DE102004007953A1

DE102004007953A1 - Signalverarbeitungsmodul für kontinuierlich arbeitenden Infrarot-Gasanalysator

Info

Publication number: DE102004007953A1
Application number: DE200410007953
Authority: DE
Inventors: Dieter Dr. Baschant; Heinz Dr. Gatzmanga
Original assignee: M & R Mes und Regelungstechnik; M+r Mess- und Regelungstechnik -An-Institut An Der Fh Anhalt GmbH
Current assignee: M & R Mes und Regelungstechnik; M+r Mess- und Regelungstechnik -An-Institut An Der Fh Anhalt GmbH
Priority date: 2004-02-18
Filing date: 2004-02-18
Publication date: 2005-09-01

Abstract

Speziell beim Einsatz von IR-Strahlungsquellen, deren Strahlungsleistung durch die Modulation der Heizleistung direkt moduliert wird, können Strahlungsleistungsänderungen am Detektor und entsprechende Messfehler dadurch verursacht werden, dass das Strahlerelement im Betrieb seine Position im Reflektor plötzlich geringfügig verändert. DOLLAR A Das erfindungsgemäße Signalverarbeitungsmodul ist dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitverlauf der vom Strahlungsdetektor erfassten Strahlungsleistung oder Strahlungsleistungsdifferenz parallel zur eigentlichen Ermittlung des Messergebnisses so analysiert wird, dass sprungförmige Signaländerungen innerhalb des sonst stetigen Signalverlaufes herausgefiltert und nachfolgend ein Statussignal gesetzt wird, das einen Nullpunktfehler signalisiert und/oder ein Rechenalgorithmus aktiviert wird, der aus der Sprunghöhe und wenn erforderlich zusätzlich aus der zum Zeitpunkt des Sprunges gemessenen absoluten Signalgröße ein Korrektursignal ermittelt, mit dem das Nullpunktsignal des Analysators korrigiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Signalverarbeitung für kontinuierlich arbeitende Infrarot-Gasanalysatoren zur Messung der Konzentration von Infrarotstrahlung absorbierenden Gasen mit ein oder mehreren Strahlungsquellen, ein oder mehreren Strahlungsdetektoren und einer dem zu analysierenden Gas zugänglichen optischen Messstrecke.

Der Aufbau von optischen Gasanalysatoren und Gestaltung der Messverfahren ist in der Literatur vielfach beschrieben. Als Beispiele seien hier erwähnt: Staab, J.: Industrielle Gasanalyse, Oldenbourg Verlag München, Wien 1994; Wiegleb u.a.: Industrielle Gassensorik, expert verlag, Renningen-Malmsheim 2001. Spezifikationen der Signalverarbeitung sind beispielsweise aus den folgenden Dokumenten bekannt geworden: EP 02 53 872 B1 , EP 04 00 342 B1 , DE 197 16 007 A1 , DE 198 40 570 A1 , DE 102 21 708 A1 .

Die bekannten Verfahren betreffen die Nullpunkteinstellung, die Umsetzung des Quotientenverfahrens bei Sensoren mit Verwendung von Mess- und Referenzwellenlängen und die Betriebsweise von direkt modulierten Strahlern, d.h. mit impulsförmigen Stromsignalen ansteuerbaren Strahlerelementen, z.B. Glühlampen oder Karbonfaserstrahler. Verfahren zur Plausibilitätskontrolle der Messsignale innerhalb der Signalverarbeitung werden nicht dargestellt.

Bei der Entwicklung der IR-Gasmesstechnik spielen Kosten und Energieverbrauch der Geräte eine wesentliche Rolle. Aus diesem Grund werden zunehmend direkt modulierte Strahler in Form von Miniaturglühlampen, Karbonfaserstrahlern oder ähnlich aufgebauten Strahlern als Strahlungsquellen eingesetzt, die für viele Anwendungen in speziell geformte Reflektoren eingebaut werden müssen, um am Strahlungsdetektor eine ausreichende Strahlungsleistung zu erhalten.

Speziell beim Einsatz solcher Strahlungsquellen können Strahlungsleistungsänderungen am Detektor dadurch verursacht werden, dass das Strahlerelement im Betrieb seine Position im Reflektor plötzlich geringfügig verändert.

Diese Intensitätsänderungen verursachen dem Stand der Technik entsprechend Messfehler, die von der Signalverarbeitung bisher nicht entsprechend erkannt und korrigiert werden können.

Dementsprechend ist es Aufgabe der Erfindung, die Signalverarbeitung eines Infrarot-Gasanalysators um ein Verfahren zu erweitern, das die Erkennung von strahlerbedingten Sprüngen im Messsignal eines Infrarot-Gasanalysators gestattet und daraus ein Korrektursignal und/oder ein Statussignal ableitet, so dass der resultierende Messfehler korrigiert oder falls nicht möglich der Benutzer zum Neuabgleich des Systems aufgefordert wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der Zeitverlauf der vom Strahlungsdetektor erfassten Strahlungsleistung oder Strahlungsleistungsdifferenz parallel zur eigentlichen Ermittlung des Messergebnisses so analysiert wird, dass sprungförmige Signaländerungen innerhalb des sonst stetigen Signalverlaufes herausgefiltert und nachfolgend ein Statussignal gesetzt wird, das einen Nullpunktfehler signalisiert und/oder ein Rechenalgorithmus aktiviert wird, der aus der Sprunghöhe und wenn erforderlich zusätzlich aus der zum Zeitpunkt der Sprunges gemessenen absoluten Signalgröße ein Korrektursignal ermittelt, mit dem das Nullpunktsignal des Analysators korrigiert wird.

Im folgenden ist der Gegenstand der Erfindung anhand der 1 bis 5 näher erläutert.
1 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Signalverarbeitungmoduls in einem IR-Gasanalysator mit direkt moduliertem Strahler, geteilter Küvette und gasgefülltem Empfänger.
2 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Signalverarbeitungmoduls in einem IR-Gasanalysator zur Messung einer Gaskomponente mit direkt moduliertem Strahler, Gasmessstrecke und elektronischen Strahlungsdetektor mit Interferenzfilter zur Selektion des Messwellenlängenbereiches.
3 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Signalverarbeitungmoduls in einem IR-Gasanalysator zur Messung mehrerer Gaskomponenten mit direkt moduliertem Strahler, Gasmessstrecke und mehrkanaliger optischer Signalwandlung mit Interferenzfiltern zur Selektion der Wellenlängenbereiche unter Einbeziehung eines optischen Referenzkanals.
4 zeigt eine vereinfachte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Signalverarbeitungmoduls in einem IR-Gasanalysator zur Messung einer Gaskomponente mit direkt moduliertem Strahler, Gasmessstrecke und elektronischen Strahlungsdetektor mit Interferenzfilter zur Selektion des Messwellenlängenbereiches.
5 zeigt eine vereinfachte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Signalverarbeitungmoduls in einem IR-Gasanalysator zur Messung einer Gaskomponenten mit direkt moduliertem Strahler, Gasmessstrecke und zweikanaliger optischer Signalwandlung mit Interferenzfiltern zur Selektion von Mess- und Referenzwellenlänge.
Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabenstellung beruht auf der Erkenntnis, dass die durch Positionsänderungen der Strahlerelemente hervorgerufenen Messsignale ein gravierend anderes Zeitverhalten aufweisen als die durch Konzentrationsänderungen bedingten Messsignalverläufe.
Gemäß 1 besteht ein IR-Gasanalysator, bei dem die vorliegende Erfindung vorteilhaft angewandt werden kann, aus einem direkt moduliertem Strahler 1, einer geteilten Küvette 2 mit Mess- M und Vergleichsseite V, wobei die Vergleichsseite mit einem Gas gefüllt ist, das keine IR-Strahlung absorbiert sowie einem gasgefüllten Zweischichtempfänger als Detektor 3. Eine spezielle Ansteuerung der Strahlerelemente ist in der DE 197 16 007 A1 beschrieben. Die prinzipielle Funktion der einzelnen Baugruppen ist dem Fachmann bekannt und wird auch in der oben erwähnten Monographie, Staab, J.: Industrielle Gasanalyse, Kapitel 2.2 näher erläutert.
Der Detektor 3 liefert ein Signal, das im Idealfall die durch Gasabsorption hervorgerufene Strahlungsleistungsdifferenz zwischen Mess- M und Vergleichsseite V abbildet. Die Auslegung des gasgefüllten Zweischichtempfänger bezüglich Kammergeometrien und Gasfüllung ist eine Multioptimierung mit den Zielgrößen maximale Empfindlichkeit für die Messkomponente, minimale Querempfindlichkeit gegenüber Trägergaskomponenten und Unabhängigkeit gegenüber Strahlungsleistungsschwankungen.
Beim Einsatz eines solchen Gasanalysators werden im Messprozess Signalsprünge beobachtet, die den kleinsten erreichbaren Messbereich beschränken und sich beispielsweise so auswirken, dass bei einem Kohlenmonoxidmessgerät das Messsignal im stationären Zustand schlagartig um ein Signaläquivalent von ca. 2 ppm CO springt und danach wieder über Stunden und Tage konstant bleibt. Dieses Verhalten kann durch Einbeziehung des erfindungsgemäßen Signalverarbeitungsmoduls in die Messsignalverarbeitung des Analysators korrigiert werden. Dazu wird das vorverstärkte Ausgangssignal des Strahlungsdetektors xdv auf zwei parallelen Signalverarbeitungszweigen weiterverarbeitet. Der erste Signalverarbeitungszweig, nachfolgend als Messzweig bezeichnet, umfasst die bekannten Verarbeitungsschritte zur Bildung eines Konzentrationsmesswertes aus einem modulieren optischen Signal: Signalvorverarbeitung 21, bestehend aus Gleichrichtung, Tiefpassfilterung, optionaler Ausreißerbehandlung und weiterer Mittelwertbildung, Nullpunktkorrektur 22 durch Verrechnung eines additiven Korrekturterms xnp1 und der eigentlichen Messwertberechnung 23 bestehend aus einer ersten Störgrößenaufschaltung, der Linearisierung, einer zweiten Störgrößenaufschaltung, und der Dimensionierung. Der zweite Signalverarbeitungszweig, nachfolgend als Korrekturzweig bezeichnet, umfasst im Anschluss an eine ebenfalls vorhandene Signalvorverarbeitung 31, ein Signalanalysemodul 32 zur Bestimmung eines ersten Messsignalgradienten xg' parallel zu einem Verzögerungsglied 33 und einem weiteren Signalanalysemodul 34 zur Bestimmung eines zweiten Messsignalgradienten xg''.
Die Ausgangssignale der Signalvorverarbeitungsmodule 21 und 31 bilden beide, wenn auch mit unterschiedlicher Dynamik, die Amplitude des Messsignals xdv ab und werden nachfolgend als xdam (Amplitudensignal Messzweig) und xdak (Amplitudensignal Korrekturzweig) bezeichnet.
Die Gradientensignale xg' und xg'' werden zusammen mit den Amplitudensignalen von Mess- und Korrekturzweig xdam und xdak in ein Verknüpfungsglied 35 eingegeben, das unter der Voraussetzung des Erkennens eines Impulssignals am Ausgang des Moduls 32 und einer unterhalb eines Schwellwertes xth liegenden Differenzbetrages der mittleren Ausgangssignale dieser Module 32, 34 aus der Differenz der Amplitudensignale von Mess- und Korrekturzweig xdak-xdam ein Korrektursignal xnak bildet, das der Nullpunktkorrektur 22 additiv überlagert wird.
Als Impulssignal wird hierbei im Sinne der Regelungstechnik, vgl. Mann, H., Schiffelgen, H. und Froriep, R.: Einführung in die Regelungstechnik, Carl Hanser Verlag, München Wien, 1997, ein Signal verstanden, das ausgehend von einem stationären Wert einen Maximal- oder Minimalwert erreicht und wieder abklingt. Um eine optimale Korrektur zu erreichen sind die Zeitverzögerungen der Signalvorverarbeitungen 21 und 31, des Verzögerungsgliedes 33 und der Signalanalysemodule 32, 34 so an den Aufbau des Analysators und den Messprozess anzupassen, dass die Zeitkonstante der Signalvorverarbeitung 21 eine verzögerungsarme Abbildung von Konzentrationsänderungen in der Messkammer M ermöglicht, dass die Signalvorverarbeitung 31 deutlich schneller gemacht wird und eine Messwertmittelung nur über wenige Modulationsperioden ausführt, dass die Gradientenbildung im Modul 32 der Dynamik des Ausgangssignals der Signalvorverarbeitung 31 entspricht, dass die Zeitkonstanten des Verzögerungsgliedes 33 so eingestellt werden, dass die durch die Reihenschaltung der Übertragungsglieder 31 und 33 bewirkte Verzögerung größer oder gleich der Verzögerung durch das Übertragungsglied 21 ist, und dass die Gradientenbildung im Modul 34 der Dynamik des Ausgangssignals des Übertragungsgliedes 33 entspricht.
Gemäß 2 besteht ein IR-Gasssensor, bei dem die vorliegende Erfindung ebenfalls vorteilhaft angewandt werden kann, aus einem einfachen direkt modulierten Drahtwendelstrahler 4 in einem Reflektor 5, einer Gasmessstrecke 6, einem elektronischen Strahlungsdetektor 7 mit Interferenzfilter 8 zur Selektion des Messwellenlängenbereiches und einem Vorverstärker 9 zur Verstärkung des Detektorsignals auf einen Signalpegel, der eine weitgehend ungestörte Übertragung ermöglicht. In diesem Fall liefert der Detektor ein Signal, das die einfallende Strahlungsleistung im Messwellenlängenbereich abbildet. d.h. ohne Gasabsorption tritt ein maximales Signal auf und die Gasabsorption führt zu einer relativen Schwächung der auf den einfallenden Detektor einfallenden Strahlungsleistung. Strukturell entspricht der Aufbau des Messzweiges dem des Analysators von 1. Die Nullpunktkorrektur kann aber hier durch Normierung mit einem Nullpunktsignal xnp2 erfolgen, welches dem während der Nullpunktmessung erfassten und nachfolgend gespeicherten Amplitudensignal des Messzweiges entspricht. Diese multiplikative Verrechnung des Nullsignals muss auch in die Berechnung des Nullpunktkorrektursignals xnmk einfließen. Während die Übertragungsglieder 31, 32, 33, und 34 des Korrekturzweiges denen von 1 entsprechen und nach denselben Gesichtspunkten ausgelegt werden können, wie dies in der Beschreibung von 1 bereits dargestellt worden ist, muss dass Verknüpfungsglied 36 zusätzlich einen Normierungsschritt ausführen, indem es die unter den oben beschriebenen Bedingungen berechnete Differenz xdak-xdam mit xdam normiert und als multiplikatives Nullpunktkorrektursignal xnmk bereitstellt.
Gemäß 3 besteht ein weiterer IR-Gasssensor zur parallelen Messung von zwei Gaskomponenten, bei dem die vorliegende Erfindung vorteilhaft angewandt werden kann, aus einem einfachen direkt modulierten Drahtwendelstrahler 4 in einem Reflektor 5, einer Gasmessstrecke 6 und elektronischen Strahlungsdetektoren 71 und 72 mit Interferenzfiltern 81 und 82 zur Selektion von zwei Messwellenlängen und einem gleichartigen elektronischen Strahlungsdetektor 70 mit dem Interferenzfilter 80 zur Selektion einer Referenzwellenlänge sowie Vorverstärkern 90, 91, 92 zur Verstärkung der Detektorsignals auf einen Signalpegel, der eine weitgehend ungestörte Übertragung ermöglicht. Die Vorteile der Verwendung gleichartiger Sensoren zur Messung Strahlungsmessung auf Mess- und Referenzwellenlängen und die Verknüpfung der Signale zu einem Differenz- oder Quotientenverfahren sind dem Fachmann bekannt und werden beispielsweise auch in der DE 198 40 570 A1 beschrieben.
Der in 3 dargestellte Gassensor für zwei Gaskomponenten kann in einfacher Wiese auf die Messung nur einer Gaskomponente reduziert oder um die Messung weiterer Gaskomponenten erweitert werden, indem ein Strahlungsdetektor mit dem entsprechenden Interferenzfilter weggelassen wird oder indem weitere Strahlungsdetektoren mit entsprechenden Interferenzfiltern hinzugefügt werden.
Die Übertragungsglieder 210, 211 und 212 entsprechen dem Übertragungsglied 21 in den 1 und 2, die Übertragungsglieder 310, 311 und 312 entsprechen dem Übertragungsglied 31 in den 1 und 2, die Übertragungsglieder 320, 321 und 322 entsprechen dem Übertragungsglied 32 in den 1 und 2, die Übertragungsglieder 330, 331 und 332 entsprechen dem Übertragungsglied 33 in den 1 und 2 und die Übertragungsglieder 231 und 232 entsprechen dem Übertragungsglied 23 in den 1 und 2 und können wie oben beschrieben ausgelegt werden.
Die Besonderheit des Messverfahrens mit Referenzwellenlänge besteht darin, dass ein modifiziertes Quotientenverfahren im Messzweig dadurch realisiert wird, dass im Zusammenhang mit der Definition des Nullpunktes der Messung in den Übertragungsgliedern 251 und 252 ein Verhältnis zwischen dem jeweiligen Messsignal und dem Referenzsignal gebildet und in diesen Quotienten ein additives Nullpunkkorrektursignal integriert wird oder nachfolgend eine Normierung mit einem multiplikativen Nullpunkkorrektursignal durchgeführt wird.
Dementsprechend muss das Verknüpfungsglied 361 zur Ableitung des Korrektursignals xnk1 für die Messkomponente 1 als Eingangssignale die Amplitudensignale der ersten Messwellenlänge und der Referenzwellenlänge von Mess- und Korrekturzweig xda1m, xdarm, xda1k, xdark, sowie die Gradientensignale xg1', xgr', xg1'' und xgr'' erhalten und das Verknüpfungsglied 362 muss zur Ableitung des Korrektursignals xnk2 für die Messkomponente 2 als Eingangssignale die Amplitudensignale der zweiten Messwellenlänge und der Referenzwellenlänge von Mess- und Korrekturzweig xda2m, xdarm, xda2k, xdam, sowie die Gradientensignale xg2', xgr', xg2'' und xgr'' erhalten, wobei die speziellen Rechenschritte in den Verknüpfungsgliedern 361 und 362 von der genauen Gleichungsform in den Übertragungsgliedern 251 und 252 bestimmt werden. Aus den Beschreibungen der 1 und 2 kann der Fachmann für eine vorliegende Verknüpfungsstruktur der Übertragungsglieder 251 und 252 die Funktion für die Übertragungsglieder 361 und 362 in einfacher Weise ableiten.
Gemäß 4 besteht ein weiterer IR-Gasssensor, bei dem die vorliegende Erfindung vorteilhaft angewandt werden kann, aus einem einfachen direkt modulierten Drahtwendelstrahler 4 in einem Reflektor 5, einer Gasmessstrecke 6 und einem elektronischen Strahlungsdetektor 7 mit Interferenzfilter 8 zur Selektion der Messwellenlänge sowie einem Vorverstärker 9 zur Verstärkung des Detektorsignals auf einen Signalpegel, der eine weitgehend ungestörte Übertragung ermöglicht.
Der Aufbau der Optik entspricht hier vollständig dem Aufbau des in 2 gezeigten Analysators.
Wenn der gastechnische Aufbau des Sensors durch Diffusionsbarrieren die Dynamik des Messprozesses in einem solchen Maße einschränkt, dass die Berechnung des Messergebnisses nur ein Bruchteil der Zeit benötigt, die für die Einstellung der Gaskonzentration in der Gasmessstrecke 6 erforderlich ist und bei auftretenden Fehlern lediglich ein Statusignal erzeugt werden soll, kann die Korrektursignalverarbeitung stark vereinfacht werden.
Es wird nur eine Signalvorverarbeitung 21 benötigt, deren Mittelungszeit so ausgewählt wird, dass elektrische Störsignale weitgehend unterdrückt werden. Um das Messergebnis optimal zu glätten, kann eine weitere Mittelwertbildung im Übertragungsglied 26 erfolgen. Das Übertragungsglied 32 bildet, wie oben beschrieben das Gradientensignal xg'. Wenn, wie vorhergehend dargestellt, Diffusionsbarrieren die Dynamik des Gasaustausches auf der Gasmessstrecke 6 einschränken, kann ein auf dem Signal xg' auftretender Impuls nur auf sprungförmige Strahlungsleistungsänderungen zurückgeführt werden. Da der Impuls hinter einem D-System transient ist, muss er gespeichert werden, was in dem Übertragungsglied 37 erfolgt, das gleichzeitig den Vergleich mit einem vorgebenen Schwellwert xth vornimmt und bei Überschreiten an seinem Ausgang das Statussignal xst aktiviert, das einen Nullpunktfehler signalisiert bzw. eine Nullpunktnachstellung anfordert.
Gemäß 5 besteht ein weiterer IR-Gasssensor, bei dem die vorliegende Erfindung vorteilhaft angewandt werden kann, aus einem einfachen direkt modulierten Drahtwendelstrahler 4 in einem Reflektor 5, einer Gasmessstrecke 6 und elektronischen Strahlungsdetektoren 70 und 71 mit Interferenzfiltern 80 und 81 zur Selektion von Referenz- und Messwellenlänge sowie Vorverstärkern 90, 91 zur Verstärkung der Detektorsignale auf einen Signalpegel, der eine weitgehend ungestörte Übertragung ermöglicht.
Der Aufbau der Optik und der Signalverarbeitung des Messzweiges entspricht hier weitgehend dem Aufbau des Messkanals für die Messung der Messkomponente 1 von 3.
Wenn bei auftretenden Fehlern lediglich ein Statusignal erzeugt werden soll, kann bei einer mehrkanaligen optischen Signalwandlung mit Mess- und Referenzwellenlänge eine vorteilhafte Vereinfachung der Korrektursignalverarbeitung vorgenommen werden, indem nur der Zeitverlauf des Referenzkanals analysiert wird, wobei die Signalvorverarbeitung des Referenzkanals 210 vorzugsweise gerade so schnell gemacht wird, dass elektronische Störungen weitgehend unterdrückt werden, wobei vor der Nullpunktkorrektur 251 im Übertragungsglied 261 vorzugsweise eine weitere Mittelung erfolgt.
Anstelle eines Differenziergliedes, wie in 4 in bezug auf diffusionsgehemmten Gasaustausch beschrieben, wird das Signal xdarm hier über Mittelwertbildungen mit unterschiedlicher Dynamik weiter verarbeitet, was Vorteile bei der Realisierung der Signalverarbeitungsschritte in sich birgt.
Das Übertragungsglied 38 berechnet einen ersten Mittelwert xqr' über eine Zeitspanne T1, wobei die Zeitspanne T1 vorteilhafterweise der Verzögerung innerhalb der Signalvorverarbeitung 210 entspricht. Das Übertragungsglied 39 berechnet einen zweiten Mittelwert xqr'' über eine Zeitspanne T2 die ca. 3- bis 5mal solang ist wie die Zeitspanne T1, wobei der zeitliche Verlauf des Signals xqr'' sprungförmige Gaskonzentrationsänderungen ohne eine deutliche Verzögerung abbildet. Wenn ausreichend Programm- und Datenspeicher sowie Rechenkapazität zur Verfügung steht, kann diese Operation durch einen Medianfilter über 2·T1 oder eine Kombination von Medianfilter und Mittelwertbildung ersetzt werden.
Eine solche Signalauswertung führt dazu, dass das Übertragungsglied 40 nach dem Auftreten sprungförmiger Strahlungsleistungsänderungen in der Gasmessstrecke 6 eine Differenz zwischen xqr' und xqr'' erkennt und daraus ein Statussignal xst ableitet, das einen Nullpunktfehler signalisiert bzw. eine Nullpunktnachstellung anfordert.
Wie für den Fachmann ersichtlich ist, kann die in 4 dargestellte Signalverarbeitungsstruktur auch leicht an die im Zusammenhang mit 5 beschriebenen Verhältnisse angepasst werden und die in 5 dargestellte Signalverarbeitungsstruktur kann leicht an die im Zusammenhang mit 4 beschriebenen Verhältnisse angepasst werden.
Des weiteren ist für den Fachmann ersichtlich, dass zusätzlich zu den in den 1 bis 3 dargestellten Nullpunktkorrektursignalen xnak, xnmk, xnk1, xnk2 Nullpunktfehler-Statussignale xst ausgegeben werden können oder dass die Nullpunktkorrektursignale entfallen können und die nach oben beschriebenen Vorgehensweisen ermittelten Rechenwerte in den Verknüpfungsglieder 35, 36, 361 und 362 als Zwischenergebnisse einem weiteren Vergleich unterzogen werden, wobei als Ausgangssignale dann nur entsprechende Nullpunktfehler-Statussignal ausgegeben werden, wenn die Zwischenergebnisse betragsmäßig einen vorgegebenen Schwellwert überschreiten
In den Zeichnungen verwendete Abkürzungen

M: Messseite einer geteilten Küvette
V: Vergleichsseite einer geteilten Küvette
xdv: vorverstärktes Detektorsignal
xdam: amplitudenproportionales Detektorsignal Messzweig
xdak: amplitudenproportionales Detektorsignal Korrekturzweig
xa: Messergebnis
xnp1, xnp2, xnp31, xnp32: Nullpunktsignale, die während einer Nullpunkteinstellung gespeichert werden
xg', xg'': Gradientensignale
xnak: additives Nullpunktkorrektursignal
xnmk: multiplikatives Nullpunktkorrektursignal
xda1m, xda2m: amplitudenproportionales Detektorsignal für die Messwellenlängen 1 und 2 im Messzweig
xdarm: amplitudenproportionales Detektorsignal für die Referenzwellenlänge im Messzweig
xda1k, xda2k: amplitudenproportionales Detektorsignal für die Messwellenlängen 1 und 2 im Korrekturzweig
xdark: amplitudenproportionales Detektorsignal für die Referenzwellenlänge im Korrekturzweig
xg1', xg1'': Gradientensignale für die Messkomponente 1
xg2', xg2'': Gradientensignale für die Messkomponente 2
xa1, xa2: Messergebnisse für die Messkomponenten 1 und 2
xst: Nullpunktfehler-Statussignal

Claims

Verfahren zur Signalverarbeitung in einem kontinuierlich arbeitenden Infrarot-Gasanalysator zur Messung der Konzentration von Infrarotstrahlung absorbierenden Gasen mit ein oder mehreren Strahlungsquellen, ein oder mehreren Strahlungsdetektoren und einer dem zu analysierenden Gas zugänglichen optischen Messstrecke, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitverlauf der vom Strahlungsdetektor erfassten Strahlungsleistung oder Strahlungsleistungsdifferenz parallel zur eigentlichen Ermittlung des Messergebnisses so analysiert wird, dass sprungförmige Signaländerungen innerhalb des sonst stetigen Signalverlaufes herausgefiltert und nachfolgend ein Statussignal gesetzt wird, das einen Nullpunktfehler signalisiert und/oder ein Rechenalgorithmus aktiviert wird, der aus der Sprunghöhe und wenn erforderlich zusätzlich aus der zum Zeitpunkt der Sprunges gemessenen absoluten Signalgröße ein Korrektursignal ermittelt, mit dem das Nullpunktsignal des Analysators korrigiert wird.
Verfahren zur Signalverarbeitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines Infrarot-Gasanalysators das vorverstärkte Signal des Strahlungsdetektors parallel zur Messwertberechnung im Messzweig weiterverarbeitet wird durch – eine Signalvorverarbeitung 31 zur Ermittlung eines der vom Strahlungsdetektor erfassten modulierten Strahlungsleistung proportionalen Signals xdak bestehend aus Gleichrichtung, Tiefpassfilterung, optionaler Ausreißerbehandlung und weiterer Mittelwertbildung, – ein Signalanalysemodul 32 zur Bestimmung eines ersten Messsignalgradienten xg' aus dem Signal xdak, – ein Verzögerungsglied 33 und ein weiteres Signalanalysemodul 34 zur Bestimmung eines zweiten Messsignalgradienten xg'' aus dem Signal xdak und – ein Verknüpfungsglied 35 zur Bildung eines Nullpunktkorrektursignals.
Verfahren zur Signalverarbeitung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die Signalvorverarbeitung 31, zur Bildung des Signals xdak eine Mittelwertbildung nur über eine oder wenige Modulationsperioden der Infrarot-Strahlung durchführt, während die Signalvorverarbeitung 21 des Messzweiges zur Bildung des Signals xdam eine Mittelwertbildung über eine Vielzahl Modulationsperioden vornimmt und – die Verzögerung im Übertragungsglied 33, so eingestellt wird, dass die durch die Reihenschaltung der Signalvorverarbeitung 31, mit dem Übertragungsglied 33, bewirkte Verzögerung größer oder gleich der Verzögerung durch die Signalvorverarbeitung 21, des Messzweiges wird.
Verfahren zur Signalverarbeitung nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verknüpfungsglied 35 aus den Signalen xdam. xdak, xg' und xg'' ein Nullpunktkorrektursignal bildet, wenn es im Zeitverlauf des Signals xg' ein Impulssignal erkannt hat und nach Abklingen des Impulssignals der Betrag der Differenz zwischen xg' und xg'' kleiner als ein Schwellwert ist.
Verfahren zur Signalverarbeitung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Nullpunktkorrektursignal aus der Differenz xdak-xdam gebildet wird und additiv auf die Nullpunktkorrektur des Messzweiges wirkt.
Verfahren zur Signalverarbeitung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Nullpunktkorrektursignal aus der normierten Differenz (xdak-xdam)/xdam gebildet wird und multiplikativ auf die Nullpunktkorrektur des Messzweiges wirkt.
Verfahren zur Signalverarbeitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines Infrarot-Gasanalysators das der erfassten modulierten Strahlungsleistung oder Strahlungsleistungsdifferenz proportionale Signal zur Ermittlung eines Nullpunktfehler-Statussignals parallel zur Messwertberechnung im Messzweig weiterverarbeitet wird durch – ein Signalanalysemodul zur Bestimmung eines Signalgradienten xg' – und ein Speicher- und Verknüpfungsglied zum Setzen des Nullpunktfehler-Statussignals, wenn der Betrag des Signalgradienten xg' einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet und zum Rücksetzen des Nullpunktfehler-Statussignals nach einer nachfolgend durchgeführten Nullpunktnachstellung.
Verfahren zur Signalverarbeitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines Infrarot-Gasanalysators das der erfassten modulierten Strahlungsleistung oder Strahlungsleistungsdifferenz proportionale Signal zur Ermittlung eines Nullpunktfehler-Statussignals parallel zur Messwertberechnung im Messzweig weiterverarbeitet wird durch – zwei parallele Übertragungsglieder zur Mittelwertbildung, wobei das erste Übertragungsglied das Signal xq' aus einer Mittelwertbildung über eine Zeit T1 bildet und das zweite Übertragungsglied das Signal xq'' aus einer Mittelwertbildung über eine Zeit T2 bildet, wobei die Zeit T2 länger als die Zeit T1 ist, – und ein Speicher- und Verknüpfungsglied zum Setzen des Nullpunktfehler-Statussignals, wenn der Betrag der Differenz zwischen den Ausgangssignalen des ersten Übertragungsgliedes den Ausgangssignalen des ersten Übertragungsgliedes xq' und des zweiten Übertragungsgliedes xq'' einen vorgegebener Schwellwert überschreitet und zum Rücksetzen des Nullpunktfehler-Statussignals nach einer nachfolgend durchgeführten Nullpunktnachstellung.
Verfahren zur Signalverarbeitung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines Infrarot-Gasanalysators mit mehrkanaliger optischer Signalwandlung unter Verwendung von Mess- und Referenzwellenlängen vorhanden sind – eine Signalvorverarbeitung 310 zur Ermittlung eines Signals xdark, das der von dem auf der Referenzwellenlänge arbeitenden Strahlungsdetektor erfassten modulierten Strahlungsleistung proportional ist, bestehend aus Gleichrichtung, Tiefpassfilterung, optionaler Ausreißerbehandlung und weiterer Mittelwertbildung, – eine Signalvorverarbeitung 311 zur Ermittlung eines Signals xda1k, das der von dem auf der ersten Messwellenlänge arbeitenden Strahlungsdetektor erfassten modulierten Strahlungsleistung proportional ist, bestehend aus Gleichrichtung, Tiefpassfilterung, optionaler Ausreißerbehandlung und weiterer Mittelwertbildung, – ein Signalanalysemodul 320 zur Bestimmung eines ersten Referenzsignalgradienten xgr' aus dem Signal xdark, – ein Signalanalysemodul 321 zur Bestimmung eines ersten Messsignalgradienten xg1' aus dem Signal xda1k, – ein Verzögerungsglied 330 und ein weiteres Signalanalysemodul 340 zur Bestimmung eines zweiten Referenzsignalgradienten xgr'' aus dem Signal xdark, – ein Verzögerungsglied 331 und weiteres Signalanalysemodul 341 zur Bestimmung eines zweiten Messsignalgradienten xg1'' aus dem Signal xda1k und – ein Verknüpfungsglied 361 zur Bildung eines Nullpunktkorrektursignals.
Verfahren zur Signalverarbeitung nach Anspruch 1, 2 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass – die Signalvorverarbeitung 310, zur Bildung des Signals xdark eine Mittelwertbildung nur über eine oder wenige Modulationsperioden der Infrarot-Strahlung durchführt, während die Signalvorverarbeitung 210 des Messzweiges zur Bildung des Signals xdarm eine Mittelwertbildung über eine Vielzahl Modulationsperioden vornimmt, – die Signalvorverarbeitung 311, zur Bildung des Signals xda1k eine Mittelwertbildung nur über eine oder wenige Modulationsperioden der Infrarot-Strahlung durchführt, während die Signalvorverarbeitung 211 des Messzweiges zur Bildung des Signals xda1m eine Mittelwertbildung über eine Vielzahl Modulationsperioden vornimmt, – die Verzögerung im Übertragungsglied 330, so eingestellt wird, dass die durch die Reihenschaltung der Signalvorverarbeitung 310, mit dem Übertragungsglied 330, bewirkte Verzögerung größer oder gleich der Verzögerung durch die Signalvorverarbeitung 210, des Messzweiges wird und dass – die Verzögerung im Übertragungsglied 331, so eingestellt wird, dass die durch die Reihenschaltung der Signalvorverarbeitung 311, mit dem Übertragungsglied 331, bewirkte Verzögerung größer oder gleich der Verzögerung durch die Signalvorverarbeitung 211, des Messzweiges wird
Verfahren zur Signalverarbeitung nach Anspruch 1, 2, 9, und 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verknüpfungsglied 361 aus den Signalen xdarm. xdark, xgr' xgr'', xda1m. xda1k, xg1' und xg1'' ein Nullpunktkorrektursignal bildet, wenn es im Zeitverlauf des Signals xgr' und/oder des Signals xg1'ein Impulssignal erkannt hat und nach Abklingen des Impulssignals der Betrag der Differenzen xgr'-xgr'' und xg1'-xg1'' kleiner als ein Schwellwert ist.
Verfahren zur Signalverarbeitung nach Anspruch 1, 2, 9, 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Nullpunktkorrektursignal aus der Differenz xdark-xdarm – (xda1k-xda1m) gebildet wird und additiv auf die Nullpunktkorrektur des Messzweiges wirkt.
Verfahren zur Signalverarbeitung nach Anspruch 1, 2, 9, 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Nullpunktkorrektursignal aus dem Quotienten xdark-xdarm/(xda1k-xda1m) gebildet wird und multiplikativ auf die Nullpunktkorrektur des Messzweiges wirkt.
Verfahren zur Signalverarbeitung nach Anspruch 1, 2, sowie 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines Infrarot-Gasanalysators mit mehrkanaliger optischer Signalwandlung unter Verwendung von Mess- und Referenzwellenlängen für jede weitere Messwellenlänge zusätzliche Signalverarbeitungsstufen vorhanden sind, die für die von den Strahlungsdetektoren auf der jeweiligen Messwellenlänge erfassten Signale dieselben Operationen bereitstellen, die bei mehrkanaliger optischer Signalwandlung mit einer Messwellenlänge mit dem Signal des Messwellenlängendetektors durchgeführt werden.
Verfahren zur Signalverarbeitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines Infrarot-Gasanalysators mit mehrkanaliger optischer Signalwandlung unter Verwendung von Mess- und Referenzwellenlängen das der erfassten modulierten Strahlungsleistung auf dem Referenzkanal proportionale Signal zur Ermittlung eines Nullpunktfehler-Statussignals parallel zur Messwertberechnung im Messzweig weiterverarbeitet wird durch – ein Signalanalysemodul zur Bestimmung eines Signalgradienten xgr', – und ein Speicher- und Verknüpfungsglied zum Setzen des Nullpunktfehler-Statussignals, wenn der Betrag des Signalgradienten xgr' einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet und zum Rücksetzen des Nullpunktfehler-Statussignals nach einer nachfolgend durchgeführten Nullpunktnachstellung.
Verfahren zur Signalverarbeitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines Infrarot-Gasanalysators mit mehrkanaliger optischer Signalwandlung unter Verwendung von Mess- und Referenzwellenlängen das der erfassten modulierten Strahlungsleistung auf dem Referenzkanal proportionale Signal zur Ermittlung eines Nullpunktfehler-Statussignals parallel zur Messwertberechnung im Messzweig weiterverarbeitet wird durch – zwei parallele Übertragungsglieder zur Mittelwertbildung, wobei das erste Übertragungsglied das Signal xqr' aus einer Mittelwertbildung über eine Zeit T1 bildet und das zweite Übertragungsglied das Signal xqr'' aus einer Mittelwertbildung über eine Zeit T2 bildet, wobei die Zeit T2 länger als die Zeit T1 ist, – und ein Speicher- und Verknüpfungsglied zum Setzen des Nullpunktfehler-Statussignals, wenn der Betrag der Differenz zwischen den Ausgangssignalen des ersten Übertragungsgliedes xqr' und des zweiten Übertragungsgliedes xqr'' einen vorgegebener Schwellwert überschreitet und zum Rücksetzen des Nullpunktfehler-Statussignals nach einer nachfolgend durchgeführten Nullpunktnachstellung.