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Dokumentenidentifikation DE19957364B4 14.09.2006
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung der Konzentration von Gasen
Anmelder UST Umweltsensortechnik GmbH, 98716 Geschwenda, DE
Erfinder Kiesewetter, Olaf, Dr., 98716 Geschwenda, DE;
Riesenberg, Rainer, Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., 07749 Jena, DE
Vertreter Liedtke, K., Dr.-Ing., Pat.-Anw., 99096 Erfurt
DE-Anmeldedatum 29.11.1999
DE-Aktenzeichen 19957364
Offenlegungstag 17.08.2000
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 14.09.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 14.09.2006
IPC-Hauptklasse G01N 21/35(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01J 3/42(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung der Konzentration von Gasen, bei dem durch zu untersuchende Messgaskomponenten infrarote Strahlung geleitet wird und aus der absorbierten Energie der infraroten Strahlung die Konzentration der Gaskomponenten bestimmt wird, wobei in einem Gasraum die durch die Absorption der für die Messgaskomponenten spezifischen elektromagnetischer Strahlung hervorgerufene Temperatur- und Druckveränderungen ermittelt und daraus die Konzentration des Messgaskomponenten bestimmt wird.

Im Stand der Technik ist es bekannt, die selektive Detektion von infraroter Strahlung zu nutzen, um die Konzentration von verschiedenen Stoffen, zum Beispiel von Stoffen in der Luft, nachzuweisen. Diesem Verfahren liegt die Tatsache zu Grunde, dass Gase in der Lage sind, spezifisch bestimmte Wellenlängenbereiche elektromagnetischer Strahlung zu absorbieren. Dieser Effekt beruht auf der Anregung von Schwingungen im Molekül und hängt in Wellenlänge und Absorptionshöhe von der Spezifikation der Moleküle ab. Es gibt für jeden Stoff ein charakteristisches Spektrum, ähnlich wie der Fingerabdruck eines Menschen.

Die Energie im Gasraum hängt vom Druck, der Temperatur und der Anzahl der Moleküle ab. Diese Verhältnisse sind weitestgehend untersucht und bekannt. Wenn man die eingestrahlte Energie, den Druck und die Temperatur konstant hält, kann man mit der Erfassung der absorbierten Energie der für ein bestimmtes Molekül spezifischen Wellenlänge an elektromagnetischer Strahlung, die Konzentration der Teilchen im durchstrahlenden Raum bestimmen. Um Nullpunktdriften auszugleichen wird hierzu die Strahlungsquelle meist rhythmisch aus- und eingeschaltet, um eine Korrelation mit dem empfangenem Signal herzustellen. Als Detektor wird häufig ein Thermopile, ein Pyrodetektor oder eine Bolometerfolie verwendet, die mit einem Interferenzfilter versehen werden, um nur den interessierenden Wellenlängenbereich zu detektieren. Um Veränderungen der Sendeleistung des Strahles zu erkennen werden, wird ein zweiter Kanal, bei einer nicht durch die vom zu messendem Gas beeinflussbaren Wellenlänge, hinzugefügt. Bei sorgfältiger Ausführung können damit hochwertige Gassensoren hergestellt werden. Nachteilig sind jedoch der hohe Fertigungsaufwand und ein dadurch bedingter hoher Preis der Bauteile, so dass ein Masseneinsatz im low-cost-Bereich selbst beim Einsatz von Mikrostrukturierungsverfahren gegenwärtig nicht möglich ist. Fernern wirkt sich nachteilig aus, dass die Filter oft nicht schmalbandig genug hergestellt werden können, so dass zusätzliche Überlagerungen mit anderen Gasen auftreten. Das hat zur Folge, dass oft nur eine Anregungsbande verwenden kann und somit die Energieaufnahme gering ist. Alle diese Verfahren weisen den Nachteil auf, dass die zugehörigen Vorrichtungen zu viele Bauteile erfordern.

Nach DE 44 32 940 A1 ist ein Infrarot-Gasanalysator bekannt, mit dem die Ermittlung der Konzentration von Gasen dadurch erfolgt, dass durch zu untersuchende Messgaskomponenten infrarote Strahlung geleitet wird und aus der absorbierten Energie der infraroten Strahlung die Konzentration der Gaskomponenten bestimmt wird. Dabei werden in einem Gasraum die durch die Absorption der für die Messgaskomponenten spezifische elektromagnetische Strahlung hervorgerufene Temperatur- und Druckveränderungen ermittelt und daraus die Konzentration des Meßgaskomponenten bestimmt.

Der Infrarot-Gasanalysator umfasst eine Infrarot-Strahlungsquelle, eine Messzelle, in die zu analysierendes Gas eingeführt wird, und in welcher ein von der Strahlungsquelle zugeführter Infrarot-Strahl durch das zu analysierende Gas absorbiert wird, und eine Detektoreinrichtung mit zwei durch einen Gasströmungskanal miteinander verbundenen Detektorzellen, von denen jede ein Infrarot-Fenster aufweist, zur Erfassung einer Intensitätsdifferenz zwischen Infrarotstrahlen, die die Infrarot-Fenster durchlaufen haben, durch eine Druckdifferenz eines in den Detektorzellen eingeschlossenen Gases, dessen Absorptionswellenlängenbereich gleich dem des zu analysierenden Gases ist, wobei die Druckdifferenz von einer Differenz, zwischen den Detektorzellen, der Infrarot-Absorption durch das eingeschlossene Gas herrührt. Die Detektoreinrichtung enthält eine Vielzahl von thermisch nicht gekoppelten Thermosensoren, je aus einem Paar thermisch gekoppelter Thermoelemente, die in dem Gasströmungskanal angeordnet sind, um eine Gasströmung, verursacht durch die Druckdifferenz, zu erfassen und die erfasste Gasströmung in ein elektrisches Signal umzusetzen.

Ferner ist in US 37 25 702 ein Infrarot-Gasanalysator beschrieben, der vier Gaskammern enthält, die kreuzweise verbunden sind. Bei dieser Anordnung wird mit einem Strahlungsdetektor die Differenz der absorbierten Energie ermittelt, welche jeweils die in den kreuzweise verbundenen Kammern auftritt.

Die bekannten Anordnungen erfordern einen hohen gerätetechnischen Aufwand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, bei denen die Anzahl der Bauteile gering gehalten werden kann, kostenaufwendige und ineffektive Filter vermieden werden und eine preiswerte Gesamtanordnung ermöglicht wird.

Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe mit den Merkmalen von Patentanspruch 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Anordnung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im Folgenden an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

In der zugehörigen Zeichnungen zeigt 1 eine schematische Darstellung einer Anordnung mit Schalldetektor.

Bei der dargestellten Vorrichtung wird ein durch energiedurchlässige Fenster geschlossener, mit einer Konzentration von 100 % der Messgaskomponente gefüllter Gasraum genutzt, um die durch Absorption der spezifischen elektromagnetischen Strahlung hervorgerufenen Temperatur- und Druckerhöhung auszuwerten. Die Auswertung erfolgt mittels Druck-, Temperatur- oder Schwingungssensor. Die Veränderungen einer stehenden akustischen Schallwelle werden detektiert, um die Veränderung der, die im zuvor durchstrahltem Gasraum, absorbierten spezifischen Energie durch die dort vorhandenen Konzentration der Messgaskomponenten zu nutzen, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das proportional zu dieser Konzentration ist.

Hierzu wird die Temperaturerhöhung in einem geschlossenem Gefäß, das eine 100%-Konzentration der Messgaskomponente beinhaltet, mittels geeigneter Verfahren ermittelt. Vorteilhaft ist die Ermittlung der Druckerhöhung, oder wie im dargestellten Beispiel die Bestimmung der Schallaufzeit. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass alle Energiebanden erfasst werden und der Empfänger nicht altern kann. Um die Veränderung der Sendeleistung zu detektieren, kann hinter das zu durchstrahlende Gefäß ein Referenzgas gegeben werden. Es ist möglich, beide Gefäße so zu verbinden, dass unterschiedliche Druckerhöhungen in beiden Gefäßen ein Signal erzeugen. Durch die Anordnung mehrerer, mit unterschiedlichen Gasen gefüllter Zylinder kann ein Multigassensor aufgebaut werden, um störende Überlagerungen zu eliminieren. Wird ein Detektor in großem Abstand von der Strahlungsquelle angebracht und ein weiterer Sensor in geringem Abstand, dann sind verschieden hohe Konzentrationen detektierbar oder die Drift der Strahlungsquelle ist eliminierbar.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Ermittlung der Konzentration von Gasen, bei dem durch zu untersuchende Messgaskomponenten infrarote Strahlung geleitet wird und aus der absorbierten Energie der infraroten Strahlung die Konzentration der Gaskomponenten bestimmt wird, wobei in einem Gasraum die durch die Absorption der für die Meßgaskomponenten spezifischen elektromagnetischen Strahlung hervorgerufenen Temperatur- und Druckveränderungen ermittelt werden und daraus die Konzentration der Messgaskomponenten bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung einer stehenden akustischen Schallwelle detektiert wird und daraus ein elektrisches Signal erzeugt wird, dessen Größe proportional zur Konzentration der Messgaskomponente ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur- und Druckwerte in einem von der infraroten Strahlung zuvor durchstrahlten Gasraum, der mit einem Referenzgas gefüllt ist, verglichen werden.
  3. Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit einer Infrarot-Strahlungsquelle, einer Messzelle, in die zu analysierendes Gas eingeführt wird, und in welcher ein von der Strahlungsquelle zugeführter Infrarot-Strahl durch das zu analysierende Gas absorbiert wird, und einer Detektoreinrichtung mit zwei miteinander verbundenen Detektorzellen, von denen jede ein Infrarot-Fenster aufweist, zur Erfassung einer Intensitätsdifferenz zwischen Infrarotstrahlen, die die Infrarot-Fenster durchlaufen haben, dadurch gekennzeichnet, dass ein geschlossener Gasraum, der mit einer Konzentration von 100% der Messgaskomponente gefüllt ist, mit einem zweiten Gasraum verbunden ist, der mit einem Referenzgas gefüllt ist, wobei beide so hintereinander angeordnet sind, dass sie unmittelbar nacheinander durchstrahlt werden und dass die Gasräume mit einen Druck-, Temperatur- und/oder Schwingungssensor verbunden sind.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Gasräume mehrere mit unterschiedlichen Gasen gefüllte Zylinder angeordnet sind.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






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