DE2553565A1

DE2553565A1 - Vorrichtung zur bestimmung der stickoxydkonzentration in einem gasgemisch

Info

Publication number: DE2553565A1
Application number: DE19752553565
Authority: DE
Inventors: Walter Fabinski; Reimar Dipl Phys Dr Faulhaber
Original assignee: Hartmann and Braun AG
Current assignee: ABB Training Center GmbH and Co KG
Priority date: 1975-11-28
Filing date: 1975-11-28
Publication date: 1977-06-08
Also published as: GB1566436A; US4176963A; IN146315B; DE2553565B2; NL171929C; FR2333235A1; FR2333235B1; DE2553565C3; JPS6029060B2; JPS5267695A; NL7610748A

Description

Hartmann & Braiui G Frankfurt (Main), 27. November 1975 Aktiengesellschaft Gräfstraße 97 Lo/Gr

Vorrichtung zur Bestimmung der Stickoxydkonzentration in einem Gasgemisch

Die Erfindung "bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung der Stickoxydkonzentration in einem Gasgemisch gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Will man mit einer derartigen Vorrichtung (DT-OS 24 07 133) geringe Konzentrationen an Stickoxyd etwa entsprechend einer Strahlungsabsorption A = 0,1 in der Absorptionsküvette messen, so findet man, daß die Gleichung

J^ = Konst . (1 - A)

welche den Zusammenhang zwischen dem Meßsignal I„, dem Referenzsignal Iy und der Absorption A wiedergibt,wie folgt

-2-

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zu modifizieren ist:

I _{Γ Ί}

«Χ (ρ, T, t) . M = Konst (1 - A) [²J

wobei ρ der Druck in der Entladungslampe, T die Umgebungstemperatur ist und die Zeit t bedeutet, daß auch eine zeitliche Drift des Meßsignals z. B. durch Alterungserscheinungen hervorgerufen wird. Die Störgröße o< ist dabei typisch zwischen 0,95 und 1,05· Auf einen Wert A = 0,1 bezogen würde c< in den angegebenen Grenzen einen Meßfehler von +_ 50 % in der Stickstoffkonzentration hervorrufen. Für den Fall, daß man eine Entladungslampe verwendet, die mit Luft entsprechenden Unterdrucks gefüllt ist, kann sich eine Druckänderung in der Lampe z. B. durch den Einfluß der Umgebungstemperatur und durch den Vorgang einer langsamen Gasaufzehrung in der Lampe ergeben. Diese Druckänderung wirkt sich auf die Emissionseigenschaften der Gasentladungslampe aus, die zwei Anteile ausstrahlt, einen Anteil der von NO-Molekülen herrührt, deren Zustand einer Besetzungstemperatür von ca. 300 Kelvin entspricht und einem Anteil entsprechend einer Besetzungstemperatur von ca. 15OO Kelvin. Da dieses Anteilsverhältnis vom Gasdruck abhängt, beruht darauf in erster Linie der zu beobachtende Meßfehler.

Ahnlich verhält sich auch die in der Modulationseinrichtung benutzte, mit NO-Gas gefüllte Filterküvette und schließlich übt auch der Monochromator oder ein an seiner Stelle vorgesehenes Interferenzfilter durch Alterung und eine gewisse Temperaturabhängigkeit einen fehlerhaften Einfluß auf das

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M.jßergebnis aus. Die genannten Einflüsse sind in dem
Störfaktor <x zusammengefaßt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Störgrößeneinfluß im Bereich geringer NO-Konzentrationen auf das Meßergebnis des Analysators zu eliminieren. Diese Aufgabe
wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Anhand der Figuren 1 bis 3 der Zeichnung wird die Erfindung
an zv/ei Ausführungsbeispielen erläutert.
Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel und
Fig. 3 ein Prinzipschaltbild einer Signalverarbeitungseinrichtung.

In Fig. 1 ist 1 eine Hohlkathodenlampe, die mit Luft von
Unterdruck und geringem Entladungsstrom betrieben wird, wobei sie eine Stxckoxydresonanzstraiilung emittiert, die durch eine umlaufende Scheibe 2, die zwei Filterküvetten 3 und 4- enthält moduliert wird. Die Filterküvette 3 ist mit Stickoxyd gefüllt, das vorzugsweise unter einem Druck von einer Atmosphäre steht und einen Teil der Strahlung beim Eintritt der Küvette in den Strahlenweg absorbiert. Dagegen wird die Strahlung beim Eintritt der mit Luft gefüllten Küvette 4- in den Strahlenweg
nicht beeinflußt. Die von der Strahlung durchsetzten Küvettenwände der Filterküvetten bestehen aus Material, das in dem
Spektralbereich der Strahlung durchlässig ist. Eine Linse 5
erzeugt ein paralleles Strahlenbündel der beiden, periodisch

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aufeinander folgenden gefilterten und ungefilterten Strahlenanteile, die nach Durchgang durch ein Interferenzfilter 6 auf einen Strahlenteiler 7 gelangen. Dieser Strahlenteiler ist ein halbdurchlässiger Spiegel, mit dessen Hilfe die Strahlung zum Teil in einen Strahlungsempfänger 8 abgelenkt wird. Der nichtabgelenkte Teil der Strahlung durchsetzt in üblicher Weise eine mit dem Probengas beschickte Absorptionsküvette 9 und gelangt sodann in einen Strahlungsempfänger 10. Der Strahlungsempfänger 8, beispielsweise ein Photomultiplier, gibt periodisch zwei Signale I,-_o und Xy₀ ab, deren Pegel der von der Filterküvette gefilterten und der ungefilterten Strahlung proportional sind. Die Signale I^ und I-y des Strahlungsempängers 10 sind in bezug auf den gefilterten und ungefilterten Strahl noch durch deren Absorption in der Absorptionsküvette 9 bestimmt. Die Signale Ly, Ly₀ bzw. Ij., Ij»q entstehen jeweils gleichzeitig. Der Index M soll darauf hinweisen, daß das Signal durch den Strahlenanteil hervorgerufen wird, der nicht durch die Filterküvette der Modulationseinrichtung beeinflußt ist (Meßstrahl), der Index V bezieht sich auf ein Signal, das von der gefilterten Strahlung (lieferenzstrahl) herrührt. Der Index 0 deutet an, daß die Strahlen und damit auch die Signale unbeeinflußt vom Gasgemisch in der Absorptionsküvette 9 sind.

Aus Gleichung Ί?/erhält man demnach

*- ι

oC(p, T, t) . JQ = konst. Γ3Ι

^χνο ^{L J}

Γ3

709823/044 3

Es folgt aus Gleichung [2Jund|^3 J

. ¹M = (1 - A) jV)

MO "Hr

¹VO

Diese Gleichung enthält als Unbekannte nur noch die Absorption A der Stickoxydresonanzstrahlung in der Meßküvette entsprechend dem Anteil an Stickoxyd in dem zu messenden Gasgemisch. Bildet man elektronisch aus den vier Signalen Ij,,, Iy, I_Mq und I_Vq die Gleichung j 4-1 nach, so erhält man ein durch die Störgröße O^ unbeeinflußtes Signal für die Größe von A und damit der Stickoxydkonzentration gemäß der Beziehung

A = ¹V ¹M

^LV0

¹V

VO

Fig. 3 zeigt das Prinzipschaltbild einer Signalverarbeitungseinheit für diese Beziehung. Me von den beiden Strahlungsempfängern 8 und 10 abgegebenen und durch die Verstärker 11 und 12 verstärkten Signale Imq» Iy₀ ^tzw· ¹Mi Iy werden einem Dividierer 13 zugeführt. Dieser bildet zwei Quotientenwerte entsprechend Ij^ und Iy , die periodisch aufeinander folgen

¹MO ¹VO

und zu einer Schalteinrichtung 14- gelangen. Die Schalteinrichtung bewirkt die Übernahme der beiden Werte auf getrennte Kanäle mit Hilfe eines Steuersignales auf der Leitung 15· Das dazu benötigte synchrone Steuersignal liefert in bekannter Weise eine Photozelle 16 in Verbindung mit einer

709823/0443 ~⁶-

Lampe 17, deren Strahlung durch einen Schlitz 18 in der Blendenscheibe 2 auf die Photoζeile fällt (Fig. 1). In einem Differenzverstärker 19 und einem weiteren Dividierer 20 wird schließlich I^ 1^=A gebildet. Dem Anzeigerät

VO

¹VO

für A und damit für die Stickoxydkonzentration ist noch ein Tiefpaß 22 zur Signalglättung vorgeschaltet.

Die Gleichung j 4 j kann noch auf andere Weise umgeformt werden, so daß es möglich ist, verschiedenartig aufgebaute Signalverarbeitungseinheiten zur Bestimmung der Meßgröße vorzusehen.

Bei der Vorrichtung der Fig. 2 wird die Absorptionsküvette durch Verwendung eines Reflektors 24 zweimal durchstrahlt. Der teildurchlässige Spiegel 25 lenkt den reflektierten Meß- und Vergleichsstrahl in den Strahlungsempfänger 26, der periodische Signale entsprechend IL, und I™ abgibt. Ansonsten entspricht die Anordnung derjenigen der Fig. 1. Anstelle eines teildurchlässigen Spiegels zur Strahlenaufteilung kann auch eine Quarzplatte oder ein Spiegel mit einer Mittenöffnung verwendet werden.

Es_ist grundsätzlich denkbar, auch andere Gase z. B. SOp mit der Vorrichtung zu bestimmen, da die Hohlkathodenlampe ein Strahlungsspektrum aussendet, mit Wellenlängen-

bereichen, die auch für die Absorptioneigenschaften anderer Gase brauchbar sind. η

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Claims

Patentansprüche

1.) Vorrichtung zur Bestimmung der Stickoxydkonzentration in einem Gasgemisch, mit einer, mit Luft von Unterdruck und geringem Entladungsstrom betriebenen, Stickoxydresonanzstrahlung emittierenden Hohlkathodenlampe, einer Strahlungsmodulationseinrichtung aus der abwechselnd ungefilterte (Meßstrahl) und nach Durchgang durch ein Stickoxydfilter entsprechend gefilterte Strahlung (Referenzstrahl) austritt, wonach beide Anteile durch eine mit dem Gasgemisch beschickte Absorptionsküvette geleitet werden, auf die ein Monochromator folgt, sowie mit einem die Strahlung empfangenden Detektor, an den eine Signalverarbeitungseinheit angeschlossen ist, die aus den beiden, dem Meß- und Referenzstrahl entsprechenden Detektorsignalen den Quotienten als Maß für die Stickoxydkonzentration des Gasgemisches bildet, dadurch gekennzeichnet, daß der Monochrmomator vor der Absorptionsküvette im Strahlenweg angeordnet ist und durch Einfügen eines Strahlenteilers zwischen beide ein zweiter Strahlenweg erzeugt ist, dem ein weiterer Strahlungsdetektor zugeordnet ist und daß die Signalverarbeitungseinheit zusätzliche Mittel zur Bildung des Quotienten der beiden von der Absorptionsküvette nicht beeinflußten Signale dieses Detektors sowie zur weiteren Quotientenbildung der nunmehr zur Verfügung stehenden zwei Quotientenwerte aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlenteiler ein teildurchlässiger Spiegel ist.

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3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlenteiler eine Quarzplatte ist.

4-. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlenteiler ein Spiegel mit kleiner Mittenöffnung ist.

5· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 "bis 3₅ dadurch

gekennzeichnet, daß die Absorptionszelle durch Einschalten eines Reflektors in den ersten Strahlenweg zweimal durchstrahlt ist.

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