DE4116280A1 - Photo-acoustic-type gas analyser - includes resistance flow sensor, esp. for carbon di:oxide determn. - Google Patents
Photo-acoustic-type gas analyser - includes resistance flow sensor, esp. for carbon di:oxide determn.Info
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Gasanalysator mit gepulster selektiver Strahlungsquelle, mit einer Meßkammer mit strahl durchlässiger Stirnfläche und mit Zu- und Ableitungen für das Meßgas und mit einem pneumatisch/elektrischen Wandler in druckleitender Verbindung mit der Meßkammer.The invention relates to a gas analyzer with pulsed selective radiation source, with a measuring chamber with radiation permeable face and with inlets and outlets for the Sample gas and with a pneumatic / electrical converter in pressure-conducting connection to the measuring chamber.
Gasanalysatoren dieser Art arbeiten nach dem sogenannten fotoakustischen Prinzip, bei welchem die in die gasgefüllte Meßkammer eingestrahlten Energieimpulse durch Absorption in Druckimpulse umgesetzt werden, welche mittels eines Mikrofons empfangen und in elektrische Meßsignale umgesetzt werden, deren Amplitude ein Maß für den Anteil einer bestimmten Gaskomponente im Meßgas ist. Während eines Meßzyklus werden die Zu- und Ablei tungen der Meßkammer durch Ventile verschlossen oder über pneu matische Widerstände geleitet, die so ausgelegt sind, daß sie für Druckimpulse bestimmter Frequenz einen erheblichen Wider stand darstellen. Als Strahlungsquelle werden bekannte thermi sche Strahler eingesetzt, deren mittels einer rotierenden Blende periodisch unterbrochener Strahlengang durch Filter anordnungen geführt ist, derart, daß die Wellenlänge der Strah lung der der Hauptabsorptionsbande des Meßgases bzw. der ge suchten Komponente im Meßgas entspricht. Beispielsweise wird IR-(Infrarot)-Strahlung der Wellenlänge 4,25 µm von Kohlen dioxyd sehr stark absorbiert. Tritt modulierte IR-Strahlung dieser Wellenlänge in die mit Meßgas gefüllte Meßkammer, führt das zu einer periodischen Druckerhöhung, die proportional zur Konzentration des Kohlendioxyd im Meßgas ist. Das als pneuma tisch/elektrischer Wandler benutzte Mikrofon ist jedoch relativ störanfällig, bedarf eines hohen Schaltungsaufwands und kon struktiver Maßnahmen, um es vor aggressiven Bestandteilen im Meßgas zu schützen.Gas analyzers of this type work according to the so-called photoacoustic principle, in which the gas-filled Radiated energy impulses by absorption in Pressure impulses are implemented using a microphone received and converted into electrical measurement signals whose Amplitude is a measure of the proportion of a certain gas component is in the sample gas. During a measurement cycle, the feed and discharge lines of the measuring chamber closed by valves or via pneu matical resistors passed, which are designed so that they for pressure impulses of a certain frequency, a considerable resistance represent state. Known thermi cal emitters used, whose by means of a rotating Aperture of periodically interrupted beam path through filter arrangements is guided such that the wavelength of the beam development of the main absorption band of the sample gas or the ge sought component in the sample gas corresponds. For example IR (infrared) radiation of the wavelength 4.25 µm from coal very strongly absorbed. Occurs modulated IR radiation this wavelength leads into the measuring chamber filled with measuring gas that to a periodic pressure increase proportional to Is the concentration of carbon dioxide in the sample gas. That as pneuma However, the microphone used for the table / electrical converter is relative prone to failure, requires a lot of circuitry and con structural measures to protect it from aggressive components in the Protect sample gas.
Es besteht demgemäß die Aufgabe, einen Gasanalysator der ein gangs genannten Art so zu verbessern, daß er auch unter er schwerten Bedingungen (Erschütterungen, aggressive Meßgase) bei stark verringertem Wartungsaufwand betrieben werden kann.Accordingly, there is the task of a gas analyzer gangs mentioned to improve so that he also under him difficult conditions (vibrations, aggressive measuring gases) greatly reduced maintenance effort can be operated.
Eine Lösung dieser Aufgabe wird darin gesehen, daß als pneuma tisch/elektrischer Wandler ein Widerstands-Strömungsfühler be kannter Bauart verwendet wird, der gegen ein Ausgleichsvolumen arbeitet. Diese nach dem Anemometerprinzip arbeitenden Mikro- Strömungsfühler lassen sich aufgrund ihrer sehr kleinen Ab messungen platzsparend einbauen, haben eine lange Lebensdauer und ihre Signale lassen sich wegen des geringen elektrischen Widerstands gut verstärken.A solution to this problem is seen in the fact that as pneuma table / electrical converter be a resistance flow sensor known type is used against a compensation volume is working. These micro- working according to the anemometer principle Flow sensors can be because of their very small Ab Installing measurements to save space has a long service life and their signals can be because of the low electrical Reinforce resistance well.
Zur Erläuterung der Erfindung sind in den Fig. 1 bis 3 Aus führungsbeispiele dargestellt und im folgenden beschrieben.To explain the invention are shown in FIGS. 1 to 3 examples from management and described below.
Es zeigtIt shows
Fig. 1 die prinzipielle Meßanordnung, Fig. 1 shows the basic measuring arrangement,
Fig. 2 eine Ausführungsform für die Praxis, Fig. 2 shows an embodiment for the practice of
Fig. 3 eine Ausführungsform mit Erschütterungskompensation. Fig. 3 shows an embodiment with vibration compensation.
Fig. 1: In eine mit dem Meßgas, d. h. einem Gasgemisch, bei dem der Anteil einer bestimmten Komponente zu bestimmen ist, gefüllte Meßkammer 1 fällt durch ein stirnseitig angebrachtes Fenster 1.1 gepulste selektive Strahlung 2 aus einer Strah lungsquelle 3. Diese besteht hier beispielsweise aus einem thermischen Strahler 3.1, der ein kontinuierliches Spektrum abstrahlt, einer rotierenden Blende 3.2 zur periodischen Strahlunterbrechung und einem optischen Filter 3.3, vorzugs weise einem Interferenzfilter, welches die spektrale Bandbreite der Strahlung 2 an die Hauptabsorptionsbande des zu ermitteln den Gases anpaßt. Fig. 1: In one with the measurement gas, ie a gas mixture in which the proportion of a particular component is to be determined, filled measuring chamber 1 passes through a frontally mounted window 1.1 selective pulsed radiation 2 from a source 3 radia tion. This consists here, for example, of a thermal radiator 3.1 , which emits a continuous spectrum, a rotating diaphragm 3.2 for periodic beam interruption and an optical filter 3.3 , preferably an interference filter, which adapts the spectral bandwidth of the radiation 2 to the main absorption band of the gas to be determined .
Anstelle der gezeigten Strahleranordnung kann auch ein ge pulster selektiver Strahler, beispielsweise ein CO-Laser, ein gesetzt werden.Instead of the radiator arrangement shown, a ge pulsed selective emitter, for example a CO laser be set.
Das Meßgas MG wird über eine Leitung 4, die ein Ventil 4.1 ent hält, der Meßkammer 1 zu- und über eine Leitung 5 mit einem Ventil 5.1 aus der Meßkammer abgeführt. The measuring gas MG is fed via a line 4 , which holds a valve 4.1 , to the measuring chamber 1 and discharged via a line 5 with a valve 5.1 from the measuring chamber.
Ein in einer Leitung 7 angeordneter, nach dem Anemometer prinzip arbeitender Widerstands-Strömungsfühler 6 ist druck leitend einerseits an die Meßkammer 1 und andererseits an eine Ausgleichskammer 8 angeschlossen, die mit Gas gefüllt als Ausgleichs- oder Puffervolumen wirkt. Der Widerstands-Strö mungsfühler 6 ist elektrisch an eine Auswerteschaltung 9, welche eine Widerstands-Meßbrücke mit dem Strömungsfühler 6 als Zweigwiderstand enthält, angeschlossen. An deren Ausgang b steht das elektrische Meßsignal an.A arranged in a line 7 , working according to the principle of the anemometer resistance flow sensor 6 is pressure-conducting on the one hand connected to the measuring chamber 1 and on the other hand to a compensation chamber 8 which acts as a compensation or buffer volume filled with gas. The resistance current flow sensor 6 is electrically connected to an evaluation circuit 9 , which contains a resistance measuring bridge with the flow sensor 6 as a branch resistor. The electrical measurement signal is present at its output b.
Zur Wirkungsweise: Die Meßkammer 1 wird bei geöffneten Ventilen 4.1 und 5.1 mit Meßgas gefüllt, die Ventile 4.1 und 5.1 werden dann geschlossen, die gepulste selektive Strahlung 2 wird in der Meßkammer 1 von dem darin befindlichen Gas absorbiert. Dies führt zu periodischen Druckerhöhungen, welche in der den Strö mungsfühler 6 enthaltenden Leitung 7 eine pendelnde Strömung verursachen, die von der Auswerteschaltung 9 in ein elektri sches Ausgangssignal umgewandelt werden, dessen Amplitude dem Gehalt des Meßgases an der gesuchten Gaskomponente entspricht. Nach etwa 10 sec. ist ein Meßzyklus beendet, die Ventile 4.1 und 5.1 werden geöffnet, die Meßkammer 1 durchgespült, und ein neuer Meßzyklus kann beginnen.To see the effect: The measuring chamber 1 is filled with open valves 4.1 and 5.1 with the measurement gas, the valves 4.1 and 5.1 are then closed, the pulsed selective radiation 2 is absorbed in the measuring chamber 1 from the gas therein. This leads to periodic pressure increases, which in the flow sensor 6 containing the line 7 cause an oscillating flow, which are converted by the evaluation circuit 9 into an electrical output signal, the amplitude of which corresponds to the content of the sample gas at the gas component sought. After about 10 seconds, a measuring cycle is ended, the valves 4.1 and 5.1 are opened, the measuring chamber 1 is flushed through, and a new measuring cycle can begin.
Um Verfälschungen des Meßsignals durch Druckstöße infolge von Bewegungen oder Erschütterungen zu vermeiden, wird in der Praxis eine Ausführungsform gemäß Fig. 2 bevorzugt. Die Ausgleichskammer 8 ist als Ringkammer ausgebildet, welche die Meßkammer 1 umgibt. Sie ist so bemessen, daß ihr Gasvolumen V2 dem Volumen V1 der Meßkammer entspricht und daß die Masse schwerpunkte der Gasfüllungen beider Kammern zusammenfallen.In practice, an embodiment according to FIG. 2 is preferred in order to avoid falsifications of the measurement signal by pressure surges due to movements or vibrations. The compensation chamber 8 is designed as an annular chamber which surrounds the measuring chamber 1 . It is dimensioned so that its gas volume V 2 corresponds to the volume V 1 of the measuring chamber and that the mass centers of gravity of the gas fillings of both chambers coincide.
Um den Strömungsfühler 6 vor der Einwirkung aggressiver Kompo nenten des Meßgases zu schützen, wird parallel zu der den Strö mungsfühler 6 enthaltenden Leitung 7 eine aus einer Schutzgas quelle SG gespeiste Leitung 10 angeschlossen, welche in ihren Zweigen 10.1 und 10.2 Strömungswiderstände 10.12 und 10.22 enthält, die so bemessen sind, daß die Schutzgasströmung gleich oder um ein weniges größer ist als die Diffusionsgeschwindig keit des in der Meßkammer 1 befindlichen Meßgases in Richtung auf den Strömungsfühler 6. Die kleine Menge an Schutzgas, wel che in die Meßkammer eintritt, verfälscht das Meßergebnis nicht. An die Ausgleichskammer 8 kann noch eine Ausgangs leitung 11 für das Schutzgas angeschlossen sein.In order to protect the flow sensor 6 from the action of aggressive components of the measuring gas, a line 10 fed from a protective gas source SG is connected in parallel to the line 7 containing the flow sensor 6 , which line 10 contains flow resistances 10.12 and 10.22 in its branches 10.1 and 10.2 , which are dimensioned such that the inert gas flow is equal to or a little greater than the diffusion speed of the measuring gas located in the measuring chamber 1 in the direction of the flow sensor 6 . The small amount of protective gas that enters the measuring chamber does not falsify the measurement result. At the compensation chamber 8 , an output line 11 can still be connected for the protective gas.
Wird der Gasanalysator im Betrieb größeren Erschütterungen oder Vibrationen ausgesetzt, so kann die Kompensation der dadurch erzeugten Störimpulse noch durch eine Anordnung gemäß Fig. 3 verbessert werden. Dort ist ein Kompensationssystem gleicher Bauart wie das Meßsystem vorgesehen. Die strahldicht abge schlossene Kompensationskammer 1′ und die dazugehörige Aus gleichskammer 8′ sind koaxial zur Meßkammer 1 und Ausgleichs kammer 8 angeordnet. In der Leitung 7′ ist ein Widerstands- Strömungsfühler 6′ angeordnet. Das Kompensationssystem ist mit einem Gas gefüllt, dessen spezifisches Gewicht etwa dem des Meßgases entspricht. Das elektrische Ausgangssignal b des Meßsystems und das Ausgangssignal b′ des Kompensationssystems werden einem Differenzverstärker 12 zugeführt, so daß die Wirkung von Störimpulsen unterdrückt wird.If the gas analyzer is exposed to major shocks or vibrations during operation, the compensation of the interference pulses generated thereby can be further improved by an arrangement according to FIG. 3. A compensation system of the same type as the measuring system is provided there. The radially sealed closed compensation chamber 1 'and the associated equal chamber 8 ' are arranged coaxially to the measuring chamber 1 and compensation chamber 8 . In the line 7 'a resistance flow sensor 6 ' is arranged. The compensation system is filled with a gas, the specific weight of which corresponds approximately to that of the measurement gas. The electrical output signal b of the measuring system and the output signal b 'of the compensation system are fed to a differential amplifier 12 so that the effect of interference pulses is suppressed.
Claims (6)
- - einer gepulsten selektiven Strahlungsquelle,
- - einer Meßkammer mit strahldurchlässiger Stirnfläche und mit Zu- und Ableitungen für das Meßgas,
- - einem pneumatisch/elektrischen Wandler mit druckleitender Verbindung mit der Meßkammer,
- a pulsed selective radiation source,
- a measuring chamber with a radially permeable end face and with supply and discharge lines for the measuring gas,
- - a pneumatic / electrical converter with pressure-conducting connection to the measuring chamber,
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