DE3043332A1 - Nichtdispersiver infrarot-gasanalysator - Google Patents
Nichtdispersiver infrarot-gasanalysatorInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen nichtdispersiven Infrarot-(NDIR-)-Gasanalysator mit einem durch pulsweise
Energiezufuhr betriebenen Temperaturstrahler, mit im Strahlengang
der modulierten Infrarot-Strahlung angeordneten gasgefüllten Kammern und mit einem, ein elektrisches Meßsignal
abgebenden Meßwertaufnehmer.
Das Wirkungsprinzip und die Betriebsweise von NDIR-Gasanalysatoren
darf als bekannt vorausgesetzt werden. Eine den Meßeffekt erhöhende Modulation der Infrarot-Strahlung
wird vielfach mit Hilfe eines elektromotorisch angetriebenen Blendenrads vorgenommen, das die Strahlung in
den Strahlengängen periodisch unterbricht. Es wird bei dieser Modulationsmethode zwar ein hundertprozentiger Modulationsgrad
erreicht, nachteilig ist jedoch der relativ hohe Energiebedarf für den ständig auf Betriebstemperatur gehaltenen
Temperaturstrahler und den Antriebsmotor für das Blendenrad, insbesondere bei batteriebetriebenen Feldgeraten.
Als weiterer Nachteil bei diesen Geräten, die Erschütterungen ausgesetzt sind und in unterschiedlichen Lagen
betrieben werden müssen, ist die Störanfälligkeit der mechanisch bewegten Teile des Strahlunterbrechers anzusehen.
Zur Vermeidung des letztgenannten Nachteils sind auch NDIR-Gasanalysatoren bekanntgeworden, bei denen die IR-Strahlungsquelle
selbst durch pulsweise Energiezufuhr moduliert wird (US-PS 3 105 147). Um den angestrebten Modulationsgrad
von 100 % zu erreichen, lassen sich die bekannten gepulsten Strahler nur mit sehr niedrigen Pulsfrequenzen betreiben,
wodurch die Empfindlichkeit des Meßgeräts, insbesondere bei Verwendung selektiver pneumatischer Empfänger, stark vermindert
wird.
Sp 4 Sei / 13.11.1980
- Je - VPA 80 P 3562 DE
Es besteht deshalb die Aufgabe, einen NDIR-Gasanalysator
der eingangs genannten Art, insbesondere als Feldgerät mit netzunabhängiger Stromversorgung, so zu verbessern, daß
ein hoher Modulationsgrad bei unverminderter Empfindlichkeit und möglichst geringem Energieverbrauch erreicht wird.
Die Lösung dieser Aufgabe wird darin gesehen, daß das Püls/-Pausen-Verhältnis
der gepulsten Energiezufuhr <1 ist. Bevorzugt soll es zwischen 0,5 und 0,1 liegen. Die Pulslänge
wird in Abhängigkeit vom Maximalwert des Meßsignals gesteuert. Dieser Maximal- oder Spitzenwert läßt sich aus
dem Kurvenverlauf der Ansprechkurve des Meßwertaufnehmers
empirisch oder rechnerisch ermitteln. Ein einen Leistungsschalter zwischen Stromquelle und Temperaturstrahler steuernder
Impulsgeber kann dann entsprechend eingestellt werden.
Die Pausendauer wird so gewählt, daß der Temperaturstrahler
mindestens so weit abkühlt, daß er keine den Meßwertaufnehmer beeinflussende Strahlung mehr abgibt. Sehr kurze
Einschaltzeiten, also Pulslängen, werden erreicht, wenn der Temperaturstrahler mit einem Mehrfachen seiner Dauer-Nennleistung
betrieben wird, da dann infolge der erhöhten Strahlungsenergieabgabe der Maximalwert des Meßsignals
schneller erreicht wird.
Eine automatische Steuerung der Pulslänge in Abhängigkeit vom Maximalwert des Meßsignals wird mit einem bistabilen
Leistungsschalter zwischen Stromquelle und Temperaturstrahler
erreicht, der mit Hilfe eines Zeittaktgebers, dessen Taktimpulse einen der Summe aus Puls- und Pausendauer entsprechenden
Zeitabstand haben, geschlossen wird und dessen Öffnen ein eingangsseitig von dem Meßsignal beaufschlagter
Maximalwert-Detektor bewirkt.
Der durch den Wegfall des elektromotorischen Unterbrecherrad-Antriebs
schon verringerte Energiebedarf des NDIR-Gasanalysators kann durch den gepulsten Betrieb gemäß der Er-
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findung ohne Einbuße an Meßempfindlichkeit noch weiter vermindert
werden.
Zur Erläuterung der Erfindung sind in den Figuren 1 und 2 schaltungsmäßige Ausführungsbeispiele, in den Figuren 3
und 4 die zugehörigen Steuerdiagramme dargestellt.
Der in Figur 1 dargestellte NDIR-Gasanalysator 1 weist
als IR-Strahlungsquelle einen Temperaturstrahler 2 auf, beispielsweise
einen gewendelten Widerstandsdraht, der aus einer Stromquelle 3 gespeist wird.
Der von dem Temperaturstrahler 2 ausgehende, gebündelte
Strahl tritt durch die mit Fenstern 4 versehene und mit dem zu untersuchenden Gasgemisch gefüllte Meßkammer 5 und
in die darauffolgende, mit der zu detektierenden Gaskomponente
gefüllte Empfängerkammer 6, deren Volumen sich durch die absorbierte Wärmeenergie vergrößert und einen entsprechenden
Druck auf den hier als Meßwertaufnehmer 7 angeordneten Membrankondensator ausübt, der ein der Auslenkung seiner
beweglichen Membran entsprechendes elektrisches Meßsignal e„ abgibt, welches einer meßwertverarbeitenden und/oder
-anzeigenden Einrichtung 8 zugeführt wird. Zur pulsweisen Unterbrechung der Energiezufuhr ist in dem Stromkreis zwisehen
Temperaturstrahler 2 und Stromquelle 3 ein monostabiler
elektronischer Leistungsschalter 9 angeordnet, der von dem Ausgangssignal e2 eines Impulsgebers 10 gesteuert
wird.
Dieser wiederum wird von den Taktimpulsen e- eines Zeittaktgebers 11 getriggert.
Dieser wiederum wird von den Taktimpulsen e- eines Zeittaktgebers 11 getriggert.
In dem Diagramm der Figur 3 sind über der Zeit t der Ver-
12 3
lauf der Signale e , e , e dargestellt.
lauf der Signale e , e , e dargestellt.
Zu einem Zeitpunkt tQ wird von einem Taktimpuls e.^ des Zeittaktgebers
11 der Impulsgeber 10 angestoßen, der einen bis zum Zeitpunkt t- dauernden Steuerimpuls e2 abgibt. Dieser
bewirkt ein Schließen des Leistungsschalters 9 während dieser Zeit.
-'"""' 3OA3332
- je - VPA 80 P 3562 DE
Dem Temperaturstrahler 2 wird aus der Stromquelle 3 Energie
e5 zugeführt, am Ausgang c des Meßwer.tauf nehmers 7 tritt
das Meßsignal e„ auf, das schnell seinen Maximalwert erreicht.
Aus der Lage dieses empirisch oder rechnerisch ermittelten Maximalwerts wird vom Zeitpunkt tQ an die Einschaltdauer
und damit die Pulslänge t- - tQ des vom Impulsgeber
abgegebenen Rechteckimpulses e„ berechnet und der Impulsgeber
10 entsprechend eingestellt, und zwar so, daß das Meßsignalmaximum mit Sicherheit innerhalb dieser Zeitspanne
erreicht wird.
Nach Ablauf des Rechteckimpulses e« öffnet der Schalter 9
und unterbricht die Energiezufuhr e5 zum Temperaturstrahler
2 während einer Zeitspanne, die das Mehrfache der PuIsdauer t-- tQ beträgt.
Zum Zeitpunkt t3 gibt der Zeittaktgeber 11 wieder ein Signal
e^ ab, und der Vorgang wiederholt sich mit einer Periode, die der Summe (ΐχ - tQ) + (t3 - ^) von Puls- und
Pausendauer entspricht.
Noch kürzere Einschaltzeiten lassen sich mit der automatischen Steuerschaltung nach Figur 2 erreichen, welche mit den
Anschlüssen a, b, c, d des NDIR-Gasanalysators 1 verbunden
wird.
Ein bistabiler elektronischer Leistungsschalter 9' ist zwischen dem Temperaturstrahler 2 und der Stromquelle 3 angeordnet.
Das Schließen des Leistungsschalters 9' wird von einem Ausgangsimpuls e-, eines Zeittaktgebers 11 bewirkt,
dessen Taktimpulse einen der Summe aus Puls- und Pausendauer entsprechenden Zeitabstand haben.
Das am Anschluß c des Meßwertaufnehmers 7 auftretende Meßsignal e3 wird einem Maximalwertdetektor 12 zugeführt, der
bei Erreichen des Maximalwerts der Ansprechkurve ein Signal e. entsprechender Höhe abgibt, das in einem Speicher
13 bis zur nächsten Periode zwischengespeichert wird, um für die folgende Meßwertverarbeitung ein stetiges Meßsi-
- Jf - VPA 80 P 3562 DE
gnal zur Verfügung zu haben. Das Ausgangssignal e. des
Maximalwertdetektors 12 dient jedoch auch als ein das Öffnen des Leistungsschalters 9' bewirkendes Steuersignal.
In dem Diagramm der Figur 4 sind die einzelnen Signale in ihrem zeitlichen Zusammenhang dargestellt. Zum Zeitpunkt t„
schließt der Steuerimpuls e- des Zeittaktgebers 11 den Schalter 9', der Stromkreis Temperaturstrahler - Stromquelle
wird geschlossen, der Energiefluß e5 bewirkt die
Abgabe von Strahlungsenergie durch den Temperaturstrahler 2 und damit ein Ansteigen des Meßsignals eg des Meßwertaufnehmers
7. Sobald dessen Maximum im Zeitpunkt terreicht ist, bewirkt das Ausgangssignal e. des Maximalwertdetektors
12 ein öffnen des Schalters 9'. Der Energiefluß eß wird bis zum Beginn der nächsten Periode im Zeitpunkt
to unterbrochen.
In der Praxis wurden mit derartig betriebenen NDIR-Gasanalysatoren
bei Pulsdauern von 0,1 bis 0,5 see und Pausendauern bei 0,5 bis 1,5 see nahezu 100-%ige Modulation
erzielt.
Auf diese Art lassen sich alle mit einem modulierten Temperaturstrahler
arbeitenden NDIR-Gasanalysatoren in Einstrahl- oder Zweistrahl-Ausführung mit gleichphasiger Modulation
und verschiedenen Empfängersystemen mit erheblich vermindertem Energiebedarf betreiben.
6 Patentansprüche
4 Figuren
4 Figuren
Claims (6)
- & VPA 80 P 3562 DEPatentansprücheNichtdispersiver Infrarot-Gasanalysator mit einem durch pulsweise Energiezufuhr betriebenen Temperaturstrahler, mit im Strahlengang der modulierten Infrarot-Strahlung angeordneten, gasgefüllten Kammern und mit einem ein elektrisches Meßsignal abgebenden Meßwertaufnehmer, dadurch gekennzeichnet, daß das Puls/Pausen-Verhältnis der Energiezufuhr ■£. 1 ist. 10
- 2. NDIR-Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Puls/Pauseli-Verhältnis in der Größenordnung 0,1 bis 0,5 liegt.
- 3. NDIR-Gasanalysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulslänge (t- - tQ) in Abhängigkeit vom Maximalwert des Meßsignals (e„) gesteuert wird.
- 4. NDIR-Gasanalysator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturstrahler (2) mit einem Mehrfachen seiner Dauernennleistung betrieben wird.
- 5. NDIR-Gasanalysator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durcha) einen monostabilen Leistungsschalter (9) zwischen einer Stromquelle (3) und dem Temperaturstrahler (2), b) einen den Leistungsschalter (9) steuernden Impulsgeber (10) mit einstellbarer Impulslänge,c) einen Zeittaktgeber (11), dessen Taktimpulse (e^ einen der Summe von Puls- und Pausendauer (t„ - tn) entsprechenden Zeitabstand haben, zur Ansteuerung des Impulsgebers (10),* · V O ■VPA 80 P 3562 DE
- 6. NDIR-Gasanalysator nach Anspruch 3, gekennzeichnet durcha) einen bistabilen Leistungsschalter (9') zwischen einer Stromquelle (3) und dem Temperaturstrahler (2),b) einen das Schließen des Leistungsschalters (9') bewirkenden Zeittaktgeber (11), dessen Taktimpulse einen der Summe aus Puls- und Pausendauer entsprechenden Zeitabstand haben,c) einen eingangsseitig von dem Meßsignal (e„) beaufschlagten Maximalwertdetektor (12), dessen Ausgangssignal (e4) das Öffnen des Leistungsschalters (9') bewirkt.
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