DE2344398A1 - Verfahren und vorrichtung zur analyse einer mehrzahl von miteinander gemischten gasen - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur analyse einer mehrzahl von miteinander gemischten gasenInfo
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Description
ΕΗρϊ.-rng. γ?. *·;■" :ϊζ senk
Dr.-ing, Fi. U .·_ _ Γ Ζ jr.
• MIb »h· η 22, Si«nedorf«tr. »
81-21.351PC21.252H) 3- 9- 1973
HITACHI, LTD. Tokyo (Japan)
Verfahren und Vorrichtung zur Analyse einer Mehrzahl von miteinander gemischten Gasen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Analyse eines aus zumindest zwei Gaskomponenten bestehenden
zusammengesetzten Gases sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Sie bezieht
sich insbesondere auf einen Mehrkanal-Gasanalysator,
der so konzipiert ist, daß die Überlagerung der Absorptionsspektren der Komponenten des Mischgases verringert
bzw. bei der Bestimmung berücksichtigt wird.
Zur Erleichterung des Verständnisses wird die Erfindung nachfolgend anhand ihrer Anwendung auf die Bestimmung
der Komponenten der Gase eines Heizkanals eines Schwerölkessels beschrieben. Üblicherweise ex-
81-(POS 31749) NoGs
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istieren in dem Heizkanal SOp, NO und NOp. Zur
kontinuierlichen und automatischen Messung der Konzentration· dieser Gase SOp, NO und NCp muß man daher
drei jeweils den einzelnen Gasen angepaßte Änalysatoren verwenden. Das kann jedoch übermäßige Kosten und eine
Belästigung im Unterhalt verursachen.
Zur Beseitigung dieser Mangel wurde ein Verfahren
vorgeschlagen, bei dem ein Spektrophotometer zum Nachweis der Absorptionsspektren für die drei Arten von
Gasen verwendet wird, wobei ein einzelnes Meßgerät zur Bestimmung der Konzentrationen der drei Gaskömpcnenten
zur Anwendung kommt. Auf diese Weise können NC und SOp
durch Empfang der Absorptionsspektren im IR-Bereich und NCp durch Aufnahme des Absorptionsspektrums im
sichtbaren Bereich gemessen werden. Im IR-Bereich beeinträchtigt jedoch der im Heizkanal anwesende Wasserdampf
die Messung. Darüberhinaus finden merkliche Absorptionen
durch die im Heizkanal vorhandenen Gase organischer Verbindungen statt, so daß beträchtliche
Überlagerungen auftreten, die Meßfehler verursachen. Zur Verminderung solcher Fehler kann eine Absorptionsschicht vorgesehen werden, die lediglich die Spektren
der organischen Verbindungen adsorbiert. Bisweilen werden jedrch die gewünschten Spektren der zu messenden
Gaskomponenten ebenfalls durch diese Scnicht absorbiert unter Erhöhung der Meßfehler.
Wenn im übrigen ein einzelnes Spektropnctometer zur Bestimmung der Spektren einer Mehrzahl von Gaskomponenten
verwendet wird, überlagern sich die Absorptionsspektren der einzelnen Gase und beeinflussen
sich untereinander, so daß größere Fehler verursacht werden.
SAD
O
Ziel der Erfindung ist die Ausschaltung der oben
genannten Mangel und gemäß der Erfindung wird dafür ein
Analysator zur Analyse eines zusammengesetzten Gases aus zumindest zwei Gaskompohenten vorgesehen f mit dem
Absorptionsspektren von den Gaskomponenten entsprechenden
spezifischen Wellenlänpenbereichen, erhalten werden, in
denen die Überlagerungen bzw. Beeinflußungen zwischen
den Gaskomponenten irreversibel bzw. nicht umkehrbar sind?
diese mit einem Dispersionsspelitrometer erhaltenen Absorptionsspektren
werden in ihren Intensitäten entsprechende elektrische Signale umgewandelt und die Konzentrationen
der Gaskomponenten werden durch Kompensation
der irreversiblen Überlagerungen mit Hilfe von Funktions— generatoren und Recheneinheiten, die jeweils in einer
Anzahl vorhanden sind, welche gleich derjenigen der irreversiblen Überlagerungen ist, gemessen..
Nimmt man einmal an, daß X, Y und Z drei verschiedene, ein Mischgas bildende Arten von Gaskomponenten
sind, so ist klar, daß im Falle von nicht linearen und
irreversiblen Überlagerungen bzw. Interferenzen zwischen den Gaskomponenten X, Y und Z, wie sie durch X Yf
V Z und ZX wiedergegeben werden, keine einfache
Kompensation der Überlagerungen möglich ist. Versuche haben ebenfalls ergeben, daß es im Falle, daß die
einzelnen Überlagerungen bzw. Interferenzen zwischen
den Gasen irreversibel sind, wie es durch Χ-· Υ,
Y- Z und Z<- - X angezeigt wird, jedoch nicht-linear
und -ykLisch (so daß X »Y~—»Z »X »Y ..,), nicht
einfach ist, die störende Überlagerung bzw. Interferenz
elektrisch zu kompensieren.
4098 U/0 8 44
?3443S#'
W&nn andererseits die Typen der Überlagerungen
bzw. Interferenzen, wie später beschrieben wird, derart sind, daß X~—>Y, Y -» Z und Z——>
X gilt, so können
die Wirkungen der Überlagerungen leicht nach einem
elektrischen Verfahren kompensiert, werden. In diesem Falle werden die Typen von Interferenzen als "irreversible
Interferenzenn definiert und das ein anderes
störende Gas wird als "interferierendes Gas" bezeichnet, während das gestörte Gas als " interferiertes Gas" bezeichnet wird. Die Typen von Interferenzen,bei denen
Y__) χ, X—-J.Z und Y yz oder Z
> X, X-—»Y und Z ^Y
gilt, werden ebenfalls als irreversible Interferenzen interpretiert.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsarten unter Bezugnahme auf die angefügten
Zeichnungen beschrieben; es zeigen:
Fig.l schematisch den Aufbau eines Spektrometers
gemäß der Erfindung;
Fig.2 die Wirkungen von Interferenzen von NOp und
SOp mit NO-Gas in Form einer graphischen Darstellung;
Fig.3 die Wirkung der Interferenz von NOp mit SOp-Gas
und
Fig.4 ein Blockschaltbild für eine Ausführungsart
der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Fig.l zeigt schematisch den Aufba\i eines Spektrometers,
das solche irreversiblen I^erferenzen bzw. Überlagerungen zwischen NO, SOp und NOp liefern kann, wie oben beschrieben.
Dieses Spektrometer umfaßt eine Lichtquelle (für den sichtbaren bis ultravioletten Bereich), eine
Gaszelle 2, einen Einfallsschlitz 3, einen Kollimator 4,
OBiGJNAL IHSPEGTiO
ein (festes) Beugungsgitter 5, einen Reflektor 6, Auslaßschlitze 7,8 und. 9 für die Spektren von NO,
SO2 bzw. NO2 und photoelektrische Wandler 10,11 und
(einschließlich Photomultiplier*n) für die Schlitze
7,8 und 9. Die Schlitze 7, 8 und 9 können hier durch
einen Mehrfachschlitz mit mehreren Schlitzöffnungen ersetzt
sein.
Wenn die Konzentrationen der Gase NO, SOp und
NO2 durch Aufnahme der jeweiligen Absorptionsspektren
nahe den Wellenlängen von 0,20 xim, 0,30 /um und 0,42 /um
bestimmt werden, ist die gleichzeitige Bestimmung bzw. Messung der drei Gaskomponenten unter Anwendung eines
einzelnen Beugungsgitters sowie von drei Auslaßschlitzen
möglich, da die Absorptionsspektren in diesem Falle innerhalb eines vergleichsweise engen Bandes liegen.
Darübarhinaus kann festgestellt werden, daß die Interferenzeffekte
bei Anwendung solcher Spektren, wie vorstehend genannt, irreversibel sind, wie in der nachfolgenden
Tabelle I gezeigt wird.
| Ausgang er\ für |
TABELLE | I | so2 | NO2 | |
| Art d Gase |
NO | NO | O | O | |
| so2 | (100%) | (100%) | O | ||
| NC2 | +100% | -1,3% | (100%) | ||
| +7% | |||||
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Die Tabelle I zeigt die einzelnen Ausgänge für NO, SOp und NOp für den Fall, daß die einzelnen Komponenten
(NO, SOp bzw. NOp) jeweils allein anwesend sind, wobei der Wert "Null" bedeutet, daß kein Ausgangssignal
erhalten wird und die in Klammern angegebenen Werte den Ausgang für die zugehörigen Gaskomponenten
selbst anzeigen.
Gemäß dieser Tabelle wird beispielsweise im Falle, daß 100 ppm NOp in der Gaszelle vorhanden sind, jedcch
weder SOp noch NC darin sind, ein elektrischer Ausgang am "Anschluß" für NO erhalten, der einen Wert von +7 ppm
anzeigt bzw. vortäuscht. In der gleichen Weise findet man am "Anschluß" für SOp einen Ausgangswert von -1,3 ppm,
Aus der Tabelle geht ebenfalls hervor, daß die Typen
der Interferenzen derart sind, daß NOp—^SG^, SOp >N0
und NC2 —>N0 gilt.
Fig.2 zeigt die Interferenzen bzw. Einflüsse vcn
NOp und SCp auf den NO-Kanal. Selbst wenn nämlich kein
NO in der Gaszelle vorhanden ist, werden die Wirkungen der Interferenzen bzw. Überlagerungen in positiven
Richtungen infolge von NO2 und SO2 beobachtet, die mit
dem NC-Kanal bzw, "-Ausgang interferieren. ".Vie man sieht,
ändert sich der Ausgang V^ am "Anschluß" für NO nichtlinear
abhängig vcn den Konzentrationen der anderen Gase.
Fig.3 zeigt die Interferenz von NCpmit dem SOp-Kanal.
In diesem Falle (SC^-Kanal) besteht, wie der
obigen Tabelle zu entnehmen ist, keine Interferenz vcn NC mit dem SCp-Kanal.
0S8U/08/U
SAD ORIQINAL
" 7 "* 234439&
Zur Kompensation der nicht linearen Interferenz«-
effekte,, wie sie oben beschrieben sind, wird gemäß der Erfindung eine Schaltung vorgesehen, wie sie schematisch
in. Fig.4 als Blockschaltbild wiedergegeben ist.
Fig.4 zeigt Verstärker 13, 14 und 15, welche die
Ausgänge der photoelektrischen Wandler 10, 11 und 12, d.h. die NO, SOp bzw. NOp entsprechenden Signale
empfangen; einen Funktionsgenerator 16, der elektrisch
die Wirkung der Interferenz von NOp mit dem SOp-Kanal
simuliert; eine Additionseinheit 17; einen Funktionsgenerator 18, der elektrisch die Wirkung der Interferenz
von SOp mit dem NO-Kanal simuliert; eine Subtraktionseinheit 19; einen Funktionsgenerator 20, der elektrisch
die Wirkung der Interferenz von NOp mit dem NO-Kanal
simuliert; und eine Subtraktionseinheit 21.
Bei dieser Schaltungskonfiguration wird der (entsprechend
modifizierte) Ausgang am SOp-11AnSChIUe" dem
NO-Kanal eingespeist, nachdem der Interferenzeffekt infolge von NOp eliminiert wurde und dort wird der Interferenzeffekt
Infolge von SOp auf NO eliminiert. Der Ausgang von NO wird nach Eliminierung des Interferenzeffektes
infolge von NOp als End-Ausgang ausgegeben.
Was den Ausgang für NOp betrifft, bei dem kein Interferenzeffekt infolge der beiden anderen Verbindungen
SOp und NO besteht, so wird dieser direkt vom Ausgang des, Verstärkers 15 als End-Ausgang ausgegeben. In diesem
Falle ist zu bemerken, daß die Aufprägung von Kompensationssignalen irreversibel und in einer Richtung
erfclgt, jedoch weder zyklisch noch reversibel*
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Bei der oben beschriebenen Ausführungsart sind so viele Recheneinheiten notwendig, wie irreversible
Interferenzen bestehen,jedoch kann die Anzahl der Recheneinheiten vermindert werden, wenn jede der verwendeten
Einheiten mehr als zwei Eingänge hat. So ist es beispielsweise im Falle der Kompensation der Interferenzen
von NOp und SOp mit NO wie bei der früheren
Ausführungsart ebenfalls möglich, die Ausgänge der
Funktionsgeneratoren 18 und 20 auf eine einzige Recheneinheit zu geben, um so die tatsächliche NO-Konzentration
zu erhalten. In diesem Falle reichen lediglich zwei Funktionsgeneratoren für den Zweck aus.
Darüberhinaus sind bei der obigen Ausführungsart die Orte für die Ausgangsschlitze für NC, SOp und NOp
so ausgewählt, daß sie nahe den Wellenlängen von 0,20 ^.m,
0,30 ,«.in und 0,42 yum liegen. Wenn jedoch die Lage und
Breite der Schlitze leicht verändert wird, kann das Ausmaß der Interferenz verändert werden, wobei die Überlagerungen
irreversibel bleiben. Es ist klar, daß der irreversible Interferenzeffekt auch in diesem Falle durch
geeignete Bestimmung der von den Funkticnserzeugungsmitteln zu erzeugenden Funktion in gleicher Weise wie
im obigen Falle kompensiert werden kann.
Wie vorstehend beschrieben wurde, kann der Interferenzeffekt bzw. die Wirkung von Überlagerungen gemäß
der Erfindung mit Hilfe einer elektrischen Schaltung leicht eliminiert weruen, da die Absorptionsspektren
spezifischer Wellenlängenbereiche, in denen die Interferenzen irreversibel sind, angewandt werden. Demgemäß
wird im vorliegendem Fall kein Fehler verursacht, der
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durch eine chemische Vorbehandlung hervorgerufen werden könnte und die Bedienung bzw, Wartung sowie auch kontinuierliche
und automatische Messungen können infolge der elektrischen ''Nachbehandlung" erleichtert werden.
Darüberhinaus können Störungen durch Wasserdampf durch Anwendung vcn Wellenlängen des sichtbaren bis ultravioletten
Bereichs eliminiert werden.
Für die- vorstehende Erläuterung wurde der Fall der Interferenzen zwischen drei Gaskomponenten SOp,
NOp und NO herangezogen, Jedoch ist die Erfindung nicht
auf die beschriebenen Ausführungsarten beschränkt, sondern auf andere .Fälle anwendbar, wenn die Öberlagerungscharakteristiken
bekannt sind.
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Claims (1)
1. Verfahren zur Analyse einer aus zumindest zwei Gaskomponenten bestehenden Gasmischung, g e k e η η zeichnet
durch
Schritte zur Erzielung von Absorptionsspektren spezifischer Wellenlängenbereiche entsprechend den Gaskomponenten,
in denen die Interferenzen bzw. Beeinflußungen zwischen den Gaskomponenten irreversibel, d.h. nicht
wechselseitig sind;
Schritte zur Umwandlung der Absorptionsspektren in entsprechende elektrische Signale, abhängig von ihren
Intensitäten;
Schritte zur Erzeugung elektrischer Signale, welche die Wirkungen der Interferenzen zwischen den Gaskomponenten
simulieren und
Schritte zur Kompensation bzw. Korrektur jedes der besagten durch Umwandlung erzeugten elektrischen
Signale durch das entsprechende der simulierten elektrischen Signale.
2, Vorrichtung zur Analyse einer aus zumindest zwei
Gaskompcnenten bestehenden Gasmiscnung, gekennzeichnet
durch
Mittel zur Erzielung vcn Absorptionsspektren
spezifischer Wellenlt.ngenbereiche entsprechend den
Gaskomponenten, bei denen die Interferenzen zwischen
den Gaskoraponenten irreversibel sind;
Mittel zur Umwandlung der Absorpticnssr.^y/.ren
in entsprechende elektrische Signale, abhan^i^ von
ihren Intensitäten;
Mittel zur Erzeagung vcr. die In rerfer-p-r.zef t ekte
zwischen den Gaskomponenten simulierenoen el eK.iri .-ocnen
4098 U /08 4 A
Signale-= und
Mittel zur Kompensation bzw. Korrektur jedes
der durch Umwandlung erzeugten elektrischen Signale
durch das entsprechende der (entsprechenden) elektrischen Simulationssignale.
der durch Umwandlung erzeugten elektrischen Signale
durch das entsprechende der (entsprechenden) elektrischen Simulationssignale.
' 3. Mehrkanalgasanalysator, gekennzeichnet durch
ein Dispersionsspektrometer (4-9) zur Erzielung'von Absorptionsspektren von spezifischen Wellenlängenbereichen
entsprechend den Gaskomponenten, in denen die Interferenzen bzw. Beeinflußungen zwischen den Gaskomponenten
irreversibel sind;
photoelektrische Wandler (10-12) zur Umwandlung der Ausgänge des Dispersionsspektrometers von bestimmter
Intensität in entsprechende elektrische Signale;
Funktionsgeneratoren (16,18,20) zum Empfang der elektrischen Signale und Simulierung der Effekte der
Interferenzen der interferierenden Gase mit den interferierten Gasen, abhängig von den Amplituden der elektrischen
Signale und
Recheneinheiten (17,19,21) von denen jede einen Eingang besitzt, der eines der elektrischen Signale
empfängt und zumindest einen die einzelnen Ausgänge
der Funktionsgeneratcren empfangenden Eingang, wobei die Konzentrationen der die Gasmischung bildenden Gaskomponenten unter Kompensation bzw. Korrektur für die irreversiblen Interferenzen der Gaskompcnenten gemessen werden.
empfängt und zumindest einen die einzelnen Ausgänge
der Funktionsgeneratcren empfangenden Eingang, wobei die Konzentrationen der die Gasmischung bildenden Gaskomponenten unter Kompensation bzw. Korrektur für die irreversiblen Interferenzen der Gaskompcnenten gemessen werden.
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