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