Abbildung 6 zeigt ein Beispiel für die tatsächliche Struktur eines Infrarot-Gasanalysators. Er besteht aus einer Kombination von Hauptteilen mit den in Tabelle 1 aufgeführten Funktionen.
Abbildung 6: Aufbau eines Infrarot-Gasanalysators
| 1) Infrarotlichtquelle | Strahlt Infrarotstrahlung mit Wellenlängen im mittleren Infrarotbereich von 2,5-25 μm aus |
| 2) Zerhacker | Intermittierende Infrarotstrahlung von einer Infrarotlichtquelle wird in regelmäßigen Abständen an eine Probenzelle und eine Referenzzelle abgegeben (eine Art Modulationsmechanismus) |
| 3) Probenzelle, Referenzzelle | Die Probenzelle ist eine Gaszelle, durch die Probengas fließt, das die gemessene Komponente enthält. Die Referenzzelle ist eine Gaszelle, durch die Referenzgas fließt oder die umschlossen ist, und sie wird zu einem optischen Pfad für Infrarotstrahlung. |
| 4) Optischer Filter | Ein mehrschichtiger Membranfilter, der nur Infrarotstrahlung der absorbierten spezifischen Wellenlänge der gemessenen Komponente durchlässt |
| 5) Hauptdetektor für die Messkomponente | Detektionsmechanismus inklusive Sensoren zur Erkennung von Änderungen der Infrarotabsorption der Messkomponente |
| 6) Kompensationsdetektor für die Störkomponente | Detektionsmechanismus, einschließlich Sensoren, zur Erkennung von Änderungen der Infrarotabsorption von Störkomponenten, um den Einfluss der Störkomponente auf die gemessene Komponente zu kompensieren |
| 7) Signalverarbeitung | Signalverarbeitung der detektierten Signale von 5 und 6 zur Berechnung der Konzentration der gemessenen Komponente |
Foto 1: Beispiel eines Infrarot-Gasanalysators mit den Hauptkomponenten
Foto 1 zeigt ein Beispiel für einen Infrarot-Gasanalysator, der mit den Hauptkomponenten konfiguriert ist. Um schnell auf die unterschiedlichen Marktanforderungen reagieren zu können, stellt HORIBA die Schlüsselkomponenten eines Infrarot-Gasanalysators selbst her: Infrarotlichtquelle, Probenzelle, Referenzzelle, optischer Filter und Detektor.
In diesem Abschnitt werden die Funktionsprinzipien des eigentlichen Infrarot-Gasanalysators erläutert. Die Grundstruktur des Infrarot-Gasanalysators (Abbildung 4) umfasst eine Referenzzelle, einen Chopper und einen pneumatischen Detektor (Abbildung 5) und kann die Gaskonzentration mithilfe der drei Hauptfunktionen in Tabelle 2 messen (Abbildung 6, Foto 1).
| 1) Erkennungsfunktion der Messkomponente | Erkennt die absorbierte Infrarotstrahlung entsprechend der gemessenen Komponente im Probengas |
| 2) Modulationsfunktion | Um die Messgenauigkeit zu verbessern, wird die Infrarotstrahlung der Infrarotlichtquelle in regelmäßigen Abständen unterbrochen und das Detektorsignal als moduliertes Signal ausgegeben. |
| 3) Kompensationsfunktion für Störkomponenten | Erkennen der Infrarotabsorption entsprechend der Konzentration der Störkomponente, um die Auswirkungen der Störkomponente auf die Messkomponente zu kompensieren |
In diesem Abschnitt wird das Funktionsprinzip für den Fall beschrieben, dass es sich bei dem Probengas um Abgas handelt und der CO-Gehalt im Abgas gemessen wird.
Es werden zwei Gaszellen (Probenzelle und Vergleichszelle) verwendet. Der Unterschied in der Menge der Infrarotabsorption, die in jeder Gaszelle basierend auf dem NDIR-Messprinzip erzeugt wird, wird von einem Kondensatormikrofon im pneumatischen Detektor als Druckunterschied erkannt und die Konzentration der gemessenen Komponente im Probengas wird anhand des Druckunterschieds gemessen. Der Detektor zur Messung der Konzentration der gemessenen Komponente wird als Hauptdetektor für die gemessene Komponente bezeichnet (Abbildung 6).
Funktionen und Betrieb der Probenzelle, Referenzzelle und des Kondensatormikrofons (Abbildung 7)
Abbildung 7: Grundlegendes Funktionsprinzip des Analysators
Im pneumatischen Detektor (Abbildung 5) befindet sich CO, eine zu messende Komponente, in zwei durch eine Kondensatormikrofonmembran getrennten Kammern. Die Membran des Kondensatormikrofons im Detektor bewegt sich aufgrund des Druckunterschieds zwischen den beiden Kammern, wodurch sich die Kapazität eines Kondensators ändert, der aus dieser Membran und der Rückplatte besteht. Der Druckunterschied wird als elektrisches Signal erkannt.
In der Referenzzelle ist ein Inertgas wie N2 eingeschlossen, das keine Infrarotstrahlung absorbiert. In dieser Zelle wird keine Infrarotstrahlung absorbiert und nur die Infrarotstrahlung der Absorptionswellenlänge für CO wird durch den optischen Filter übertragen und gelangt in die rechte Kammer des Detektors unter der Referenzzelle. Das eingeschlossene CO absorbiert übertragene Infrarotstrahlung und erzeugt Wärme, die den Kammerdruck erhöht und die Membran ständig mit einem konstanten Druck drückt.
Andererseits wird Infrarotstrahlung in der Probenzelle abhängig von der CO-Konzentration im Abgas absorbiert. Die Infrarotstrahlung einer bestimmten Wellenlänge wird nach der Absorption in der Probenzelle selektiv durch den optischen Filter für die Infrarotabsorptionswellenlänge von CO durchgelassen und gelangt in die linke Kammer des Detektors unterhalb der Probenzelle, wobei sie die Membran mit einem Druck drückt, der der Menge an Infrarotstrahlung entspricht, die von dem in der linken Kammer eingeschlossenen CO absorbiert wird. Zu diesem Zeitpunkt bewegt sich die Membran durch den Druckunterschied zwischen der linken und rechten Kammer (sie bewegt sich nicht oder bewegt sich in Richtung der linken Kammer. Was den Druck betrifft, ist linke Kammer ≤ rechte Kammer). Dieser Druckunterschied wird als Infrarotabsorption von CO im Abgas in ein elektrisches Signal umgewandelt und ausgegeben, das von der Signalverarbeitungseinheit in einen CO-Gaskonzentrationswert umgewandelt wird.
Das Kondensatormikrofon erkennt die Kapazitätsänderung, wenn zwischen der Membran und der Rückplatte ein Abstandsunterschied besteht, der sich entsprechend dem Druckunterschied zwischen der linken und rechten Seite der Membran ändert. Selbst wenn sich die Konzentration des gemessenen Gasbestandteils wenig ändert und die Bewegung der Membran klein und langsam ist, wird die Infrarotstrahlung der Infrarotlichtquelle in regelmäßigen Abständen unterbrochen, um die Membran in regelmäßigen Abständen vibrieren zu lassen. Die winzige Konzentrationsänderung kann genau gemessen werden. Diese Abfolge von Vorgängen wird als Modulation bezeichnet.
Funktion und Bedienung des Choppers
Abbildung 8: Chopperbetrieb vs. Infrarotversorgung
Genauer gesagt handelt es sich dabei um einen Mechanismus, der eine dünne Platte, die wie eine Fliege aussieht und als Chopper bezeichnet wird, unter einer Infrarotlichtquelle rotieren lässt, wodurch der Modulationsvorgang durchgeführt wird (Abbildung 8).
Durch Drehen dieser dünnen Platte ändert sich die Menge der Infrarotstrahlung jeder Infrarotlichtquelle der Probenzelle und der Referenzzelle kontinuierlich periodisch von 0 % bis 100 %. Wenn beispielsweise der Chopper die Infrarotlichtquelle beider Zellen vollständig überlappt (Drehwinkel: 0 Grad), wird in beiden Zellen keine Infrarotstrahlung erzeugt und die Kondensatormikrofonmembran bläst sich nicht auf. Umgekehrt wird bei keiner Überlappung (Drehwinkel: 90 Grad) beiden Zellen 100 % Infrarotstrahlung von der Infrarotlichtquelle zugeführt.
Abbildung 9: Betrieb des Infrarot-Gasanalysators und Erkennung von Konzentrationssignalen der gemessenen Komponente
Durch die Kombination von 1) und 2) ist es dem Kondensatormikrofon möglich, den seitlichen Differenzdruck zu erfassen, der proportional zur Konzentration der gemessenen Komponente (CO im Abgas) ist, die zur Probenzelle strömt (Abbildung 9).
Neben den im Probengas enthaltenen Gasen können auch andere Gase vorhanden sein, deren Wellenlängen sich mit der Infrarotabsorptionswellenlänge der gemessenen Komponente überschneiden. Diese Gase werden als Störkomponenten bezeichnet. (Abbildung 10: Infrarotabsorptionswellenlängen und Infrarotabsorptionsmengen der gemessenen Komponente und der Störkomponenten.) Bei gleichzeitiger Anwesenheit der Störkomponenten enthält das Ausgangssignal des Hauptdetektors für die gemessene Komponente Infrarotstrahlung, die von der Störkomponente absorbiert wird. Dieser Effekt muss daher entfernt werden. Um diesen Effekt zu entfernen, erkennt der Kompensationsdetektor für Störkomponenten die Infrarotabsorption, die der Konzentration der Störkomponente im Probengas entspricht.
Funktion und Betrieb des Kompensationsdetektors für Störkomponenten
Abbildung 10: Kompensationsdetektor für die Störkomponente und Erhalt des gemessenen Komponentensignals nach Korrektur des Störeffekts
Der Kompensationsdetektor für die Störkomponente ist so platziert, dass er denselben optischen Pfad und dieselbe Modulationsfunktion der Infrarotstrahlung hat wie der Hauptdetektor für die Messkomponente (Abbildung 10). Der Detektor zur Störkompensation ist ebenfalls ein pneumatischer Detektor vom gleichen Typ (Abbildung 5) wie der Hauptdetektor für die Messkomponente. Die verbleibende Infrarotstrahlung, die von der Messkomponente und der Störkomponente im Hauptdetektor für die Messkomponente absorbiert wird, wird an den Kompensationsdetektor für die Störkomponente übertragen. Diese übertragene Infrarotstrahlung wird von dem im Kompensationsdetektor für die Störkomponente eingeschlossenen Interferenzkorrekturgas absorbiert und vom Kondensatormikrofon als Druckunterschied erfasst. Dadurch wird ein Korrektursignal (B) erkannt, das der Konzentration der Störkomponente entspricht (Abbildung 10, Diagramm „Signal zur Korrektur der Störkomponente“). Durch Subtrahieren des Ausgangssignals (B) des Kompensationsdetektors für die Störkomponente vom Ausgangssignal (A) des Hauptdetektors für die Messkomponente in der Signalverarbeitung kann die Konzentration der Messkomponente mit Interferenzkorrektur ermittelt werden.
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