12CO 2 and a share of about 1, 1 percent 13CO 2 .
  • the concentration of 13 CO 2 to 12CO 2 in air and in combustion gases from fossil fuels does not fluctuate more than 2 per thousand, so that for most technical processes the isotope ratio can be assumed to be sufficiently constant.
  • the 13CO 2 can be measured. According to the invention, the measurement of CO 2 over the 13C0 2 concentration with a 100-fold longer cuvette than for
  • Base gas component determined. If the composition of CO 2 changes, then the largely constant small proportion of 13CO 2 also changes in a proportional manner. It should be noted, however, that there is a concentration about 100 times smaller than when total CO 2 or 12 CO 2 is measured. Consequently, the absorption in the cuvette is again so small that the largest possible residual light signal reaches the detector unit. Consequently, it is possible to generally apply the representative measurement of 13CO 2 as a representative of CO 2 to other molecules such as CO or CH 4 and others. In the case of a sample gas with the gas components A and B, according to the invention, the first detector measures directly, ie not isotope-selectively, because of the smaller proportion A.
  • the second detector behind it filled with the isotope B *, measures the isotope to B as a representative of B concentration. It should be noted that the first detector is largely transparent to the B * band in this frequency range. For this reason, the absorption band of A must not coincide with B *.
  • the radiator can be designed here as an infrared radiator whose radiation is modeled by the modulation device and after irradiation with the zu measuring gas-filled measuring devices in the first detector enters through the radiation-transmissive window. The radiation penetrates the first detector and leaves it through another radiation-transmissive window and enters the second detector through another radiation-transmissive window.
  • the first and / or the second detector may be formed as a 2-layer detector.
  • the two-layer detector preferably comprises a measuring-detector chamber and a comparison-detector chamber, which are arranged one behind the other in the direction of radiation.
  • an electrical signal is capacitively generated between these chambers according to the optopneumatic effect.
  • the first front chamber into which the radiation signal coming from the measuring cuvette enters is the actual measuring detector chamber.
  • the second chamber arranged behind it is preferably optically passive, that is to say that the radiation signal does not penetrate into the second chamber.
  • the second chamber is preferably only pneumatically connected to the first chamber via a membrane capacitor, but optically separated from the first chamber.
  • a filter device can be switched.
  • the filter device is arranged between the measuring cuvette and the detector unit.
  • the filter device has a filter cuvette which is filled with the gas component B. This filter cuvette filled with the gas component B attenuates the dominant B main bands so far that it is possible to work with the following B detector in a flatter and therefore more favorable region of the characteristic curve.
  • the filter cuvette can be formed integrally with the measuring cuvette. No filtering is necessary between the first and second detectors in the present invention.
  • a calibration device between the measuring cuvette and the detector unit can be arranged.
  • the calibration device may comprise a calibration cuvette which is filled with a gas mixture of A and B *.
  • the calibration cuvette can advantageously be pivoted into the beam path between the measuring cuvette and the first detector.
  • an opto-pneumatic detector unit is provided, in which the first and the second detector are interchanged.
  • the modulation device interrupts the radiation of the radiation source in antiphase.
  • the modulation device arranged between the radiation source and the measuring cuvette can be designed as a chopper disc.
  • the chopper disc periodically interrupts the incident radiation in antiphase, so that radiation alternately passes into the measuring chamber and into the comparison chamber of the measuring cuvette. With the help of the chopper disc, residual light or stray light is eliminated, so that only the light of the radiation source, which is chopped with a fixed frequency, is the basis for the electronic evaluation of the signal.
  • the measuring cuvette expediently has an inner wall surface formed with a metal layer.
  • the metal layer may, for example, have a certain amount of aluminum. This ensures that a high reflection is achieved within the measuring cuvette and at the same time the cross sensitivity of the gas analyzer is reduced against water vapor.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a non-dispersive infrared gas analyzer according to the invention
  • Detector unit is arranged.
  • the gas analyzer 1 shows a non-dispersive infrared gas analyzer 1, which has an infrared radiation source 2 for generating a broadband infrared radiation.
  • the gas analyzer 1 comprises a measuring cuvette 4, which is flowed through an inlet 10 and an outlet 11 with the measuring gas to be analyzed, which contains a plurality of components whose proportions are to be determined.
  • the measuring cuvette 4 is irradiated by the radiation source 2, wherein the infrared radiation by a
  • Modulation device 3 "chopped" is.
  • the modulation device 3 is designed as a chopper disc 3, which can be driven for example by a motor, not shown.
  • the light emerging from the measuring cuvette 4 passes into an optopneumatic detector unit 5, which consists of a first detector 5a and a second detector 5b arranged behind the first detector 5a.
  • the first and second detectors 5a, 5b are formed as a 2-layer detector.
  • the 2-layer detector 5a, 5b each consists of a measuring-detector chamber 8 and a comparison-detector chamber 9.
  • the comparison-detector chamber 9 and the measuring-detector chamber 8 are in this case pneumatically connected to each other.
  • Pressure differences in the detector chambers 8, 9 of the first and the second detector 5a, 5b are amplified by an amplifier (not shown) and fed into an evaluation unit, not shown, which outputs the measurement results to various output devices.
  • the measuring cuvette 4 has a measuring chamber 4a and a comparison chamber 4b, through which the infrared radiation passes. Furthermore, the first and the second detector 5a, 5b have transmittable radiation windows 6 transversely to the direction of radiation.
  • the first opto-pneumatic detector 5a arranged behind the measuring cuvette 4 is filled with the gas component A, which measures it directly.
  • the downstream second detector 5b is filled to measure the gas component B with its isotropic B *.
  • the gas component A has in this case the much smaller proportion than the gas component B in the sample gas contained.
  • the second detector 5b thus measures the concentration of B * representative of the gas component B and in doing so closes the concentration of B.
  • the first detector 5a is optical with respect to the gas component B * to be measured or its characteristic absorption bands transparent.
  • further detectors can be provided for further gas components, which are then simply lined up behind the other two detectors 5a, 5b (not shown).
  • FIG. 2 shows a non-dispersive infrared gas analyzer 1 according to FIG. 1, wherein a filter device 7 is arranged between the measuring cuvette 4 and the optopneumatic detector unit 5.
  • the filter device 7 is designed as a filter cuvette which is filled with the gas component B.
  • the filter cuvette 7 may be formed integrally with the measuring cuvette 4.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen nichtdispersiven Infrarot-Gasanalysator (1) zur Bestimmung eines mehrere Gaskomponenten enthaltenden Messgases, mit einer Strahlungsquelle (2), einer Modulationseinrichtung (3), einer Messküvette (4), die eine Messkammer (4a) und eine Vergleichskammer (4b) umfasst, und eine optopneumatische Detektoreinheit (5), die einen ersten Detektor (5a), der mit der Gaskomponente A zur Messung der Gaskomponente A gefüllt ist, und einen hinter dem ersten Detektor (5a) angeordneten zweiten Detektor (5b) aufweist, der zur Messung der Gaskomponente B mit seinem Isotop B* gefüllt ist.

Description

ABB Patent GmbH 07.06.2005 Wallstadter Strasse 59 71971 SM/SP 68526 Ladenburg
Nichtdispersiver Infrarot-Gasanalysator
Die Erfindung betrifft einen nichtdispersiven Infratrot-Gasanalysator zur Bestimmung eines mehrere Gaskomponenten enthaltenen Messgases, mit einer Strahlungsquelle, einer Modulationseinrichtung, einer Messküvette, die eine Messkammer und eine Vergleichskammer umfasst, sowie mit einer optopneumatischen Detektoreinheit.
Die Gasanalyse mit Hilfe von Messgeräten, die nach dem Prinzip der nichtdispersiven lnfrarotspetroskopie (NDIR) arbeiten, ist seit langem bekannt. Die Einsatzbereiche sind weitgespannt und umfassen unter anderem die Rauchgasanalytik, die Prozessmesstechnik in der chemischen Verfahrenstechnik sowie neuerdings verstärkt den Bereich Raumluftmessung und Klima- bzw. Luftgüteregelung in Gebäuden.
Der prinzipielle Aufbau eines Gasanalysators ist im Wesentlichen stets gleich. Die von einer Strahlungsquelle emittierte Strahlung durchstrahlt eine Messküvette mit dem zu messenden Gas und trifft auf einen Detektor. Auf dem Weg durch die Messküvette wird die von der Strahlungsquelle abgestrahlte Anfangsintensität durch
Absorptionsprozesse abgeschwächt. Für den Zusammenhang zwischen der zu bestimmenden Gaskonzentration und Intensitätsabschwächung gilt das Lambert- Beer'sche Gesetz. Die Erzeugung eines Detektorsignals mit ausreichendem Signal/Rausch-Verhältnis erfordert eine Modulation der vom Strahler ausgehenden Strahlung. Das zu messende Gas gelangt entweder im Diffusionsbetrieb oder mit Hilfe einer Pumpe in die Messküvette. Der Detektor erfasst die Strahlungsminderung und wandelt die im Detektor auftretenden Druckstöße in ein elektrisches Signal um. Da die Absorptionslinien der Messkomponente mit denen des Detektor-Füllgases koinzidieren, entsteht im allgemeinen eine hohe Selektivität. Zwar haben andere Gase ein Absorptionsspektrum, das von dem der Messkomponente abweicht, jedoch kann es zu Überlappungen der Spektren kommen. In solchen Fällen ist die entstehende Querempfindlichkeit ein begrenzender Faktor.
Im Allgemeinen benötigt man für derartige Gasanalysatoren neben dem
Messstrahlengang noch einen Vergleichsstrahlengang, um eine höhere Null-Punkt- Stabilität herzustellen. Dazu werden die Messküvetten doppelt - mit einer Messkammer und einer Vergleichskammer - ausgeführt.
Die US 5,163,332 beschreibt einen NDIR - Gasanalysator mit einer Messküvette, der im Diffusionsmodus betrieben werden kann. Die Messküvette besteht dabei aus einem geschlossenen Rohr, welches mehrere, über die Rohrlänge verteilte diskrete Gaszugangsöffnungen besitzt. Der Gasaustausch erfolgt über eine Membran, die in den Gaszugangsöffnungen aufgespannt ist. Durch das Membransystem ist der Messaufbau nachteiligerweise kompliziert.
Derartige Vorrichtungen werden in der Praxis häufig zu Messung von großen und kleinen Konzentrationen verwendet. Ein Beispiel ist in der Verbrennungstechnik die Ermittlung von kleinen Konzentrationen von CO und großen Konzentrationen von CO2. Die Konfiguration des Gasanalysators erfolgt hierbei durch eine Anpassung verschiedener Küvettenlängen. Eine optimale Konfiguration wird beispielsweise durch eine kurze Küvette für die große Konzentration und eine lange Küvette für die kleine Konzentration erreicht. Hierzu sind zwei NDIR-Gasanalysatoren oder zwei Strahlengänge in einem NDIR-Gasanalysator notwendig. Diese erfordert jedoch nachteiligerweise einen erhöhten Aufwand insbesondere für die Hardware und für die Kalibrierung.
Des Weiteren ist es allgemein bekannt, dass der gewünschte lineare Zusammenhang von Konzentration und Ausgangsstrom elektronische Maßnahmen zur Linearisierung erfordert. Neben der reinen Absorption ist eine Extinktion entlang des Strahlungsweges durch die Messküvette festzustellen. Somit ist der Messbereich durch ein maximales Produkt von Küvettenlänge und Konzentration begrenzt. Hierbei ist unter der Extinktion die nichtselektive allgemeine Schwächung von Strahlung durch Gase oder Festkörper zu verstehen. Auch die Extinktion bewirkt eine Schwächung des ursprünglichen Signals und täuscht im Allgemeinen eine Absorption innerhalb des NDIR- Gasanalysators vor. Aus diesem Grunde können die Küvettenlängen nicht beliebig lang gewählt werden.
Die vorliegende Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen nichtdispersiven Infrarot- Gasanalysator zum gleichzeitigen Messen von mehreren Komponenten eines Gases zu schaffen, bei dem die genannten Nachteile vermieden werden, wobei der Gasanalysator sich bei hoher Empfindlichkeit und Genauigkeit durch einen einfachen Aufbau auszeichnet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen wiedergegeben.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die optopneumatische Detektoreinheit einen ersten Detektor aufweist, der mit der Gaskomponente A zur Messung der Gaskomponente A gefüllt ist. Hinter dem ersten Detektor ist ein zweiter Detektor angeordnet, der zur Messung der Gaskomponente B mit seinem Isotop B* gefüllt ist. Besonders vorteilhaft ist hierbei, dass nur eine einzige Messküvette eingesetzt wird, um den gleichen dynamischen Verlauf für die verschiedenen Gaskomponenten zu erzielen. Erfindungsgemäß werden mehrere in Reihe hintereinander geschaltete Detektoren eingesetzt, die selektiv die einzelnen Gaskomponenten messen. Zu beachten ist hierbei jedoch, dass die möglichen Gaskomponenten beziehungsweise die entsprechend gewählten Absorptionsbanden derart gewählt werden müssen, dass jeder Detektor für die zu messende Gaskomponente eine maximale Absorption aufweist und für die Komponente, die im nachfolgenden Detektor nachgewiesen werden soll, entsprechend transparent ist. Da die in Reihe geschalteten Detektoren geringe Gasvolumina umfassen, sind die in den Detektoren entstehenden Extinktionen vernachlässigbar. Gemäß der vorliegenden Erfindung erweist der Infrarot-
Gasanalysator eine lange Messküvette auf, die auf die Komponente mit der kleinen Konzentration abgestimmt ist. Der optopneumatische, erste Detektor ist mit der Gaskomponente A, die die kleinere Konzentration im Messgas aufweist, gefüllt. Hinter dem ersten Detektor (Empfänger) befindet sich der zweite Detektor (Empfänger). Dieser zweite Detektor ist zweckmäßigerweise mit dem stabilen Isotop B* der Gaskomponente B gefüllt. Es ist allgemein bekannt, dass das Messgas aus einer Mischung aus der Grundgaskonzentration und seinen Isotopen besteht. Hierbei sind auch stabile Isotope im Messgas enthalten. Des Weiteren ist es bekannt, dass die Konzentration des Isotopes der Gaskomponente B im Allgemeinen in einem festen Verhältnis zur Konzentration der Grundgaskomponente steht. In anderen Worten ist festzustellen, dass das Messgas in der natürlichen Isotopenvielfalt vorliegt. Beispielsweise besteht das natürliche CO2 aus circa 98,9 Prozent 12CO2 und aus einem Anteil von circa 1 ,1 Prozent 13CO2. Die Konzentration von 13 CO2 zu 12CO2 in Luft und in Verbrennungsgasen von fossilen Brennstoffen schwankt nicht mehr als 2 Promille, so dass für die meisten technischen Prozesse das Isotopenverhältnis als ausreichend konstant angenommen werden kann. Folglich kann anstelle von 12CO2 das 13CO2 gemessen werden. Erfindungsgemäß wird die Messung von CO2 über die 13C02-Konzentration mit einer 100-fachen längeren Küvette als für die
Grundgaskomponente ermittelt. Ändert sich die Zusammensetzung von CO2, so ändert sich repräsentativ auch der weitgehend konstante kleine Anteil an 13CO2 in proportionaler Weise. Zu beachten ist jedoch, dass hier eine etwa 100-mal kleinere Konzentration vorliegt, als wenn CO2 insgesamt beziehungsweise 12CO2 gemessen wird. Folglich ist die Absorption in der Messküvette wiederum so klein, dass ein möglichst großes Lichtrestsignal zur Detektoreinheit gelangt. Folglich ist es möglich, die Repräsentantenmessung von 13CO2 als Repräsentant für CO2 generell auch auf andere Moleküle anzuwenden, wie beispielsweise auf CO oder CH4 und andere. Bei einem Messgas mit den Gaskomponenten A und B misst erfindungsgemäß der erste Detektor beispielsweise wegen des kleineren Anteils A direkt, also nicht isotopenselektiv. Der dahinter geschaltete zweite Detektor, der mit dem Isotop B* gefüllt ist, misst das Isotop zu B als Repräsentant zur B-Konzentration. Zu beachten ist hierbei, dass der erste Detektor gegenüber der B*-Bande in diesem Frequenzbereich weitestgehend transparent ausgestaltet ist. Aus diesem Grund darf die Absorptionsbande von A nicht mit von B* zusammenfallen.
Der Strahler kann hierbei als Infrarotstrahler ausgebildet sein, dessen Strahlung durch die Modulationseinrichtung modelliert wird und nach Durchstrahlung der mit dem zu analysierenden Messgas gefüllten Messgeräte in dem ersten Detektor durch das strahlungsdurchlässige Fenster eintritt. Die Strahlung durchdringt den ersten Detektor und verlässt diesen durch ein weiteres strahlungsdurchlässiges Fenster und tritt durch ein weiteres strahlungsdurchlässiges Fenster in den zweiten Detektor ein.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der erste und/oder der zweite Detektor als 2-Schicht-Detektor ausgebildet sein. Hierbei umfasst vorzugsweise der 2-Schicht-Detektor eine Mess-Detektor-Kammer und eine Vergleichs-Detektor- Kammer, die in Strahlungsrichtung hintereinander angeordnet sind. Vorzugsweise wird zwischen diesen Kammern kapazitiv nach dem optopneumatischen Effekt ein elektrisches Signal erzeugt. Die erste vordere Kammer, in die das von der Messküvette kommende Strahlungssignal eintritt, ist die eigentliche Mess-Detektor-Kammer. Die dahinter angeordnete zweite Kammer ist vorzugsweise optisch passiv, das heißt, dass das Strahlungssignal nicht in die zweite Kammer dringt. Die zweite Kammer ist vorzugsweise mit der ersten Kammer über einen Membrankondensator lediglich pneumatisch verbunden, jedoch optisch von der ersten Kammer getrennt.
Um die Querempfindlichkeit von der Gaskomponente B auf B* zu unterdrücken, kann in dem Strahlengang vor der Detektoreinheit - insbesondere vor dem zweiten Detektor, der mit dem Isotop B* gefüllt ist - eine Filtervorrichtung geschaltet werden. Vorzugsweise ist die Filtervorrichtung zwischen der Messküvette und der Detektoreinheit angeordnet. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Filtervorrichtung eine Filterküvette auf, die mit der Gaskomponente B gefüllt ist. Diese mit der Gaskomponente B gefüllte Filterküvette dämpft die dominanten B-Hauptbanden soweit, dass man mit dem nachfolgenden B-Detektor in einem flacheren und damit günstigeren Bereich der Kennlinie arbeiten kann. In einer weiteren Alternative der Erfindung kann die Filterküvette einstückig mit der Messküvette ausgebildet sein. Zwischen dem ersten und dem zweiten Detektor ist bei der vorliegenden Erfindung keine Filterung notwendig.
Vorteilhafterweise ist eine Kalibriervorrichtung zwischen der Messküvette und der Detektoreinheit anordenbar. Hierbei kann die Kalibriervorrichtung eine Kalibrierküvette umfassen, die mit einem Gasgemisch aus A und B* gefüllt ist. Die Kalibrierküvette kann vorteilhafterweise in den Strahlengang zwischen der Messküvette und dem ersten Detektor eingeschwenkt werden.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist eine optopneumatische Detektoreinheit vorgesehen, bei der der erste und der zweite Detektor vertauscht sind.
Erfindungsgemäß unterbricht die Modulationseinrichtung die Strahlung der Strahlungsquelle gegenphasig. Die zwischen Strahlungsquelle und Messküvette angeordnete Modulationseinrichtung kann als Chopper-Scheibe ausgebildet sein. Die Chopper-Scheibe unterbricht die einfallende Strahlung periodisch gegenphasig, so dass abwechselnd Strahlung in die Messkammer und in die Vergleichskammer der Messküvette gelangt. Mit Hilfe der Chopper-Scheibe wird Restlicht oder Streulicht eliminiert, so dass nur das Licht der Strahlungsquelle, das mit einer festen Frequenz gechoppt ist, als Basis für die elektronische Auswertung des Signals ist.
Zweckmäßigerweise weist die Messküvette eine innere, mit einer Metallschicht ausgebildete Wandfläche auf. Die Metallschicht kann beispielsweise eine bestimmten Anteil an Aluminium aufweisen. Hierdurch wird erreicht, dass eine hohe Reflektion innerhalb der Messküvette erreicht wird und gleichzeitig die Querempfindlichkeit des Gasanalysators gegen Wasserdampf vermindert wird.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen:
Fig.1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen nichtdispersiven Infrarot-Gasanalysators und
Fig.2 ein nichtdispersiver Infrarot-Gasanalysator gemäß Fig.1 mit einer Filtervorrichtung, die zwischen der Messküvette und der optopneumatischen
Detektoreinheit angeordnet ist.
In Fig.1 ist ein nichtdispersiver Infrarot-Gasanalysator 1 dargestellt, der eine Infrarot- Strahlungsquelle 2 zur Erzeugung einer breitbandigen Infrarot-Strahlung aufweist. Der Gasanalysator 1 umfasst eine Messküvette 4, die durch einen Eingang 10 und einen Ausgang 11 mit dem zu analysierenden Messgas beströmt wird, das mehrere Komponenten enthält, deren Anteile bestimmt werden sollen. Die Messküvette 4 wird von der Strahlungsquelle 2 durchstrahlt, wobei die Infrarotstrahlung durch eine
Modulationseinrichtung 3 "zerhackt" wird. Hierbei ist die Modulationseinrichtung 3 als eine Chopper-Scheibe 3 ausgebildet, die beispielsweise durch eine nicht dargestellten Motor angetrieben werden kann. Das aus der Messküvette 4 austretende Licht gelangt in eine optopneumatische Detektoreinheit 5, die aus einem ersten Detektor 5a und einem hinter dem ersten Detektor 5a angeordneten zweiten Detektor 5b besteht. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der erste und der zweite Detektor 5a, 5b als ein 2-Schicht-Detektor ausgebildet. Der 2-Schicht-Detektor 5a, 5b besteht jeweils aus einer Mess-Detektor-Kammer 8 und einer Vergleichs-Detektor-Kammer 9. Die Vergleichs-Detektor-Kammer 9 und die Mess-Detektor-Kammer 8 sind hierbei pneumatische miteinander verbunden. Die von einem Strömungsfühler erfassten
Druckunterschiede in den Detektorkammern 8, 9 des ersten und des zweiten Detektors 5a, 5b werden von einem Verstärker (nicht dargestellt) verstärkt und in eine nicht gezeigte Auswerteeinheit zugeführt, welche die Messergebnisse auf diverse Ausgabegeräte gibt.
Die Messküvette 4 weist eine Messkammer 4a und eine Vergleichskammer 4b auf, durch die die Infrarotstrahlung verläuft. Des Weiteren weist der erste und der zweite Detektor 5a, 5b quer zur Strahlungsrichtung strahlungsdurchlässige Fenster 6 auf.
Der hinter der Messküvette 4 angeordnete erste optopneumatische Detektor 5a ist mit der Gaskomponente A gefüllt, der diese direkt misst. Der dahintergeschaltete zweite Detektor 5b ist zur Messung der Gaskomponente B mit seinem Isotrop B* gefüllt. Die Gaskomponente A hat hierbei den wesentlich kleineren Anteil als die Gaskomponente B im enthaltenen Messgas. Der zweite Detektor 5b misst somit repräsentativ für die Gaskomponente B die Konzentration an B* und schließt dabei auf die Konzentration von B. Damit zufriedenstellende Ergebnisse erzielt werden können, ist der erste Detektor 5a hinsichtlich der zu messenden Gaskomponente B* bzw. deren charakteristische Absorptionsbanden optisch transparent. Selbstverständlich können weitere Detektoren für weitere Gaskomponenten vorgesehen sein, die dann einfach hinter den anderen zwei Detektoren 5a, 5b angereiht werden (nicht dargestellt).
Fig.2 zeigt einen nichtdispersiven Infrarot-Gasanalysator 1 gemäß Fig.1, wobei zwischen der Messküvette 4 und der optopneumatischen Detektoreinheit 5 eine Filtervorrichtung 7 angeordnet ist. Die Filtervorrichtung 7 ist als Filterküvette ausgebildet, die mit der Gaskomponente B gefüllt ist. In einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform kann die Filterküvette 7 einstückig mit der Messküvette 4 ausgebildet sein. Durch die Anordnung der Filterküvette 7 wird insbesondere die Querempfindlichkeit des Gases B auf B* unterdrückt.
Bezuqszeichenliste
I Nichtdispersiver Infrarot-Gasanalysator 2 Strahlungsquelle
3 Modulationseinrichtung, Chopper-Scheibe
4 Messküvette
4a Messkammer des Messküvette
4b Vergleichskammer der Messküvette 5 Detektoreinheit
5a erster Detektor
5b zweiter Detektor
6 Fenster
7 Filtervorrichtung 8 Mess-Detektor-Kammer
9 Vergleichs-Detektor-Kammer
10 Eingang
I 1 Ausgang

Claims

Patentansprüche
1. Nichtdispersiver Infrarot-Gasanalysator (1) zur Bestimmung eines mehrere Gaskomponenten enthaltenden Messgases, mit einer Strahlungsquelle (2), einer Modulationseinrichtung (3), einer Messküvette (4), die eine Messkammer (4a) und eine Vergleichskammer (4b) umfasst, und einer optopneumatischen Detektoreinheit (5), die einen ersten Detektor (5a), der mit der Gaskomponente A zur Messung der Gaskomponente A gefüllt ist, und einen hinter dem ersten Detektor (5a) angeordneten zweiten Detektor (5b) aufweist, der zur Messung der Gaskomponente B mit seinem Isotop B* gefüllt ist.
2. Nichtdispersiver Infrarot-Gasanalysator (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Detektor (5a, 5b) quer zur Strahlungsrichtung strahlungsdurchlässige Fenster (6) aufweist.
3. Nichtdispersiver Infrarot-Gasanalysator (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder der zweite Detektor (5a, 5b) als 2- Schicht-Detektor ausgebildet ist.
4. Nichtdispersiver Infrarot-Gasanalysator (1) nach einem der genannten
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kalibriervorrichtung zwischen der Messküvette (4) und der Detektoreinheit (5) anordenbar ist.
5. Nichtdispersiver Infrarot-Gasanalysator (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibriervorrichtung eine Kalibrierküvette umfasst, die mit einem Gasgemisch aus A und B* gefüllt ist.
6. Nichtdispersiver Infrarot-Gasanalysator (1) nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Detektor (5a, 5b) vertauschbar sind.
7. Nichtdispersiver Infrarot-Gasanalysator (1) nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationseinrichtung (3) die Strahlung der Strahlungsquelle (2) gegenphasig unterbricht.
8. Nichtdispersiver Infrarot-Gasanalysator (1) nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationseinrichtung (3) eine Chopper-Scheibe aufweist.
9. Nichtdispersiver Infrarot-Gasanalysator (1) nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Filtervorrichtung (7) zwischen der Messküvette (4) und der Detektoreinheit (5) anordenbar ist.
10. Nichtdispersiver Infrarot-Gasanalysator (1 ) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtervorrichtung (7) eine Filterküvette (7) umfasst, die mit der Gaskomponente B gefüllt ist.
11. Nichtdispersiver Infrarot-Gasanalysator (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterküvette (7) einstückig mit der Messküvette (4) ausgebildet ist.
12. Nichtdispersiver Infrarot-Gasanalysator (1) nach einem der genannten
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der 2-Schicht-Detektor (5a, 5b) eine Mess- Detektor-Kammer (8) und eine Vergleichs-Detektor-Kammer (9) umfasst, die in Strahlungsrichtung hintereinander angeordnet sind.
13. Nichtdispersiver Infrarot-Gasanalysator (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichs-Detektor-Kammer (9) und die Mess- Detektor-Kammer (8) pneumatisch miteinander verbunden sind.
14. Nichtdispersiver Infrarot-Gasanalysator (1) nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messküvette (4) eine innere, mit einer Metallschicht ausgebildete Wandfläche aufweist.
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