DE102010030549A1 - Nichtdispersiver Gasanalysator - Google Patents

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Abstract

Bei einem nichtdispersiven Gasanalysator mit einer Lichtquelle (3), deren Licht (6) durch eine ein zu analysierendes Messgas enthaltende Messküvette (1) auf einen nichtselektiven Detektor (7) mit nachgeschalteter Auswerteeinrichtung (8) fällt, wird mit einfachen Mitteln eine Mehrkomponenten-Gasanalyse dadurch ermöglicht, dass die Lichtquelle (3) eine Blitzentladungslampe (4) ist und dass die Auswerteeinrichtung (8) zur Auswertung des zeitlichen Impulsverlaufes des auf den Detektor (8) fallenden Lichtblitzes (9) ausgebildet ist. Die Erfindung macht sich die Eigenschaft von Blitzentladungslampen zunutze, dass die emittierten Wellenlängenanteile über die Dauer des Lichtblitzes (6) variieren.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen nichtdispersiven Gasanalysator mit einer Lichtquelle, deren Licht durch eine ein zu analysierendes Messgas enthaltende Messküvette auf einen nichtselektiven Detektor mit nachgeschalteter Auswerteeinrichtung fällt.
  • Bei der absorptions-spektrometrischen Gasanalyse werden vorgegebene Komponenten eines Gasgemischs (Messgases) anhand ihrer wellenlängenspezifischen Absorption von Licht quantitativ bestimmt. Dazu wird das Licht einer Lichtquelle durch das zu analysierende Messgas hindurch auf einen Detektor mit nachgeschalteter Auswerteeinrichtung geführt. Um eine definierte Absorptionsstrecke zu erhalten, ist das Messgas meistens in einer Messküvette enthalten. Der Wellenlängenbereich des verwendeten Lichts richtet sich nach den zu bestimmenden Komponenten des Messgases und kann vom nahen Infrarot bis zum Ultraviolett reichen bzw. dazwischen liegen. Bei der nichtdispersiven Gasanalyse erfolgt keine spektrale Zerlegung des Lichts; stattdessen werden selektive, ggf. durchstimmbare, Lichtquellen oder selektive Detektoren verwendet. Beispielsweise enthält ein nichtdispersiver Infrarot(NDIR)-Gasanalysator in der Regel eine nichtselektive Infrarot-Strahlungsquelle und einen mit der oder den zu bestimmenden Komponenten gefüllten selektiven optopneumatischen Detektor. In einem anderen Beispiel enthält ein Laserspektrometer eine selektive Lichtquelle in Form eines wellenlängenabstimmbaren Lasers und einen im betrachteten Wellenlängenbereich nichtselektiven Detektor, z. B. eine Photodiode. Bei so genannten Zweistrahlgeräten wird das Licht der Lichtquelle auf die Messküvette und eine mit einem nichtabsorbierenden Referenz- oder Nullgas gefüllte Referenzküvette mit einem nachgeordneten weiteren Detektor aufgeteilt und in der Auswerteeinrichtung das Differenzsignal beider Detektoren ausgewertet (J. Staab: "Industrielle Gasanalyse" R. Oldenbourg Verlag München Wien, 1994, Seite 83).
  • Üblicherweise wird das Licht moduliert, um in dem Detektor ein Wechselsignal zu erhalten. Dazu kann der Lichtstrahl mit einem Flügel- oder Blendenrad periodisch unterbrochen oder die Lichtquelle gepulst angesteuert werden.
  • Die Verwendung von Blitzentladungslampen in Gasanalysatoren, insbesondere von Xenon-Blitzlampen, die ein breitbandiges Emissionsspektrum vom Ultraviolett bis zum nahen Infrarot aufweisen, ist bekannt (J. Staab: "Industrielle Gasanalyse" R. Oldenbourg Verlag München Wien, 1994, Seite 133).
  • So zeigen die EP 0 591 758 A1 und EP 0 195 339 B1 jeweils einen dispersiven Gasanalysator mit einer Xenon-Blitzlampe. Das Licht wird nach Durchstrahlung der Messküvette mittels eines optischen Gitters spektral zerlegt und auf eine Detektorzeile aus z. B. Photodioden gelenkt.
  • Es ist bekannt, dass der von einer Blitzentladungslampe erzeugte Lichtblitz in Bezug auf die emittierten Wellenlängen ein unterschiedliches Zeitverhalten aufweist. So ist die Dauer des Lichtblitzes einer Xenon-Blitzlampe im Ultraviolett-Bereich am kürzesten und im Infrarot-Bereich am längsten (Newport Corporation, Oriel Xenon-Blitzlampen, Technische Informationen, gefunden am 15.06.2010 im Internet unter: http://support.newport.com/file store/PDFs/tempPDFs/e5457 Ori el-Xenon-Flashlamp-Systems.pdf).
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Mitteln eine Gasanalyse, insbesondere auch Mehrkomponenten-Gasanalyse, zu ermöglichen.
  • Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass bei dem nichtdispersiven Gasanalysator der eingangs genannten Art die Lichtquelle eine Blitzentladungslampe ist und dass die Auswerteeinrichtung zur Auswertung des zeitlichen Impulsverlaufes des auf den Detektor fallenden Lichtblitzes ausgebildet ist.
  • Die Erfindung macht sich in vorteilhafter Weise die oben erwähnte Eigenschaft von Blitzentladungslampen zunutze, dass nämlich die emittierten Wellenlängenanteile über die Dauer des Lichtblitzes variieren. Damit können dann bei verschiedenen Wellenlängen erfolgende Lichtabsorptionen in dem zu analysierenden Messgas über den zeitlichen Impulsverlauf des auf den Detektor fallenden Lichtblitzes bestimmt werden.
  • Je nach den zu bestimmenden Komponenten des Messgases kann die Blitzentladungslampe unterschiedliche Gasfüllungen enthalten. Blitzlichtspektren von Blitzentladungslampen mit unterschiedlichen Edelgasfüllungen finden sich im Internet unter: http://en.wikipedia.org/wiki/Flashtube. Bevorzugt wird eine handelsübliche Xenon-Blitzlampe verwendet.
  • Als Detektor kommen solche in Frage, die für den jeweils betrachteten Wellenlängenbereich ausreichend empfindlich sind und mit denen die für die Auswertung des zeitlichen Impulsverlaufes des auf den Detektor fallenden Lichtblitzes notwendige Zeitauflösung im μs-Bereich erreicht wird. Bevorzugte Detektoren sind Photodiode und Photozelle. Bei sehr breitbandigen Detektoren können diesen geeignete optische Bandpassfilter (Interferenzfilter) vorgesetzt werden, die störende Wellenlängenbereiche außerhalb des betrachteten Wellenlängenbereichs ausblenden.
  • Zur Auswertung des zeitlichen Impulsverlaufes kann die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet sein, den Frequenzgehalt der Impulsform zu analysieren. Prinzipiell kann die Auswertung des Pulsverlaufes im Zeit- und Frequenz-Bereich erfolgen. Die Auswertung kann sich also auch auf Zeitkomponenten beziehen. Dies beinhaltet neben der komplexen multivariaten Auswertung von Zeitkomponenten auch sehr einfache, teils empirische Methoden, wie die Analyse der Zeitverschiebung des Impulspeaks, Differenzierung des Impulsverlaufs (also Gradientenanalyse, Kurvendiskussionen), Integrationen (Flächenanalysen), usw.
  • Bei einem mehrkomponentigen Messgas können in der Auswerteeinrichtung mittels multivariater Modelle aus dem zeitlichen Impulsverlauf des auf den Detektor fallenden Lichtblitzes die fehlenden, weil von den Komponenten des Messgases absorbierten bzw. gestreuten, Impulsanteile bestimmt werden. Vergleichbar mit der chemometrischen Auswertung von Spektren können die Konzentrationen der einzelnen Komponenten in dem Messgas bestimmt werden. Je weiter die sich in ihrer Lage unterscheidenden Absorptionsbanden der Gase der zu messenden Komponenten spektral auseinander liegen und je stärker diese ausgeprägt sind, desto größer sind die gasspezifischen Impulsformungseinflüsse und desto besser ist die Trennung über die hier beschriebenen Verfahren. Auf diese Art und Weise könnte beispielsweise die Konzentration von SO2, O3, H2S und NO2 quantitativ bestimmt werden.
  • Um die Messung zu referenzieren und von Reproduzierbarkeitsschwankungen der Lichtblitze sowie längeren Drifterscheinungen, z. B. Alterung der Lichtquelle und des Detektors, unabhängig zu machen, ist vorzugsweise eine mit einem Referenz- oder Nullgas gefüllte Referenzküvette mit einem nachgeordneten weiteren Detektor vorhanden, wobei ein Lichtverteiler das von der Lichtquelle ausgehende Licht auf die Messküvette und die Referenzküvette aufteilt und die Auswerteeinrichtung zur Auswertung des Differenz-Impulsverlaufes der auf die Detektoren fallenden Lichtblitze ausgebildet ist.
  • Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im Einzelnen zeigen jeweils in Form eines Ausführungsbeispiels:
  • 1 einen Einstrahl-Gasanalysator,
  • 2 verschiedene spektrale Komponenten eines Xenon-Lichtblitzes,
  • 3 die UV-Transmissionsspektren einiger ausgewählter Gase,
  • 4 einen Zweistrahl-Gasanalysator,
  • 5 eine erste Schaltung von zwei Photodetektoren für den Zweistrahl-Gasanalysator und
  • 6 eine zweite Schaltung von zwei Photodetektoren für den Zweistrahl-Gasanalysator.
  • 1 zeigt in schematischer Darstellung einen nichtdispersiven Gasanalysator in Einstrahlausführung mit einer Messküvette 1, die von einem zu analysierenden Messgas 2 durchströmt wird. Das Messgas 2 ist ein Gasgemisch aus mehreren Komponenten, von denen eine oder mehrere interessierende Komponenten quantitativ bestimmt werden sollen. Eine Lichtquelle 3 in Form einer Blitzentladungslampe 4, hier beispielsweise eine Xenon-Blitzlampe, wird durch elektrische Impulse 5 angesteuert und erzeugt einzelne Lichtblitze 6, die durch die Messküvette 1 hindurch auf einen Detektor 7 geleitet werden. Dem Detektor 7 ist eine Auswerteeinrichtung 8 nachgeschaltet, die das von dem Detektor 7 als Reaktion auf den jeweils empfangenen Lichtblitz 9 erzeugte impulsförmige Detektorsignal 10 bezüglich der Impulsform auswertet und ein Analysenergebnis 11 liefert.
  • 2 zeigt verschiedene spektrale Komponenten eines Xenon-Lichtblitzes 6 mit ihrer normierten Ausgangsleistung P über die Zeit t (entnommen aus den oben genannten technischen Informationen der Fa. Newport Corporation). Der Wellenlängenbereich des Lichtblitzes 6 erstreckt sich vom Infrarot bis hin zum Ultraviolett. Dabei ist die Dauer des Lichtblitzes 6 in Bezug auf die kurzwelligen Komponenten kürzer als bei den längerwelligen Komponenten.
  • Beim Durchstrahlen der Messküvette 1 findet durch die Komponenten des Messgases 2 eine wellenlängenabhängige Absorption des Lichtblitzes 6 statt, wobei viele interessierende Messgaskomponenten sehr unterschiedliche Absorptionsverhalten zeigen.
  • 3 zeigt als Beispiel das Absorptionsverhalten (Transmission T über die Wellenlänge λ) der in der Umweltmesstechnik relevanten Gase H2S, NO2, SO2, NO und O3 im Ultraviolett-Bereich.
  • Der Detektor 7 (1) wird so ausgewählt, dass er die Wellenlängen des jeweils betrachteten Wellenlängenbereichs detektieren kann. Für die oben genannten Gase ist dies z. B. der Ultraviolett-Bereich. Der Detektor 7 erzeugt das Detektorsignal 10 über die Summe bzw. das Integral der Wellenlängen; d. h., der Detektor 7 ist nichtselektiv. Vorzugsweise detektiert er die verschiedenen Wellenlängen mit mehr oder weniger gleicher Empfindlichkeit. Wenn der Detektor 7 sehr breitbandig ist, können störende Wellenlängenbereiche außerhalb des betrachteten Wellenlängenbereichs mittels eines optischen Bandpassfilters 12 ausgeblendet werden.
  • Da die emittierten Wellenlängenanteile über die Dauer des Lichtblitzes 6 variieren, variiert auch die wellenlängenabhängige Absorption durch die Messgaskomponenten, so dass der zeitliche Impulsverlauf des auf den Detektor 7 fallenden Lichtblitzes 9 von der des von der Blitzentladungslampe 4 erzeugten Lichtblitzes 6 verschieden ist. Der detektierte Lichtblitz 9 und damit das Detektorsignal 10 enthalten daher Informationen über die Absorption in der Messküvette 1. Soweit die wellenlängenspezifischen Absorptionsbanden der Messgaskomponenten unterschiedlich sind, d. h. sich nicht oder nur teilweise überlappen, enthalten der detektierte Lichtblitz 9 und damit das Detektorsignal 10 auch Informationen über die Konzentrationen der einzelnen Messgaskomponenten in dem Messgas 2. In der Auswerteeinrichtung 8 werden durch Auswertung des Impulsverlaufes des dem auf den Detektor 7 fallenden Lichtblitz 9 entsprechenden Detektorsignals 10 die Konzentrationen ausgewählter interessierender Messgaskomponenten bestimmt und als Analysenergebnis 11 ausgegeben. Bei mehreren quantitativ zu bestimmenden Messgaskomponenten kommen chemometrische Auswerteverfahren, insbesondere multivariate statistische Methoden in Betracht. Aus dem Vorstehenden ergibt sich, dass der Detektor 7 eine zeitliche Auflösung des empfangenen Lichtblitzes 9 ermöglichen muss. Aus 2 ergibt sich eine erforderliche Zeitauflösung im μs-Bereich. Dies kann durch optopneumatische Detektoren, Photodioden oder Photozellen erreicht werden.
  • 4 zeigt in schematischer Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gasanalysators in Zweistrahlausführung. Dabei ist zusätzlich zu der Messküvette 1 mit dem zu analysierenden Messgas 2 eine Referenzküvette 13 vorgesehen, die mit einem Referenz- oder Nullgas gefüllt ist. Das von der Lichtquelle 3 ausgehende Licht 6 wird mittels eines Lichtverteilers 14, hier in Form eines Reflektors, auf die Messküvette 1 und die Referenzküvette 13 aufgeteilt. Der Referenzküvette 13 ist ein weiterer Detektor 15 nachgeordnet und die Auswerteeinrichtung 8 wertet den zeitlichen Differenz-Impulsverlauf der auf die Detektoren 7, 15 fallenden Lichtblitze 9, 16 aus. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel bestehen die beiden Detektoren aus zwei gasgefüllten Empfängerkammern mit einem dazwischen liegenden Differenzdruck- oder Strömungsfühler 17, der ein der Differenz-Impulsform der auf die Detektoren 7, 15 fallenden Lichtblitze 9, 16 entsprechendes Detektorsignal 10' erzeugt.
  • Die 5 und 6 zeigen zwei aus der EP 0 387 483 A1 bekannte Schaltungsbeispiele mit Photodioden 18 zur Realisierung der Detektoren 7 und 15.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 0591758 A1 [0005]
    • EP 0195339 B1 [0005]
    • EP 0387483 A1 [0029]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • J. Staab: ”Industrielle Gasanalyse” R. Oldenbourg Verlag München Wien, 1994, Seite 83 [0002]
    • J. Staab: ”Industrielle Gasanalyse” R. Oldenbourg Verlag München Wien, 1994, Seite 133 [0004]
    • http://support.newport.com/file store/PDFs/tempPDFs/e5457 Ori el-Xenon-Flashlamp-Systems.pdf [0006]
    • http://en.wikipedia.org/wiki/Flashtube [0010]

Claims (8)

  1. Nichtdispersiver Gasanalysator mit einer Lichtquelle (3), deren Licht (6) durch eine ein zu analysierendes Messgas enthaltende Messküvette (1) auf einen nichtselektiven Detektor (7) mit nachgeschalteter Auswerteeinrichtung (8) fällt, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (3) eine Blitzentladungslampe (4) ist und dass die Auswerteeinrichtung (8) zur Auswertung des zeitlichen Impulsverlaufes des auf den Detektor (8) fallenden Lichtblitzes (9) ausgebildet ist.
  2. Nichtdispersiver Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Blitzentladungslampe (4) eine Xenon-Blitzlampe ist.
  3. Nichtdispersiver Gasanalysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (7) eine Photodiode (18) ist.
  4. Nichtdispersiver Gasanalysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (7) eine Photozelle ist.
  5. Nichtdispersiver Gasanalysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (7) ein optopneumatischer Empfänger ist, der mit einem Gasgemisch der zu messenden Komponenten gefüllt ist.
  6. Nichtdispersiver Gasanalysator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (8) dazu ausgebildet ist, zur Auswertung des zeitlichen Impulsverlaufes dessen Frequenzgehalt zu analysieren.
  7. Nichtdispersiver Gasanalysator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (8) dazu ausgebildet ist, durch multivariate Auswertung des zeitlichen Impulsverlaufes mindestens zwei verschiedene Komponenten des Messgases (2) zu bestimmen.
  8. Nichtdispersiver Gasanalysator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit einem Referenz- oder Nullgas gefüllte Referenzküvette (13) mit einem nachgeordneten weiteren Detektor (15) vorhanden ist, dass ein Lichtverteiler (14) vorhanden ist, der das von der Lichtquelle (3) ausgehende Licht (6) auf die Messküvette (1) und die Referenzküvette (13) aufteilt, und dass die Auswerteeinrichtung (8) zur Auswertung des Differenz-Impulsverlaufes der auf die Detektoren (7, 15) fallenden Lichtblitze (9, 16) ausgebildet ist.
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